自动窗户控制系统的制作与设计的流程Word格式.docx
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硬件部分由各种实现单片机系统控制功能的接口电路以及单片机扩展的外围电路组成;
软件部分的各种程序组成主要由单片机系统实现其特定的控制功能的。
其应用市场是巨大的,必将吸引很多各类企业加入,发展前景也是辽阔的,从而拉伸一大批产业的发展。
1.21.2国内外研究现状
在国外,关于智能家居的研究始于1980年代,它的早期阶段是高端住宅,配有各种通信、电器、安全护理和其他设施,并与计算机和技术合作。
通过总线技术获取信息,以在家中实现智能功能,例如监视,控制和管理。
伴随科技的进一步发展,很多发达国家开始率先研发研制自己的智能家居系统,其中比较重要的有:
欧洲的E1B和EHS、日本的HBS、LONWORKS、CEBUS、和美国的X-10等。
通过这些年的发展,已经迈进成熟阶段的我国的智能家居控制系统的研究,还完成了其在建筑方面的功能实现通过设计,开始挖掘潜在的智能家居市场,大多数主要的家用电器公司,如海尔,创维,TCL等,都已经完成了其智能家居显示行业的设计。
先前进入该领域的一些公司基本上已经推出了自己的产品,例如捷易智能家居。
从推出、研发到最终的运用整个产业将得以完成,智能家居产品也将被功能更完善、使用更人性、价格更低廉的个性化产品所取代,这都离不开智能家居消费市场的成熟,
1.3本文研究内容
我设计的课题的基本内容是基于51单片机的智能窗户控制器设计,其最基本的功能是根据光照强度自动开、关窗户。
主要工作有:
(1)根据外界光线的强弱来进行自动开关窗户,光线强弱的上下限可进行调节;
(2)显示屏显示目前状态,包括温度、湿度、烟雾浓度及时间等;
(3)在开窗前提下,能够感知人体入侵,并开始关窗。
自动控制由系统的外围的温湿度检测模块、光照检测模块电源模块、A/D转换模块、按键模块、步进电机驱动模块、液晶显示模块、和蜂鸣器报警模块和51单片机作为控制核心共同组成。
主要模块的功能有:
(1)以51单片机作为中央控制器:
处理信号并发出控制指令。
(2)液晶显示模块:
使用LCD1602作为显示设备,用来显示时间、温度、湿度、烟雾浓度和光照强度。
(3)时钟模块:
用来设置时间。
(4)温湿度传感器:
可以将收集到的温度、湿度转换成数字信号吗。
(5)步进电机模块:
用电机的转动模拟窗户的开关。
(6)烟雾传感器:
实时监测烟雾浓度,并采集信息。
(7)手动控制。
第2章模块设计
2.1单片机模块
2.1.1方案一
可以运行各种复杂的逻辑功能的CPLD,还可编程逻辑器件用作控制器。
其具有IO资源丰富而且容易于进行功能扩展、大规模、高密度、小体积、高稳定性的优点。
系统的处理速度在并行输出和输入的使用中提高了,且适合作为控制核心给大型控制系统。
但是,该系统对数据处理速度的要求不是很高,并且不需要复杂的逻辑功能。
2.1.2方案二
51芯片可以用作控制核心。
单片机具有强大的算术运算功能,灵活的软件编程和高度的自由度,可以使用软件编程来实现各种算法和逻辑控制,并且由于它的低功耗、小体积、成熟的技术和成本低等优点,它已被广泛的应用在各个领域。
这样一来单片机就可以充分发挥其丰富的资源、控制功能更强大、位寻址操作功能更便捷和价格低廉等优点。
51芯片具有强大的位操作指令,可以对I/O端口进行按位寻址,而且程序空间多达8K,这对于本设计来说已经绰绰有余,更重要的是该芯片的价格非常便宜。
2.2显示模块
2.2.1方案一
动态显示模块的硬件在使用动态显示方式时易于实现,间断扫描法功耗低、硬件系统体积相对减小,硬件成本较低。
位扫描和段扫描每个使用一个端口,总共需要14个微控制器端口,
2.2.2方案二
关于LCD方法的优点是直接与单片机接口并且可以硬件生产简单。
它具有大量的屏幕内容,且具备低成本和低功耗的特点。
在LCD1602显示32个字符时会使用LCD的亮度不足。
2.32.3按键模块
2.3.1方案一
矩阵式行列扫描方式的矩阵式键盘被采用时,缺点为加大编程难度且会电路复杂,优点是可降低占用单片机的I/O口数目当按键较多时。
