第1章緒論1.1研究目的及意義隨著我們國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們的物質(zhì)與精神生活水平不斷提高，傳統(tǒng)上對(duì)吃、穿、穿、穿等最基本的物質(zhì)要求已無(wú)法滿(mǎn)足人民的需要。所以，在安全方面，可靠性方面，以及智力方面，都有更高的要求。而窗是家庭生活中最為重要的一環(huán)，窗的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。針對(duì)家庭環(huán)境中的窗口，已做了很多智能化的改變，比如針對(duì)室內(nèi)采光，通風(fēng)，觀景等。但是大部分的智能窗產(chǎn)品功能單一，價(jià)格昂貴，智能化水平不高。比如僅具備電氣切換的功能，并且仍然是人工操作，產(chǎn)品獨(dú)立性強(qiáng)，缺少交互信息?，F(xiàn)在，大多數(shù)居民都采用貼墻平開(kāi)窗。為了防止小偷入室行竊，每個(gè)人在外出之前，都要先檢查一遍自己的門(mén)窗是不是已經(jīng)上了鎖，如果下雨或者是大風(fēng)，他們也會(huì)擔(dān)心自己的窗戶(hù)是不是關(guān)著的，擔(dān)心雨水會(huì)不會(huì)流進(jìn)屋子里。當(dāng)沒(méi)有人在家里的時(shí)候，如果房間里的溫度和濕度過(guò)高，那么就不能把窗戶(hù)打開(kāi)，或者是在外面的空氣污染比較嚴(yán)重的時(shí)候，也不能把窗戶(hù)關(guān)上。另外，老人和兒童開(kāi)關(guān)窗也很麻煩，所以迫切需要一種更智能化的自動(dòng)窗控制系統(tǒng)，以減少家庭的負(fù)擔(dān)，為居民提供更多的方便與安全。當(dāng)今，隨著科技的飛速發(fā)展，單片機(jī)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。而單片機(jī)是一種微型控制器，它的體積相對(duì)較小，功耗較低，在信息家用電器、通信、工業(yè)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)以及在儀器儀表、汽車(chē)等領(lǐng)域都能見(jiàn)到單片機(jī)控制器的影子。該控制器具有高度集成性，功耗低，體積小，控制功能強(qiáng)，可擴(kuò)展性好，微型化，加上少量的周邊電路，組成了一個(gè)較為完善的控制系統(tǒng)。在實(shí)際生活中，為了實(shí)現(xiàn)窗戶(hù)的智能化，可以采用單片機(jī)為核心控制器，采用各種傳感器作為信息采集的手段，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，軟硬件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗戶(hù)的全過(guò)程進(jìn)行控制，并通過(guò)對(duì)周?chē)h(huán)境的綜合評(píng)價(jià)，達(dá)到對(duì)窗戶(hù)進(jìn)行高效的打開(kāi)和關(guān)閉。可以有效地提升窗口的智能化程度，從而更好地滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活需求。這一次的自動(dòng)窗控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，它可以利用溫濕度、PM2.5、風(fēng)速、雨量、光照等傳感器，對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)獲取，并在顯示屏上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)外部環(huán)境有關(guān)的狀況發(fā)生變化時(shí)，如風(fēng)速、溫度、PM2.5濃度、降雨、光照強(qiáng)度等發(fā)生變化時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶(hù)的自動(dòng)開(kāi)閉。使人們能夠更加安心地工作，同時(shí)也能夠使人民的生活更加舒適，而不會(huì)有人因此而受到傷害。所以，對(duì)智能窗的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，有著十分重要的實(shí)際意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析在國(guó)內(nèi)，隨著近幾年來(lái)對(duì)自動(dòng)化窗的智能化發(fā)展給予了更多的關(guān)注，到現(xiàn)在為止，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了很多成熟的自動(dòng)化窗的方案。