基于RF模块的门窗监控系统毕业设计.doc

宁波大学本科毕业设计（论文） 基于RF模块的门窗监控系统毕业设计目录摘要IAbstractII目录III1绪论11.1引言11.1.1智能家居简介11.1.2门窗监控系统简介11.2研究基于RF模块的门窗监控系统课题的作用和意义21.2.1当前门窗监控系统存在的不足及本设计的优势21.2.2本设计的应用意义21.3本设计的主要内容32本设计涉及的集成开发环境简介42.1单片机软件的开发环境简介42.1.1Keil C51特性简介442.1.2用于单片机开发的C51基础的知识介绍342.1.3keil C51编程的有关知识62.2系统硬件EDA开发工具62.2.1Protel99se软件简介62.2.2Protel 99 SE的系统组成73系统硬件部分设计83.1系统方案论证83.1.1微处理器单元方案选择比较和论证83.1.2无线模块选择方案比较和论证83.1.3门体模型方案选择比较与论证103.1.4电机及驱动部分方案选择比较与论证103.1.5传感器模块方案选择比较与论证113.1.6人机界面方案选择比较和论证123.1.7报警模块方案选择比较和论证133.1.8电源供电方案选择比较和论证133.28051F330芯片的配置及外围电路设计143.2.18051F330芯片的配置资源描述143.2.28051F330最小系统的设计153.2.38051F330系统的调试接口163.2.4显示部分电路设计173.2.5键盘部分电路设计183.3无线模块部分电路设计13183.3.1RF12简介193.3.2RF12电路硬件应用电路203.4传感器模块电路设计203.4.1温湿度传感器DTH-11简介电路硬件应用电路213.4.2亮度传感器光敏电阻简介光敏电阻搭建亮度传感器应用电路213.5红外模块部分电路设计233.5.1红外对射管简介233.5.2红外对管应用电路图233.5.3电路原理233.6电机驱动部分电路设计233.6.133886芯片简介233.6.2电路设计233.7电源模块电路设计233.7.11117芯片介绍233.7.2电源模块电路设计233.8门体制作234系统的软件设计234.1C8051F330编程234.2RF12编程234.3门上系统的软件设计234.3.1引脚与中断资源的相关配置244.3.2程序流程254.3.3温湿度模块软件264.3.4亮度部分AD模块软件274.3.5红外部分软件284.3.6显示部分软件284.3.7无线部分软件284.4遥控系统的程序设计294.4.1键盘程序294.4.2液晶程序294.4.3无线程序305联机调试335.1调试红外部分与中断335.2调试AD335.3调试液晶345.4调试无线345.5门体调试355.6总体调试366总结与展望386.1增加Zigbee组网的功能386.2增加无线模块的发送距离38参考文献40附录421.1无线模块CC2430的设计原理图421.2单片机8051F330的设计原理图421.3LPC2103的设计原理图431.4源程序主要代码441.4.1C8051F330程序441.4.2LPC2103的程序521.4.3Zigbee与LCP2103通信的节点611.4.4串口通信和无线收发中断程序63751 绪论1.1 引言 随着国民收入的增长，人们的生活消费理念正在逐渐改变。人们开始对身边的智能家居有所了解和追求。从最常见的自动洗衣机到世界首富比尔盖茨的智能豪宅，自动智能的产品已经迅速地渗透到我们的生活中。而人们对门窗的动作在家居生活中的出现频繁程度注定使门窗电子产品在智能家居产品中占有一席之地。门窗监控系统的研究和应用正在广泛地发展起来。目前市场上能见到的门窗监控系统少之又少，而且大都用途特殊、结构复杂，在家居自动产品中更是凤毛麟角。但是不可否定的是自动智能的门窗监控系统拥有巨大的市场前景。网络资料市场调查显示，门窗控制系统有广阔的市场，而且需求量在不断增加。1.1.1 智能家居简介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）。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、智能家居-系统设计方案安全防范技术、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。/view/37089.html?wtp=tt1.1.2 门窗监控系统简介监控系统是指应用光纤、同轴电缆、无线等通讯介质将被监控对象的信息传输到控制监督端，并在控制端对信息进行存储、分析处理，同时根据处理结果给执行机构下达动作命令。它能实时、形象、真实地反映被监控对象，不但代替了人眼对被监控对象的监督，而且扩大了人眼的机能，它可以在恶劣的环境下代替人工进行长时间监视和智能处理，报警系统设备对非法行为进行及时报警。 