基于51單片機(jī)控制的智能自動窗的設(shè)計(jì)說明

...PAGE３４/NUMPAGES42...工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 論文題目：自動窗設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部容。作者簽名：日期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期：年月日學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評價(jià)：一、撰寫（設(shè)計(jì)）過程1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神□優(yōu)□良□中□與格□不與格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識、技能的扎實(shí)程度□優(yōu)□良□中□與格□不與格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力□優(yōu)□良□中□與格□不與格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性□優(yōu)□良□中□與格□不與格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況□優(yōu)□良□中□與格□不與格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)？□優(yōu)□良□中□與格□不與格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂與附件）？□優(yōu)□良□中□與格□不與格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□與格□不與格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□與格□不與格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□與格□不與格建議成績：□優(yōu)□良□中□與格□不與格（在所選等級前的□畫“√”）指導(dǎo)教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日評閱教師評閱書評閱教師評價(jià)：一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)？□優(yōu)□良□中□與格□不與格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂與附件）？□優(yōu)□良□中□與格□不與格二、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□與格□不與格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□與格□不與格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□與格□不與格建議成績：□優(yōu)□良□中□與格□不與格（在所選等級前的□畫“√”）評閱教師：（簽名）單位：（蓋章）年月日教研室（或答辯小組）與教學(xué)系意見教研室（或答辯小組）評價(jià)：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見解的敘述情況□優(yōu)□良□中□與格□不與格2、對答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況□優(yōu)□良□中□與格□不與格3、學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài)□優(yōu)□良□中□與格□不與格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)？□優(yōu)□良□中□與格□不與格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂與附件）？□優(yōu)□良□中□與格□不與格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□與格□不與格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？□優(yōu)□良□中□與格□不與格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平□優(yōu)□良□中□與格□不與格評定成績：□優(yōu)□良□中□與格□不與格（在所選等級前的□畫“√”）教研室主任（或答辯小組組長）：（簽名）年月日教學(xué)系意見：系主任：（簽名）年月日目錄TOC\o"1-6"\h\z\u摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Keywords1引言11總體方案的設(shè)計(jì)11.1本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和容21.2智能窗的總體構(gòu)成22機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)42.1自動開關(guān)窗機(jī)械傳動形式設(shè)計(jì)42.1.2齒輪齒條參數(shù)選擇42.2窗框與窗扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)42.2.1窗框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)42.2.2窗扇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)42.2.3步進(jìn)電機(jī)滑槽設(shè)計(jì)52.3180°旋轉(zhuǎn)工作流程示意圖63自動控制系統(tǒng)主要硬件的設(shè)計(jì)73.1單片機(jī)選型73.1.1單片機(jī)發(fā)展過程73.1.2單片機(jī)發(fā)展趨勢73.1.3AT89S51單片機(jī)簡介83.2數(shù)據(jù)檢測傳感器的選擇83.2.1數(shù)據(jù)檢測傳感模塊組成83.2.2傳感器選型與電路83.3A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)123.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的選型123.3.2ADC0809部功能與引腳介紹123.3.3A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)143.4語音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)153.4.1語音錄放電路的設(shè)計(jì)153.4.2揚(yáng)聲器驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)163.5行程開關(guān)174紅外線遙控開關(guān)的設(shè)計(jì)184.1紅外線簡介184.2遙控方案設(shè)計(jì)184.3成品紅外接收頭194.4編碼器和譯碼器的選擇204.5紅外遙控發(fā)射電路的設(shè)計(jì)224.6紅外遙控接收電路設(shè)計(jì)234.7電源電路的設(shè)計(jì)245動力源的選型與設(shè)計(jì)255.1步進(jìn)電機(jī)選型255.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)256系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)267結(jié)術(shù)語28參考文獻(xiàn)29致30基于51單片機(jī)控制的智能窗的設(shè)計(jì)機(jī)械電子工程專業(yè)學(xué)生王凱指導(dǎo)教師侯建華摘要：我們現(xiàn)在使用的窗戶大部分采用人工關(guān)閉方式，不具有自動防盜、防雨、防煤氣中毒等人性化的功能；平時(shí)我們外出時(shí)經(jīng)常忘記關(guān)閉窗戶，遇上下雨時(shí)，雨水會進(jìn)入室，對室的電器、擺設(shè)等物品造成不必要的損害。晚上睡覺時(shí)我們通常把窗戶關(guān)死，一旦燃?xì)獍l(fā)生泄漏，由于室不透氣造成窒息中毒致殘、致死的事件時(shí)有發(fā)生。為了防盜，我們一般在窗戶外面安裝防護(hù)欄，但如今很多城市為了美化市容通常不允許安裝防盜窗。再者，現(xiàn)在使用的窗戶大多數(shù)是單純推拉式或平移式的，這給在樓層高的住戶擦拭玻璃帶來很大困難。