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1、寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電氣自動(dòng)化畢業(yè)論文 題目：基于RF模塊的門窗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè)：電氣自動(dòng)化 摘　要 【摘要】本設(shè)計(jì)中的門窗監(jiān)控系統(tǒng)是指一種基于SILABS公司的增強(qiáng)型單片機(jī)C8051F系列單片機(jī)組成的具有多種環(huán)境監(jiān)測(cè)途徑、集成簡(jiǎn)單防盜報(bào)警功能、智能自主動(dòng)作及遙控功能的家居門窗系統(tǒng)。 本系統(tǒng)在硬件上可分為兩部分，分別為門上系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)。 門上系統(tǒng)通過配套的各種傳感器對(duì)門窗的周邊環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。將檢測(cè)到的信號(hào)通過處理辨識(shí)做出相應(yīng)動(dòng)作，并通過RF無線模塊與遙控系統(tǒng)進(jìn)行通信。遙控系統(tǒng)通過RF無

2、線接受信息并顯示在LCD上，將鍵盤控制命令傳輸?shù)介T上系統(tǒng)使其有相應(yīng)的動(dòng)作。 根據(jù)目前的方案設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)將包括亮度、晴雨、紅外感應(yīng)裝置。各路裝置控制系統(tǒng)在預(yù)設(shè)定的環(huán)境下動(dòng)作門窗及窗簾或遙控動(dòng)作門窗。 【關(guān)鍵詞】環(huán)境監(jiān)測(cè)；RF無線；遙控；LCD顯示；8051F；RF無線。 Window-based RF module control systexm design Abstract 【ABSTRACT】 The objective of this design of door and window control system is based on the companys enhan

3、ced SILABS C8051F MCU MCU composed of channels with a variety of environmental monitoring, integrated simple anti-theft alarm, remote control intelligent autonomous movements and home windows and doors. The system hardware can be divided into two parts, namely, the door system and remote control s

4、ystems. Door system by supporting the various sensors on the doors and windows of the surrounding environment for testing. The detected signal by processing the identification to make the appropriate action, and through RF wireless module to communicate with the remote control system. RF wireless

5、remote control system by receiving information and displayed in the LCD on the keyboard control commands transmitted to the door system to a corresponding action. Under the current design, the system will include brightness, rain or shine, infrared sensing devices. Control System from various quar

6、ters in the pre-set environment action doors, windows and door and window curtains or remote control action. 【KEYWORDS】environmental monitoring; RF wireless; remote control; LCD display; 8051F; RF Wireless 目　錄 摘　要 I Abstract II 目　錄 III 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.1.1 智能家居簡(jiǎn)介 1 1.1.2 門窗監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1 1.

7、2 研究基于RF模塊的門窗監(jiān)控系統(tǒng)課題的作用和意義 2 1.2.1 當(dāng)前門窗監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足及本設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì) 2 1.2.2 本設(shè)計(jì)的應(yīng)用意義 2 1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 3 2 本設(shè)計(jì)涉及的集成開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 4 2.1 單片機(jī)軟件的開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 4 2.1.1 Keil C51特性簡(jiǎn)介[4] 4 2.1.2 用于單片機(jī)開發(fā)的C51基礎(chǔ)的知識(shí)介紹[3] 4 2.1.3 keil C51編程的有關(guān)知識(shí) 6 2.2 系統(tǒng)硬件EDA開發(fā)工具 6 2.2.1 Protel99se軟件簡(jiǎn)介 6 2.2.2 Protel 99 SE的系統(tǒng)組成 7 3 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì) 8 3.

8、1 系統(tǒng)方案論證 8 3.1.1 微處理器單元方案選擇比較和論證 8 3.1.2 無線模塊選擇方案比較和論證 8 3.1.3 門體模型方案選擇比較與論證 10 3.1.4 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部分方案選擇比較與論證 10 3.1.5 傳感器模塊方案選擇比較與論證 11 3.1.6 人機(jī)界面方案選擇比較和論證 12 3.1.7 報(bào)警模塊方案選擇比較和論證 13 3.1.8 電源供電方案選擇比較和論證 13 3.2 8051F330芯片的配置及外圍電路設(shè)計(jì) 14 3.2.1 8051F330芯片的配置資源描述 14 3.2.2 8051F330最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 3.2.3 805

9、1F330系統(tǒng)的調(diào)試接口 16 3.2.4 顯示部分電路設(shè)計(jì) 17 3.2.5 鍵盤部分電路設(shè)計(jì) 18 3.3 無線模塊部分電路設(shè)計(jì)[13] 18 3.3.1 RF12簡(jiǎn)介 19 3.3.2 RF12電路硬件應(yīng)用電路 20 3.4 傳感器模塊電路設(shè)計(jì) 20 3.4.1 溫濕度傳感器 21 3.4.1.1 DTH-11簡(jiǎn)介 21 3.4.1.2 電路硬件應(yīng)用電路 21 3.4.2 亮度傳感器 21 3.4.2.1 光敏電阻簡(jiǎn)介 21 3.4.2.2 光敏電阻搭建亮度傳感器應(yīng)用電路 21 3.5 紅外模塊部分電路設(shè)計(jì) 23 3.5.1 紅外對(duì)射管簡(jiǎn)介 23 3.5.2

10、 紅外對(duì)管應(yīng)用電路圖 23 3.5.3 電路原理 23 3.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分電路設(shè)計(jì) 23 3.6.1 33886芯片簡(jiǎn)介 23 3.6.2 電路設(shè)計(jì) 23 3.7 電源模塊電路設(shè)計(jì) 23 3.7.1 1117芯片介紹 23 3.7.2 電源模塊電路設(shè)計(jì) 23 3.8 門體制作 23 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 23 4.1 C8051F330編程 23 4.2 RF12編程 23 4.3 門上系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 23 4.3.1 引腳與中斷資源的相關(guān)配置 24 4.3.2 程序流程 25 4.3.3 溫濕度模塊軟件 26 4.3.4 亮度部分AD模塊軟件 27 4.3.

11、5 紅外部分軟件 28 4.3.6 顯示部分軟件 28 4.3.7 無線部分軟件 28 4.4 遙控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì) 29 4.4.1 鍵盤程序 29 4.4.2 液晶程序 29 4.4.3 無線程序 30 5 聯(lián)機(jī)調(diào)試 33 5.1 調(diào)試紅外部分與中斷 33 5.2 調(diào)試AD 33 5.3 調(diào)試液晶 34 5.4 調(diào)試無線 34 5.5 門體調(diào)試 35 5.6 總體調(diào)試 36 6 總結(jié)與展望 38 6.1 增加Zigbee組網(wǎng)的功能 38 6.2 增加無線模塊的發(fā)送距離 38 參考文獻(xiàn) 40 致謝 50 49 1 緒論 1.1 引言 隨