监控系统一般由前端部分、传输部分、控制部分、执行机构、显示部分、报警部分以及系统供电组成的完整系统。门窗监控系统是指集成在门窗上专用的、和门窗功能紧密结合的监控系统。通常构成门窗监控系统的各个部分为：前端部分：前端进行对门窗周围环境变量的采集。采集工具包括各种专用传感器，如温度、湿度、光亮度传感器对温湿度、亮度的参数采集；以及摄像头红外对射管等设备对门窗周围物体进行监视。传输部分：应用光纤、同轴电缆、无线等方式将前端部分采集的信号实时可靠地传输到控制部分。控制部分：单片机、ARM等中央处理芯片对信息进行分析处理、逻辑分析，将分析结果分别下达到执行机构、显示部分和报警部分。执行机构：电机、继电器等执行器件，受控制部分控制命令控制。显示部分：LCD液晶显示、LED灯、数码管等显示器件，显示内容由控制部分控制。报警部分：蜂鸣器、警铃、语音喇叭、警灯等报警器件，警报状态由控制部分控制。系统供电：为系统提供相应幅值的工作电压。如5V、3.3V直流电压分别为电机和控制芯片供电。1.2 研究基于RF模块的门窗监控系统课题的作用和意义随着电子技术的飞速发展，自动控制系统智能家居产品的应用已经渗入我们生活的方方面面，其重要性不言而喻。自动化技术正飞速发展，迅速向各种行业的深入渗透，有着巨大的市场空间，射频无线技术更是在当前各个领域蓬勃发展，将射频无线与门窗监控系统结合起来开拓更为广阔的市场。本设计就是一个基于RF模块的门窗监控系统的具体实例。1.2.1 当前门窗监控系统存在的不足及本设计的优势当前门窗监控系统大多数采用红外遥控的方式与处理器控制器相连，遥控端没有可视界面，或者有单工显示，显示内容主观性强，显示内容为遥控器下达的状态命令，且遥控距离短方向性强，可靠性低。而本设计中将设计一种基于RF无线技术的连接方式，其遥控端与被控端为半双工工作方式，两端都可以作为接受数据和发送数据的终端，可以实现遥控端液晶显示内容为被控端主动发送的实时数据，保证显示内容的准确可靠性。而且使用RF无线可以实现超过150米的遥控距离，在建筑中能穿越多堵墙进行遥控和监控。1.2.2 本设计的应用意义门窗监控系统在智能家居中起到为家居安全、环境调节起关键作用，其使用稳定可靠和舒适易用性有着很高的要求。本课题中就是为达到一个基本智能化，远程易遥控、易监视的门窗监控系统，其通用于家庭、教室、工厂、仓库、温室、大棚等等地方。本系统有着广泛的应用领域和庞大的消费市场。本课题架构一套完整的门窗监控系统，通过实物模型对现实中门窗等对象进行模拟，设计完全可以进行略微修改移植到产品中。1.3 本设计的主要内容本论文设计中的门窗监控系统硬件上可分为两部分，分别为门上系统和遥控系统。门上系统包括门体、门框、传动机构、拖动电机、电机驱动、编码套件、限位传感部件、多个环境传感部件、主控芯片、LED状态显示、声光报警模块、RF无线收发模块。遥控系统包括LCD液晶显示、键盘模块、主控芯片、无线收发模块。具体来说要实现的功能是门上系统通过配套的各种传感器对门窗的周边环境进行检测，将检测到的信号通过处理辨识做出相应动作，并通过RF无线模块与遥控系统进行通信。遥控系统通过RF无线接受信息并显示在LCD上，将键盘控制命令传输到门上系统使其有相应的动作。根据目前的方案设计，本系统将包括亮度、晴雨、红外感应装置。各路装置控制系统在预设定的环境下动作门窗及窗帘或遥控动作门窗。分别包括：-天黑自动关窗 亮度传感器监测室外明亮度，在夜晚不能采光时自动拉上窗，提高室内灯光利用率。-下雨自动关窗 湿度传感器检测室外湿度，在检测到室外湿度过高时认为为下雨或大雾，自动关闭门窗。在下雨时及时关门窗确保室内不受户外高湿度影响室内居住环境。-关闭门窗防夹报警功能 在门窗关闭动作时，实时检测门窗动作范围内是否有障碍物或人存在；如果有障碍或人在门窗关闭轨道上，则门窗停止关门动作，声光报警直到障碍移除。-防盗报警功能 红外对射传感器检测门窗，阳台、窗外有小偷爬窗进来时立即报警。-遥控功能 基于RF无线的遥控器实现在中远距离对门窗进行监控。包括对门窗、窗帘的开关状态的查看及开关动作的控制2 本设计涉及的集成开发环境简介2.1 单片机软件的开发环境简介当今流行的单片机的软件开发环境有很多，主流的有KEIL ，WAVE，MPLAB IDE，IAR等。在本文中使用的单片机是基于SOC技术8051F系列，因此接下来我将概要地介绍KEIL开发软件。2.1.1 Keil C51特性简介4Keil C51是Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 C51工具包的uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件 (.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。