1、基于 51 单片机的智能窗户设计 【摘 要】 随着电子技术的发展和人民生活水平的不断提高，智能窗已经越来越多地被用到了现代智能化建筑中，提供住户一个安全、方便的环境。据统计，在未来的几年内，安装智能窗的用户将不断增加。本 次 设计的智能窗户系统能通过其数据检测传感电路不断循环检测 室外湿度及温度，当室外湿度达到一定时（下雨时）窗户自动关闭，防止潮湿空气或雨水进入房间；另外可设置自动关闭窗户或开启窗户时间，到了设定时间会自动关闭或开启窗户；可设置是否自动根 据湿度变化自动开启关闭窗户或者根据设置时间自动开启或者关闭窗 户 。 【关键词】 智能窗户； 单片机； 温度检测； 湿度检测； 【 Abst
2、ract】 With the development of electronic technology and the continuous improvement of peoples living standard, the intelligent window has been increasingly used in modern intelligent building, to provide a safe, convenient resident environment. According to statistics, in the next few years, the ins
3、tallation of smart windows users will continue to increase. The design of intelligent window system through the data detecting sensing circuit continuous detection of circulating outside humidity and temperature, when the outside humidity reaches a certain time ( when it rains ) close the window aut
4、omatically, prevent the moist air or water into the room; also can be set to automatically close the windows or window opening time, to set the time automatically open or close the window; you can set whether to automatically according to the changes of temperature and humidity automatically open an
5、d close the windows or according to the set time automatically open or close the window; when the window outside the person near infrared alarm to be generated when the anti-theft function. Also can control the keyboard, directly control window switch, select the display parameter types. 【 Key words
6、】 intelligent window single chip microcomputer temperature detection humidity detection 目录 第 1 章 绪论 . 2 1.1 智能 窗户综述 . 2 1.2 智能窗户研究现状 . 2 第 2 章 设计的目标任务 . 4 2.1 本文主要工作设计 . 4 2.2 论文的要求与数据 . 4 第 3 章 设计方案论证 . 5 3.1 温湿度检测方案 . 5 3.2 窗户控制系统设计方案 . 6 3.3 限位开关控制系统设计方案 . 7 第 4 章 硬件电路设计 . 8 4.1 最小系统电路设计 . 8 4.2
7、温湿度检测电路设计 . 8 4.3 电机驱动电路设计 . 11 4.4 显示电路设计 . 11 4.5 时钟电路设计 . 12 4.6 光电开关电路设计 . 13 4.7 按键电路的设计 . 14 第 5 章 软件设计 . 15 5.1 主程序流程图 . 15 5.2 各部分子程序 . 15 第 6 章 系统组装与调试 . 19 6.1 基本电路板检查 . 19 6.2 主控模块调试 . 19 6.3 软件调试 . 19 6.4 数据整理 . 19 结束语和致谢语 . 21 参考文献 . 22 附（ 一 ） ： 原理图 . 23 附（二）： PCB 板 . 24 附（三）：程序 . 25 第
8、1 章 绪论 1.1 智能窗户综述 智能窗户一般是指安装了先进的防盗、防劫 、防雨 系统技术的门窗。 起初智能窗户在一些公共场所、高档商品房、商场中运用广泛，但随着科学技术的飞跃发展，生活水平的不断提高，人们对安全、舒适、健康的生 活需求变得日益迫切。而近年来，智能家居概念已经逐渐深入到国民的生活之中，且不断地影响着人们的思维。因此，众多有能力的小区、别墅用户已经开始安装使用智能家居系统，并尝试智能化为家居生活带来的安全、舒适和便利。智能窗户提供住户一个安全、方便的环境。据统计，在未来的几年内，安装智能窗的用户将不断增加。全自动智能窗户要求遇刮风或飘雨，窗户会自动关闭；窗户就自动打开；高高在上
9、的天窗，也乖乖听从指挥开启闭合，免去攀高之累。 最新科技的 智能窗户控制 系统它由智能主控器、门窗控制器、门窗驱动器等组成 ，是智能居家的理想选择。要 求具备以下功能： 安全 在工作日，上下班时间基本都是固定的。你可以设定窗户开关的时间，上班时窗户自动关闭下班时自动打开，方便安全。 自动防风防雨 居家过日子，忘记关窗是常有的事，每逢刮风下雨身在外边便叫苦不已。现在，这款产品可以消除您的这个顾虑了 ,它外侧装有 湿度 传感器，当 空气里的湿度达到 80%时湿度传感器上就会有感应 ，窗户立即自行关闭，令您从此大胆出门无忧无虑。 节约能源 当室外的温度超过 30时能关闭窗户并把空调打开，保持室内室温