12、著國(guó)民收入的增長(zhǎng)，人們的生活消費(fèi)理念正在逐漸改變。人們開始對(duì)身邊的智能家居有所了解和追求。從最常見的自動(dòng)洗衣機(jī)到世界首富比爾蓋茨的智能豪宅，自動(dòng)智能的產(chǎn)品已經(jīng)迅速地滲透到我們的生活中。而人們對(duì)門窗的動(dòng)作在家居生活中的出現(xiàn)頻繁程度注定使門窗電子產(chǎn)品在智能家居產(chǎn)品中占有一席之地。門窗監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用正在廣泛地發(fā)展起來。 目前市場(chǎng)上能見到的門窗監(jiān)控系統(tǒng)少之又少，而且大都用途特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在家居自動(dòng)產(chǎn)品中更是鳳毛麟角。但是不可否定的是自動(dòng)智能的門窗監(jiān)控系統(tǒng)擁有巨大的市場(chǎng)前景。網(wǎng)絡(luò)資料市場(chǎng)調(diào)查顯示，門窗控制系統(tǒng)有廣闊的市場(chǎng)，而且需求量在不斷增加。 1.1.1 智能家居簡(jiǎn)介 智能家居又稱智

13、能住宅，在國(guó)外常用Smart Home表示。與智能家居含義近似的有家庭自動(dòng)化（Home Automation）、電子家庭（Elecctronic Home、E-home）、數(shù)字家園（Digital Family）、家庭網(wǎng)絡(luò)（Home Net/Networks for Home）、網(wǎng)絡(luò)家居（Network Home）、智能家庭/建筑（Intelligent Home/Building）。 智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能家居-系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性

14、、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。 智能家居是一個(gè)居住環(huán)境，是以住宅為平臺(tái)安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境，實(shí)施智能家居系統(tǒng)的過程就稱為智能家居集成。 1.1.2 門窗監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介 監(jiān)控系統(tǒng)是指應(yīng)用光纖、同軸電纜、無線等通訊介質(zhì)將被監(jiān)控對(duì)象的信息傳輸?shù)娇刂票O(jiān)督端，并在控制端對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析處理，同時(shí)根據(jù)處理結(jié)果給執(zhí)行機(jī)構(gòu)下達(dá)動(dòng)作命令。它能實(shí)時(shí)、形象、真實(shí)地反映被監(jiān)控對(duì)象，不但代替了人眼對(duì)被監(jiān)控對(duì)象的監(jiān)督，而且擴(kuò)大了人眼的機(jī)能，它可以在惡劣的環(huán)境下代替人工進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視和智能處理，報(bào)警系統(tǒng)設(shè)備對(duì)非法行為進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。 監(jiān)控系統(tǒng)一般由前端部分、傳輸部分、控制部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示部

15、分、報(bào)警部分以及系統(tǒng)供電組成的完整系統(tǒng)。 門窗監(jiān)控系統(tǒng)是指集成在門窗上專用的、和門窗功能緊密結(jié)合的監(jiān)控系統(tǒng)。通常構(gòu)成門窗監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)部分為： 前端部分：前端進(jìn)行對(duì)門窗周圍環(huán)境變量的采集。采集工具包括各種專用傳感器，如溫度、濕度、光亮度傳感器對(duì)溫濕度、亮度的參數(shù)采集；以及攝像頭紅外對(duì)射管等設(shè)備對(duì)門窗周圍物體進(jìn)行監(jiān)視。 傳輸部分：應(yīng)用光纖、同軸電纜、無線等方式將前端部分采集的信號(hào)實(shí)時(shí)可靠地傳輸?shù)娇刂撇糠帧? 控制部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)、ARM等中央處理芯片對(duì)信息進(jìn)行分析處理、邏輯分析，將分析結(jié)果分別下達(dá)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示部分和報(bào)警部分。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：電機(jī)、繼電器等執(zhí)行器件，受控制部分控制命令控制。

16、顯示部分：LCD液晶顯示、LED燈、數(shù)碼管等顯示器件，顯示內(nèi)容由控制部分控制。 報(bào)警部分：蜂鳴器、警鈴、語音喇叭、警燈等報(bào)警器件，警報(bào)狀態(tài)由控制部分控制。 系統(tǒng)供電：為系統(tǒng)提供相應(yīng)幅值的工作電壓。如5V、3.3V直流電壓分別為電機(jī)和控制芯片供電。 1.2 研究基于RF模塊的門窗監(jiān)控系統(tǒng)課題的作用和意義 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)智能家居產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)滲入我們生活的方方面面，其重要性不言而喻。自動(dòng)化技術(shù)正飛速發(fā)展，迅速向各種行業(yè)的深入滲透，有著巨大的市場(chǎng)空間，射頻無線技術(shù)更是在當(dāng)前各個(gè)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，將射頻無線與門窗監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合起來開拓更為廣闊的市場(chǎng)。本設(shè)計(jì)就是一個(gè)基于RF模

17、塊的門窗監(jiān)控系統(tǒng)的具體實(shí)例。 1.2.1 當(dāng)前門窗監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足及本設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì) 當(dāng)前門窗監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)采用紅外遙控的方式與處理器控制器相連，遙控端沒有可視界面，或者有單工顯示，顯示內(nèi)容主觀性強(qiáng)，顯示內(nèi)容為遙控器下達(dá)的狀態(tài)命令，且遙控距離短方向性強(qiáng)，可靠性低。而本設(shè)計(jì)中將設(shè)計(jì)一種基于RF無線技術(shù)的連接方式，其遙控端與被控端為半雙工工作方式，兩端都可以作為接受數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的終端，可以實(shí)現(xiàn)遙控端液晶顯示內(nèi)容為被控端主動(dòng)發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，保證顯示內(nèi)容的準(zhǔn)確可靠性。而且使用RF無線可以實(shí)現(xiàn)超過150米的遙控距離，在建筑中能穿越多堵墻進(jìn)行遙控和監(jiān)控。 1.2.2 本設(shè)計(jì)的應(yīng)用意義 門窗監(jiān)控

18、系統(tǒng)在智能家居中起到為家居安全、環(huán)境調(diào)節(jié)起關(guān)鍵作用，其使用穩(wěn)定可靠和舒適易用性有著很高的要求。本課題中就是為達(dá)到一個(gè)基本智能化，遠(yuǎn)程易遙控、易監(jiān)視的門窗監(jiān)控系統(tǒng)，其通用于家庭、教室、工廠、倉(cāng)庫(kù)、溫室、大棚等等地方。本系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和龐大的消費(fèi)市場(chǎng)。 本課題架構(gòu)一套完整的門窗監(jiān)控系統(tǒng)，通過實(shí)物模型對(duì)現(xiàn)實(shí)中門窗等對(duì)象進(jìn)行模擬，設(shè)計(jì)完全可以進(jìn)行略微修改移植到產(chǎn)品中。 1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本論文設(shè)計(jì)中的門窗監(jiān)控系統(tǒng)硬件上可分為兩部分，分別為門上系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)。 門上系統(tǒng)包括門體、門框、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、拖動(dòng)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、編碼套件、限位傳感部件、多個(gè)環(huán)境傳感部件、主控芯片、LED狀態(tài)顯示

19、、聲光報(bào)警模塊、RF無線收發(fā)模塊。 遙控系統(tǒng)包括LCD液晶顯示、鍵盤模塊、主控芯片、無線收發(fā)模塊。 具體來說要實(shí)現(xiàn)的功能是門上系統(tǒng)通過配套的各種傳感器對(duì)門窗的周邊環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的信號(hào)通過處理辨識(shí)做出相應(yīng)動(dòng)作，并通過RF無線模塊與遙控系統(tǒng)進(jìn)行通信。遙控系統(tǒng)通過RF無線接受信息并顯示在LCD上，將鍵盤控制命令傳輸?shù)介T上系統(tǒng)使其有相應(yīng)的動(dòng)作。 根據(jù)目前的方案設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)將包括亮度、晴雨、紅外感應(yīng)裝置。各路裝置控制系統(tǒng)在預(yù)設(shè)定的環(huán)境下動(dòng)作門窗及窗簾或遙控動(dòng)作門窗。分別包括： - 天黑自動(dòng)關(guān)窗 亮度傳感器監(jiān)測(cè)室外明亮度，在夜晚不能采光時(shí)自動(dòng)拉上窗，提高室內(nèi)燈光利用率。 - 下雨自動(dòng)關(guān)