2.1.2 用于单片机开发的C51基础的知识介绍3由于采用高级语言开发，我们将可以抛开单片机的硬件结构而集中精力于系统功能的开发，但是我们还是不能完全不考虑硬件的束缚。在C51编程中，我们接触最多的就是内存的分配与管理了。大家都知道在单片机刚出现的一段时间内，内存是很宝贵的。就算技术发展到现在，可以花很低的代价得到足够的内存，但是介于存取速度原因，也还是不能不考虑如何管理内存。如果学好这些知识，合理去分配内存，那么在我们今后的开发中将大有益处。接下来，我们将一一介绍这些知识。1、首先我们要知道变量的定义：变量的定义包括了存储器类型的指定可以指定变量存放的位置。每个变量可以明确地分配到指定的存储空间。存储器类型有code 、data、idata 、bdata、xdata 、pdata 这几种。使用这个关键字前缀变量，则可以达到分配到相应存储空间的目的。分配描述：code 程序存储器64K 字节通过操作码 MOVC A+DPTR 进行访问。data 直接寻址内部数据存储器对变量的最快访问128 字节 ，直接访问的低128 字节内存。idata 间接寻址内部数据存储器访问整个内部地址空间256 字节，通过MOVR0,A访问。bdata 位寻址内部数据存储器允许位和字节混合寻址16 字节，直接访问可位寻址的内存。xdata 外部数据存储器64K 字节通过 MOVX DPTR 访问。pdata 页外部数据存储器256 字节通过 MOVX Rn 访问，在增强型MCU中，会更多字节的内存。再者，C51还有特有的变量类型有：sbit 、 sfr、 sfr16 数据类型 分别表示1位的，8位的，16的存储模式。它们是与CPU相关的用特殊用途的存储空间定义分配。1. bit sbit sfrs 和sfr16 数据类型专门用于8051 硬件和C51 编译器并不是ANSI C 的一部分不能通过指针进行访问。Bit、 sbit、 sfrs 和sfr16 数据类型用于访问8051 的特殊功能寄存器例如sfr P0 = 0x80 定义变量P0 并将其分配特殊功能寄存器地址0x80 在8051 上是P0 口的地址。2、变量使用原则：在可能实现的前提下，尽量使用char类型，安排程序中重要的变量在data区和寄存器中传递。我们如果的访问范围是256字节，那么可以用IDATA实现。对内部数据存储器的访问比对外部数据存储器的访问快许多，因此应当将频繁使用的变量放在内部数据存储器而把较少使用的变量放在外部数据存储器中。有时，我们可以将一些常量放在CODE区，这样可以节省内存，而且也不会担心被意外更改。3、有关变量存储的扩展知识：在默认的情况下，在Small模式下，系统将没有前缀的变量分配到data区。如果指出前缀的变量则按分配描述的规则分配存储区间。我们不但可以指定变量的存储空间， 还可以通过规定其作用范围，生存周期使得CPU的存储资源能在动态运行过程中得到最有效的利用。在子函数内，所有的变量都是存放在寄存器内的，这样访问的效率就会很高。而且，在C语言有内存自动回收，重复利用的机制。每次函数被调用时，会分配变量内存，结束后清空。结果由形参返回给主程序，调用子函数时我们只能传二三个参数。如果要多个传送，可以通过指针来实现。作用区域与全部，局部变量有关。如果说我们要最有效使用内存，那么应该尽量使用局部变量。 那么我们可以做到，内存的动态回收。（也可以得到程序的封闭性，重用性，方便可移植等这些好处。） 还须要注意的一点就是，每个子程序都要检查一下是否被主程序调用，如果没有调用那么就屏蔽掉。否则就可能会在编译的时候出现内存不足的警告， 因为没有被调用的函数，编译器不知道如何分配与回收内存，就把它的变量分配全局变量。 因而造成内存的浪费，严重的情况会造成内存的溢出。4、数据类型：C51 编译器支持下表列出的数据类型除了这些标量类型外还可以将变量组合到结构联合及阵列中除了指明的类型可通过指针访问这些数据类型。C51中主要有以下类型：bit 、char、unsigned char、enum 、short、int、long 。sbit、sfr、sfr16。 其中Bit、 sbit、 sfrs 和sfr16 数据类型专门用于8051 硬件和C51 编译器并不是ANSI C 的一部分，不能通过指针进行访问bit、 sbit、 sfrs 和sfr16 数据类型用于访问8051 的特殊功能寄存器例如sfr P0 = 0x80 定义变量P0 并将其分配特殊功能寄存器地址0x80 在8051 上是P0 口的地址。当结果表示不同的数据类型时C51 编译器自动转换数据类型例如位变量在整数分配中就被。BL51 连接器通过重叠不相关的函数变量管理8051 有限的内部存储器对大多数8051 应用系统来说极大地降低了所需要的存储空间。2.1.3 keil C51编程的有关知识 1、使用关键字前VOLATILE和Const：在C51中编译器在变量没有声明 VOLATILE的情况下，系统出与优化的原因有时会假设它的值而不检查变量值的更新。