【基于单片机的智能遥控窗户设计与实现8100字（论文）】

基于单片机的智能遥控窗户设计与实现TOC\o"1-3"\h\u1引言 11.1研究背景及意义 11.2国内外研究综述 11.2.1国外研究综述 11.2.2国内研究综述 21.3本文主要研究内容 32总体方案设计 42.1需求分析 42.2系统总体结构 42.3单片机选择 53系统硬件设计 53.1硬件总体设计 53.2单片机相关电路设计 53.2.1晶振电路 63.2.2复位电路 63.2.3电源电路 63.2.4最小系统电路 63.2.4时钟电路 73.3步进电机电路设计 73.4键盘电路设计 83.5显示电路设计 93.6烟雾检测电路设计 103.7光电传感器设计 113.8信号调理电路设计 123.8.1放大滤波电路设计 123.8.2A/D转换电路设计 124系统软件设计 124.1主程序软件设计 124.2步进电机程序设计 134.3显示程序设计 144.4键盘程序设计 154.5定时程序设计 165Proteus调试与仿真 175.1总体仿真思路 185.2仿真中遇到的问题及解决办法 18总结 19参考文献： 201引言1.1研究背景及意义21世纪以来，人类进入了信息化、智能化的新时代。网络通讯、面部识别等技术不但侵入了人们的日常生活，也悄然进入了人们的个人空间。即使目前市场上的这些高科技产品给我们的生活带来了很多便利，但仍有很大的改进空间[1]。研究表明，目前市场上的大多数窗户都需要人工操作。如私人别墅、豪华酒店等场景采用大落地窗，普通窗的不足就暴露出来了。普通窗的缺点在于窗口过大，占用了大量空间，并且需要耗费大量时间和人力去操控[2]。针对上述问题，本文设计了一种以单片机为核心的智能窗口系统，通过光线检测自动控制、定时自动控制等方式实现自动控制。1.2国内外研究综述1.2.1国外研究综述2014年，SunT和LiJ等人所设计的节能翻转式窗户系统，可以调整窗口板条接收阳光的方向，控制窗口的上下。在系统设计中，上位机进行数据存储、分析和打印，下位机利用感光元件采集光照数据。节能性能体现在室外材料使用太阳能电池板材料，能够收集光能，使太阳能电池板可以用来吸收阳光，然后将光能转换成化学能并储存在太阳能电池板中。系统使用太阳能转换技术为系统供电，在一定程度上节约了家庭能耗[3]。2010年，ZhangC、FengX等人一同研制出一种由数字温度传感器DSL8B20组成的温控智能窗系统。这个系统可以实时检测室外温度数据，并将数据发送到移动应用程序，从而实现窗户的自动控制2017年，日本的专家制作了用于光控探测的节能智能窗系统，在玻璃和内窗之间安装了一个光线感应器。该系统专为舒适的家居设计，只有在光线良好时才会开启。光线达到一定强度的时候，可以检查窗口自动关闭。与此同时，该系统通过光加热半导体，把智能窗户外的光产生的热量转化为电能存储。也能够实现智能窗户无需充电，也可以实现自动升降窗口功能[4]。2013年，英国设计师JangYH等人研究了一种以WK6900-24ss控制为基础的百叶窗智能窗户。该产品在材料的选择上有很多亮点。它使用了一种透明的、非常坚固的聚碳酸酯板材，并在高温下涂上一层铝膜，这种膜可以反射大多数颜色的光。此外，进入房间的光线被调节和减弱，从而使房间保持正确的亮度和温度，而室内的用户仍然可以清楚地看到外面。2018年，国外也开发了智能窗户系统，在很大程度上降低了高层建筑的总重量。主控单元是AT89C52单片机，风压传感器和放大器作为信号的形成和处理元件，以及LCD12864显示屏作为窗户的显示部分。