2.3.2方案二
在运用独立的按键电路时的缺点是当含有更多的按钮时,微控制器I/O端口的数量就会随之增加,他的优点是编程比较容易且电路设计简单。
采用独立的按键电路时,每个I/O端口的工作状态互相不影响,一行I/O接口被相应的单独按键占用,这种类型的键盘采用直接端口扫描。
2.4时钟模块
2.4.1方案一
应用这程序计算日、月、年周、小时、分钟和秒。
并采用MCU定时计数器提供秒信号,这种方法在完成时间上产生一定的错误。
但是减少对于芯片的使用,降低了电路的复杂性从而节省了资金。
2.4.2方案二
作为一种高精度的时钟芯片的DS1302芯片,可以自动计算年、月、周、天、小时、分钟和秒。
在存储区域中,功耗小于205到300nA,工作电压范围为5.5到2.5V,用于制作时钟时一般用DS1302时钟芯片。
但电路连接更为复杂。
2.5温湿度采集模块
2.5.1方案一
DS18B20用于测量实际温度,由STC89C52微控制器和DS18B20数字温度计构成的温度测量设备能够直接发出温度的数字信号,可直接与计算机连接、通信。
使用单总线数据输送是DS18B20的主要功能之一。
湿度采集模块使用对湿度敏感的元件,湿敏元件的线性度及抗污染性差,在检测环境的湿度时,必须将对湿气敏感的元件暴露于环境中以进行长期测试,该测试极易被污染并影响其测量精度和长期稳定性。
2.5.2方案二
DHT11温度和湿度传感器用于收集温度和湿度信息,每个DHT11湿度和温度传感器均校检于极为精准的湿度校准室中。
单电缆串行接口能够使集成系统变得更加简单并且快速。
将这些校准系数调用到传感器而且以程序的形式储存在OTP存储器中在校准系数处理检测信号期间。
超低的功耗和极小尺寸使它成为在一些严苛应用中的最佳选择。
而且该产品是一个4针单排针组,便于连接。
DHT11数字湿度和温度传感器是一种复合湿度和温度传感器。
该产品具有性价比很高、抗干扰能力强、相对快速、质量良好等优点,含括已经校准好的数字信号输出。
该传感器包含一个NTC温度测量元件和一个电阻式湿度传感器元件,并和高性能的8位微控制器相连接。
它采用了温湿度检测技术和专用的数字模块采集技术来保证产品能够具备超强的长期稳定性和可靠性。
2.6方案选择与结构设计
该系统的总体设计方案要满足可实现性和经济适用性,根据上述方案的对比,和综合性的考虑,MCU模块采用51单片机,液晶屏模块采用LCD1602,按键采用独立按键,时钟模块采用单片机自带时钟,温湿度采集模块则使用DTH11温湿度传感器,还包括数模ADC0832转换模块、电源模块、蜂鸣器模块、电机模块和GSM短信报警模块,利用Proteus[10]对电路原理图进行绘制。
系统电路图如2-1所示。
手动和自动两种模式是智能窗户更加人性化的体现,这两个模式的综合运用会让用户得到更好的生活体验。
手动模式可以让客户根据自己的需求随时的开关窗;
自动模式则是根据检测光照值是否达到用户设定的光照值、时间等条件进行自动的开关窗。
图2-1系统电路图
第3章硬件的设计与分析
3.151单片机及相关电路
3.1.1概述
“SingleChipMicrocomputer”是单片机[11]的起源,又被简称为SCM,其主要功能包括运算以及控制,因此,单片机又称作嵌入式微控制器。
其在智能仪器与设备、现代工业控制领域、智能终端设备领域以及民用家用电器等众多领域得到全面的应用。
STC89C51MCU学习板是基于8位MCU处理芯片的系统,STC系列MCU是美国STC公司发布的一种51内核单片机,它包含Flash程序存储器、A\D和其他模块。
该设备的基本功能与普通的51单片机完全兼容。
下图为单片机管脚分布图。
图3-1MCU管脚分布图
部分引脚说明:
(1)时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTSL1引脚:
这是振荡反相放大器和内部时钟发生器的输入端;
连接外部晶体和微调电容的另一端,使用外部时钟时,该引脚必须接地。
XTAL2引脚:
振荡电路频率由于振荡反向放大器输出端而与晶体固有频率保持相同,若发生外部时钟电路需求,必须向引脚区域输入外部时钟脉冲。