本文借助三維建模軟件Solidworks、單片機(jī)、電子電路與傳感器的知識設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)清晨自動開窗、防雨、智能防盜和可燃性氣體泄漏時(shí)報(bào)警并開窗，以與實(shí)現(xiàn)窗扇180°轉(zhuǎn)向的智能窗，從而可解決現(xiàn)實(shí)生活中存在的很多問題。本智能窗的設(shè)計(jì)本著安全、方便、節(jié)能、人性化的原則進(jìn)行，可使現(xiàn)代生活顯著提高[7]。關(guān)鍵詞：防風(fēng)雨、防盜；51單片機(jī)；窗扇的180°旋轉(zhuǎn)；智能51single-chipmicrocomputercontrolbasedonthedesignoftheintelligentwindowStudentmajoringinMechanicalandelectricalengineeringWangKaiTutorHouJianHuaAbstract：Wenowusethewindowsclosedmostoftheartificialmeans,doesnothaveautotheft,rain,wind,anti-gaspoisoningandotherpersonalizedfeatures;normallyclosedweoftenforgetwhentheygooutthewindow,encounteredbadweather,sandandrainwillentertheroom,andindoorappliances,furnishingsandotheritemscausingunnecessarydamage.Usuallyatnightwhenweclosedthewindows,oncethegasleak,poisoning,suffocationcausedbyindoorairtightdisabled,thefrequentoccurrenceofdeath.Forsecurity,weusuallyinstallthefenceoutsidethewindow,butnowmanyofthecitiestobeautifythecityusuallydonotallowtheinstallationofsecuritywindow.Moreover,thewindowsaremostlyusedpush-pullorpan-style,givingthefloorahighhouseholdcleaningglassmoredifficult.Wedesignedthesmartwindowcanbeachievedearlyinthemorningautomaticallyopenthewindow,automaticwind,rain,smartsecurityandcombustiblegasleakalarmwindow,andtheachievementoftheoverallwindowsash180°freedomofdirectionandrelativerotationbetweenthetwosashes,inordertoaddresstherealitylifeoftheaforementionedproblems.Thesmartwindowdesigninlinewithsafe,convenient,energysaving,theprincipleofhumanity,cansignificantlyimprovemodernlife.Keywords:Preventrain，anti-theft;；51SCM；180°rotate.Casement；Intelligentwindow.引言:當(dāng)今世界建筑正朝著智能化方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢也正是人類社會的文明程度在一定歷史時(shí)期的體現(xiàn)。但現(xiàn)在使用的窗戶大多數(shù)是單純的推拉式或平移式的，并且與自動控制毫不沾邊,更不用說智能化了。如果使窗戶具有一定的智能,如下雨則自動關(guān)、室有害氣體超標(biāo)則自動開、有盜賊入則自動報(bào)警等,就會給人們的居家生活帶來諸多方便,從而進(jìn)一步提高人們的生活質(zhì)量。再者，這給在樓層高的住戶擦拭玻璃帶來很大困難。沿著這樣的思路,我們設(shè)計(jì)了以AT89S51單片機(jī)為中央控制器的智能窗。該智能窗能通過其數(shù)據(jù)檢測傳感電路不斷循環(huán)檢測室濕度、有害氣體(如媒氣)濃度等信號，經(jīng)處理后傳入單片機(jī)。單片機(jī)對信號進(jìn)行運(yùn)算，然后與由預(yù)先設(shè)置的參數(shù)臨界值相比較,從而作出開/關(guān)窗的判斷,再結(jié)合窗狀態(tài)檢測電路所檢測到的當(dāng)前窗狀態(tài),再輸出脈沖信號調(diào)整步進(jìn)電機(jī)，完成下雨刮風(fēng)自動關(guān)窗、室有害氣體超標(biāo)自動開窗等。1總體方案的設(shè)計(jì)1.1本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和容1、自動開關(guān)窗：明媚的早上光敏晶體管感光通過單片機(jī)控制板自動打開窗戶，更新室空氣；傍晚太陽落下時(shí)窗子自動關(guān)閉；2、自動防風(fēng)：當(dāng)風(fēng)速超過8m/s時(shí)，風(fēng)速傳感器檢測信號，單片機(jī)控制板使窗戶自動關(guān)閉。即使主人不在家，照樣將其看管得無微不至，為您營造一個(gè)干干凈凈的環(huán)境。3、自動防雨：平時(shí)上班或臨時(shí)加班不能與時(shí)關(guān)窗、出門在外也總有忘記關(guān)窗的時(shí)候，遇到下雨時(shí)，濕敏傳感器檢測到下雨信息，單片機(jī)控制板控制電動機(jī)動作，窗門自動關(guān)閉，使您的家用設(shè)備遭雨水侵襲，解除您的后顧之憂。此功能特別適合高樓住戶。4、防盜：如遇上小偷觸碰窗戶，振動傳感器檢測到振動信號后，單片機(jī)控制板控制窗戶上的喇叭播放“抓賊了，在﹡單元﹡號”的報(bào)警聲，接著電動機(jī)動作，關(guān)閉窗戶，避免造成財(cái)產(chǎn)與安全損失。5、防可燃性氣體泄漏：當(dāng)室的液化氣、天然氣等可燃?xì)怏w發(fā)生泄漏時(shí)，傳感器檢測到氣體信號時(shí)，單片機(jī)控制板控制報(bào)警蜂鳴器立即發(fā)出報(bào)警聲，接著電動機(jī)動作，打開窗戶將有毒氣體排到窗外，這樣既有效地防止人中毒，也能避免火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生。6、獨(dú)特旋轉(zhuǎn)功能：窗扇可實(shí)現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)，便于高層住戶擦拭玻璃。1.2智能窗的總體構(gòu)成本智能窗主要機(jī)械傳動部分和自動控制系統(tǒng)組成。其中，機(jī)械傳動部分要由窗框、窗扇、齒輪齒條等。自動控制系統(tǒng)主要包括AT89S51單片機(jī)組成的中央控制器,數(shù)據(jù)檢測傳感電路,A/D轉(zhuǎn)換器,窗驅(qū)動控制接口電路、窗驅(qū)動電路、步進(jìn)電機(jī)等組成。其整體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖1-1整體結(jié)構(gòu)圖1-窗框2-窗扇3-窗扇24-護(hù)罩5-齒條6-電機(jī)固定座上7-滑槽塊8-電機(jī)固定座下9-電機(jī)滑移螺栓10-固定螺母11-固定螺栓12-行程開關(guān)13-煤氣傳感器14-風(fēng)速傳感器15-濕度傳感器16-人體熱釋紅外傳感器17-光敏傳感器18-步進(jìn)電機(jī)圖1-2控制系統(tǒng)架構(gòu)圖2機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1自動開關(guān)窗機(jī)械傳動形式設(shè)計(jì)2.1.1自動開關(guān)窗任務(wù)分析智能窗的傳動任務(wù)是由動力源通過傳動機(jī)構(gòu)帶動窗扇在滑移槽來回滑動，任務(wù)簡單，但要求精確度較高。通過學(xué)習(xí)機(jī)械設(shè)計(jì)知道，齒輪齒條傳動傳動較為準(zhǔn)確、可靠，并且機(jī)械效率高[18]，因此，選定齒輪齒條傳動能滿足智能窗傳動任務(wù)的要求。傳動形式見圖2-1。圖2—1齒輪齒條傳動2.1.2齒輪齒條參數(shù)選擇由于此傳動所帶負(fù)載不是很大，故齒輪齒條參數(shù)選取較為寬松，根據(jù)具體需要確定其主要參數(shù)為：齒輪：m=1.5Z=20d=mz=30mmβ=20°P=πm=3.14×1.5=4.7mm齒條：m=1.5β=20°P=πm=3.14×1.5=4.7mm2.2窗框與窗扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1窗框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)此窗框是在常規(guī)窗框的基礎(chǔ)上進(jìn)行的更改設(shè)計(jì)，在窗框上下兩側(cè)各開一道滑移槽，使窗扇開關(guān)窗時(shí)在滑移槽滑動實(shí)現(xiàn)關(guān)窗。