20、窗 濕度傳感器檢測(cè)室外濕度，在檢測(cè)到室外濕度過高時(shí)認(rèn)為為下雨或大霧，自動(dòng)關(guān)閉門窗。在下雨時(shí)及時(shí)關(guān)門窗確保室內(nèi)不受戶外高濕度影響室內(nèi)居住環(huán)境。 - 關(guān)閉門窗防夾報(bào)警功能 在門窗關(guān)閉動(dòng)作時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)門窗動(dòng)作范圍內(nèi)是否有障礙物或人存在；如果有障礙或人在門窗關(guān)閉軌道上，則門窗停止關(guān)門動(dòng)作，聲光報(bào)警直到障礙移除。 - 防盜報(bào)警功能 紅外對(duì)射傳感器檢測(cè)門窗，陽臺(tái)、窗外有小偷爬窗進(jìn)來時(shí)立即報(bào)警。 - 遙控功能 基于RF無線的遙控器實(shí)現(xiàn)在中遠(yuǎn)距離對(duì)門窗進(jìn)行監(jiān)控。包括對(duì)門窗、窗簾的開關(guān)狀態(tài)的查看及開關(guān)動(dòng)作的控制 2 本設(shè)計(jì)涉及的集成開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 2.1 單片機(jī)軟件的開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 當(dāng)今流行的

21、單片機(jī)的軟件開發(fā)環(huán)境有很多，主流的有KEIL ，WAVE，MPLAB IDE，IAR等。在本文中使用的單片機(jī)是基于SOC技術(shù)8051F系列，因此接下來我將概要地介紹KEIL開發(fā)軟件。 2.1.1 Keil C51特性簡(jiǎn)介[4] Keil C51是Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。 Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，

22、多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)。 C51工具包的uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件 (.ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使

23、用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。 2.1.2 用于單片機(jī)開發(fā)的C51基礎(chǔ)的知識(shí)介紹[3] 由于采用高級(jí)語言開發(fā)，我們將可以拋開單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)而集中精力于系統(tǒng)功能的開發(fā)，但是我們還是不能完全不考慮硬件的束縛。在C51編程中，我們接觸最多的就是內(nèi)存的分配與管理了。大家都知道在單片機(jī)剛出現(xiàn)的一段時(shí)間內(nèi)，內(nèi)存是很寶貴的。就算技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，可以花很低的代價(jià)得到足夠的內(nèi)存，但是介于存取速度原因，也還是不能不考慮如何管理內(nèi)存。如果學(xué)好這些知識(shí)，合理去分配內(nèi)存，那么在我們今后的開發(fā)中將大有益處。接下來，我們將一一介紹這些知識(shí)。 1、首先我們要知道變量的定義：變量的定義

24、包括了存儲(chǔ)器類型的指定可以指定變量存放的位置。每個(gè)變量可以明確地分配到指定的存儲(chǔ)空間。存儲(chǔ)器類型有code 、data、idata 、bdata、xdata 、pdata 這幾種。使用這個(gè)關(guān)鍵字前綴變量，則可以達(dá)到分配到相應(yīng)存儲(chǔ)空間的目的。分配描述： code 程序存儲(chǔ)器64K 字節(jié)通過操作碼 MOVC @A+DPTR 進(jìn)行訪問。 data 直接尋址內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器對(duì)變量的最快訪問128 字節(jié) ，直接訪問的低128 字節(jié)內(nèi)存。 idata 間接尋址內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器訪問整個(gè)內(nèi)部地址空間256 字節(jié)，通過MOV　@R0,A訪問。 bdata 位尋址內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器允許位和字節(jié)混合尋址16 字節(jié)，

25、直接訪問可位尋址的內(nèi)存。 xdata 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器64K 字節(jié)通過 MOVX @DPTR 訪問。 pdata 頁(yè)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器256 字節(jié)通過 MOVX @Rn 訪問，在增強(qiáng)型MCU中，會(huì)更多字節(jié)的內(nèi)存。 再者，C51還有特有的變量類型有：sbit 、 sfr、 sfr16 數(shù)據(jù)類型 分別表示1位的，8位的，16的存儲(chǔ)模式。它們是與CPU相關(guān)的用特殊用途的存儲(chǔ)空間定義分配。1. bit sbit sfrs 和sfr16 數(shù)據(jù)類型專門用于8051 硬件和C51 編譯器并不是ANSI C 的一部分不能通過指針進(jìn)行訪問。Bit、 sbit、 sfrs 和sfr16 數(shù)據(jù)類型用于訪問8051

26、的特殊功能寄存器例如sfr P0 = 0x80 定義變量P0 并將其分配特殊功能寄存器地址0x80 在8051 上是P0 口的地址。 2、變量使用原則：在可能實(shí)現(xiàn)的前提下，盡量使用char類型，安排程序中重要的變量在data區(qū)和寄存器中傳遞。我們?nèi)绻脑L問范圍是256字節(jié)，那么可以用IDATA實(shí)現(xiàn)。對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問比對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問快許多，因此應(yīng)當(dāng)將頻繁使用的變量放在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器而把較少使用的變量放在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。有時(shí)，我們可以將一些常量放在CODE區(qū)，這樣可以節(jié)省內(nèi)存，而且也不會(huì)擔(dān)心被意外更改。 3、有關(guān)變量存儲(chǔ)的擴(kuò)展知識(shí)：在默認(rèn)的情況下，在Small模式下，系統(tǒng)將沒有

27、前綴的變量分配到data區(qū)。如果指出前綴的變量則按分配描述的規(guī)則分配存儲(chǔ)區(qū)間。我們不但可以指定變量的存儲(chǔ)空間， 還可以通過規(guī)定其作用范圍，生存周期使得CPU的存儲(chǔ)資源能在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中得到最有效的利用。在子函數(shù)內(nèi)，所有的變量都是存放在寄存器內(nèi)的，這樣訪問的效率就會(huì)很高。而且，在C語言有內(nèi)存自動(dòng)回收，重復(fù)利用的機(jī)制。每次函數(shù)被調(diào)用時(shí)，會(huì)分配變量?jī)?nèi)存，結(jié)束后清空。結(jié)果由形參返回給主程序，調(diào)用子函數(shù)時(shí)我們只能傳二三個(gè)參數(shù)。如果要多個(gè)傳送，可以通過指針來實(shí)現(xiàn)。作用區(qū)域與全部，局部變量有關(guān)。如果說我們要最有效使用內(nèi)存，那么應(yīng)該盡量使用局部變量。 那么我們可以做到，內(nèi)存的動(dòng)態(tài)回收。（也可以得到程序的封

