51单片机控制的智能窗的设计 精品.docx
《51单片机控制的智能窗的设计 精品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《51单片机控制的智能窗的设计 精品.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
51单片机控制的智能窗的设计精品
基于51单片机控制的智能窗的设计
引言:
当今世界建筑正朝着智能化方向发展，这种发展趋势也正是人类社会的文明程度在一定历史时期的体现。
但现在使用的窗户大多数是单纯的推拉式或平移式的，并且与自动控制毫不沾边,更不用说智能化了。
如果使窗户具有一定的智能,如下雨则自动关、室内有害气体超标则自动开、有盗贼入内则自动报警等,就会给人们的居家生活带来诸多方便,从而进一步提高人们的生活质量。
再者，这给在楼层高的住户擦拭玻璃带来很大困难。
沿着这样的思路,我们设计了以AT89S51单片机为中央控制器的智能窗。
该智能窗能通过其数据检测传感电路不断循环检测室内湿度、有害气体（如媒气）浓度等信号，经处理后传入单片机。
单片机对信号进行运算，然后与由预先设置的参数临界值相比较,从而作出开/关窗的判断,再结合窗状态检测电路所检测到的当前窗状态,再输出脉冲信号调整步进电机，完成下雨刮风自动关窗、室内有害气体超标自动开窗等。
1总体方案的设计
1.1本设计的主要任务和内容
1、自动开关窗：
阳光明媚的早上光敏晶体管感光通过单片机控制板自动打开窗户，更新室内空气；傍晚太阳落下时窗子自动关闭；
2、自动防风：
当风速超过8m/s时，风速传感器检测信号，单片机控制板使窗户自动关闭。
即使主人不在家，照样将其看管得无微不至，为您营造一个干干净净的环境。
3、自动防雨：
平时上班或临时加班不能及时关窗、出门在外也总有忘记关窗的时候，遇到下雨时，湿敏传感器检测到下雨信息，单片机控制板控制电动机动作，窗门自动关闭，使您的家用设备遭雨水侵袭，解除您的后顾之忧。
此功能特别适合高楼住户。
4、防盗：
如遇上小偷触碰窗户，振动传感器检测到振动信号后，单片机控制板控制窗户上的喇叭播放“抓贼了，在﹡单元﹡号”的报警声，接着电动机动作，关闭窗户，避免造成财产及安全损失。
5、防可燃性气体泄漏：
当室内的液化气、天然气等可燃气体发生泄漏时，传感器检测到气体信号时，单片机控制板控制报警蜂鸣器立即发出报警声，接着电动机动作，打开窗户将有毒气体排到窗外，这样既有效地防止人中毒，也能避免火灾、爆炸事故的发生。
6、独特旋转功能：
窗扇可实现180°旋转，便于高层住户擦拭玻璃。
1.2智能窗的总体构成
本智能窗主要机械传动部分和自动控制系统组成。
其中，机械传动部分要由窗框、窗扇、齿轮齿条等。
自动控制系统主要包括AT89S51单片机组成的中央控制器,数据检测传感电路,A/D转换器,窗驱动控制接口电路、窗驱动电路、步进电机等组成。
其整体结构如图1-1所示。
图1-1整体结构图
1-窗框2-窗扇3-窗扇24-护罩5-齿条6-电机固定座上7-滑槽块8-电机固定座下9-电机滑移螺栓10-固定螺母11-固定螺栓12-行程开关13-煤气传感器14-风速传感器15-湿度传感器16-人体热释红外传感器17-光敏传感器18-步进电机
图1-2控制系统架构图
2机械结构的设计
2.1自动开关窗机械传动形式设计
2.1.1自动开关窗任务分析智能窗的传动任务是由动力源通过传动机构带动窗扇在滑移槽内来回滑动，任务简单，但要求精确度较高。
通过学习机械设计知道，齿轮齿条传动传动较为准确、可靠，并且机械效率高[18]，因此，选定齿轮齿条传动能满足智能窗传动任务的要求。
传动形式见图2-1。
图2—1齿轮齿条传动
2.1.2齿轮齿条参数选择由于此传动所带负载不是很大，故齿轮齿条参数选取较为宽松，根据具体需要确定其主要参数为：
齿轮：
m=1.5
Z=20
d=mz=30mm
β=20°
P=πm=3.14×1.5=4.7mm
齿条：
m=1.5
β=20°
P=πm=3.14×1.5=4.7mm
2.2窗框与窗扇的结构设计
2.2.1窗框结构设计此窗框是在常规窗框的基础上进行的更改设计，在窗框上下两侧各开一道滑移槽，使窗扇开关窗时在滑移槽内滑动实现关窗。
同时为实现窗扇的旋转在滑移槽一侧各设计一转轴槽。
其具体设计见图1-3窗框结构图。
图2-2窗框结构图
2.2.2窗扇结构设计窗扇在常规窗扇的基础上进行部分改进，在窗扇一侧加一旋转轴，同时在旋转轴上安装滑动轮。
具体设计见图2-3。
图2-3窗扇结构图
2.2.3步进电机滑槽设计
为实现窗扇的180°旋转，特别将电机卡座设计成可上下移动的形式。
具体设计见图2-4滑移槽设计图与2-5步进电机滑槽设计装配局部图。
图2-4滑移槽设计图
图2-5步进电机滑槽设计装配局部图
2.3180°旋转工作流程示意图
本设计窗扇可以具有180°旋转功能，此设计解决了楼层高的住户擦拭玻璃困难的问题。
绘制了其工作流程示意图加以说明，见图2-6。
图2-6180°旋转工作流程示意图
3自动控制系统主要硬件的设计
3.1单片机选型
3.1.1单片机发展过程单片机是一种集成电路芯片。
它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器（CPU）、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路（I/O接口）集成在同一块芯片上，构成一个既小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
其诞生于20世纪70年代末，主要经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。
1）SCM即单片微型计算机（SingleChipMicroputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
2）MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：
不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