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)窗扇的旋轉(zhuǎn)在滑移槽一側(cè)各設(shè)計(jì)一轉(zhuǎn)軸槽。其具體設(shè)計(jì)見圖1-3窗框結(jié)構(gòu)圖。圖2-2窗框結(jié)構(gòu)圖2.2.2窗扇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)窗扇在常規(guī)窗扇的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分改進(jìn)，在窗扇一側(cè)加一旋轉(zhuǎn)軸，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)軸上安裝滑動輪。具體設(shè)計(jì)見圖2-3。圖2-3窗扇結(jié)構(gòu)圖2.2.3步進(jìn)電機(jī)滑槽設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)窗扇的180°旋轉(zhuǎn)，特別將電機(jī)卡座設(shè)計(jì)成可上下移動的形式。具體設(shè)計(jì)見圖2-4滑移槽設(shè)計(jì)圖與2-5步進(jìn)電機(jī)滑槽設(shè)計(jì)裝配局部圖。圖2-4滑移槽設(shè)計(jì)圖圖2-5步進(jìn)電機(jī)滑槽設(shè)計(jì)裝配局部圖2.3180°旋轉(zhuǎn)工作流程示意圖1、窗戶開閉狀態(tài)圖2、拿下防護(hù)罩狀態(tài)圖本設(shè)計(jì)窗扇可以具有180°旋轉(zhuǎn)功能，此設(shè)計(jì)解決了樓層高的住戶擦拭玻璃困難的問題。1、窗戶開閉狀態(tài)圖2、拿下防護(hù)罩狀態(tài)圖3、齒輪與齒條離合狀態(tài)圖3、齒輪與齒條離合狀態(tài)圖4、旋轉(zhuǎn)后狀態(tài)圖圖2-6180°旋轉(zhuǎn)工作流程示意圖3自動控制系統(tǒng)主要硬件的設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)選型3.1.1單片機(jī)發(fā)展過程單片機(jī)是一種集成電路芯片。它采用超大規(guī)模技術(shù)將具有數(shù)據(jù)處理能力的微處理器(CPU)、存儲器（含程序存儲器ROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM）、輸入、輸出接口電路(I/O接口)集成在同一塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)既小巧又很完善的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，在單片機(jī)程序的控制下能準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。其誕生于20世紀(jì)70年代末，主要經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大階段。1）SCM即單片微型計(jì)算機(jī)（SingleChipMicrocomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。2）MCU即微控制器（MicroControllerUnit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。3)MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù)Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。4)單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展，基于SOC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會有較大的發(fā)展。因此，對單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)[4]。3.1.2 單片機(jī)發(fā)展趨勢（1）CMOS化近年，由于CHMOS技術(shù)的進(jìn)步，大促進(jìn)了單片機(jī)的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，還具有功耗的可控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)芯片多數(shù)是采用CMOS（金屬柵氧化物）半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)。CMOS電路的特點(diǎn)是低功耗、高密度、低速度、低價(jià)格。采用雙極型半導(dǎo)體工藝的TTL電路速度快，但功耗和芯片面積較大。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，又出現(xiàn)了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工藝。CHMOS和HMOS工藝的結(jié)合。目前生產(chǎn)的CHMOS電路已達(dá)到LSTTL的速度，傳輸延遲時(shí)間小于2ns，它的綜合優(yōu)勢已在于TTL電路。因而，在單片機(jī)領(lǐng)域CMOS正在逐漸取代TTL電路。（2）高性能化主要是指進(jìn)一步改進(jìn)CPU的性能，加快指令運(yùn)算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運(yùn)行速度?，F(xiàn)指令速度最高者已達(dá)100MIPS（MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒），并加強(qiáng)了位處理功能、中斷和定時(shí)控制功能。這類單片機(jī)的運(yùn)算速度比標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)高出10倍以上。由于這類單片機(jī)有極高的指令速度，就可以用軟件模擬其I/O功能，由此引入了虛擬外設(shè)的新概念。（3）低噪聲與高可靠性為提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片廠家在單片機(jī)部電路中都采用了新的技術(shù)措施。（4）低功耗化單片機(jī)的功耗已從Ma級，甚至1uA以下；使用電壓在3至6V之間，完全適應(yīng)電池工作。低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低，而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以與產(chǎn)品的便攜化（5）大容量化以往單片機(jī)的ROM為1KB至4KB，RAM為64B至128B。但在需要復(fù)雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進(jìn)行外接擴(kuò)充。為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求，須運(yùn)用新的工藝，使片存儲器大容量化。目前，單片機(jī)ROM最大可達(dá)64KB，RAM最大為2KB（6）低電壓化幾乎所有的單片機(jī)都有WAIT、STOP等省電運(yùn)行方式。允許使用的電壓圍越來越寬，一般在3至6V圍工作。低電壓供電的單片機(jī)電源下限已可達(dá)1至2V。目前0.8V供電的單片機(jī)已經(jīng)問世[5]。3.1.3AT89S51單片機(jī)簡介隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機(jī)的集成度將更高、體積將更小、功能更強(qiáng)。在單片機(jī)家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司將其MCS–51系列中的80C51核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名IC制造廠商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持與80C51單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上改善了80C51的許多特性。