验证论文——_基于单片机的全自动窗研究.doc

中北大学信息商务学院2010届毕业设计说明书 毕 业 设 计（论 文）题 目：基于单片机的全自动窗研究系 别：专 业：班 级：学生姓名：导师姓名：2010年06月10日摘 要随着电子技术的飞速发展，微电子技术的得到越来越多的应用，同时影响着人们生活工作的方方面面。自动窗控制系统经历了从无到有的，并逐步丰富功能和可靠性的发展。本文所要描述的就是一种可根据环境光强和现场温度检测的自动窗控制系统的实现原理和过程。本次设计采用AT89C51单片机作为系统控制器，DALLAS公司的单总线温度传感器采集现场温度，采用光敏电阻加串行总线AD转换器ADC0832实现对环境光强度的识别，并采用步进电机专用驱动器L298驱动2个直流电机，通过这2个电机的运转带动窗户的转动。 该系统实用性强、操作简单、扩展性强。 关键词：微电子技术、自动窗、光强、温度目 录摘 要1目 录21绪 论31.1全自动窗的发展与现状31.2自动窗设计的目的41.3自动窗的发展及其特点52 自动窗的总体设计72.1自动窗的设计思想72.2自动窗的总体框图72.3系统工作原理82.4主要器件选择82.4.1单片机的选择82.4.2 温度传感器的选择92.4.3 AD转换器的选择103自动窗的硬件设计113.1控制器部分113.2 温度传感器14201绪 论 随着人类社会的发展，人们对生活质量的要求越来越高，各种各样改善人居环境的设备被研制开发出来，并用于人们的生活中。本次设计实现的基于单片机的全自动窗就是此类应用。1.1全自动窗的发展与现状 本次设计所要实现的自动窗，实际上可以归为智能家居的一个方面。智能家居又称智能住宅，在国外常用Smart Home表示。与智能家居含义近似的有家庭自动化（Home Automation）、电子家庭（Elecctronic Home、E-home）、数字家园（Digital Family）、家庭网络（Home Net/Networks for Home）、网络家居（Network Home）、智能家庭/建筑（Intelligent Home/Building），在我国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。 做为智能家居的一个方面，自动窗当然也要跟上形势，紧扣目前主唱的绿色节能、和谐人居的主题。它不仅可以起到节能减排的效果更能给人们的生活带来极大的舒适和便利。 目前国际国内有众多的厂家研发了生产了各种用途的自动窗，比较先进的自动窗在实现窗户本身的作用的情况下，还能起到一定的安防效果，比如加装了震动传感器的自动窗可以在不法分子企图侵入屋中时启动警报和防护装置，在屋主离开家时自动关闭窗户，屋内可燃气体浓度太高时打开窗户，等等。 近年，欧洲、北美、日、韩地区，住宅窗体产品启闭方式已开始向自动化方向发展。如德国的诺托、意大利的图兰朵、韩国的LG等，均有自动化窗体生产。在中国，自动化窗体正在逐步为人们所重视，不仅各种进口的自动窗和自动开窗器出现在中国的市场上，而且国内一些实力较强的公司开发的产品具备完全的自主知识产权，技术先进，功能完善的国产自动窗逐步成为国内市场的主体，越来越多的自动窗体被应用到各种建筑当中。 由于自动窗是刚刚发展起来的新产品，还没有形成成熟、稳定的行业，尚未形成统一的行业标准和规范，因此目前市场上的自动窗产品在各个方面的差异非常大，多数产品还不能算是成熟、完善的自动窗。 自动窗的核心是自动窗控制驱动系统(简称：控驱系统)。它的适应能力的强弱直接决定了其是否能够得到广泛的应用和普及。有一些控驱系统产品需要使用专用型材或某类单一型材，不能与市场上的各种品牌各种材质的窗体相结合，因此无法在建筑窗体市场上得到广泛的应用。 而成熟、完善的自动窗控驱系统产品，能够与目前窗体市场上普遍使用的各种塑、铝、木窗相结合成为多种自动窗，满足不同用户的需要，此类产品必将得到广泛的应用。1.2自动窗设计的目的 在现代社会，对室内设计而言，窗帘不仅具有遮光作用，更有美化功能，它不仅可以协调居室的色彩搭配，而且能够柔化空间造型的线条，营造温馨惬意的环境。随着单片机芯片的集成度越来越高以及生产成本逐步降低，现在很多厂家生产的自动窗帘（含门帘）控制系统，都是由主机（以微电脑芯片为核心组成的智能控制中心）、各种传感器（红外线传感器、风雨信号传感器等、温度传感器、烟雾传感器等）、各种报警终端（警灯、警笛、电话报警器、接警指挥中心等）、遥控器以及一系列机械传动装置组成的一种具有智能化、人性化、网络化的高科技产品。