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1 本科毕业设计论文 作品名称 ： 智能窗户系统 学校全称 ： 系 名 ： 作者姓名 ： 指导老师 ： 日 期 ： 智能窗户系统 2 摘要 本设计是一个能在下雨、刮风（风力超过3 级）和无光照时自动关窗的自动窗户，并且在天气晴朗时自动打开。它以一个at89c52 单片机作为主机，若干个单片机作为从机的现场检测控制系统。从机由负责采集信号的终端设备湿敏传?器、红外对管、光敏传感器和温敏传感器与单片机相连构成四大模块，另外还有负责设置温度的显示模块及负责实现窗户开闭的电机驱动模块。然后通过各个从机提供的实时信息，主机判断是开启窗户还是关闭窗户。 关键词：单片机 传感器 l cd 显示 rs-485 总线 a/d 转换 智能窗户系统 3 目录 第一章 系统简介. 4 1.1 系统方案. 4 1.2 功能与指标 . 6 1.3 实现原理. 6 1.3.1 传感器对外界信号的数据采集 . 6 1.3.2 温度显示与设置 . 10 1.3.3 模数转换 . 12 1.3.4 单片机实现点对多点的数据传输 . 14 1.4 硬件框图. 16 第二章 设计创意以及价值 . 18 2.1 特色举例. 18 2.2 技术说明(先进性、实用性、可靠性) . 18 2.3 系统使用范围(简单介绍系统适用的行业、成本经济) . 19 智能窗户系统 4 第一章 系统简介 1.1 系统方案 1、传感器对外界信号的数据采集：使用温度、湿度、照度传感单元，分别使用ds18b20 的数据采集；由正交振荡器为湿敏电阻提供交流电压，ad630 将电路交直流变换，采集湿度变化数据；照度检测通过电桥，当有光照变化时，光敏电阻的阻值发生了改变，影响电路。 2、风速测量：运用红外对管，风带动带动光码盘产生脉冲信号，风速越大脉冲频率也越大。 检测风速装置图如下: 3、信号的增益放大：观察电路的放大输出信号随环境改变而改变大小，做出放大电路，并设定放大倍数。 4、温度显示与设置：使用lcd 数码管显示；制作一4*4 键盘，使用单片机扫描的方式读取键盘信息，用单片机读取信息。 智能窗户系统 5 温度显示装置图如下： 5、模数转换：要将传感器采集的模拟信号转换成数字信号，单片机才能识别。 6、电机驱动设置：信号由rs-485 信号转换回为rs-232 信号，步进电机接收驱动脉冲信号，带动电机转动 电机驱动装置图如下 智能窗户系统 6 1.2 功能与指标 本设计可以在下雨、刮风（风力超过3 级）等天气情况下自动关窗，并且可以设定的适宜的温度范围，在设定范围外窗户会自动关闭。不仅如此，还可以同时进行手动调节窗户的开闭情况， 具有传统窗户的一切功能。 1.3 实现原理 1.3.1 传感器对外界信号的数据采集 一、温度采集单元 （1） 温敏电阻要求 本设计采用的温度是要通过lcd 管进行显示，因此对温度传感器的要求较高，需要对温度的变化进行准确的了解及作出正确的温度对应的电压关系。在户外温度满足-30c 50c。本设计使用了精确的单线数字温度传感器 ds18b20，适用电压是35v， ds18b20 特性如下： 1、全数字温度转换及输出 2、先进的单总线数据通信 3、最高12 位分辨率，精度可达土0.5 摄氏度 4、12 位分辨率时的最大工作周期为750 毫秒 5、可选择寄生工作方式 6、检测温度范围为55c +125c (67f +257f) 7、内置eeprom，限温报警功能 8、64 位光刻rom，内置产品序列号，方便多机挂接 9、多样封装形式，适应不同硬件系统 （2） ds18b20 引脚及原理 1、引脚 智能窗户系统 7 gnd 电压地 dq 单数据总线 vdd 电源电压 nc 空引脚 2、ds18b20 工作原理 ds18b20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解18b20 的内部存储器资源。18b20 共有三种形态的存储器资源，它们分别是： rom 只读存储器，用于存放ds18b20id 编码，其前8 位是单线系列编码（ds18b20的编码是19h），后面48 位是芯片唯一的序列号，最后8 位是以上56 的位的crc码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。ds18b20 共64 位rom。 ram 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，ds18b20 共 9个字节ram，每个字节为8 位。第1、2 个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4 个字节是用户eeprom（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5 个字节则是用户第3 个eeprom 的镜像。第6、7、8 个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9 个字节为前8 个字节的crc 码。eeprom 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，ds18b20 共3 位eeprom，并在ram 都存在镜像，以方便用户操作。 ds18b20 装置图如下： 智能窗户系统 8 二、湿度采集单元 （1）湿敏电阻原理 本设计采用的是氯化锂湿敏电阻 ，其特性如下： 氯化锂湿敏电阻即电解质湿敏电阻，利用物质吸收水分子而导电率变化检测湿度。在氯化锂（licl）溶液中，li 和cl 以正负离子的形式存在，锂离子（li+）对水分子的吸收力 强，离子水合成度高，溶液中的离子导能力与溶液浓度成正比，溶液浓度增加，导电率上升。