這樣，80C51就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為80C51系列。80C51系列單片機(jī)已成為單片機(jī)發(fā)展的主流。專家認(rèn)為，雖然世界上的MCU品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明，80C51系列可能最終形成事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)MCU芯片[6]。本設(shè)計(jì)采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)AT89S51。其片含4Kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)與引腳。它集Flash程序存儲器，既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程與通用8位微處理器于單片芯片中,ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)AT89S51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。主要性能參數(shù)：（1）與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容（2）4K字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲器（3）1000次擦寫周期（4）4.0-5.5V的工作電壓圍（5）全靜態(tài)工作模式：0HZ-33MHZ（6）三級程序加密鎖（7）128*8字節(jié)部RAM32個(gè)可編程I/O口線（8）2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（9）6個(gè)中斷源（10）全雙工串行UART通道（11）低功耗空閑和掉電模式（12）中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)（13）看門狗（WDT）與雙數(shù)據(jù)指針（14）掉電標(biāo)示和快速編程特性（15）靈活的在系統(tǒng)編程（ISP-字節(jié)或頁寫模式）3.2數(shù)據(jù)檢測傳感器的選擇3.2.1數(shù)據(jù)檢測傳感模塊組成根據(jù)該設(shè)計(jì)的功能要求數(shù)據(jù)檢測傳感系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：1)光度傳感電路；2)風(fēng)速傳感電路；3）濕度傳感電路；4)有害氣體傳感電路；5)紅外防盜傳感器。3.2.2傳感器選型與電路傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)[9]。1、光度傳感器光敏傳感器是最常見的傳感器之一，它的種類繁多，主要有：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。其中最簡單的光敏傳感器是光敏電阻，本設(shè)計(jì)中采用光敏電阻與驅(qū)動電路來構(gòu)成光敏傳感電路。電路圖如圖2-1所示。圖3-1光敏傳感器驅(qū)動電路圖3-1中，當(dāng)外界環(huán)境光照強(qiáng)時(shí)，光敏電阻R2阻值較小，則A點(diǎn)電平較低；當(dāng)外界環(huán)境光照弱時(shí)，光敏電阻R2阻值較大，則A點(diǎn)電平較高，將此電平送到單片機(jī)，由程序控制是否驅(qū)動電機(jī)開關(guān)窗。2、風(fēng)速傳感器風(fēng)速傳感器是將空氣的流動速度變量轉(zhuǎn)換成有一定對應(yīng)關(guān)系的輸出信號的裝置。風(fēng)速傳感器種類有采用畢托管測風(fēng)速、熱線熱膜測風(fēng)速、機(jī)械式傳感器測風(fēng)速、超聲波測風(fēng)速和三杯式風(fēng)速傳感器測風(fēng)速。在本設(shè)計(jì)中采用風(fēng)杯式—YH12X風(fēng)速傳感器，產(chǎn)品見圖3-2。圖3-2YH12X風(fēng)速傳感器YH12X風(fēng)速傳感器工作原理：當(dāng)風(fēng)杯隨著氣流的運(yùn)動而轉(zhuǎn)動時(shí)，風(fēng)速軸帶動碼盤與風(fēng)杯成正比地轉(zhuǎn)動，從而輸出電脈沖信號，將機(jī)械轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)換成電信號。風(fēng)向測量采用進(jìn)口紅外光電管,格雷碼盤等器件。當(dāng)風(fēng)向標(biāo)隨著氣流的運(yùn)動而轉(zhuǎn)動時(shí)，風(fēng)向軸帶動格雷碼盤同時(shí)轉(zhuǎn)動,從而輸出七位格雷碼信號，將機(jī)械位置信號轉(zhuǎn)換成光電脈沖信號，通過微處理器CPU記錄每秒種的產(chǎn)生的光電脈沖的個(gè)數(shù)，快速運(yùn)算處理后即可的出氣流的運(yùn)動速度。計(jì)算原理如下：每秒種產(chǎn)生光電脈沖的個(gè)數(shù)：n

齒輪的圓周半徑：R(m)齒輪的總個(gè)數(shù)：N風(fēng)杯軸承的傳動系數(shù)：η風(fēng)杯的線速度:V1(m/s)風(fēng)速：V（m/s）風(fēng)速的計(jì)算公式為：(3-1)風(fēng)杯的轉(zhuǎn)動線速度：

(3-2)可通過轉(zhuǎn)換處理將數(shù)據(jù)以其他形式輸出，傳遞給其他智能設(shè)備。

YH42X風(fēng)速顯示器工作原理：風(fēng)速顯示器對接收到的風(fēng)速信息進(jìn)行處理,換算轉(zhuǎn)化成實(shí)際風(fēng)速風(fēng)級顯示到對應(yīng)的顯示器中,風(fēng)速顯示器還可以針對預(yù)先設(shè)定的報(bào)警參數(shù),當(dāng)風(fēng)速超過其參數(shù)時(shí)觸發(fā)關(guān)窗信號，單片機(jī)接到信號處理后，通過驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)，完成關(guān)窗動作。2、濕度傳感器Honeywell公司的HIH3610濕度傳感器是為大批量OEM設(shè)計(jì)，具有濕度儀表級測量性能，低成本，SIP封裝。線形放大電壓輸出，驅(qū)動電流200微安，器件一致性好[3]。特點(diǎn)：濕度傳感器HIH3610主要性能：（1）熱固性聚合物電容濕度傳感器，帶集成信號處理電路（2）3針可焊塑封（3）寬量程：0～100％RH非凝結(jié)，寬工作溫度圍–40～85℃（4）高精度：±2％RH，極好的線形輸出（5）5VDC恒壓供電，0.8-3.9VDC放大線形電壓輸出（6）低功耗設(shè)計(jì)200微安驅(qū)動電流（7）激光修正互換性（8）快速響應(yīng)15秒（9）穩(wěn)定性好，低溫漂，抗化學(xué)腐蝕性能其引腳如圖3-2所示：圖3-2HIH3610引腳圖3、有害氣體傳感器MY1000系列電化學(xué)式一氧化碳?xì)怏w傳感器是由市中敏儀器生產(chǎn)的產(chǎn)品,它是一種定電位電解式電流型傳感器。該產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，功耗低，測量精度高，穩(wěn)定性好，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。其性能和可靠性達(dá)到國或國外同類產(chǎn)品的水平，屬于氣體傳感器整機(jī)的核心部件[3]。（1）檢測原理：本傳感器元件采用的是定電位電解原理，組成主要由三個(gè)電極組成，電極材料是貴金屬催化劑，主要是鉑黑，其中各電極的作用如下：工作電極（W）：一氧化碳?xì)怏w的氧化，對電極（C）：氧氣的還原，對電極（R）：為工作電極提供恒定電位。當(dāng)一氧化碳接觸到工作電極時(shí)，即發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化碳和氫離子，并產(chǎn)生電子，氫離子發(fā)生離子遷移，在對電極上接受電子，并與氧氣發(fā)生還原發(fā)應(yīng)，生成水。電極反應(yīng)如下;工作電極：CO+H2O→CO2+2H++2e－對電極：1/2O2+2H++2e－→H2O總反應(yīng)：2CO＋O2→2CO2由反應(yīng)式可知產(chǎn)生的電流大小與一氧化碳的濃度成正比，因此可以通過測量產(chǎn)生的電流的大小就可以檢測出一氧化碳的濃度。（2）技術(shù)指標(biāo)：表3-1MY1000技術(shù)性指標(biāo)圍參數(shù)檢測圍0至1000ppm相對誤差±5％壓力圍86-106Kappa先好衰減<%2/月溫度系數(shù)1.5%相對濕度%30至95%響應(yīng)時(shí)間≤10s零點(diǎn)漂移<5ppm（3）原理電路圖：[2]圖3-3氣敏傳感器放大電路4、人體熱釋紅外傳感器（1）熱釋電紅外傳感裝置工作原理人體具有約37℃的恒定體溫，所以會發(fā)出波長約10μm左右的紅外線。