在现代社会，光敏窗帘自动控制器为人们的生活带来了很大的便利，免去了手动开闭百叶窗的麻烦，也为用户早上起床自动设定了“闹钟”。该控制器能自动识别房间的亮度，使百叶窗的开、闭控制在自然光的最佳亮、暗范围内。人们也可以根据自己的需要通过开关来调节百叶窗的开度。因此开发一款基于单片机的全自动窗系统是很有必要的。1.3自动窗的发展及其特点本次设计主要通过采集环境温度和环境光强实现对自动窗多种方式控制，并可在采样值偏超出预设的范围时发出报警。本次设计需要实现的功能主要有以下几点。一、自动窗工作方式： A、采集温度和光强； B、当照度大于预定值时逐渐关闭百叶窗，照度过低时逐渐打开百叶窗； C、温度较高时逐渐打开窗户，温度低于预定值时逐渐关闭窗户；二、其他功能： A、为了使得系统稳定工作，本次设计还完成了稳压电源部分的设计； B、当光强和温度超出设定范围时蜂鸣器报警； C、单片机复位电路加了按键电路，可以在系统带电的时候，实现对系统的复位，方便调试；3、 需要完成的工作： A、搜集、分析目前常见的自动窗控制方式、技术； B、完成系统的软件和硬件方案的选择和设计； C、完成设计本次设计的论文编写；1.4本文所做的主要工作本文主要介绍了一种自动窗的发展现状和发展趋势，以及本次设计要完成的自动窗的功能和实现方法。本设计所介绍的自动窗控制器采用ATMEL公司的AT89C51, 测温传感器使用美信公司的DS18B20,光强检测用串行总线器件ADC0832实现。本次设计完成的自动窗当温度和照度不在设置范围内时可实现自动报警。全文共分为五章，其主要内容和结构安排如下：第1章为绪论，主要介绍了选题的背景、国内外发展现状、以及主要设计的内容及预期目标。第2章为可选方案论证，从整体方案和各部分电路的方案进行论证并得出结论，绘制系统框图。第3章为硬件原理介绍，对控制系统各部分电路的实现原理进行介绍。第4章为软件原理介绍，对系统各主要功能部分的软件实现流程进行介绍，并绘制相关程序流程图。第5章后续工作，对系统的硬件方面和软件方面进行调试，使其功能符合设计要求。2 自动窗的总体设计2.1自动窗的设计思想自动窗的设计思想是: 利用传感器对温度和照度进行实时检测，并通过检测值实现对自动窗电机组件的控制。以调节室温和照度。 整个设计共分6个阶段完成：前期调查-方案选择-硬件设计-软件设计-系统调试-撰写文档。第一阶段主要了解目前国际国内自动窗领域的现状和主要功能；第二阶段从技术方案角度充分了解目前自动窗一般采用那些方式实现，选出一种最佳方案，并针对该方案查找研究和论证各组成部分的可选方案和最佳方案；第三阶段学习并熟练掌握硬件设计过程中要用到的EDA软件，设计并绘制选定方案的图纸并做出样机；第四阶段学习并熟练掌握单片机程序开发软件并编制自动窗控制程序，研究控制算法；第五阶段，调试前两个阶段完成的系统，在调试过程中掌握系统调试的方法和经验；第六阶段完成对整个设计的书面总结。2.2自动窗的总体框图本次设计将要完成的系统主要实现4大功能：测环境温度、测环境光强、对自动窗驱动电机的控制和意外报警。系统框图见图2-1。步进电机控制 环境温度51单片机 提示音环境光强 图2-1 系统框图2.3系统工作原理 自动窗的工作原理是：对环境量进行实时采集，并根据预设值对自动窗进行调节。系统工作过程中不断对环境量进行采集，整个系统即是一个闭环控制系统。本次需要采集的环境量仅温度和照度两项，而被控对象为窗户和百叶窗两种。自动窗系统的最主要的功能是使得室内温度和照度尽量保持平衡。2.4主要器件选择2.4.1单片机的选择 目前比较流行的控制器主要有：51系列单片机、应用范围日益广泛的ARM以及MSP430系列等。而使用最多的仍然是最简单的51系列单片机，目前用量最大的51单片机是ATMEL公司的AT89系列单片机。 而ARM系列微处理器和51单片机相比显然高了一个档次，ARM微处理器目前包括ARM7、9、9E、10E等等，以及其它厂商基于ARM体系结构的处理器，除了具有ARM体系结构的共同特点以外，每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。 而MSP430系列单片机是美国德州仪器公司推出的16位超低功耗、高性能产品31，它具有处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点，有很高的性价比，在世界各国已经得到了广泛的应用，在国内已经进入了飞速发展的阶段。