畢業(yè)設計（論文）開題報告課題名稱 基于單片機的多功能智能開窗/關窗的設計 學 院 電氣工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 電自12-2 學 號 201209604129 姓 名 王超 指導教師 定稿日期：17多功能智能開窗/關窗控制器的設計摘要：本文討論了一種智能窗系統(tǒng)設計方案。該智能窗由多個傳感器收集風力大小、空氣濕度、煙信號、紅外檢測等信號，經(jīng)處理后傳入單片機。 單片機對信號進行運算，再輸出脈沖信號調(diào)整步進電機。智能窗可根據(jù)環(huán)境變化及使用者的意愿調(diào)整扇葉張角，控制室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，且具有一定的自適應能力。也可以對窗外長期駐留人員的情況進行檢測，并對室內(nèi)人員報警提醒。當不啟用智能窗系統(tǒng)時，也能用手動對窗戶進行開關，更具人性化。 關鍵詞：89C51單片機、傳感器、智能窗第一章 課題簡介1.1課題背景我國的改革開放，經(jīng)濟的飛速發(fā)展，使得人民物質(zhì)生活水平不斷提高，人們對其住宅和汽車的要求也越來越高，表現(xiàn)在不僅希望擁有舒適、溫馨的住所和汽車，而且對其安全性、智能性等方面也提出了更高的要求?，F(xiàn)在的自動控制系統(tǒng)已經(jīng)為我們的生活提供了太多的便利，在生活的各個方面，人們迫切需要一種智能型的家庭安全自動關窗系統(tǒng)，能可靠的進行日常的開關工作，在環(huán)境大風或下雨的情況下，自動識別大風或下雨天氣，實現(xiàn)自動關窗動作，以便人們能夠更安心的工作，同時也保證了居民生活的舒適和生命財產(chǎn)不受損失。于是有關家庭、辦公室，倉庫還有汽車等處的自動關窗系統(tǒng)的開發(fā)研制日益被科研單位和生產(chǎn)廠家所重視?，F(xiàn)在市場上也出現(xiàn)了各種名目繁多的關窗裝置，但多由于可靠性較差、造價高或使用復雜而難于普及。隨著電子通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，單片微機以其具有體積小、價格低、集成度高、性價比高等突出優(yōu)點已在工業(yè)控制、智能儀表、數(shù)控機床、數(shù)據(jù)采集以及各種家用電器等方面得到了廣泛應用。因此利用單片機和一些簡單的外圍器件來開發(fā)一種適合于家庭、倉庫、銀行，汽車等重要場所的低價位、運行可靠、具有自動關窗功能的系統(tǒng)，對惡劣的天氣情況自動發(fā)出報警信息。另外自動關窗系統(tǒng)也廣泛應用于汽車。汽車是現(xiàn)代生活中不可缺少的交通工具，隨著人們生活水平的提高，人們對汽車的安全性、 舒適性都有著更高的要求。中央門鎖和電動車窗給駕駛員和乘客帶來了很大的方便。駕駛員通過它可以方便的對所有車門的開閉進行控制。電動車窗使得駕駛員也可通過設在駕駛員旁邊的控制開關對各車窗實現(xiàn)集中控制。但是在有些時候也會出現(xiàn)一些其他的麻煩。比如：當汽車停車熄火，鎖好門后，有時會忘記將車窗玻璃升到位，及時發(fā)現(xiàn)的，要重新打開車門，按動開關將其升到位；而一旦疏忽，不但會造成重要文件、物品丟失，甚至會導致車輛失竊、 雨天駕駛室進水等 ,給用戶帶來不必要的經(jīng)濟損失和精神負擔。鑒于以上情況，可以設計在中央門鎖和電動車窗的基礎上加裝的汽車自動關窗控制器。其工作情況是：當汽車熄火后 ,鎖上門鎖時 ,汽車自動關窗控制器會自動關好開著的所有車窗玻璃。如果汽車附有遙控裝置 ,下車后只需輕輕一按遙控器就可以放心地離開了 ,再不用擔心物品丟失、 車輛失竊、 雨天駕駛室進水等問題。1.2 課題意義隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，人們對健康的重視程度也日漸增強 保持室內(nèi)空氣新鮮，經(jīng)常通風換氣也成為人們共同的生活習慣 然而在當今快節(jié)奏生活中，人們常常會忘記關窗，每逢刮風下雨，便擔心不已?，F(xiàn)在的智能關窗裝置雖然品種功能都很多，但主要應用在高檔建筑和各種公共場所，而且主要是和窗戶一起定做，價格也比較高 同時無論是老的還是新建的民房預先安裝的以手動推拉窗居多，很少有人愿意把已安裝好的窗戶廢掉，更換成多功能智能窗。