随身物品遗忘家用电子提醒系统的设计.docx
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随身物品遗忘家用电子提醒系统的设计
独 创 性 声 明
本人声明所呈交的学位论文是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
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摘要
当今社会，每个人出门必须的三样东西：
钥匙、钱包、手机。
但事实告诉我们，每个人早上起床出门都有遗忘重要物品的时候，这是在所难免的。
那么要怎么才能避免这种情况呢？
有的人说把第二天要用的东西全部放在门口，还有的人说把要用的物品用笔记下来，每天早上查看。
不得不说这些方法不错，但是把东西放在家门口有时候也会视而不见的，不过这样家里是否会显得太随意了点；每天用笔记下来，这种事情我也做过，但每天下班回来人人都能做到睡前执笔吗？
这个我不能否定，我只知道我做不到。
为了避免这些不必要的麻烦，我决定亲自设计一下这个项目，让自己能够在生活与工作中能够顺心顺利，开心愉悦，也算是考察一下自己吧。
本设计分为四个板块：
随身物品检测装置、电子钟装置、遗忘提醒装置、无线发送与接收装置。
电子钟是用单片机控制，可设定时间，设定闹钟，设定睡眠的时间；这三个时间模式是为了提醒装置能够在准确的时间里正常的工作。
无线发送端装有出门检测器，这个检测器与随身物品检测装置一样，具有一个信号采集的作用；如果有人开门，检测器会把开门信号无线发送给接收端，通过单片机来处理信号。
单片机通过对随身物品检测装置的信号采集和无线接收到的信号来中和，在预定的时间与时间段中让遗忘提醒装置是选择工作还是待机，让使用者知道自己是否遗忘了物品。
关键词：
红外传感器；单片机；无线发送；无线接收；液晶显示
ABSTRACT
Intoday'ssociety, eachperson must goout threethings:
keys, wallet, mobilephone. Butthefactstellus, every morningtogetuptogoout whenthereare forgetting importantarticles, itiscanhardlybeavoided. Sohowtoavoidthis?
Somepeoplesay touse seconddaysof allthingsonthe door, andsomepeople say touse items tonotedown everymorning, see. Havetosay thesemethodsare good, but putthethings athome sometimes topaynoheed, butthishomeis too casual; everydaywith notes, thiskindofthingIhave done, but tocomebacktoworkeveryday everyonecando before writing?
Ican'tdeny this, Ionly knowIcan'tdothat. Inordertoavoid the unnecessarytrouble, I decidedto design theproject, sothattheycan go tothesmooth, happypleasure inlifeandwork, it istoexamine yourself.
Thedesignisdividedinto foursections:
belongings detectiondevice, electronicclockdevice,forget remindingdevice, wirelesssendingand receivingdevice.
Theelectronicclock is controlledbyMCU, canset time, setthealarmclock, setthesleep time;thethree timemode istoremindthe devicecan attherighttime inthe normalwork. Thewirelesssending out endisprovidedwitha detector, thedetector andbelongings detectiondevice, a signalacquisition function; ifsomeoneopenedthedoor, openthedoor to thedetector signal transmitted tothereceivingend, throughtheMCUto signalprocessing.Microcontrollerthroughthe deviceof belongings detection signalacquisition andwirelesssignalisreceived and, atapredeterminedtime and time forgetting remindingdevice istochoosetheworking or standby, lettheuser knowifI forget things.
Althoughthisdesign is successfuldesign, butintheactualapplication, not howtouse, onlyfor personal habitsandset.