风压传感器用于检测玻璃幕墙，模拟数据经过模数转换芯片进行转换，利用通信软件远程传输控制信号来控制窗口系统[5]。1.2.2国内研究综述中国智能家居的第一阶段被称为智能小区期。智能家居在市场上还只是一个概念上的产品，没有成熟的技术和市场。十多年之前，我国尽管有一些企业和制造商生产了智能窗户，但因为当时技术不足以及普通人的生活条件差，最终未能将其成功推广[10]。科学技术水平的不断提高，使得技术逐渐被应用到人们的生活中，在人们思维不断拓展的同时，对生活质量的要求也在不断提高。在许多先进的一线城市，绝大多数家庭正在逐渐使用智能窗户。2016年，小米公司的研究人员开发了Amara智能窗户，引发了一波智能家居购买热潮。该产品与其他普通电动窗相比最大的优势之一是能够与小米产品结合使用，但用户还需要Aqaba的智能插座才能让Aqaba智能窗户正常运行。用户开关时间定时设置，无线WIFI控制和红外传感器实现产品的自动控制功能。它还能够通过语音助手进行通信，控制Aqaba电机，从而控制窗户[6]。2012年东北农业大学的孙利新，王阿川等学者进行了基于智能手势识别技术的智能窗户系统的相关研究。该窗户系统主要借助手势识别技术以及视觉识别技术捕捉用户的手势信息，并做出相关的动作。在窗口系统的设计中，这次主要使用OpenCV库来处理和存储人类的手势动作。借助自身的分析处理，系统就会控制窗户的自动开合系统。本系统在操作上具有良好的人机交互，操作非常简单。目前国内市场上出现的智能窗户能够经过第三方语音系统控制光线探测和远程控制窗户。一般来说，齐全的智能窗户控制系统的价格较高，只有极少数家庭能够负担得起这个成本。在某种程度上，这在很大程度上限制了智能窗户的发展。所以，迫切需要开发一种廉价、方便、智能化的单片机智能窗控制系统。1.3本文主要研究内容这次本文的研究主要借助了相关案例进行电路设计与分析，从而明确了智能窗户，在我国的应用范围，结合设计需要确定了智能窗户的设计方案。在本次设计中，该系统能感受温湿度模块和烟雾传感器模块还有光电传感器等模块接收到旁边气象变化，所得到的信息经处理后到单片机控制器，在对信息进行转换，把得到的输出信号送进步进电机模块和显示模块以及蜂鸣器模块，根据信号处理结果来控制直流电机来控制窗户开关和蜂鸣器发出警报。本次智能窗户系统设计主要为六个部分构成：第一部分为引言：总体概括论文的主要设计目标的国内和国外发展的不同情况、还有特点研究意义还有特点设计的基本内容和大致章节安排。第二部分总体系统方案设计内容：实现窗户控制器的实现配置功能。第三部分硬件系统方案设计内容：使用单片机作为关键其他硬件系统辅助运行。第四部分各个软件设计：目标是描述每个属性的设计过程。第五部分仿真：用Protues软件进行仿真测试。第六部分总结：针对设计的缺陷要及时进行反思。2总体方案设计2.1需求分析现如今国民的财产越来越多，对高质量生活也有了向往，而绿色、健康、高品质的智能窗正逐渐成为每个家庭的必需品。但针对目前的发展状况来看，智能窗领域仍有很大的提升空间。世界各地的研究人员必须不断地进行开发与测试，运用各种先进技术来更新和完善现有的智能窗控制系统，呈现出自动化操作、智能化操作的智能窗。系统主要从光照检测、定时驱动和手动控制三个方向进行开发[7]。系统应具有以下功能：经过按键开关直接自动操作；不管是强光还是弱光，系统都能检测室外光的强度，并比较光的上限和下限。按照用户的具体需要，可以实现窗户的定时开合。2.2系统总体结构本智能窗口控制系统的理论设计框架如图2-1所示。图2-1智能窗户控制系统示意图单片机单片机晶振电路电源光电传感器烟雾传感器温湿度传感器红外报警检测传感器步进电机控制LCD1602显示屏蜂鸣器智能窗户系统是由光电传感器和烟雾传感器供等模块共同组成，它主要用于检测室内还有室外的不同时期发光强度和烟雾浓度值。