基于51单片机控制的智能自动窗的设计.doc

河南工河南工业职业业职业技技术术学院学院 论文题目：自动窗设计论文题目：自动窗设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论 文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和 电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并 提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其 它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论 文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 指导教师评阅书指导教师评阅书 指导教师评价：指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 指导教师：指导教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅教师评阅书 评阅教师评价：评阅教师评价： 一、论文（设计）质量一、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）水平二、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 评阅教师：评阅教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）及教学系意见 教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答辩小组）评价： 一、答辩过程一、答辩过程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（设计）水平三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 河南工业职业技术学院 2 评定成绩：评定成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 教研室主任（或答辩小组组长）：教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年年 月月 日日 教学系意见：教学系意见： 系主任：系主任： （签名） 年年 月月 日日 河南工业职业技术学院 3 目 录 摘要 1 关键词 1 abstract.1 key words1 引言 1 1 总体方案的设计 .1 1.1 本设计的主要任务和内容 .2 1.2 智能窗的总体构成 .2 2 机械结构的设计 .4 2.1 自动开关窗机械传动形式设计 .4 2.1.2 齿轮齿条参数选择 .4 2.2 窗框与窗扇的结构设计 .4 2.2.1 窗框结构设计 .4 2.2.2 窗扇结构设计 .4 2.2.3 步进电机滑槽设计 .5 2.3 180旋转工作流程示意图 6 3 自动控制系统主要硬件的设计 .7 3.1 单片机选型 .7 3.1.1 单片机发展过程 .7 3.1.2 单片机发展趋势 .7 3.1.3 at89s51 单片机简介8 3.2 数据检测传感器的选择 .8 3.2.1 数据检测传感模块组成 .8 3.2.2 传感器选型及电路 .8 3.3 a/d 转换电路的设计.12 3.3.1 a/d 转换器的选型.12 3.3.2 adc0809 内部功能与引脚介绍.12 3.3.3 a/d 转换器与单片机接口电路的设计.14 3.4 语音报警电路的设计 15 3.4.1 语音录放电路的设计 15 3.4.2 扬声器驱动电路的设计 16 3.5 行程开关 17 4 红外线遥控开关的设计 18 4.1 红外线简介 18 4.2 遥控方案设计 18 4.3 成品红外接收头 19 4.4 编码器和译码器的选择 20 河南工业职业技术学院 2 4.5 红外遥控发射电路的设计 22 4.6 红外遥控接收电路设计 23 4.7 电源电路的设计 24 5 动力源的选型与设计 25 5.1 步进电机选型 25 5.2 步进电机驱动电路的设计 25 6 系统软件的设计 26 7 结术语 28 参考文献 .29 致谢 .30 基于 51 单片机控制的智能窗的设计 河南工业职业技术学院 2 机械电子工程专业学生 王 凯 指导教师 侯建华 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 1 80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 51 single-chip microcomputer control based on the design of the intelligent window student majoring in mechanical and electrical engineering wang kai tutor hou jian hua abstract： we now use the windows closed most of the artificial means, does not have auto theft, rain, wind, anti-gas poisoning and other personalized features; normally closed we often forget when they go out the window, encountered bad weather, sand and rain will enter the room, and indoor appliances, furnishings and other items causing unnecessary damage. usually at night when we closed the windows, once the gas leak, poisoning, suffocation caused by indoor air tight disabled, the frequent occurrence of death. for security, we