51单片机的智能窗户控制器设计

1、 基于51单片机的智能窗户控制器设计摘要窗户作为居家的眼睛，已经成为了智能家具不可缺少的组成成分,引起了很多的研究。因而近年来我国智能家居的发展已经成为了比较热门的一个话题。窗户软件的调试、硬件的选用、和设计自动控制系统的过程等问题在窗户自动系统中得到了充分的研究。系统通过依据用户的需要经过按键控制窗户的开关，可达到设置时间以及利用光照的强度来控制窗户的开闭状态；该功能可以使窗户处于任意一种开闭状态。具有报警功能和温度测量功能。自动窗户控制系统的组成主要由温度检测模块、蜂鸣器报警模块、电源模块、光照检测模块、LCD1602液晶显示模块、按键模块、步进电机驱动模块和单片机最小系统等构成。本文阐述

2、了自动窗户控制系统的制作与设计的流程，介绍了制作设计一套完整的窗户控制系统需要做的制作过程以及其理论分析。在应用层面上其利用Proteus软件对原理图进行设计制作。在理论层面上该设计，用编程语言驱使各模块运作，完成系统的内在联系。该控制系统整个系统在各模块的运作下可完成定时控制、自动控制、半自动控制等功能。51单片机是其采用的核心部件，还利用了信号调理电路、光照传感器、以及键盘显示接口电路等外围电路。自动控制属于信息科学及电子的一个重要组成部分，当下窗户控制系统可以解决一部分问题，家庭居住环境的避光及采光问题主要利用的是用手开关窗户，手动开关很多方面不仅不够人性化而且费力，还可能会对用户造成一

3、定的困扰， 关键词:人工智能、单片机、自动控制AbstractAbstract In China, smart home has also become one of the hottest topics in recent years, and the windows as room eyes have become an indispensable part of it, which has caused a lot of research.Automatic control is an information science and an important branch of elec

4、tronics, and has a good current development prospect in modern home. At present, the main problem of lighting and avoiding light in family living environment is manual opening and closing of windows. Manual opening and closing is not only laborious but also not user-friendly in many aspects, Window

5、control system will solve those problems. which may cause some problems for users. This article reviews the design and manufacturing process of the automatic window control system, and introduces the theoretical analysis and manufacturing process needed to design and manufacture a complete window co

6、ntrol system. the 51 single chip microcomputer is The core of the automatic window control system . followed by the use of peripheral circuits such as the light sensor, signal conditioning circuit and keyboard display interface circuit. The whole system can achieve semi-automatic control, timing con

7、trol, automatic control and other functions with the cooperation of various modules. The design uses the programming language to drive each module to work at the theoretical level to realize the internal connection of the system. At the application level, The composition of the automatic window cont

8、rol system is mainly composed of the minimum system of the single chip microcomputer, the light detection module and the temperature detection module, the LCD1602 liquid crystal display module, the stepper motor drive module, the power module, the buzzer alarm module, the key module, Proteus softwar

9、e is used to design the schematic diagram.The design process, hardware selection and software debugging of the window automatic control system were mainly discussed. Through this system, the window can be opened and closed according to the users needs. This function can make the window close and ope

10、n in any state; it can be used setting time and Light intensity to control the automatic opening and closing of windows. With alarm function and temperature measurement. Keywords intelligent 、Automatic control、Single chip microcomputerIII 目 录摘要IAbstractII第1章绪论11.1选题的背景、目的和意义11.1.1选题背景11.1.2选题目的和意义21

11、.2国内外研究现状21.3本文研究内容3第2章模块设计方案对比52.1单片机模块52.1.1方案一52.1.2方案二52.2显示模块62.2.1方案一62.2.2方案二62.3按键模块62.3.1方案一52.3.2方案二52.4时钟模块62.4.1方案一52.4.2方案二52.5温湿度采集模块62.5.1方案一52.5.2方案二52.6方案选择与结构设计6第3章硬件的设计与分析73.151单片机及相关电路73.1.1概述53.2液晶显示电路73.2.1工作原理53.2.2操作指令53.3按键模块电路73.4温湿度采集模块电路103.4.1工作原理53.4.2引脚说明53.5光感电路103.6步

12、进电机控制电路103.7蜂鸣器报警电路103.8本章小结10第4章程序设计与分析114.1主程序设计114.2子程序设计113.4.1显示程序53.4.1定时时钟程序53.4.1步进电机控制程序53.4.1光电开关报警程序54.3本章小结11第5章系统的焊接和调试135.1电路板的焊接135.2软件调试145.3操作步骤145.4本章小结14结论17参考文献18致谢19附录1 开题报告21附录2 文献综述23附录3 中期报告25附录4 外文原文27附录5 外文翻29V第1章 绪论 第1章 绪论1.1 选题的背景、目的和意义1.1.1 选题背景当今是信息化的时代，互联网技术已经极度发达。在这个时

