毕业论文基于STC89C52单片机控制的智能窗系统设计终稿.docx

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毕业论文基于STC89C52单片机控制的智能窗系统设计终稿

基于STC89C52单片机控制的智能窗系统设计

摘要

随着科技的不断发展，智能家居已逐渐进入人们的生活中。

作为其中的重要组成部分，智能窗已经被广泛地运用到了现代智能化建筑中，为住户提供了一个舒适、方便的环境。

本次设计的是基于STC89C52单片机控制的智能窗系统。

它具备光感、红外遥控、温湿度显示、定时等功能。

该窗户可以根据外界的光线强弱来控制窗户开启或关闭，从而达到调节室内光线，同时还提供按键来控制窗户的开关。

为了方便用户使用，增设定时模块，用户可根据自身的需要对某段时间，设置窗户的开启程度。

当定时结束，窗户自动切换到光感模式实现对室内光线的控制。

同时，还增设温湿度显示模块，使用户可以了解温湿度状况。

本次设计电路简单，成本低，能够很好的满足智能家居需求，具有良好的市场应用前景，可使现代生活显著提高，同时也为智能家居提供了很好的设计参考。

关键词：

智能窗；STC89C52；光感；温湿度显示；定时模块；红外遥控；

ABSTRACT

Withthecontinuousdevelopmentoftechnology,smarthomehasbeengraduallyintopeople'slives.Asanimportantpartofit,smartwindowshavebeenwidelyusedinmodernintelligentbuilding,fortheresidentstoprovideacomfortableandconvenientenvironment.ThedesignofthesmartwindowsystembasedonSTC89C52SCMcontrol.Ithasasenseoflight,infraredremotecontrol,temperatureandhumiditydisplay,timer,andotherfunctions.Accordingtotheexternallightintensity，thesystemcancontrolthewindowopenorclosed,soastoadjusttheindoorlight,whilethesystemalsoprovidingkeystocontrolthewindowswitch.Fortheconvenienceofusers,additionaltimingmodule,foracertainperiodoftimetheusercansetthedegreeofopeningofthewindowaccordingtotheirneeds.Whenthetimerexpires,thewindowsautomaticallyswitchestolightsensingmodetorealizetheinteriorlightcontrol.Atthesametime,additionaltemperatureandhumiditydisplaymodulealsoallowstheusertounderstandthetemperatureandhumidityconditions.Thecircuitdesignissimple,andthecostislow,italsocanmeettheneedsofsmarthomeandhasgoodmarketprospects,italsoprovidesagoodreferenceforthedesignofthesmarthome. 

Keywords:

smartwindow;STC89C52;asenseoflight;temperatureandhumiditydisplay;time;infraredremotecontrol;

1绪论

1.1系统设计的背景及意义

近年来，智能家居作为新兴事物，越来越进入人们的视野。

智能家居以住宅为核心，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、服务、管理、维修为一体的快捷、舒适、绿色、环保的居住环境，尽可能的将家中的一些设备通过信息网络连接到一起。

较普通家居而言，智能家居不仅有传统的居住功能，提供安全舒适的家庭生活空间，还能提供全方位的信息交互功能，最大程度的改善人们的生活。

现阶段，社会信息化的脚步不断向前，人们的工作、生活与通讯、信息的关系日益密切。

信息化社会在改变人们习惯与生活方式的同时，也对传统的住宅的理念提出了挑战，社会、经济以及技术的进步更使人们的观念产生巨大的变化。

如今，人们对家居的要求早已改变，更为关注的是一个节能、环保、舒适、美观的居家环境。

随着产业结构的不断调整和优化升级，生产工艺的高速发展，人们的生活水平不断提高，家用电气逐渐普及，高精度、多功能、低损耗，早已是大势所趋。

在这种趋势下，智能化、数字化的窗户已经成为现代生产研究的主导设计方向。

智能窗作为智能家居中重要的组成部分，最主要的就是以人性化为核心,充分考虑人对智能窗系统的设计的需求,有着智能、环保、舒适、便捷的功能,深受广大用户的喜爱。

它可以对各种窗户进行智能控制,它的出现,使人们的居住环境上了一个新台阶,家庭氛围也有了明显的提高,最重要的是，它的人性化设计、智能化功能、网络化服务、大众化价格。