usually install the fence outside the window, but now many of the cities to beautify the city usually do not allow the installation of security window. moreover, the windows are mostly used push-pull or pan-style, giving the floor a high household cleaning glass more difficult. we designed the smart window can be achieved early in the morning automatically open the window, automatic wind, rain, smart security and combustible gas leak alarm window, and the achievement of the overall window sash 180 freedom of direction and relative rotation between the two sashes, in order to address the reality life of the aforementioned problems. the smart window design in line with safe, convenient, energy saving, the principle of humanity, can significantly improve modern life. key words: prevent rain，anti-theft;；51 scm；180 rotate. casement； intelligent window . 河南工业职业技术学院 3 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。 1 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。 河南工业职业技术学院 4 图 1-1 整体结构图 1-窗框 2-窗扇 3-窗扇 2 4-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 河南工业职业技术学院 5 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。 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=1.5 z=20 d=mz=30mm =20 p=m=3.141.5=4.7mm 齿条：m=1.5 =20 p=m=3.141.5=4.7mm 2.2 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。 河南工业职业技术学院 6 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。 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 河南工业职业技术学院 7 图 2-5 步进电机滑槽设计装配局部图 2.3 180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 2-6 180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 河南工业职业技术学院 8 3 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（single chip microcomputer）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（micro controller unit）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（million instruction per seconds，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 河南工业职业技术学院 9 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。 3.1.3 at89s51 单片机简介 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将 更高、体积将更小、功能更强。在单片机家族中，80c51 系列是其中的佼佼者，加之 intel 公司将其 mcs 51 系列中的 80c51 内核使用权以专利互换或出售形式转让给全 世界许多著名 ic 制造厂商，如 philips、 nec、atmel、amd、华邦等，这些公司都在 保持与 80c51 单片机兼容的基础上改善了 80c51 的许多特性。这样，80c51 就变成有众 多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为 80c51 系列。80c51 系列单片 机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的 mcu 品种繁多，功能各异，开 发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80c51 系列可能最终形成事实上的标准 mcu 芯 片6。 本设计采用美国 atmel 公司生产的低功耗，高性能 cmos 8 位单片机 at89s51。其 片内含 4k bytes 的可系统编程的 flash 只读程序存储器，器件采用 atmel 公司的高密 度，非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 flash 程序存储器， 既可在线编程（isp）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中, atmel 公司的功能强大，低价 at89s51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可 灵活应用于各种控制领域。 