传感器在处理完获得的数值以后，就会向信号调理系统传送信号。再把接收到的环境变化信息传递到单片机中，由单片机根据状态的变化确定外界环境的改变，进而在通过内部设置的程序发送相关的指令，控制机械传动部分进行相关的动作被转变完成的指示主要目的就是单片机接受到，然后由系统处理后使步进电机发出指令，并向显示元件传输系统的状态信号，在整个系统当中键盘是主要的参数输入设备[8]。2.3单片机选择现在市面上用的最多的就是STM单片机与51单片机，但STM系列单片机学习比较困难，难以理解。于此相比，51系列单片机学习难度较小，它的课程是大多数是在大学学习中就可以学到的，结合丰富的网上资料，降低学习成本[9]。虽然51系列单片机性能不如STM单片机，但是由于本设计的核心足够，芯片价格低廉，编程方便。因此，本设计使用51系列单片机，型号选用STC89C52。下面是对芯片的详细介绍：STC89C52属于一款性能较强的8位单片机，能够满足256字节存储器的运行要求。3系统硬件设计3.1硬件总体设计本设计具有电动按钮控制窗户开合的功能，这是一般窗户控制器最基本的功能。在选择窗户原理图时，本着简便、实惠、耐用的原则，设计比较简洁的电路。合闸功能，以零件做为基础，尽量设计，用最简单的电路布局来满足设计要求[10]。对于此次窗户控制系统的硬件设计和系统中显示器与键盘也是较为重要的设备，这些模块共同构成了智能遥控窗户系统的整个设计组成。3.2单片机相关电路设计3.2.1晶振电路因为晶振电路有着超强的频率稳定性，不会因为外界因素而出现运行不稳定的情况，因此这次的晶振电路设计可以利用参考频率进行初初步设计，参考频率影响着整个设计的频率精度。并且时钟信号需要借助晶振电路产生的振荡电流来获取[11]。而此次晶振电路当中，电容C1还有C2的典型值总是设定为33PF，采用电容能够加强晶振电路的振荡过程，电容的数值范围在15PF到33PF之间。因此从运行速度高这个特点可以看出，此次电路设计对于电路板印刷的要求也十分重要，寄生电容。在进行晶振电路设计的时候，不可以，距离单片机系统过远，与单片机的距离越小，寄生电容越小，振荡器的电流运输过程更加稳定。电路示意图如下所示3.2.2复位电路复位电路是单片机的基本电路，在本次设计中，所计的复位电路系统其中包涵有10uF的极化电容C1和10K的电阻R3。在保证电容电压不变的前提之下，RESET模块的引脚在系统提供电的过程之中呈现为高电平的模式。3.2.3电源电路单片机使用5V的电压展开具体工作，用5V的USB直接提供电量，可以用手机的充电器等装置进行供电。3.2.4最小系统电路单片机的最小电路示意图3-1所示：图3-1单片机最小系统3.2.4时钟电路时钟电路本质上就是可以想时钟精准运动的电路系统当系统时间与预设时间相同时，相对于用户提供的系统时间，当系统时间与预设时间相同时，单片机发出指令，运行步进电机控制窗帘的开启或关闭。设计时钟模块电路图如图3-2所示。采用SCLK传输脉冲信号，BT1为内部备用电源，时钟芯片经过I/O口逐位发送给单片机。图3-2时钟电路3.3步进电机电路设计步进脉冲功率分配器、功率步进电机控制电路和步进电机组成步进脉冲电机驱动控制电路系统[12]。步进电机控制系统如图3-3所示。驱动电路如图3-4所示。脉冲控制脉冲控制功率驱动电路步进电机负载脉冲信号图3-3步进电机控制系统方框示意图图3-4驱动电路3.4键盘电路设计键盘作为一种能够防止人类与单片机打交道的重要工具。本系统控制方案，光关注键盘的运行状态是不能满足系统监控的要求的，这会导致系统问题不能按时处理，.