如果这情况出现通信或控制过程中的话，那将是灾难性的。所以程序编制过程中，应该时刻想想，自己的变量用在什么地方，如果是用在数据采集中，则应该加上VOLATILE前缀。这是一种安全的用法，你若不声明也可以实现， 只是你这样做给自己的程序留下了安全隐患。 2、其它注意事项，我在编程的过程中，遇到过定义变量太多而编译无法通过的问题。通过查相关资料，我明白了这与我们的存储模块设定有关。 事情是这样的，在8051内核里有128BYTE的内存，用DATA 类型访问。这个是最快的访问速度，但是它的空间有限，只有很少的。我们用SMALL模式编译时，会将变量优化在这128BYTE内，这样的执行效率是最高的。不过，当我们用到的变量确实放不下时，可以考虑用COMPACT与LARGE模式。这样变量默认会分配到XDATA中，访问速度次之。这是因为CPU读取变量用MOVX 问，变量经过外存，再到寄存器，最后才送给CPU，所以速度会慢很多。 再说变量的分配类型，在8051中我们会用到有很多的变量类型，一般说来，这与它的存储结构有关。众所周知，51单片机的内部存储资源有限，所以我们在使用变量存储分配时，应该好好考虑如果做到最优的配置。2.2 系统硬件EDA开发工具EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写。本次设计硬件开发使用的EDA软件是Protel99se。系统设计的电路原理图和PCB版图均在Protel99se平台上设计绘制完成。2.2.1 Protel99se软件简介Protel99se是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高。Protel99se是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100布通率。2.2.2 Protel 99 SE的系统组成按照系统功能来划分，Protel99se主要包含以下俩大部分和6个功能模块。1、电路工程设计部分(1)电路原理设计部分（Advanced Schematic 99）：电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）和各种文本编辑器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。（2）印刷电路板设计系统（Advanced PCB 99）：印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLib编辑器）和电路板组件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。（3）自动布线系统（Advanced Route 99）：本系统包含一个基于形状（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。2、电路仿真与PLD部分（1）电路模拟仿真系统（Advanced SIM 99）：电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。（2）可编程逻辑设计系统（Advanced PLD 99）：可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（Waveform）。本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。（3）高级信号完整性分析系统（Advanced Integrity 99）：信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。3 系统硬件部分设计3.1 系统方案论证根据系统的初步设计思路，分别对门体、门框、传动机构、拖动电机、电机驱动、编码套件、限位传感部件、多个环境传感部件、主控芯片、LED状态显示、声光报警模块、LCD液晶显示、键盘模块、无线收发模块进行方案选择比较论证。3.1.1 微处理器单元方案选择比较和论证本设计中分别有门上系统与遥控系统的微处理器部分，考虑到门上系统与遥控系统工作量与处理能力的要求，以及设计开发周期的长度控制，决定两大系统将使用同一类型的MCU芯片。无论从设计的简便性，还是硬件成本上考虑我们选择单片机是比较合适的。通过分析可知，系统微处理器需要的硬件资源有SPI总线、集成的AD转换器件、多个IO口。满足要求的单片机主要有以下几种型号可以选择：设计方案一：采用STC系列的8051单片机，优点是硬件成本比较低，编程时有许多可得到的参考资料可以参考。不过，用8051也存在一些缺点，比如它的程序写入需要专门的烧写器件提供很高的电压。在需要硬件程序仿真的时候，其仿真器比较贵。设计方案二：用最新的8051F系列单片机。