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文档简介
1、基于RF模块的门窗监控系统设计【摘要】本设计中的门窗监控系统是指一种基于SILABS公司的增强型单片机C8051F系列单片机组成的具有多种环境监测途径、集成简单防盗报警功能、智能自主动作及遥控功能的家居门窗系统。本系统在硬件上可分为两部分,分别为门上系统和遥控系统。门上系统通过配套的各种传感器对门窗的周边环境进行检测。将检测到的信号通过处理辨识做出相应动作,并通过RF无线模块与遥控系统进行通信。遥控系统通过RF无线接受信息并显示在LCD上,将键盘控制命令传输到门上系统使其有相应的动作。根据目前的方案设计,本系统将包括亮度、温湿度、红外感应装置。各路装置控制系统在预设定的环境下动作门窗及窗帘或遥
2、控动作门窗。【关键词】环境监测;RF无线;遥控;LCD显示;8051F;RF无线。Window-based RF module control systexm designAbstract【ABSTRACT】 The objective of this design of door and window control system is based on the companys enhanced SILABS C8051F MCU MCU composed of channels with a variety of environmental monitoring, integrated
3、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 systems.Door system by supporting the various sensors on the doors and windows of the surrounding environm
4、ent 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 remote control system by receiving information and displayed in the LCD on the keyboard control commands tra
5、nsmitted 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 quarters in the pre-set environment action doors, windows and door and window curtains or remote control action.【KE
6、YWORDS】environmental monitoring; RF wireless; remote control; LCD display; 8051F; RF Wireless 目录第一章 前言511 本课题研究的背景意义512 门窗监控系统的发展现况61.3 基于RF的门窗监控系统的概述614 本课题的研究内容7第二章 系统整体方案的选择与分析821 总体方案论证822 微处理器单元选择923 门体模型选择924 电机及驱动部分选择1025 检测元件的选择1026 人机界面的选择1227 报警元件的选择1328 电源模块的选择1329 论证总结14第三章 系统硬件设计1531 80
7、51F330最小系统16312 显示部分电路18313 LED灯原理与硬件电路2032 键盘部分电路2133 无线模块部分电路22331 RF12简介22332 RF12与单片机的SPI接口23333 RF12电路硬件应用电路2434 检测模块电路设计26341 温湿度传感器26342 亮度传感器28343 红外模块部分电路2935 电机驱动部分电路31351 33886芯片简介31352电路3236 电源模块电路33361 1117芯片介绍34362 电源模块电路3437 蜂鸣器35结束语39第一章 前言11 本课题研究的背景意义随着社会的发展和生产的需要,电子信息技术,控制技术的日益提升,
8、社会信息化的逐步加快,促使人们的生活、工作、学习与通讯的关系日渐紧密,信息化社会在逐步改变我们的生活习惯和工作方式的同时,也对我们的传统住宅提出了挑战。环顾四周,我们可以发现,人们对家居的要求已经不仅仅局限于单纯的物质空间,更注重一个安全舒适、整洁美观的居住环境,一个先进的通讯设施,完备高效的信息终端,自动、智能的家电,网络化的资源管理和购物方式等。在生活的各个方面,人们迫切需要一种智能型的家庭安全门窗监控系统,能可靠地进行日常的门窗开关检测工作,在大风或下雨的环境中,自动识别大风或下雨天气,实现自动关窗动作,以便人们能够更安心地工作,同时也保证了居民生活的舒适和生命安全不受损失。21世纪是经