单片机的应用在后PC时代得到了前所未有的发展，但对处理器的综合性能要求也越来越高。综观单片机的发展，以应用需求为目标，市场越来越细化，充分突出以单片解决问题，而不像多年前以MCS5196等处理器为中心，外扩各种接口构成各种应用系统。单片机系统作为嵌入式系统的一部分，主要集中在中、低端应用领域。 由于本设计对控制器的要求并不是很高，结合课堂所学，本次设计最终选择ATMEL公司的AT89C51。2.4.2 温度传感器的选择温度传感器常用的主要有热敏电阻和专用的温度传感器。采用热敏电阻可满足测温要求，但热敏电阻精度低，重复性和可靠性较差，对于精度要求较高的测温不适用，而且采用热敏电阻要求复杂的电路和算法，增加了设计复杂度。采用专用的集成温度传感器（如AD590、LM35/LM45）和数字化温度传感器（DS18B20、DS1620）测温，数字化温度传感器具有接口简单、直接数字量输出、精确度高等优点。DS18B20是DALLAS公司的最新单线数字温度传感器，它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，它的测量温度范围为55125，在1085范围内，精度为0.5，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等，DS18B20支持35.5V的电压范围，使系统设计更灵活、更方便、更便宜、体积更小。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5，分辨率设定及用户设定的报警温度存储在E2PROM中，掉电后依然保存。因此，本方案选用DS18B20作为温度测量传感器。2.4.3 AD转换器的选择 A/D转换器是将模拟量转换成数字量，它是控制系统中不可缺少的环节。A/D转换器与电子计算机一样，其发展也经历了由电子管到晶体管再到集成电路的三个阶段，形成了组件型、混合型、单片集成型几种结构。单片集成型A/D体积小、成本低、性能优良，特别适宜于在实时控制系统中应用。 A/D器件和芯片是实现单片机数据采集的常用外围器件，A/D转换器的品种繁多，性能各异，在设计数据采集系统时，首先碰到的是如何选择合适的A/D转换器以满足系统设计要求的问题，选择合适的A/D转换器需要考虑器件本身的品质和应用场合的要求。ADC0832与ADC0809较适合，下面我们比较下它们的优缺点，选其一：ADC0832型是8位全MOSA/D转换器。其特点为：它是8引脚双列直插式封装芯片。双通道选择输入方式，SPI总线传输。而ADC0809是28引脚封装，8通道输入，并行数据接口。由于本次设计仅需要采集一路模拟量，经过综合比较本次设计选择ADC0832。3自动窗的硬件设计3.1控制器部分 本次设计选用了ATMEL公司的AT89C51单片机作为本次设计的主控芯片，由于是8051兼容单片机，它和其他的51单片机一样需要外部晶振和上电复位电路，单片机最小系统见图3-1。图 3-1 单片机最小系统通过XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器构成外部振荡 方式。C1、C2对频率有微调作用，当外接晶振时，C1和C2通常选择10到33Pf。选择震荡频率11.0592 MHz。在设计印刷电路板时，晶体谐振器和电容应尽可能安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证震荡器稳定和可靠工作。单片机需要一个上电复位信号以启动单片机，本次设计采用经典的阻容复位电路设计，使用一个10uf/16V的点解电容和一个10K金属膜电阻。该电路在系统上电的时候会给单片机一个上升沿信号，启动单片机工作。同时加入了手动复位按键S11。 AT89C51是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。