3）MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
4）单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统[4]。
3.1.2单片机发展趋势
（1）CMOS化近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。
CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。
CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。
CHMOS和HMOS工艺的结合。
目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。
因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
（2）高性能化主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。
采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。
现指令速度最高者已达100MIPS（MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。
这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。
由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。
（3）低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
（4）低功耗化单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3至6V之间，完全适应电池工作。
低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化
（5）大容量化以往单片机内的ROM为1KB至4KB，RAM为64B至128B。
但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。
目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB
（6）低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。
允许使用的电压范围越来越宽，一般在3至6V范围内工作。
低电压供电的单片机电源下限已可达1至2V。
目前0.8V供电的单片机已经问世[5]。
3.1.3AT89S51单片机简介随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能更强。
在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。
这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。
80C51系列单片机已成为单片机发展的主流。
专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51系列可能最终形成事实上的标准MCU芯片[6]。
本设计采用美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机AT89S51。
其片内含4Kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大，低价AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
主要性能参数：
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（2）4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器
（3）1000次擦写周期
（4）4.0-5.5V的工作电压范围
（5）全静态工作模式：
0HZ-33MHZ
（6）三级程序加密锁
（7）128*8字节内部RAM32个可编程I/O口线
（8）2个16位定时/计数器
（9）6个中断源
（10）全双工串行UART通道
（11）低功耗空闲和掉电模式
（12）中断可从空闲模式唤醒系统
（13）看门狗（WDT）及双数据指针
（14）掉电标示和快速编程特性
（15）灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）
3.2数据检测传感器的选择
3.2.1数据检测传感模块组成根据该设计的功能要求数据检测传感系统由四个部分组成：
1）光度传感电路；2）风速传感电路；3）湿度传感电路；4）有害气体传感电路；5）红外防盗传感器。
3.2.2传感器选型及电路传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节[9]。
1、光度传感器
光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：
光电管、光电倍增管、、、太阳能电池、、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。
它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫
外线波长。
其中最简单的光敏传感器是光敏电阻，本设计中采用光敏电阻与驱动电路来构成光敏传感电路。
电路图如图2-1所示。
图3-1光敏传感器驱动电路
图3-1中，当外界环境光照强时，光敏电阻R2阻值较小，则A点电平较低；当外界环境光照弱时，光敏电阻R2阻值较大，则A点电平较高，将此电平送到单片机，由程序控制是否驱动电机开关窗。
2、风速传感器