当溶液置于一定湿度场中，若环境rh 上升，溶液吸收水分子使浓度下降，电阻率 上升，反之rh 下降，溶液吸收水分子使浓度上升，电阻率 下降。通过测量溶液电阻值r 实现对湿度测量。 氯化锂湿敏电阻如下： 湿度检测装置如下： 智能窗户系统 9 三、光照采集单元 （1）光敏电阻原理 本设计采用如下光敏电阻： 光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。 通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。一般光敏电阻器结构如上图所示。 用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。 在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。 （2）主要参数 智能窗户系统 10 光敏电阻的主要参数有亮电阻，暗电阻，光电特性 光谱特性，频率特性，温度特性。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。没有极性，纯粹是个电阻期间，使用时可加直流也可以加交流 光照检测装置如下： 1.3.2 温度显示与设置 一、设置功能说明 温度设置即通过人工自主设置整个电路系统工作的温度范围，包括温度下限和温度上限，当外界温度（即温度显示单元中数码管显示的温度）在设置的温度范围外时，即是外界温度较高或是较低时，此时不再考虑外界的其它因素如：风力、空气湿度、光照强度等，窗户都处在关闭状态。 二、功能的实现 （1）lcd12864 显示设置温度 1、显示方式的选择 方案一、 led 显示屏（led panel）：led 就是 light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称 led。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。led 之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：令外 led 还具有亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等特点。 方案二、 lcd 是 liquid crystal display 的简称，lcd 的构造是在两片平行智能窗户系统 11 的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。它的对比度、亮度、信号响应时间、可视角度都比较好，价钱也比较合理。而且本试验若采用 lcd 这样硬件的连接显得比较适合，所以选择 lcd，并且这样我们也能学到好多东西。 基于上述理论分析结合本电子设计题目的基本要求要求我们选择lcd12864 来显示温度。 下面是 lcd12864 的模拟图： （2）4*4 键盘设置温度 44 矩阵键盘识别处理，每个按键都有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和cpu通信。键盘的一端（列线）通过电阻接vcc，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么？还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地；另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。 4*4 键盘装置如下： 智能窗户系统 12 1.3.3 模数转换 一、模数转换要求 因为传感器采集到的是模拟信号，而处理器处理的信号基本都是数字信号，故必须要实现模拟信号和数字信号之间转换。这次我们选择的ad 转换芯片是adc0809，参数如下： adc0809 有8 路模拟信号的分时采集，片内有8 路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100 s 左右。引脚图如下： 二、 adc0809 的内部结构 （1）adc0809 的内部逻辑结构图 如图所示: 智能窗户系统 13 图中多路开关可选通8 个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用一个a/d转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对a、b、c 3 个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表9-1为通道选择表。 下图为通道选择表： （2）信号引脚 adc0809 芯片为28 引脚为双列直插式封装，其引脚排上图。 adc0809 主要信号引脚的功能说明如下： in7in0模拟量输入通道 ale地址锁存允许信号。对应ale 上跳沿，a、b、c 地址状态送入地址锁存器中。 智能窗户系统 14 start转换启动信号。start 上升沿时，复位adc0809；start 下降沿时启动芯片，开始进行a/d 转换；在a/d 转换期间，start 应保持 低电平。本信号有时简写为st. a、b、c地址线。 通道端口选择线，a 为低地址，c 为高地址，引脚图中为adda，addb 和addc。其地址状态与通道对应关系见表9-1。 clk时钟信号。adc0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500khz 的时钟信号 eoc转换结束信号。eoc=0,正在进行转换；eoc=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。 