13、代背景下，已经慢慢的走进人们的视线中的智能家居。将智能家居控制系统1-3定义为一个系统或者过程。通过使用先进的综合布线技术、网络通信技术、计算机技术，将与家居生活息息相关的各种子系统，有机地结合在一起，通过常规管理使家庭生活更加舒适，安全并且有效。在日常生活中，人们因为要为生活而忙碌，可能无法时刻去开关窗户，而单片机控制的自动窗户控制系统，既能解决每天手动开和关上窗户的不便，又显示出了生活的档次，同时还可以通过光线的变化来自动控制窗户的开关，达到调节室内的光线强度的目的，进一步地满足了人们的享受需求。1.1.2 选题目的和意义智能窗户控制系统4-8的应用和推广具有重要的现实意义，人们的生活方式

14、已经因此而发生了一些变化。智能窗户控制系统用单片机来控制的大部分是，智能窗户控制系统通过单片机控制的具有非常丰富的智能功能，为家庭用户创造了一个便捷、舒适、高效的生活环境，带来了非常大的便利给人们的日常生活。自动控制窗户系统又牵扯一大批产业，单片机控制的自动窗户产品面向家庭用户9，在设计中介绍了智能窗户控制系统的软件设计以及硬件构成，达到最大可能满足不同人不同需求关于窗户开闭。而且，系统在面对人们一般需求的设计开发外，还供日后对进行扩展控制系统的功能，还提出了很多解决的方法，在考虑到简便性和经济性的前提下。该系统的主体主要由软件和硬件两部分组成。硬件部分由各种实现单片机系统控制功能的接口电路以

15、及单片机扩展的外围电路组成；软件部分的各种程序组成主要由单片机系统实现其特定的控制功能的。其应用市场是巨大的，必将吸引很多各类企业加入，发展前景也是辽阔的，从而拉伸一大批产业的发展。1.2 1.2 国内外研究现状在国外，关于智能家居的研究始于1980年代，它的早期阶段是高端住宅，配有各种通信、电器、安全护理和其他设施，并与计算机和技术合作。通过总线技术获取信息，以在家中实现智能功能，例如监视，控制和管理。伴随科技的进一步发展，很多发达国家开始率先研发研制自己的智能家居系统，其中比较重要的有：欧洲的E1B和EHS、日本的HBS、LONWORKS、CEBUS、和美国的X-10等。通过这些年的发展，

16、已经迈进成熟阶段的我国的智能家居控制系统的研究，还完成了其在建筑方面的功能实现通过设计，开始挖掘潜在的智能家居市场，大多数主要的家用电器公司，如海尔，创维，TCL等，都已经完成了其智能家居显示行业的设计。先前进入该领域的一些公司基本上已经推出了自己的产品，例如捷易智能家居。从推出、研发到最终的运用整个产业将得以完成，智能家居产品也将被功能更完善、使用更人性、价格更低廉的个性化产品所取代，这都离不开智能家居消费市场的成熟，1.3 本文研究内容我设计的课题的基本内容是基于51单片机的智能窗户控制器设计，其最基本的功能是根据光照强度自动开、关窗户。主要工作有：（1）根据外界光线的强弱来进行自动开关窗

17、户，光线强弱的上下限可进行调节；（2） 显示屏显示目前状态，包括温度、湿度、烟雾浓度及时间等；（3） 在开窗前提下，能够感知人体入侵，并开始关窗。自动控制由系统的外围的温湿度检测模块、光照检测模块电源模块、A/D转换模块、按键模块、步进电机驱动模块、液晶显示模块、和蜂鸣器报警模块和51单片机作为控制核心共同组成。主要模块的功能有：（1）以51单片机作为中央控制器：处理信号并发出控制指令。（2）液晶显示模块：使用LCD1602作为显示设备，用来显示时间、温度、湿度、烟雾浓度和光照强度。（3）时钟模块：用来设置时间。 （4）温湿度传感器：可以将收集到的温度、湿度转换成数字信号吗。（5）步进电机模块

18、：用电机的转动模拟窗户的开关。（6）烟雾传感器：实时监测烟雾浓度，并采集信息。（7）手动控制。-1-第4章 表 第2章 模块设计2.1 单片机模块2.1.1 方案一可以运行各种复杂的逻辑功能的CPLD，还可编程逻辑器件用作控制器。其具有IO资源丰富而且容易于进行功能扩展、大规模、高密度、小体积、高稳定性的优点。系统的处理速度在并行输出和输入的使用中提高了，且适合作为控制核心给大型控制系统。但是，该系统对数据处理速度的要求不是很高，并且不需要复杂的逻辑功能。2.1.2 方案二51芯片可以用作控制核心。单片机具有强大的算术运算功能，灵活的软件编程和高度的自由度，可以使用软件编程来实现各种算法和逻辑

