多功能智能窗毕业设计论文基于单片机.doc

毕业设计（论文）开题报告课题名称 基于单片机的多功能智能开窗/关窗的设计 学 院 电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电自12-2 学 号 201209604129 姓 名 王超 指导教师 定稿日期：17多功能智能开窗/关窗控制器的设计摘要：本文讨论了一种智能窗系统设计方案。该智能窗由多个传感器收集风力大小、空气湿度、烟信号、红外检测等信号，经处理后传入单片机。 单片机对信号进行运算，再输出脉冲信号调整步进电机。智能窗可根据环境变化及使用者的意愿调整扇叶张角，控制室内环境参数，且具有一定的自适应能力。也可以对窗外长期驻留人员的情况进行检测，并对室内人员报警提醒。当不启用智能窗系统时，也能用手动对窗户进行开关，更具人性化。 关键词：89C51单片机、传感器、智能窗第一章 课题简介1.1课题背景我国的改革开放，经济的飞速发展，使得人民物质生活水平不断提高，人们对其住宅和汽车的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所和汽车，而且对其安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。现在的自动控制系统已经为我们的生活提供了太多的便利，在生活的各个方面，人们迫切需要一种智能型的家庭安全自动关窗系统，能可靠的进行日常的开关工作，在环境大风或下雨的情况下，自动识别大风或下雨天气，实现自动关窗动作，以便人们能够更安心的工作，同时也保证了居民生活的舒适和生命财产不受损失。于是有关家庭、办公室，仓库还有汽车等处的自动关窗系统的开发研制日益被科研单位和生产厂家所重视。现在市场上也出现了各种名目繁多的关窗装置，但多由于可靠性较差、造价高或使用复杂而难于普及。随着电子通讯技术的飞速发展，单片微机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比高等突出优点已在工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。因此利用单片机和一些简单的外围器件来开发一种适合于家庭、仓库、银行，汽车等重要场所的低价位、运行可靠、具有自动关窗功能的系统，对恶劣的天气情况自动发出报警信息。另外自动关窗系统也广泛应用于汽车。汽车是现代生活中不可缺少的交通工具，随着人们生活水平的提高，人们对汽车的安全性、 舒适性都有着更高的要求。中央门锁和电动车窗给驾驶员和乘客带来了很大的方便。驾驶员通过它可以方便的对所有车门的开闭进行控制。电动车窗使得驾驶员也可通过设在驾驶员旁边的控制开关对各车窗实现集中控制。但是在有些时候也会出现一些其他的麻烦。比如：当汽车停车熄火，锁好门后，有时会忘记将车窗玻璃升到位，及时发现的，要重新打开车门，按动开关将其升到位；而一旦疏忽，不但会造成重要文件、物品丢失，甚至会导致车辆失窃、 雨天驾驶室进水等 ,给用户带来不必要的经济损失和精神负担。鉴于以上情况，可以设计在中央门锁和电动车窗的基础上加装的汽车自动关窗控制器。其工作情况是：当汽车熄火后 ,锁上门锁时 ,汽车自动关窗控制器会自动关好开着的所有车窗玻璃。如果汽车附有遥控装置 ,下车后只需轻轻一按遥控器就可以放心地离开了 ,再不用担心物品丢失、 车辆失窃、 雨天驾驶室进水等问题。1.2 课题意义随着我国经济的快速发展以及人民生活水平的不断提高，人们对健康的重视程度也日渐增强 保持室内空气新鲜，经常通风换气也成为人们共同的生活习惯 然而在当今快节奏生活中，人们常常会忘记关窗，每逢刮风下雨，便担心不已。现在的智能关窗装置虽然品种功能都很多，但主要应用在高档建筑和各种公共场所，而且主要是和窗户一起定做，价格也比较高 同时无论是老的还是新建的民房预先安装的以手动推拉窗居多，很少有人愿意把已安装好的窗户废掉，更换成多功能智能窗。由于以上原因，本课题希望开发一种在普通窗的基础上改进的智能关窗装置，该装置装有风速传感器，温湿度传感器，每当刮风下雨，窗户便自动关闭，解除用户的后顾之忧.1.3课题研究内容智能门窗一般是指安装了先进的防盗、防劫、报警、自动关窗等系统的门窗。智能门窗在一些公共场所、高档商品房、商场中运用广泛，现在正向普通家庭普及。 智能门窗控制系统由无线遥控器、智能主控器、门窗控制器、门窗驱动器等组成，现在的智能门窗系统集现代声、光、机、电、通讯为一体，是智能居家的理想选择。另一种智能窗是由玻璃或透明塑料等基材和调光材料所组成的具有调光功能的器件， 在一定的物理条件( 如电场、 温度)下，这种器件可以改变自身的透明度或颜色，从而选择性地吸收和反射外界热辐射和阻止内部热扩散，达到调节光强度或室内温度的目的。