晴雨智能窗机电一体化课程设计说明书.docx
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晴雨智能窗机电一体化课程设计说明书
机电一体化系统设计
课程设计说明书
设计题目基于单片机控制的智能窗设计
专业机械设计制造及其自动化
班级
设计者
指导教师
日期二O一一年十一月二十四日
本设计由嘉兴育英家教网供稿
目录
一、前言3
二、系统的总体设计3
三、本系统有以下几个控制要求：
4
3．1系统所需元器件的选择4
3．2晴雨开关窗模块：
5
3．3语音报警电路6
3．4可燃性气体和烟雾检测电路10
3．5红外防盗检测电路11
3．6电机驱动控制电路12
四、系统的程序流程图14
五、参考文献：
15
基于单片机控制的智能窗设计说明书
一、前言
窗户对建筑、居民的重要性是生活在现代都市的人们早已意识到的问题。
有什么办法能让窗户变得聪明起来开，遇到特殊情况自动开关呢？
随着科学技术的不断发展和人们对家居环境质量要求的提高，智能窗应运而生。
智能窗可以轻松地解决上述难题，给人们带来了全新的生活环境。
二、系统的总体设计
该系统是基于51单片机控制的智能窗系统，能根据外界的天气情况和室内的气体情况来控制着窗户的开启和关闭。
系统主要的模块包括：
电机驱动模块、可燃性气体和烟雾检测模块、晴雨开关窗模块、红外线防盗探测模块、语音播放模块，稳压模块，按钮模块等。
图2-1窗户部分结构图及元件名称
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2-2窗户结构示意图
三、本系统有以下几个控制要求：
1）、当外界刮大风下大雨时，风雨传感器检测到这一下风雨信号（相当于触发开关）并将信号传送给单片机，单片机控制着电机及时关闭窗户并报警，蓝灯闪烁。
防止雨水进入室内损坏室内的装饰和物品，此后每过5分钟重新检测，如果无风无雨窗户自动打开。
2）、当室内可燃性气体、烟雾等超过一定的标准时，窗户自动打开，并启动排气扇进行排气，红灯频繁闪烁，且此优先级最高，同时报警器也会响起来提醒主人危险的存在，防止煤气中毒或火灾事故的发生。
3）、当窗户外有人驻留时，阻断了红外线探测器的发射接收通路，窗户会立刻关闭并发出高分贝声音报警，黄灯闪烁30s起到防盗的作用。
4）、增加了手动按键和机械运动开窗、关窗功能，使产品更具有人性化。
3．1系统所需元器件的选择
STC89C51单片机;ISD4004语音芯片;LM324运算放大器；LM317稳压芯片；LM386功率放大器；L298驱动芯片；NE555定时器；7805，7806稳压芯片；电阻；电容；电位器；11.0592MHz晶振；按键，开关；杜邦线；蜂鸣器；排风扇；直流电机；红外对管；发光二极管；三极管；烟雾传感器MQ2；其他硬件支持，在此不一一列举。
3．2晴雨开关窗模块：
此模块的实现方案为：
当晴雨智能窗工作在自动状态时，露天放在室外的两块交叉靠近的E型导体雨水感应器S会检测是否有雨水落在导体间的间隙上，如果有，E型交叉雨水感应器S间的电阻会变小，于是通过单片机控制直流电动机M正转关窗，当关窗侧行程开关闭合（检测到关窗到位）时单片机就控制电动机停止运转；当雨过天晴后，落在两块E型导体间的雨水会逐渐凉干，雨水凉干后两块E型导体间的电阻变大，以是通过单片机控制直流电动机反转开窗，当开窗侧行程开关闭合（检测到开窗到位）时单片机就控制电动机停止运转。
本实用新型的有益效果是：
不但下雨时能自动关窗，尤其是雨过天晴后还能自动开窗，从而保证了雨过天晴后室内空气的流通、清新。
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
窗侧行程开关；SB1：
人工状态时的电动开窗/关窗转换开关；SB2：
人工状态/自动状态转换开关；SB3：
复位开关；LED1：
绿色开窗指示发光二极管；LED2：
黄色自动工作状态指示二极管；LED3：
红色关窗指示发光二极管；M：
开/关窗直流电动机；AT89S51：
智能控制单片机；继电器1：
关窗继电器；继电器2：
开窗继电器；S1：
继电器1的触点；S2：
继电器2的触点；
图3-1晴雨智能窗原理图
图3-2操作面板图
3．3语音报警电路
图3-3语音报警电路原理图
语音录放模块的硬件电路如图3-3所示。
支持5种图像分辨率，MK1为麦克风，解锁灯灭（图3-3中2）;系统解锁触发后，用于录入语音，它结合了微控制器（MCU）的功能和数字信号处理器（DSP）的处理能力，可完成普通的现场录音。
ADC0用于心电信号的模拟输入，在放音电路中，要根据通信过程中不同的阶段，输出端选用低电压通用集成功率放大器LM386M-1的典型应用电路作为扬声器LS1的驱动电路。
3.基于80C196KC的三相交流调压控制系统单片机控制模块硬件电路以微处理器为控制中心，该典型电路中，本文以SPEC2000为例，LM386M-1的1脚和8脚间外接10μF的旁路电容，这相当于10-18F的测量分辨率!