19、控制，并且由于它的低功耗、小体积、成熟的技术和成本低等优点，它已被广泛的应用在各个领域。这样一来单片机就可以充分发挥其丰富的资源、控制功能更强大、位寻址操作功能更便捷和价格低廉等优点。51芯片具有强大的位操作指令，可以对I/O端口进行按位寻址，而且程序空间多达8K，这对于本设计来说已经绰绰有余，更重要的是该芯片的价格非常便宜。2.2 显示模块2.2.1 方案一动态显示模块的硬件在使用动态显示方式时易于实现，间断扫描法功耗低、硬件系统体积相对减小，硬件成本较低。位扫描和段扫描每个使用一个端口，总共需要14个微控制器端口，2.2.2 方案二关于LCD方法的优点是直接与单片机接口并且可以硬件生产简单

20、。它具有大量的屏幕内容，且具备低成本和低功耗的特点。在LCD1602显示32个字符时会使用LCD的亮度不足。2.3 2.3 按键模块2.3.1 方案一矩阵式行列扫描方式的矩阵式键盘被采用时，缺点为加大编程难度且会电路复杂，优点是可降低占用单片机的I/O口数目当按键较多时。 2.3.2 方案二在运用独立的按键电路时的缺点是当含有更多的按钮时，微控制器I/O端口的数量就会随之增加，他的优点是编程比较容易且电路设计简单。采用独立的按键电路时，每个I/O端口的工作状态互相不影响，一行I/O接口被相应的单独按键占用，这种类型的键盘采用直接端口扫描。2.4 时钟模块2.4.1 方案一应用这程序计算日、月、

21、年周、小时、分钟和秒。并采用MCU定时计数器提供秒信号，这种方法在完成时间上产生一定的错误。但是减少对于芯片的使用，降低了电路的复杂性从而节省了资金。2.4.2 方案二作为一种高精度的时钟芯片的DS1302芯片，可以自动计算年、月、周、天、小时、分钟和秒。在存储区域中，功耗小于205到300nA，工作电压范围为5.5到2.5V，用于制作时钟时一般用DS1302时钟芯片。但电路连接更为复杂。2.5 温湿度采集模块2.5.1 方案一DS18B20用于测量实际温度，由STC89C52微控制器和DS18B20数字温度计构成的温度测量设备能够直接发出温度的数字信号,可直接与计算机连接、通信。使用单总线数

22、据输送是DS18B20的主要功能之一。湿度采集模块使用对湿度敏感的元件，湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境的湿度时，必须将对湿气敏感的元件暴露于环境中以进行长期测试，该测试极易被污染并影响其测量精度和长期稳定性。2.5.2 方案二DHT11温度和湿度传感器用于收集温度和湿度信息，每个DHT11湿度和温度传感器均校检于极为精准的湿度校准室中。单电缆串行接口能够使集成系统变得更加简单并且快速。将这些校准系数调用到传感器而且以程序的形式储存在OTP存储器中在校准系数处理检测信号期间。超低的功耗和极小尺寸使它成为在一些严苛应用中的最佳选择。而且该产品是一个4针单排针组，便于连接。DHT11数字湿

23、度和温度传感器是一种复合湿度和温度传感器。该产品具有性价比很高、抗干扰能力强、相对快速、质量良好等优点，含括已经校准好的数字信号输出。该传感器包含一个NTC温度测量元件和一个电阻式湿度传感器元件，并和高性能的8位微控制器相连接。它采用了温湿度检测技术和专用的数字模块采集技术来保证产品能够具备超强的长期稳定性和可靠性。2.6方案选择与结构设计该系统的总体设计方案要满足可实现性和经济适用性，根据上述方案的对比，和综合性的考虑，MCU模块采用51单片机，液晶屏模块采用LCD1602，按键采用独立按键，时钟模块采用单片机自带时钟，温湿度采集模块则使用DTH11温湿度传感器，还包括数模ADC0832转换

24、模块、电源模块、蜂鸣器模块、电机模块和GSM短信报警模块，利用Proteus10对电路原理图进行绘制。系统电路图如2-1所示。手动和自动两种模式是智能窗户更加人性化的体现，这两个模式的综合运用会让用户得到更好的生活体验。手动模式可以让客户根据自己的需求随时的开关窗；自动模式则是根据检测光照值是否达到用户设定的光照值、时间等条件进行自动的开关窗。图2-1 系统电路图第3章 硬件的设计与分析3.1 51单片机及相关电路3.1.1 概述“Single Chip Microcomputer”是单片机11的起源，又被简称为SCM，其主要功能包括运算以及控制，因此，单片机又称作嵌入式微控制器。其在智能仪器