单片机越来越频繁的运用到电子产品中，很多电子产品中也用到了红外控制。

结合环境采集和红外遥控系统的智能窗户控制系统具有很大的发展前景。

1.2  国内外发展现状 

随着社会信息化的加快，人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密。

信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。

人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。

家居智能化技术起源于美国，它是以家为平台进行设计的。

智能家居控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。

智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统，以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。

大型的智能家居控制系统通常由系统服务器、家庭控制器（各种模块）、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。

现代智能化离不开运算和控制单元，本系统采用STC8989C52作为主控器件，单片机应用系统由硬件和软件组成。

硬件由单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件由单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。

在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率，当系统硬件和软件紧密配合、协调一致，就可以组成高性能的单片机应用系统。

本次设计完成了单片机应用系统其开发过程的系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试，根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。

2系统方案设计

2.1系统总体设计

系统以STC89C52单片机为中央处理单元，由温湿度检测模块，光强检测模块，定时模块，红外遥控模块，电机驱动模块等构成。

系统的框架如图2.1所示。

图2.1系统结构框图

2.2系统设计的主要内容

本次设计是以STC89C52单片机为核心控制的智能窗系统。

该系统拥有光控、智能定时、温湿度检测、手动控制、红外遥控等功能。

该系统可以根据室内的光线强弱来自动控制窗户的开关，从而调节室内光线，同时还提供手动控制，一键开关窗。

为了更好的用户体验，添加了定时模块，用户可根据自身的不同情况对某段时间，进行定时，实现智能开关窗。

定时结束后，窗户会自动根据室内的光线强弱，实现智能开关窗。

同时，还添加了温湿度显示模块，让用户能够了解实时的温湿度状况。

最后还添加了红外遥控功能，用户可自主的开关窗，大量的节省了用户的时间。

2.3系统设计的主要功能

智能窗控制系统主要有下面三种功能：

系统有若干个按键，可以通过按键设置窗户为自动或者手动控制，另外还可以通过红外遥控控制窗户的开关，并且三种模式有各自的LED灯指示；

（1）自动控制：

窗户在定时时间内处于一直开启状态，晚上固定0-6点睡眠时间处于一直关闭的状态，如果不在定时时间段内和凌晨时间，窗户会根据光线强度来自动开启或关闭，当光敏电阻检测到光线较强时，启动步进电机反转半圈，即模拟关窗户状态，当恢复到光线较弱时，步进电机正转半圈，即模拟开窗户状态，同时有指示灯指示当前属于开启或者关闭状态；

（2）手动控制：

有两个按键，一个是开启窗户，一个是关闭窗户，该模式下光线强度检测无效；

（3）红外控制：

用红外遥控模块来模拟窗户的开启或者关闭。

该模式下自动和手动模式功能不可用。

红外遥控取三个按键有效，功能分别是“模式切换”、“开”、“关”，对应按键“CH”、“CH+”、“CH-”，在红外遥控模式下，用户可由按键来控制窗户的开启或者关闭；

3设计方案论证

3.1驱动电机的设计方案

方案A：

选择步进电机28BYJ48作为智能窗的引擎。

选择步进电机的最大好处就是，它能够在距离上有着比较准确的控制，由于本设计中没有行程开关，所以步进电机是最好的选择。

方案B：

选择一般的直流电机。

一般的直流电机转速过快，针对本次设计，电机运转过快将出现失控现象，甚至会夹人，故此排除。

方案C：

选择直流减速电机。

该方案虽然可以让电机的速度保持在一定范围内，但没有行程开关，电源带载能力也不太稳定，电机无法在一样的时间内走过一样的距离，所以不适合选择直流减速电机。

因此选择步进电机电机作为智能窗的引擎。

3.2驱动电路的设计方案

方案A：

选择数字电位器。

利用电阻可以分压的特点,采用数字电位器对步进电机两端的电压进行调整,，从而使电机速度发生明显的改变。

缺点是驱动电流小，工作效率低而且不实现。

方案B：

选择ULN2003驱动芯片。

ULN2003芯片是耐高压、带负载强的达林顿晶体管阵列，由7组硅NPN达林顿晶体管构成，最大输出电流可大于500mA，用来驱动本设计中的步进电机再合适不过。

因此选择ULN2003驱动芯片作为智能窗驱动电路。

3.3微处理器的设计方案

方案A：

选择CPLD。

CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，适用范围宽、集成度高、I/O接口多，适合作为大规模集成电路的控制核心。