从而造成键盘应用的过程中出现电路故障或者系统失控[13]。。按键的相互连接如下图3-5所示:图3-5强度采集电路3.5显示电路设计本次设计的电路显示设计主要是是显示模块构成，其主要目的是显示智能窗户的各种状态，可以清楚的在显示模块中看到，包括时间，湿度还有光照强度等功能。显示电路模块示意图如3-6所示。图3-6LCD1602电路3.6烟雾检测电路设计在这次设计中所需要使用的MQ-2型烟雾监测报警器所使用的导体材料是主要为二氧化锡的半导体，它们所使用的材料一般是一种表面的离子式N型半导体[14]。烟雾检测模块的工作原理实际上是接触到感受到的烟雾之后，进而向系统传递其感应到的情况，所以其电导率同样也发生变化。表3-1半导体气敏传感器的分类类型所利用的特性工作温度代表性被检测气体电阻型表面电阻控制器300～450°C可燃性气体体电阻控制器300～450°C700°C以上乙醇、可燃性气体非电阻型二极管整流特性室温～200°CH2、CO、乙醇晶体管特性150°CH2、H2S原理图中AD0832模数转换模块中，接口7时钟信号接单片机P3.6引脚，接口5和接口6为数据传送接口接单片机的P3.7引脚，接口2为模数转换的一个信号传输通道接烟雾传感器的6号接口上，接口1为片选信号，接通单片机的P3.4引脚，当CS端为高电平时AD0832芯片禁用，烟雾传感器停止工作，所以CS应为低电平。烟雾传感器的接口1和AD0832的接口8为烟雾传感器的供电端。烟雾传感器实时将数据发送到单片机中，当单片机与温度所设定的值进行对比，当超过给定值的时候，单片机就会传递给P2.0引脚接通报警电路进行声光警报，然后向P3.1引脚发送数据通过系统进行警报，当单片机通过烟雾传感器所感受到的烟雾的浓度值低于它的上限的时侯，单片机控制报警电路停止报警。单片机发送指令给LCD12864显示烟雾浓度数据，可以更加直观地看到当前温度数值。图3-7烟雾传感器模块3.7光电传感器设计本文利用光控原理选用GL3526型光阻，窗户会在阳光强烈的早晨自动打开，在光照相比较暗的夜晚自动关闭。比较器电路的重要组成元件是放大器，并且每个输入端都包含两个电阻，从而分配系统的电压值，因此可以利用参考电压，比较系统运行状态。光敏电阻能够敏感的对外部亮度作出反应，组织随着亮度的增大而减小，因此光敏电阻的具体数值也影响着反向输入端的电压值。之后再相对两者直接进行比较的过程当中，其中单片机的P0口就会会受到两者的比较信号，然后向步进电机传输运动指令，从而满足窗户在天亮的时侯就自动打开，天黑的时侯自动就关闭的设计要求。利用该方案设计的智能窗户系统可以满足光控自动切换的要求，主要根据环境光的强弱来控制步进电机的运行状态。因为此次设计选用光明电阻进行光亮采集，而光敏电阻会将采集到的光量信号转换成模拟量传输给单片机，再通过ADC0832进行数字量的转换，最终抵达单片机并被处理。图3-8强度采集电路3.8信号调理电路设计3.8.1放大滤波电路设计由于传感器给出的信号强度相对来说比较弱，所以必须在系统中添加模拟放大器来改善信号。这也是为了满足A/D转换器的高电平需要[15]。滤波电路是用来消除干扰的，它的作用是过滤传感器同时接收和检测来自多个不同信号的干扰。考虑到这些，所以采用了低通滤波器。3.8.2A/D转换电路设计A/D转换可以实现模数转换，并把模拟信号转换为数字信号，然后发送给单片机。在信号转换的过程中，需要找到转换所需的具体位数。该模型使用8位A/D转换器ADC0832，转换结果会因为位数错误而受到影响，从而干扰到测量控制系统的测量过程。因此可知，控制范围受到测量精度的影响。