25、与设备、现代工业控制领域、智能终端设备领域以及民用家用电器等众多领域得到全面的应用。STC89C51MCU学习板是基于8位MCU处理芯片的系统，STC系列MCU是美国STC公司发布的一种51内核单片机，它包含Flash程序存储器、AD和其他模块。该设备的基本功能与普通的51单片机完全兼容。下图为单片机管脚分布图。图3-1MCU管脚分布图部分引脚说明：（1）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTSL1引脚：这是振荡反相放大器和内部时钟发生器的输入端；连接外部晶体和微调电容的另一端，使用外部时钟时，该引脚必须接地。XTAL2引脚：这是振荡反相放大器的输出端，振荡电路的频率与晶体的固有频率一致。 而

26、当出现需要外部时钟电路的情况，则需要把外部时钟脉冲输入到其引脚区域。（2） 控制信号引脚RST、PSEN、EA和ALERST引脚：复位输入的一端，RST是复位信号的输入端子，有效电平为高电平，当RST引脚出现两个以上高电平周期时，单片机将会重启。该引脚还具有另一功能，就是为RAM提供所需要的备用电源，以保证存储在其中的数据不会发生丢失及损坏的现象，只需要在进行重启操作后便恢复正常工作水平。PSEN引脚：这是主程序的存储能力确保能够输出稳定的信号端子，通过进行访问片外程序存储器的运行操作，该端子会定期产生负脉冲，因此产生选通信号，以便于读取片外存储器的信息。EA引脚：其允许固件编程电压输入以及外

27、部程序存储器地址输入。 当进行EA引脚连接到高电平的操作时，此时CPU只会芯片上的EPROM / ROM进行访问操作并且会执行程序内部存储器中的指令，但是当程序计数器的值超过0FFFH平均水平时，内部的程序进行自动运行程式，在芯片外部的程序存储器中。此外，当EA引脚处于输入信号连接到低电平的状态时，不管芯片上是否存在相应的程序存储器，CPU只会进行访问外部EPROM / ROM的操作并同时执行外部程序存储器中的命令任务。此引脚的第二个特色能力为VPP，常用于8751芯片，EPROM被当做输入端子，其主要能力是固化编程期间施加相对较高的编程电压。引脚ALE：这是地址锁定使能信号端子，微控制器加电

28、并进行正常运行后，ALE引脚持续输出一个稳定的正脉冲信号，一般地，该信号的频率约为振荡器的1/6。当CPU在没有芯片的情况下访问存储器时，ALE输出信号将用作控制信号以阻止低8位地址。当不在芯片外访问存储器时，ALE端子还将发送一个振荡频率约为1/6的正脉冲信号，故此，ALE信号可以一致作为外部输出以及用作定时的固定信号。当使用4KB的EPROM芯片对8751进行编程时，此引脚的第二个功能PROG用作编程脉冲输入。（3） 输入/输出端口P0/P1/P2/P3组合的8位开漏型的双向I/O端口构成端口P0：P0端口，其具体含义为地址/数据总线复用端口系统。当起输出端口功能时，每个单独的位均能够实现

29、通过吸收电流来调控这8个TTL逻辑门电路的功能；当P0端口作为输入口时，需要将把全1写入端口锁存器作为第一步骤,此时P0端口的全部引脚都会处于浮空状态，其可有效地进行高阻抗输入任务。而当进行外部数据存储器或程序存储器访问操作时时，此时该组端口线将进行分时转换地址（低八位）和数据总线复位的操作，以确保在访问的有效时间内，其内部端口上拉电阻P0处于正常工作状态。端口P1：P1端口是具有内部上拉电阻的8位型准双向I/O端口的组合端口。一般地，P1端口的输出缓冲级可以同时进行四个LS型TTL负载处理的任务。除此之外，在P1端口作为输入口时，必须将全1写入P1端口锁存地址(90 H)。在该条件下，P1端

30、口上的引脚能够被内部上拉电阻从而提升为高电平状态。当用作输入端口时，因为其内部有独立的上拉电阻，所有当某个引脚出现外部信号下降现象时，会产生一个电流。端口P2：P2端口是具备内部上拉电阻的8位型准双向I/O的组合端口。每个独立的P端口均可以同时处理4个LS型TTL负载。此外，当不进行芯片访问EPROM/RAM操作时，它将生成前8个地址位。端口P3：P3端口是具备内部上拉电阻的8位型准双向I/O的组合端口，每个独立的P3端口均可同时进行处理4个LS型TTL负载的操作。除此之外，P3端口与其他I/O端口差异性较大，其的引脚都具备用于串行数据接接受的附加功能：P3.0P3.1：串行数据传输，分别进行