(2)控制信号引脚RST、PSEN、EA和ALE
RST引脚:
复位输入的一端,RST是复位信号的输入端子,有效电平为高电平,当RST引脚出现两个以上高电平周期时,单片机将会重启。
该引脚还具有另一功能,就是为RAM提供所需要的备用电源,以保证存储在其中的数据不会发生丢失及损坏的现象,只需要在进行重启操作后便恢复正常工作水平。
PSEN引脚:
作为主程序中稳定信号端子稳定输出的部分,端子会在对片外程序存储器访问的过程中,定期产生负脉冲,因此产生选通信号,以便于读取片外存储器的信息。
EA引脚:
其允许固件编程电压输入,并且能够输入外部程序存储器地址。
高电平若与EA引脚进行连接,芯片中的EPROM/ROM只能允许CPU访问,并对内部存储器指令进行执行,然而,程序计数器数值若远超OFFFH平均数值,芯片外程序存储器自动运行程式将发生于内部程序运转过程中。
并且,若低电平与EA引脚输入信号向连接,不管芯片上是否存在相应的程序存储器,外部存储器命令与CPU访问外部EPROM/ROM操作将会同时进行。
此引脚的第二个特色能力为VPP,常用于8751芯片,EPROM被当做输入端子,其主要能力是固化编程期间施加相对较高的编程电压。
引脚ALE:
这是地址锁定使能信号端子,微控制器加电并有序运转后,稳定正脉冲信号将从ALE引脚进行输出。
通常来说,振荡器信号频率的六分之一就是该信号端子的频率。
当CPU在没有芯片的情况下访问存储器时,ALE输出信号将用作控制信号以阻止低8位地址。
当不在芯片外访问存储器时,ALE端子还将发送正脉冲信号,其振荡频率仅为六分之一。
因此,在外部输出和作定时所采用的稳定信号可以选取ALE信号。
在对8751编程过程中,可以采用4KB的EPROM芯片,而该引脚输入编程脉冲通过功能PROG得以实现。
(3)输入/输出端口P0/P1/P2/P3
组合的8位开漏型的双向I/O端口构成端口P0:
P0端口,其具体含义为地址/数据总线复用端口系统。
当起输出端口功能时,每个单独的位均能够实现通过吸收电流来调控这8个TTL逻辑门电路的功能;
若输入口为PO端口,应先向端口锁存器写入全1,使得PO端口引脚保持浮空状态,进而使高阻抗输入任务更高效运行,若访问操作发行与程序与外部数据存储器,端口先的数据总线复位以及低八位地址进行分时转换操作,以确保在访问的有效时间内,其内部端口上拉电阻P0处于正常工作状态。
端口P1:
P1端口是具有内部上拉电阻的8位型准双向I/O端口的组合端口。
一般地,P1端口的输出缓冲级可以同时进行四个LS型TTL负载处理的任务。
除此之外,在P1端口作为输入口时,必须向P1端口锁存地址(90H)写入全1。
基于此条件,由于受到内部上拉电阻的影响,P1端口引脚将恢复至高电平状态。
由于受到内部独立上拉电阻影响,若将其作为输入端口,任一引脚发生削弱外部信号的问题,就会产生一个电流。
端口P2:
作为一个8位型准双向I/O组合端口,同时涵盖了内部上拉电阻。
任一P端口都能够对4个LS型TTL负载进行同时处理。
此外,当不进行芯片访问EPROM/RAM操作时,它将生成前8个地址位。
端口P3:
任一P3端口都能够对4个LS型TTL负载进行同时处理。
除此之外,P3端口与其他I/O端口差异性较大,其的引脚都具备用于串行数据接接受的附加功能:
P3.0~P3.1:
接收并输出串行数据。
P3.2:
输入外部中断0。
P3.3:
输入外部中断1。
P3.4:
输入外部计数定时/计数器0。
P3.5:
输入外部计数定时/计数器1。
P3.6:
将外部选通信号写入任务数据存储器。
P3.7:
外部选通读取数据存储器。
3.1.2晶振电路
晶振电路实际上市处于电路内的石英晶体振荡器,由于其外界防干扰性能以及频率稳定性较强,普遍性应用在基准频率产生方面,从而使电路频率的准确性得到保证。
并且,晶振电路还能够产生振荡电流,将时钟信号向单片机发出。
单片机独立时钟往往是基于片外器件与片内电路而构成,进而产生一定的电路。
只有当时钟脉冲同步运行的情况下,CPU操作才能运行相应操作。
晶振大约保持1.2MHz~24MHz的频率,与片内振荡器十分相似。