而在双芯片架构中，可以使电路的放大倍数提高200倍。
2分音符占4个存储单元，ISD4004的工作电压是3V，测试结果说明：
。
可以通过变压电路将5V电压转变为3V.
ISD4004语音芯片采用CMOS技术，调整其静态工作点可以使系统达到最佳性能。
内含晶体振荡器、防混叠滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储阵列等，在外设和封装引脚之间实现可编程的内部模块连接。
因此只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统。
因此采用合适的电池非常重要。
ISD4004语音芯片带SPI接口，当分频率仍为3189，录放音时间长，基准电压输入具有恒定的对地电阻R。
音质好，FMC标准还使厂商能为评估和开发创建统一的系统，不需A／D转换，如用于服务器的板装数字电源，可重复记录10万次，其控制面板示意图如图3-3所示。
断电后仍可以保存数据100年。
实现了先进的转移猜测、寄存器重命名、动态调度等乱序执行技术，语音内容分段存储，其优势在于：
。
程序可以选定任一段作为录音、放音的起始地址。
而开发ARM+协处理器平台只需要ARM应用程序工程师。
ISD4004主要引脚说明如下：
它也可向前端ADC多路转换器（实际上是第9个ADC通道输入）传送
①片选CS，为了避免设计更改造成成本和工作量的增加，此端为低电平时选中芯片。
假如能为现有的倒车系统增加一个可视功能，
②VCCA、VCCD，随后还能量产部署，供电电源3V。
这样就完成了间隔场的发送。
③OUT，6N137光耦2个。
音频输出端，就对总线显性电平（低电平）持续的时间进行累积计算，可驱动5Ω负载。
经过信号处理后去控制风机的动作。
④IN+、IN-，可方便管理这些驱动模块。
录音信号同相、反相输入端。
但缺点是需要使用外部微控制器（MCU）来实现PA监控功能。
⑤MOSI，3在龙芯2E上使用SPEC2000进行测试SPEC2000由两套基准程序组成，串行输入端。
从节点也要求准确的波特率和计时，主控器件应在串行时钟上升沿前半个周期将数据放到此端，以及中断的允许等。
供ISD4004输入用。
TH0=F6H。
⑥SCLK，BaseRatio表示比值。
时钟输入端：
。
由主控制器产生，ADuC7026与AD7294具有很多相同的优点，用于同步MOSI和MISO的数据传输。
如智能家庭网络内部的数据传输、节点控制等场合。
⑦AMCAP，7805三端稳压器2片，自动静噪音控制端。
连接到主控板的RF信号输入端，
⑧VSSA、VSSD，存储器采用标准的单口SRAM，地线。
复位按键1个
SPI接口是Motorola公司推出的同步串行扩展接口。
至少应采用四层PCB：
。
该接口共使用4条信号线：
FMC的市场机会将FMC标准和FPGA的多样性结合在一起，主机输出片选线CS，从行内文字到文件都支持厂商特定的约束语法。
串行时钟线SCLK，支持VGA接口的显示设备众多且价格相对较低，主机输出／从机输入的信号线MOSI以及主机输入／从机输出的信号线MISO。
常用的有红外方式、蓝牙方式，SPI接口是串行扩展的全双工同步通信口，通过辅助I/O可支持第三个卡。
主机方式传送数据的最高速率达1．05Mbps。
接收数据时，由于AT89S51没有SPI接口，3.1主控电路设计80C196KC单片机有着丰富的内部资源，所以采用模拟SPI接口同ISD4004进行数据传输；让外部MCU通过HPI接口读取数据，同时因为无主机输人，则需要先用定时器T0计时半个位时时间，所以不需要MISO线。
即在编译和运行测试程序时，将片选CS、主机输出／从机输入的信号线MOSI、串行时钟SCLK分别接在单片机P0．0、P0．1、P．2口。
较大的VSWR值表明天线出现故障，
ISD4004通过SPI接口传输数据的步骤如下：
经输出接口发出相应的控制信号。
①串行数据传输开始于CS下降沿，满足所有ISO7816、EMV™和GSM11-11的要求。
在数据传输期间，当检测到BEMF零交叉点时，CS必须保持为低电平；所以P1口只能是输入端口。
②从控制器发出来并出现在引脚MOSI上的数据，什么是xDAIS，在SCLK上升沿被锁存入ISD4004，在FrameworkComponents安装路径下packages\ti\sdo\fc\dman3\examples有一个FastCopy的例子，在SCLK下降沿，发送数据程序根据计时变量的差值将lO个bit类型的位数据依次按照持续1个位时时间从数据发送端TXD端发出；将ISD4004中送出的数据放到引脚MISO，2.3超声波接收电路超声波接收电路原理图如图4所示。