一般智能窗材料根据激励方式可以分为三种：光致变色型、电致变色型、热致调光型。随着能源危机、污染、全球变暖等问题的日益严峻，智能窗( Smart Window ) 迅速成为各国研究的热点。应用简单可靠的系统，通过高智能的精准控制和协同，让生活变得更简单更舒适更节约。从专业的角度讲，我们是电子产品的造物主，赋予它们灵魂不仅是我们的梦想也是我们的使命。人工智能窗，能使你的生活更加安全，更加舒适，更加环保。它不仅是一个消费品，更是家庭云系统中的一员。当然它更是一种健康绿色的理念。基于以上，作为智能家居的不可缺少的一环，智能窗应运而生。智能窗主要是由单片机，人体红外线感应器，风速传感器、温湿度传感器、气体传感器及其相关部件组成。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器 RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 第二章 方案设计2.1系统总体方案设计设计一个多功能智能窗，能够根据外界的天气情况和室内的气体情况来控制者窗户的开启和关闭。本系统有以下几个控制要求：（1）当外界下雨时，及时关闭窗户，防止雨水进入室内损坏室内的装饰和物品。（2）当室内的可燃气体、烟雾等超过标准时，窗户自动打开，并启动排气扇进行排气，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。（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，窗户会立即关闭并发出高分贝声音报警。（4）当室内的温度超过30时能开窗换气，保持室内空气清新，当然这一动作是以外界没有下雨和盗情为前提的。（5）增加手动开窗、关窗功能，是产品更人性化。湿度传感器风速传感器光强传感器气体传感器温度传感器 信号调理电路A/D单片机遥控器报警器驱动电路电机2.2 各部分元器件选择2.2.1 单片机选择 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。主要性能(1)、与MCS-51单片机产品兼容； (2)、8K字节在系统可编程Flash存储器； (3)、全静态操作：0Hz-33MHz； (4)、32个可编程I/O口线； (5)、三个16位定时器/计数器； (6)、六个中断源； (7)、低功耗空闲和掉电模式； 图2-2 AT89S52引脚图 DIP封装2.2.1、温度传感器温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。 热电偶应用很广泛，因为它们非常坚固而且不太贵。热电偶有多种类型，它们覆盖非常宽的温度范围，从?C200到2000。它们的特点是：低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移，以及非线性。另外，热电偶需要外部参考端。 RTD精度极高且具有中等线性度。它们特别稳定，并有许多种配置。但它们的最高工作温度只能达到400左右。它们也有很大的TC，且价格昂贵(是热电偶的410倍)，并且需要一个外部参考源。 模拟输出IC温度传感器具有很高的线性度 (如果配合一个模数转换器或ADC可产生数字输出)、低成本、高精度(大约1%)、小尺寸和高分辨率。它们的不足之处在于温度范围有限(?C55150)，并且需要一个外部参考源。 数字输出IC温度传感器带有一个内置参考源，它们固有地会自身发热，但可以采用自动关闭和单次转换模式使其在需要测量之前将IC设置为低功耗状态，从而将自身发热降到最低。 与热敏电阻、RTD和热电偶传感器相比，IC温度传感器具有很高的线性，低系统成本，集成复杂的功能，能够提供一个数字输出，并能够在一个相当有用的范围内进行温度测量。 故我们选用DS18B20数字温度传感器，它的优点是接线方便，耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 2.2.3湿度传感器常用的湿度传感器有氯化锂湿度传感器、碳湿敏元件、氧化铝湿度计、陶瓷湿度传感器、数字湿度传感器。第一个基于电阻-湿度特性原理的氯化锂电湿敏元件是美国标准局的F.W.Dunmore研制出来的。这种元件具有较高的精度，同时结构简单、价廉，适用于常温常湿的测控等一系列优点。氯化锂元件的测量范围与湿敏层的氯化锂浓度及其它成分有关。单个元件的有效感湿范围一般在20%RH 以内。例如0.05%的浓度对应的感湿范围约为（80100）%RH ，0.2%的浓度对应范围是（6080）%RH 等。由此可见，要测量较宽的湿度范围时，必须把不同浓度的元件组合在一起使用。可用于全量程测量的湿度计组合的元件数一般为5个，采用元件组合法的氯化锂湿度计可测范围通常为（15100）%RH，国外有些产品声称其测量范围可达（2 100）%RH 。