并且,作为反馈电容的C1、C2大多处于20pF~100pF,而选取利用较高的为30PF。
通过上述分析可以发现,此电路选取12MHz晶振频率和30pF电容。
下图3-2为晶振电路的示意图。
图3-2晶振电路
此电路的外部晶体接入的引脚为XTAL1,为外部晶体剩余端口由XTAL2接入,单片机必须与振荡器反相放大器输出端相连接。
然而,若交变电厂施加于石英晶体2个管脚时,就会产生机械变形问题,而在机械振动过程中则会引发交变电场问题,可以将以上物流变化状态称之为压电效应。
通常来说,机械振动与交变电场振幅都偏低。
然而,若交电电场频率固定,就会迅速提升振幅,从而引发共振现象,可以将上述现象变动称之为压电振荡,而其中的固定频率为谐振频率,也就是石英晶体的固有频率。
XTAL2线上在石英晶振起振后,需要输出3V电压弦波,促使石英晶振产生频率与MCS-51片内OSC电路相同,进而发生自激振荡现象。
通常而言,OSC通常输出0.5-16MHz的时钟频率,而利用度较高的则是11.0592MHz或者12MHz。
并且,起振功能的发展离不开30pF电容C1和C2的辅助作用,通过合理调控,实现对f的微调。
3.2液晶显示电路
LCD1602液晶显示模块是一种广泛使用的字符型液晶显示模块[12],具有微功耗,体积小,显示内容丰富,超薄轻便等优点。
其丰富的显示内容,紧凑的外观和易于控制的功能都是作为显示模块的首选。
它由字符型液晶显示器(LCD),HD44780主控制电路及其HD44100显示控制电路组成,并在PCB板上组装了少量电阻器,电容器和结构部件。
LCD1602液晶显示模块使用5x7点矩阵图形显示字符,显示容量为2行16字符。
3.2.1工作原理
点阵液晶的构成为M行×
N列个显示单元。
比如,若LED屏包含64行、128列,26个字节构成一行,也就是1字节中的8位由8列所对应,也就是其构成为128点,而屏幕若为64×
16单位,也就是显示RAM区域内包含了1024个字节,而屏幕相应位置明暗显示由各字节内容向对应。
例如,屏幕第一行亮度内容制定是通过RAM区域的000H~00FH的16个字节所确定的,在达到(000)=FFH状态时,8点长度的明亮特征细线就会展现在屏幕的左上角位置;
在达到(3FFH)=FFH状态时,8点长度的短的特征细线就会展现在屏幕的右下角位置;
而在达到(000H)=FFH、(001H)=00H、(002H)=FFH、(003H)=00H,…(00EH)=FFH,(00FH)=00H状态时,屏幕顶端就会显示分别由8条亮线与暗线构成的一条特征虚线,LCD屏幕含义也就是如此。
在LCD上,大多由6×
8或8×
8点矩阵构成显示字符,也就是要寻找包含8个字节显示RAM区域的屏幕对应位置,故此,其更为复杂多变。
并且使每个单独的字节的不同位都为“1”,另一个为“0”,亮为“1”以及暗点为“0”,从而产生了特定的特征字符。
而对于具有内置字符发生器功能的控制器,其显示字符的功能相对比较单一。
此外,其可以让控制器通过运行文本模式进行工作,同时依据行号和列号以及每行中的列数找出相应的显示RAM的地址,设置光标,然后在此处输出对应相应字符的信号。
通常而言,汉字通常选取图形形式的显示模式,需要从设备中提前提取所需显示任务的汉字点阵代码。
一般汉字由32个字节构成,将分为两个部分,其中每一半各占16个字节,左侧依次为为1、3、5,右侧依次为为2、4、6。
对应于显示RAM的地址可以根据行号、列号和每一行的列数找到,设置处于光标状态,并设置加1指令,对汉字第一字节内容进行输出,并对第二字节内容信号进行发送,完成行列对齐操作,进而对第三个字节进行发送,直至32个字节显示任务结束,此时在LCD上就会显示汉字。
该液晶的分辨率为128×
64,并具有汉字字库。
其模式是并口2线、3线,或串口4位、8位。
对于液晶模块而言,可以显示GB一级、二级的汉字,对于整个屏幕而言,可以显示16×
16点阵中文共8192个,也包括16×
8半角英文字符128个,覆盖所有ASCII码显示的字符。
该显示模块具有使用灵活、操作简易、支持丰富的特点,通过显示模块对于中文的显示,可以给使用者非常完整的使用体验,在人机交互方面可以最大程度地降低使用者的操作难度。