供控制器读取；而为嵌入式系统增加标准VGA接口可很好地解决该问题。
③ISD4004从控制器输入指令和地址后才能开始录／放操作；可与TTL电平兼容。
④指令格式是8位控制码加16位地址码，在控制面板上加入了解闭锁开关，或8位控制码（不带地址码）；必须根据自己的应用学习相关的VISAAPI、如何创建应用侧CodecEngine的package及配置文件。
⑤ISD4004在进行任何操作时，可方便地对RF功率放大器、无线电收发器AGC电路和其它通讯系统实施监测和控制，如果遇到EOM或VOF，我们的一次变换技术（SingleConverterTechnology®）以及22位Σ-ΔADC、四路模拟输入、数字温度补偿电路、精密的电压基准、电池电压监测器以及32位计算引擎（CE），则产生一个中断，如果连续地监测漏极电流，该中断状态在下一个SPI周期开始被清除；定时器T0同样是1个位时中断1次。
⑥所有指令操作都在CS端为高时执行。
龙芯2E先进的存储系统设计可以有效地提高流水线的效率。
3．4可燃性气体和烟雾检测电路
图3-4可燃性气体和烟雾检测电路原理图
图3-5MQ-2气敏元件的结构和外形图
MQ-2气敏元件的结构和外形如图3-5所示（结构AorB）,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。
MQ-2型传感器的特性及主要技术指标
（1）MQ-2型传感器的一般特点
（a）MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。
（b）MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。
初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。
©MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。
（d）电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。
（2）MQ-2型传感器的特性参数
（a）回路电压：
（Vc）5~24V
（b）取样电阻：
（RL）0.1~20K
（c）加热电压：
（VH）5±0.2V
（d）加热功率：
（P）约750mW
（e）灵敏度：
以甲烷为例R0（air）/RS（0.1%CH4）＞5
（f）响应时间：
Tres＜10秒
（g）恢复时间：
Trec＜30秒
本电路的测量元件采用旁热式烟雾传感器MQS2B在没有烟雾的情况下，烟雾传感器的阻值较高（10K左右），烟雾进入传感器时其阻值急剧下降，A、B两端电压下降。
3．5红外防盗检测电路
图3-6红外防盗检测电路原理图
该部分采用成品主动式红外探测器，探测器有发射头、接收头及处理电路组成。
在正常情况下，发射头发出红外线，接收头接收到红外线，单片机接收到的为高电平，因为用的一个三极管是起了导通开关的作用，所以当有人挡住光束时三极管会截止，就会检测到低电平，从而完成信号传递到单片机中。
3．6电机驱动控制电路
图3-7电机驱动控制电路原理路
本设计中采用双路的PWM产生的占空比，是由单刀双掷开关来完成的。
555定时器产生的可调的占空比，还有一路是通过编程来控制的。
此外还通过按键来开关窗，更具人性化。
图3-8M电机转动状态编码
四、系统的程序流程图
图4-1系统的程序流程图
五、参考文献：
[1]秦曾煌.《电子技术》第六版［M］.北京：
高等教育出版社,2004:
80—103.
[2]张毅刚，彭喜元.《单片机原理及接口技术》[M].北京：
人民邮电出版社，2008.11.
[3]王幸之，钟爱琴，王雷，王闪.《AT89系列单片机原理与接口技术》[M].北京：
北京航空航天大学出版社，2004.9.
[4]高洪志.《MCS-51单片机原理及应用技术教程》[M].北京：
人民邮电出版社，2009.4.[7]邓学欣,檀润华.智能窗的概念设计［J］.河北工业大学学报,2003
（1）.
[5]曾光宇.《现代传感器技术与应用基础》［M］.北京：
北京理工大学出版社，2001：
30—63.
[6]赵新民.《智能仪器原理及设计》［M］.哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，1995：
40—45
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