在微處理器的基礎(chǔ)上。王宏剛等人以AT89C51作為控制中心，利用一種降雨傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)降雨情況，檢測(cè)、提取和轉(zhuǎn)換信號(hào)后，將其輸入AT89C51微控制器，在此基礎(chǔ)上，單片機(jī)向直流電機(jī)發(fā)出命令，以達(dá)到自動(dòng)關(guān)閉窗戶(hù)的目的。鄭清蘭采用AT89S52單片機(jī)作為控制中心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫、濕度、光照強(qiáng)度、雨量等參數(shù)的自動(dòng)探測(cè)，并能隨著外部環(huán)境的改變而自動(dòng)打開(kāi)和閉合。張靜等研制了一種以STM32單片機(jī)為核心的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，它利用空氣品質(zhì)、溫度、濕度、光照等參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)的溫度、濕度、氧氣、一氧化碳等有害氣體，如氨氣、芳族化合物、硫化物、苯蒸氣、煙霧等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析各種有害氣體，如門(mén)窗、窗簾、排氣扇等。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上。楊錦輝等人研制出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能門(mén)窗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)χ車(chē)臏囟取穸?、紅外強(qiáng)度和有害氣體的含量進(jìn)行自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，并通過(guò)MQTT協(xié)議將上述數(shù)據(jù)上傳到阿里云端，讓用戶(hù)能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)通過(guò)手機(jī)查詢(xún)到房間內(nèi)的情況，并對(duì)門(mén)窗進(jìn)行遙控控制。張人婁等人提出，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到建筑中，建立起一套完全自動(dòng)化的智能窗系統(tǒng)，它是一種機(jī)電一體化的控制系統(tǒng)，它運(yùn)用了傳感、機(jī)械傳動(dòng)、智能控制等多種高科技，構(gòu)成了一種完全自動(dòng)化的系統(tǒng)。歐美等國(guó)也是如此，為的是更好地保護(hù)人們的人身、財(cái)產(chǎn)安全，建筑智能化也被廣泛采用。上世紀(jì)80年代，德國(guó)電子行業(yè)協(xié)會(huì)頒布了《家庭自動(dòng)化系統(tǒng)與通信標(biāo)準(zhǔn)》，比爾蓋茨投資了一大筆錢(qián)，建造了一棟智能大廈，里面的大部分設(shè)備都是通過(guò)主控臺(tái)來(lái)管理，這才讓智能家庭的概念變得廣為人知。英國(guó)的智能門(mén)窗品牌如派樂(lè)、RWESmartHome、Verilock等，使使用者能夠在任何時(shí)間，通過(guò)手機(jī)就可以看到自己的窗戶(hù)和窗戶(hù)的情況，并且能夠在任何時(shí)候了解家里的窗戶(hù)和窗戶(hù)的情況，達(dá)到監(jiān)控房屋安全的目的。動(dòng)態(tài)的智能門(mén)窗玻璃，如SmaitTint門(mén)窗智能薄膜、ViewGlass智能門(mén)窗、ProDisplay智能門(mén)窗玻璃等，可以通過(guò)單擊開(kāi)關(guān)或者在智能機(jī)上單擊一個(gè)按鈕，就能夠很容易地對(duì)窗口的不透明進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入房間的光與空氣進(jìn)行控制，并且能夠?qū)κ褂谜叩碾[私進(jìn)行有效的保護(hù)，并避免強(qiáng)光和熱量的產(chǎn)生，從而對(duì)房間內(nèi)的熱進(jìn)行控制。