9、济快速发展和人们生活水平迅速提高的一个时代,人们对健康的要求也变得越来越高。打开门窗,使得户内外空气流通,保证房间内空气的洁净也逐渐变成人们的生活习惯。但是,在当如今的的生活环境中,由于时间等的因素,忘记关上门窗却是屡见不鲜,每当天气变阴,便担心是否忘记关上了门窗。而现在市场上主流的门窗控制都是钢丝绳手拉式或滑轨式。而少部分的门窗智能控制虽然有很多种,但只有少部分家庭已采用,又或是应用在一些高级建筑物或公共场合上,而且主要是和窗户一起定做,价格也相对较高。因此,经济便宜的智能化的门窗监控系统已经拥有广阔的市场。随着城市的流动人口地不断增加,偷窃、入室抢劫等各种犯罪事件也越发严重,人们对于一个舒
10、适安全的家居空间也越发期望。可是普通的民居用的大多是防盗安全门、安全窗之类的防盗措施,它的防盗效果虽然不差,但在现实中不仅影响了城市的整体形象,而且对人们的生活也造成了不便。因此,人们迫切需要一种智能的门窗监控系统,使其能可靠进行日常安全防范工作,及时发现各种警情并做出相应处理,以便将警情消灭在萌芽状态,保障居民生命和财产的安全。但是因经济、技术等原因,目前门窗监控系统设计不尽合理的情况比较普遍,在信号检测、信号处理上还存在一定问题,致使一些系统经常出现误报或者漏报,以及报警系统不动作。因此,对门窗监控系统的研究对现实意义重大。12 门窗监控系统的发展现况门窗监控系统是指通过光纤、同轴电缆、无
11、线等通讯介质将被监控对象的信息传输到控制检测端,并在控制检测端对信息进行存储、分析处理,同时根据处理结果的不同给执行机构下达不同的命令的系统。它能实时、形象、真实地反应被监控对象的情况,可以代替人眼对被检测对象的监控,它可以在恶劣的环境下代替人眼进行长时间的监控和智能处理,报警系统对非法行为进行及时报警。门窗监控系统也是需要自动检测技术,它可以检测温湿度、烟雨与人体,而且自动检测技术由于微电子技术、计算机技术、通讯技术及网络技术的快速发展,对电量的测量技术相应地得到提高,如反应速率、准确率、能够进行连续测量、自动记录、远距离传输和组成控制网络等。由于现在系统的设计技术的不同,现今门窗监控系统的
12、设计方向也越来越多样化。目前门窗监控系统大概有以下几种。(1)利用红外技术的门窗监控系统利用红外技术的门窗监控系统采用红外遥控方式与处理器控制器相连的方式,遥控端没有可视界面;或者有单工显示,显示内容主观性强,显示内容为遥控器下达的状态命令,且遥控距离短,方向性强,可靠性低。(2)利用RF无线技术的门窗监控系统利用RF无线技术的门窗监控系统其遥控段与被控端为半双工工作方式,两端都可以作为接受数据与发散数据的终端,可以实现遥控端液晶显示内容为被控端主动发送的实时数据,保证显示内容的准确可靠性。1.3 基于RF的门窗监控系统的概述基于RF的门窗监控系统是通过RF无线技术,将被监控对象检测到的信息传
13、输到控制监督端,并在控制监督端对信息进行存储、分析处理,同时根据处理结果给执行机构下达动作命令的系统。基于RF的门窗监控系统硬件上可分为两部分,分别为门上系统和遥控系统。门上系统包括门体、门框、传动机构、拖动电机、电机驱动、编码套件、限位传感部件、多个环境传感部件、主控芯片、LED状态显示、声光报警模块、RF无线收发模块。遥控系统包括LCD液晶显示、键盘模块、主控芯片、无线收发模块。具体来说要实现的功能是门上系统通过配套的各种传感器对门窗的周边环境进行检测,将检测到的信号通过处理辨识做出相应动作,并通过RF无线模块与遥控系统进行通信。遥控系统通过RF无线接受信息并显示在LCD上,将键盘控制命令
14、传输到门上系统使其有相应的动作。根据目前的方案设计,本系统将包括亮度、晴雨、红外感应装置。各路装置控制系统在预设定的环境下动作门窗及窗帘或遥控动作门窗。分别包括:-天黑自动关窗 亮度传感器监测室外明亮度,在夜晚不能采光时自动拉上窗,提高室内灯光利用率。-下雨自动关窗 湿度传感器检测室外湿度,在检测到室外湿度过高时认为为下雨或大雾,自动关闭门窗。在下雨时及时关门窗确保室内不受户外高湿度影响室内居住环境。-防盗报警功能 红外对射传感器检测门窗,阳台、窗外有小偷爬窗进来时立即报警。-遥控功能 基于RF无线的遥控器实现在中远距离对门窗进行监控。包括对门窗、窗帘的开关状态的查看及开关动作的控制。14 本
15、课题的研究内容该课题中就是为设计一种单片机为核心的具有多种环境监测途径、集成简单防盗报警功能、智能自主动作及遥控功能的家具门窗系统。本系统在硬件上可分为两部分,分别为门上系统和遥控系统。1)门上系统通过配套的各种传感器对门窗的周边环境进行检测。2)遥控系统通过RF无线接受信息并显示。第二章 系统整体方案的选择与分析21 总体方案论证由本课题可知,该系统是通过传感器将检测到的信号传输到单片机,再由单片机将信号对信息进行分析处理、逻辑分析,将分析结果分别下达到执行机构、显示部分和报警部分;因此,由于传输装置的不同,该设计的方案有两个:设计方案一、采用红外遥控。红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管
16、来发出经过调制的红外光波;红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成,它们将红外发射器发射雕红外光转换为相应的电信号,再送后置放大器。设计方案二、采用用射频芯片实现无线收发,用RF无线收发模块和微处理器通过SPI接口交换信息, RF12是一款低成本高集成的收发IC,其内部集成了所有RF收发功能模块电路,外围只须一个MCU,一个晶振,一个旁路电容和一个外置天线就可组成一个高可靠性的收发系统,其主要特点有:1 、高功率输出,可设置功率输出大小。2、高集成度, 外围零件少。3、成本低,设计简单,生产无需调试。4、抗干扰能力强。根据分析,本设计实际选择方案二。因为本设计准备设计的是一定距离内对