28、閉性，重用性，方便可移植等這些好處。） 還須要注意的一點(diǎn)就是，每個(gè)子程序都要檢查一下是否被主程序調(diào)用，如果沒有調(diào)用那么就屏蔽掉。否則就可能會(huì)在編譯的時(shí)候出現(xiàn)內(nèi)存不足的警告， 因?yàn)闆]有被調(diào)用的函數(shù)，編譯器不知道如何分配與回收內(nèi)存，就把它的變量分配全局變量。 因而造成內(nèi)存的浪費(fèi)，嚴(yán)重的情況會(huì)造成內(nèi)存的溢出。 4、數(shù)據(jù)類型：C51 編譯器支持下表列出的數(shù)據(jù)類型除了這些標(biāo)量類型外還可以將變量組合到結(jié)構(gòu)聯(lián)合及陣列中除了指明的類型可通過指針訪問這些數(shù)據(jù)類型。 C51中主要有以下類型：bit 、char、unsigned char、enum 、short、int、long 。sbit、sfr、sf

29、r16。 其中Bit、 sbit、 sfrs 和sfr16 數(shù)據(jù)類型專門用于8051 硬件和C51 編譯器并不是ANSI C 的一部分，不能通過指針進(jìn)行訪問bit、 sbit、 sfrs 和sfr16 數(shù)據(jù)類型用于訪問8051 的特殊功能寄存器例如sfr P0 = 0x80 定義變量P0 并將其分配特殊功能寄存器地址0x80 在8051 上是P0 口的地址。 當(dāng)結(jié)果表示不同的數(shù)據(jù)類型時(shí)C51 編譯器自動(dòng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型例如位變量在整數(shù)分配中就被。BL51 連接器通過重疊不相關(guān)的函數(shù)變量管理8051 有限的內(nèi)部存儲(chǔ)器對(duì)大多數(shù)8051 應(yīng)用系統(tǒng)來說極大地降低了所需要的存儲(chǔ)空間。 2.1.3

30、 keil C51編程的有關(guān)知識(shí) 1、使用關(guān)鍵字前VOLATILE和Const：在C51中編譯器在變量沒有聲明 VOLATILE的情況下，系統(tǒng)出與優(yōu)化的原因有時(shí)會(huì)假設(shè)它的值而不檢查變量值的更新。如果這情況出現(xiàn)通信或控制過程中的話，那將是災(zāi)難性的。所以程序編制過程中，應(yīng)該時(shí)刻想想，自己的變量用在什么地方，如果是用在數(shù)據(jù)采集中，則應(yīng)該加上VOLATILE前綴。這是一種安全的用法，你若不聲明也可以實(shí)現(xiàn)， 只是你這樣做給自己的程序留下了安全隱患。 2、其它注意事項(xiàng)，我在編程的過程中，遇到過定義變量太多而編譯無法通過的問題。通過查相關(guān)資料，我明白了這與我們的存儲(chǔ)模塊設(shè)定有關(guān)。 事情是這樣的，

31、在8051內(nèi)核里有128BYTE的內(nèi)存，用DATA 類型訪問。這個(gè)是最快的訪問速度，但是它的空間有限，只有很少的。我們用SMALL模式編譯時(shí)，會(huì)將變量?jī)?yōu)化在這128BYTE內(nèi)，這樣的執(zhí)行效率是最高的。不過，當(dāng)我們用到的變量確實(shí)放不下時(shí)，可以考慮用COMPACT與LARGE模式。這樣變量默認(rèn)會(huì)分配到XDATA中，訪問速度次之。這是因?yàn)镃PU讀取變量用MOVX 問，變量經(jīng)過外存，再到寄存器，最后才送給CPU，所以速度會(huì)慢很多。 再說變量的分配類型，在8051中我們會(huì)用到有很多的變量類型，一般說來，這與它的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)有關(guān)。眾所周知，51單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)資源有限，所以我們?cè)谑褂米兞看鎯?chǔ)分配時(shí)，應(yīng)該好

32、好考慮如果做到最優(yōu)的配置。 2.2 系統(tǒng)硬件EDA開發(fā)工具 EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation）的縮寫。本次設(shè)計(jì)硬件開發(fā)使用的EDA軟件是Protel99se。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路原理圖和PCB版圖均在Protel99se平臺(tái)上設(shè)計(jì)繪制完成。 2.2.1 Protel99se軟件簡(jiǎn)介 Protel99se是PORTEL公司在80年代末推出的EDA軟件，在電子行業(yè)的CAD軟件中，它當(dāng)之無愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設(shè)計(jì)者的首選軟件，它較早就在國(guó)內(nèi)開始使用，在國(guó)內(nèi)的普及率也最高。 Protel99se是個(gè)完整的板級(jí)全方位電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)，

33、它包含了電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號(hào)仿真、多層印制電路板設(shè)計(jì)（包含印制電路板自動(dòng)布線）、可編程邏輯器件設(shè)計(jì)、圖表生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客戶/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)還兼容一些其它設(shè)計(jì)軟件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多層印制線路板的自動(dòng)布線可實(shí)現(xiàn)高密度PCB的100％布通率。 2.2.2 Protel 99 SE的系統(tǒng)組成 按照系統(tǒng)功能來劃分，Protel99se主要包含以下倆大部分和6個(gè)功能模塊。 1、電路工程設(shè)計(jì)部分 (1)電路原理設(shè)計(jì)部分（Advanced Schematic 99）：電路原

34、理圖設(shè)計(jì)部分包括電路圖編輯器（簡(jiǎn)稱SCH編輯器）、電路圖零件庫(kù)編輯器（簡(jiǎn)稱Schlib編輯器）和各種文本編輯器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路原理圖；更新和修改電路圖零件庫(kù)；查看和編輯有關(guān)電路圖和零件庫(kù)的各種報(bào)表。 （2）印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced PCB 99）：印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括印刷電路板編輯器（簡(jiǎn)稱PCB編輯器）、零件封裝編輯器（簡(jiǎn)稱PCBLib編輯器）和電路板組件管理器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路板；更新和修改零件封裝；管理電路板組件。 （3）自動(dòng)布線系統(tǒng)（Advanced Route 99）：本系統(tǒng)包含一個(gè)基于形狀（Shape-based）的

35、無柵格自動(dòng)布線器，用于印刷電路板的自動(dòng)布線，以實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。 2、電路仿真與PLD部分 （1）電路模擬仿真系統(tǒng)（Advanced SIM 99）：電路模擬仿真系統(tǒng)包含一個(gè)數(shù)字/模擬信號(hào)仿真器，可提供連續(xù)的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，以便對(duì)電路原理圖進(jìn)行信號(hào)模擬仿真，從而驗(yàn)證其正確性和可行性。 （2）可編程邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced PLD 99）：可編程邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)包含一個(gè)有語法功能的文本編輯器和一個(gè)波形編輯器（Waveform）。本系統(tǒng)的主要功能是；對(duì)邏輯電路進(jìn)行分析、綜合；觀察信號(hào)的波形。利用PLD系統(tǒng)可以最大限度的精簡(jiǎn)邏輯部件，使數(shù)字電路設(shè)計(jì)達(dá)到最簡(jiǎn)化。 （3）高級(jí)信號(hào)完整