美國(guó)學(xué)者在智能家庭中應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了若干課題研究，主要包括：綜合無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)、分布式傳感網(wǎng)絡(luò)、智能粉塵、嵌入式系統(tǒng)和嵌入式網(wǎng)絡(luò)感知等。通訊協(xié)定的設(shè)計(jì)?？的螤柎髮W(xué)在信息處理和管理領(lǐng)域開(kāi)展了大量的研究，提出了一種利用分布式查詢(xún)處理技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)感知和查詢(xún)的方法，即COUGAR。加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計(jì)了一種名為T(mén)invDB的感應(yīng)式資料庫(kù)系統(tǒng)，它能進(jìn)行持續(xù)的查詢(xún)處理，并能對(duì)感測(cè)網(wǎng)路進(jìn)行多重查詢(xún)。同時(shí)，美國(guó)南加州大學(xué)也給出了一個(gè)用于聚合計(jì)算的數(shù)字構(gòu)建方法，證明了無(wú)線(xiàn)通訊方式對(duì)于聚合計(jì)算的性能有重要的影響?？傮w來(lái)說(shuō)，目前智能窗的功能主要是根據(jù)外部風(fēng)速，光照，降雨等因素的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。這一次采用了基于單片機(jī)的自動(dòng)窗控制系統(tǒng)，其功能更完善，不但可以探測(cè)室外風(fēng)速、光照、降雨、PM2.5，而且還可以探測(cè)室內(nèi)的溫度和濕度。1.3主要研究?jī)?nèi)容本次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)基于單片機(jī)的自動(dòng)窗戶(hù)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括單片機(jī)、傳感器、鍵盤(pán)模塊、顯示模塊等。通過(guò)室外的雨量、風(fēng)速、煙霧濃度(PM2.5)、光照(天黑)，室內(nèi)的溫濕度傳感器等傳感器采集相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)顯示屏顯示，再根據(jù)這些參數(shù)調(diào)整窗戶(hù)開(kāi)合程度，調(diào)整窗戶(hù)時(shí)具有提示音。具有自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。

第2章系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)本章將對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹，分為三個(gè)部分分別闡述，分別是系統(tǒng)核心硬件確定、系統(tǒng)核心硬件的選型、軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的介紹。2.1系統(tǒng)框架通過(guò)對(duì)本次設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行全面的分析，在這一次以單片機(jī)為核心的自動(dòng)窗控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要包括單片機(jī)核心模塊、電源模塊、PM2.5檢測(cè)模塊、雨量檢測(cè)模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊、風(fēng)速檢測(cè)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、按鍵模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、語(yǔ)音模塊等。在室內(nèi)布置有單片機(jī)核心模塊，電源模塊，溫濕度檢測(cè)模塊，無(wú)線(xiàn)接收模塊，按鍵模塊，顯示模塊，語(yǔ)音模塊。圖2-1顯示了該系統(tǒng)的硬件總體框圖。