17、门窗的监控(至少100m),具有一定的穿墙能力,收发性能稳定可靠。红外的没有穿透能力和短距离不适合本设计的理念。射频无线作为遥控领域异军突起的一种无线类型,目前已在产品中得到广泛的应用。射频无线的应用原理框图如下图所示。温度传感器亮度传感器红外检测器RF模块RF模块单片机主控芯片LCD液晶显示器键盘电机蜂鸣器器器单片机22 微处理器单元选择本设计中分别有门上系统与遥控系统的微处理器部分,考虑到门上系统与遥控系统工作量与处理能力的要求,以及设计开发周期的长度控制,决定两大系统将使用同一类型的MCU芯片。无论从设计的简便性,还是硬件成本上考虑我们选择单片机是比较合适的。通过分析可知,系统微处理器需
18、要的硬件资源有SPI总线、集成的AD转换器件、多个IO口。满足要求的单片机主要有以下几种型号可以选择:设计方案一:采用STC系列的8051单片机,优点是硬件成本比较低,编程时有许多可得到的参考资料可以参考。不过,用8051也存在一些缺点,比如它的程序写入需要专门的烧写器件提供很高的电压。在需要硬件程序仿真的时候,其仿真器比较贵。设计方案二:用最新的8051F系列单片机。它有CIP-51TM 的微控制器核 ,与 8051 完全兼容 。C8051F330/1系列单片机使用Silicon Labs的专利CIP-51 微控制器内核。CIP-51与MCS-51TM的指令集完全兼容,可以使用标准 803x
19、/805x的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准 8052 的所有外设部件,包括 4 个 16 位计数器/定时器、一个具有增强波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、768 字节内部RAM、128 字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间及 17 个I/O端口。 因此综全考虑,采用8051F单片机作为系统微处理器,它的资源完全可以满足本设计的硬件要求。23 门体模型选择由于该系统涉及到对门窗的控制,;因此,门体的选择对对该系统也有一定的影响。,设计方案一:订制木质门体。本方案优点是订制的门体美观,而且容易控制,运行可靠。缺点是由于对知识方面的欠缺,定做的门体完善度低,且修
20、改不易。设计方案二:自制泡沫材质的门体。本方案的优势在于可以依据本人的要求制作门体形状。而且门体由于是泡沫制成,可塑性高,可以随意修改。缺点是门体不够美观和结实。综合优缺点,本设计实际选择方案二。24 电机及驱动部分选择电机和驱动部分作为系统的执行机构,其方案在被控和运行时的稳定性能决定着整个系统的运行可靠性。一、 电机类型选择设计方案一:使用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 改变脉冲的顺序, 可以方便的改变转动的方向。缺点是运行转速慢噪声大,控制麻烦,成本高。在本系统中对位移距离要求不高,步进电机的优势不能
21、发挥。设计方案二:使用直流无刷电机。直流无刷电动机的机械特性和调节特性的线性度好,调速范围广,寿命长,维护方便噪声小,不存在因电刷而引起的一系列问题,所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。但是价格高,控制器要求高,且低速起动时有轻微振动。设计方案三:使用直流有刷电机。优点:控制方便变速平稳,几乎感觉不到振动;温升低,可靠性好; 价格低,所以被较多厂家选用,技术成熟。 缺点: 碳刷易磨损,更换较为麻烦,寿命短; 运行电流大,电机磁钢易退磁,降低了电机与电池的作用寿命。综合三种电机特点,本设计实际选择方案三。由于本设计对电机运行时间的要求不高,而对启动和控制方面有较高的要求,所以方案三的缺点
22、在本设计中影响不大优势却很明显。二、 电机驱动方案的选择设计方案一:使用分立元件搭建H桥驱动电路。优点价格便宜,使用实验室已有元件搭建省去采购的花销。缺点控制电路可靠性低,功能少。设计方案二:使用集成块驱动芯片。优点性能稳点,电路简单,控制便捷,功能强大。缺点是成本较高。由于实际应用中驱动芯片由于运行可靠与使用便捷性受到了许多厂家选用。集成块故障率小,技术成熟,本设计中电机为控制门窗,对可靠性要求较高,故选用方案二。25 检测元件的选择本设计中包括多种传感器,包括:亮度传感器,温度传感器,湿度传感器,红外传感器分别用来对门窗周边天气环境和不明物体的监测。一、 亮度传感器选择设计方案一:使用分立