36、性分析系統(tǒng)（Advanced Integrity 99）：信號(hào)完整性分析系統(tǒng)提供了一個(gè)精確的信號(hào)完整性模擬器，可用來分析PCB設(shè)計(jì)、檢查電路設(shè)計(jì)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)超調(diào)量、阻抗和信號(hào)諧波要求等。 3 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)方案論證 根據(jù)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)思路，分別對(duì)門體、門框、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、拖動(dòng)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、編碼套件、限位傳感部件、多個(gè)環(huán)境傳感部件、主控芯片、LED狀態(tài)顯示、聲光報(bào)警模塊、LCD液晶顯示、鍵盤模塊、無線收發(fā)模塊進(jìn)行方案選擇比較論證。 3.1.1 微處理器單元方案選擇比較和論證 本設(shè)計(jì)中分別有門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)的微處理器部分，考慮到門上系統(tǒng)與遙控

37、系統(tǒng)工作量與處理能力的要求，以及設(shè)計(jì)開發(fā)周期的長(zhǎng)度控制，決定兩大系統(tǒng)將使用同一類型的MCU芯片。無論從設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便性，還是硬件成本上考慮我們選擇單片機(jī)是比較合適的。通過分析可知，系統(tǒng)微處理器需要的硬件資源有SPI總線、集成的AD轉(zhuǎn)換器件、多個(gè)IO口。滿足要求的單片機(jī)主要有以下幾種型號(hào)可以選擇： 設(shè)計(jì)方案一：采用STC系列的8051單片機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是硬件成本比較低，編程時(shí)有許多可得到的參考資料可以參考。不過，用8051也存在一些缺點(diǎn)，比如它的程序?qū)懭胄枰獙ｉT的燒寫器件提供很高的電壓。在需要硬件程序仿真的時(shí)候，其仿真器比較貴。 設(shè)計(jì)方案二：用最新的8051F系列單片機(jī)。它有CIP-51TM 的微控制

38、器核 ，與 8051 完全兼容 。C8051F330/1系列器件使用Silicon Labs的專利CIP-51 微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn) 803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。CIP-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn) 8052 的所有外設(shè)部件，包括 4 個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、一個(gè)具有增強(qiáng)波特率配置的全雙工UART、一個(gè)增強(qiáng)型SPI端口、768 字節(jié)內(nèi)部RAM、128 字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及 17 個(gè)I/O端口。 因此綜全考慮，采用8051F單片機(jī)作為系統(tǒng)微處理器，它的資源完全可以滿足本設(shè)計(jì)的硬件要求。 3.1.2 無線模塊選

39、擇方案比較和論證 設(shè)計(jì)方案一、采用紅外遙控。紅外遙控的發(fā)射電路是采用紅外發(fā)光二極管來發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的紅外光波；紅外接收電路由紅外接收二極管、三極管或硅光電池組成，它們將紅外發(fā)射器發(fā)射雕紅外光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，再送后置放大器。 由于紅外線遙控不具有像無線電遙控那樣穿過障礙物去控制被控對(duì)象的能力，所以，在設(shè)計(jì)家用電器的紅外線遙控器時(shí)，不必要像無線電遙控器那樣，每套(發(fā)射器和接收器)要有不同的遙控頻率或編碼(否則，就會(huì)隔墻控制或干擾鄰居的家用電器)，所以同類產(chǎn)品的紅外線遙控器，可以有相同的遙控頻率或編碼，而不會(huì)出現(xiàn)遙控信號(hào)“串門”的情況。這對(duì)于大批量生產(chǎn)以及在家用電器上普及紅外線遙控提供了極大的

40、方面。由于紅外線為不可見光，因此對(duì)環(huán)境影響很小，再由紅外光波動(dòng)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于無線電波的波長(zhǎng)，所以紅外線遙控不會(huì)影響其他家用電器，也不會(huì)影響臨近的無線電設(shè)備。 設(shè)計(jì)方案二、用Zigbee的無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)，Zigbee無線收發(fā)模塊和微處理器通過UART相連， Zigbee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。ZigBee技術(shù)的核心是幾萬行ZigBee/802.15.4 C51源代碼，這些源代碼和ZigBee無線單片機(jī)內(nèi)核配合，完成數(shù)據(jù)包裝收發(fā)、校驗(yàn)、各種復(fù)雜的功能。并用開發(fā)人員可以得到免費(fèi)的源代碼，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。其主要的特點(diǎn)是：它是

41、標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)。具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾能力。硬件支持CSMA/CA功能，有防止碰撞的機(jī)制。具有強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。低功耗，在低耗電待機(jī)模式下，可工作6個(gè)多月，甚至更長(zhǎng)。 設(shè)計(jì)方案三、采用用射頻芯片實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)，用RF無線收發(fā)模塊和微處理器通過SPI接口交換信息， RF12是一款低成本高集成的收發(fā)IC,其內(nèi)部集成了所有RF收發(fā)功能模塊電路,外圍只須一個(gè)MCU,一個(gè)晶振,一個(gè)旁路電容和一個(gè)外置天線就可組成一個(gè)高可靠性的收發(fā)系統(tǒng),具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)無需調(diào)試的特點(diǎn)。其主要特點(diǎn)有:1 、高功率輸出,可設(shè)置功率輸出大小。2、高集成度, 外圍零件少。3、成本低，設(shè)

42、計(jì)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)無需調(diào)試。4、抗干擾能力強(qiáng)。 根據(jù)分析，本設(shè)計(jì)實(shí)際選擇方案三。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)準(zhǔn)備設(shè)計(jì)的是一定距離內(nèi)對(duì)門窗的監(jiān)督控制（至少100m），具有一定的穿墻能力，收發(fā)性能穩(wěn)定可靠。紅外的沒有穿透能力和短距離不適合本設(shè)計(jì)的理念。而ZigBee技術(shù)比較新穎，模塊控制原理復(fù)雜，成本高，故本設(shè)計(jì)中不選用。射頻無線作為遙控領(lǐng)域異軍突起的一種無線類型，目前已在產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。射頻無線的應(yīng)用原理框圖如圖3-12所示，收發(fā)模塊具有完全相同的結(jié)構(gòu)，無線模塊與微處理器間采用高效的SPI通訊。 圖3-12 RF12無線收發(fā)模塊原理 3.1.3 門體模型方案選擇比較與論證 設(shè)計(jì)方案一：使

43、用真實(shí)門體。本方案的優(yōu)勢(shì)是設(shè)計(jì)有實(shí)用性，但是設(shè)計(jì)難度較高對(duì)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)要求高，當(dāng)前設(shè)計(jì)條件不允許。 設(shè)計(jì)方案二：定做鋁合金微縮門體。本方案優(yōu)點(diǎn)是平臺(tái)美觀，根據(jù)要求定做門體容易控制，運(yùn)行可靠。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)者對(duì)機(jī)械方面知識(shí)欠缺，定做門體完善度低，導(dǎo)致門體在設(shè)計(jì)中需要多處修改，修改難度大。 設(shè)計(jì)方案三：自制泡沫材質(zhì)的門體。本方案的優(yōu)勢(shì)在于門體形狀功能完全由本人意愿制作，功能形狀裁剪程度高。而且門體一直處于半成品，隨時(shí)根據(jù)不同要求修改門體部件模塊。缺點(diǎn)是不夠美觀和結(jié)實(shí)。 綜合優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)實(shí)際選擇方案三。方案三的易修改性在后來的設(shè)計(jì)中起到了重要作用。 3.1.4 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部分方案選擇比較與論證

