毕业论文基于at89s51单片机的多功能智能窗的设计说明书

基于单片机的多功能智能窗的设计华北科技学院毕业设计（论文）目录设计总说明 III基于AT89S51单片机的多功能智能窗的设计设计总说明在人们生活水平逐渐提高的今天，智能化控制已经逐步走进了人们的生活中。随着科学技术的不断发展和人们生活条件的改善，各种智能设备在家用电器中不断出现。窗户对居民的重要性是生活在现代都市人们早已意识到的问题。众所周知，窗户的主要功能在于调节室内小环境，使之达到人们感觉最舒适的状况。但是当前人们所使用的窗户是否开启、关闭完全靠人工来实施。然而，完全靠人工根据室内外温度以及空气状况来判断是否开启或者关闭窗户，常常导致一些意外情况的发生。例如，人在熟睡时常因有毒气体的泄漏而导致生命危险。人不在家且忘记关窗户时，常因天气突然刮风、下雨而导致室内物品损坏，因此，研究一种可根据室内外环境不同能够自动实现窗户开启、关闭的自动控制系统具有非常现实的意义。本设计提出了一个以AT89S51单片机为主的多功能智能窗系统。本次设计所要实现的多功能智能窗，实际上可以归为智能家居的一个方面。智能家居又称智能住宅，在国外常用SmartHome表示。与智能家居含义近似的有家庭自动化（HomeAutomation）、电子家庭（ElecctronicHome、E-home）、数字家园（DigitalFamily）、家庭网络（HomeNet/NetworksforHome）、网络家居（NetworkHome）、智能家庭/建筑（IntelligentHome/Building），在我国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。作为智能家居的一个方面，多功能智能窗当然也要跟上形势，紧扣目前主唱的绿色节能、和谐人居的主题。它不仅可以起到节能减排的效果更能给人们的生活带来极大的舒适和便利。本系统的主要器件即为控制器件单片机和各种不同类型、不同功能的传感器，单片机根据接收传感器检测模块的信号，发出相应的控制指令，实现开、关窗，声光报警，通风等功能，实现窗户开、关的智能化。本系统单片机采用ATA89S51单片机，传感器选用湿度传感器、有毒气体传感器、人体热释红外传感器、风速传感器等，实现各种信息的检测。电机采用直流电机。本多功能智能窗能实现以下几个功能设计：当外界下雨时，湿度传感器检测到这一雨信号并将此信号传动给单片机，由单片机控制直流电机转动，关闭窗户。防止雨水进入室内损毁室内物品。当室内煤气或者是烟雾浓度超过一定浓度时，有毒气体检测传感器将此信号传送给单片机，单片机通过控制直流电机使窗户自动打开以及开启排气扇进行排气。同时驱动发光二极管和蜂鸣器报警，以提醒主人及时处理危险事件，防止煤气中毒以及火灾事故的发生。当有人非法入侵时，人体热释红外传感器将此信号传送给单片机，单片机驱动发光二极管和蜂鸣器报警，起到防盗作用，避免室内财产损失。当室外刮风时，风速传感器将此信号传送给单片机，单片机驱动直流电机转动使窗户自动关闭，避免大风损坏室内物品。除了上述自动开、关窗户功能之外，本系统还增加了手动开、关窗户的功能，使本系统更加人性化。关键词：智能家居、多功能智能窗、单片机、传感器IntroductionIntoday'speople'slivinglevelgraduallyimprove,intelligentcontrolhasgraduallyenteredpeople'slife.Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnologyandtheimprovementofpeople'slivingconditions,avarietyofintelligentdevicesinthehomeappliancesappearconstantly.Thewindowtotheresidentslivinginthemoderncityistheimportanceofpeoplealreadyrealizedtheproblem.Asisknowntoall,thewindowofthesmallmainfunctionistoregulatetheindoorenvironment,peopletofeelthemostcomfortablecondition.ButthecurrentwhetherpeopleusetheWindowsopen,closecompletelyrelyonartificialtoimplement.However,completelybyartificialaccordingtoindoorandoutdoortemperatureandtheairconditiontojudgewhethertoopenorclosethewindow,oftenleadtosomeaccidentshappen.Forexample,peopleinasleepingoftenlifedangercausedbytheleakageofpoisonousgas.Peopleathomeandnotforgetclosethewindowwhen,oftenbecauseoftheweathersuddenlythewind,rainandcauseindooritemsdamaged,therefore,researchakindofcanaccordingtodifferentindoorandoutdoorenvironmentcanachieveautomaticopenandclosethewindowoftheautomaticcontrolsystemhasveryrealisticsignificance.ThisdesignpresentsapredominantlyAT89S51multi-functionalsmartwindowsystems.Thisdesigninordertorealizethemulti-functionalintelligentwindow,canactuallybeclassifiedasoneaspectofthesmarthome.IntelligenthouseholdalsocalledSmartHome,usuallyinSmartHomeabroad.ImplicationsandIntelligenthouseholdapproximationofaHomeAutomation,HomeAutomation,electronicFamily(ElecctronicHome,E-Home),DigitalHome,DigitalFamily),theHomeNetwork(H/NetworksforHome),Network,HomeNetwork(Home),IntelligentHome/Building(IntelligentHome/Building),HongKongandTaiwanandotherregionsinChina,andDigitalHome,DigitalHome,etc.Mr.Smarthomeisahouseasaplatform,theuseofintegratedwiringtechnology,networkcommunicationtechnology,securitytechnology,automaticcontroltechnology,audioandvideotechnologytointegratethehouseholdliferelatedfacilities,tobuildefficientresidentialfacilitiesandfamilyscheduleaffairsmanagementsystem,improvehomesecurity,convenience,comfort,artistry,andrealizeenvironmentalprotectionandenergysavinglivingenvironment.Smarthomeisalivingenvironment,isbasedonresidentialplatformequippedwithintelligenthouseholdsystemoflivingenvironment,theprocessofimplementationofthesmarthomesystemiscalledasmarthomeintegration.Themaincomponentsofthissystemisthesingle-chipcontroldevicesandavarietyofdifferenttypes,differentfunctionofsensor,SCMaccordingtothereceivingsensorsignaldetectionmodule,acorrespondingcontrolinstruction,implementopen,close,soundandlightalarm,ventilation,andotherfunctions,toimplementtheintelligentoftheWindowsopen,close.ThesystemmicrocontrolleradoptsATA89S51microcontroller,sensorshumiditysensorselection,toxicgassensors,humanpyroelectricinfraredsensor,speedsensor,etc.,realizethedetectionofvariouskindsofinformation.Motoradoptsdcmotor.Thismulti-functionalintelligentwindowcanrealizethefollowingfunctiondesign:whenitrainsoutside,humiditysensordetectsthesignalandthesignaltransmissiontoarainmicrocontroller,bysinglechipmicrocomputercontroldcmotorrotation,closethewindow.Topreventrainwaterintotheinteriordamagetointerioritems.Whenindoorgasorsmokeconcentrationismorethanacertainconcentration,thetoxicgasdetectionsensor,thesignalistransmittedtoMCU,theMCUbycontrollingthedcmotortomakeWindowsopenautomaticallyandopentheexhaustfan,exhaust.Drivelight-emittingdiodes(leds)andabuzzeralarmatthesametime,toremindthemasterhandlinghazardouseventsintime,preventgaspoisoningandfireaccidents.Whensomeoneillegalinvasion,humanpyroelectricinfraredsensor,thesignalistransmittedtoMCU,MCUdrivelight-emittingdiodes(leds)andabuzzeralarm,anti-thefteffect,avoidindoorpropertylosses.Whenit'swindyoutside,windspeedsensor,thesignalistransmittedtoMCU,MCUdrivedcmotorrotationtoclosethewindowautomatically,preventwinddamageinterioritems.Inadditiontotheautomaticopenandclosethewindowfunction,thissystemalsoincreasedthefunctionofmanualopenandclosethewindow,makethesystemmorehumanized.Keywords:smarthome、theintelligentwindow、SCM、thesensor华北科技学院毕业设计（论文）第64页共61页第63页共61页1绪论课题设计背景当今世界建筑正朝着智能化方向发展，这种发展趋势也正是人类社会文明程度在一定历史时期的体现。多功能智能窗户系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用多功能窗户系统具有重要的现实意义。现在使用的窗户大多数是单纯的推拉式或平移式的，并且与自动控制毫不沾边，更不用说智能化了。如果使窗户具有一定的智能，如下雨则自动关、室内有害气体超标则自动开、有盗贼入内则自动报警等，就会给人们的居家生活带来诸多方便，从而进一步提高人们的生活质量。沿着这样的思路，本文设计了以AT89S51单片机为中央控制器的智能窗。该智能窗系统多功能智能窗发展前景多功能智能窗系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用多功能智能窗系统具有重要的现实意义。该产品可以形成大规模生产，普及全国市场，产生巨大的经济效益。另外，该多功能智能窗还可以广泛应用于宾馆、饭店、写字楼、会议厅、学校、医院等各种公共场所，因此该产品具有广阔的市场前景。