风速传感器是将空气的流动速度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。
风速传感器种类有采用毕托管测风速、热线热膜测风速、机械式传感器测风速、超声波测风速和三杯式风速传感器测风速。
在本设计中采用风杯式—YH12X风速传感器，产品见图3-2。
图3-2YH12X风速传感器
YH12X风速传感器工作原理：
当风杯随着气流的运动而转动时，风速轴带动码盘与风杯成正比地转动，从而输出电脉冲信号，将机械转动信号转换成电信号。
风向测量采用进口红外光电管,格雷码盘等器件。
当风向标随着气流的运动而转动时，风向轴带动格雷码盘同时转动,从而输出七位格雷码信号，将机械位置信号转换成光电脉冲信号，通过微处理器CPU记录每秒种的产生的光电脉冲的个数，快速运算处理后即可的出气流的运动速度。
计算原理如下：
每秒种产生光电脉冲的个数：
n
齿轮的圆周半径：
R（m）
齿轮的总个数：
N
风杯轴承的传动系数：
η
风杯的线速度:
V1（m/s）
风速：
V（m/s）
风速的计算公式为：
（3-1）
风杯的转动线速度：
（3-2）
可通过转换处理将数据以其他形式输出，传递给其他智能设备。
YH42X风速显示器工作原理：
风速显示器对接收到的风速信息进行处理,换算转化成实际风速风级显示到对应的显示器中,风速显示器还可以针对预先设定的报警参数,当风速超过其参数时触发关窗信号，单片机接到信号处理后，通过驱动电路驱动电机，完成关窗动作。
2、湿度传感器
Honeywell公司的HIH3610湿度传感器是为大批量OEM设计，具有湿度仪表级测量性能，低成本，SIP封装。
线形放大电压输出，驱动电流200微安，器件一致性好[3]。
特点：
湿度传感器HIH3610主要性能：
（1）热固性聚合物电容湿度传感器，带集成信号处理电路
（2）3针可焊塑封
（3）宽量程：
0～100％RH非凝结，宽工作温度范围–40～85℃
（4）高精度：
±2％RH，极好的线形输出
（5）5VDC恒压供电，0.8-3.9VDC放大线形电压输出
（6）低功耗设计200微安驱动电流
（7）激光修正互换性
（8）快速响应15秒
（9）稳定性好，低温漂，抗化学腐蚀性能
其引脚如图3-2所示：
图3-2HIH3610引脚图
3、有害气体传感器
MY1000系列电化学式一氧化碳气体传感器是由广州市中敏仪器有限公司生产的产品,它是一种定电位电解式电流型传感器。
该产品具有结构紧凑，体积小，功耗低，测量精度高，稳定性好，寿命长等优点。
其性能和可靠性达到国内或国外同类产品的水平，属于气体传感器整机的核心部件[3]。
（1）检测原理：
本传感器元件采用的是定电位电解原理，组成主要由三个电极组成，电极材料是贵金属催化剂，主要是铂黑，其中各电极的作用如下：
工作电极（W）：
一氧化碳气体的氧化，对电极（C）：
氧气的还原，对电极（R）：
为工作电极提供恒定电位。
当一氧化碳接触到工作电极时，即发生氧化反应，生成二氧化碳和氢离子，并产生电子，氢离子发生离子迁移，在对电极上接受电子，并与氧气发生还原发应，生成水。
电极反应如下;
工作电极：
CO+H2O→CO2+2H++2e－对电极：
1/2O2+2H++2e－→H2O
总反应：
2CO＋O2→2CO2
由反应式可知产生的电流大小与一氧化碳的浓度成正比，因此可以通过测量产生的电流的大小就可以检测出一氧化碳的浓度。
（2）技术指标：
表3-1MY1000技术性指标
范围
参数
检测范围
0至1000ppm
相对误差
±5％
压力范围
86-106Kappa
先好衰减
<%2/月
温度系数
1.5%
相对湿度
%30至95%
响应时间
≤10s
零点漂移
<5ppm
（3）原理电路图：
[2]
图3-3气敏传感器放大电路
4、人体热释红外传感器
（1）热释电红外传感装置工作原理
人体具有约37℃的恒定体温，所以会发出波长约10μm左右的红外线。
热释电红外传感器PIS-209S就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。
热释电红外传感器是一种新型敏感元件。
制造热释电红外传感器的高热材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20μm。
为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。
此滤波片只允许某些波长范围的红外光通过，而阻止灯光、阳光和其它红外光通过。
实际使用中，热释电红外人体感应器前面必须安装菲涅尔透镜。
菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外传感器上，从而提高传感器的灵敏度，扩大监视范围。
它可以产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元件要求信号不断变化的特性。
传感器的两个反向串联的热释电元件轮流感受到运动物体，所以人体的红外辐射以红外脉冲的形式不断改变热释电元件的温度，使之输出一串脉冲信号，若人体在传感器前不动则不会有输出，信号放大电路如图3-4所示：
[1]
图3-4热释红外传感器放大电路
3.3A/D转换电路的设计
3.3.1A/D转换器的选型[8]
1.转换时间的选择
转换速度是指完成一次A/D转换所需时间的倒数，是一个很重要的指标。
A/D转换器型号不同，转换速度差别很大。
通常，8位逐次比较式ADC的转换时间为100us左右。
由于本系统的控制时间允许，可选8位逐次比较式A/D转换器。
2.ADC位数的选择
A/D转换器的位数决定着信号采集的精度和分辨率。
要求精度为0.5%。
对于该8个通道的输入信号，8位A/D转换器，其精度为
（4-1）
输入为0～5V时，分辨率为
（4-2）
—A/D转换器的满量程值
—ADC的二进制位数
量化误差为
（4-3）
ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近式模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑，为模拟通道的设计提供了很大的方便。