Keywords:
infraredsensor; MCU; wirelesstransmission; wirelessreceiver; liquidcrystaldisplay
1绪论
1.1随身物品遗忘“家用电子提醒系统”的设计背景
当今社会，每个人出门必须的三样东西：
钥匙、钱包、手机。
但事实告诉我们，每个人早上起床出门都有遗忘重要物品的时候，这是在所难免的。
那么要怎么才能避免这种情况呢？
有的人说把第二天要用的东西全部放在门口，还有的人说把要用的物品用笔记下来，每天早上查看。
不得不说这些方法不错，但是把东西放在家门口有时候也会视而不见的，不过这样家里是否会显得太随意了点；每天用笔记下来，这种事情我也做过，但每天下班回来人人都能做到睡前执笔吗？
这个我不能否定，我只知道我做不到。
为了避免这些不必要的麻烦，我决定亲自设计一下这个项目，让自己能够在生活与工作中能够顺心顺利，开心愉悦，也算是考察一下自己吧。
1.2随身物品遗忘“家用电子提醒系统”的工作原理
经过资料的查询、老师的指导以及自己百般的冥想，我拟定了自己的一套设计思路。
下面我简单的说说本项目的工作原理：
本设计分为四个板块：
随身物品检测装置、电子钟装置、遗忘提醒装置、无线发送与接收装置。
电子钟可以说是本系统的核心，采用MSP430F149单片机为主导；系统功能中可设定时间，设定闹钟，设定睡眠时间；这三个设定时间的模式是为了提醒装置能够在准确的时间里正常的工作。
无线发送端装有出门检测器，这个检测器与随身物品检测装置一样，具有一个信号采集的作用；如果有人开门，检测器会把开门信号无线发送给接收端，通过单片机来处理信号。
单片机通过对随身物品检测装置的信号采集和无线接收到的信号来中和，在预定的时间与时间段中让遗忘提醒装置是选择工作还是待机，让使用者知道自己是否遗忘了物品。
具体工作细节见第三章“整机电路与工作原理”。
2.随身物品遗忘“家用电子提醒系统”的设计方案
2.1核心系统单片机的选型
单片机分为很多种，有最基础的51单片机、PIC单片机、AVR单片机、MSP430单片机等。
根据项目的需求，这些单片机都可实现其功能，我们选择基础点的51系列的单片机和MSP430系列的单片机来做具体分析。
2.1.151系列单片机的特点[1]
我们选择INTEL公司的80C51为例：
（1）8位CPU、ROM为4KB；
（2）数据储存器128byte；
（3）引脚共40个，I/O有四组共32个；
（4）21个专用寄存器；
（5）两个可编程定时/计数器，5个中断源，两个优先级；
（6）外部RAM寻址空间为64Kb；
（7）外部ROM寻址空间为64kB；
（8）采用的是位寻址；
（9）供电电源5V。
2.1.2MSP430系列单片机的特点[2]
同样，我们选择一款TI公司的MSP430F149为例：
（1）低电压、超低功耗；工作电压1.8V~3.6V；
（2）苏醒快速，从待机模式下恢复工作，只需要6us不到的时间；
（3）16位cpu，命令周期125ns；
（4）高精度12位模数转换器⑤2个16位计数器；
（5）具有捕获、门限功能、片内比较器；
（6）支持在线系统编程调试；
（7）有两个串口。
2.1.280C51与MSP430F149的对比
表2.180C51与MSP430F149的对比
区别
80C51单片机
MSP430F149单片机
采用指令
CISC复杂指令
RISC简单指令
引脚个数
40个
64个
内部构架
8位
16位
寻址方式
位
字节
供电电源
5V
3.3V
通过以上80C51单片机与MSP430F149单片机的对比，我们可以很明显的看见MSP430F149单片机比80C51单片机功能强大。
所以根据我们的需要与设计的要求我们选择MSP430F149单片机我我们的核心板。
2.2点对点无线通讯的方案选择
近距离无线通信技术是朝着运行速度高、功耗低、操作简单易懂、可靠性强的方向迅速发展的，产业联盟支持标准化进程。
[3]