其一共可以显示4行8列汉字,每个汉字的大小是16×
16。
除此之外,还可以显示图形。
低电压和低功耗是另一个突出的情况,各个引脚则有:
引脚1:
VSS,该引脚接地。
引脚2:
VDD,作为电源,用以提供5V电压。
引脚3:
VL,用以调整整个LCD的对比度。
对于LCD而言,其对比度关系到显示的清晰程度。
对比度也并非越高越好,尽管对比度越高越清晰,但极高的对比度会导致显示出现重影。
对比度的极低值出现在该引脚直接接正电源时,一般情况下通过将其与10k电位器连接来对对比度进行调整。
引脚4:
RS,该引脚用以选择数据或指令,当该引脚处于低电平时,状态为选择指令,高电平时其状态为选择数据。
引脚5:
R/W为读/写信号线,主要是完成低电平写与高电平读操作。
若RS和R/W同时保持在低电平状态时,地址显示与指令编写功能就能实现;
若RS保持低电平、R/W保持高电平,读取忙音功能就能实现;
当处于RS为高而R/W为低状态时,则可以进行写入数据任务。
引脚6:
E是启用端子。
当端子E从高电平变变为低电平时,LCD模块就能进行任务执行操作。
引脚7〜14:
D0〜D为8位双向数据线。
引脚15:
接入背光源的阳极。
引脚16:
背光源阴极。
如图3-3所示,LCD1602的引脚示意图:
图3-3LCD1602引脚图
3.2.2操作指令
对于LCD1602模块而言,其实现读/写操作功能通过对指令进行编程来实现对显示屏和光标操作(其中1信号显示为高电平状态,0信号为低电平状态),从如下所示:
命令1:
清楚屏幕内容。
指令码01H,光标复位到00H。
命令2:
光标的重新设置。
光标复位到00H。
命令3:
进入模式设置部分,在该部分当中,高亮色块的移动由L/D控制,当其为低电平时,高亮色块左移,高电平时,高亮色块右移。
此外,S用以代表字符的移动顺序,一般是处于高电平,表示该选项有效,而如果是低电平则正好相反,表示该选项无效。
命令4:
对显示是否开启的操作控件。
光标能否正常闪烁的开关为B,其大多保持在高电平状态,则意味着光标闪烁功能打开,若保持低电平状态,则意味着功能关闭。
光标能够正常显示的开关为C,其大多保持的高电平状态,表示打开光标显示,低电平则关闭该功能。
D是常规显示的开关,高电平指示器显示在屏幕上,低电平指示器关闭。
命令5:
高亮色块或字符滚动控件。
其中,S/C表示将显示的文本移到较高的级别,而将光标移到较低的级别。
命令6:
功能配置。
其中,DL表示4位高级总线和8位低级总线。
N表示低水平的单行显示和高水平的双行显示;
F表示以低级矩阵字符显示的5×
7点,其中Order表示5×
10点矩阵字符。
命令7:
设置整个字符发生器的内存地址。
命令8:
对DDRAM指定地址。
命令9:
忙信号的读取,如果BF处于高电平,则证明目前正忙,模块无法及时进行反应,但如果BF处于低电平,则证明目前状态是正常的。
命令10:
对数据进行写入操作。
命令11:
对数据进行读取操作。
3.3按键模块电路
在单片机系统中,键盘按钮能够实现向单片机输入数据信号的功能。
对于单片机而言,如果要对其进行控制,最简单的方式就是直接对其传送指令[13],结合实际情况,拟采用独立键盘,可以方便指令的输入操作,电路图如图3-4所示,其中K1和K2为数值的加、减按键,K3为模式设置按键、K4和K5为手动开关窗按键。
常见的获取键盘信号的方式有两种,但是在本设计主要采用扫描法进行键盘信号获取。
全部行线在扫描法中都能进行输出端口设置并进行输出信号,促使低电平信号产生。
全部列线都能设置于输入端口,发挥着按钮检测的功能。
当进行释放所有按钮任务时,行线低电平输出稳定性并不能在列线上进行检验。
若施行的按钮按下操作,在对应电平处于低电平状态的情况下,列线端口才能对低电平状态进行检验。
在闭合和断开按键触点的过程中,抖动现象就会发生,这表明其逻辑电平运行并不稳定,若采取措施进行处理,就会导致按键命令执行错误,并且发生重复执行的问题。
一般地,大多采用软件优化的方法消除抖动现象。
图3-4按键
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