23、元件光敏电阻配合高性能的ADC模拟数据采集。优点为成本低性能却很好,输出为实时真实数据。缺点是需要配置合适的ADC元件,需要与MCU紧密的编程配合协作。设计方案二:使用集成块亮度传感芯片。优点电路简单使用,使用方便。缺点是成本高,且输出多为开关量,不能获得实时数据。综合上述优缺点,本设计实际选择方案一。本设计中将选用一款内部集成高性能ADC部件,故方案一的缺点被补偿,是理想的选择。二、 温度、湿度传感器选择设计方案一:温度湿度选用独立元件设计使用。温度传感器使用Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820,可以程序设定912位的分辨率,精度为0.5C。可选更小的封装方式,更宽的电压适
24、用范围。分辨率设定,及用户设定的报警温度存储在EEPROM中。使用“一线总线”方式与控制器通讯。湿度传感器采用湿敏电阻配合高性能的ADC模拟数据采集。本方案有传感器性能高,精度大的优点。但是同时也有电路复杂,运行可靠性低,控制麻烦、占用资源较多的缺点。设计方案二:使用集成了温度和湿度传感器的一体式智能温湿度传感芯片DHT11。本方案优点有电路简单使用,使用方便,智能温湿度传感芯片DHT11可以通过SPI总线与单片机进行通讯,将温度和湿度的实际值直接传送到单片机中,省去了转换和矫正的的工序,大大提高系统的开发周期。综上所述,本设计实际选择方案二。智能温湿度传感芯片DHT11的高使用便捷度和高效的
25、SPI、总线称为本系统选择它的理由。三、 红外传感器选择由于红外传感器功能的相似性,影响其使用效果的主要是传感器的封装形式,所以在选择红外传感器时主要是对红外传感器的封装的选择。设计方案一:封装形式为发射端与接受端独立的红外对射管。本方案中的传感器具有安装方便,形式多样的特点。但是对安装的精度要求较高,当发射端与接受端安装距离较远或没对准时容易出现对管无法正常工作的情况。设计方案二:封装形式为槽型的红外传感器。此类封装的传感器功能比较单一,主要是对槽内切割红外线的薄片的运动情况进行采集。设计方案三:封装形式为并列反射型的红外传感器。此类封装的传感器适用性强,可以对传感器指向面的障碍监测。根据实
26、际应用,本设计在不同的场合分别使用了方案二与方案三的封装形式红外传感器。26 人机界面的选择人机界面(Human-Computer Interface,简写HCI,又称用户界面或使用者界面)包括了键盘部分和显示部分。一、 键盘部分设计方案一、是用ZLG7289的芯片和显示与键盘专用模块配合主机实现人机信息交互,其优点是用与微处理器用SPI接口,可以节省很多I/O口线,而且硬件电路规范化,只要看懂原理就可以用软件实现各种相关功能。不足之处是这个人机交互模块不容易重复利用,而且在软硬件上也是结合紧密,不容易分离和移植到其它系统。设计方案二、采用独立按键键盘。本设计采用最简单的键盘设计方法,具有电路
27、简单,原理清晰,编程便捷的优点,缺点是需要按键较多时占用I/O口多。综合以上二种方案,结合本课题的实际后选择第二种方案。因为它除了有以上两种方案的优点外,还具有扩展性、通用性等优势,从而为未来发展与扩充作铺垫。二、 显示部分设计方案一、采用多位八段数码管LED显示。在微处理器的配合下通过多个段选式的数码管动态扫描显示,以完成人机信息交互任务。其优点是数码管价格相对于液晶要便宜,简单可靠,显示亮度高,显示数值时优势明显。缺点是其显示的容量有限,不能显示汉字,硬件连线麻烦占用的I/O口线较多。设计方案二、是用ZLG7289的芯片和显示与键盘专用模块。本方案解决得占用引脚多的问题,但是还是采用数码管
28、显示。设计方案三、采用单颗LED灯配合相应位置汉字指示。本方案解决了指示汉字的问题,价格低廉,在显示内容不多且变化少时优势明显。但是缺点也很明显,汉字不能改变,不能显示数字。设计方案四、LCD显示指示。LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称,LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体,两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线,透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向,将光线折射出来产生画面。采用128X64点阵的LCD可以显示四行汉字,显示资源丰富。综合以上四种方案,结合本课题的实际后选择第三种和第四种方案分别作为门上系统与遥控系统。因为本系统遥控部分对
29、显示要求较高,显示文字内容较多。而门上部分显示内容少,不用显示数值,故不采用数码管而直接采用单颗LED显示27 报警元件的选择该系统中,报警系统作为其中的一个重要组成部分,报警元件的选择显得十分重要,关系到整个系统的安全性。设计方案一、语音报警。通过人声报警,报警内容明确,系统产品显得高档智能。缺点是成本高,控制麻烦,警告性不高,适合提示性场合。设计方案二、蜂鸣器报警。通过对蜂鸣器发声类型的控制,可以编制多种报警声用于各种不同的报警场合。优点是音量大,警报性好,价格低廉,可靠性高,控制方便。根据优劣势分析,本系统采用方案二。方案二在控制了成本的前提下提高了系统警报系统的实用性和易开发性。28