熱釋電紅外傳感器PIS-209S就是靠探測人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。熱釋電紅外傳感器是一種新型敏感元件。制造熱釋電紅外傳感器的高熱材料是一種廣譜材料，它的探測波長圍為0.2～20μm。為了對某一波長圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。此濾波片只允許某些波長圍的紅外光通過，而阻止燈光、和其它紅外光通過。實(shí)際使用中，熱釋電紅外人體感應(yīng)器前面必須安裝菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡是一種由塑料制成的特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡，它可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外傳感器上，從而提高傳感器的靈敏度，擴(kuò)大監(jiān)視圍。它可以產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測元件要求信號不斷變化的特性。傳感器的兩個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電元件輪流感受到運(yùn)動物體，所以人體的紅外輻射以紅外脈沖的形式不斷改變熱釋電元件的溫度，使之輸出一串脈沖信號，若人體在傳感器前不動則不會有輸出，信號放大電路如圖3-4所示：[1]圖3-4熱釋紅外傳感器放大電路3.3A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)3.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的選型[8]1.轉(zhuǎn)換時(shí)間的選擇轉(zhuǎn)換速度是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù)，是一個(gè)很重要的指標(biāo)。A/D轉(zhuǎn)換器型號不同，轉(zhuǎn)換速度差別很大。通常，8位逐次比較式ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us左右。由于本系統(tǒng)的控制時(shí)間允許，可選8位逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器。2.ADC位數(shù)的選擇A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定著信號采集的精度和分辨率。要求精度為0.5%。對于該8個(gè)通道的輸入信號，8位A/D轉(zhuǎn)換器，其精度為(4-1)輸入為0～5V時(shí)，分辨率為(4-2)—A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程值—ADC的二進(jìn)制位數(shù)量化誤差為(4-3)ADC0809是TI公司生產(chǎn)的8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括一個(gè)8位的逼近型的ADC部分，并提供一個(gè)8通道的模擬多路開關(guān)和聯(lián)合尋址邏輯，為模擬通道的設(shè)計(jì)提供了很大的方便。用它可直接將8個(gè)單端模擬信號輸入，分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，在多點(diǎn)巡回監(jiān)測、過程控制等領(lǐng)域中使用非常廣泛,所以本設(shè)計(jì)中選用該芯片作為A/D轉(zhuǎn)換電路的核心。3.3.2ADC0809部功能與引腳介紹[16]1.A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟把連續(xù)變化量變成離散量的過程稱為量化，也可理解為信號的采樣。把以一定時(shí)間間隔T逐點(diǎn)采集連續(xù)的模擬信號，并保持一個(gè)時(shí)間t，使被采集的信號變成時(shí)間上離散、幅值等于采樣時(shí)刻該信號瞬時(shí)值的一組方波序列信號，即采樣信號。采樣-保持為了能不失真的恢復(fù)原模擬信號，采樣頻率應(yīng)不小于輸入模擬信號的頻譜中最高頻率的兩倍，這就是采樣定理，即Fs>2Fimax（1）由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在每次采樣結(jié)束后，應(yīng)保持采樣電壓在一段時(shí)間不變，直到下一次采樣的開始。實(shí)際中采樣-保持是做成一個(gè)電路。（2）量化與編碼模擬信號經(jīng)采樣-保持電路后，得到了連續(xù)模擬信號的樣值脈沖，他們是連續(xù)模擬信號在給定時(shí)刻上的瞬時(shí)值，并不是數(shù)字信號。還要把每個(gè)樣值脈沖轉(zhuǎn)換成與它幅值成正比的數(shù)字量。以上為A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟，在本電路中由ADC0809芯片完成2.ADC0809部結(jié)構(gòu)與主要性能ADC0809八位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器是一種單片CMOS器件，包括8位模擬轉(zhuǎn)換器、8通道轉(zhuǎn)換開關(guān)和與微處理器兼容的控制邏輯。8路轉(zhuǎn)換開關(guān)能直接連通8個(gè)單端模擬信號中的任何一個(gè)。其部結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。圖3-6ADC0809部結(jié)構(gòu)圖ADC0809主要性能：（1）逐次比較型（2）CMOS工藝制造（3）單電源供電（4）無需零點(diǎn)和滿刻度調(diào)整（5）具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與TTL兼容（6）易與各種微控制器接口（7）具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)（8）分辨率：8位（9）功耗：15mW（10）最大不可調(diào)誤差小于±1LSB（最低有效位）（11）轉(zhuǎn)換時(shí)間128微秒（12）轉(zhuǎn)換精度：0.4%ADC0809沒有部時(shí)鐘，必須由外部提供，其圍為10～1280kHz。典型時(shí)鐘頻率為640kHz3.引腳排列與各引腳的功能，引腳排列如圖3-7所示。圖3-7ADC0809引腳圖IN0～I(xiàn)N7：8個(gè)通道的模擬量輸入端，可輸入0～5V待轉(zhuǎn)換的模擬電壓。D0～D7：8位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。三態(tài)輸出，D7是最高位，D0是最低位。A、B、C：通道選擇端。當(dāng)CBA=000時(shí)，IN0輸入；當(dāng)CBA=111時(shí)，IN7輸入。ALE：地址鎖存信號輸入端。該信號在上升沿處把ABC的狀態(tài)鎖存到部的多路開關(guān)的地址鎖存器中，從而選通8路模擬信號中的某一路。START：啟動轉(zhuǎn)換信號輸入端。從START端輸入一個(gè)正脈沖，其下降沿啟動ADC0809開始轉(zhuǎn)換。脈沖寬度應(yīng)不小于100～200ns。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端。啟動A/D轉(zhuǎn)換時(shí)它自動變?yōu)榈碗娖健E：輸出允許端。CLK：時(shí)鐘輸入端。ADC0809的典型時(shí)鐘頻率為640kHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100μs。REF(-)、REF(+)：參考電壓輸入端。ADC0809的參考電壓為＋5V。VCC、GND：供電電源端。ADC0809使用＋5V單一電源供電。當(dāng)ALE為高電平時(shí)，通道地址輸入到地址鎖存器中，下降沿將地址鎖存，并譯碼。在START上升沿時(shí)，所有的部寄存器清零，在下降沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，此期間START應(yīng)保持低電平。在START下降沿后10us左右，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號變?yōu)榈碗娖剑珽OC為低電平時(shí)，表示正在轉(zhuǎn)換，為高電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE為低電平時(shí)，D0～D7為高阻狀態(tài)，OE為高電平時(shí)，允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。