圖2-1硬件系統(tǒng)整體框圖模塊基本功能為：1）電源模塊給整個(gè)系統(tǒng)供電；2）單片機(jī)主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到控制作用；3）PM2.5檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)室外PM2.5濃度；4）雨量檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)室外降雨量；5）風(fēng)速檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)室外的風(fēng)速；6）光強(qiáng)檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)室外的光強(qiáng)度；7）溫濕度檢測(cè)模塊主要是檢測(cè)室內(nèi)的溫濕度；8）按鍵模塊主要是單獨(dú)按鍵，功能是為了設(shè)置相關(guān)參數(shù)和在手動(dòng)模式中開(kāi)關(guān)窗戶(hù)等；9）顯示模塊主要是利用顯示屏顯示環(huán)境中PM2.5、風(fēng)速等信號(hào)數(shù)據(jù)和當(dāng)前控制模式和窗戶(hù)狀態(tài)；10）無(wú)線(xiàn)接收模塊主要是連接紅外線(xiàn)遙控器和實(shí)物的橋梁；11）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要是在接受到單片機(jī)信號(hào)后控制電機(jī)帶動(dòng)窗戶(hù)動(dòng)作；12）語(yǔ)音電路主要是語(yǔ)音播放。自動(dòng)窗戶(hù)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能為：1）自動(dòng)模式：?jiǎn)纹瑱C(jī)處理各個(gè)傳感器模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，決定是否改變窗戶(hù)狀態(tài)?？梢酝ㄟ^(guò)按鍵和接受紅外線(xiàn)來(lái)改變系統(tǒng)預(yù)設(shè)的閾值；2）手動(dòng)模式：能夠通過(guò)按鍵直接改變窗戶(hù)狀態(tài)；3）無(wú)線(xiàn)模式：可以接收紅外線(xiàn)，用于改變系統(tǒng)閾值；4）系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中PM2.5檢測(cè)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊等模塊會(huì)采集環(huán)境信息并將其傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，在顯示屏上顯示。2.2硬件選型2.2.1主控芯片的選型方案一：選用單片機(jī)MSP430。單片機(jī)MSP430通常工作在1.8V至3.6V的電壓范圍內(nèi)，工作頻率通常在1MHz至25MHz之間，通常包括Flash存儲(chǔ)器、RAM存儲(chǔ)器和ROM存儲(chǔ)器。MSP430單片機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的組件，即一個(gè)混合信號(hào)處理器，可以產(chǎn)生兩種不同的電路，數(shù)字電路和模擬電路，使用者可以根據(jù)需要將多個(gè)模擬電路或功能各異的微處理器集成到同一芯片中。其實(shí)物如圖2-2所示。圖2-2MSP430單片機(jī)實(shí)物圖方案二：選用單片機(jī)STC89C52。STC89C52單片機(jī)工作在2.7V至5.5V的電壓范圍中，12MHZ為工作頻率，通常包括Flash存儲(chǔ)器、RAM存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量為8KBFlash、256BRAM，基本不需要外部存儲(chǔ)芯片?？刂品绞綖閱纹瑱C(jī)編程，需要通過(guò)外部編程器或仿真器等設(shè)備來(lái)進(jìn)行編程和調(diào)試。其實(shí)物如圖2-3所示。圖2-3STC89C52單片機(jī)實(shí)物圖綜合上述，對(duì)于單片機(jī)STC89C52來(lái)說(shuō)單片機(jī)MSP430的開(kāi)發(fā)難度和成本相對(duì)較高，而單片機(jī)STC89C52兼容性強(qiáng)，最終選用開(kāi)發(fā)難度和成本較低的單片機(jī)STC89C52。2.2.2電源模塊的選型方案一：選用AMS1117-3.3電壓穩(wěn)壓芯片。AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片是一款3.3V固定輸出的線(xiàn)性穩(wěn)壓器，其輸入電壓范圍為4.75V到12V，輸出電壓為3.3V，最大輸出電流為800mA，工作溫度范圍在-40℃到+125℃之間。