30、电源模块的选择由于系统需要分别给门上系统与遥控系统进行供电,因此,对于门上系统和遥控系统的供电应该分开考虑,考虑到门上系统与遥控系统各自的特性进行设计雨安排。一、门上系统电源供电方案选择设计方案一:电池供电。电池供电的优势是不用担心系统受外界供电电源的的影响。但缺点是门上系统需要向电机供电,电机运行与带负载需要较大的电能,所以电池供电的持久性不能保证。设计方案二:外部电源供电。本方案可以为系统带来无穷的电力,能保证长时间运行。但是在停电时会导致系统不能工作。根据实际应用,本设计择优选择了方案二。二、遥控系统电源供电方案选择为保证遥控系统的遥控器可移动性,只能为本系统配备电池供电。在设计时考虑的
31、是电池的类型。设计方案一:锂离子电池供电。锂离子电池供电的优势是可以反复充电使用,且体积可以做得比较小。缺点是锂离子电池价格昂贵成本高。设计方案二:普通五号电池供电。这类电池供电的优势是价格便宜,且体积也不是很大,在电池消耗光时通过换电池就可以使系统继续工作。综上所述,本设计择优选择了方案二,低廉的价格极大地降低了开发成本。29 论证总结我们对系统设计方案有了初步的决定。微处理器单元选用C8051F系列增强型单片机C8051F330;无线模块选用RF12射频无线收发模块;门体模型使用泡沫材质自制门体;电机及驱动部分电机选用直流有刷电机,驱动选用专用电机驱动芯片33886集成块;传感器模块分别采
32、用温湿度一体DTH-11传感器,光敏电阻搭建亮度传感器,槽型及反射型红外对射管;人机界面选择MzL05-12864液晶显示和红色LED灯管显示;报警模块选用5V蜂鸣器报警;电源供电部分门上系统与遥控系统分别采用市电变压整流调制到5V、3.3V直流电为系统供电与两节5号电池供电。最终决定的方案有取材方便,性价比高,开发周期短的优势。第三章 系统硬件设计根据设计方案,系统的硬件电路应包括门上系统和遥控系统,门上系统分为由传输部分、控制部分、显示部分;遥控系统分为前端部分、传输部分、执行机构、报警部分。前端部分:前端进行对门窗周围环境变量的采集。采集工具包括温度、湿度、光亮度传感器对温湿度、亮度的参
33、数采集;以及摄像头红外对射管等设备对门窗周围物体进行监视。传输部分:应用RF无线模块将前端部分采集的信号实时可靠地传输到控制部分。控制部分:单片机,对信息进行分析处理、逻辑分析,将分析结果分别下达到执行机构、显示部分和报警部分。执行机构:电机,受控制部分控制命令控制。显示部分:LCD液晶显示,显示内容由控制部分控制。报警部分:蜂鸣器,警报状态由控制部分控制。温度传感器亮度传感器红外检测器RF模块RF模块单片机主控芯片LCD液晶显示器键盘电机蜂鸣器器器单片机 门上部分 遥控部分31 8051F330最小系统8051F采用的是最新SOC工艺,从8051发展而来的,在51的基础上增加的许多功能 :C
34、8051F330/1 系列 MCU 在 CIP-51 内核和外设方面有几项关键性的改进,提高了整体性能,更易于在最终应用中使用。 扩展的中断系统向 CIP-51 提供14 个中断源(标准 8051 只有7 个中断源) ,允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的 MCU干预,因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时,这些增加的中断源是非常有用的。 C8051F330/1器件的内部振荡器在出厂时已经被校准为 24.5MHz 2%,该振荡器的周期可以由用户以大约 0.5%的增量编程;片内还集成了一个低速振荡器,更适合于低功耗操作。器件内集成了外部振荡器驱动电路,允许
35、使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC 或外部 CMOS时钟源产生系统时钟。如果需要,时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的,它允许MCU从一个低频率(节电)外部晶体源运行,当需要时再周期性地切换到高速(可达 25MHz)的内部振荡器。1、 片内存储器组织结构CIP-51 有标准 8051 的程序和数据地址配置。它包括 256 字节的数据 RAM,其中高 128字节为双映射。用间接寻址访问通用 RAM 的高 128 字节,用直接寻址访问 128 字节的 SFR地址空间。数据 RAM 的低 128 字节可用直接或间接寻址方式访问。前 32 个字节为 4 个通用寄存器区
36、,接下来的 16 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。 程序存储器包含 8KB 的FLASH。该存储器以 512 字节为一个扇区,可以在系统编程,且不需特别的编程电压。8051F330最小系统如图 3-2所示。最小系统包括了单片机、复位电路、JTAG接口及电源供电接口。本设计中最小系统复位电路集成了上电复位和手动复位两种方式。不同于普通C51单片机复位信号为高电平有效,且高电平的持续时间需要达到24个震荡周期(2个机器周期)以上,C8051F330的复位信号是低电平有效,部/RST引脚提供了使用外部电路强制MCU进入复位状态的手段,在/RST引脚上加一个低电平有效信号将导致MCU进入复位状态。