目前常用的有：
WLAN（无线局域网）、蓝牙（Bluetooth）、红外线、UWB、ZigBee等等。
WLAN技术是作为3G网络的补充，主要用在固定且面积较小的区域，如：
小区、酒店、写字楼、政府等，目前较常见的wifi属于无线局域网中的一种，通常是指IEEE802．11b产品，它是利用AP点进行短距离覆盖的一种新型局域网组建技术。
主要特点是上行与下行速率高、建网速度快、保密性高、移动性强、组网方式多、网络结构弹性大、组网成本低等，所以具有良好的发展前景。
蓝牙技术是将手机电脑笔记本等设备采用无线连接的技术，它所用的成本较低、传输速率高、消耗功率小、抗干扰能力强、连接设备多。
红外线技术是一种一对一通信技术，主要用于手机、平板电脑等设备的短距离通信。
其模块体积小巧、消耗功率低、实用价值高、成本较低等特点，缺点在于通信两端不能有其它阻挡的障碍物。
UWB是一种无线载波通信技术，采用微秒级至纳秒级的非正弦波脉冲来传输信号[4]。
通过宽频谱上传送低功率的优势，让传输距离达到10米，传输速率达到数百Mbit/s到数Gbit/s。
ZigBee无线组网通讯技术，是一种无线传输的网络协议。
[5]其特点是低功耗、低成本、近距离、短时延、高容量、高安全、低复杂度、自组织、低数据速率。
主要适合用于远程控制和自动控制领域，可以嵌入到各种设备。
以上几种无线技术各有千秋，运用到本设计中都可以实现其功能，根据核心芯片的选型与成本计算，我们选择与MSP430F149所匹配的NRF905无线模块作为我们的无线接收与无线发送。
2.3光电传感器方案选择
光电传感器主要分为以下几种：
⑴槽型光电传感器
把发光二极管和光敏三极管相对的装在一个槽型凹槽两侧。
发光二极管发出可见光或者红外光时，对面光敏三极管接收到光线。
如果有物体通过遮住对射光线时，光电开关触发，输出一个电平信号，给负载一个高电平或一个低电平，从而完成控制动作。
槽形开关的检测距离很小，一般只有几厘米。
⑶反光板型光电开关
把发光器件与收光器件并列在一起，然后在前端垂直方向安装一块反光板，发光器件发出光信号，利用反射原理让信号经过反光板反射回来被收光器件接收;如果有物品经过则光路会被挡住，收光器接收不到信号，光电开关就被触发，使输出端输出一个高低电平信号。
⑵对射型光电传感器[7]
对射型光电传感器类似于槽型光电传感器，但两端不固定在一个物体上，对射型远对槽型检测距离远，其工作原理同槽型光电传感器。
⑷扩散反射型光电开关
扩散反射型光电开关跟发光板光电开关一样，但扩散反射型光电开关前方没有反光板。
静默状态下，发光器与收光器不作用。
当有物品阻挡或经过时，并把光信号反射回来，使得收光器接收到光信号，让输出从高电平变为低电平。
该传感器传输距离只要八到十毫米。
经过以上光电传感器的对比及本设计的的需求，我选用了便宜实用的TCRT5000的扩散反射型光电传感器。
[8]
3系统框图及具体工作原理
3.1整机电路框图
随身物品遗忘“家用电子提醒系统”的电路框图如图3.1所示：
具体电路原理图见附页1。
图3.1随身物品遗忘“家用电子提醒系统”的电路框图
3.2工作原理
本系统核心部分就是单片机的最小系统，与蜂鸣器电路、液晶显示电路、键盘矩阵电路组合为一个单独的电子闹钟。
电子钟程序设计，我以五个模式来诠释，一、正常提醒模式；二、终极提醒模式；三、设定时间模式；四、设定闹钟模式；五、设定睡眠模式。
这五个模式互不干扰，但同一时间有且只有一个模式在运行。
前两个模式为运行模式，后三个模式为操作模式。
正常提醒模式，这个模式只是一个简单的随身物品监测报警系统，当物品存在于红外线安放装置内，主人出门开门时，红外线检测器会有一个信号，这个信号通过无线装置传送的接收端，使报警器起到提醒的作用，以至于不会遗忘随身物品。
终极提醒模式，该模式需要后几个操作模式的配合，当人们设定闹钟模式运行后，则重复模式一；当晚上人们回家睡觉时，睡眠模式运行开始后，红外线监测装置会监测装置内是否有物品，如果没有，报警器会提醒主人该吧第二天需要的物品放入装置内。