44、 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)部分作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其方案在被控和運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性能決定著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。 一、 電機(jī)類型選擇比較與論證 設(shè)計(jì)方案一：使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越特性。 改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。缺點(diǎn)是運(yùn)行轉(zhuǎn)速慢噪聲大，控制麻煩，成本高。在本系統(tǒng)中對(duì)位移距離要求不高，步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)不能發(fā)揮。 設(shè)計(jì)方案二：使用直流無刷電機(jī)。直流無刷電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)速范圍廣，壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。但

45、是價(jià)格高，控制器要求高，且低速起動(dòng)時(shí)有輕微振動(dòng)。 設(shè)計(jì)方案三：使用直流有刷電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：控制方便變速平穩(wěn)，幾乎感覺不到振動(dòng)；溫升低，可靠性好； 價(jià)格低，所以被較多廠家選用，技術(shù)成熟。 缺點(diǎn)： 碳刷易磨損，更換較為麻煩，壽命短； 運(yùn)行電流大，電機(jī)磁鋼易退磁，降低了電機(jī)與電池的作用壽命。 綜合三種電機(jī)特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)實(shí)際選擇方案三。由于本設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的要求不高，而對(duì)啟動(dòng)和控制方面有較高的要求，所以方案三的缺點(diǎn)在本設(shè)計(jì)中影響不大優(yōu)勢(shì)卻很明顯。 二、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案選擇比較與論證 設(shè)計(jì)方案一：使用分立元件搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路。優(yōu)點(diǎn)價(jià)格便宜，使用實(shí)驗(yàn)室已有元件搭建省去采購(gòu)的花銷。缺點(diǎn)控制電路可靠性低

46、，功能少。 設(shè)計(jì)方案二：使用集成塊驅(qū)動(dòng)芯片。優(yōu)點(diǎn)性能穩(wěn)點(diǎn)，電路簡(jiǎn)單，控制便捷，功能強(qiáng)大。缺點(diǎn)是成本較高。 綜合來講，本設(shè)計(jì)實(shí)際選擇方案二。由于實(shí)際應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)芯片由于運(yùn)行可靠與使用便捷性受到了許多廠家選用。集成塊故障率小，技術(shù)成熟，本設(shè)計(jì)中電機(jī)為控制門窗，對(duì)可靠性要求較高，故選用方案二。 3.1.5 傳感器模塊方案選擇比較與論證 本設(shè)計(jì)中包括多種傳感器，包括：亮度傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器，紅外傳感器分別用來對(duì)門窗周邊天氣環(huán)境和不明物體的監(jiān)測(cè)。 一、 亮度傳感器選擇比較與論證 設(shè)計(jì)方案一：使用分立元件光敏電阻配合高性能的ADC模擬數(shù)據(jù)采集。優(yōu)點(diǎn)為成本低性能卻很好，輸出為實(shí)時(shí)真

47、實(shí)數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)是需要配置合適的ADC元件，需要與MCU緊密的編程配合協(xié)作。 設(shè)計(jì)方案二：使用集成塊亮度傳感芯片。優(yōu)點(diǎn)電路簡(jiǎn)單使用，使用方便。缺點(diǎn)是成本高，且輸出多為開關(guān)量，不能獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 綜合上述優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)實(shí)際選擇方案一。本設(shè)計(jì)中將選用一款內(nèi)部集成高性能ADC部件，故方案一的缺點(diǎn)被補(bǔ)償，是理想的選擇。 二、 溫度、濕度傳感器選擇比較與論證 設(shè)計(jì)方案一：溫度濕度選用獨(dú)立元件設(shè)計(jì)使用。溫度傳感器使用Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820，可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，精度為0.5C。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEP

48、ROM中。使用“一線總線”方式與控制器通訊。濕度傳感器采用濕敏電阻配合高性能的ADC模擬數(shù)據(jù)采集。本方案有傳感器性能高，精度大的優(yōu)點(diǎn)。但是同時(shí)也有電路復(fù)雜，運(yùn)行可靠性低，控制麻煩、占用資源較多的缺點(diǎn)。 設(shè)計(jì)方案二：使用集成了溫度和濕度傳感器的一體式智能溫濕度傳感芯片DHT11。本方案優(yōu)點(diǎn)有電路簡(jiǎn)單使用，使用方便，智能溫濕度傳感芯片DHT11可以通過SPI總線與單片機(jī)進(jìn)行通訊，將溫度和濕度的實(shí)際值直接傳送到單片機(jī)中，省去了轉(zhuǎn)換和矯正的的工序，大大提高系統(tǒng)的開發(fā)周期。 綜上所述，本設(shè)計(jì)實(shí)際選擇方案二。智能溫濕度傳感芯片DHT11的高使用便捷度和高效的SPI、總線稱為本系統(tǒng)選擇它的理由。 三、

49、 紅外傳感器選擇比較與論證 由于紅外傳感器功能的相似性，影響其使用效果的主要是傳感器的封裝形式，所以在選擇紅外傳感器時(shí)主要是對(duì)紅外傳感器的封裝的選擇。 設(shè)計(jì)方案一：封裝形式為發(fā)射端與接受端獨(dú)立的紅外對(duì)射管。本方案中的傳感器具有安裝方便，形式多樣的特點(diǎn)。但是對(duì)安裝的精度要求較高，當(dāng)發(fā)射端與接受端安裝距離較遠(yuǎn)或沒對(duì)準(zhǔn)時(shí)容易出現(xiàn)對(duì)管無法正常工作的情況。 設(shè)計(jì)方案二：封裝形式為槽型的紅外傳感器。此類封裝的傳感器功能比較單一，主要是對(duì)槽內(nèi)切割紅外線的薄片的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行采集。 設(shè)計(jì)方案三：封裝形式為并列反射型的紅外傳感器。此類封裝的傳感器適用性強(qiáng)，可以對(duì)傳感器指向面的障礙監(jiān)測(cè)。 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，本

50、設(shè)計(jì)在不同的場(chǎng)合分別使用了方案二與方案三的封裝形式紅外傳感器。 3.1.6 人機(jī)界面方案選擇比較和論證 人機(jī)界面（Human-Computer Interface,簡(jiǎn)寫HCI，又稱用戶界面或使用者界面）包括了鍵盤部分和顯示部分。 一、 鍵盤部分 設(shè)計(jì)方案一、采用行列式鍵盤。行列式鍵盤的行線與按鍵的一個(gè)引腳相連，列線與按鍵的另一個(gè)引腳相連。平時(shí)列線被置成低電平，沒有按鍵被按下時(shí)，行線保持高電平，而有按鍵被按下時(shí)，行線被拉成低電平。這時(shí)候控制器知道有按鍵被按下，但只能判斷出在哪一行，不能判斷出在哪一列，因此接下來就要進(jìn)行鍵盤掃描，以確定具體是哪個(gè)按鍵被按下。本方案的優(yōu)點(diǎn)是可以擴(kuò)展按鍵數(shù)

51、量較大的鍵盤，缺點(diǎn)是編程較麻煩，在按鍵數(shù)量要求不多時(shí)優(yōu)勢(shì)不明顯。 設(shè)計(jì)方案二、是用ZLG7289的芯片和顯示與鍵盤專用模塊配合主機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交互，其優(yōu)點(diǎn)是用與微處理器用SPI接口，可以節(jié)省很多I/O口線，而且硬件電路規(guī)范化，只要看懂原理就可以用軟件實(shí)現(xiàn)各種相關(guān)功能。不足之處是這個(gè)人機(jī)交互模塊不容易重復(fù)利用，而且在軟硬件上也是結(jié)合緊密，不容易分離和移植到其它系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)方案三、采用獨(dú)立按鍵鍵盤。本設(shè)計(jì)采用最簡(jiǎn)單的鍵盤設(shè)計(jì)方法，具有電路簡(jiǎn)單，原理清晰，編程便捷的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是需要按鍵較多時(shí)占用I/O口多。 綜合以上三種方案，結(jié)合本課題的實(shí)際后選擇第三種方案。因?yàn)樗擞幸陨蟽煞N方案的優(yōu)點(diǎn)外，