37、本设计中的自动复位则利用上电时对10UF电容的充电时间达到在/RST引脚上加一个低电平有效信号的效果。图 3-1 8051F330最小系统2、 片内存储器组织结构CIP-51 有标准 8051 的程序和数据地址配置。它包括 256 字节的数据 RAM,其中高 128字节为双映射。用间接寻址访问通用 RAM 的高 128 字节,用直接寻址访问 128 字节的 SFR地址空间。数据 RAM 的低 128 字节可用直接或间接寻址方式访问。前 32 个字节为 4 个通用寄存器区,接下来的 16 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。 程序存储器包含 8KB 的FLASH。该存储器以 512 字节为一个扇
38、区,可以在系统编程,且不需特别的编程电压。如图 3-2所示为MCU系统的存储器结构。图 3-2 MCU系统的存储器结构312 显示部分电路根据3.1节的论证,本系统机界面采用MzL05-12864液晶显示和红色LED灯管显示。一、MzL05-12864简介MzL05-12864为一块小型的128X64点阵的LCD显示模组,模组上的 LCM *采用COG* 技术将控制(包括显存)、驱动器集成在LCM 的玻璃上,接口简单、操作方便;为方便用户的使用,在LCM的基础上设计了MzL05-12864 模组,将模组所必需的外围电容电阻集成到模组上。MzL05-12864 模组与各种MCU均可进行方便简单的
39、接口操作。1. 128 x 64 点阵FSTN2. 1/64 占空比1/9 偏压比3. 单电源供电对比度编程可调4. 仅写入的串行 SPI 接口方式5. 3.3V 的白色LED 背光,美观大方图3-3 MzL05-12864模组正面及背面图样一、 MzL05-12864与单片机接口电路原理MzL05-12864与单片机接口采用SPI接口通讯。模块共有7个引脚,分别为:1 /CS1 片选(低电平有效)2 /RES 复位脚(低电平复位)3 A0 数据命令选择脚4 SCK 串行时钟输入引脚5 SDI 串行数据输入引脚6 VDD 模组供电(推荐3.0V)7 VSS 地其中15脚与单片机相连。 图3-4
40、 MzL05-12864与单片机接口电路原理图313 LED灯原理与硬件电路本系统共设计了3盏LED提示灯,分别作为门上系统的报警灯、发射无线信号灯和接受无线信号灯。LED连线电路采用共阳极显示,在单片机引脚为低时LED灯可以点亮,反之LED无电流流过。红色发光二极管的压降为2.02.2V ,黄色发光二极管的压降为1.82.0V ,绿色发光二极管的压降为3.03.2V ,正常发光时的额定电流约为20mA。本系统工作电压3.3V,故通限流电阻可以过公式计算:R=(U-ULED)/ILED=(3.3V-2.1V)/20mA=60实际应用中采用60的电阻限流时LED很亮,故本系统根据实际情况采用15
41、0的限流电阻。 图3-5 LED灯电路原理图32 键盘部分电路本系统由于只用到6个按键,采用行列式键盘比独立式键盘仅节约一个IO口(2*3),却增加了系统编程工作量。故本系统键盘采用独立按钮式键盘,每个按钮单独占有一个IO口。键盘的工作原理是:通过将IO口用一个大电阻弱上拉到高电平,再将这个IO口用按钮的常开端接到地,当按钮按下时IO口电平被拉低。单片机通过查询各个IO口的逻辑电平就可得到相应按钮按下。SW0,W01,SW2,SW3,SW4,SW5为IO接口。图3-6 键盘部分电路33 无线模块部分电路本设计中无线模块不仅是一个重点更是一个难点。为了实现设计要求,在各种射频无线模块中我们选择了
42、RF12模块。331 RF12简介RF12是一款低成本高集成的FSK*收发IC,其内部集成了所有RF收发功能模块电路,外围只须一个MCU,一个晶振,一个旁路电容和一个外置天线就可组成一个带有PLL技术的高可靠性的收发系统,具有设计简单,生产无需调试的特点.可工作在315/433/868/915MHz四个频段. 其高功率输出和高灵敏度接收的特点, 在无需外加功放电路的情况下,可使其距离达到150米以上.RF12还集成了一个数字接口,轻易实现由MCU通过软件设置,就可精确调整各种射频参数(如收发转换,中心频点,发射频偏,发射功率,调制方式,传输率,接收带宽等), 而无需调整硬件电路,可轻易实现跳频
43、功能.RF12可应用于各种无线局域网,PC周边通迅.无线防盗和报警系统,无线传感器,无线键盘和鼠标,家居自动化遥控,无线高速数据采集系统,无线玩具等场合.特点:工作电压2.2V到5.4V 高功率输出,在315/433MHz频段最高可达8dBm,在868/915MHz频段最高可达6dBm 可设置功率输出大小静态功耗电流0.3mA高传输数率,数字模式可达115.2Kbps工作温度-40到+85度高集成度, 外围零件少,成本低设计简单,生产无需调试抗干扰能力强通过软件设置各种射频参数(如中心频点,频偏,发射功率,调制方式,传输率等), 无需调整硬件电路. 可轻易实现跳频功能发射时天线自动匹配,确保手