其一，改变人们的生活方式。单片机控制的多功能智能窗有丰富的智能化功能，为家庭用户营造了一个高效、舒适、便利、环保的居住环境。该多功能智能窗能自动识别室内外环境并根据环境不同驱动电机正反转，开启或者闭合窗户。给人们日常生活带来极大的方便。这些都将改变人们传统的生活方式，并提高了人们的生活质量。其二，牵动一大批产业。单片机控制的多功能智能窗产品面向家庭用户，其应用市场是庞大的，发展前景也是广阔的，必将吸引大批各类企业介入，从而牵动一大批产业的发展。其三，开拓一个崭新的市场。多功能智能窗系统牵动了许多的行业，有利于其它相关行业的发展。本设计希望开发一种在普通窗的基础上改进的智能关窗装置，该装置装有传感器，能够根据室内外环境自动实现开关窗。因此开发一款基于单片机的多功能智能窗系统是很有必要的。1.3课题内容及章节安排本论文第一章主要介绍了本课题的设计背景以及多功能智能窗的设计意义。第二章为本系统的总体方案设计，主要介绍了本系统要实现的内容以及本系统的程序框图。第三章主要是本系统的硬件设计部分。该部分是本论文的核心部分，该章从各种传感器的介绍、选型以及各个模块电路的设计来进行阐述。主要的电路设计有放大电路的设计、A/D转换电路的设计等。第四章主要本系统的软件设计部分，在此次设计中，系统的软件部分先是分模块编写完成的。所有模块软件都编写完成之后，再把各个模块的程序综合到一块，进行总程序的编写。第五章是电路仿真部分。此次设计过程中，系统的仿真与系统的软件编写是同步进行的。仿真也是分模块进行仿真的，每编写出一个模块的程序，接着进行仿真。最后根据总程序进行整个系统的仿真。2总体方案设计整体方案设计该窗体能够对室外温度、雨水、风压等进行检测，并自动控制窗户开闭，具有以下功能：（1）通风换气功能：当室内的液化气、天然气等可燃气体发生泄漏时，传感器检测到气体信号时，单片机控制板控制报警蜂鸣器立即发出报警声，接着电动机动作，打开窗户将有毒气体排到窗外，这样既有效地防止人中毒，也能避免火灾、爆炸事故的发生。（2）入侵报警功能：如果有人要强行从窗户进入室内，多功能智能窗便会产生声光报警，避免造成财产及安全损失。（3）防雨功能：平时上班或临时加班不能及时关窗、出门在外也总有忘记关窗的时候，遇到下雨时，湿敏传感器检测到下雨信息，单片机控制板控制电动机动作，窗门自动关闭，使您的家用设备遭雨水侵袭，解除户主后顾之忧。此功能特别适合高楼住户。（4）防风功能：当风速大于8m/s时，风速传感器检测风信号，单片机控制板使窗户自动关闭。即使主人不在家，照样将其看管得无微不至，为您营造一个干干净净的环境。窗户会自动关闭。（5）增加了手动按键，实现开窗、关窗功能，使产品更具有人性化。多功能智能窗主体构成该系统是基于51单片机控制多功能智能窗的设计，能根据外界的天气情况和室内空气情况来控制窗体的开启和关闭。系统的主要模块包括：有毒气体检测模块、红外防盗模块、湿度检测模块、风速检测模块、声光报警模块以及电机驱动模块。如果室内发生煤气泄漏，而室内人并没有察觉煤气泄漏，那将对人造成严重的生命危险，因此，本系统把有毒气体检测模块优先级设为最高。根据室内外环境的不同，综合考虑，把红外防盗模块、防雨检测模块、防风检测模块优先级依次顺序降低。其系统框图如图2-1所示。图2-1多功能智能窗系统框图3系统硬件设计随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能更强。在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51系列单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51系列可能最终形成事实上的标准MCU芯片[6]。本设计采用美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机AT89S51。其片内含4Kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大，低价AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT89S51管脚图如图3-1所示图3-1AT89S51管脚图主要性能参数：（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容（2）4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器（3）1000次擦写周期（5）全静态工作模式：0HZ-33MHZ（6）三级程序加密锁（7）128*8字节内部RAM32个可编程I/O口线（8）2个16位定时/计数器（9）6个中断源（10）全双工串行UART通道（11）低功耗空闲和掉电模式（12）中断可从空闲模式唤醒系统（13）看门狗（WDT）及双数据指针（14）掉电标示和快速编程特性（15）灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）管脚说明如下：P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”引脚号第二功能：P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”端口引脚第二功能：P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4TO(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST——复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。时钟电路设计XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周为1/12us，故而一个机器周期为1us。如下图3-2所示为时钟电路图。图3-2时钟电路图复位电路设计单片机在时钟电路工作以后,在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。复位方法一般有上电复位和外部手动复位两种方式。上电复位复位时在单片机接通电源时，对单片机的复位。在上电瞬间RST端与VCC电位相同，随着电容上电压的逐渐上升，RST端电位逐渐下降。上电复位所需的最短时间是震荡器震荡建立时间加2个机器周期。图3-3为外部手动复位电路的电路示意图。防盗报警系统设计此次采用的是外部手动按键复位电路。当需要外部复位时，按下复位按钮S1即可达到复位目的。图3-3外部手动复位电路图3.4防盗报警电路设计3.4.1防盗报警设计思路该模块设计整体思路如下：当有陌生人企图开窗侵入室内偷盗时，该系统能够通过传感器识别出来，并向单片机发送信号，单片机经过数据处理，驱动声光报警电路。