基于51单片机控制的智能窗的设计.doc

目录摘要.1关键词.1Abstract.1Keywords.1引言.11总体方案的设计.11.1本设计的主要任务和内容.21.2智能窗的总体构成.22机械结构的设计.32.1自动开关窗机械传动形式设计.32.1.2齿轮齿条参数选择.42.2窗框与窗扇的结构设计.42.2.1窗框结构设计.42.2.2窗扇结构设计.42.2.3步进电机滑槽设计.52.3180°旋转工作流程示意图.63自动控制系统主要硬件的设计.73.1单片机选型.73.1.1单片机发展过程.73.1.2单片机发展趋势.73.1.3AT89S51单片机简介.83.2数据检测传感器的选择.83.2.1数据检测传感模块组成.83.2.2传感器选型及电路.83.3A/D转换电路的设计.123.3.1A/D转换器的选型.123.3.2ADC0809内部功能与引脚介绍.123.3.3A/D转换器与单片机接口电路的设计.143.4语音报警电路的设计.153.4.1语音录放电路的设计.153.4.2扬声器驱动电路的设计.163.5行程开关.174红外线遥控开关的设计.184.1红外线简介.184.2遥控方案设计.184.3成品红外接收头.194.4编码器和译码器的选择.204.5红外遥控发射电路的设计.224.6红外遥控接收电路设计.234.7电源电路的设计.245动力源的选型与设计.255.1步进电机选型.255.2步进电机驱动电路的设计.256系统软件的设计.267结术语.28参考文献.29致谢.30本科生毕业设计（论文）1基于51单片机控制的智能窗的设计摘要：我们现在使用的窗户大部分采用人工关闭方式，不具有自动防盗、防雨、防煤气中毒等人性化的功能；平时我们外出时经常忘记关闭窗户，遇上下雨时，雨水会进入室内，对室内的电器、摆设等物品造成不必要的损害。晚上睡觉时我们通常把窗户关死，一旦燃气发生泄漏，由于室内不透气造成窒息中毒致残、致死的事件时有发生。为了防盗，我们一般在窗户外面安装防护栏，但如今很多城市为了美化市容通常不允许安装防盗窗。再者，现在使用的窗户大多数是单纯推拉式或平移式的，这给在楼层高的住户擦拭玻璃带来很大困难。本文借助三维建模软件Solidworks、单片机、电子电路及传感器的知识设计了可以实现清晨自动开窗、防雨、智能防盗和可燃性气体泄漏时报警并开窗，以及实现窗扇180°转向的智能窗，从而可解决现实生活中存在的很多问题。本智能窗的设计本着安全、方便、节能、人性化的原则进行，可使现代生活显著提高7。关键词：防风雨、防盗；51单片机；窗扇的180°旋转；智能51single-chipmicrocomputercontrolbasedonthedesignoftheintelligentwindowAbstract：Wenowusethewindowsclosedmostoftheartificialmeans,doesnothaveautotheft,rain,wind,anti-gaspoisoningandotherpersonalizedfeatures；normallyclosedweoftenforgetwhentheygooutthewindow,encounteredbadweather,sandandrainwillentertheroom,andindoorappliances,furnishingsandotheritemscausingunnecessarydamage.Usuallyatnightwhenweclosedthewindows,oncethegasleak,poisoning,suffocationcausedbyindoorairtightdisabled,thefrequentoccurrenceofdeath.Forsecurity,weusuallyinstallthefenceoutsidethewindow,butnowmanyofthecitiestobeautifythecityusuallydonotallowtheinstallationofsecuritywindow.Moreover,thewindowsaremostlyusedpush-pullorpan-style,givingthefloorahighhouseholdcleaningglassmoredifficult.Wedesignedthesmartwindowcanbeachievedearlyinthemorningautomaticallyopenthewindow,automaticwind,rain,smartsecurityandcombustiblegasleakalarmwindow,andtheachievementoftheoverallwindowsash180°freedomofdirectionandrelativerotationbetweenthetwosashes,inordertoaddresstherealitylifeoftheaforementionedproblems.Thesmartwindowdesigninlinewithsafe,convenient,energysaving,theprincipleofhumanity,cansignificantlyimprovemodernlife.Keywords:Preventrain，anti-theft；51SCM；180°rotate.Casement；Intelligentwindow.引言:当今世界建筑正朝着智能化方向发展，这种发展趋势也正是人类社会的文明程度在一定历史时期的体现。但现在使用的窗户大多数是单纯的推拉式或平移式的，并且与自动控制毫不沾边,更不用说智能化了。如果使窗户具有一定的智能,如下雨则自动关、室内有害气体超标则自动开、有盗贼入内则自动报警等,就会给人们的居家生活带来诸多方便,从而进一步提高人们的生活质量。再者，这给在楼层高的住户擦拭玻璃带来很大困难。沿着这样的思路,我们设计了以AT89S51单片机为中央控制器的智能窗。该智能窗能通过其数据检测传感电路不断循环检测室内湿度、有害气体(如媒气)浓度等信号，经处理后传入单片机。