碳湿敏元件是美国的 E.K.Carver 和 C.W.Breasefield 于1942年首先提出来的，与常用的毛发、肠衣和氯化锂等探空元件相比，碳湿敏元件具有响应速度快、重复性好、无冲蚀效应和滞后环窄等优点，因之令人瞩目，其测量不确定度不超过5%RH ，时间常数在正温时为23s，滞差一般在7%左右，比阻稳定性亦较好。氧化铝传感器的突出优点是，体积可以非常小（例如用于探空仪的湿敏元件仅90m厚、12mg重），灵敏度高（测量下限达-110露点），响应速度快（一般在 0.3s 到 3s 之间），测量信号直接以电参量的形式输出，大大简化了数据处理程序，等等。另外，它还适用于测量液体中的水分。如上特点正是工业和气象中的某些测量领域所希望的。因此它被认为是进行高空大气探测可供选择的几种合乎要求的传感器之一。也正是因为这些特点使人们对这种方法产生浓厚的兴趣。然而，遗憾的是尽管许多国家的专业人员为改进传感器的性能进行了不懈的努力，但是在探索生产质量稳定的产品的工艺条件，以及提高性能稳定性等与实用有关的重要问题.在湿度测量领域中，对于低湿和高湿及其在低温和高温条件下的测量，到目前为止仍然是一个薄弱环节，而其中又以高温条件下的湿度测量技术最为落后。以往，通风干湿球湿度计几乎是在这个温度条件下可以使用的唯一方法，而该法在实际使用中亦存在种种问题，无法令人满意。另一方面，科学技术的进展，要求在高温下测量湿度的场合越来越多，例如水泥、金属冶炼、食品加工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的湿度测量与控制。因此，自60年代起，许多国家开始竟相研制适用于高温条件下进行测量的湿度传感器。 考虑到传感器的使用条件，人们很自然地把探索方向着眼于既具有吸水性又能耐高温的某些无机物上。实践已经证明，陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可以作为感温元件和气敏元件。这些特性使它极有可能成为一种有发展前途的多功能传感器。寺日、福岛、新田等人在这方面已经迈出了颇为成功的一步。他们于 1980 年研制成称之为“湿瓷 - 型”和“湿瓷 - 型”的多功能传感器。前者可测控温度和湿度，主要用于空调，后者可用来测量湿度和诸如酒精等多种有机蒸气，主要用于食品加工方面。本设计是用于室内窗户的开/关窗根据设计条件和要求我们优先选择DHT11数字温湿度传感器。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，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传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型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。产品为4针单排引脚封装，连接方便。技术参数（1）供电电压：3.35.5V DC；（2）输出：单总线数字信号；（3）测量范围：湿度20-90%RH，温度050； （4）测量精度：湿度+-5%RH，温度+-2； （5）分辨率：湿度1%RH，温度1； 其引脚如图所示图2-4 DHT11引脚图2.2.4风速传感器 市面上常用的风速传感器有超声波风速传感器和FM-FS风速传感器。超声波风速传感器采用全铝质，重量轻，防腐性能好，输出脉冲信号，10脉冲/每秒米，输入电压为直流12-36v。由于本设计是用于家用窗户的开、关在家里受电压。电流的限制所以我们选用FM-FS风速传感器。FM-FS风速传感器。传感器由壳体、风杯和电路模块组成。传感器壳体和风杯采用铝合金材料，使用特种模具精密压铸工艺，尺寸公差甚小表面精度甚高，内部电路均经过防护处理，整个传感器具有很高的强度、耐候性、防腐蚀和防水性。电缆接插件为军工插头，具有良好的防腐、防侵蚀性能，能够保证仪器长期使用，同时配合内部进口轴承系统，确保了风速采集的精确性。、2.2.5红外线传感器对于同类型红外线传感器而言DYP-ME003人体感应模块的特点是热释电红外开关是BISS0001配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成的被动式红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗衣机等装置，是一种高技术产品。全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平， 人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。 