从而避免造成财产及安全损失。3.4.2常见红外传感器介绍（1）红外探测器：红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。（2）红外测温产品：HEITRONICS拥有40多年非接触红外测温经验，50多种红外测温仪和非接触红外测温系统可满足不同行业用户的特殊需求,提供最优非接触红外测温解决方案。在高性能和高品质的红外测温产品市场，来自德国的HEITRONICS以其在尖端领域应用中良好的品质纪录，被广泛公认为是世界一流的红外测温产品供应者而受到信任。HEITRONICS系列产品已广泛应用于冶金、玻璃、造纸、纺织、橡胶、木材、制陶、塑料、涂层、沥青、建筑、电子、食品、石化、水泥等工业制造、科学研究和实验领域。(3)压电传感器压电传感器(Piezoelectricsensor)是一种典型的有源传感器,它是以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,电介质表面产生电荷,从而实现外力与电荷量间的转换,达到非电量的电测目的。压电传感器的应用：可分为单向力,双向力和三向力传感器。压电传感器的物理基础是压电效应,压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出,即根据输出电压或电荷的大小和极性,就可确定作用力的大小和方向。由此可见,压电传感器可以直接用于测力,或测与力相关的压力、位移、振动加速度等。(4)磁电传感器磁电传感器可分为两大类,一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感应式传感器,一类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器。磁敏管的应用:不但具有很高的磁灵敏度,同时能识别磁场极性；而且体积小功耗低,因而具有广泛的应用前景。（5）光电传感器光电传感器(Photoelectricsensor)是一种将光信号转换成电信号的装置,它具有结构简单、性能可靠、精度高、反应快等优点,在现代测量和自动控制系统中,应用非常广泛,是一种很有发展前途的新型传感器（6）人体热释电红外传感器在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。（7）无线红外传感器无线红外传感器又名无线红外探测器，无线智能幕帘/广角红外探测器采用美国军用红外传感器进行信号采集探测与摩托罗拉芯片组合集成单片机智能技术控制，自动温度补偿、微电流省耗、无误报、无漏报、探测距离远、工作稳定、性能可靠、外形精巧、美观大方。机内设置电源外拨开关，外出设防可以接通电源，达到更加省电的效果。它是根据人体红外光谱而工作，当人体在其接收范围内活动时，探测器输出报警信号，广泛用于银行、仓库和家庭等场所的安全防范。它是目前可靠性较高的产品，红外探测部分采用报警器用传感器和红外专用处理IC。高频发射部分采用最新声表面（S）稳频技术，配合成熟的外围电路，使得产品具有红外探测灵敏度好、误报率低、高频发射频率稳定、发射功率大的特点。3.4.3RE200B工作原理在本次设计中，此模块的核心元件是热释电红外传感器。这里选用传感器的型号为RE200B。下面将对热释电红外传感器的工作原理以及RE200B做详细介绍。热释电红外线(PIR)传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件，是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。本设计所用的热释感器就采用这种双探测元的结构。其工作原理为：在VCC电源端利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过NPN的转化，输出OUT为低电平。热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。其工作电路原理及设计电路如图3-4所示,图3-4热释电红外传感器原理图热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达104MΩ，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数制成的探测元件，在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。人体辐射的红外线中心波长为9--10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2--20um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7--10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同不能抵消，经信号处理而输出电压信号。目前常用的热释电红外传感器型号主要有P228、LHI958、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、PD632等。热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端（内部开关管D极，DRAIN)、信号输出端（内部开关管S极，SOURCE）、接地端（GROUND)。本设计传感器采用双元热释电红外传感器RE200B，该传感器翻用热释电材料极化随温度变化的特殊探测红外辐射，并采用双灵敏元互补方法抑制干扰，以提高传感器的工作温度。传感器RE200B内部电路图如下：D脚接工作电压，其工作电压低且范围宽（2.2-15V）；S脚为输出源极电压；GND脚为接地。如图3-5所示，为热释电红外传感器RE200B的内部电路框图。图3-5热释电红外传感器RE200B的内部电路框图热释电红外传感器RE200B的主要工作参数：工作电压：常用工作电压范围为3~15V；~14um；~1.1V，R约为47kΩ；输出信号电压：通常大于2.0V；检测距离：检测距离约为6~10m；工作温度范围：-10℃~40℃。3.4.4放大电路设计如下图3-6所示，为放大电路设计图。在电路中，当热释电红外传感器接收到人体信号时，输出一个微弱的低频电信号，其大小仅1mV，频率约为0.3Hz到3Hz，需要通过三极管放大至70dB~75dB。晶体管S9014是NPN三极管，其Ic静态工作电流达100mA，放大倍数最大可达1000倍。R2可以给S9014提供静态基极电压。放大后的信号由C3耦合至反相器74LS04输入端。图3-6放大电路图74LS04反相器输出的是TTL电平，若探测器检测到有信号输入，输出低电平，即逻辑信号0，经过51单片机处理，将产生报警。