单片机对信号进行运算，然后与由预先设置的参数临界值相比较,从而作出开/关窗的判断,再结合窗状态检测电路所检测到的当前窗状态,再输出脉冲信号调整步进电机，完成下雨刮风自动关窗、室内有害气体超标自动开窗等。本科生毕业设计（论文）21总体方案的设计1.1本设计的主要任务和内容1、自动开关窗：阳光明媚的早上光敏晶体管感光通过单片机控制板自动打开窗户，更新室内空气；傍晚太阳落下时窗子自动关闭；2、自动防风：当风速超过8m/s时，风速传感器检测信号，单片机控制板使窗户自动关闭。即使主人不在家，照样将其看管得无微不至，为您营造一个干干净净的环境。3、自动防雨：平时上班或临时加班不能及时关窗、出门在外也总有忘记关窗的时候，遇到下雨时，湿敏传感器检测到下雨信息，单片机控制板控制电动机动作，窗门自动关闭，使您的家用设备遭雨水侵袭，解除您的后顾之忧。此功能特别适合高楼住户。4、防盗：如遇上小偷触碰窗户，振动传感器检测到振动信号后，单片机控制板控制窗户上的喇叭播放“抓贼了，在单元号”的报警声，接着电动机动作，关闭窗户，避免造成财产及安全损失。5、防可燃性气体泄漏：当室内的液化气、天然气等可燃气体发生泄漏时，传感器检测到气体信号时，单片机控制板控制报警蜂鸣器立即发出报警声，接着电动机动作，打开窗户将有毒气体排到窗外，这样既有效地防止人中毒，也能避免火灾、爆炸事故的发生。6、独特旋转功能：窗扇可实现180°旋转，便于高层住户擦拭玻璃。1.2智能窗的总体构成本智能窗主要机械传动部分和自动控制系统组成。其中，机械传动部分要由窗框、窗扇、齿轮齿条等。自动控制系统主要包括AT89S51单片机组成的中央控制器,数据检测传感电路,A/D转换器,窗驱动控制接口电路、窗驱动电路、步进电机等组成。其整体结构如图1-1所示。本科生毕业设计（论文）3图1-1整体结构图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ATS89C51电源模块盗情监测模块窗户状态监测模块电机驱动模块光强检测模块煤气检测模块湿度检测模块风速检测模块红外接收模块图1-2控制系统架构图2机械结构的设计2.1自动开关窗机械传动形式设计2.1.1自动开关窗任务分析智能窗的传动任务是由动力源通过传动机构带动窗扇在滑移槽内来回滑动，任务简单，但要求精确度较高。通过学习机械设计知道，齿轮齿条传动传动较为准确、可靠，并且机械效率高18，因此，选定齿轮齿条传动能满足智能窗传动任务的要求。传动形式见图2-1。本科生毕业设计（论文）4图21齿轮齿条传动2.1.2齿轮齿条参数选择由于此传动所带负载不是很大，故齿轮齿条参数选取较为宽松，根据具体需要确定其主要参数为：齿轮：m=1.5Z=20d=mz=30mm=20°P=m=3.14×1.5=4.7mm齿条：m=1.5=20°P=m=3.14×1.5=4.7mm2.2窗框与窗扇的结构设计2.2.1窗框结构设计此窗框是在常规窗框的基础上进行的更改设计，在窗框上下两侧各开一道滑移槽，使窗扇开关窗时在滑移槽内滑动实现关窗。同时为实现窗扇的旋转在滑移槽一侧各设计一转轴槽。其具体设计见图1-3窗框结构图。图2-2窗框结构图2.2.2窗扇结构设计窗扇在常规窗扇的基础上进行部分改进，在窗扇一侧加一旋转轴，同时在旋转轴上安装滑动轮。具体设计见图2-3。本科生毕业设计（论文）5图2-3窗扇结构图2.2.3步进电机滑槽设计为实现窗扇的180°旋转，特别将电机卡座设计成可上下移动的形式。具体设计见图2-4滑移槽设计图与2-5步进电机滑槽设计装配局部图。图2-4滑移槽设计图本科生毕业设计（论文）6图2-5步进电机滑槽设计装配局部图2.3180°旋转工作流程示意图本设计窗扇可以具有180°旋转功能，此设计解决了楼层高的住户擦拭玻璃困难的问题。绘制了其工作流程示意图加以说明，见图2-6。图2-6180°旋转工作流程示意图1、窗户开闭状态图2、拿下防护罩状态图3、齿轮与齿条离合状态图4、旋转后状态图本科生毕业设计（论文）73自动控制系统主要硬件的设计3.1单片机选型3.1.1单片机发展过程单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路(I/O接口)集成在同一块芯片上，构成一个既小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。其诞生于20世纪70年代末，主要经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。1）SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。2）MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。3)MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。4)单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统4。3.1.2单片机发展趋势（1）CMOS化近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。（2）高性能化主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。（3）低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。（4）低功耗化单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3至6V之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化（5）大容量化以往单片机内的ROM为1KB至4KB，RAM为64B至128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB（6）低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在3至6V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达1至2V。目前0.8V供电的单片机已经问世5。