31、接受和发送。P3.2：外部中断输入0。P3.3：外部中断输入1。P3.4：定时/计数器0外部计数输入。P3.5：定时/计数器1外部计数输入。P3.6：将外部选通信号写入任务数据存储器。P3.7：外部选通读取数据存储器。3.1.2晶振电路电路中的晶振又被称为其电路内部的石英晶体震荡器。因为石英晶体震荡器具有出色的频率稳定性和优异的抗外界扰动性能，因此，常见的石英晶体震荡器常应用于产生基准频率。通过基准频率来调控电路频率的精准度。除此之外，它还可以产生振荡电流，并进行向单片机发出时钟信号的操作。常见的单片机其片内电路与片外器件就组成一个独立的时钟产生电路，CPU进行所有相关操作必须均必须在时钟脉冲

32、同步下进行。片内振荡器的振荡频率近似于其晶振的频率，一般为1.2MHz24MHz之间。此外，C1、C2是反馈电容，其取值范围为20 pF100 pF，一般选取为30 pF。据此，本电路选取的电容为30 pF，其晶振频率为12 MHz。下图3-2为晶振电路的示意图。图3-2 晶振电路XTAL1为接外部晶体的其中的一个引脚，XTAL2接外晶体的剩余端口。在常见的单片机内部，必须接至上述振荡器的反相放大器的输出端的位置。但是，在石英晶体的2个管脚施加交变电场时，在该条件下，会有一定频率的机械变形的现象发生，而该机械振动又会产生交变的电场现象，上述物理状态称为压电效应。一般地，不管是机械振动的振幅，以

33、及交变电场的振幅，其值都相对较低。但是，当交变电场其频率为固定值时，其振幅会出现瞬间增大的现象，此时会产生共振现象，其又被称为压电振荡。这一固有频率就是石英晶体的固有频率，也被称为谐振频率。石英晶振起振后必须要控制在XTAL2线上输出电压约为3V的正弦波，从而导致 MCS-51片内的OSC电路与石英晶振产生相同频率从而引起自激振荡。一般地，OSC的输出时钟的常见频率为0.5 MHz-16 MHz，常见值为12MHz或11.0592MHz。除此之外，电容C1和C2用于辅助起振，其常见值为30 pF，调控它们可以实现微调f的操作。3.2 液晶显示电路LCD1602液晶显示模块是一种广泛使用的字符型

34、液晶显示模块12，具有微功耗，体积小，显示内容丰富，超薄轻便等优点。其丰富的显示内容，紧凑的外观和易于控制的功能都是作为显示模块的首选。它由字符型液晶显示器（LCD），HD44780主控制电路及其HD44100显示控制电路组成，并在PCB板上组装了少量电阻器，电容器和结构部件。 LCD1602液晶显示模块使用5x7点矩阵图形显示字符，显示容量为2行16字符。3.2.1 工作原理点阵液晶，一般通过M行N列个显示单元构成。例如，当一块LCD屏幕有64行，每行有128列，其中每8列对应1字节的8位，就是每行由16字节构成，共由168=128个点构成，此时6416单位屏幕显示则相当于显示RAM区域中的

35、1024个字节，每个字节的内容对应于屏上对应位置的明暗状态。比如，当屏幕的第一行的亮度，一般由RAM区域中的000H00FH的16个字节的内容制定，当处于（000）=FFH状态时，其屏幕的左上角就会显示一条明亮的特征细线，其长度为8个点；当处于（3FFH）=FFH状态时，屏幕的右下角会显示一条短的特征亮线；当处于（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=FFH，（003H）=00H，（00EH）=FFH，（00FH）=00H状态时，一条由8条亮线和8条暗线构成的特征虚线会在屏幕顶部显示出来，这就是LCD屏幕的基本含义。在LCD上显示字符时，由于字符一般由68或88点矩阵构成，其

36、相当于，必须要找到与屏幕上某位置对应的8个字节的显示RAM区域，故此，其更为复杂多变。并且使每个单独的字节的不同位都为“1”，另一个为“0”，亮为“1”以及暗点为“0”，从而产生了特定的特征字符。而对于具有内置字符发生器功能的控制器，其显示字符的功能相对比较单一。此外，其可以让控制器通过运行文本模式进行工作，同时依据行号和列号以及每行中的列数找出相应的显示RAM的地址，设置光标，然后在此处输出与字符相对应的信号。一般地，汉字的显示模式选取图形形式，预先从设备中提取需要进行显示任务的汉字的点阵代码内容。其中，每个汉字占32个字节，将分为两个部分，其中每一半各占16个字节，左侧依次为为1、3、5，