但智能窗控制系统仅需简单的逻辑功能，不太在意系统意运行速度，且从经济及性价比方面考虑，故此排除。

方案B：

选择STC89C52RC单片机。

本次设计对系统的要求不高，编写的程序也相对容易，需要用的I/O接口单片机也能够满足，充分的利用了单片机。

另外，51系列单片机运行的速度，一般来说是不慢的，性价比相当高。

因此选择STC89C52作为智能窗的微控制器。

3.4显示模块的设计方案

方案A：

选择数码管。

利用数码管，对系统的有关数据和运行状态进行显示。

数码管拥有经济实惠，显示清楚，使用方便，电路连接简单的优点；其缺点是只能显示比较单一的内容，耗电量也比较大。

方案B：

选择LCD1602。

LCD1602液晶屏能显示两行字符，不仅可以显示英文字符，还可以显示符号，驱动电流小，价格低廉。

因此选择LCD1602作为智能窗的显示模块。

4单片机简介

单片机素有“微控制器”的美誉。

自出现以来，凭借其超高的性价比、迅速的发展速度和广泛的应用程度，很快很广受到人们的关注和重视。

而且工程技术人员可以通过对单片机的相关知识的了解和学习，凭借自己的技术来进行设计，完成所需的单片机设计，从而收获高额经济效益。

并且其体积微小,价格低廉,可靠性高,被大量用于智能仪器表、家用电器、智能卡和其他设备的自动控制等。

4.1单片机的特点

单片机依靠其优质的性价比，开始大面积出现在用户的生活中。

同时单片机在工业控制领域中的使用也逐渐普及，通常有以下几个特征：

逻辑功能很强，易扩展。

可靠性好，适应温度范围广。

小巧灵活、价格低廉、易于大量生产。

单片机控制功能十分强，可以实现多机和分布式控制。

4.2单片机的应用

工业自动化控制

在工业领域，单片机的利用有工业进程控制、智能控制、设施控制、数据采集和传输、检测和监控。

在工业自动化的领域中，单片机能够完成电动机转速、温度控制。

智能化仪器仪表

将单片机嵌入到仪器仪表中，单片机用于对信息的检测与处理，可提高仪器仪表的精确度，并简化了产品的构造，减小了体积并便于携带和运用。

家用电器

目前，家电产品中普遍使用了单片机。

例如电冰箱、洗衣机、微波炉、空调、电视机、加湿机等产品中加入了单片机后，效率大大改善，从而达到了智能、环保控制的目的。

其他领域

4.3STC89C52RC单片机简介

STC89C52单片机是STC公司推出的一款价格低廉、功能强大的CMOS8位的微控制器。

该微控制器自带8K在系统可编程Flash存储器。

虽然STC89C52单片机用的是常规的MCS－51内核，但是它本身做了许多优化和性能拓展，使其有着一般51单片机不具备的性能STC89C52RC有着许多标准功能，例如8k的Flash，512b的RAM，32位的I／O口线，看门狗定时器，自带4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器／计数器，6个中断源，全双工串行口。