由于以上原因，本課題希望開發(fā)一種在普通窗的基礎上改進的智能關窗裝置，該裝置裝有風速傳感器，溫濕度傳感器，每當刮風下雨，窗戶便自動關閉，解除用戶的后顧之憂.1.3課題研究內(nèi)容智能門窗一般是指安裝了先進的防盜、防劫、報警、自動關窗等系統(tǒng)的門窗。智能門窗在一些公共場所、高檔商品房、商場中運用廣泛，現(xiàn)在正向普通家庭普及。 智能門窗控制系統(tǒng)由無線遙控器、智能主控器、門窗控制器、門窗驅(qū)動器等組成，現(xiàn)在的智能門窗系統(tǒng)集現(xiàn)代聲、光、機、電、通訊為一體，是智能居家的理想選擇。另一種智能窗是由玻璃或透明塑料等基材和調(diào)光材料所組成的具有調(diào)光功能的器件， 在一定的物理條件( 如電場、 溫度)下，這種器件可以改變自身的透明度或顏色，從而選擇性地吸收和反射外界熱輻射和阻止內(nèi)部熱擴散，達到調(diào)節(jié)光強度或室內(nèi)溫度的目的。一般智能窗材料根據(jù)激勵方式可以分為三種：光致變色型、電致變色型、熱致調(diào)光型。隨著能源危機、污染、全球變暖等問題的日益嚴峻，智能窗( Smart Window ) 迅速成為各國研究的熱點。應用簡單可靠的系統(tǒng)，通過高智能的精準控制和協(xié)同，讓生活變得更簡單更舒適更節(jié)約。從專業(yè)的角度講，我們是電子產(chǎn)品的造物主，賦予它們靈魂不僅是我們的夢想也是我們的使命。人工智能窗，能使你的生活更加安全，更加舒適，更加環(huán)保。它不僅是一個消費品，更是家庭云系統(tǒng)中的一員。當然它更是一種健康綠色的理念。基于以上，作為智能家居的不可缺少的一環(huán)，智能窗應運而生。智能窗主要是由單片機，人體紅外線感應器，風速傳感器、溫濕度傳感器、氣體傳感器及其相關部件組成。單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器 RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 第二章 方案設計2.1系統(tǒng)總體方案設計設計一個多功能智能窗，能夠根據(jù)外界的天氣情況和室內(nèi)的氣體情況來控制者窗戶的開啟和關閉。本系統(tǒng)有以下幾個控制要求：（1）當外界下雨時，及時關閉窗戶，防止雨水進入室內(nèi)損壞室內(nèi)的裝飾和物品。（2）當室內(nèi)的可燃氣體、煙霧等超過標準時，窗戶自動打開，并啟動排氣扇進行排氣，同時報警器也會響起來提醒主人危險的存在，防止煤氣中毒或火災。（3）當窗戶外有人駐留時，阻斷了紅外線探測器的發(fā)射接收通路，窗戶會立即關閉并發(fā)出高分貝聲音報警。（4）當室內(nèi)的溫度超過30時能開窗換氣，保持室內(nèi)空氣清新，當然這一動作是以外界沒有下雨和盜情為前提的。（5）增加手動開窗、關窗功能，是產(chǎn)品更人性化。濕度傳感器風速傳感器光強傳感器氣體傳感器溫度傳感器 信號調(diào)理電路A/D單片機遙控器報警器驅(qū)動電路電機2.2 各部分元器件選擇2.2.1 單片機選擇 AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。主要性能(1)、與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容； (2)、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器； (3)、全靜態(tài)操作：0Hz-33MHz； (4)、32個可編程I/O口線； (5)、三個16位定時器/計數(shù)器； (6)、六個中斷源； (7)、低功耗空閑和掉電模式； 圖2-2 AT89S52引腳圖 DIP封裝2.2.1、溫度傳感器溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。 熱電偶應用很廣泛，因為它們非常堅固而且不太貴。熱電偶有多種類型，它們覆蓋非常寬的溫度范圍，從?C200到2000。它們的特點是：低靈敏度、低穩(wěn)定性、中等精度、響應速度慢、高溫下容易老化和有漂移，以及非線性。