37、右侧依次为为2、4、6。对应于显示RAM的地址可以根据行号、列号和每一行的列数找到，设置光标状态，并输出要显示每个汉字的第一个字节，在光标位置加1指令，然后接着发送第二个字节信号，进行行按列对齐操作，然后发送第三个字节。直到显示32个字节结束任务，此时在LCD上就会显示汉字。该液晶的分辨率为12864，并具有汉字字库。其模式是并口2线、3线，或串口4位、8位。对于液晶模块而言，可以显示GB一级、二级的汉字，对于整个屏幕而言，可以显示1616点阵中文共8192个，也包括168半角英文字符128个，覆盖所有码显示的字符。该显示模块具有使用灵活、操作简易、支持丰富的特点，通过显示模块对于中文的显示，

38、可以给使用者非常完整的使用体验，在人机交互方面可以最大程度地降低使用者的操作难度。其一共可以显示4行8列汉字，每个汉字的大小是1616。除此之外，还可以显示图形。低电压和低功耗是另一个突出的情况，各个引脚则有：引脚1：VSS，该引脚接地。引脚2：VDD，作为电源，用以提供V电压。引脚3：VL，用以调整整个LCD的对比度。对于LCD而言，其对比度关系到显示的清晰程度。对比度也并非越高越好，尽管对比度越高越清晰，但极高的对比度会导致显示出现重影。对比度的极低值出现在该引脚直接接正电源时，一般情况下通过将其与10k电位器连接来对对比度进行调整。引脚4：RS，该引脚用以选择数据或指令，当该引脚处于低电

39、平时，状态为选择指令，高电平时其状态为选择数据。引脚5：R/W为读/写信号线，其主要功能为进行高电平的读操作和低电平的写操作任务。当RS和R/W处于低电平装填时，可以实现编写指令或显示地址的功能；当处于RS为低电平且R/W为高电平状态时，可以进行读取忙音的功能；当处于RS为高而R/W为低状态时，则可以进行写入数据任务。引脚6：E是启用端子。当端子E从高电平变变为低电平时，LCD模块将会执行该任务。引脚714：D0D为8位双向数据线。引脚15：接入背光源的阳极。引脚16：背光源阴极。如图3-3所示，LCD1602的引脚示意图：图3-3 LCD1602引脚图3.2.2 操作指令对于LCD1602模

40、块而言，其实现读/写操作功能通过对指令进行编程来实现对显示屏和光标操作（其中1信号显示为高电平状态，0信号为低电平状态），从如下所示：命令1：清楚屏幕内容。指令码01H，光标复位到00H。命令2：光标的重新设置。光标复位到00H。命令3：进入模式设置部分，在该部分当中，高亮色块的移动由/控制，当其为低电平时，高亮色块左移，高电平时，高亮色块右移。此外，用以代表字符的移动顺序，一般是处于高电平，表示该选项有效，而如果是低电平则正好相反，表示该选项无效。命令4：对显示是否开启的操作控件。为光标是否闪烁的开关，一般是处于高电平，表示打开光标闪烁功能，低电平则关闭该功能。为光标是否显示的开关，一般是处

41、于高电平，表示打开光标显示，低电平则关闭该功能。是常规显示的开关，高电平指示器显示在屏幕上，低电平指示器关闭。命令5：高亮色块或字符滚动控件。其中，S/C表示将显示的文本移到较高的级别，而将光标移到较低的级别。命令6：功能配置。其中，DL表示4位高级总线和8位低级总线。 N表示低水平的单行显示和高水平的双行显示； F表示以低级矩阵字符显示的57点，其中Order表示510点矩阵字符。命令7：设置整个字符发生器的内存地址。命令8：对指定地址。命令9：忙信号的读取，如果处于高电平，则证明目前正忙，模块无法及时进行反应，但如果处于低电平，则证明目前状态是正常的。命令10：对数据进行写入操作。命令11

42、：对数据进行读取操作。3.3 按键模块电路在单片机系统中，键盘按钮能够实现向单片机输入数据信号的功能。对于单片机而言，如果要对其进行控制，最简单的方式就是直接对其传送指令13，结合实际情况，拟采用独立键盘，可以方便指令的输入操作，电路图如图3-4所示，其中K1和K2为数值的加、减按键，K3为模式设置按键、K4和K5为手动开关窗按键。常见的获取键盘信号的方式有两种，但是在本设计中使用扫描法。在扫描法中，所有的行线均被设置为输出端口，进行输出信号的操作，以至于产生输出低电平的信号；所有的列线均设置为输入端口，其检测按钮的状态的作用。当进行释放所有按钮任务时，不能够从列线上检验到行线的低电平输出的稳