3.3.3A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)ADC0809與8051單片機(jī)的硬件接口有3種形式，分別是查詢方式、中斷方式和延時(shí)等待方式，本設(shè)計(jì)中選用中斷接口方式。由于ADC0809無片時(shí)鐘，時(shí)鐘信號可由單片機(jī)的ALE信號經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得。ALE引腳得脈沖頻率是8051時(shí)鐘頻率的1/6。該題目中單片機(jī)時(shí)鐘頻率采用6MHz,二分頻后為500Hz,符合ADC0809對頻率的要求。由于ADC0809部設(shè)通道基本地址為0000H～0007H。其對應(yīng)關(guān)系如下表所示。有地址鎖存器，所以通道地址由P0口的低3位直接與ADC0809的A、B、C相連。表3-3地址通道對應(yīng)關(guān)系地址碼輸入通道ABCIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111控制信號：將P2.7作為片選信號，在啟動A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號和P2.7控制ADC的地址鎖存和啟動轉(zhuǎn)換。由于ALE和START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時(shí)也啟動轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用單片機(jī)的讀信號和P2.7引腳經(jīng)或非門后，產(chǎn)生正脈沖作為OE信號，用一打開三態(tài)輸出鎖存器。其接口電路如圖3-8所示。圖3-8ADC0809與AT89S51單片機(jī)接口電路3.4語音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)3.4.1語音錄放電路的設(shè)計(jì)ISD1420是美國ISD公司出品的新型單片優(yōu)質(zhì)語音錄放電路，較之以往所有的語音電路，具有專利技術(shù)的模擬處理存儲方式，使錄放音質(zhì)極佳，沒有常見的的背景噪音，且電路斷電后語音容仍不丟失。電路部由振蕩器、語音存儲單元、前置放大器、自動增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成。一個(gè)最小的錄放系統(tǒng)僅由一個(gè)麥克風(fēng)、一個(gè)喇叭、兩個(gè)按鈕、一個(gè)電源、少數(shù)電阻電容組成。[10]特性：（1）使用簡單的單片錄放音電路（2）高保真語音/音頻處理（3）開關(guān)接口放音可以是脈沖觸發(fā)或電平觸發(fā)（4）錄放周期為16和20秒（5）自動功率節(jié)約模式（6）當(dāng)一個(gè)錄音或放音周期結(jié)束后自動進(jìn)入掉電狀態(tài)（7）掉電狀態(tài)的典型電流為0.5uA（8）零功率存儲（9）不需要電池備份電路（10）處理復(fù)雜信息可使用地址操作（11）100年信息保存典型（12）片上時(shí)鐘（13）不需要編程器和開發(fā)系統(tǒng)（14）+5V供電（15）提供裸片DIPSOIC封裝（16）提供工業(yè)級別溫度型號（-40到85）系統(tǒng)的語音錄放電路如圖3-9所示。電路中采用AT89S51作為CPU，用它的P1.0～P1.5與ISD1420相接。在設(shè)計(jì)電路時(shí)ISD1420的所有地址端、控制端必須可靠接高電平或低電平而不能懸空，否則可能出現(xiàn)停止播放的情況。話筒信號耦合電容與連接MICREF端到模擬地的電容要一樣。要特別注意的是ISD1420芯片的SP+、SP-端一定不要直接接地，只能接揚(yáng)聲器或者懸空。外接功放器時(shí)，采用單端輸出，另一端接10μF到地或懸空，否則ISD器件會損壞。圖3-9語音錄放電路3.4.2揚(yáng)聲器驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)通常ISD1420的驅(qū)動能力有限（0.5W），直接接到揚(yáng)聲器上效果不太理想，若接1W以上的揚(yáng)聲器將發(fā)生失真。通常1W以下的揚(yáng)聲器可用LM386、D2283、D2822、MC34119與TA7368等芯片驅(qū)動。若選用1W以下的揚(yáng)聲器，用低電壓通用集成功率放大器LM386作為揚(yáng)聲器的驅(qū)動芯片，其電路如圖3-10所示。1W至10W的揚(yáng)聲器用TDA2003芯片驅(qū)動。選用TDA2003作為揚(yáng)聲器驅(qū)動芯片的電路如圖3-11所示。圖3-10以LM386為驅(qū)動芯片的電路圖3-11以TDA2003為驅(qū)動芯片的電路3.5行程開關(guān)

為了判斷窗子是否閉合，需要使用行程開關(guān)。利用單片機(jī)自帶的硬件中斷資源，設(shè)計(jì)了接觸式的中斷行程開關(guān)。當(dāng)窗體閉合時(shí)引發(fā)中斷，停止運(yùn)行，進(jìn)入節(jié)電待機(jī)狀態(tài)[17]。4紅外線遙控開關(guān)的設(shè)計(jì)4.1紅外線簡介紅外遙控技術(shù)是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的技術(shù)。紅外線由德國天文學(xué)家威廉?赫歇耳于1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射，是太線中眾多不可見光線中的一種，人的眼睛能看到的波長最長的光是紅光，從廣義來講，紅外線是一種電磁波，電磁波家族按波長順序是這樣排列的：長波、短波、超短波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線等。其中長波的波長最長，順序越來越短，X射線的波長一般不超過1nm。紅外線波長在無線電波與可見光波之間，約為0.75～1000μm之間，是一種肉眼看不到這種光線，但利用紅外線發(fā)送和接收裝置卻可以發(fā)送和接收紅外線信號[4]。在近紅外區(qū)，它和可見光相鄰，因此具有可見光的某些特性，如直線傳播、反射、折射、衍射、可被某些物體吸收以與可以通過透鏡將其聚焦等。在遠(yuǎn)紅外區(qū)，由于它鄰近微波區(qū)，因此它具有微波的某些特性，如有較強(qiáng)的穿透能力和能貫穿某些不透明物質(zhì)等。自然界中，不論任何物體，也不論其本身是否發(fā)光（指可見光），只要其溫度高于絕對零度(-273℃)，都會一刻不停地向周圍輻射紅外線。只不過是溫度高的物體輻射的紅外線較強(qiáng)，溫度較低的物體輻射的紅外線較弱。紅外線攝像、紅外線夜視、熱釋電紅外探測以與某些導(dǎo)彈的瞄準(zhǔn)等就是利用紅外線的這一特性工作的。它具有以下特點(diǎn)：(1)由于為不可見光，因此，對環(huán)境影響很小。紅外線的波長遠(yuǎn)小于無線電波的波長，所以，紅外遙控不會干擾其它家用電器，也不會影響近鄰的無線電設(shè)備。同時(shí)，由于紅外線不能穿透墻壁，所以不同的電器可以使用通用的遙控器而不會互相干擾，這是無線電遙控所不能做到的。(2)紅外線為不可見光，具有很強(qiáng)的隱蔽性和性，因此在防盜，警戒等安全保衛(wèi)裝置中也得到了廣泛的應(yīng)用。(3)紅外線遙控的遙控距離一般為幾米至幾十米或更遠(yuǎn)一點(diǎn)。(4)紅外線遙控具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，成本低廉，抗干擾能力強(qiáng)，工作可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別是室遙控的優(yōu)先遙控方式。同時(shí)，由于采用紅外線遙控器件時(shí)，工作電壓低，功耗小，外圍電路簡單，因此它在日常工作生活中的應(yīng)用越來越廣泛。它在技術(shù)上的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1)無需專門申請?zhí)囟l率的使用執(zhí)照；(2)具有移動通信設(shè)備所必需的體積小、功率低的特點(diǎn)；(3)傳輸速率適合于家庭和辦公室使用的網(wǎng)絡(luò)；(4)信號無干擾，傳輸準(zhǔn)確度高；(5)編解碼容易，可進(jìn)行多路遙控。它的缺點(diǎn)是：由于它是一種視距傳輸技術(shù)，采用點(diǎn)到點(diǎn)的連接具有方向性，兩個(gè)設(shè)備之間如果傳輸數(shù)據(jù)，中間就不能有阻擋物；而且通訊距離較短，此外紅管LED不是一種十分耐用的器件4.2遙控方案設(shè)計(jì)使用由常規(guī)數(shù)字集成電路組成的紅外遙控電路。這種遙控電路使用配套的專用編譯碼器，因此制作起來比較方便。紅外線發(fā)射、接收系統(tǒng)組成框圖如圖4-1所示。