多功能智能窗设计报告.doc

1、2012 AMD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： Smart Window 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2Abstract2一、系统功能分析2二、硬件设计方案21、控制器设计方案22、程序下载与串口通讯电路设计方案23、温度传感器电路设计方案24、湿度传感器电路设计方案25、红外报警传感器设计方案26、角度测量电路设计方案27、雨滴模块设计方案28、GPRS通信模块设计方案29、LCD液晶显示器硬件设计方案210、键盘硬件设

2、计方案211、电机硬件设计方案212、系统供电设计方案2三、软件设计方案21、整体软件流程22、温度数据融合方案23、自动调节窗户角度设计方案24、通讯模块底层软件设计25、通讯模块人机交互指令设计26、系统输入的软件设计方案27、LCD显示界面设计方案2四、系统测试方案21、角度标定测试22、角度控制精度测试23、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PCB2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

3、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AbstractThis project gives a practical scheme of a smart window which is controlled by a embedded controller , STM32 . The function of this system contains the autocontrol of t

4、he angle of the window in terms of the environment , the remote control of the window by mobile phone , and burglar alarm . The angle of the window is controlled by a motor , and the window can be locked automatic when it closed ; the remote control is realized by the communication of the user and t

5、he GSM module of the system ; the temperature and humidity sensors can get real-time data then the system can get a appropriate angle by information fusion ; the infrared alarm can detect the invader and the beeper will ring at the same time , in the same time , the user will receive the alarm messa

6、ge send from the system.Keywords:Smart Window Data Fusion Remote Communication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：、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。、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。、人机交互功能：配置了LCD显示器和4*4键盘，能够

7、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。、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。、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STM3

8、2单片机系列的单片机STM32F103RBT6。以下是它的部分特性：（1） 采用ARM Cortex-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

9、，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0.1

10、uF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=XBOOT0=0从用户闪存启动，这是正常的工作模式BOOT1=0BOOT0=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=1BOOT0=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：IS

11、P方式和JTAG方式。2.1 ISP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U

12、SB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2-5 PL2303外围电路图2.2 JTAG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

13、达到保护电路的目的。图2-6 JTAG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55125，测温分辨率可达0.0625，精度较高；电源供电范围为3V5.5V。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2-7 DS18B20电路图4、湿度传感器

14、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：2090RH，湿度分辨率 ：1RH，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2-8 DHT11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38 KHz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