52、還具有擴(kuò)展性、通用性等優(yōu)勢(shì)，從而為未來發(fā)展與擴(kuò)充作鋪墊。 二、 顯示部分 設(shè)計(jì)方案一、采用多位八段數(shù)碼管LED顯示。在微處理器的配合下通過多個(gè)段選式的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示，以完成人機(jī)信息交互任務(wù)。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)碼管價(jià)格相對(duì)于液晶要便宜，簡(jiǎn)單可靠，顯示亮度高，顯示數(shù)值時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。缺點(diǎn)是其顯示的容量有限，不能顯示漢字，硬件連線麻煩占用的I/O口線較多。 設(shè)計(jì)方案二、是用ZLG7289的芯片和顯示與鍵盤專用模塊。本方案解決得占用引腳多的問題，但是還是采用數(shù)碼管顯示。 設(shè)計(jì)方案三、采用單顆LED燈配合相應(yīng)位置漢字指示。本方案解決了指示漢字的問題，價(jià)格低廉，在顯示內(nèi)容不多且變化少時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。但是缺點(diǎn)也

53、很明顯，漢字不能改變，不能顯示數(shù)字。 設(shè)計(jì)方案四、LCD顯示指示。LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡(jiǎn)稱，LCD 的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。采用128X64點(diǎn)陣的LCD可以顯示四行漢字，顯示資源豐富。 綜合以上四種方案，結(jié)合本課題的實(shí)際后選擇第三種和第四種方案分別作為門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)遙控部分對(duì)顯示要求較高，顯示文字內(nèi)容較多。而門上部分顯示內(nèi)容少，不用顯示數(shù)值，故不采用數(shù)碼管而直接采用單顆LED顯示 3.1.7 報(bào)警

54、模塊方案選擇比較和論證 設(shè)計(jì)方案一、語音報(bào)警。通過人聲報(bào)警，報(bào)警內(nèi)容明確，系統(tǒng)產(chǎn)品顯得高檔智能。缺點(diǎn)是成本高，控制麻煩，警告性不高，適合提示性場(chǎng)合。 設(shè)計(jì)方案二、蜂鳴器報(bào)警。通過對(duì)蜂鳴器發(fā)聲類型的控制，可以編制多種報(bào)警聲用于各種不同的報(bào)警場(chǎng)合。優(yōu)點(diǎn)是音量大，警報(bào)性好，價(jià)格低廉，可靠性高，控制方便。 根據(jù)優(yōu)劣勢(shì)分析，本系統(tǒng)采用方案二。方案二在控制了成本的前提下提高了系統(tǒng)警報(bào)系統(tǒng)的實(shí)用性和易開發(fā)性。 3.1.8 電源供電方案選擇比較和論證 系統(tǒng)需要分別給門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)進(jìn)行供電。 一、 門上系統(tǒng)電源供電方案選擇比較和論證 設(shè)計(jì)方案一：電池供電。電池供電的優(yōu)勢(shì)是不用擔(dān)心系統(tǒng)受外界

55、供電電源的的影響。但缺點(diǎn)是門上系統(tǒng)需要向電機(jī)供電，電機(jī)運(yùn)行與帶負(fù)載需要較大的電能，所以電池供電的持久性不能保證。 設(shè)計(jì)方案二：外部電源供電。本方案可以為系統(tǒng)帶來無窮的電力，能保證長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。但是在停電時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作。 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，本設(shè)計(jì)擇優(yōu)選擇了方案二，停電的問題預(yù)備留在將來為系統(tǒng)提供備用電池的方式解決。 二、 遙控系統(tǒng)電源供電方案選擇比較和論證 為保證遙控系統(tǒng)的遙控器可移動(dòng)性，只能為本系統(tǒng)配備電池供電。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的是電池的類型。 設(shè)計(jì)方案一：鋰離子電池供電。鋰離子電池供電的優(yōu)勢(shì)是可以反復(fù)充電使用，且體積可以做得比較小。缺點(diǎn)是鋰離子電池價(jià)格昂貴成本高。 設(shè)計(jì)方案二：普通五

56、號(hào)電池供電。這類電池供電的優(yōu)勢(shì)是價(jià)格便宜，且體積也不是很大，在電池消耗光時(shí)通過換電池就可以使系統(tǒng)繼續(xù)工作。 綜上所述，本設(shè)計(jì)擇優(yōu)選擇了方案二，低廉的價(jià)格極大地降低了開發(fā)成本。 3.1.9 論證總結(jié) 通過上面八小節(jié)的論證，我們對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案有了初步的決定。微處理器單元選用C8051F系列增強(qiáng)型單片機(jī)C8051F330；無線模塊選用RF12射頻無線收發(fā)模塊；門體模型使用泡沫材質(zhì)自制門體；電機(jī)及驅(qū)動(dòng)部分電機(jī)選用直流有刷電機(jī)，驅(qū)動(dòng)選用專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片33886集成塊；傳感器模塊分別采用溫濕度一體DTH-11傳感器，光敏電阻搭建亮度傳感器，槽型及反射型紅外對(duì)射管；人機(jī)界面選擇MzL05-128

57、64液晶顯示和紅色LED燈管顯示；報(bào)警模塊選用5V蜂鳴器報(bào)警；電源供電部分門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)分別采用市電變壓整流調(diào)制到5V、3.3V直流電為系統(tǒng)供電與兩節(jié)5號(hào)電池供電。 最終決定的方案有取材方便，性價(jià)比高，開發(fā)人員熟悉，開發(fā)周期短的優(yōu)勢(shì)。 3.2 8051F330芯片的配置及外圍電路設(shè)計(jì) 在上一節(jié)，我們通過分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求并論證了方案的可行性。做了這些準(zhǔn)備后，我們可以開始硬件的設(shè)計(jì)工作。鑒于本系統(tǒng)在穩(wěn)定性及工作環(huán)境等方面有著較高的要求。所選用的芯片應(yīng)盡量為有廣泛且成熟的實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)歷，同時(shí)有比較詳細(xì)的文檔資料可以查閱。鑒于該平臺(tái)的預(yù)研性質(zhì)，我們保留一定的擴(kuò)展及調(diào)試接口。 3.2

58、.1 8051F330芯片的配置資源描述 1、 增加的功能： 8051F采用的是最新SOC工藝，從8051發(fā)展而來的，在51的基礎(chǔ)上增加的許多功能 ：C8051F330/1 系列 MCU 在 CIP-51 內(nèi)核和外設(shè)方面有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。 擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向 CIP-51 提供14 個(gè)中斷源（標(biāo)準(zhǔn) 8051 只有7 個(gè)中斷源） ，允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的 MCU干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，這些增加的中斷源是非常有用的。 C8051F330/1器件的內(nèi)部振蕩器在出廠時(shí)已經(jīng)被校準(zhǔn)為