若无信号输入，则持续输出高电平，即逻辑信号1，经过51单片机处理，将不产生报警。3.4.5声光报警电路设计声光报警电路包括两部分组成：声音报警电路和光报警电路。具体电路图分别如图3-7和图3-8所示：图3-7声音报警电路图3-8光报警电路用一个Speaker、继电器、三极管和电阻接到单片机的TXD引脚上，外接VCC，构成声音报警电路，当与单片机连接的引脚被置高电平后，蜂鸣器会发声报警。由一个发光二极管接上电阻后连上单片的的引脚，外接VCC，就构成了光报警电路。当与单片机连接的引脚被置低电平后，发光二极管D2被点亮，起到光报警作用。防盗报警电路模块的整个电路图如图3-9所示：图3-9防盗报警电路图其中D1是正常工作指示灯，D2是起报警指示作用，当MM脚被置低电平时，D2亮表示红灯开始报警，同样，KK脚置高电平时声音报警电路开始工作。电路中按键S2键作为中止/暂停键,按下S2按键时，模拟的是当声光报警电路开始工作时，室内主人通过声光报警电路得知有人入侵偷盗，得知此情况后，主人就可以关闭声光报警了。当然，在实际设计中S2按键安装的位置必须隐蔽一些，最好安装在一个只有房主知道而其他人不知道的的隐蔽部位。如若不然，当有人入室盗窃时，声光报警电路刚工作，而盗贼势必会关闭报警电路，如果S2按键安装在一个显眼的位置的话，恰巧又迅速被盗贼按下。那么短时间的声光报警可能不能让房主察觉到有人入室偷盗。这样一来，会对室内财产及安全的损失造成严重威胁。3.5湿度检测电路设计湿度检测电路设计思路湿度检测电路模块实现的功能是：当系统检测到室外下雨时，系统能够驱动电机，实现关闭窗户的功能，从而避免对室内的电器、摆设等物品造成不必要的损害。此模块选用的传感器型号为DHT11。通过软件设置一个阈值，DHT11将检测到的室外相对湿度值传递到单片机，单片机将此值与事先设定的阈值比较，如果相对湿度值大于阈值，则单片机驱动电机，使电机带动窗体运动，从而实现关闭窗体的功能。常见湿度传感器介绍湿度传感器，基本形式都为利用湿敏材料对水分子的吸附能力或对水分子产生物理效应的方法测量湿度。有关湿度测量，早在16世纪就有记载。许多古老的测量方法，如干湿球温度计、毛发湿度计和露点计等至今仍被广泛采用。现代工业技术要求高精度、高可靠和连续地测量湿度，因而陆续出现了种类繁多的湿敏元件。湿敏元件主要分为二大类：水分子亲和力型湿敏元件和非水分子亲和力型湿敏元件。利用水分子有较大的偶极矩，易于附着并渗透入固体表面的特性制成的湿敏元件称为水分子亲和力型湿敏元件。例如，利用水分子附着或浸入某些物质后，其电气性能（电阻值、介电常数等）发生变化的特性可制成电阻式湿敏元件、电容式湿敏元件；利用水分子附着后引起材料长度变化，可制成尺寸变化式湿敏元件，如毛发湿度计。金属氧化物是离子型结合物质，有较强的吸水性能，不仅有物理吸附，而且有化学吸附，可制成金属氧化物湿敏元件。这类元件在应用时附着或浸入被测的水蒸气分子，与材料发生化学反应生成氢氧化物，或一经浸入就有一部分残留在元件上而难以全部脱出，使重复使用时元件的特性不稳定，测量时有较大的滞后误差和较慢的反应速度。目前应用较多的均属于这类湿敏元件。另一类非亲和力型湿敏元件利用其与水分子接触产生的物理效应来测量湿度。例如，利用热力学方法测量的热敏电阻式湿度传感器，利用水蒸气能吸收某波长段的红外线的特性制成的红外线吸收式湿度传感器等。湿度传感器主要有以下几种类型：（1）电解质湿敏传感器利用潮解性盐类受潮后电阻发生变化制成的湿敏元件。最常用的是电解质氯化锂（LiCl）。从1938年顿蒙发明这种元件以来，在较长的使用实践中，对氯化锂的载体及元件尺寸作了许多改进，提高了响应速度和扩大测湿范围。氯化锂湿敏元件的工作原理是基于湿度变化能引起电介质离子导电状态的改变，使电阻值发生变化。结构形式有顿蒙式和含浸式。顿蒙式氯化锂湿敏元件是在聚苯乙烯圆筒上平行地绕上钯丝电极，然后把皂化聚乙烯醋酸酯与氯化锂水溶液混合液均匀地涂在圆筒表面上制成，测湿范围约为相对湿度30%。含浸式氯化锂湿敏元件是由天然树皮基板用氯化锂水溶液浸泡制成的。植物的髓脉具有细密的网状结构，有利于水分子的吸入和放出。70年代研制成功玻璃基板含浸式湿敏元件，采用两种不同浓度的氯化锂水溶液浸泡多孔无碱玻璃基板（孔径平均500埃），可制成测湿范围为相对湿度20～80%的元件。氯化锂元件具有滞后误差较小，不受测试环境的风速影响，不影响和破坏被测湿度环境等优点，但因其基本原理是利用潮解盐的湿敏特性，经反复吸湿、脱湿后，会引起电解质膜变形和性能变劣，尤其遇到高湿及结露环境时，会造成电解质潮解而流失，导致元件损坏。（2）高分子材料湿敏传感器利用有机高分子材料的吸湿性能与膨润性能制成的湿敏元件。吸湿后，介电常数发生明显变化的高分子电介质，可做成电容式湿敏元件。吸湿后电阻值改变的高分子材料，可做成电阻变化式湿敏元件。常用的高分子材料是醋酸纤维素、尼龙和硝酸纤维素等。高分子湿敏元件的薄膜做得极薄，一般约5000埃，使元件易于很快的吸湿与脱湿,减少了滞后误差，响应速度快。这种湿敏元件的缺点是不宜用于含有机溶媒气体的环境，元件也不能耐80℃（3）金属氧化物膜湿敏传感器许多金属氧化物如氧化铝、四氧化三铁、钽氧化物等都有较强的吸脱水性能，将它们制成烧结薄膜或涂布薄膜可制作多种湿敏元件。把铝基片置于草酸、硫酸或铬酸电解槽中进行阳极氧化，形成氧化铝多孔薄膜，通过真空蒸发或溅射工艺，在薄膜上形成透气性电极。这种多孔质的氧化铝湿敏元件互换性好，低湿范围测湿的时间响应速度较快，滞后误差小，常用于高空气球上测湿。四氧化三铁胶体的优点是固有电阻低，长期置于大气环境表面状态不会变化，胶体粒子间相互吸引粘结紧密等。它是一种价廉物美，较早投入批量生产的湿敏元件，在湿度测量和湿度控制方面都有大量应用。（4）半导体陶瓷湿度传感器如MgCr2O4-TiO2湿敏传感器．它们主要利用陶瓷烧结体微结晶表面在吸湿和脱湿过程中电极之间电阻的变化来检测相对湿度。陶瓷烧结体微结晶表面对水分子进行吸湿或脱湿时，引起电极间电阻值随相对湿度成指数变化，从而湿度信息转化为电信号。这类传感器适合于高温和高湿环境中使用，也是目前在高温环境中测湿的少数有效传感器之一。（5）超声波式湿度传感器超声波在空气中的传播速度与温度、湿度有关，利用这一特性可制成超声波式湿度传感器。传感器由超声波气温计和铂丝电阻测温计组成，前者的测量数据与湿度有关，后者的测量数据只与温度有关，按照超声波在干燥空气和含湿空气中的传播速度可计算出空气的绝对湿度。超声波湿度传感器有很多优点，它的测湿数据比较准确，响应速度快，可以测出某一极小范围的绝对湿度而不受辐射热的影响。这种传感器尚处于研制阶段。（6）热敏电阻式湿度传感器利用热敏电阻作湿敏元件。传感器中有组成桥式电路的珠状热敏电阻R1和R2,电源供给的电流使R1、R2保持在200℃左右的温度。其中R2装在密封的金属盒内，内部封装着干燥空气，R1置于与大气相接触的开孔金属盒内。