想要满足控制系统的转换精度要求，就必须具备一定的技术基础，这样才能确保信号转换器的输出精度。4系统软件设计4.1主程序软件设计主程序形成循环作用，主要用于对单片机进行初始化，使程序能够正常工作。主程序流程图示意如下4-1所示。YYYYNYYNYN关中断设置堆栈积复位，初始化显示键码分析数码键处理设定时间开始时间电机工作电机停止设定键有键操作?命令键?到点了?电机控制键工作完成?N图4-1主程序流程图启动中断主程序，会重新开启新的主中断，若我们不直接设置定时器按钮，便能够直接设置停止时间，启动我们自己的发动机定时；当设定的时间自动结束时，定时电机就会立即启动相应的定时功能，当工作时间结束时电机自动停止。如果使用的按钮是可以自动操作，也就是说能够直接执行一些相应的电机控制功能。如果没有，最好使用复位按钮来重新启动。4.2步进电机程序设计步进电机程序的流程图如第4-2所示。YYNYN传送正转的脉冲序列是正转吗传送正转的脉冲序传送步数是否完毕？传送步数是否完毕？开始返回图4-2步进电机程序流程图4.3显示程序设计在启动显示程序的时候，您需要确定您希望它出现在哪里，比如第二行和第三列的位置。坐标定位完成后，即可显示内容。当画面一一出现时，就完成了。例如，数字“321”首先在百位显示“3”，接着在第十位显示“2”，最后在一位显示“1”。对于显示字符串也是一样的。每次字母和数字显示出来的时候，只需要将第一次完成定位，每个字母显示以后，LCD就会自动转移到下一个位置，无需每个字母在独自放置一次。显示程序流程图如图4-3所示。图4-3显示程序流程图4.4键盘程序设计按钮的触点在关闭和释放的时候按钮会直接产生抖动，这个时候触点的编码逻辑就不稳定，若没有及时处理抖动，触点就会立即产生振动，并在两个键之间产生一定的间隙。键盘设计程序示意如图4-4所示。NNYNY开始返回有按键闭合？调用显示子程序延时6ms2次调用显示子程序延时12ms键码分析执行相应的模块显示有按键闭合？图4-4键盘程序流程图4.5定时程序设计定时的主要作用就是是单片机能够在其规定的时间内接收到发来的中断信号进而来对窗户进行开闭。标记一天超时就会将其值放入存储设备上的指定单元格中。图4-5就是定时功能的流程图。YYNYNYNY开始现场保护，重置初值，启动下一个50ms50ms，计数器加1计数器=20？秒单元加1，50ms计数器清零，秒写入秒个位和秒十位时单元加1，分单元清零，时写入时各位和时十位分单元加1，秒单元清零，分写入分个位和分十位秒单元=60？时单元清零时单元=24？分单元=60？结束图4-5定时功能流程图5Proteus调试与仿真Proteus是由英国的Labcenter所研发的电路分析功能和仿真功能软件，此外，模拟集成电路、数字集成电路等嵌入式操作系统都可以使用该仿真软件进行系统设计。对于不同的调试电路,我们在使用新调试电路功能的同时,也配备了不同的模拟信号来源和不同的虚拟资源，在很大程度上可以帮助用户同时运行多个调试电路。这个软件还为其他相关软件提供功能支持，如：KeilC51uVision4等，不仅调试方便，还可以提供PCB设计和调试功能。可以导出电路设计图，方便任何人使用，并创建各种电路设计报告和调试报告。使用Proteus电子设计的原因是为了搭建一个分析电子设计的平台。具体如下图所示：。5.1总体仿真思路按照之前绘制的电路图找到相应的元件，此外，将每个元件放在合适的位置。然后比较电路框图中的接线，交替连接不同的组件，确保每个组件的连接都是由故障的，最后在单片机上编写程序进行仿真和调试，修正缺点并做出相应的改进。