59、 24.5MHz 2%，該振蕩器的周期可以由用戶以大約 0.5%的增量編程；片內(nèi)還集成了一個(gè)低速振蕩器，更適合于低功耗操作。器件內(nèi)集成了外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，允許使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC 或外部 CMOS時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。如果需要，時(shí)鐘源可以在運(yùn)行時(shí)切換到外部振蕩器。外部振蕩器在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個(gè)低頻率（節(jié)電）外部晶體源運(yùn)行，當(dāng)需要時(shí)再周期性地切換到高速（可達(dá) 25MHz）的內(nèi)部振蕩器。 2、 片內(nèi)存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)Error! Reference source not found. CIP-51 有標(biāo)準(zhǔn) 8051 的程序和數(shù)據(jù)地址配置。它包括 256 字

60、節(jié)的數(shù)據(jù) RAM，其中高 128 字節(jié)為雙映射。用間接尋址訪問通用 RAM 的高 128 字節(jié)，用直接尋址訪問 128 字節(jié)的 SFR 地址空間。數(shù)據(jù) RAM 的低 128 字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問。前 32 個(gè)字節(jié)為 4 個(gè)通 用寄存器區(qū)，接下來的 16 字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。 程序存儲(chǔ)器包含 8KB 的FLASH。該存儲(chǔ)器以 512 字節(jié)為一個(gè)扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特別的編程電壓。如圖 3-21所示為MCU系統(tǒng)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。 圖 3-21 片內(nèi)存儲(chǔ)器組織 3.2.2 8051F330最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8051F330最小系統(tǒng)如圖 3-22所示。最小

61、系統(tǒng)包括了單片機(jī)、復(fù)位電路、JTAG接口及電源供電接口。其中JTAG接口詳見3.2.3。 本設(shè)計(jì)中最小系統(tǒng)復(fù)位電路集成了上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種方式。不同于普通C51單片機(jī)復(fù)位信號(hào)為高電平有效，且高電平的持續(xù)時(shí)間需要達(dá)到24個(gè)震蕩周期（2個(gè)機(jī)器周期）以上，C8051F330的復(fù)位信號(hào)是低電平有效，部/RST引腳提供了使用外部電路強(qiáng)制MCU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)的手段，在/RST引腳上加一個(gè)低電平有效信號(hào)將導(dǎo)致MCU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中的自動(dòng)復(fù)位則利用上電時(shí)對(duì)10UF電容的充電時(shí)間達(dá)到在/RST引腳上加一個(gè)低電平有效信號(hào)的效果。 圖 3-22 8051F330最小系統(tǒng) 3.2.3 805

62、1F330系統(tǒng)的調(diào)試接口 1、 8051F330系統(tǒng)具有片內(nèi)Silicon Labs 2線（C2）接口調(diào)試電路，支持使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。Silicon Labs的調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)和單步執(zhí)行。 調(diào)試開發(fā)板所需要的資源有Windows95/98/Me/2000，并有一個(gè)可用RS-232串口的計(jì)算機(jī)。如圖3-23所示，PC機(jī)通過RS-232與串行適配器連接。一條電纜將適配器和用戶的應(yīng)用板連接起來，使用2個(gè)C2引腳和VDD及GND。對(duì)于開發(fā)和調(diào)試來說，Silicon Labs IDE接口比采用標(biāo)準(zhǔn)MCU仿真器要優(yōu)越得多，S

63、ilicon Labs的調(diào)試環(huán)境既便于使用又能保證精確模擬外設(shè)的性能。 圖3-23 C2接口調(diào)試示意圖 2、 C8051F330系統(tǒng)的調(diào)試接口，此接口是電腦端的USB調(diào)試器與目標(biāo)板相連時(shí)的轉(zhuǎn)接口，只需要C2CLK與雙向數(shù)據(jù)口P2.0這2根線即可。再者應(yīng)該注意的是，C2調(diào)試器應(yīng)該與目標(biāo)板共地相連。， 3.2.4 顯示部分電路設(shè)計(jì) 根據(jù)3.1節(jié)的論證，本系統(tǒng)機(jī)界面采用MzL05-12864液晶顯示和紅色LED燈管顯示。 3.2.4.1 MzL05-12864液晶 一、 MzL05-12864簡(jiǎn)介 MzL05-12864為一塊小型的128X64點(diǎn)陣的LCD顯示模組,

64、模組上的 LCM *采用COG* 技術(shù)將控制（包括顯存）、驅(qū)動(dòng)器集成在LCM 的玻璃上，接口簡(jiǎn)單、操作方便；為方便用戶的使用，在LCM的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了MzL05-12864 模組，將模組所必需的外圍電容電阻集成到模組上。MzL05-12864 模組與各種MCU均可進(jìn)行方便簡(jiǎn)單的接口操作。 1. 128 x 64 點(diǎn)陣FSTN 2. 1/64 占空比1/9 偏壓比 3. 單電源供電對(duì)比度編程可調(diào) 4. 僅寫入的串行 SPI 接口方式 5. 3.3V 的白色LED 背光，美觀大方 圖3-24-11 MzL05-12864模組正面及背面圖樣 *注： LCM（LCD

65、Module）即LCD顯示模組、液晶模塊，是指將液晶顯示器件,連接件,控制與驅(qū)動(dòng)等外圍電路,PCB電路板,背光源,結(jié)構(gòu)件等裝配在一起的組件。 COG（Chip On Glass）即芯片被直接邦定在玻璃上。這種安裝方式可以大大減小LCD模塊的體積，且易于大批量生產(chǎn)，適用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的LCD 二、 MzL05-12864與單片機(jī)接口電路原理 MzL05-12864與單片機(jī)接口采用SPI接口通訊。SPI相關(guān)內(nèi)容詳見3.3節(jié)。 模塊共有7個(gè)引腳，分別為： 1 /CS1 片選（低電平有效） 2 /RES 復(fù)位腳（低電平復(fù)位） 3 A0 數(shù)據(jù)命令選擇腳 4 SCK

66、 串行時(shí)鐘輸入引腳 5 SDI 串行數(shù)據(jù)輸入引腳 6 VDD 模組供電（推薦3.0V） 7 VSS 地 其中1~5腳與單片機(jī)相連。 圖3-24-12 MzL05-12864與單片機(jī)接口電路原理圖 3.2.4.2 LED燈原理與硬件電路 本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了3盞LED提示燈，分別作為門上系統(tǒng)的報(bào)警燈、發(fā)射無線信號(hào)燈和接受無線信號(hào)燈。LED連線電路采用共陽極顯示，在單片機(jī)引腳為低時(shí)LED燈可以點(diǎn)亮，反之LED無電流流過。 紅色發(fā)光二極管的壓降為2.0~2.2V ，黃色發(fā)光二極管的壓降為1.8~2.0V ，綠色發(fā)光二極管的壓降為3.0~3.2V ，正常發(fā)光時(shí)的額定電流約為20mA。本系統(tǒng)工作電壓3.3V，故通限流電阻可以過公式計(jì)算： R=(U-ULED)/ILED=(3.3V-2.1V)/20mA=60Ω 實(shí)際應(yīng)用中采用60Ω的電阻限流時(shí)LED很亮，故本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況采用150Ω的限流電阻。 圖3-24-2 LED燈電路原理圖 3.2.5 鍵盤部分電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)由于只用到6個(gè)按鍵，采用