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毕业设计（论文）开题报告课题名称基于单片机的多功能智能窗的设计学院电气学院专业电气工程及其自动化（电器与控制）班级学号姓名指导教师定稿日期：2011年12月23日2基于单片机的多功能智能窗的设计摘要：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的文明程度在一定历史时期的体现。但普通窗户在起风下雨时不能自动关闭，不能自动调整开合程度以适应风、雨、光等环境变化，给我们带来了诸多不便，安装智能窗已是大势所趋。本文讨论了一种智能窗系统设计方案。该智能窗由多个传感器收集风力大小、空气湿度、烟信号、红外检测等信号，经处理后传入单片机。单片机对信号进行运算，再输出脉冲信号调整步进电机。智能窗可根据环境变化及使用者的意愿调整扇叶张角，控制室内环境参数，且具有一定的自适应能力。也可以对窗外长期驻留人员的情况进行检测，并对室内人员报警提醒。当不启用智能窗系统时，也能用手动对窗户进行开关，更具人性化。关键词：89C51单片机多传感器智能窗环境控制1.文献综述：1.1智能窗智能门窗一般是指安装了先进的防盗、防劫、报警、自动关窗等系统的门窗。智能门窗在一些公共场所、高档商品房、商场中运用广泛，现在正向普通家庭普及。智能门窗控制系统由无线遥控器、智能主控器、门窗控制器、门窗驱动器等组成，现在的智能门窗系统集现代声、光、机、电、通讯为一体，是智能居家的理想选择。另一种智能窗是由玻璃或透明塑料等基材和调光材料所组成的具有调光功能的器件，在一定的物理条件(如电场、温度)下，这种器件可以改变自身的透明度或颜色，从而选择性地吸收和反射外界热辐射和阻止内部热扩散，达到调节光强度或室内温度的目的。一般智能窗材料根据激励方式可以分为三种：光致变色型、电致变色型、热致调光型。随着能源危机、污染、全球变暖等问题的日益严峻，智能窗(SmartWindow)迅速成为各国研究的热点[1]。应用简单可靠的系统，通过高智能的精准控制和协同，让生活变得更简单更舒适更节约［2］。从专业的角度讲，我们是电子产品的造物主，赋予它们灵魂不仅是我们的梦想也是我们的使命［3］。人工智能窗，能使你的生活更加安全，更加舒适，更加环保［3］。它不仅是一个消费品，更是家庭云系统中的一员［2］。当然它更是一种健康绿色的理念［4］。基于以上，作为智能家居的不可缺少的一环，智能窗应运而生。智能窗主要是由单片机，人体红外线感应器，风速传感器、温湿度传感器、气体传感器及其相关部件组成［4］。1.2单片机的介绍单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处3理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统［5］［6］［7］。1.3人体红外线感应器人体传感器，是理想的电子开关量传感器。当人体接近传感器的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出指令，准确反应出运动机构的位置和行程。在自然界，任何高于绝对温度（-273°C）时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。此红外热释感应器可应用于人体感应控制方面，并实现红外防盗和红外控制一体化，扩大了人体红外热释感应器的应用范围［8］。种红外热释感应器，包括透镜、感光元件和感光电路，还包括由控制部分驱动的机械部分，其特征在于：所述透镜和感光元件安置在机械部分上［2］［3］［4］。1.4风速传感器风速（空气流量）传感器是用于测量空气流动速度或者风量的传感器。通常，它利用温度传感器的自身发热，而风的速度与传感器的发热量成正比，通过这种方法将风速变换为电压。风速传感器可以用作空调系统的风量控制传感器和汽车之类的空气流量传感器。除此之外，它还作为流体力学与空气动力学领域内风洞实验不可缺少的传感器而引起人们的关注。传统上，一般都用被称之为加热丝的铂丝作为风速传感器的风速探头。但是，最近市场上出现了利用热敏电阻器和晶体管等元器件的半导体式风速传感器。另外，在汽车的空气流量传感器中，还有叶片型之类的机械式传感器，以及利用卡曼涡流的独特类型的传感器［9］。1.5温湿度传感器温湿度是自然界中和人类打交道最多的两个物理参数，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温湿度的采集或控制都十分频繁和重要，而且，网络化远程采集温湿度并报警是现代科技发展的一个必然趋势。数字温湿度传感器就是这样一个产品。它能和电脑主机连接，将采集到的温度和湿度准确的转换成数字信号，由主机操作、控制。这一类传感器它的自身本来就带有LCD显示屏，可以很直观的观测到检测范围的温湿度值［10］。1.6气体传感器气体传感器即气体敏感元件就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件,它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号,从而可以进行检4测、监控、分析、报警。借助于半导体技术,现已可以使传感器从单元件、单功能到多元件、多功能,即将多个传感器与信息处理和转换电路集成在一块芯片上,与计算机技术结合,制成智能气体传感器系统—电子鼻,用于自动识别气体种类、自动寻找气源等。电子鼻是由多个性能彼此重叠的气体传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的仪器,它融合了传感器技术、信息处理技术、计算机技术和计算数学理论,是一门综合性极强的技术。[11]1.7显示器设备液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用。目前字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。这里向大家介绍一款LCD1602液晶显示模块，它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比[12]。与点阵型LCD相比,LCD1602具有明显的价格优势,其缺点是不能按照国家标准汉字库中的汉字代码显示汉字。因此,LCD1602大多应用于仅仅显示英文和数字的场合,这使其在我国的推广应用受到很大限制[13]。