STC89C52主要功能如下表所示。

主要功能特性

兼容MCS51指令系统

8K可重复擦写FlashROM

32个双向I/O口

256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断

3级加密位

2个串行中断

可编程UART串行通道

2个外部中断源

软件设置睡眠和唤醒功能

2个读写中断口线

时钟频率0-24MHz

低功耗空闲和掉电模式

总计6个中断源

4.3.1时钟电路

STC89C52单片机本身包含一个用来组成振荡器的高增益反相放大器，RXD引脚和TXD引脚分别组成了放大器的输入端和输出端。

时钟可以由两种方式生成，分别是内部或者外部方式。

内部方式产生的时钟电路如图4.3.1.1所示，如果RXD引脚和TXD引脚上同时与定时元件相连，就会构成一个内部振荡器，此时，便能出现自激振荡。

定时电路一般使用由石英晶体和瓷片电容两者构成的并联谐振回路。

晶振是可以自己挑选的，一般为1.2MHZ—12MHZ,同样，电容也不是固定不变的，一般在5pF—30pF范围内挑选，电容值的大小不同，对频率的影响也不一样。

外部方式的时钟电路如图4.3.1.2所示，RXD引脚直接接地，TXD引脚直接接外部振荡器。

对外部振荡信号没有硬性规定，只要脉冲宽度达到要求，通常选择频率小于12MHz的方波信号。

（1）内部方式时钟电路

（2）外部方式时钟电路

图4.3.1时钟电路

4.3.2复位及复位电路

（1）复位操作

复位就是让单片机回到最初条件下再次继续工作的过程。

复位一般是让PC寄存器的地址重新变为0000H，让单片机再次从0000H单元开始运行。

不单是系统正常开机需要用到复位操作，假如程序运转过程中有错误出现或者人为操作不当，不能正常执行完程序，也需要复位，此时按下复位键，系统便可再次启动。

不止是上面提到的寄存器，复位操作还会对绝大部分寄存器起作用，复位后的地址如下表所示。

寄存器

复位状态

寄存器

复位状态

PC

0000H

TCON

00H

ACC

00H

TL0

00H

PSW

00H

TH0

00H

SP

07H

TL1

00H

DPTR

0000H

TH1

00H

P0-P3

FFH

SCON

00H

IP

XX000000B

SBUF

不定

IE

0X000000B

PCON

0XXX0000B

TMOD

00H

表寄存器的复位状态

（2）复位信号及其产生

本次设计选择的单片机的复位引脚为RST引脚。

一旦RST引脚上面有高电平出现，就意味着开始复位了，不过高电平的持续时间最少超过2个机器周期。

晶振不同，复位信号存在的时间也是不一样的。

假如晶振为6MHZ，复位信号必须存在多于4微秒，复位才能够被执行。

复位信号的产生电路如图所示：

图4.3.2复位信号产生的电路图

复位电路通常由两部分构成，依次为芯片内部分和芯片外部分。

首先施密特触发器接收到复位信号，接着内部复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，最后才得到内部复位操作所需要的信号。

实现按键复位的方法，通常有两种，一般为上电自动复位，按键手动复位。

上电自动复位的原理，就是给与单片机RST引脚上的电容充电，从而执行复位，电路如图4.3.1所示。

如果连接到单片机Vcc引脚上的电源上升时间小于1毫秒，单片机便能自主完成复位，换句话说，只需RST引脚经电容连接到电源上，单片机可以完成复位操作。

实现按键复位通常有两种方法，一般为电平方式和脉冲方式。

前者是利用在RST引脚经电阻与Vcc电源相连完成的，其电路如图4.3.3所示；后者是根据RC微分电路发出的正脉冲来完成按键复位。

其电路如图4.3.3所示：

（1）上电复位

（2）按键电平复位（3）按键复位

图4.3复位电路

上面复位电路中的电阻、电容同样可以用在6MHz晶振电路中，不过需要使复位信号高电平存在时间超过2个机器周期。

本次智能窗控制系统的复位电路采用的是上图4.4.2。

5硬件电路设计

5.1单片机最小系统设计

单片机最小系统由单片机，复位电路，晶振电路，电源电路构成。

晶振电路由一个12MHz的晶振与两个30pF的电容并联构成，维持了单片机运行的最小时钟。

复位电路不但可以完成上电复位，还可以完成手动复位。

接通电源时，电容C3短路，单片机RST引脚短时间内处于高电平状态，导致单片机复位；同样，当RST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。

单片机的最小系统电路如图5.1所示。

图5.1单片机最小系统

5.2显示电路设计

本次设计使用LCD1602液晶显示屏，既可以实时的显示中文字符，也能够实时的显示时间、温湿度、星期等。

经过显示屏上的设置，不但可以显示已设定的各种内容，还可以显示系统的状况。

液晶显示屏能够显示2行字符，每行显示16个字符，由单+5V电源进行供电，成本低廉，性价比很高。

LCD1602的基本参数及引脚功能：

LCD1602有带背光和不带背光两种，其控制器主要是HD44780，有背光功能的比没有背光功能的略厚一些，但实际运用中没有太大区别，两者尺寸差别如下图5.2.1所示：