它有CIP-51TM 的微控制器核 ，与 8051 完全兼容 。C8051F330/1系列器件使用Silicon Labs的专利CIP-51 微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准 803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准 8052 的所有外设部件，包括 4 个 16 位计数器/定时器、一个具有增强波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、768 字节内部RAM、128 字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及 17 个I/O端口。 因此综全考虑，采用8051F单片机作为系统微处理器，它的资源完全可以满足本设计的硬件要求。3.1.2 无线模块选择方案比较和论证设计方案一、采用红外遥控。红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射雕红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。由于红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿过障碍物去控制被控对象的能力，所以，在设计家用电器的红外线遥控器时，不必要像无线电遥控器那样，每套(发射器和接收器)要有不同的遥控频率或编码(否则，就会隔墙控制或干扰邻居的家用电器)，所以同类产品的红外线遥控器，可以有相同的遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况。这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外线遥控提供了极大的方面。由于红外线为不可见光，因此对环境影响很小，再由红外光波动波长远小于无线电波的波长，所以红外线遥控不会影响其他家用电器，也不会影响临近的无线电设备。设计方案二、用Zigbee的无线收发模块实现无线收发，Zigbee无线收发模块和微处理器通过UART相连， Zigbee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。ZigBee技术的核心是几万行ZigBee/802.15.4 C51源代码，这些源代码和ZigBee无线单片机内核配合，完成数据包装收发、校验、各种复杂的功能。并用开发人员可以得到免费的源代码，在此基础上进行开发。其主要的特点是：它是标准的2.4 GHz的RF无线电收发机。具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力。硬件支持CSMA/CA功能，有防止碰撞的机制。具有强大和灵活的开发工具。低功耗，在低耗电待机模式下，可工作6个多月，甚至更长。设计方案三、采用用射频芯片实现无线收发，用RF无线收发模块和微处理器通过SPI接口交换信息， RF12是一款低成本高集成的收发IC,其内部集成了所有RF收发功能模块电路,外围只须一个MCU,一个晶振,一个旁路电容和一个外置天线就可组成一个高可靠性的收发系统,具有设计简单,生产无需调试的特点。其主要特点有:1 、高功率输出,可设置功率输出大小。2、高集成度, 外围零件少。3、成本低，设计简单,生产无需调试。4、抗干扰能力强。根据分析，本设计实际选择方案三。因为本设计准备设计的是一定距离内对门窗的监督控制（至少100m），具有一定的穿墙能力，收发性能稳定可靠。红外的没有穿透能力和短距离不适合本设计的理念。而ZigBee技术比较新颖，模块控制原理复杂，成本高，故本设计中不选用。射频无线作为遥控领域异军突起的一种无线类型，目前已在产品中得到广泛的应用。射频无线的应用原理框图如图3-12所示，收发模块具有完全相同的结构，无线模块与微处理器间采用高效的SPI通讯。图3-12 RF12无线收发模块原理3.1.3 门体模型方案选择比较与论证设计方案一：使用真实门体。本方案的优势是设计有实用性，但是设计难度较高对电机及驱动要求高，当前设计条件不允许。设计方案二：定做铝合金微缩门体。本方案优点是平台美观，根据要求定做门体容易控制，运行可靠。缺点是设计者对机械方面知识欠缺，定做门体完善度低，导致门体在设计中需要多处修改，修改难度大。设计方案三：自制泡沫材质的门体。本方案的优势在于门体形状功能完全由本人意愿制作，功能形状裁剪程度高。而且门体一直处于半成品，随时根据不同要求修改门体部件模块。缺点是不够美观和结实。综合优缺点，本设计实际选择方案三。方案三的易修改性在后来的设计中起到了重要作用。3.1.4 电机及驱动部分方案选择比较与论证电机和驱动部分作为系统的执行机构，其方案在被控和运行时的稳定性能决定着整个系统的运行可靠性。