另外，熱電偶需要外部參考端。 RTD精度極高且具有中等線性度。它們特別穩(wěn)定，并有許多種配置。但它們的最高工作溫度只能達到400左右。它們也有很大的TC，且價格昂貴(是熱電偶的410倍)，并且需要一個外部參考源。 模擬輸出IC溫度傳感器具有很高的線性度 (如果配合一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器或ADC可產(chǎn)生數(shù)字輸出)、低成本、高精度(大約1%)、小尺寸和高分辨率。它們的不足之處在于溫度范圍有限(?C55150)，并且需要一個外部參考源。 數(shù)字輸出IC溫度傳感器帶有一個內(nèi)置參考源，它們固有地會自身發(fā)熱，但可以采用自動關閉和單次轉(zhuǎn)換模式使其在需要測量之前將IC設置為低功耗狀態(tài)，從而將自身發(fā)熱降到最低。 與熱敏電阻、RTD和熱電偶傳感器相比，IC溫度傳感器具有很高的線性，低系統(tǒng)成本，集成復雜的功能，能夠提供一個數(shù)字輸出，并能夠在一個相當有用的范圍內(nèi)進行溫度測量。 故我們選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它的優(yōu)點是接線方便，耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。 2.2.3濕度傳感器常用的濕度傳感器有氯化鋰濕度傳感器、碳濕敏元件、氧化鋁濕度計、陶瓷濕度傳感器、數(shù)字濕度傳感器。第一個基于電阻-濕度特性原理的氯化鋰電濕敏元件是美國標準局的F.W.Dunmore研制出來的。這種元件具有較高的精度，同時結(jié)構(gòu)簡單、價廉，適用于常溫常濕的測控等一系列優(yōu)點。氯化鋰元件的測量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關。單個元件的有效感濕范圍一般在20%RH 以內(nèi)。例如0.05%的濃度對應的感濕范圍約為（80100）%RH ，0.2%的濃度對應范圍是（6080）%RH 等。由此可見，要測量較寬的濕度范圍時，必須把不同濃度的元件組合在一起使用?？捎糜谌砍虦y量的濕度計組合的元件數(shù)一般為5個，采用元件組合法的氯化鋰濕度計可測范圍通常為（15100）%RH，國外有些產(chǎn)品聲稱其測量范圍可達（2 100）%RH 。碳濕敏元件是美國的 E.K.Carver 和 C.W.Breasefield 于1942年首先提出來的，與常用的毛發(fā)、腸衣和氯化鋰等探空元件相比，碳濕敏元件具有響應速度快、重復性好、無沖蝕效應和滯后環(huán)窄等優(yōu)點，因之令人矚目，其測量不確定度不超過5%RH ，時間常數(shù)在正溫時為23s，滯差一般在7%左右，比阻穩(wěn)定性亦較好。氧化鋁傳感器的突出優(yōu)點是，體積可以非常?。ɡ缬糜谔娇諆x的濕敏元件僅90m厚、12mg重），靈敏度高（測量下限達-110露點），響應速度快（一般在 0.3s 到 3s 之間），測量信號直接以電參量的形式輸出，大大簡化了數(shù)據(jù)處理程序，等等。另外，它還適用于測量液體中的水分。如上特點正是工業(yè)和氣象中的某些測量領域所希望的。因此它被認為是進行高空大氣探測可供選擇的幾種合乎要求的傳感器之一。也正是因為這些特點使人們對這種方法產(chǎn)生濃厚的興趣。然而，遺憾的是盡管許多國家的專業(yè)人員為改進傳感器的性能進行了不懈的努力，但是在探索生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品的工藝條件，以及提高性能穩(wěn)定性等與實用有關的重要問題.在濕度測量領域中，對于低濕和高濕及其在低溫和高溫條件下的測量，到目前為止仍然是一個薄弱環(huán)節(jié)，而其中又以高溫條件下的濕度測量技術(shù)最為落后。以往，通風干濕球濕度計幾乎是在這個溫度條件下可以使用的唯一方法，而該法在實際使用中亦存在種種問題，無法令人滿意。另一方面，科學技術(shù)的進展，要求在高溫下測量濕度的場合越來越多，例如水泥、金屬冶煉、食品加工等涉及工藝條件和質(zhì)量控制的許多工業(yè)過程的濕度測量與控制。因此，自60年代起，許多國家開始竟相研制適用于高溫條件下進行測量的濕度傳感器。 