在仿真过程中，首先对每个子程序进行仿真，并解决子程序中存在的问题，然后对它们逐个进行改进，以保证子程序的正确性。接着模拟集成程序的纠错，确保各部件正常工作。5.2仿真中遇到的问题及解决办法在绘制仿真图时，有些组件不容易找。当遇到这样问题的时候，一般情况下，会在一些数据中找到该组件的名称以及在Proteus中对应的位置，接着在Proteus相对应的元件库中查找该元件，并将组件连接到仿真图。另一个问题是，当某一特定零件难以模拟时，可以相应地替换其他一些零件，但不能影响模拟结果。例如，光敏电阻对应一个可调电阻器，在仿真方案中能够用可调电阻器替代。改变可调电阻的电阻等于改变光的强度，就能够进行光照模块的仿真调试。因为Proteus的认识有限，在仿真过程中也由很多缺点。例如，在红外模块的仿真中，不可能找到合适的仿真调试方法，所以只能用实物进行调试。

总结本文主要论述了智能集成窗口软件控制系统的设计，介绍了从智能集成窗口软件控制系统的设计到集成软件控制电路的设计，再到集成软件控制装置的设计步骤。这个系列产品的主要设计原则是使用光敏步进电机作为控制芯片组件执行的操作，并使用光敏反应电阻电动机控制器组件作为光敏传感器来控制特殊光敏电阻传感器。组件光敏传感器控制组件单片机AT89C51单片机软件作为自动控制处理芯片，从而进一步实现各种应用程序的自动控制的智能控制窗口。在整个系统的开发和设计的过程中，单片机主要是采用AT89C52单片机作为核心，简捷明了，减少了软件和硬件的共享。连续不断进行地检测各种不同光的辐射强度和频率的变化之后，桥式电路就会由此进入比较器，脉冲信号就能直接得到所需要的信号，在经高频进行放大，单片机便可以进行A/D的转换。之后经过桥式电路，脉冲信号作用于步进同步，便进入电机运行状态进行整体控制，步进电机能正确执行启动窗口的命令，从而使窗口的启动开关能够更加准确、稳定。除此之外，本设计中的定位时钟运算电路和单片机具有定时功能。光电传感器的感应光强作用良好的实现了自动定位控制系统的重要作用。由于现在设计的很多限制，其中新的功能和技术还没有得到充分的理解和开发，比如在这次设计中九可以使用施密特电路来解决光电开关的迟滞特性的问题，但是它们的帮助对于这个涉及是有限的。二是显示的功能没能采用电动窗户的主要工作的方式。控制器是固定的，没有蓝牙链接还有红外监控控件系统。让人感到遗憾的是实际设计没能够正确的完成。但是，完整的专业作品，基本让我掌握了单片机系统还有电子计算操作软件系统等相关方面的重要知识，特别是实用技能。为完美的专业设计打下了坚固的基础。参考文献：[1]尹绍杰,林鹏.基于WIFI的智能家居配电系统设计[J].通信科技,2018,35(05):136-137.[2]廖春萍.基于物联网技术的智能家居安防预警系统的设计与实现[D].电子科技大学,2018.[3]吕梦飞,张雪芹,贠金昊.基于PLC的自动窗户控制系统设计[J].科技经济刊,2018,26(16):63-67.[4]宋宇超.基于单片机的智能家居监控系统的研究与设计[D].吉林大学,2018.[5]SunT,LiJ,SongWL.IntelligentTemperatureControlSystemDesignBasedonSingle-ChipMicrocomputer[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology,2014,21(3):91-94.[6]ZhangC,FengX,liL.Thekeytechnologiesofadistributedtemperaturemonitoringsystembasedon1-Wirebus[P].Intel