其實(shí)物圖如圖2-4所示。圖2-4穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3實(shí)物圖方案二：選用LM2596電壓穩(wěn)壓芯片。LM2596穩(wěn)壓芯片是一種可調(diào)整輸出的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，其輸入電壓范圍在4.5V到40V之間，輸出電壓范圍在1.25V到37V之間，工作頻率為150kHz，工作溫度范圍為-40℃至+125℃，效率最高可達(dá)92%，同時(shí)，LM2596穩(wěn)壓芯片工作頻率較高，需要注意抗干擾和散熱等問(wèn)題。其實(shí)物圖如圖2-5所示。圖2-5穩(wěn)壓芯片LM2596實(shí)物圖綜合上述，穩(wěn)壓芯片LM2596相對(duì)于AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片，輸出電壓范圍更廣，適用性更好，選用穩(wěn)壓芯片LM2596作為電源模塊中的穩(wěn)壓芯片，供電系統(tǒng)為220V-DC5V。2.2.3PM2.5檢測(cè)模塊的選型方案一：選用粉塵傳感器GP2Yl010AUOF。粉塵傳感器GP2Yl010AUOF工作原理為光學(xué)式，工作電壓為5V，工作電流為20mA，工作溫度范圍為-10℃至+65℃，測(cè)量范圍在0.8mg/m3至1000mg/m3之間，分辨率為0.1mg/m3，響應(yīng)時(shí)間為10秒。廣泛應(yīng)用于空氣質(zhì)量檢測(cè)、室內(nèi)空氣凈化等領(lǐng)域。其實(shí)物圖如圖2-6所示。圖2-6GP2Yl010AUOF實(shí)物圖方案二：選用粉塵傳感器ZPH01。ZPH01是一種激光式粉塵傳感器，工作溫度范圍在-10℃至+50℃，測(cè)量范圍為0.3μm至10μm，工作電壓為5V，工作電流為90mA，分辨率0.3μm，響應(yīng)時(shí)間1秒。需要注意的是，粉塵傳感器的測(cè)量結(jié)果可能受到環(huán)境溫度、濕度等因素的影響，需要進(jìn)行校準(zhǔn)和修正。其實(shí)物圖如圖2-7所示。圖2-7ZPH01實(shí)物圖綜上所述，相比于粉塵傳感器GP2Yl010AUOF而言，粉塵傳感器ZPH01的體積小，響應(yīng)快，選用粉塵傳感器ZPH01。2.2.4雨量檢測(cè)模塊的選型方案一：選用降雨現(xiàn)象傳感器。降雨現(xiàn)象傳感器是一種用于檢測(cè)降雨情況的傳感器工作電壓為3.3V至5V，工作電壓小于等于20mA，工作溫度范圍為-20℃至+60℃，檢測(cè)范圍為0.2mm/h至10mm/h，靈敏度0.2mm/h，響應(yīng)時(shí)間小于等于2秒，通過(guò)激光主動(dòng)探測(cè)原理，可以對(duì)降水顆粒的尺寸、速度和數(shù)量進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，從而得出降水的強(qiáng)度。其實(shí)物圖如圖2-8所示。圖2-8降雨現(xiàn)象傳感器實(shí)物圖方案二：選用雨滴傳感器RaindropsModule。雨滴傳感器RaindropsModule通過(guò)檢測(cè)雨滴對(duì)傳感器板上的電極產(chǎn)生的電阻變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)降雨情況的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。工作電壓為5V，工作電流小于等于20mA，工作溫度范圍在-10℃至+50℃之間，檢測(cè)范圍和靈敏度可根據(jù)用戶(hù)需求調(diào)節(jié)。其實(shí)物圖如圖2-9所示。圖2-9雨滴傳感器RaindropsModule實(shí)物圖綜合上述，降雨現(xiàn)象傳感器相比于雨滴傳感器RaindropsModule在成本和使用難度方面較高，選用成本和使用難度較低的雨滴傳感器RaindropsModule。2.2.5風(fēng)速檢測(cè)模塊的選型方案一：選用用風(fēng)速傳感器JXBS-3001-FS型。風(fēng)速傳感器JXBS-3001-FS，工作電壓5V，工作電流小于等于20mA，工作溫度范圍在-40℃至+80℃之間，測(cè)量范圍為0-30m/s。采用碳纖維材質(zhì)的傳統(tǒng)三風(fēng)杯風(fēng)速傳感器結(jié)構(gòu)，具有較高的力學(xué)性能和良好的起動(dòng)性能。