将R1先置于干燥空气中，调节电桥平衡，使输出端A、B间电压为零，当R1接触待测含湿空气时，含湿空气与干燥空气产生热传导差，使R1受冷却，电阻值增高，A、B间产生输出电压，其值与湿度变化有关。热敏电阻式湿度在本系统中考虑到用数字型湿度传感器较用模拟型湿度传感器电路简单，可以省去A/D转化模块，所以这里采用的湿度传感器为电阻式数字温湿度传感器DHT11。下面将对DHT11进行详细介绍。3.5.3DHT11工作原理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DHT1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。DHT11温湿度传感器性能说明如表3-1所示：参数条件MinTypMax单位湿度分辨率111%RH16Bit重复性±1%RH精度25±4%RH0－50±5%RH互换性可完全互换量程范围03090%RH252090%RH502080%RH响应时间1/e(63%)25℃，1m/s空气61015S迟滞±1%RH长期稳定性典型值±1%RH/yr温度分辨率111℃161616Bit重复性±1℃精度±1±2℃量程范围050℃响应时间1/e(63)630S表3-1DHT11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扩展，现读出为零。操作流程如下：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+8bi温度整数数据+8bit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。总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。图3-10总信号表示方法总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1。格式见下面图示。如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。图3-11数字0信号表示方法

图3-12数字1信号表示方法由于采用DHT11数字温湿度传感器，电路不用考虑A/D转换，也不需要放大电路的设计，所以湿度检测电路模块相比其他模块来讲比较简单，不需要考虑放大电路环节的具体电路设计，只需设计指定DATA与数字传感器相连即可，此模块的电路原理图如图3-13所示：图3-13湿度检测电路图3.6风速检测电路设计风速是本系统需要采集的一个参数，由于机械式的风速传感器响应时间比较长，体积大，而且价格比较贵，要在窗体外边装置一个体积大的机械式风速传感器不但影响美观且造价较高，考虑到本课题研究的多功能智能窗是在原有窗体上进行改装，不需要把窗体外形变动特别大。因此风速检测电路模块要电路简单，精度高，体积小，成本低，容易实现。风速检测电路设计思路按照本设计的要求，风速检测电路模块实现的功能是：当系统检测到室外风速大于8m/s时，系统能够驱动电机，电机带动窗体实现关闭窗户的功能，避免大风将风沙吹入室内。本模块的具体工作流程为：压力传感器把风对它的压力转换成电信号，这个电信号是很微弱的，需要经过放大处理得到一个大的电压值，由于此电压值为模拟量，因此需要在放大电路与单片机之间接入A/D转化模块，将模拟量转化成数字量，然后将数据送入单片机，与事先设定好的阈值进行比较，如果传输来的数据大于阈值，则单片机会驱动电机，使电机带动窗体运动，实现关窗功能。常见风速传感器介绍风速传感器是将空气的流动速度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。下面将对几种风速传感器进行简单介绍：（1）风杯式风速计：它是最常见的一种风速计。转杯式风速计最早由英国J.T.R.鲁宾孙发明(1846)，当时是四杯,后来改用三杯。三个互成120度固定在架上的抛物形或半球形的空杯都顺一面，整个架子连同风杯装在一个可以自由转动的轴上。在风力的作用下风杯绕轴旋转，其转速正比于风速。转速可以用电触点、测速发电机或光电计数器等记录。当风杯转动时，通过主轴带动多齿转盘旋转，使下面光敏三极管接收上面发光二极管照射下来的光线，处于导通或截止状态，形成与风杯转速成正比的频率信号，通过计数器计数，换算后得到实际风速值。（2）热敏式风速计：基于热原理的硅风速传感器，在流体中存在一个热源，通过测量热源周围的温度场分布或热源的热损失，来得到关于流体的信息。硅的热流量传感器有三种工作原理分别为热损失型风速传感器，热温差型风速传感器以及热脉冲型风速传感器热损失型风速传感器一般含有一个单元，其同时作为加热单元和测温单元，热损失型风速传感器测量单个加热单元的总的热损失量。因为大多数材料的电阻率随温度而变化，所以，可以通过测量电阻的变化反映风速的大小。热损失型风速传感器可以工作在恒功率和恒温差两种工作方式。在恒功率下，通过测量加热单元的温度而得到风速大小，恒功率的反应时间取决于加热单元的热电容和传热速率。热温差型一般含有一个加热单元和两个对称的测温单元，当加热表面被不一致的冷却时，对称测温单元能测量对称点的温度，其温度差和风速成一定的函数关系，同时温差的正负符号反映风向的信息；热脉冲型则通过测量脉冲在流体中传输速度反映流体的速度。热线风速计在小风速时灵敏度较高，适用于对小风速测量。（3）皮托管式风速计：标准皮托管是一根弯成直角的金属细管,它由感测头、外管、内管、管柱与全压、静压引出导管等组成。在皮托管头部的顶端,迎着来流开有一个小孔,小孔平面与流体流动方向垂直。在皮托管头部靠下游的地方,环绕管壁的外侧又开了多个小孔,流体流动的方向与这些小孔的孔面相切。顶端的小孔与侧面的小孔分别与两条互不相通的管路相连。进入皮托管顶端小孔的气流压力(称为全压),除了流体本身的静压,还含有流体滞止后由动能转变来的那部分压力,而进入皮托管侧面小孔的气流压力仅仅是流体的静压,根据全压和静压即可求出动压,从而求出流体的流速。（4）超声波式风速计：当超声波在空气中传播时，受到风速的影响，顺风和逆风情况下存在一个时间差，基于这个原理可制成的时差法超声波风速测量仪表。采用超声波进行气体流速测量可以采用三种形式时差法、多普勒法和涡街风速测量。时差法是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速的，最早应用于超声波流量计，它适用于大、中口径管道及敞开水道流量的测量，此法受温度影响比较大。多普勒法适用于不洁净流体的测量，而涡街法适用于管道流体流速的测量。（5）压力式风速计:当风在传播过程中，对阻碍它前进的物体会有一个压力，利用风对阻碍它传播而产生的压力可以制成一个压力传感器。压力传感器把风对它的压力转换成电信号，根据电信号的大小来求出风速的大小。