圖4-1紅外線發(fā)射、接受系統(tǒng)組成框圖4.3成品紅外接收頭由于紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率一般都較?。?00mW左右），所以紅外接收二極管接收到的信號比較微弱，PH302、PH303的最大接收距離一般在5m。當(dāng)要求更長的遙控距離時(shí)，要增加高增益放大電路。前些年常用μPC1373H、CX20106A等紅外接收專用放大電路，最近幾年不論是業(yè)余制作還是正式產(chǎn)品，大多采用成品紅外接收頭。所以本設(shè)計(jì)也采用成品紅外接收頭。成品紅外接收頭的封裝大致有兩種：一種采用鐵皮屏蔽，一種是塑料封裝。均有三個(gè)引腳，即電源正（VDD）、電源負(fù)（GND）和數(shù)據(jù)輸出（VO和OUT）。紅外接收頭的引腳排列因型號不同而不盡一樣，需參考廠家的使用說明。成品紅外接收頭的優(yōu)點(diǎn)是不需要復(fù)雜的調(diào)試和外殼屏蔽，使用起來如同一只三極管，非常方便。但使用時(shí)需注意成品紅外接收頭的載波頻率。本設(shè)計(jì)中用到的成品紅外接收頭是FPS-4091。FPS-4901高靈敏紅外線接收器，外形尺寸：13.5mm×14.4mm×16.3mm。該紅外線接收器含一個(gè)紅外線接收管（PH302）和一個(gè)放大電路（CX20106），紅外線接收管產(chǎn)生的光電流有前置放大器放大。該接收器可以直接和紅外線發(fā)射管配合組合成各種遙控系統(tǒng)FPS-4091主要光電參數(shù)見表4-1所示表4-1FPS-4901主要光電參數(shù)類別參數(shù)名稱最小值典型值最大值工作電壓3.74.7至5.36.3遙控距離6.58.510高電平脈沖寬度290540790低電平脈沖寬度410660910工作環(huán)境溫度-10至+60-10至+60-10至+60圖4-2是FPS-4901接收器的部電路圖。該電路功耗低，Vcc=5V時(shí)，PCM=9mW；工作電壓為4.5至17V，建議使用5V；工作溫度-20至+75℃。其中第2腳外接電阻與電容決定前置放大器的放大倍數(shù)，當(dāng)?shù)?腳外接電阻由4.7減少到0時(shí)，靈敏度最高，遙控距離可達(dá)12m，但易受干擾。第5腳外接決定接收的中心頻率fo。CX-20106可用KA2184直接代換，功能完全一樣。圖4-3是電路的工作波形圖。由圖4-3分析可知，F(xiàn)PS-4091接收器在紅外接收電路中起轉(zhuǎn)換、放大和解調(diào)信號的作用。此接收器部電路也可用分立組件代替，但體積較大，不宜配套使用，所以本設(shè)計(jì)直接使用成品紅外線接收頭FPS-4091。圖4-2FPS-4901接收器的部電路圖圖4-3FPS-4901工作波形圖4.4編碼器和譯碼器的選擇PT2262、2272是普城公司生產(chǎn)的一種CMOS工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路，PT2262、2272最多可有12位（A0-A11）三態(tài)地址端管腳（懸空,接高電平,接低電平），可以組合成531441個(gè)不同的地址碼；PT2262最多可有6位（D0-D5）數(shù)據(jù)端管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17腳串行輸出。PT2262為編碼芯片，PT2262外形圖如圖4-4所示。工作電源圍為2.6V～15V，A0～A11為地址管腳，其中A6～A11既可以作為地址也可以作數(shù)據(jù)使用，它們按三態(tài)即“0”、“1”、高阻態(tài)（懸空、開路）三種狀態(tài)編碼，輸出數(shù)據(jù)有效電平為高電平。TE為編碼、輸出啟動，低電平時(shí)17腳送出編碼數(shù)據(jù)。OSC1、OSC2為部振蕩電路輸入、輸出端，外接電阻確定振蕩頻率。17腳DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出端，平時(shí)為低電平。表4-2為PT2262的極限參數(shù)。圖4-4PT2262引腳圖表4-2PT2262的極限參數(shù)類別參數(shù)符號參數(shù)圍單位電源電壓Vcc2至15V輸入電壓Vi-0.3至Vcc+0.3V輸出電壓Vo-0.3至Vcc+0.3V最大功耗Pa300mW工作溫度Topr-20至+70℃儲存溫度Tstg-40至+125℃PT2272是與PT2262配對的譯碼電路，PT2272外形圖如圖4-5所示。工作電源為+5V。A0～A11的功能同PT2262。PT2272的A0～A11必須與PT2262的A0～A11完全一樣，PT2272才輸出解碼數(shù)據(jù)，否則不輸出。PT2272一旦解碼成功，VT端就會輸出一個(gè)“解碼有效”的正脈沖作為標(biāo)志，同時(shí)D0-D5端送出與PT2262的D0-D5端一樣的數(shù)據(jù)。表3-3為PT2272的極限參數(shù)。圖4-5PT2272引腳圖表4-3PT2272的極限參數(shù)表類別參數(shù)符號參數(shù)圍單位電源電壓Vcc-0.3至15V輸入電壓Vi-0.3至Vcc+0.3V輸出電壓Vo-0.3至Vcc+0.3V最大功耗Pa300mW工作溫度Topr-20至+70℃儲存溫度Tstg-40至+125℃編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也會連續(xù)發(fā)射。當(dāng)發(fā)射機(jī)沒有按鍵按下時(shí)，PT2262不接通電源，其17腳為低電平，所以315MHz的高頻發(fā)射電路不工作，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，PT2262得電工作，其第17腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號，當(dāng)17腳為高電平期間315MHz的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號，當(dāng)17腳為低平期間315MHz的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全收控于PT2262的17腳輸出的數(shù)字信號，從而對高頻電路完成幅度鍵控（ASK調(diào)制）相當(dāng)于調(diào)制度為100％的調(diào)幅。在通常使用中，我們一般采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，這時(shí)編碼電路PT2262和解碼PT2272的第1～8腳為地址設(shè)定腳，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，3的8次方為6561，所以地址編碼不重復(fù)度為6561組，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全一樣，才能配對使用，遙控模塊的生產(chǎn)廠家為了便于生產(chǎn)管理，出廠時(shí)遙控模塊的PT2262和PT2272的八位地址編碼端全部懸空，這樣用戶可以很方便選擇各種編碼狀態(tài)，用戶如果想改變地址編碼，只要將PT2262和PT2272的1～8腳設(shè)置一樣即可，例如將發(fā)射機(jī)的PT2262的第1腳接地第5腳接正電源，其它引腳懸空，那么接收機(jī)的PT2272只要也第1腳接地第5腳接正電源，其它引腳懸空就能實(shí)現(xiàn)配對接收。當(dāng)兩者地址編碼完全一致時(shí)，接收機(jī)對應(yīng)的D1～D4端輸出約4V互鎖高電平控制信號，同時(shí)VT端也輸出解碼有效高電平信號。可將這些信號加一級放大，便可驅(qū)動繼電器、功率三極管等進(jìn)行負(fù)載遙控開關(guān)操縱。設(shè)置地址碼的原則是：同一個(gè)系統(tǒng)地址碼必須一致；不同的系統(tǒng)可以依靠不同的地址碼加以區(qū)分。PT2262和PT2272除地址編碼必須完全一致外，振蕩電阻還必須匹配，否則接收距離會變近甚至無法接收4.5紅外遙控發(fā)射電路的設(shè)計(jì)圖4-6為紅外遙控發(fā)射電路原理圖，主要由編碼芯片PT2262、四2輸入與非門7400、編碼開關(guān)SW-DIP8、紅外線發(fā)射器PH303、電阻、三極管、電容、極性電容、按鍵SB組成。圖4-3中門電路U2-U4構(gòu)成中心頻率為40KHZ的方波振蕩，用于調(diào)制從PT2262第17腳輸出的編碼信號與控制信號。控制信號（數(shù)據(jù)）由PT2262的D1～D4管腳提供，調(diào)制后的信號由紅外發(fā)射管PH303發(fā)射出去。要發(fā)射信號時(shí)，按下發(fā)射鍵SB。按鍵期間，PH303會不斷發(fā)射紅外信號[15]。圖4-6紅外遙控發(fā)射電路原理圖4.6紅外遙控接收電路設(shè)計(jì)圖3-7紅外遙控接收電路原理圖，主要由譯碼芯片PT2272、編碼開關(guān)、雙穩(wěn)繼電器、紅外接收頭FPS-4091、5V電源電路等組成.