43、定新。当进行按下按钮操作时，只有当相应的行线产生低电平状态时，在改情况下，才能够在相应的列线端口检验到低电平状态。而按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动的现象，此时该触点的逻辑电平处于不稳定状态，如果进行有效处理，则会引起按键命令的误执行甚至于重复执行的现象。消除该抖动，常选用优化软件的方法。图3-4按键电路图3.4 温湿度采集模块电路该电路主要采用11温湿度传感器14，该传感器具有校准功能，且不输出模拟信号，而是直接输出数字信号，具有准确、方便、灵活的特点。此外，该传感器还具有稳定性，其稳定性的基础是对于数据的采集使用了数字模块采集技术，且传感器较为灵敏，运行可靠。其由两部分组成，分别用以对

44、温度和湿度进行测量，前者主要依靠模块，后者主要依靠电阻模块。此外，在感知模块测量之后，相应的数据将被发送至微处理器，该微处理器是8位的，因此其响应较快，且不易受到电子信号的干扰影响。整体而言，该传感器可以在较为经济的基础上实现测量。在测量前，所有的传感器需要进行校准，校准需要在专业场景中进行。校准后的结果将被储存于传感器中，每次测量均对其进行调用。此外，该传感器的接口使用串口，可以具有良好的可拓展性。它的超紧凑和极低的功耗使其最适合要求苛刻的应用中的此类应用。该产品便于以4引脚单排引脚封装进行连接。3.4.1 工作原理DHT11温湿度传感器的工作原理是，它可能会导致超出建议的工作范围的最高3R

45、H的临时漂移信号。当恢复正常工作状态时，传感器会逐渐缓慢地恢复至校准状态。在异常工作条件下长时间使用将加速产品的老化过程。化学暴露的电阻式湿度传感器的检测层会受到化学蒸气等因素的影响，此外，化学污染物会在检测层中的随机扩散，从而引起测量值的偏移，以至于降低灵敏度。3.4.2 引脚说明DHT11电源的电压为3-5.5V。打开传感器后，需要等待1秒钟以克服不稳定状态。在此期间，无需发送任何命令。可以在电源引脚（VDD，GND）之间添加一个100nF的电容，以使滤波去耦。DATA用于微处理器和DHT11之间的通信和同步。它使用单一总线数据格式。通讯时间约为4ms。数据分为小数部分和整数部分。具体格式

46、如下所述。当前的小数部分用于将来的扩展，读数为零。表3-1DHT11引脚说明名称注释1GND接地，电源负极。2DATA串行数据，单总线。3NC空脚，悬空。4VDD供电3-5.5VDC。3.5光感电路智能窗户控制系统的设计要求是可以根据光照强度进行自动开关窗，因此需要光敏元件，在这次设计中，我用光敏电阻检测光的强度。光敏电阻主要是由硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的，一种具备特殊功能的电阻器。光线越强，电阻值越低。随着光强度的增加，电阻值迅速减小，并且亮电阻值可以小至1K或更小。光敏电阻对光非常敏感，在没有光的情况下会显示高电阻，其暗电阻的电阻值一般为1.5M。目前，光敏电阻在工业生产中得到大量的

47、应用，其主要原理是半导体的光电导效应，在接受不同亮度的光时电阻的阻止也会发生相应的变化，例如增加等。还有另一种类型的情况，即如果光的亮度较低时，电阻阻值也随之降低，亮度较高时阻值也随之升高。一般而言，光敏电阻被应用于光与电的转换过程中，或者对亮度进行测量，以及实现光敏控制。制作光敏电阻的主要材料是硫化镉，其为一种半导体材料。选择前述材料的主要原因是其感光程度非常接近人眼对可见光的响应，人眼只要感受到光线，就会引起它阻值的变化。在设计光控制电路时，可以使用白炽灯泡或自然光作控制光源，将有利于整体设计。对于整个系统而言，光通过光敏电阻传递相应的信号从而进入系统，且亮度高低将会影响到电阻的阻值，进而

48、使其他元件获得感知并传至单片机，经处理后显示在LCD上，电路如图3-5所示。图3-5光照采集电路图3.6步进电机控制电路在该系统中，步进电机15的作用是通过改变转动方向来模拟窗户的开关，步进电机主要起将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移功能。故此，需要将单片机发出的脉冲信号转化为步进角度以便于控制电机的转动。在本设计中，选用 ULN2003步进电机驱动芯片为步进电机提供所需的脉冲信号。ULN2003是一组耐高压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管构成，每对达林顿都与一个2.7K基极电阻串联连接当在5V工作电压下，其能够有效地直接连接至TTL以及CMOS电路，可以直接对本需要标准逻辑