图5.2.11602LCD尺寸图

1602LCD主要技术参数：

显示容量:

16×2个字符 ；

芯片工作电压:

4.5—5.5V；

工作电流:

2.0mA（5.0V）；

模块最佳工作电压:

5.0V；

LCD1602有着标准的16脚，各引脚接口说如表5.3所示。

引脚号

引脚名称

功能说明

1

VSS

电源地

2

VCC

接5V电源正极

3

V0

液晶显示器对比度调整端

4

RS

寄存器选择

5

RW

读写操作

6

E

使能端

7

DO

双向数据端

8

D1

双向数据端

9

D2

双向数据端

10

D3

双向数据端

11

D4

双向数据端

12

D5

双向数据端

13

D6

双向数据端

14

D7

双向数据端

15

BLA

背光正极

16

BLK

背光负极

表5.2.2LCD1602引脚说明

LCD1602的指令说明

LCD1602液晶显示屏内部的控制器有11条控制指令，如表5.4所示：

序号

指令

RS

R/W

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

1

清显示

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

2

光标返回

0

0

0

0

0

0

0

0

1

*

3

置输入模式

0

0

0

0

0

0

0

1

I/D

S

4

显示开/关控制

0

0

0

0

0

0

1

D

C

B

5

光标或字符移位

0

0

0

0

0

1

S/C

R/L

*

*

6

置功能

0

0

0

0

1

DL

N

F

*

*

7

置字符发生存贮器地址

0

0

0

1

字符发生存贮器地址

8

置数据存贮器地址

0

0

1

显示数据存贮器地址

9

读忙标志或地址

0

1

BF

计数器地址

10

写数到CGRAM或DDRAM）

1

0

要写的数据内容

11

从CGRAM或DDRAM读数

1

1

读出的数据内容

表5.2.3：

控制命令表

LCD160显示屏的读写、屏幕和光标的操作都能够利用指令编程来实现。

（说明：

高电平为1、低电平位为0）

LCD1602与单片机的连接如图5.5所示。

（其中，电位器用来调节LCD的对比度，该对比度必须调到一个合适值，LCD1602才能正常亮。

）

图5.2.4显示电路

5.3时钟电路设计

时钟电路由STC89C52单片机和实时时钟芯片DS1302组成，从而达到智能计时的功能。

DS1302是DALLAS公司发明的一款性价比超高的时钟芯片。

时钟芯片内部包括一个实时时钟和静态RAM，可以经过I/O口与单片机直接相连，只要3根I/O线。

DS1302工作时功耗很低，性能很高。

实时时钟电路不但可以准确的提供时、分、秒、年、月、日信息，还可以自动调整每月的天数和闰年的天数。

用户更能够通过选择AM/PM标志位决定使用12或24小时时间格式。

它的工作原理是，首先单片机读取DS1302中的数据，然后再将数据显示在1602液晶显示屏上。

DS1302时钟芯片不仅可以由后备电源供电，还拥有对后备电源充电的能力，这样即使电路断电，时钟芯片仍能有效的储存信息。

这些优点是如今普遍的实时时钟芯片无法代替的。

DS1302引脚说明

引脚号

引脚名称

功能说明

1

VCC2

电源供电管脚

2

X1

32768HZ晶振管脚

3

X2

32768HZ晶振管脚

4

GND

地

5

RST

复位脚

6

I/O

数据输入/输出引脚

7

SCLK

串行时钟

8

VCC1

电源供电管脚

在主电源出现问题时，后备电源同样可以保持时钟处于稳定工作的状态。

DS1302时钟芯片不是由VCC1和VCC2同时供电，而是VCC1或VCC2之间比较大的供电。

当VCC2>VCC1+0.2V时，DS1302由VCC1供电。

当VCC2＜VCC1时，VCC1给DS1302供电。

按键电路与单片机的连接如图5.3所示。

图5.3时钟电路