圖4-7紅外遙控接收電路原理圖圖4-7中的紅外接收組件FPS-4091接收到中心頻率為40KHZ的紅外信號后，從載波中解調(diào)出編碼信號，經(jīng)放大后從2腳輸出，輸進(jìn)PT2272解碼器輸入端14腳，如果兩機(jī)地址碼一樣，則PT2272進(jìn)行解碼，并把PT2262的控制信號鎖存在PT2272的第10～13引腳上，同時(shí)在第17腳上輸出一個(gè)正脈沖，用于雙穩(wěn)電路的控制。PT2272解碼器數(shù)據(jù)輸出端第10～13腳具有記憶保持功能，當(dāng)有數(shù)據(jù)輸出時(shí)，此數(shù)據(jù)會保持直至電源關(guān)斷。PT2272第17腳“總線”輸出端，當(dāng)發(fā)、收兩機(jī)地址碼一樣，正確譯碼時(shí)，輸出轉(zhuǎn)為高電平，而當(dāng)發(fā)射機(jī)不發(fā)射信號時(shí)，則回落到低電平，沒有記憶功能。在PT2272的第17腳接一個(gè)有雙穩(wěn)態(tài)繼電器和其驅(qū)動電路組成的雙穩(wěn)電路，雙穩(wěn)電路原理圖如圖4-8所示。圖4-8雙穩(wěn)電路的電路圖有上述可知，接收器在得電后收到第一個(gè)信號之前，PT2272第17腳輸出為低電平時(shí)，VT2截止，繼電器J1(JMX-94F)釋放，其觸點(diǎn)是斷開狀態(tài)，負(fù)載不工作。遙控器的發(fā)射鍵SB按下后，接收器收到信號，PT2272第17腳輸出為高電平時(shí)，VT2導(dǎo)通，繼電器J1(JMX-94F)勵(lì)磁吸合其觸點(diǎn)動作，帶動負(fù)載工作，從而實(shí)現(xiàn)了紅外遙控的目的。4.7電源電路的設(shè)計(jì)圖4-9為紅外接收電路的電源電路原理圖，主要由MC78L05三端穩(wěn)壓器、變壓器、整流二極管與電容組成。電源電路接220V交流電后，經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換成9V交流電，接著送整流二極管轉(zhuǎn)換成9V直流電、再由電容濾波和MC78L05三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后提供5V直流電。圖4-9紅外接收電路的電源電路5動力源的選型與設(shè)計(jì)5.1步進(jìn)電機(jī)選型步為了能夠控制智能窗的開關(guān)程度，故選進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件。就一般窗戶而言，每扇窗扇質(zhì)量m估算在10Kg左右，其重力約為,由于此傳動帶動負(fù)載窗扇來回滑動的過程為滑動摩擦，選摩擦因數(shù),所以施加在電機(jī)上的力約為:(5-1)力矩約為(r為齒輪半徑)（5-2）=0.3因此，采用17HS5604兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械部分的驅(qū)動裝置，經(jīng)減速后帶動葉片轉(zhuǎn)動。17HS5604主要技術(shù)參數(shù)：步距角：1.8機(jī)身長:48mm電壓：12V電流：0.4A電阻：30Ω電感：28mH靜力矩：0.38單極0.53雙極5.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動系統(tǒng)電路利用L298N作為驅(qū)動器，L298N為集成H橋電路，共有15引腳，外圍在與電機(jī)相接時(shí)要接8個(gè)二極管IN4007作振幅用，其具體電路圖如圖5-1。圖5-1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖6系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)的軟件主要由一個(gè)主程序與一些子程序組成。主程序由一些狀態(tài)選擇語句組成，主要是在系統(tǒng)復(fù)位后重新檢測環(huán)境狀態(tài)，如光線、風(fēng)力等因素。當(dāng)傳感器傳回相應(yīng)的光線、風(fēng)力等信息后，AT89S51響應(yīng)相應(yīng)信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。子程序的主要作用是通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制窗子的開關(guān)，然后判斷行程開關(guān)的狀態(tài)來決定是否停止停止轉(zhuǎn)動。程序如下：#include<reg52.h>sbitg=P1^0；//光檢測sbitf=P1^1；//風(fēng)檢測sbity=P1^2；//雨檢測sbitd=P1^3；//防盜檢測sbitq=P1^4；//液化氣檢測sbits2=P1^6；//開窗行程開關(guān)sbits3=P1^7；//關(guān)窗行程開關(guān)sbitflag=P3^0；//窗狀態(tài)行程開關(guān)kaichuang()//開窗后，碰到開行程開關(guān)自動停止{ P3=0xfe；if(s2==0)P3=0xff；}guanchuang()//關(guān)窗后，碰到關(guān)行程開關(guān)后自動停止{ P3=0xfd；if(s3==0)P3=0xff；}voidmain(){ while(1){ if(g==0&flag==0)//檢測到處于關(guān)窗狀態(tài)，且檢測到光線強(qiáng)烈kaichuang()；elseguanchuang()；if(f==0&flag==0)//檢測到處于關(guān)窗狀態(tài)，且檢測到風(fēng)力不強(qiáng)烈kaichuang()；elseguanchuang()；if(y==0&flag==0)//檢測到處于關(guān)窗狀態(tài)，且檢測到?jīng)]有雨水kaichuang()；elseguanchuang()；if(d==0&flag==0)//檢測到處于關(guān)窗狀態(tài)，且檢測到無防盜信息kaichuang()；elseguanchuang()；if(q==0&flag==0)//檢測到處于關(guān)窗狀態(tài)，且檢測到液化氣kaichuang()；elseguanchuang()；}}程序流程圖如圖5-1所示：圖5-1程序流程圖7結(jié)術(shù)語此智能窗集現(xiàn)代聲、光、機(jī)、電等技術(shù)于一體，實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高。其創(chuàng)新之處在于自動化程度高，人性化強(qiáng)，通過各種傳感器檢測各種信號再經(jīng)過單片機(jī)處理輸出，實(shí)現(xiàn)早上下午自動開關(guān)窗、自動防風(fēng)、防雨、防盜等功能一定程度上解決了外界環(huán)境給人們?nèi)粘Ｉ钪械暮芏酂?。?dú)特的旋轉(zhuǎn)功能解決了高層住戶擦窗難的問題，能夠帶給人們更加舒適干凈的生活環(huán)境。目前可應(yīng)用于智能大廈、高級公寓、酒店和別墅等現(xiàn)代化程度較高的場合。相信隨著人們生活水平的不斷提高，它將被應(yīng)用到更廣泛的場合。參考文獻(xiàn)：[1]王煜東.《傳感器應(yīng)用電路400例》［M］.：中國電力，2008.頁碼[2]負(fù)圖.《新型傳感器集成電路應(yīng)用手冊(下)》［M］.：人民郵電，2009.9.頁碼[3]卿太全.《最新傳感器選用手冊》[M].：中國電力，2009.7.頁碼[4]毅剛，喜元.《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》[M].：人民郵電，2008.11.頁碼[5]高洪志.《MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)教程》[M].：人民郵電，2009.4.頁碼[6]王幸之，鐘愛琴，王雷，王閃.《AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)》[M].：航空航天大學(xué)，2004.9.頁碼[7]鄧學(xué)欣,檀潤華.智能窗的概念設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003(1).頁碼[8]曾煌.《電子技術(shù)》第六版［M］.：高等教育,2004:80—103.[9]曾光宇.《現(xiàn)代傳感器技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)》［M］.：理工大學(xué)，2001：30—63.[10]新民.《智能儀器原理與設(shè)計(jì)》［M］.：工業(yè)大學(xué)，1995：40—45.[11]徐愛鈞、愛華.《單片機(jī)高級語言C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)》［M］.：工業(yè)，1999：97