d7d0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。d0 为最低位，d7 为最高 oe输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。oe=0，输出数据线呈高阻；oe=1，输出转换得到的数据。 vcc +5v 电源。 vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5v(vref(+)=+5v, vref(-)=-5v)。 1.3.4 单片机实现点对多点的数据传输 一、如何实现从机识别 在点对多点的通信系统中，如何识别多点中的一点是经常碰到的问题，这属于同通信协议的的设计范畴。我们采用的方法是地址识别，即给多点分别设定地址信息，方法是在数据前加地址字段或直接在数据传输之前先发送地址帧，主机通过不同的地址信息来识别数据源。 对于我们的实验，地址帧的识别过程如下： (1) 首先，从机处于只接收地址帧的状态； (2) 主机发送一地址帧信息； (3) 从机接收到地址帧后，将本机地址于地址帧中的地址进行比较，如果地址相同，则准备接收数据，否则丢弃当前地址帧，依然处于只接收地址智能窗户系统 15 帧的状态； (4) 主机发送数据帧，相应的从机接收数据，数据传输完毕后，从机返回只接收地址帧的状态，在这一过程中其他从机不受影响； (5) 当主机需要于其他从机进行数据传输时，可以再次发送地址帧呼叫从机，重复这一过程。 二、51 单片机串口的多机通信系统 51 单片机的自带串口专门为这种一点对多点的多机通信系统提供了识别功能，该功能是利用串口控制寄存器scon 的sm2 位实现的。 当串口以方式2 或方式3 工作时，发送和接收的每一帧信息多是11 位，其中第九位数据位是可编程的，此位用于区别发送的是地址帧还是数据帧，为 1则为地址帧，为0 则为数据帧，此位是通过对scon 寄存器的tb8 位赋值来置位的。 若从机的控制位sm2 设置为1，当接收的是数据帧时，数据装入sbuf,并置ri=1,向cpu 发出中断申请；当接收的是数据帧时，不产生中断，信息被丢弃。若sm2 设置为0,则无论是地址帧还是数据帧都将产生ri=1 的中断标志，数据装入sbuf。 利用51 单片机串口的此多机通信功能可按如下步骤实现点对多点的数据传输： （1） 将所有从机的sm2 位置1，使其处于只接收地址帧的状态； （2） 主机发送一地址帧，其中前 8 位数据位表示要求与之通信的从机地址，第九位为1，表示当前帧为地址帧； （3） 从机接收到地址帧后，将本机地址与地址帧中的地址进行比较，如果地址相同，即将sm2 置0，准备接收数据，否则丢弃当前帧，sm2 位保持不变，依然处于只接收地址帧的状态； （4） 主机发送数据帧，相应的从机接收数据，数据传输完毕后，从机继续将sm2 位置1，回到只接收地址帧的状态在这一过程中其他从机不受影响； （5） 当主机需要于其他从机进行数据传输时，可以再次发送地址帧呼叫从智能窗户系统 16 机，重复这一过程。 三、协议设计的部分内容 表-1 单片机点对多点数据传输的握手信号定义 握收信号 说明 0x2a 数据传输成功 0xf0 数据传输错误 表-2 单片机点对多点数据传输的数据帧结构 数据长度字节 数据字节 奇偶校验字节 1 字节 n 字节 1 字节 1.4 硬件框图 单片机485 总线现场监测系统功能示意图，如下： rs-232 数据采集 数据采集 数据采集 节点n 节点2 节点1 rs-485 总线 终端 设备 主控机 （单片机） 终端 设备 终端 设备 单 片机 系统 485 接口 单 片机 系统 485 接口 单 片机 系统 485 接口 232/485转接 智能窗户系统 17 数据采集的终端设备，主要部件是传感器。下图为传感器典型应用的系统框图 （a） 控制系统 （b）测量装置 模拟 传感器 a/d 转换器 各 单 元单片机 传感器 电 子 线路测量 显示装置 电源 数码管显示 温度设置 电机1# 电机2# 电机n# 主控单片机 智能窗户系统 18 第二章 设计创意以及价值 2.1 特色举例 众所周知，天气的变化永远不是人们所能操控的，早晨还是阳光灿烂，上班时间却发现窗外大雨滂沱，忽然想起家中还有窗户忘了关闭，正在上班的你是来不及，也不可能赶回家中关窗户的，大雨就会打湿你的房间，给你的日常生活带来不便。但是现在你不需要再为下雨的日子忘记关窗而烦恼，本设计就是基于解决这一问题的，具有湿度、风速、照度、温度检测的智能化窗户，会让你的家居生活变得更加方便，具体优点如下： 1、本设计的控制有自动和手动两种模式，自动模式可以根据程序的设定情况开关窗户，手动模式可以根据随心所欲开关窗户。 2、下雨自动检测（通过外置的湿敏传感器检测雨水达到下雨时自动关窗的目的）。 3、风力自动检测（通过外置的红外对管检测风力的大小达到风速大于3 级时自动关窗的目的）。 4、照度自动检测（通过外置的光敏传感器检测照度达到无光照时自动关窗的目的）。 5、设定适宜温度范围（通过键盘设定人体适宜的温度上下限，并由外置的温敏传感器检测室外温度以控制窗户的自动开关）。 6*、煤气浓度检测（通过内置的煤气浓度检测装置达到煤气浓度超标时窗户自动开启的目的）。 7*、可以运用互联网或短信远程控制家里的窗户关闭。（打“*”为未来发展方向） 2.2 技术说明(先进性、实用性、可靠性) 1.本设计可以在下雨、刮风（风力超过 3 级）等天气情况下自动关窗，并且智能窗户系统 19 可以设定的适宜的温度范围，在设定范围外窗户会自动关闭。不仅如此，还可以手动调节窗户的开闭情况，不会在烈日炎炎或寒冷入骨还打开窗户，室内空调也不会成了摆设。通过rs-485 总线的使用，用一台主机就可以控制一个家庭的全部窗户，将传感器部分放在楼顶，既不影响美观又省了每个窗户装一传感器的钱。未来的发展可以进行室内煤气浓度的检测以及通过互联网（或短信）对