44、持时或周围环境变化时仍然有最高发射功率可提供可编程MCU外部时钟信号低电压检测发射时提供位同步模式大大降低了因位同步发射而产生的对MCU的速度要求332 RF12与单片机的SPI接口RF12无线模块通过SPI接口与单片机相连接。SPI(Serial Peripheral interface):高速同步串行口。是一种标准的四线同步双向串行总线。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI是一种高速的,全双工,同步的通信总线,并且在芯片的管脚上只占用四根线,节约了芯片的管脚,同时为PCB的布局上节省空间,提供方便,正是出于这种简单易用的特性,现在越来越多的芯片集成了这种通信
45、协议。SPI的通信原理很简单,它以主从方式工作,这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备,需要至少4根线,事实上3根也可以(用于单向传输时,也就是半双工方式)。也是所有基于SPI的设备共有的,它们是SDI(数据输入),SDO(数据输出),SCK(时钟),CS(片选)。其中CS是控制芯片是否被选中的,也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时(高电位或低电位),对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的,这里先要知道SPI是串行通讯协议,也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因,由SCK提供时钟
46、脉冲,SDI,SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线,数据在时钟上升沿或下降沿时改变,在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输,输入也使用同样原理。这样,在至少8次时钟信号的改变(上沿和下沿为一次),就可以完成8位数据的传输。 要注意的是,SCK信号线只由主设备控制,从设备不能控制信号线。同样,在一个基于SPI的设备中,至少有一个主控设备。这样传输的特点:这样的传输方式有一个优点,与普通的串行通讯不同,普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据,而SPI允许数据一位一位的传送,甚至允许暂停,因为SCK时钟线由主控设备控制,当没有时钟跳变时,从设备不采集或传送数据。也就是说,
47、主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议:因为SPI的数据输入和输出线独立,所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同,主要是数据改变和采集的时间不同,在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义,具体请参考相关器件的文档。在点对点的通信中,SPI接口不需要进行寻址操作,且为全双工通信,显得简单高效。在多个从设备的系统中,每个从设备需要独立的使能信号,硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。RF12模块的电路中在SPI的基础上多了中断请求输出(nIRQ低电平有效)引脚,构成了5根线的总线,使作为从机的无线模块拥有请求中断的功能。333 RF12电
48、路硬件应用电路RF12电路硬件应用电路如图3-7所示,其中VDD与nINT脚之间串接了一个指示LED灯。LED灯用来指示无线模块所在的环境内是否存在可用无线信号。在实际设计中发现该设计会对所有空气中的“无线信号”进行提示,也就是说当无线模块经过初始化后,LED会一直在闪烁。RF12无线模块引脚功能:1nINT/VDI中断输入(低电平有效)/有效数据指示输出2SDI串行控制接口数据输入3nSEL串行控制接口片选输入(低电平有效)4nIRQ中断请求输出(低电平有效)5DCLK接收数据的时钟输出 (本设计中不使用)6nRES用内部上拉和输入缓冲开启复位输出(低电平有效)(本设计中不使用)7GND负电
49、源电压8CLKD供MCU使用的时钟输出(本设计中不使用)9 DATAFSK 数据输入/接收数据输出(本设计中不使用)10SDO串行数据输出11SCK串行控制接口时钟输入12VDDS正电源电压 图3-7 RF12无线模块与单片机的接口电路原理图34 检测模块电路设计本设计中传感器模块分别采用温湿度一体DTH-11传感器,光敏电阻搭建亮度传感器。341 温湿度传感器目前市场上的温湿度传感器种类非常丰富,比较常用的如DS1820温度传感器和湿敏电阻搭建的湿度传感器等。本系统为追求易用性和集成性选择了技术成熟使用广泛的数字温湿度传感器集成模块DHT11。(1)DTH-11简介DHT11数字温湿度传感器