一、 电机类型选择比较与论证设计方案一：使用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。缺点是运行转速慢噪声大，控制麻烦，成本高。在本系统中对位移距离要求不高，步进电机的优势不能发挥。设计方案二：使用直流无刷电机。直流无刷电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。但是价格高，控制器要求高，且低速起动时有轻微振动。设计方案三：使用直流有刷电机。优点：控制方便变速平稳，几乎感觉不到振动；温升低，可靠性好； 价格低，所以被较多厂家选用，技术成熟。 缺点： 碳刷易磨损，更换较为麻烦，寿命短； 运行电流大，电机磁钢易退磁，降低了电机与电池的作用寿命。综合三种电机特点，本设计实际选择方案三。由于本设计对电机运行时间的要求不高，而对启动和控制方面有较高的要求，所以方案三的缺点在本设计中影响不大优势却很明显。二、 电机驱动的方案选择比较与论证设计方案一：使用分立元件搭建H桥驱动电路。优点价格便宜，使用实验室已有元件搭建省去采购的花销。缺点控制电路可靠性低，功能少。设计方案二：使用集成块驱动芯片。优点性能稳点，电路简单，控制便捷，功能强大。缺点是成本较高。综合来讲，本设计实际选择方案二。由于实际应用中驱动芯片由于运行可靠与使用便捷性受到了许多厂家选用。集成块故障率小，技术成熟，本设计中电机为控制门窗，对可靠性要求较高，故选用方案二。3.1.5 传感器模块方案选择比较与论证本设计中包括多种传感器，包括：亮度传感器，温度传感器，湿度传感器，红外传感器分别用来对门窗周边天气环境和不明物体的监测。一、 亮度传感器选择比较与论证设计方案一：使用分立元件光敏电阻配合高性能的ADC模拟数据采集。优点为成本低性能却很好，输出为实时真实数据。缺点是需要配置合适的ADC元件，需要与MCU紧密的编程配合协作。设计方案二：使用集成块亮度传感芯片。优点电路简单使用，使用方便。缺点是成本高，且输出多为开关量，不能获得实时数据。综合上述优缺点，本设计实际选择方案一。本设计中将选用一款内部集成高性能ADC部件，故方案一的缺点被补偿，是理想的选择。二、 温度、湿度传感器选择比较与论证设计方案一：温度湿度选用独立元件设计使用。温度传感器使用Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820，可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中。使用“一线总线”方式与控制器通讯。湿度传感器采用湿敏电阻配合高性能的ADC模拟数据采集。本方案有传感器性能高，精度大的优点。但是同时也有电路复杂，运行可靠性低，控制麻烦、占用资源较多的缺点。设计方案二：使用集成了温度和湿度传感器的一体式智能温湿度传感芯片DHT11。本方案优点有电路简单使用，使用方便，智能温湿度传感芯片DHT11可以通过SPI总线与单片机进行通讯，将温度和湿度的实际值直接传送到单片机中，省去了转换和矫正的的工序，大大提高系统的开发周期。综上所述，本设计实际选择方案二。智能温湿度传感芯片DHT11的高使用便捷度和高效的SPI、总线称为本系统选择它的理由。三、 红外传感器选择比较与论证由于红外传感器功能的相似性，影响其使用效果的主要是传感器的封装形式，所以在选择红外传感器时主要是对红外传感器的封装的选择。设计方案一：封装形式为发射端与接受端独立的红外对射管。本方案中的传感器具有安装方便，形式多样的特点。但是对安装的精度要求较高，当发射端与接受端安装距离较远或没对准时容易出现对管无法正常工作的情况。设计方案二：封装形式为槽型的红外传感器。此类封装的传感器功能比较单一，主要是对槽内切割红外线的薄片的运动情况进行采集。设计方案三：封装形式为并列反射型的红外传感器。此类封装的传感器适用性强，可以对传感器指向面的障碍监测。根据实际应用，本设计在不同的场合分别使用了方案二与方案三的封装形式红外传感器。3.1.6 人机界面方案选择比较和论证人机界面（Human-Computer Interface,简写HCI，又称用户界面或使用者界面）包括了键盘部分和显示部分。一、 键盘部分设计方案一、采用行列式键盘。行列式键盘的行线与按键的一个引脚相连，列线与按键的另一个引脚相连。平时列线被置成低电平，没有按键被按下时，行线保持高电平，而有按键被按下时，行线被拉成低电平。这时候控制器知道有按键被按下，但只能判断出在哪一行，不能判断出在哪一列，因此接下来就要进行键盘扫描，以确定具体是哪个按键被按下。本方案的优点是可以扩展按键数量较大的键盘，缺点是编程较麻烦，在按键数量要求不多时优势不明显。设计方案二、是用ZLG7289的芯片和显示与键盘专用模块配合主机实现人机信息交互，其优点是用与微处理器用SPI接口，可以节省很多I/O口线，而且硬件电路规范化，只要看懂原理就可以用软件实现各种相关功能。