考慮到傳感器的使用條件，人們很自然地把探索方向著眼于既具有吸水性又能耐高溫的某些無機物上。實踐已經(jīng)證明，陶瓷元件不僅具有濕敏特性，而且還可以作為感溫元件和氣敏元件。這些特性使它極有可能成為一種有發(fā)展前途的多功能傳感器。寺日、福島、新田等人在這方面已經(jīng)邁出了頗為成功的一步。他們于 1980 年研制成稱之為“濕瓷 - 型”和“濕瓷 - 型”的多功能傳感器。前者可測控溫度和濕度，主要用于空調(diào)，后者可用來測量濕度和諸如酒精等多種有機蒸氣，主要用于食品加工方面。本設計是用于室內(nèi)窗戶的開/關窗根據(jù)設計條件和要求我們優(yōu)先選擇DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準熟悉信號輸出的溫濕度復合傳感器，傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在即為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測型號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。技術(shù)參數(shù)（1）供電電壓：3.35.5V DC；（2）輸出：單總線數(shù)字信號；（3）測量范圍：濕度20-90%RH，溫度050； （4）測量精度：濕度+-5%RH，溫度+-2； （5）分辨率：濕度1%RH，溫度1； 其引腳如圖所示圖2-4 DHT11引腳圖2.2.4風速傳感器 市面上常用的風速傳感器有超聲波風速傳感器和FM-FS風速傳感器。超聲波風速傳感器采用全鋁質(zhì)，重量輕，防腐性能好，輸出脈沖信號，10脈沖/每秒米，輸入電壓為直流12-36v。由于本設計是用于家用窗戶的開、關在家里受電壓。電流的限制所以我們選用FM-FS風速傳感器。FM-FS風速傳感器。傳感器由殼體、風杯和電路模塊組成。傳感器殼體和風杯采用鋁合金材料，使用特種模具精密壓鑄工藝，尺寸公差甚小表面精度甚高，內(nèi)部電路均經(jīng)過防護處理，整個傳感器具有很高的強度、耐候性、防腐蝕和防水性。電纜接插件為軍工插頭，具有良好的防腐、防侵蝕性能，能夠保證儀器長期使用，同時配合內(nèi)部進口軸承系統(tǒng)，確保了風速采集的精確性。、2.2.5紅外線傳感器對于同類型紅外線傳感器而言DYP-ME003人體感應模塊的特點是熱釋電紅外開關是BISS0001配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成的被動式紅外開關。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風扇、烘干機和自動洗衣機等裝置，是一種高技術(shù)產(chǎn)品。全自動感應:人進入其感應范圍則輸出高電平， 人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。 光敏控制（可選擇，出廠時未設）：可設置光敏控制，白天或光線強時不感應。 溫度補償(可選擇，出廠時未設)：在夏天當環(huán)境溫度升高至3032，探測距離稍變短，溫度補償可作一定的性能補償。2.2.6氣體傳感器 常用的氣體傳感器有費德羅、Hhchg-02、MQ-2型傳感器等氣體傳感器。費德羅公司的費德羅氣體傳感器安裝不便、靈敏度低、穩(wěn)定性弱。Hhchg-02氣體傳感器，其用于家庭及工業(yè)對丙烷、丁烷、氫氣及其他可燃性氣體的檢測（天然氣、液化石油氣等），其特點是l、對天然氣、液化石油氣有很高的靈敏度。2、具有良好的重復性和長期的穩(wěn)定性。本設計是用于家庭窗戶的開/關，主要檢測液化石油氣、烷類煙等煙霧所以我們選擇MQ-2型傳感器。2.2.6電機驅(qū)動設備：選擇 L298N 作為步進電機的驅(qū)動芯片。L298N 為雙全橋步進電機專用芯片（DualFull-Bridge Driver） 內(nèi)部包含 4 信道邏輯驅(qū)動電路，兩個 H-Bridge 的高電壓 、大電流雙全橋式驅(qū)動器 ，接收標準 TTL 邏輯電平，可驅(qū)動 46 V，2 A 以下的步進電機，且可直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，由單片機 I/O 端口來提供時序電壓18。