毕业设计基于M4单片机的智能窗户及控制系统的设计.docx

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毕业设计基于M4单片机的智能窗户及控制系统的设计

毕业设计（论文）

基于ARMcontex-M4单片机的

智能窗户及控制系统的设计

基于ARMcontex-M4单片机的智能窗户及控制系统的设计

摘要

本设计采用ARMcontex-M4单片机为控制核心，通过控制直流电机的正反转改变窗户的开合，从而实现“窗户自动控制”功能。

此作品使用了触点开关对“雨”进行监控，温湿度传感器对环境温湿度检测，粉尘传感器对空气中粉尘光量检测，电开关判断窗户是否全开或全关，这些信号经探测提取转换后被送入单片机中进行运算，单片机根据运算结果对直流电机进行控制，从而实现自动窗帘的功能。

该作品使用了无线收发模块，实现了对窗帘的遥控，通过简单的按键设置就能控制窗帘的状态。

关键词：

ARMcontex-M4传感器直流电机电机驱动

Body-drivenDesignofFire-fightingRobot

Abstract

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,intelligencealsomadefurtherdemands,intelligentrobotresearchinpracticalapplicationsalargespacefordevelopment. Thesocialsignificanceofthefireisthatitsafeforhumansurvivalastheultimatecare,firefightingrobotasanimportantmeansoffirefighting,firefightingandrescuehasbeenanincreasinglyimportantroleintheshow. 

ThisrobotisP89V51RD2fightingforthecontrolofmicrocontrollercore,toDCmotor,powersupplycircuit,motordriveandothercircuits. SystemthroughthefireflamesensorinformationcollectedbythemicrocontrollerthroughIOporttocontrolthecarforwardandstopped. Tofindthesourceoffire,thecarstopped,theuseofjobsensortomeasurethevelocityofthecar,displayedonthedigitalpipe. Andusethefanoutthefire.

Keywords:

P89V51RD2；DCmotor；HallSensor；LED

目录

第一章绪论1

1.1问题的提出1

1.2相关背景情况介绍1

1.3设计思路和方法1

1.3.1系统设计指标1

1.3.2系统设计的难点2

1.4本论文结构安排2

第二章系统设计3

2.1整体方案设计3

2.2系统组成3

2.3方案论证与比较3

2.3.1单片机的方案论证与比较3

2.3.2电源模块的方案论证与比较3

2.3.3测速模块的方案论证与比较4

2.3.4显示模块的方案论证与比较4

2.3.5车体设计的方案论证与比较4

2.3.6电机驱动模块的方案论证与比较5

第三章单元电路设计6

3.1主控制器6

3.1.1单片机概述6

3.1.2单片机P89V51RD26

3.2电源模块7

3.3测速模块7

3.3.1霍尔器件7

3.3.2霍尔传感器44E概述7

3.3.3霍尔传感器测速原理8

3.3.4传感器电路设计8

3.4显示电路的设计9

3.4.1数码管动态显示原理9

3.4.2数码管显示电路9

3.5电机驱动电路的设计9

3.5.1L298N概述9

3.5.2电机驱动电路10

3.5.3隔离电路10

3.6灭火驱动电路11

第四章软件的设计12

4.1软件开发平台介绍12

4.2主程序流程图12

4.3定时器/计数器12

4.3.1定时器/计数器12

4.3.2定时器程序13

4.4PWM产生程序14

4.5测速程序15

第五章制作与调试17

5.1制作流程17

5.2调试17

5.3调试结果17

第六章结论18

致谢18

参考文献（References）19

第一章绪论

1.1研究目的和意义

21世纪是信息化的世纪，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。

智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。

利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。

与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。

还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。

系统的网络化功能可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗户自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。

使生活更加舒适、便利和安全。

因智能家居控制系统布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。

智能化控制的工作原理自然离不开运算和控制单元，在设计本系统时采用的主控器件ARMcontext-M4，正是运算与控制单元的集合体。

本窗户控制系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采各模块和芯片的协调性，从而大大提高系统的可利用性。

此次系统设计系统正是利用ARMcontext-M4单片机的优点，顺利的完成了本设计的要求。

并且实现了学习型定时和自动控制功能，为控制家居设备提供了良好的基础。

正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。

这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。

智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。

随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，功能也越来越强，各种传感器都已经标准化、模块化，这给智能家居控制系统的设计提供极大方便。