不足之处是这个人机交互模块不容易重复利用，而且在软硬件上也是结合紧密，不容易分离和移植到其它系统。设计方案三、采用独立按键键盘。本设计采用最简单的键盘设计方法，具有电路简单，原理清晰，编程便捷的优点，缺点是需要按键较多时占用I/O口多。综合以上三种方案，结合本课题的实际后选择第三种方案。因为它除了有以上两种方案的优点外，还具有扩展性、通用性等优势，从而为未来发展与扩充作铺垫。二、 显示部分设计方案一、采用多位八段数码管LED显示。在微处理器的配合下通过多个段选式的数码管动态扫描显示，以完成人机信息交互任务。其优点是数码管价格相对于液晶要便宜，简单可靠，显示亮度高，显示数值时优势明显。缺点是其显示的容量有限，不能显示汉字，硬件连线麻烦占用的I/O口线较多。设计方案二、是用ZLG7289的芯片和显示与键盘专用模块。本方案解决得占用引脚多的问题，但是还是采用数码管显示。设计方案三、采用单颗LED灯配合相应位置汉字指示。本方案解决了指示汉字的问题，价格低廉，在显示内容不多且变化少时优势明显。但是缺点也很明显，汉字不能改变，不能显示数字。设计方案四、LCD显示指示。LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行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。采用128X64点阵的LCD可以显示四行汉字，显示资源丰富。综合以上四种方案，结合本课题的实际后选择第三种和第四种方案分别作为门上系统与遥控系统。因为本系统遥控部分对显示要求较高，显示文字内容较多。而门上部分显示内容少，不用显示数值，故不采用数码管而直接采用单颗LED显示3.1.7 报警模块方案选择比较和论证设计方案一、语音报警。通过人声报警，报警内容明确，系统产品显得高档智能。缺点是成本高，控制麻烦，警告性不高，适合提示性场合。设计方案二、蜂鸣器报警。通过对蜂鸣器发声类型的控制，可以编制多种报警声用于各种不同的报警场合。优点是音量大，警报性好，价格低廉，可靠性高，控制方便。根据优劣势分析，本系统采用方案二。方案二在控制了成本的前提下提高了系统警报系统的实用性和易开发性。3.1.8 电源供电方案选择比较和论证系统需要分别给门上系统与遥控系统进行供电。一、 门上系统电源供电方案选择比较和论证设计方案一：电池供电。电池供电的优势是不用担心系统受外界供电电源的的影响。但缺点是门上系统需要向电机供电，电机运行与带负载需要较大的电能，所以电池供电的持久性不能保证。设计方案二：外部电源供电。本方案可以为系统带来无穷的电力，能保证长时间运行。但是在停电时会导致系统不能工作。根据实际应用，本设计择优选择了方案二，停电的问题预备留在将来为系统提供备用电池的方式解决。二、 遥控系统电源供电方案选择比较和论证为保证遥控系统的遥控器可移动性，只能为本系统配备电池供电。在设计时考虑的是电池的类型。设计方案一：锂离子电池供电。锂离子电池供电的优势是可以反复充电使用，且体积可以做得比较小。缺点是锂离子电池价格昂贵成本高。设计方案二：普通五号电池供电。这类电池供电的优势是价格便宜，且体积也不是很大，在电池消耗光时通过换电池就可以使系统继续工作。综上所述，本设计择优选择了方案二，低廉的价格极大地降低了开发成本。3.1.9 论证总结通过上面八小节的论证，我们对系统设计方案有了初步的决定。微处理器单元选用C8051F系列增强型单片机C8051F330；无线模块选用RF12射频无线收发模块；门体模型使用泡沫材质自制门体；电机及驱动部分电机选用直流有刷电机，驱动选用专用电机驱动芯片33886集成块；传感器模块分别采用温湿度一体DTH-11传感器，光敏电阻搭建亮度传感器，槽型及反射型红外对射管；人机界面选择MzL05-12864液晶显示和红色LED灯管显示；报警模块选用5V蜂鸣器报警；电源供电部分门上系统与遥控系统分别采用市电变压整流调制到5V、3.3V直流电为系统供电与两节5号电池供电。最终决定的方案有取材方便，性价比高，开发人员熟悉，开发周期短的优势。3.2 8051F330芯片的配置及外围电路设计在上一节，我们通过分析系统设计的要求并论证了方案的可行性。做了这些准备后，我们可以开始硬件的设计工作。鉴于本系统在稳定性及工作环境等方面有着较高的要求。所选用的芯片应尽量为有广泛且成熟的实践应用经历，同时有比较详细的文档资料可以查阅。鉴于该平台的预研性质，我们保留一定的扩展及调试接口。3.2.1 8051F330芯片的配置资源描述1、 增加的功能：8051F采用的是最新SOC工艺，从8051发展而来的，在51的基础上增加的许多功能 ：C8051F330/1 系列 MCU 在 CIP-51 内核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。 