第三章 硬件電路設計3.1 檢測電路設計1、溫度傳感器介紹特點：溫度傳感器DS18B20主要性能： （1）、適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電； （2）、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊； （3）、DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫； （4）、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；（5）、溫范圍55+125，在-10+85時精度為0.5；（6）、可編程 的分辨率為912位，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫；（7）、在9位分辨率時最多在 93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快； 其引腳如圖2-3所示： 圖2-3 DS18B20引腳圖 DIP封裝2、濕度傳感器DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準熟悉信號輸出的溫濕度復合傳感器，傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在即為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測型號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。技術(shù)參數(shù)（1）供電電壓：3.35.5V DC；（2）輸出：單總線數(shù)字信號；（3）測量范圍：濕度20-90%RH，溫度050； （4）測量精度：濕度+-5%RH，溫度+-2； （5）分辨率：濕度1%RH，溫度1； 其引腳如圖所示圖2-4 DHT11引腳圖3、風速傳感器FM-FS風速傳感器。傳感器由殼體、風杯和電路模塊組成。傳感器殼體和風杯采用鋁合金材料，使用特種模具精密壓鑄工藝，尺寸公差甚小表面精度甚高，內(nèi)部電路均經(jīng)過防護處理，整個傳感器具有很高的強度、耐候性、防腐蝕和防水性。電纜接插件為軍工插頭，具有良好的防腐、防侵蝕性能，能夠保證儀器長期使用，同時配合內(nèi)部進口軸承系統(tǒng)，確保了風速采集的精確性。功能特點 體積小，攜帶方便、安裝簡捷、外觀精美； 有較強的防腐蝕性和耐候性； 測量精度高，量程范圍寬，穩(wěn)定性好； 功耗低，較強的抗干擾能力，能長期穩(wěn)定工作； 電源適應范圍寬，數(shù)據(jù)信息線性度好，信號傳輸距離長；其管腳圖如下圖2-5風速傳感器管腳圖3、紅外檢測電路設計。4、氣體傳感器MQ-2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標： (1)MQ-2型傳感器的一般特點 (a)MQ-2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。 (b)MQ-2型傳感器具有良好的重復性和長期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定， 響應時間短，長時間工作性能好。 MQ-2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精和煙霧等。 (d)電路設計電壓范圍寬，24V以下均可；加熱電壓50.2V。 封裝好的氣敏元件有只針狀管腳，其中個用于信號取出，個用于提供加熱電流。二、特性參數(shù)(2)MQ-2型傳感器的特性參數(shù) (a)回路電壓：(Vc) 524V (b)取樣電阻：(RL) 0.120K(c)加熱電壓：(VH)50.2V(d)加熱功率：(P)約750mW (e)靈 敏 度：以甲烷為例R0(air)/RS (0.1%CH4)5 (f)響應時間：Tres10秒 (g)恢復時間：Trec30秒 6 報警電路當溫度或濕度達到設置的上限值時，蜂鳴器報警。如3-5圖所示： 圖3-6 報警電路