實(shí)物圖如圖2-10所示。圖2-10風(fēng)速傳感器JXBS-3001-FS實(shí)物圖方案二：選用風(fēng)速傳感器GD-FS型。風(fēng)速傳感器GD-FS采用磁敏傳感器和風(fēng)葉轉(zhuǎn)子相結(jié)合的方式。工作電壓為5V至24V，工作電流為15MA，工作溫度范圍在-10℃至+45℃之間，測(cè)量范圍為0-30m/s，誤差為正負(fù)5%。實(shí)物圖如圖2-11所示。圖2-11風(fēng)速傳感器GD-FS型實(shí)物圖綜合上述，JXBS-3001-FS型的耐用性和穩(wěn)定性不如GD-FS型，選用更加穩(wěn)定的GD-FS型。2.2.6光強(qiáng)檢測(cè)模塊選型方案一：選用光敏電阻模塊RunesKee，光敏電阻模塊RunesKee采用靈敏型光敏電阻傳感器，工作電壓為3.3V至5V，使用LM393電壓比較器，模塊在環(huán)境光強(qiáng)達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，輸出高電平，反之輸出低電平。實(shí)物圖如圖2-13所示。圖2-13M124749光照傳感器實(shí)物圖方案二：選用光敏電阻5528。光敏電阻5528工作電壓為Max.150VDCorACrms，工作電流為10mA，光敏譜響應(yīng)范圍：540nm，光照下電阻為10-20KΩ。實(shí)物圖如圖2-12所示。圖2-12光敏電阻實(shí)物圖綜合上述，光敏電阻5528的耐用性高于光敏電阻模塊RunesKee，反應(yīng)更加直觀，選用光敏電阻5528。2.2.7溫濕度檢測(cè)模塊的選型方案一：選用溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HS1101。溫度傳感器DS18B20具備其獨(dú)特的單線(xiàn)接口方式，能夠在零下55℃到125℃或零下10℃到85℃的測(cè)量環(huán)境中，誤差僅在正負(fù)0.5℃之間，精度高達(dá)0.0625℃。濕度傳感器HS1101采用電容式方式，可以在0%到100%RH的相對(duì)濕度環(huán)境中運(yùn)作，且誤差區(qū)間僅在正負(fù)2%RH。實(shí)物圖如圖2-14所示。圖2-14DS18B20溫度傳感器實(shí)物圖方案二：選用傳感器DHT11。傳感器DHT11的測(cè)量區(qū)間在20%到90%RH之間，0℃到50℃之間，溫度測(cè)量能夠達(dá)到正負(fù)2℃，濕度測(cè)量能夠達(dá)到正負(fù)+5%RH，DHT11已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，品質(zhì)高，響應(yīng)快，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，實(shí)物圖如圖2-15所示。圖2-15DHT11傳感器實(shí)物圖綜上所述，傳感器DHT11比溫度傳感器DS18B20有更好的穩(wěn)定性和更低的能耗在考慮穩(wěn)定性和能耗方面，選用DHT11傳感器。2.2.8模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選型方案一：選用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7997BRUZ-0REEL。AD7997BRUZ-0REEL是一種精度高、功耗低的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，工作電流為1.15mA，工作電壓在2.7V到5.5V之間，通道數(shù)為4個(gè)差分/8個(gè)單端，分辨率12位，采樣速率為100kSPS，輸入電壓范圍從0V至VDD。實(shí)物如圖2-16所示。圖2-16AD7997BRUZ-0REEL實(shí)物圖方案二：選用模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543。模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543是一種12位、串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，工作電壓范圍為4.75V至5.25V，工作電流為1.5mA，通道數(shù)1個(gè)，分辨率12位，采樣速率為50kSPS，輸入電壓范圍：0V至VREF。采用簡(jiǎn)單的串行接口可方便地與單片機(jī)進(jìn)行連接。實(shí)物如圖2-17所示。