(6)光电式风速计:光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。当风在传播时，风速带动电动机旋转，光电码盘与电动机同轴，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速，从而求出风速值。SM5551-001-D工作原理由于风的压力是小于2KP的，所以要选用一个微压传感器，本系统所用的传感器类型即为压力传感器。这里选用美国的SMI系列硅微压传感器SM5551-001-D。硅微压传感器是当今传感器发展的前沿技术，硅半导体传感器因其体积小、重量轻、成本低、性能好、易集成等优点得到广泛的应用。能敏感微小被测量，可制成血压压力传感器。SMI硅微压传感器是价位低、线性度在0.1%到0.65%范围内的硅微压力传感器，最低满量程0.15psi(1KPa)被列为超低压力测量范围。其以硅为材料制成，具有独特的三维结构，采用轻细微机械加工和多次蚀刻制成惠斯通电桥于硅膜片上，当硅片上方受力时产生变形，电阻产生压阻效应而失去电桥平衡，输出与压力成比例的电信号。SM5551-001-D压力传感器是一种将压力转换成电压的器件，可用于测量压力、位移等物理量。此压力传感器的量程是2KP，输入电压是5V，最大电压时10V，最大输出电流是3mA。它的输出电压是25mv到75mv。SM5551-001-D特性：（1）无需校准即能提供线性度优于1%的传感信号，因此是一种性能优越、集成化的单片硅器件。（2）使用了一套专门设计的软件由计算机对传感器作静态和动态仿真，并进一步计算压力传感器芯片的尺寸，使灵敏度和线性度满足预定要求。在生产方面，官方采用双板、CMOS或EPROM等成功的工艺，从而提高器件的可靠性、增加成品率并降低成本。放大电路设计放大器的选择好坏对提高测量精度也十分关键，这里选用LM324。LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3-14。图3-14LM324引脚图参数描述：运放类型:低功率放大器数目:4带宽:1.2MHz针脚数:14工作温度范围:0°Cto+封装类型:SOIC3dB带宽增益乘积:1.2MHzμs器件标号:324器件标记:LM324AD增益带宽:1.2MHz工作温度最低:0°工作温度最高:70°放大器类型:低功耗温度范围:商用电源电压最大:32V电源电压最小:3V芯片标号:324表面安装器件:表面安装输入偏移电压最大:7mV运放特点:高增益频率补偿运算逻辑功能号:324额定电源电压,+:15VLM324的特点：1.短路保护输出2.真差动输入级3.可单电源工作：3V-32V4.低偏置电流：最大100nA5.每封装含四个运算放大器。6.具有内部补偿的功能。7.共模范围扩展到负电源8.行业标准的引脚排列9.输入端具有静电保护功能放大器LM324电路接线如图2.8所示：图3-15LM324电路图3.6.5AD转换电路设计在本次设计之初所用的AD转化电路芯片为ADC0809，但是后来考虑到ADC0809与单片机连接所需管脚数量较多，实现其它模块功能时管脚不够用，所以最终AD转化模块所选用的芯片放弃了ADC0809而用DS2450代替。DS2450和ADC0809相比，与单片机相连所用管脚数量大大降低，这样就可以用单片机其它管脚实现其它模块的功能，充分利用单片机的管脚。DS2450是美国达拉斯（Dallas）半导体公司于1999年新推出的一线式4通道逐次逼近式A/D转换器，其输入电压范围、转换精度位数、报警门限电压可编程；每个通道有各自的存储器以存储电压范围设置、转换结果、门限电压等参数；普通方式下串行通信速率达16.3kbps，超速工作时速率达142kbps，片内16位循环冗余校验码生成器可用于检测通信的正确性。DS2450采用8引脚SOIC小体积封装形式，如图3-16所示：图3-16DS2450管脚图其管脚功能如下：

1脚（VDD）：工作电源接入端2脚（NC）：空引脚3脚（DATA）：串行数据输入/输出端4脚（GND）：接地端

5脚（A0）：A路模拟电压输入端6脚（A1）：B路模拟电压输入端7脚（A2）：C路模拟电压输入端8脚（A3）：D路模拟电压输入端DS2450既可用单5V电源供电，也可采用寄生电源方式供电。电路正常工作时仅消耗2.5mW功率，不工作时消耗25μW。多个DS2450或其他功能的具有MicroLAN接口的一线式芯片可以并联，CPU只需一根端口线就能与诸多一线式芯片通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。DS2450的内部结构如图3-17所示：图3-17DS2450内部结构图光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS2450的地址序列码；64位光刻ROM的排列是：开始8位（20H）是产品类型标号，接着的48位是该DS2450自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8＋X5＋X4＋1）。光刻ROM的作用是使每一个一线式器件的地址都各不相同，以便实现一根总线上挂接多个一线式电路。

对于一线端口，在ROM功能建立之前，其它功能是无法实现的。总线控制器必须首先通过DATA引脚对DS2450提供7个ROM功能控制命令（8位）之一：（1）读ROM，命令字[33H]；（2）匹配ROM[55H]；（3）搜索ROM[F0H]；（4）跳过ROM[CCH]；（5）条件搜索ROM[ECH]；（6）超速跳过ROM[3CH]；（7）超速匹配ROM[69H]。其中，超速跳过ROM或超速匹配ROM命令执行后，串行通信速率可高达142kbps。如果多个器件连接在一线上，这些命令对每个器件的64位ROM部分进行操作，并挑选出一个特定的器件。对选中的DS2450，执行下一步的A/D转换控制命令以及读写存储器的命令，所有命令或数据的读/写均从最低位开始。风速检测电路整个电路图如图3-18所示。压力传感器SM5551-001-D将室外风速信号转换成电信号，此电信号经过LM324放大得到一个幅值较大的电压信号，此电压信号为模拟信号，需经过DS2450转换成数字信号后再与单片机的P1.0口连接，单片再根据DS2450送来的数字信号跟事先设置好的阈值比较。若此值大于阈值，则驱动电机带动窗体，实现关窗功能，否则单片机不驱动电机带动窗体运动。图3-18风速检测模块电路图有毒气体检测电路设计有毒气体检测电路的具体设计跟风速检测电路的设计是一样的。此模块的核心元件是烟雾传感器，烟雾传感器输出信号与风速传感器的输出信号一样，也是比较微弱的，需要经过前置电路对其进行放大和A/D转换之后才满足单片机对输入信号的要求。此模块需要实现的功能是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能和启动排气扇工作的功能。