第三个模式，设定时间。
第四个模式，设定闹钟的时间。
第五个模式，设定睡眠的时间。
键盘矩阵系统一共四个按键，每个按键有五个功能：
第一个按键起模式转换的作用，每按下一次，转换一次模式。
第二、三、四个按键分别在各个模式中有不同的作用。
TCRT5000红外线传感器，在正常工作时，TCRT5000传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被发射回来或发射回来强度不够大时，光敏三极管接收不到信号，一直处于关闭状态，此时输出端OUT为高电平，LED指示灯处于熄灭状态，此时说明随身物品不在装置中；反之，当红外线被反射回来且光线足够强时，光敏三极管饱和导通，使得输出端从高电平变为低电平，指示灯被点亮，说明此时随身物品在装置之中。
利用单片机的I/O口检测得到的高低电平，触使蜂鸣器工作，从而起到提醒的作用。
具体功能如下表所示：
表3-1正常提醒模式
物品是否存在（1/0）
主人是否出门（1/0）
蜂鸣器是否工作（1/0）
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
注：
是为“1”，否为“0”。
表3-2终极提醒模式：
闹钟是否响（1/0）
睡眠时间是否到（1/0）
物品是否存在（1/0）
主人是否出门（1/0）
蜂鸣器是否工作（1/0）
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
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1
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0
*
1
1
0
1
*
1
1
1
0
*
1
1
1
1
*
注：
是为“1”，否为“0”。
4单元电路工作原理
4.1时钟电路
时钟电路就是所谓的振荡器。
一般情况，单片机分为系统时钟和外部时钟，系统时钟为RC振荡器，谐振频率不是很稳定；外部时钟为晶体振荡器，振荡频率比较稳定。
我们在做RF无线收发装置时，就得选用外部晶体振荡器。
4.1.1时钟振荡电路图
时钟振荡电路图如图4.1所示：
[3]
如图4.1所示，我们可以得到3个有用的时钟信号：
主系统时钟MCLK、辅助时钟ACLK、子系统时钟SMCLK。
当发生有效的PUC后，SMCLK和MCLK使用工作在800KHZ附近的DCOCLK作为时钟源，ACLK使用工作在低速模式的LFXT1CLK作为时钟源。
[2]
状态寄存器控制位OSCOFF/SCG0/SCG1和CPUOFF用来配置基础时钟模块的使能。
BCSCTL1、BCXCTL2和DCOCTL用来配置基础的时钟模块。
在程序运行的任何时间，都可以通过这些寄存器来配置基础时钟模块。
4.2复位电路
复位操作一般分为两种：
上电复位与按键复位。
按键复位电路图如图4.2所示。
一般情况下，单片机的按键复位电路都具有上电复位功能，正常工作时，电源VCC经电阻R3、C10分压，在REST端产生一个复位低电平。
上电复位电路要求接通电源后，通过C10的瞬时值来实现单片机自动复位操作。
上电瞬间C10接地，REST得到一个瞬间的低电平，随后变为高电平。
[10]
图4.2复位电路图
4.3键盘接口电路
4.3.1键盘电路
（1）键盘电路原理图如图4.3所示：
（2）键盘电路工作原理
如图4.3所示，当没有按键按下时，单片机
的I/O口P1.0～1.3电平为高。
当按键按下时，单片机I/O口会通过按键接地，瞬间被拉成低电平，其余接口仍然为高电平。
所以，通过检测I/O口的电平状态，就可以知道键盘上是哪一个按键被按下。
图4.3键盘电路原理图
4.4显示接口电路
（1）液晶显示电路原理图
图4.4液晶显示电路原理图