智能窗帘控制装置系统的整体主要由硬件和软件两部分组成。

硬件部分由单片机扩展的外围电路以及各种实现单片机系统控制功能的接口电路组成；软件部分主要由单片机系统实现其特定控制功能的各种程序组成。

本设计中介绍了智能窗帘控制装置系统的硬件构成以及软件设计过程，以尽最大可能满足不同人对窗帘开闭的不同需求。

同时，系统在针对人们一般需求的设计开发外，还提出多种解决方案，在考虑到经济性和简便性的前提下，可以供日后对控制系统的功能进行扩展。

1.2基本内容安排

该设计通过分析电动窗帘的现状和人们对自动窗帘控制系统的功能的需求，从而对自动窗帘控制器进行总体的设计。

系统的总体设计采用以直流减速电机作为单片机控制元件，执行窗户开闭的主要任务；以温湿度传感器、粉尘传感器、雨滴传感器作为检测元件，以提供单片机外界环境的变化；ARMcontext-M4单片机作为主控制芯片，控制着整个系统的运行，此外，辅助以键盘和显示电路，在各个电路模块的配合下最终实现了自动窗户控制系统的智能化要求。

自动窗帘控制系统设计过程主要分为以下几个章节：

（1）绪论：

介绍设计目标国内外的发展现状和研究意义目的，设计的基本内容和本文的章节安排。

（2）总体设计方案：

给出了智能窗户控制装置的总体方案设想，智能项目，和设计结构规划。

（3）硬件设计：

选用ARMcontext-M4单片机为核心的各种电路设计，包括电源电路，直流电机驱动电路，键盘/显示电路等一系列相关电路。

（4）软件设计：

介绍各个功能模块的的设计流程以及设计思路。

（5）总结：

针对设计中的不足进行再思考以及提出自动窗帘控制系统功能的扩展。

1.3设计思想及基本功能

该系统具有一般的窗户控制系统的最基本的功能，即通过电动按钮来开闭窗户，在此基本功能的前提下，本设计根据需求还设计了可以根据温度、湿度、粉尘浓度和下雨量自动开闭窗户的功能，在选取设计方案和采用元器件方面，该系统本着简单实用经济的思想，尽量简化电路设计，同时又能学到知识的目的来达到设计要求。

自动窗帘控制系统具有以下几个基本功能：

（1）手动控制：

该功能是根据用户的需求通过按键进行窗帘的开关，此功能可以使窗户的开闭处于任何一种状态；

（2）环境自动控制：

窗户的关闭和开启通过环境的温度、湿度、粉尘浓度和下雨量自动完成窗户的开启或关闭操作控制。

窗户的开、关和停止功能可由单片机输出电平来控制直流电机的运转以实现。

第二章系统设计

2.1整体方案设计

课题要求设计一个简易智能窗户模型，能在指定环境内根据环境的不同来控制窗户的开关。

根据课题设计的要求和课题目标，制定出了系统的设计方案，并通过比较论证，选择合适的器件。

最终确定手工制作小车，采用ARMcontext-M4单片机作为主控制器，L298N作为直流电机的驱动芯片，并用液晶屏显示当前的环境参数的设计方案。

2.2系统组成

根据智能窗户的功能要求，设计的智能窗户主要由控制器、显示模块、驱动模块、传感器检测模块、按键模块以及电源模块等组成。

本系统的方框图如图2-1所示。

图2-1系统方框图

2.3方案论证与比较

2.3.1单片机的方案论证与比较

方案一：

采用嵌入式处理器（ARM）作为控制器。

ARM运算功能强大，速度较快，编程灵活，自由度大，外围器件少，成本适中，容易实现仿真、调试和功能扩展。

方案二：

采用FPGA或CPLD作为系统的控制器。

可以实现复杂逻辑功能，规模大，速度快，密度高，体积小，稳定性高，容易实现仿真、调试和功能扩展。

不过这个控制器成本高，引脚多，PCB布线复杂。

方案三：

采用AT89C51单片机，AT89C51是一款80C51微控制器，包含了4KBFLASH和128字节的数据RAM。

AT89C51单片机比较简单可靠，编程容易。

本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度要求也不是很高。

但是为了能够跟多的学习ARM的单片机，且本人手上正好有K60的单片机所以为了学习选择方案一。

2.3.2电源模块的方案论证与比较

由于本次系统设计中有单片机最小系统模块、传感器模块、处理电路模块、显示模块等都需要有3.3V和5V电源，所以电源在本系统中有着比较重要的地位，它是整个系统能够正常工作的保证。

方案一：

利用变压器将220V市电降压成12V交流电压，通过桥式整流电路整流后再通过三端稳压器7805输出稳定的5V电压，在经过1117-3.3V芯片输出稳定的3.3V电压。