AT89C51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)AT89C51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 程序存储器(ROM)：定时/计数器(ROM)：AT89S51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：AT89C51共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口： AT89C51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：AT89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电路：AT89C51内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但AT89C51单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式.AT89C51的引脚说明：AT89C51采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明见图3-2：图3-2 AT89C51管教功能图AT89C51芯片特性简介适于控制应用的8位CPU。扩展的逻辑处理能力。64K程序存贮器空间和64K数据存贮器空间。4KB片内程序存贮器。128B片内数据RAM。32根双向和可单独寻址的输入输出线。2个16位定时/计数器，片内时钟发生器。全双工异步发送/接收器。6源5向量中断结构，具有两个优先级。3.2 温度传感器 由于DS18B20 工作在单总线方式，其硬件接口非常简单，仅需利用系统的一条I/ O线与DS18B20的数据总线相连即可，如图3-3所示。图3-3 DS18B20电路 DS18B20 采用3 脚PR-35 封装或8 脚SOIC 封装，管脚排列如图3-4所示。图中GND 为地，DQ 为数据输入/输出端（即单线总线），该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平，Vcc 是外部+5V 电源端，不用时应接地，NC 为空脚。图3-4 DS18B20的外部结构DS18B20内部主要包括寄生电源、温度传感器、64 位激光ROM 单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH 和TL 解发器存储与控制逻辑、8 位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分，内部结构如图3-5。图3-4 DS18B20内部结构寄生电源由二极管VD1、VD2 和寄生电容C 组成，电源检测电路用于判定供电方式，寄生电源供电时，VDD 端接地，器件从单线总线上获取电源，在DQ 线呈低电平时，改由C上的电压Vc继续向器件供电。该寄生电源有两个优点：第一，检测远程温度时无需本地电源；第二，缺少正常电源时也能读ROM。若采用外部电源VDD，则通过VD2 向器件供电。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，如图3-5所示。开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。主机操作ROM 的命令有五种，如表1 所示。图3-5 64 位ROM 的结构表1 DS18B20的ROM命令指令说明读ROM（33H） 读DS1820的序列号匹配ROM（55H） 继读完64位序列号的一个命令，用于多个DS1820时定位跳过ROM（CCH） 此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820搜ROM（F0H） 识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备报警搜索（ECH）仅温度越限的器件对此命令作出响应DS18B20 测量温度时使用特有的温度测量技术。其内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS18B20 对f0 计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9 位（符号点1位），但因符号位扩展成高8 位，故以16 位被码形式读出，表2 给出了温度和数字量的关系。表2 DS1820 温度数字对应关系表DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2R