10、适宜。当室外温度下降到 20时，窗户自动打开并把空调关闭，保持室 内空气清新，当然这一动作是以外界没有下雨为前提的。 人性化 增加手动开窗、关窗功能，是产品更人性化。 1.2 智能窗户 研究现状 由于我国房地产行业的迅速发展，也带动了我国门窗幕墙行业的迅速发展，一般来说，一个建筑物按面积推算，有 10%是窗， 15%是门，全国每年新建为 20 亿平方米，门窗的需求量为 5亿多平方米。如再考虑到原有城乡建筑的窗户改制，每年窗户的安装量至少达到 10亿平方米。以每平方米窗户 50 元计算，全国窗户消费需求空间为 500 亿元，并且还有不断扩大的趋势。如下图所示： 02004006002006 年
11、2007 年 2008 年 2009 年窗户需求（亿元）窗户需求（亿元）图 1.1 2006 年 2009 年我国窗户需求量 门窗是家庭智能化安全防范系统的一个重要组成部分，是一种智能化的控制系统，它由现代微型机、先进传感器（温度传感器、湿度传感器等）、等一系列机械传动装置组成，是具有智能化、人性化、网络化的高科技产品。可以对窗户进行随心所欲的控制和安全措施，它具有时尚、方便、安全等特点，使人们的家居环境得到较大的改善。再者通过我们的调查发现目前整个市场上存在 许多不足之处。 当前智能窗户的功能还不是很完善， 虽然 市场上 有下雨时能自动关窗的装置，但在雨过天晴后并不能适 时自动开窗。这就会让
12、主人在下班回家后觉得屋内空气不流通、不清新等。因此，我以这次毕业设计为契机，改进了部分功能 实现的方法 ，并增加了适时开窗的新功能，还把窗户和空调相结合。力求整个装置高效、简洁、易实现并突出节能环保的理念。 窗户之所以能自动开闭，关键是长条形装置内的一些元件、 温湿度传感器 组成了一套智能控制系统，发挥着自动控制功能。“人们早晨出门上班时还是晴空万里，所以没有关窗，下午突然下雨了，窗户会自动关闭，不用担心家中淋雨。”除了自动开闭窗户外，还可以通过遥控器来控制智能窗户的开闭大小，不用走到窗前去关窗 。 智能窗户的应用越来越受广大人民的 欢迎 ，在许多大城市中，很多小区都实现智能化管理 ， 其中智
13、能窗户的应用相当的重要 一部分 。所以我这次毕业设计选了这个我比较感兴趣也很有现实意义的题目。 第 2 章 设计的 目标任务 2.1 本文主要工作 设计 2.1.1 本 设计 的总体介绍 (1) 智能窗户 :基于单片机控制系统设计出温 湿 度检测电路、电机驱动电路、 时钟电路、 单片机、晶振和复位电路和控制电路等。 （ 2)设计智能窗户的数据采集及控制系统。 2.1.2设计 的具体任务 对智能窗户的功能进行设计 ，相应的硬件电路和系统软件设计，并做出控制系统，从而达到设计的目的： 温 度升高到超过预设值时，电机转动 关闭窗户 并把空调打开 ； 若下雨窗外的湿度传感器会感应到并把窗户关闭 ； 通
14、过按键可以 设置自动开启窗户时间及自动关闭窗户时间，到设定时间会自动关闭或开启窗户；可以设置根据温湿度控制窗户开关及根据时间开启、关闭窗户功能。 2.2 论文的要求与数据 （ 1)完成该课题必须重点研究 单片机控制 、 温 湿 度采集 、晶振和复位电路等 关键问题和理论 。 （ 2)研究方案的设计、研究方法和手段要合理，符合理论与实践的要求 。 第 3 章 设计方案论证 智能窗户的模型如下图 3.1， 传动机构由皮带、电机和定滑轮组成。当 电机 正转时 ，可移动 窗扇 向右移动至 限位开 关处电机停止。当 电机 反转时，可移动窗户向左移动至 限位开关处电机停止。 图 3.1 智能窗户的模型 整
15、个智能窗户 控制 系统包括微处理器、温湿度检测电路、报警电路、 电机驱动电路等模块组成。整个系统框图如图 3.1 所示。 图 3.2 系统框图 3.1 温 湿 度检测 方案 方案一： 温度检测 采用热电阻温 度传感器。热电阻 是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件；现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻； 其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量 。 湿度检测使用湿敏电阻。 方案二：我们采用 数字温湿度传感器 DHT11。 DHT11 数字温湿度 传感器是一款含有已校准数字信 号输出的温湿度复合传器 。 它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 ，确保产品具有极 高可靠性与卓越的
16、长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一 个 NTC 测元件，并与一个高性能 8 位单片机相 连接。因此该产品具有品质卓越、超STC89C52 温湿度传感器器 电机驱动电路 按键 LCD 显示电路 时钟显示电路 光电传感器 快 应、抗干扰能力强、性价 比极高等优点。每个 DHT11 传感器都在极为精确的度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达 20 米以上，使成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品 为 4 针单排引脚装，连接方便
17、。 综合来看 DHT11 集温湿度检测于一体，反应快，单片机数字读取数剧，利于数据采集，而起体积小 ，利于本次设计，所以选用第二种方案。 3.2 窗户控制系统 设计方案 窗户的开 关主要通过直流电机控制。 方案一 ： 直流电机驱动电路使用最广泛的就是 H型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图 2.1所示。 11223344D DC CB BA ATitleN u mb er R e v i s i onS i zeA4D a t e: 2 01 2/ 3 / 13 S h eet o fF i l e : S h