光敏控制（可选择，出厂时未设）：可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。 温度补偿(可选择，出厂时未设)：在夏天当环境温度升高至3032，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。2.2.6气体传感器 常用的气体传感器有费德罗、Hhchg-02、MQ-2型传感器等气体传感器。费德罗公司的费德罗气体传感器安装不便、灵敏度低、稳定性弱。Hhchg-02气体传感器，其用于家庭及工业对丙烷、丁烷、氢气及其他可燃性气体的检测（天然气、液化石油气等），其特点是l、对天然气、液化石油气有很高的灵敏度。2、具有良好的重复性和长期的稳定性。本设计是用于家庭窗户的开/关，主要检测液化石油气、烷类烟等烟雾所以我们选择MQ-2型传感器。2.2.6电机驱动设备：选择 L298N 作为步进电机的驱动芯片。L298N 为双全桥步进电机专用芯片（DualFull-Bridge Driver） 内部包含 4 信道逻辑驱动电路，两个 H-Bridge 的高电压 、大电流双全桥式驱动器 ，接收标准 TTL 逻辑电平，可驱动 46 V，2 A 以下的步进电机，且可直接通过电源来调节输出电压，由单片机 I/O 端口来提供时序电压18。第三章 硬件电路设计3.1 检测电路设计1、温度传感器介绍特点：温度传感器DS18B20主要性能： （1）、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电； （2）、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯； （3）、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温； （4）、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；（5）、温范围55+125，在-10+85时精度为0.5；（6）、可编程 的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；（7）、在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快； 其引脚如图2-3所示： 图2-3 DS18B20引脚图 DIP封装2、湿度传感器DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，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传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型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。产品为4针单排引脚封装，连接方便。技术参数（1）供电电压：3.35.5V DC；（2）输出：单总线数字信号；（3）测量范围：湿度20-90%RH，温度050； （4）测量精度：湿度+-5%RH，温度+-2； （5）分辨率：湿度1%RH，温度1； 其引脚如图所示图2-4 DHT11引脚图3、风速传感器FM-FS风速传感器。传感器由壳体、风杯和电路模块组成。传感器壳体和风杯采用铝合金材料，使用特种模具精密压铸工艺，尺寸公差甚小表面精度甚高，内部电路均经过防护处理，整个传感器具有很高的强度、耐候性、防腐蚀和防水性。电缆接插件为军工插头，具有良好的防腐、防侵蚀性能，能够保证仪器长期使用，同时配合内部进口轴承系统，确保了风速采集的精确性。功能特点 体积小，携带方便、安装简捷、外观精美； 有较强的防腐蚀性和耐候性； 测量精度高，量程范围宽，稳定性好； 功耗低，较强的抗干扰能力，能长期稳定工作； 电源适应范围宽，数据信息线性度好，信号传输距离长；其管脚图如下图2-5风速传感器管脚图3、红外检测电路设计。4、气体传感器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50.2V。 封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。二、特性参数(2)MQ-2型传感器的特性参数 (a)回路电压：(Vc) 524V (b)取样电阻：(RL) 0.120K(c)加热电压：(VH)50.2V(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：Tres10秒 (g)恢复时间：Trec30秒 6 报警电路当温度或湿度达到设置的上限值时，蜂鸣器报警。如3-5图所示： 图3-6 报警电路