主要性能参数： （1）与 mcs-51 产品指令系统完全兼容 （2）4k 字节在系统编程（isp）flash 闪速存储器 （3）1000 次擦写周期 （4）4.0-5.5v 的工作电压范围 （5）全静态工作模式：0hz-33mhz （6）三级程序加密锁 （7）128*8 字节内部 ram32 个可编程 i/o 口线 （8）2 个 16 位定时/计数器 （9）6 个中断源 （10）全双工串行 uart 通道 （11）低功耗空闲和掉电模式 （12）中断可从空闲模式唤醒系统 （13）看门狗（wdt）及双数据指针 （14）掉电标示和快速编程特性 （15）灵活的在系统编程（isp-字节或页写模式） 3.2 数据检测传感器的选择 3.2.1 数据检测传感模块组成 根据该设计的功能要求数据检测传感系统由四个部 分组成： 1)光度传感电路； 2)风速传感电路；3）湿度传感电路；4)有害气体传感电 路；5)红外防盗传感器。 3.2.2 传感器选型及电路 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能 将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满 足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控 制的首要环节9。 1、光度传感器 河南工业职业技术学院 10 光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增 管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器 、紫外线传感器、光纤式 光电传感器、色彩传感器、ccd 和 cmos 图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附 近，包括红外线波长和紫 外线波长。其中最简单的光敏传感器是光敏电阻，本设计中采用光敏电阻与驱动电路 来构成光敏传感电路。电路图如图 2-1 所示。 + +5 5v v 1 1m mr rr r1 1 r r2 2 光光敏敏电电阻阻 a a p p2 2. .1 1 图 3-1 光敏传感器驱动电路 图 3-1 中，当外界环境光照强时，光敏电阻 r2 阻值较小，则 a 点电平较低；当外 界环境光照弱时，光敏电阻 r2 阻值较大，则 a 点电平较高，将此电平送到单片机，由 程序控制是否驱动电机开关窗。 2、风速传感器 风速传感器是将空气的流动速度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。 风速传感器种类有采用毕托管测风速、热线热膜测风速、机械式传感器测风速、超声 波测风速和三杯式风速传感器测风速。在本设计中采用风杯式yh12x 风速传感器，产 品见图 3-2。 图 3-2 yh12x 风速传感器 yh12x 风速传感器工作原理：当风杯随着气流的运动而转动时，风速轴带动码盘与 风杯成正比地转动，从而输出电脉冲信号，将机械转动信号转换成电信号。风向测量 采用进口红外光电管,格雷码盘等器件。当风向标随着气流的运动而转动时，风向轴带 动格雷码盘同时转动,从而输出七位格雷码信号，将机械位置信号转换成光电脉冲信号， 通过微处理器 cpu 记录每秒种的产生的光电脉冲的个数，快速运算处理后即可的出气 流的运动速度。计算原理如下： 每秒种产生光电脉冲的个数：n 齿轮的圆周半径 ： r (m) 河南工业职业技术学院 11 齿轮的总个数： n 风杯轴承的传动系数： 风杯的线速度 : v1(m/s) 风速：v （m/s） 风速的计算公式为： vv (3-1) 风杯的转动线速度： n nr v 3602 1 (3-2) 可通过转换处理将数据以其他形式输出，传递给其他智能设备。 yh42x 风速显示器工作原理：风速显示器对接收到的风速信息进行处理,换算转化 成实际风速风级显示到对应的显示器中,风速显示器还可以针对预先设定的报警参数, 当风速超过其参数时触发关窗信号，单片机接到信号处理后，通过驱动电路驱动电机， 完成关窗动作。 2、湿度传感器 honeywell 公司的 hih3610 湿度传感器是为大批量 oem 设计，具有湿度仪表级测量 性能，低成本，sip 封装。线形放大电压输出，驱动电流 200 微安，器件一致性好3。 特点：湿度传感器 hih3610 主要性能： （1）热固性聚合物电容湿度传感器，带集成信号处理电路 （2）3 针可焊塑封 （3）宽量程：0100rh 非凝结，宽工作温度范围4085 （4）高精度：2rh，极好的线形输出 （5）5vdc 恒压供电，0.8-3.9vdc 放大线形电压输出 （6）低功耗设计 200 微安驱动电流 （7）激光修正互换性 （8）快速响应 15 秒 （9）稳定性好，低温漂，抗化学腐蚀性能 其引脚如图 3-2 所示： + +5 5v v h hi ih h3 36 61 10 0 v vo ou ut t 图 3-2 hih3610 引脚图 3、有害气体传感器 my1000 系列电化学式一氧化碳气体传感器是由广州市中敏仪器有限公司生产的产 品,它是一种定电位电解式电流型传感器。该产品具有结构紧凑，体积小，功耗低，测 量精度高，稳定性好，寿命长等优点。其性能和可靠性达到国内或国外同类产品的水 平，属于气体传感器整机的核心部件3。 （1）检测原理： 本传感器元件采用的是定电位电解原理，组成主要由三个电极组成，电极材料是 河南工业职业技术学院 12 贵金属催化剂，主要是铂黑，其中各电极的作用如下：工作电极（w）：一氧化碳气体 的氧化，对电极（c）：氧气的还原，对电极（r）：为工作电极提供恒定电位。 当一氧化碳接触到工作电极时，即发生氧化反应，生成二氧化碳和氢离子，并产 生电子，氢离子发生离子迁移，在对电极上接受电子，并与氧气发生还原发应，生成 水。电极反应如下; 工作电极：co+h2oco2+2h+2e 对电极： 1/2o2+2h+2eh2o 总反应： 2 coo22 co2 由反应式可知产生的电流大小与一氧化碳的浓度成正比，因此可以通过测量产生 的电流的大小就可以检测出一氧化碳的浓度。 （2）技术指标： 表 3-1 my1000 技术性指标 范 围 参数 检测范围0 至 1000ppm 相对误差5 压力范围86-106 kappa 先好衰减2fimax （1）由于 a/d 转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压在 一段时间内不变，直到下一次采样的开始。实际中采样-保持是做成一个电路。 （2）量化与编码 模拟信号经采样-保持电路后，得到了连续模拟信号的样值脉 冲，他们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值，并不是数字信号。还要把每个样值 脉冲转换成与它幅值成正比的数字量。以上为 a/d 转换的一般步骤，在本电路中由 adc0809 芯片完成 2.adc0809 内部结构及主要性能 adc0809 八位逐次逼近式 ad 转换器是一种单片 cmos 器件，包括 8 位模拟转换器、 8 通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8 路转换开关能直接连通 8 个单端模拟 信号中的任何一个。其内部结构如图 2-6 所示。 8 8 路路 模模 拟拟 开开 关关 控控制制电电路路 s sa ar r 树树状状开开关关 2 25 56 6电电阻阻阶阶梯梯 三三 态态 输输 出出 锁锁 存存 器器 比比较较器器 地址锁存 与译码器 2 26 6 2 27 7 2 28 8 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 2 25 5 2 24 4 2 23 3 2 22 2 7 7 1 17 7 9 9 1 11 11 13 31 12 21 16 6 i in n0 0 i in n1 1 i in n2 2 i in n3 3 i in n4 4 i in n5 5 i in n6 6 i in n7 7 a ad dd da a a ad dd db b a ad dd dc c a al le e v vc cc c g gn nd dv vr re ef f( (+ +) ) v vr re ef f( (- -) ) o oe e e eo oc c 2 2_ _1 1 2 2_ _2 2 2 2_ _3 3 2 2_ _4 4 2 2_ _5 5 2 2_ _6 6 2 2_ _7 7 2 2_ _8 8 6 61 10 0 s st ta ar rt t c cl lo oc ck k v vi in n v vs st t 1 14 4 1 15 5 8 8 1 18 8 1 19 9 2 20 0 2 21 1 图 3-6 adc0809 内部结构图 adc0809 主要性能： （1）逐次比较型 （2）cmos 工艺制造 （3）单电源供电 （4）无需零点和满刻度调整 （5）具有三态锁存输出缓冲器，输出与 ttl 兼容 （6）易与各种微控制器接口 （7）具有锁存控制的 8 路模拟开关 （8）分辨率：8 位 （9）功耗：15mw （10）最大不可调误差小于1lsb（最低有效位） （11）转换时间 128 微秒 （12）转换精度：0.4% adc0809 没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为 101280khz。典型时钟频率 为 640khz 3. 引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图 3-7 所示。 河南工业职业技术学院 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 1 10 0 1 11 1 1 12 2 1 13 3 2 28 8 2 27 7 2 26 6 2 25 5 2 24 4 2 23 3 2 22 2 2 21 1 2 20 0 1 19 9 1 18 8 1 17 7 1 16 6 1 15 51 14 4 i in n3 3 i in n4 4 i in n5 5 i in n6 6 i in n7 7 s st ta ar rt t e eo oc c d d3 3 o oe e c cl lk k v vc cc c r re ef f( (+ +) ) g gn nd d d d1 1 i in n2 2 i in n1 1 i in n0 0 a a b b c c a al le e d d7 7 d d6 6 d d5 5 d d4 4 d d0 0 d d2 2 r re ef f( (- -) ) a ad dc c0 08 80 09 9 图 3-7 adc0809 引脚图 in0in7：8 个通道的模拟量输入端，可输入 05v 待转换的模拟电压。 d0d7：8 位转换结果输出端。三态输出，d7 是最高位，d0 是最低位。 a、b、c：通道选择端。当 cba=000 时，in0 输入；当 cba=111 时，in7 输入。 ale：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把 abc 的状态锁存到内部的多路开关的 地址锁存器中，从而选通 8 路模拟信号中的某一路。 start：启动转换信号输入端。从 start 端输入一个正脉冲，其下降沿启动 adc0809 开 始转换。脉冲宽度应不小于 100200ns。 eoc：转换结束信号输出端。启动 a/d 转换时它自动变为低电平。 oe：输出允许端。 clk：时钟输入端。adc0809 的典型时钟频率为 640khz，转换时间约为 100s。 ref(-)、ref(+)：参考电压输入端。adc0809 的参考电压为5v。 vcc、gnd：供电电源端。adc0809 使用5v 单一电源供电。 当 ale 为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。 在 start 上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行 a/d 转换，此期 间 start 应保持低电平。在 start 下降沿后 10us 左右，转换结束信号变为低电平， eoc 为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。oe 为低电平时， d0d7 为高阻状态，oe 为高电平时，允许转换结果输出。 