50、是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的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测温元件,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、超快响应、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湿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,传感器内部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,使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米以上,使其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 针单排引脚封
51、装。连接方便,特殊封装形式可根据用户需求而提供。DHT11数字温湿度传感器的特点是:相对湿度和温度测量全部校准,数字输出卓越的长期稳定性无需额外部件超长的信号传输距离超低能耗4引脚安装完全互换图3-8 RF12无线模块外观和封装(2)电路硬件应用电路DHT11数字温湿度传感器的DATA引脚(2脚)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,DHT11型号的小数部分用于以后扩展,现读出为零。一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8
52、bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据。从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集,采集数据后转换到低速模式。在连接线长度短于20米时需要用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。1VDD供电 3
53、5.5VDC2DATA串行数据,单总线3NC空脚,请悬空4GND接地,电源负极 图3-9 DHT11数字温湿度传感器接线电路原理与单片机接口342 亮度传感器现在市场上存在丰富的亮度传感器模块供我们选择,但是本系统在性价比方面考虑后决定采用光敏电阻配合ADC模块搭建亮度传感器。(1)光敏电阻简介光敏电阻器(Photovaristor)又叫光感电阻,是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化)。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
54、在黑暗环境里,它的电阻值很高,当受到光照时,只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度,则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带,并在价带中产生一个带正电荷的空穴,这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目,使其电阻率变小,从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强,阻值愈低。入射光消失后,由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合,光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。(2)光敏电阻搭建亮度传感器应用电路根据光敏电阻的特性,将光敏电阻如图3-10接线,与单片机的接口为单片机内部集成的ADC接口。利用ADC模数转换实时采集,可以获得光敏电阻所在环境的亮度相对值,然后在单片机中利用软件进行矫正和量化*
55、,获得环境亮度值(比系统将仅使用相对值,其数值不代表真实亮度坎德拉*等单位值)。图3-10 光敏电阻接线电路原理与单片机接口343 红外模块部分电路本设计中红外模块应用在门体移动限位,防夹电子眼,电机编码盘三个位置。红外线发射与接收的方式有两种,其一是直射式,其二是反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端,中间相距一定距离;反射式指发光管与接收管并列一起,平时接收管始终无光照,只在发光管发出的红外光线遇到反射物时,接收管收到反射回来的红外光线才工作。常用的红外发光二极管(如SE303.PH303),其外形和发光二极管LED相似,发出红外光。管压降约1.4v,工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压,回路中常常串有限流电阻。红外接收管如红外接收二极管,光电三极管等作为受控装置中相应的红外光一电转换元件。本系统实用中已有红外发射和接收配对的二级管。本设计中,利用红外对管的工作特性,将红外对管的接收端信号引出到LM324电压比较器中,与给定电压进行比较输出,如图3-11电路
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