18、 eet1 .S c hD o c D r awn B y :A -+M o t or S erv oV C CG N DS1S3S4S2图 3.3 H桥电机驱动电路 全桥式驱动电路的 4只开关管都工作在斩波状态， S1、 S2为一组， S3、 S4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则 另一组必须关断。当 S1、 S2 导通时， S3、 S4 关断，电机两端加正向电压，可以实 现电机的正转或反转制动；当 S3、 S4 导 通时， S1、 S2 关断，电机两端为反向电压 ，电机反转或正转制动。 在 窗户 动作的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在 S1
19、、 S2 导通且 S3、 Q4 关断，到 S1、 S2 关断且 S3、 S4 导通，这两种状态之间转换。在这种 情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是，由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。这个过程可用图 2.2 说明。 图 3.4 窗户桥臂导通示意图 因此，为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的协同性和同步性，两组控制信号在理论上要 求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可以通过软件实现。 方案二： 通
20、过 L6203 集成块控制直流电机。 L6203 是专用驱动集成电路，属于 H桥 集成电路，其输出电流为 2A，最高电流 4A，最高工作电压 50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。 利用单片机输入 PWM 波形控制使能端很容易改变直流电机速度，调速及控制方向容易，电路设计简单。 综合来看 L6203 具有强驱动能力，体积小，电路设计简单等优点，故选用方案二。 3.3 限位开关控制系统设计方案 限位开关就是用
21、以限定机械 设备的运动极限位置的电气开关。这种开关有接触式的和非接触式的。 方案一： 接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，和其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的 “ 超行程 ” 以保护开关不受损坏。 方案二： 非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。 我这里选择光电式， 光电传感器 (ST178)是利用被检测物体对红外光束的遮 光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金
22、属，对所有能反射光线的物体均可检测。 综合来看光电式传感器具有体积小，设计简单，而且检测的 第 4 章 硬件电路设计 4.1 最小系统 电路设计 最小系统主要有震荡电路、复位电路、单片机和电源构成。其中震荡电路使用11.0592MHz 的晶振配合两个 22p 的谐振电容构成，为单片机提供必要的系统时钟。复位电路即可实现上电复位，也可实现人工手动复位。当刚开始打开电源时，电容 C1 相当于短路，单片机 RST 脚短时间内处于高电平，从而使单片机复位；同样， 当 SW 键按下时， RST脚同样为高电平，可以使单片机正常复位。以上三部分电路构成了一个最小的单片机系统。 11223344D DC CB
23、 BA AR31 0K12Y11 2M H zC12 2PC32 2P1C41 0UG N DV C C G N DRESETX2X11234P2D H T 11D A T AV C CG N DNCV C CR15KG N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20L C D 1V C CR21 0KLC D 1 2 8 6 4 显示模块G N DF M 1V C CQ1P N P -90 1 2R 1 12 00 R蜂鸣器电路O U T 21VS2O U T 13B O O T 14IN 15GND6IN 27B O O T 28
24、VREF9S E N S E10E N A B L E11U3L 6 20 3C21 04V C CC51 04+ 12 VG N DC61 04C71 04D11 N 40 0 7D21 N 40 0 7G N DG N D温湿度传感器G N DV C C电机驱动123P ow er1H e ad er 3G N DV C C+ 12 VP 14P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 10 / T1P 11 / T2P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 2021P 2122P 2223P 2324P 242
25、5P 2526P 2627P 2728IN T 012IN T 113T014T115E A / V P31X218X119R E S E T9R D 17W R 16G N D20R X D10T X D11A L E / P 30P S E N29V C C401V C CP 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17P 33P 32P 34P 35X1X2R E S E TP 37P 36V C CP 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07P 23P 24P 25P 26P 27P 30P 31123456789P11 0KV C CP S E N