扩展的中断系统向 CIP-51 提供14 个中断源（标准 8051 只有7 个中断源） ，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的 MCU干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 C8051F330/1器件的内部振荡器在出厂时已经被校准为 24.5MHz 2%，该振荡器的周期可以由用户以大约 0.5%的增量编程；片内还集成了一个低速振荡器，更适合于低功耗操作。器件内集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC 或外部 CMOS时钟源产生系统时钟。如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速（可达 25MHz）的内部振荡器。2、 片内存储器组织结构11CIP-51 有标准 8051 的程序和数据地址配置。它包括 256 字节的数据 RAM，其中高 128字节为双映射。用间接寻址访问通用 RAM 的高 128 字节，用直接寻址访问 128 字节的 SFR地址空间。数据 RAM 的低 128 字节可用直接或间接寻址方式访问。前 32 个字节为 4 个通用寄存器区，接下来的 16 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。 程序存储器包含 8KB 的FLASH。该存储器以 512 字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需特别的编程电压。如图 3-21所示为MCU系统的存储器结构。图 3-21 片内存储器组织3.2.2 8051F330最小系统的设计8051F330最小系统如图 3-22所示。最小系统包括了单片机、复位电路、JTAG接口及电源供电接口。其中JTAG接口详见3.2.3。本设计中最小系统复位电路集成了上电复位和手动复位两种方式。不同于普通C51单片机复位信号为高电平有效，且高电平的持续时间需要达到24个震荡周期（2个机器周期）以上，C8051F330的复位信号是低电平有效，部/RST引脚提供了使用外部电路强制MCU进入复位状态的手段，在/RST引脚上加一个低电平有效信号将导致MCU进入复位状态。本设计中的自动复位则利用上电时对10UF电容的充电时间达到在/RST引脚上加一个低电平有效信号的效果。图 3-22 8051F330最小系统3.2.3 8051F330系统的调试接口1、 8051F330系统具有片内Silicon Labs 2线（C2）接口调试电路，支持使用安装在最终应用系统中的产品器件进行非侵入式、全速的在系统调试。Silicon Labs的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点和单步执行。调试开发板所需要的资源有Windows95/98/Me/2000，并有一个可用RS-232串口的计算机。如图3-23所示，PC机通过RS-232与串行适配器连接。一条电缆将适配器和用户的应用板连接起来，使用2个C2引脚和VDD及GND。对于开发和调试来说，Silicon Labs IDE接口比采用标准MCU仿真器要优越得多，Silicon Labs的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。图3-23 C2接口调试示意图 2、 C8051F330系统的调试接口，此接口是电脑端的USB调试器与目标板相连时的转接口，只需要C2CLK与双向数据口P2.0这2根线即可。再者应该注意的是，C2调试器应该与目标板共地相连。，3.2.4 显示部分电路设计根据3.1节的论证，本系统机界面采用MzL05-12864液晶显示和红色LED灯管显示。 MzL05-12864液晶一、 MzL05-12864简介MzL05-12864为一块小型的128X64点阵的LCD显示模组,模组上的 LCM *采用COG* 技术将控制（包括显存）、驱动器集成在LCM 的玻璃上，接口简单、操作方便；为方便用户的使用，在LCM的基础上设计了MzL05-12864 模组，将模组所必需的外围电容电阻集成到模组上。MzL05-12864 模组与各种MCU均可进行方便简单的接口操作。1. 128 x 64 点阵FSTN2. 1/64 占空比1/9 偏压比3. 单电源供电对比度编程可调4. 仅写入的串行 SPI 接口方式5. 3.3V 的白色LED 背光，美观大方图3-24-11 MzL05-12864模组正面及背面图样*注：LCM（LCD Module）即LCD显示模组、液晶模块，是指将液晶显示器件,连接件,控制与驱动等外围电路,PCB电路板,背光源,结构件等装配在一起的组件。COG（Chip On Glass）即芯片被直接邦定在玻璃上。