3.3.3 a/d 转换器与单片机接口电路的设计 adc0809 与 8051 单片机的硬件接口有 3 种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本设计中选用中断接口方式。 由于 adc0809 无片内时钟，时钟信号可由单片机的 ale 信号经 d 触发器二分频后获得。 ale 引脚得脉冲频率是 8051 时钟频率的 1/6。该题目中单片机时钟频率采用 6mhz, 二 分频后为 500hz,符合 adc0809 对频率的要求。由于 adc0809 内部设通道基本地址为 0000h0007h。其对应关系如下表所示。有地址锁存器，所以通道地址由 p0 口的低 3 位直接与 adc0809 的 a、b、c 相连。 表 3-3 地址通道对应关系 地址 码 abc 河南工业职业技术学院 控制信号：将 p2.7 作为片选信号，在启动 a/d 转换时，由单片机的写信号和 p2.7 控制 adc 的地址锁存和启动转换。由于 ale 和 start 连在一起，因此 adc0809 在锁存 通道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号和 p2.7 引脚 rd 经或非门后，产生正脉冲作为 oe 信号，用一打开三态输出锁存器。其接口电路如图 3- 8 所示。 p p1 1. .0 0 1 1 r rx xd d p p1 1. .1 1 p p1 1. .2 2 p p1 1. .3 3 2 2 3 3 4 4 5 5 p p1 1. .4 4 p p1 1. .5 5 p p1 1. .6 6 p p1 1. .7 7 t tx xd d i in nt t0 0 i in nt t1 1 t t0 0 6 6 7 7 8 8 r rs st t 9 9 1 10 0 1 11 1 1 12 2 1 13 3 1 14 4 t t1 1 w wr r r rd d g gn nd d 1 15 5 1 16 6 1 17 7 1 18 8 1 19 9 2 20 0 x xt ta al l2 2 x xt ta al l1 1 p p0 0. .0 0 3 39 9 v vc cc c 4 40 0 p p0 0. .1 1 3 38 8 p p0 0. .2 2 3 37 7 p p0 0. .3 3 3 36 6 p p0 0. .4 4 3 35 5 p p0 0. .5 5 3 34 4 p p0 0. .6 6 3 33 3 p p0 0. .7 7 3 32 2 e ea a/ /v vp pp p 3 31 1 a al le e/ /p pr ro og g 3 30 0 p pe es sn n 2 29 9 p p2 2. .7 7 2 28 8 p p2 2. .6 6 2 27 7 p p2 2. .5 5 2 26 6 p p2 2. .4 4 2 25 5 p p2 2. .3 3 2 24 4 p p2 2. .2 2 2 23 3 p p2 2. .1 1 2 22 2 p p2 2. .0 0 2 21 1 m ms sb b2 2_ _1 1 2 21 1 2 2_ _2 2 2 20 0 2 2_ _3 3 1 19 9 2 2_ _4 4 1 18 8 2 2_ _5 5 8 8 2 2_ _6 6 1 15 5 2 2_ _7 7 1 14 4 1 1s sb b2 2_ _8 8 1 17 7 e eo oc c 7 7 a ad dd d_ _b b 2 24 4 a ad dd d_ _c c 2 23 3 a al le e 2 22 2 e en na ab bl le e 9 9 a ad dd d_ _a a 2 25 5 s st ta ar rt t 6 6 c cl lo oc ck k 1 10 0 i in n_ _0 0 2 26 6 i in n_ _1 1 2 27 7 i in n_ _2 2 2 28 8 i in n_ _3 3 1 1 i in n_ _4 4 2 2 i in n_ _5 5 3 3 i in n_ _6 6 4 4 i in n_ _7 7 5 5 r re ef f( (- -) ) 1 16 6 r re ef f( (+ +) ) 1 12 2 1 1q q 2 2 2 2q q 5 5 3 3q q 6 6 4 4q q 9 9 5 5q q 1 12 2 6 6q q 1 15 5 7 7q q 1 16 6 7 7q q 8 8q q 1 19 9 8 8d d 1 18 8 7 7d d 1 17 7 6 6d d 1 14 4 5 5d d 1 13 3 4 4d d 8 8 3 3d d 7 7 2 2d d 4 4 1 1d d 3 3 c c 1 11 1 o oc c 1 1 a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0 a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0 a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0 q q 2 2 q q 1 1 r r 4 4 s s 6 6 d d c ck k 3 3 5 5 v vc cc c 1 1 2 2 u u6 6a a u u4 4a a 4 40 01 13 3 u u5 5b b 7 74 4f f0 02 2 u u5 5a a7 74 4f f0 02 2 7 74 4f f0 04 4 a at t8 89 9s s5 51 1 a ad dc c0 08 80 09 9 图 3-8 adc0809 与 at89s51 单片机接口电路 3.4 语音报警电路的设计 3.4.1 语音录放电路的设计 isd1420 是美国 isd 公司出品的新型单片优质语音录 放电路，较之以往所有的语音电路，具有专利技术的模拟处理存储方式，使录放音质 极佳，没有常见的的背景噪音，且电路断电后语音内容仍不丢失。电路内部由振荡器、 语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。 一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电 输入通道 in0000 in1001 in2010 in3011 in4100 in5101 in6110 in7111 河南工业职业技术学