26、A L E / P 单片机STC89C52P 20P 21P 22电源接入口U23 30R41 00 KR5G N DV C CV C CG N D1243U43 30R81 00 KR9G N DV C CV C CG N D167312U 1 AL M 3 39245312U 1 BL M 3 391 00 KR71KR61KR 1 0G N D V C CV C CG N DG N DP 33P 32MB1M o t orS1S2S3S4G N DP00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07P 24P 25P 26P 27P 10P 12P 11P20 P21 P22P
27、 34V C C 21X12X23G N D4R S T5I/ O6S C L K7V C C 18U s 1D S 1 30 2Y2V C CBT1G N DG N DP 15P 16P 17按键电路时钟电路图 4.1 最小系统电路 4.2 温 湿 度检测 电路设计 4.2.1 数字温湿度传感器 DHT11 简介 DHT11 数字温湿度 传感器是一款含有已校准数字信 号输出的温湿度复合传器 。 它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 ，确保产品具有极高可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电 阻 式 感 湿元件和一 个 NTC 测元件，并与一个 高性能 8 位单片机相 连接。因此该产
28、品具有品质卓越、超快应、抗 干扰能力强、性价比极高等优点。每个 DHT11 传感器都在极为精确的度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。 单线制串行接口，使系统 集变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗， 信号传输距离可达 20 米以上， 使成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品 为 4 针单排引脚装。 连接方便。 4.2.2 DHT11 工作原理 由于采用 DHT 数字 温湿度 传感器，电路不用考虑 A/D 转换，只需设计指定 P1.4 与数字传感器相连，电路原理图如 图 4.3。 11223344D DC
29、CB BA AR31 0K12Y11 2M H zC12 2PC32 2P1C41 0UG N DV C C G N DRESETX2X11234P2D H T 11D A T AV C CG N DNCV C CR15KG N D1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20L C D 1V C CR21 0KLC D 1 2 8 6 4 显示模块G N DF M 1V C CQ1P N P -90 1 2R 1 12 00 R蜂鸣器电路O U T 21VS2O U T 13B O O T 14IN 15GND6IN 27B O O T
30、28VREF9S E N S E10E N A B L E11U3L 6 20 3C21 04V C CC51 04+ 12 VG N DC61 04C71 04D11 N 40 0 7D21 N 40 0 7G N DG N D温湿度传感器G N DV C C电机驱动123P ow er1H e ad er 3G N DV C C+ 12 VP 14P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 10 / T1P 11 / T2P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 2021P 2122P 2223P 2324P 2
31、425P 2526P 2627P 2728IN T 012IN T 113T014T115E A / V P31X218X119R E S E T9R D 17W R 16G N D20R X D10T X D11A L E / P 30P S E N29V C C401V C CP 10P 11P 12P 13P 14P 15P 16P 17P 33P 32P 34P 35X1X2R E S E TP 37P 36V C CP 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07P 23P 24P 25P 26P 27P 30P 31123456789P11 0KV C CP S E
32、 NA L E / P 单片机STC89C52P 20P 21P 22电源接入口U23 30R41 00 KR5G N DV C CV C CG N D1243U43 30R81 00 KR9G N DV C CV C CG N D167312U 1 AL M 3 39245312U 1 BL M 3 391 00 KR71KR61KR 1 0G N D V C CV C CG N DG N DP 33P 32MB1M o t orS1S2S3S4G N DP00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07P 24P 25P 26P 27P 10P 12P 11P20 P21 P22P 34V C C 21X12X23G N D4R S T5I/ O6S C L K7V C C 18U s 1D S 1 30 2Y2V C CBT1G N DG N DP 15P 16P 17按键电路时钟电路图 4.2 DHT11 与单片机的连接 DHT11 温湿度传感器性能说明： 表 4.1 DHT11 温湿度传感器性能 DHT11 的数据读取： DATA 用于微处理器 与 DHT11 之间的通讯和同步 ， 采用单总线数据格式 ， 一次通讯时间 4ms 左右 ， 数据分小数部分和整数部分 ， 具体格式在下面说明 ， 当前小数部分用于以后