3.7.1有毒气体检测电路设计思路此模块具体工作流程为：当室内烟雾浓度达到一定值时，烟雾报警器将烟雾信号转换为模拟的电信号，模拟电信号经过前置放大电路放大，然后通过A/D转换，将放大的模拟电信号转换成数字信号送入单片机，单片机对该数字信号进行处理分析，判断是否大于某个预设值，此预设值即为报警限。如果大于则启动声光报警电路发出声光报警，这里声光报警要区别防盗报警模块的声光报警，本次设计中使用的声光报警电路是一个电路，但是为了使防盗报警和有毒气体报警有所差别，需要在软件中对此进行区别，可以设置两个模块声光报警电路的频率不同，这样一来不同情况下产生的声光报警就不同。具体表现在两种情况下LED报警灯的闪烁快慢不同和蜂鸣器发出声响不同。在启动声光报警的同时，单片机还驱动电机关闭窗户。并发出信号使继电器闭合，开启排气扇。达到降低室内有毒浓度的目的。在这个模块设计之初，当室内有毒气体浓度值大于没有考虑到开启排气扇，只是让单片机驱动电机开启窗户，让室内的有毒气体通过窗户排出室外。后来发现当风向向室内时（即风往室内灌），单独开启窗户不会降低室内有毒气体浓度。因此，在后来的设计中，系统只要检测到有毒气体浓度大于预设值时，单片机需要做两件事情：开启窗户并启动排气扇。这样一来，无论室外风向如何，系统都可以通过排气扇排出室内有毒气体，降低有毒气体浓度。3.7.2常见烟雾传感器介绍烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。由此可见，传感器的选型是非常重要的。常见烟雾传感器主要有以下几种。（1）半导体烟雾传感器半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。自1962年半导体金属氧化物烟雾传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的烟雾传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。（2）固体电解质烟雾传感器固体电解质烟雾传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过烟雾时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体烟雾传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测烟雾范围有限，在检测环境污染领域中有优势。（3）接触燃烧式传感器当易燃烟雾接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式烟雾传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持300°C~（4）高分子烟雾传感器利用高分子气敏材料制作的烟雾传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定烟雾时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性烟雾和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子烟雾传感器具有对特定烟雾分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它烟雾传感器的不足。（5）电化学传感器电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。烟雾浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性烟雾检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。（6）热传导传感器热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标烟雾传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标烟雾热传导率的函数，而对于一种给定的烟雾或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。3.7.3MQ-2工作原理半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。MQ-2型传感器的结构图和外观图分别如图3-19和图3-图3-19MQ-2型传感器的结构图3-20MQ-2型传感器的外观MQ-2型传感器的特性及主要技术指标（1）MQ-2型传感器的一般特点MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。（2）MQ-2型传感器的基本特性灵敏度特性：烟雾传感器在最佳工作条件下，接触同一种烟雾，其电阻值RS随气体浓度变化的特性称之为灵敏度特性，用K表示。K=RS/R0(2-1)式中，R0为烟雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中的电阻值。虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性K的值也会各有差异，但是它们都遵循同一规律，logRS=mlogC+n（3-1）式（3-1）中，m为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于烟雾，m值为1/2~1/3；C为检测烟雾的浓度。n为与检测烟雾，器件材料有关，并随测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。 初期稳定特性：半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能立即投入正常工作。这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻才能正常工作。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初期稳定时间。一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电存放时间达到15天左右时，初期稳定时间一般需要5分钟左右。加热特性：半导体烟雾传感器一般要在较高的温度(200~450°C)下工作，所以需要对其加热。由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相接，当加热丝局部短路造成器件过热或放电时，可能引发事故。所以必