在本次设计中，我们没有用它本身的字库，采用PCtoLCD2002取模，取模方式为列行式、逆向、阴码，字体为宋体。
所以前4个接口我们不用，让它悬空。
（2）液晶JLX12864G-086-PC引脚功能表
液晶JLX12864G-086-PC的引脚功能表见表4.1所示：
（3）液晶显示读取方式
4.5蜂鸣器接口电路
蜂鸣器电路有NPN与PNP之分，我选用的是NPN型三极管。
电源电压取5v，如果P0.6为高电平3.3v（MSP430I/O口引脚输出电压为3.3V），基极电流Ib=（3.3v-0.7v）/4.7k=0.56mA，可以使三极管饱和，触使蜂鸣器工作。
蜂鸣器电路原理图如图4.7所示：
4.6TCRT5000红外传感器电路
4.6.1TCRT5000红外传感器电路原理图
TCRT5000红外传感器电路原理图如图4.8所示：
4.6.2TCRT5000红外传感器模块特色
4.6.3TCRT5000红外传感器工作原理
TCRT5000传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有反射回来或被反射回来的强度不够大时[9]，光敏三极管一直处于关闭状态，此时模块的输出端为高电平，指示二极管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为低电平，指示二极管被点亮。
4.7NRF905无线模块电路
4.7.1NRF905无线模块电路引脚图
NRF905无线模块电路引脚图如图4.9所示：
4.7.2NRF905无线模块的特点
4.7.3NRF905无线模块的电气特性
（1）nRF905工作频段:
433/868/915MHz
（2）信道数:
170
（3）功能:
发射/接收
（4）稳频方式:
PLL
（5）最大输出功率:
+10dBm
（6）最大工作速率:
76.8Kbit/s
（7）工作电压:
2.7—3.3V
4.7.4NRF905无线模块的引脚功能表
NRF905无线模块的引脚功能如表4-2所示：
4.8电源电路
在本次设计中，两块msp430f149的开发板有两个供电接口，一个是USB接口供电，另一个是8-12V的直流电源供电，为了方便设计，我采用USB接口电源，用一般的下载线即可。
输入电压一般在4-5v，结果三端稳压器输入3.3v。
4.8.1电源电路原理图
电源电路原理图如图4.10所示：
4.9所用主要芯片
4.9.1单片机MSP430F149
（1）MSP430F149单片机芯片引脚图
MSP430F149芯片引脚图（如图4.11所示）：
（2）MSP430F149单片机芯片的特点：
（3）由于MSP430X14X系列单片机片内资源丰富，需要众多引脚，受芯片的引脚数限制，很多引脚具有复用功能。
[11]
5主程序
5.1主程序流程图
主程序流程图如图5.1所示。
程序源代码见附页B。
5.2正常提醒模式流程图
正常提醒模式流程图如图5.2所示。
5.3终极提醒模式流程图
终极提醒模式流程图
如图5.3所示。
5.4设定时间模式流程图
设定时间模式流程图
如右图所示。
5.5设定闹钟模式流程图
设定闹钟模式流程图
如右图所示。
5.6设定睡眠模式流程图
设定睡眠模式流程图
如右图所示。
6实物的调试与展示
6.1实物的调试
6.1.1时间的调试过程
在设置电子钟时间的秒表时，我测试了无数次，最后把它精确到了0.483056s，那么具体计算测试过程如下所示：
定时器CCRO=45000;
时间=CCR0/时钟频率/分频段数，如：
45000/800k/8分频=0.45s=450ms.
理论计算是这样的，但是实际上这个时间有很大的误差，当定时器中断过后，进入中断有一个时间，虽然这个时间只是瞬间发生，但时间久了还是会表现出来的。
于是我用多次采样数据来精确这个数值。
测试秒与时钟的误差，在100s的时间段，时钟是
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