1.8电机设备采用两相混合式步进电机作为机械部分的驱动装置，步进电机以其结构简单、可靠性高、不累积误差、无需反馈就可构成开环系统、容易控制等优点，成为数控系统的最佳执行元件之一而得到广泛应用。混合式步进电机的分辨率较高，绕组电感较小，效率高，转矩高,震动小等特点[14]。2.选题背景及其意义2.1背景：我国的改革开放，经济的飞速发展，使得人民物质生活水平不断提高，人们对其住宅和汽车的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所和汽车，而且对其安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。现在的自动控制系统已经为我们的生活提供了太多的便利，在生活的各个方面，人们迫切需要一种智能型的家庭安全自动关窗系统，能可靠的进行日常的开关工作，在环境大风或下雨的情况下，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的工作，同时也保证了居民生活的舒适和生命财产不受损失。于是有关家庭、办公室，仓库还有汽车等处的自动关窗系统的开发研制日益被科研单位和生产厂家所重视。现在市场上也出现了各种名目繁多的关窗装置，但多由于可靠性较差、5造价高或使用复杂而难于普及。随着电子通讯技术的飞速发展，单片微机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比高等突出优点已在工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。因此利用单片机和一些简单的外围器件来开发一种适合于家庭、仓库、银行，汽车等重要场所的低价位、运行可靠、具有自动关窗功能的系统，对恶劣的天气情况自动发出报警信息[1]。另外自动关窗系统也广泛应用于汽车。汽车是现代生活中不可缺少的交通工具，随着人们生活水平的提高，人们对汽车的安全性、舒适性都有着更高的要求。中央门锁和电动车窗给驾驶员和乘客带来了很大的方便。驾驶员通过它可以方便的对所有车门的开闭进行控制。电动车窗使得驾驶员也可通过设在驾驶员旁边的控制开关对各车窗实现集中控制。但是在有些时候也会出现一些其他的麻烦。比如：当汽车停车熄火，锁好门后，有时会忘记将车窗玻璃升到位，及时发现的，要重新打开车门，按动开关将其升到位；而一旦疏忽，不但会造成重要文件、物品丢失，甚至会导致车辆失窃、雨天驾驶室进水等,给用户带来不必要的经济损失和精神负担。鉴于以上情况，可以设计在中央门锁和电动车窗的基础上加装的汽车自动关窗控制器。其工作情况是：当汽车熄火后,锁上门锁时,汽车自动关窗控制器会自动关好开着的所有车窗玻璃。如果汽车附有遥控装置,下车后只需轻轻一按遥控器就可以放心地离开了,再不用担心物品丢失、车辆失窃、雨天驾驶室进水等问题[15]。2.2意义：随着我国经济的快速发展以及人民生活水平的不断提高，人们对健康的重视程度也日渐增强保持室内空气新鲜，经常通风换气也成为人们共同的生活习惯然而在当今快节奏生活中，人们常常会忘记关窗，每逢刮风下雨，便担心不已。现在的智能关窗装置虽然品种功能都很多，但主要应用在高档建筑和各种公共场所，而且主要是和窗户一起定做，价格也比较高同时无论是老的还是新建的民房预先安装的以手动推拉窗居多，很少有人愿意把已安装好的窗户废掉，更换成多功能智能窗。由于以上原因，本课题希望开发一种在普通窗的基础上改进的智能关窗装置，该装置装有风速传感器，温湿度传感器，每当刮风下雨，窗户便自动关闭，解除用户的后顾之忧。3研究内容课题简介：设计一个多功能智能窗，能够根据外界的天气情况和室内的气体情况来控制者窗户的开启和关闭。本系统有以下几个控制要求：（1）当外界下雨6时，及时关闭窗户，防止雨水进入室内损坏室内的装饰和物品。（2）当室内的可燃气体、烟雾等超过标准时，窗户自动打开，并启动排气扇进行排气，同时报警器也会响起来提醒主人危险的存在，防止煤气中毒或火灾。（3）当窗户外有人驻留时，阻断了红外线探测器的发射接收通路，窗户会立即关闭并发出高分贝声音报警。（4）当室内的温度超过30°时能开窗换气，保持室内空气清新，当然这一动作是以外界没有下雨和盗情为前提的。（5）增加手动开窗、关窗功能，是产品更人性化。3.1系统硬件方案选择系统组成：系统组成图本系统组成如图一所示，主要由七部分组成：1)传感器及信号处理部分：检测人体辐射红外信号、风速检测信号、可燃气体检测信号、温湿度信号经过处理后变成可处理的数字信号。7部分元器件选择参考：TF-A1电流输出风速传感器TF-A1电流输出风速传感器产品特点为：体积小巧，携带方便，安装简捷，测量精度高，量程宽，稳定性好，结构设计合理，外观质量佳，数据信息线性度好，信号传输距离长，抗外界干扰能力强，外型小巧轻便，便于携带和组装，三杯设计理念可以有效获得外部环境信息。价格比较贵。气体传感器：新型多路可燃气体检测电子鼻系统的传感器头由还原性气体传感器费加罗TGS813、TGS822和集成温度传感器AD590构成。AD590采集TGS813、TGS822周围的温度以进行温度补偿。此电路要进行A/D转换。[16]费加罗TGS813温湿度传感器：DHT11温湿度传感器。DHT11作为一种新型的单总线温湿度数字传感器,具有更多的优点,它使系统设计更加简单,控制方便,易于实现。[17]DHT11温湿度传感器8红外线传感器:DYP-ME003人体感应模块:热释电红外开关是BISS0001配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成的被动式红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗衣机等装置，是一种高技术产品。全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。光敏控制（可选择，出厂时未设）：可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。温度补偿(可选择，出厂时未设)：在夏天当环境温度升高至30～32℃，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。2)以89C51组成的中央处理单元：处理信号并发出控制命令3)提醒报警电路：给出提醒报警信号当外部红外线检测器有阻断时4)显示软件：用LCD1