方案二：

直接用现成5V的电源模块，给电路、驱动供电，在经过1117-3.3V芯片给单片机和显示电路供电

综上所述：

选择方案二，由于电机转动的不确定性可能会对单片机造成影响，所以就直接用现成的电源模块。

2.3.3传感器模块的方案论证与比较

2.3.3.1窗位置传感器模块

方案一：

使用1M欧姆，1M长导线

通过测量导线电压来确定窗位置，使用精度较高的金属混合物电阻。

方案二：

使用光电传感器

光电传感器不与被测电路发生电接触，通过检测窗体是否挡住传感器的光源来检测当前窗体是否已经到边缘，进一步确定是否停止电机。

综合考虑，根据实际情况，选择方案二。

方案一中导线的安装有较大的难度，并且不易购买。

2.3.3.2温度传感器模块

温度传感器模块

方案1：

使用PT100温度传感器

PT100是铂金属正温度系数热敏传感器，它测量温度范围大，价格便宜，PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

铂热电阻的线性较好，在0~100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。

PT100输出量为模拟量。

方案2:

使用DHT11温湿度传感器

DHT11体积小，使用方便，封装形式多样，独特的一线接口，只需要一条口线通信，多点能力，无需外部元件可用数据总线供电。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

综合考虑，根据实际情况，选择DHT11作为温度传感器。

使用PT100温度传感器要附加放大器电路和AD转换电路，成本高，占用电路板空间大，不宜于设计开发。

2.3.3.3雨滴传感器模块

方案一：

使用雨滴传感器

雨滴传感器放置在玻璃后面，它能根据落在玻璃上雨滴量的大小来产生相应电压，它有一个被称为LED的发光二级管负责发送远红外线，当玻璃表面干燥时，光线几乎是100%地被反射回来，这样光电二级管就能接收到很被多的反射光线。

玻璃上的雨滴越多，反射回来的光线就越少。

方案二：

使用普通接触开关

普通接触开关价格经济，体积小，不能量化要测量的量。

综合考虑，根据实际情况，选择雨滴传感器。

普通接触开关简单，价格经济，但不够准确。

雨滴传感器性能优异工作稳定，精度高，反映灵敏。

2.3.3.4粉尘检测传感器模块

方案1：

使用GP2Y1010AU0F检测粉尘

通过对空气中粉尘颗粒的质量检测来反应当前空气中的粉尘浓度，编程比较容易，网络资料比较多。

方案2：

使用SM-PWM-01B检测粉尘

通过对空气中粉尘颗粒的质量检测来反应当前空气中的粉尘浓度，但是编程需要用到中断，可能会给系统带来负担。

且网上资料较少，编程方式较难。

综合考虑，根据实际情况，选择GP2Y1010AU0F检测粉尘，方便编程。

2.3.4显示模块的方案论证与比较

根据题目的要求，需要显示当前的环境参数以及电机开关动作，所以显示模块成了不可或缺的一个模块。

方案一：

数码管。

8段数码管属于LED发光器件的一种，分为8段：

A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP是小数点位，还包括一个公共端COM端。

从电气上，8段数码管又分为共阴和共阳两种。

共阴指数码管的公共端接负极，而各段接正极；共阳则正好相反。

数码管显示虽然简单编程容易，但是它只能够显示简单的数字和字母，而且功耗较大。

方案二：

液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。

但是编程难度较高，亮度较低。

考虑到本系统进行显示的内容较多，不适合用数码管显示，故采用方案二液晶显示。

2.3.5窗体设计的方案论证与比较

方案一：

购买窗体。

就是将自己的设计要求以及需要加的齿轮等告诉厂家，订做一个自己需要的窗户。

但是这种窗户价格很贵，而且还不一定由厂家愿意做，比较耗时。

方案二：

自己做一个窗体，在外面店里购买做窗的材料，根据自己的需求在上面添加自己需要的东西。

综上考虑，为了能够更多学习锻炼自己的动手能力所以选择方案二。

2.3.6电机驱动模块的方案论证与比较

方案一：

采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。

L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。

用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

方案二：

采用继电器对电动机的开或关进行控制，采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对灭火小车进行控制。