49、缓冲区的数据进行处理。如图3-6为步进电机驱动电路。图3-6电机驱动电路3.7蜂鸣器报警电路在此设计中，蜂鸣器报警电路使用S8550型NPN晶体管控制器，当连接到单片机的端口发出低电平时，三极管的VEVBVC0。晶体管的传输结为正极化，集电极结为反极化，晶体管进入饱和状态，并构建通路，之后蜂鸣器进入报警状态，其电路为： 图3-7蜂鸣器报警电路3.8本章小结本章主要对部分模块的硬件和电路进行了介绍，可以是读者对我所做的设计有一定的了解并使我自己回顾一下设计思路。第4章 程序设计与分析该部分将主要讨论关于显示子程序的设计，包括电机控制以及定时程序等。主要介绍主程序的设计情况以及实现功能的主要分程序

50、的设计情况，代码见附录。4.1主程序设计该部分主要对单片机的核心程序进行设计，包括开机、断电、时间设置以及显示设置等，还有按键扫描，电机旋转控制等功能。启动主程序，首先关闭中断并对堆栈进行设置，设置结束之后完成对注册表的初始化，进而对整个屏幕进行复位操作。其后，通过运行键的方式开始进行相关的部署，当用户按下设置时，则进入设置时间的界面。之后开始执行任务，直至结束，结束后整个系统停止。当处于引擎控制的状态时将再次进行其他操作，否则即起到重置的作用，请执行重置操作。程序流程如图4-1所示。4.2子程序设计4.2.1显示程序显示程序要实现的是当前的状态信息，主要有目前的时间状态，温湿度信息，以及当前

51、环境的亮度信息、烟雾浓度等。程序流程图如图4-2所示。4.2.2定时时钟程序该部分要实现时间的显示和定时16，以便于对窗户的定时开关。编程时，要把单片机的结构、工作过程和编程语句联系起来，为简化程序结构，可把程序的自定义与初始化、延时、显示、中断等部分分成独立的子函数，当然，还要考虑调用顺序。程序流程图如图4-3所示。4.2.3步进电机控制程序步进电机程序的主要步骤是确定旋转方向，并依次发送控制脉冲以确定其是否就位。程序流程图如图4-4所示。4.2.4光电检测报警程序该部分要实现当有人或物被光电开关检测到后，蜂鸣器会报警然后会触发GSM系统向户主发送警报短信。该部分主要是靠光电开关来进行检测，

52、当有物体挡在光电开关的检测探头之前是，输入就会变为低电平，此时蜂鸣器就会发生报警并且自动关窗，GSM模块17可以检测低电平的发生，当检测到低电平时，就会像户主发送窗户关闭的信息，然后这个程序将返回。开始初始化显示子程序读内部定时器时间调用键盘子程序、定时程序和防盗报警程序设定模式开判断窗户的开关电机正转关到达限位N电机反转Y到达限位N电机停止转动Y电机停止转动结束图4-1主程序流程图显示子程序送位选字查段选表段选码送入NY是否显示完？指向下个显示缓冲单元延时显示下一位Y返回图4-2显示程序流程图T0中断Y定时是否到？开关窗N显示时间按键扫描重装计数值中断返回图4-3定时时钟程序流图NNYYN结

53、束是否到达转动限定值传送反传的脉冲序列传送正传的脉冲序列是否正转开始图4-4步进电机程序流程图4.3本章小结本章主要介绍了主程序和子程序的运行流图，可以让读者更直观的了解程序的功能。-21-第6章 模板使用简单说明 第5章 系统的焊接和调试5.1 电路板的焊接我根据研究完成各模块的电路之后，对总的电路图进行了整理然后画出PCB图，制作电路板，之后进行实验调试。（1） 根据PCB图进行电路板的焊制。（2） 先目测是否有焊接不牢固的地方，之后用万用表进行测试，检查通短状态。（3） 通电后，测试各个模块的芯片和液晶显示器是否正常通电，若有问题在进行修理。5.2软件调试（1） 写好代码后先进行人工检查

54、，尤其要注意标点符号的正误。（2） 检查无误后进行编译，若报错，则从上到下逐一改正。（3） 确认程序无错则可进行烧录，在实物上进行调试，当然，调试时要逐模块进行调试，那部分不能实现则检查那部分的代码。5.3操作步骤（1）通电后，窗户保持关闭，需要电机转动进行相关操作，在屏幕上将显示相应向参数信息：Please Wait（2）当步进电机终止操作之后，目前的参数数据将在屏幕上进行显示，目前平民是的状态为：光照强度时间烟雾燃气值温度湿度（3）对于几个按键而言，其具备以下功能：加减/取消报警 设置手动关窗 手动开窗（4）如果需要设置数据，则需要按下中间的设置键，第一次将设置时间，第二次将设置打开窗户的时间。可以使用第一个和第二个按钮实现+/-操作。屏幕显示为：SET Time12:37:08Please input.依次对目前的时、分、秒进行设定