多功能智能窗设计报告.doc
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2012AMD杯(青岛)大学生电子设计竞赛复赛设计报告
参赛队号:
2012030
项目中文名称:
多功能智能窗
项目英文名称:
SmartWindow
学校:
中国海洋大学
院系:
工程学院自动化及测控系
指导老师:
黎明
参赛队员:
李明扬、樊铭远、刘赛、黄嘉俊
目录
摘要 2
Abstract 2
一、系统功能分析 2
二、硬件设计方案 2
1、控制器设计方案 2
2、程序下载与串口通讯电路设计方案 2
3、温度传感器电路设计方案 2
4、湿度传感器电路设计方案 2
5、红外报警传感器设计方案 2
6、角度测量电路设计方案 2
7、雨滴模块设计方案 2
8、GPRS通信模块设计方案 2
9、LCD液晶显示器硬件设计方案 2
10、键盘硬件设计方案 2
11、电机硬件设计方案 2
12、系统供电设计方案 2
三、软件设计方案 2
1、整体软件流程 2
2、温度数据融合方案 2
3、自动调节窗户角度设计方案 2
4、通讯模块底层软件设计 2
5、通讯模块人机交互指令设计 2
6、系统输入的软件设计方案 2
7、LCD显示界面设计方案 2
四、系统测试方案 2
1、角度标定测试 2
2、角度控制精度测试 2
3、多个温度传感器融合算法测试 2
参考文献:
2
附录1:
核心程序 2
附录2:
程序清单 2
附录3:
设计原理图与PCB 2
摘要
本项目给出了以STM32单片机为控制器的多功能智能窗实现方案。
本系统以STM32单片机为控制器,实现智能窗根据环境自动开闭、手机远程遥控开闭、防盗报警功能。
智能窗的开闭由电机带动,关闭后有自锁功能;通过手机与系统的GSM模块通信,可实现对智能窗的远程控制;实时监测室内外的温湿度,通过信息融合算法实现窗户开度的自动控制;窗户上的主动红外报警器检测到入侵信号后会拉响警铃,并向用户发送报警短信。
关键词:
智能窗 信息融合 远程通讯
Abstract
Thisprojectgivesapracticalschemeofasmartwindowwhichiscontrolledbyaembeddedcontroller,STM32.Thefunctionofthissystemcontainstheautocontroloftheangleofthewindowintermsoftheenvironment,theremotecontrolofthewindowbymobilephone,andburglaralarm.Theangleofthewindowiscontrolledbyamotor,andthewindowcanbelockedautomaticwhenitclosed;theremotecontrolisrealizedbythecommunicationoftheuserandtheGSMmoduleofthesystem;thetemperatureandhumiditysensorscangetreal-timedatathenthesystemcangetaappropriateanglebyinformationfusion;theinfraredalarmcandetecttheinvaderandthebeeperwillringatthesametime,inthesametime,theuserwillreceivethealarmmessagesendfromthesystem.
Keywords:
SmartWindow DataFusion RemoteCommunication
一、系统功能分析
本系统的目标是设计一款多功能智能窗,应用于未来的智能家居。
主要功能如下:
1、多传感器测量:
利用多组温湿度传感器,将各传感器的测量结果进行融合,能够给出较准确的温湿度信息;实时监控室内外温度,并反馈给用户;配置雨滴检测模块,能够监测室外下雨情况,并及时提醒用户。
2、智能运动控制:
使用直流电机驱动的电动推杆实现智能窗的开闭,并设置自动调节功能,当内外温湿度变化时自动调节窗户的开度。
3、人机交互功能:
配置了LCD显示器和4*4键盘,能够实时显示室内外温湿度信息,可用键盘对各功能进行设置,并修改开机密码、手机号等用户信息;并可用GPRS模块与用户进行远程通讯完成上述功能。
4、远程通讯功能:
配置了GPRS模块与用户通讯,使用户可以用手机命令的形式控制智能窗任意角度的开闭;并可对系统功能和用户信息进行设置。
5、防盗报警功能:
配置对射式红外传感器作为防盗报警器,在报警开启情况下,检测到外界入侵会及时发送短信提醒用户。
6、数据存储功能:
使用MCU内置的FLASH,实现用户数据和系统配置信息的在线更新和掉电存储,防止用户信息丢失。
二、硬件设计方案
硬件整体框图:
图2-1硬件整体框图
1、控制器设计方案
1.1控制器简介
本设计的控制器采用STM32单片机系列的单片机STM32F103RBT6。
以下是它的部分特性:
(1)采用ARMCortex-M3内核,拥有最高72MHz的工作频率,对于设计所需的较多功能能够及时的处理。