这个方案的优点就是电路较为简单，缺点就是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。

综上所述，选用方案一

第三章单元电路设计

3.1主控制器

3.1.1单片机概述

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。

随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。

手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑等里面都可以看见它。

3.1.K60的引脚功能与硬件最小系统

图3-1为K60封装引脚图

Kinetis系列微控制器是飞思卡尔公司于2010年下半年推出的基于ARMCortex-M4内核的微控制器，是业内首款Cortex-M4内核芯片。

Kinetis系列微控制器采用了飞思卡尔90纳米薄膜存储器（TFS）闪存技术和Flex存储器功能（可配置的内嵌EEPROM），支持超过1000万次的擦写。

Kinetis微控制器系列融合了最新的低功耗革新技术，具有高性能、高精度的混合信号能力，宽广的互连性，人机接口和安全外设。

•内核：

•ARMCortex-M4内核带DSP指令，性能可达1.25DMIPS/MHz（部分Kinetis系列提供浮点单元）

•多达32通道的DMA可用于外设和存储器数据传输并减少CPU干预

•提供不同级别的CPU频率,有50MHz、72MHz和100MHz（部分Kinetis系列提供120MHz和150MHz）•极低的功耗：

•10种低功耗操作模式用于优化外设活动和唤醒时间以延长电池的寿命

低漏唤醒单元、低功耗定时器和低功耗RTC可以更加灵活地实现低功耗

•行业领先的快速唤醒时间

•存储器：

•内存空间可扩展，从32KB闪存/8KBRAM到1MB闪存/128KBRAM。

多个独立的闪存模块使同时进行代码执行和固件升级成为可能•可选的16KB缓存用于优化总线带宽和闪存执行性能•Flex存储器具有高达512KB的FlexNVM和高达16KB的FlexRAM。

FlexNVM能够被分区以支持额外的程序闪存（例如引导加载程序）、数据闪存（例如存储大表）或者EEPROM备份。

FlexRAM支持EEPROM字节写/字节擦除操作，并且指示最大EEPROM空间•EEPROM最高超过一千万次的使用寿命•EEPROM擦除/写速度远高于传统的EEPROM•模拟混合信号：

•快速、高精度的16位ADC、12位DAC、可编程增益放大器、高速比较器和内部电压参考。

提供强大的信号调节、转换和分析性能的同时降低了系统成本•人机接口（HMI）：

•低功耗感应触摸传感接口在所有低功耗模式均可工作

•连接性和通信：

•UART支持ISO7816和IrDA，I2S、CAN、I2C和SPI•可靠性和安全性：

•硬件循环冗余校验引擎用于验证存储器内容、通信数据和增加的系统可靠性•独立时钟工作的COP用于防止代码跑飞•外部看门狗监控•定时和控制：

•强大的FlexTimers支持通用、PWM和电机控制功能•载波调制器发射器用于产生红外波形•可编程中断定时器用于RTOS任务调度或者为ADC转换和可编程延迟模块提供触发源•外部接口：

•多功能外部总线接口提供和外部存储器、门阵列逻辑或LCD的接口•系统：

•5V容限的GPIO带引脚中断功能•从1.71V到3.6V的宽操作电压范围，闪存编程电压低至1.71V，并且此时闪存和模拟外设所有功能正常•运行温度-40°C到105°C

3.2电源模块

本系统采用5V电源模块，经过1117-3.3v进行电压变换后得到3.3V电压，给单片机、液晶显示，等电路供电。

其电路原理图如图3-2所示。

图3-2直流3.3V电路图

电路中常在输入端接入电容是为了抵消输入引线感抗，消除自激。

同时，在输出端接上电容是为了除集成稳压器的输出噪声，特别是高频噪声。

3.3传感器模块

3.3.1光电传感器

H42B6是由原装进口高发射功率的砷化镓（砷铝镓）红外发射管和高灵敏度的光敏晶体管组成。

它是利用被检测物对光束的遮挡，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无 其内部电路如图3-1-1所示。

图3-1-1H42B6内部结构图

当左侧的发光二极管跟右侧的光敏三极管没有障碍物阻隔，则4号脚输出高电平，当俩着之间被阻隔，光敏三极管基极电流趋于0,3、4号脚相当于断开，输出低电平，用IO口读取当前管脚的电平即可了解窗户的位置。

电路图如图3-1-2所示。

图3-1-2

3.3.2温度传感器模块

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

产品为4针单排引脚封装。

典型应用电路如图3-2-1

图3-2-1典型电路

DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:

一次完整的数据传输为40bit,高位先出。

数据格式:

8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据 

+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据 

         +8bit校验和 

数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。

用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式电路连接如图3-2-2

图3-2-2

3.3.3雨滴传感器模块

雨滴传感器又叫雨滴检测传感器，用于检测是否