用它可直接将8个单端模拟信号输入，分时进行A/D转换，在多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛,所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的核心。
3.3.2ADC0809内部功能与引脚介绍[16]
1.A/D转换的一般步骤
把连续变化量变成离散量的过程称为量化，也可理解为信号的采样。
把以一定时间间隔T逐点采集连续的模拟信号，并保持一个时间t，使被采集的信号变成时间上离散、幅值等于采样时刻该信号瞬时值的一组方波序列信号，即采样信号。
采样-保持为了能不失真的恢复原模拟信号，采样频率应不小于输入模拟信号的频谱中最高频率的两倍，这就是采样定理，即
Fs>2Fimax
（1）由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压在一段时间内不变，直到下一次采样的开始。
实际中采样-保持是做成一个电路。
（2）量化与编码模拟信号经采样-保持电路后，得到了连续模拟信号的样值脉冲，他们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值，并不是数字信号。
还要把每个样值脉冲转换成与它幅值成正比的数字量。
以上为A/D转换的一般步骤，在本电路中由ADC0809芯片完成
2.ADC0809内部结构及主要性能
ADC0809八位逐次逼近式A／D转换器是一种单片CMOS器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。
8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。
其内部结构如图2-6所示。
图3-6ADC0809内部结构图
ADC0809主要性能：
（1）逐次比较型
（2）CMOS工艺制造
（3）单电源供电
（4）无需零点和满刻度调整
（5）具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容
（6）易与各种微控制器接口
（7）具有锁存控制的8路模拟开关
（8）分辨率：
8位
（9）功耗：
15mW
（10）最大不可调误差小于±1LSB（最低有效位）
（11）转换时间128微秒
（12）转换精度：
0.4%
ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为10～1280kHz。
典型时钟频率为640kHz
3.引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图3-7所示。
图3-7ADC0809引脚图
IN0～IN7：
8个通道的模拟量输入端，可输入0～5V待转换的模拟电压。
D0～D7：
8位转换结果输出端。
三态输出，D7是最高位，D0是最低位。
A、B、C：
通道选择端。
当CBA=000时，IN0输入；当CBA=111时，IN7输入。
ALE：
地址锁存信号输入端。
该信号在上升沿处把ABC的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。
START：
启动转换信号输入端。
从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。
脉冲宽度应不小于100～200ns。
EOC：
转换结束信号输出端。
启动A/D转换时它自动变为低电平。
OE：
输出允许端。
CLK：
时钟输入端。
ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100μs。
REF（-）、REF（+）：
参考电压输入端。
ADC0809的参考电压为＋5V。
VCC、GND：
供电电源端。
ADC0809使用＋5V单一电源供电。
当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。
在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行A/D转换，此期间START应保持低电平。
在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。
OE为低电平时，D0～D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。
3.3.3A/D转换器与单片机接口电路的设计ADC0809与8051单片机的硬件接口有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本设计中选用中断接口方式。
由于ADC0809无片内时钟，时钟信号可由单片机的ALE信号经D触发器二分频后获得。
ALE引脚得脉冲频率是8051时钟频率的1/6。
该题目中单片机时钟频率采用6MHz,二分频后为500Hz,符合ADC0809对频率的要求。
由于ADC0809内部设通道基本地址为0000H～0007H。
其对应关系如下表所示。
有地址锁存器，所以通道地址由P0口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。
表3-3地址通道对应关系
地址码
输入通道
A
B
C
IN0
0
0
0
IN1
0
0
1
IN2
0
1
0
IN3
0
1
1
IN4
1
0
0
IN5
1
0
1
IN6
1
1
0
IN7
1
1
1
控制信号：
将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和启动转换。
由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。
在读取转换结果时，用单片机的读信号
和P2.7引脚经或非门后，产生正脉冲作为OE信号，用一打开三态输出锁存器。
其接口电路如图3-8所示。
图3-8ADC0809与AT89S51单片机接口电路
3.4语音报警电路的设计
3.4.1语音录放电路的设计ISD1420是美国ISD公司出品的新型单片优质语音录放
升级会员 