内核中的Systick定时器可作为精确延时的工具,便于传感器控制时序的处理。
(2)配置128KB的闪存程序存储器,足够容纳复杂的程序设计代码,并可以利用剩余的flash空间存放用户数据和系统配置信息。
(3)内置两个12位AD,转换时间1微秒,并有多达16个输入通道,可用于实现窗户角度信息的采集。
(4)配置三个通用定时器TIM2、TIM3、TIM4,一个高级控制定时器TIM1,每个定时器又有四个可分别控制的通道,方便灵活,功能强大。
可实现定时中断,PWM脉宽调制,正交编码输入等功能。
(5)配置三个USART外设,可方便的与计算机进行通讯,便于系统的测试;同时方便与GPRS芯片MC37i进行通讯,实现短信收发的控制。
(6)配置多个具有复用功能的I/O端口,速度可达50MHz,所有端口都可以映像到16个外部中断,几乎所有端口都可以容忍5V信号。
1.2控制器外围电路设计
(1)复位电路设计
图2-2复位电路原理图
(2)外部晶振电路
43
图2-2外部晶振电路图
(3)电源滤波电路
图2-3电源滤波电路图
除了在VDDA和VSSA之间设置滤波电路之外,还在单片机所有的四个VSS和VDD之间都放置一个0.1uF的滤波电容。
(4)Boot0和Boot1电路
Boot0和Boot1管脚在芯片复位时的电平状态决定了芯片复位后的启动方式。
BOOT1=X
BOOT0=0
从用户闪存启动,这是正常的工作模式
BOOT1=0
BOOT0=1
从系统存储器启动,这种模式启动的程序功能由厂家设置。
BOOT1=1
BOOT0=1
从内置SRAM启动,这种模式可以用于调试。
本设计为了可以采用JTAG和ISP两种方式下载程序,在BOOT0处设置了一个选择开关,进行ISP下载时要将BOOT0管脚拉高,下载完后再拉低即可正常运行。
图2-4芯片启动方式电路图
2、程序下载与串口通讯电路设计方案
本设计采用可以采用两种方式进行程序下载:
ISP方式和JTAG方式。
2.1ISP下载与串口通讯电路设计
本设计采用Prolific公司生产的PL2303芯片进行USB和串口信号的转换,它具有高度集成的特点,提供了一个在USB接口跟RS232串口之间通信的的解决方案。
在使用时,作为RS232/USB双向转换器,一方面从RS232外设中接收数据并将其转换为USB数据格式传发送给外设;另一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流送回主机。
开发者无需考虑固件设计,因而对嵌入式设计者是透明的,便于实现了单片机串口和计算机USB口的通讯和ISP下载。
以下是PL2303外围电路设计:
为了防止系统在使用外部电源供电时内部5V电压与USB接口的5V电压输入冲突,在USB电压输入端接500mA保险丝,并串接肖特基二极管1N5819,起到保护作用。
图2-5PL2303外围电路图
2.2JTAG下载电路设计
本设计使用20针的JTAG接口作为与外界的连接端口。
JTAG拥有一个双向串行端口,可以通过JTAG将需要运行或者调试的程序下载到单片机的FLASH内,控制STM32F103的运行,读取片内寄存器值,以及刷新存储器的内容,方便了程序的编写和维护。
标准JTAG接口是4线;TD0、TD1、TMS和TCLK,分别为数据输出、数据输入、模式选择和时钟。
电路中在JTAG的电压输入端串接肖特基二极管1N5819,在电路板采用JTAG供电时达到保护电路的目的。
图2-6JTAG下载电路图
3、温度传感器电路设计方案
本设计采用DS18B20作为温度传感器。
DS18B20温度传感器是一线式数字温度传感器,温度测量范围是-55℃~+125℃,测温分辨率可达0.0625℃,精度较高;电源供电范围为3V~5.5V。
18B20的最大特点是支持单总线挂接多个传感器,极大地节约了硬件电路,便于多传感器网络的搭建。
因为每个18B20有唯一的系列号,写在传感器的ROM内,可以通过读取ROM命令和搜索ROM命令识别总线上的器件,分别读取他们的信息。
以下是18B20的电路接口图,在电源与地直接连入0.1uF电容起滤波作用。
图2-7DS18B20电路图
4、湿度传感器电路设计方案
本设计中湿度传感器选择了DHT11。
DHT11温湿度传感器是一款湿温度一体化的数字传感器,其湿度测量范围:
20-90%RH,湿度分辨率:
1%RH,精度较高,能较精确的测量室内的湿度。
同时HDT11硬件设计简单,只需单片机的一个端口就可读取其数据,非常方便。
以下是DHT11的硬件电路图:
图2-8DHT11原理图
5、红外报警传感器设计方案
红外报警电路采用对射式红外线检测装置,通过检测红外线是否被遮挡判断是否有异常。
红外发射头选用OSE-1L7,其外形和发光二极管LED相似,发射波长940纳米左右的红外线,管压降约1.4V,工作电流一般小于20mA,控制方便。
红外线接收管采用IRM8601S,它是一个一体式红外线接收传感器,接收头内部集成自动增益控制电路、带通滤波电路、解码电路及输出驱动电路。
它共有三个管脚,电源、地和信号输出,其中心接收频率为38KHz,当接收到38KHz的红外光信号时,会输出一个10毫秒的低电平脉冲信号,当没有接收到38KHz的红外光信号时,输出端为高电平。
以下是红外报警电路的图:
图2-9红外