圖2-17TCL2543實(shí)物圖綜上所述，此次設(shè)計(jì)中只有風(fēng)速傳感器使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，選用通道數(shù)為1個(gè)且使用較為簡(jiǎn)單的模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543。2.2.9按鍵模塊的選型方案一：選用矩陣鍵盤(pán)。矩陣鍵盤(pán)的兩個(gè)連接端口分別與行線(xiàn)和列線(xiàn)相連，每一行的行線(xiàn)和每一列的列線(xiàn)再分別與單片機(jī)連接，按鍵的順序由編程來(lái)解決，可以大大減少I(mǎi)/O端口的數(shù)量，能有效提高單片機(jī)的響應(yīng)速度。實(shí)物圖如圖2-18所示。圖2-18矩陣按鍵實(shí)物圖方案二：選用獨(dú)立按鍵。每一個(gè)鍵都有一個(gè)單獨(dú)的功能，配上專(zhuān)用的I/O端口，若按鍵數(shù)量增多，則端口數(shù)量也會(huì)增多，導(dǎo)致其它設(shè)備沒(méi)有可以連接的地方，其次，線(xiàn)路的增加，會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)的響應(yīng)速度變慢。實(shí)物圖如圖2-19所示。圖2-19獨(dú)立按鍵實(shí)物圖綜合上述，由于此次設(shè)計(jì)中只使用4個(gè)按鍵，并不會(huì)過(guò)多占用單片機(jī)I/O端口，選用獨(dú)立按鍵作為系統(tǒng)的按鍵輸入。2.2.10顯示模塊的選型方案一：選擇LCD1602液晶顯示器。LCD1602LCD顯示屏分辨率高，適用于各種顯示場(chǎng)景?？梢院芎玫乇憩F(xiàn)各種文本。一般是16*2，也可以是32個(gè)，可以是數(shù)字，有字母（包括大小），也可以是特定的符號(hào)，也可以是用戶(hù)自定義的。出現(xiàn)在屏幕上的文字，是由5×7的方格組成的。在顯示系統(tǒng)中，采用串行方式傳送數(shù)據(jù)。實(shí)際的圖表顯示在圖2-20中。圖2-20LCD1602實(shí)物圖方案二：選用LCD12864液晶屏。LCD12864液晶顯示設(shè)備主要是一個(gè)顯示分辨率為128*64的大屏幕，一共有點(diǎn)陣數(shù)量8192個(gè)液晶屏。是由4位/8位串行和并行液晶屏組成。主要顯示8*4行16*16點(diǎn)陣漢字，顯示功能非常全面。還可以顯示大量的信息。實(shí)物圖如圖2-21所示。圖2-21LCD12864實(shí)物圖綜上所述，在此次設(shè)計(jì)中需要顯示的數(shù)據(jù)量包括溫濕度、風(fēng)速、PM2.5濃度、運(yùn)行模式、窗戶(hù)狀態(tài)等，選用顯示量更多LCD12864液晶顯示設(shè)備。2.2.11無(wú)線(xiàn)接收模塊的選型第一種：選擇藍(lán)牙通訊方式。這種技術(shù)和2.4G的普通無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議不太一樣，盡管兩者都是2.4G，但是使用的協(xié)議卻是不同的。傳統(tǒng)2.4G手機(jī)都要配有接收器，而藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)頻帶是2.402-2.480G，所以不需要接收器，只要分享一款支持藍(lán)牙的設(shè)備，就能進(jìn)行連接。實(shí)際的圖表見(jiàn)圖2-22。圖2-22HC-05實(shí)物圖方案二：選擇了1838紅外體接收機(jī)。它由紅外監(jiān)控二極管、放大器、限制器、帶通濾波器、積分電路、比較器等構(gòu)成。紅外監(jiān)控二極管對(duì)紅外線(xiàn)訊號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，并將訊號(hào)送至放大器及限制器，限制器能將訊號(hào)的振幅限制在某一范圍內(nèi)。AC信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器，該帶通濾波器可使30KHZ~60KHZ的負(fù)荷波通過(guò)，再經(jīng)過(guò)解調(diào)及積分電路，使輸出高、低電平的比較器，恢復(fù)出發(fā)射端的信號(hào)波形。高、低兩級(jí)的輸出信號(hào)與發(fā)送信號(hào)是反向的，從而增加了接收靈敏度。實(shí)際材料見(jiàn)圖2-23。圖2-231838紅外接收模塊實(shí)物圖綜合上述，1838紅外體接收模塊相比于藍(lán)牙連接，成本更低且使用簡(jiǎn)單，最終選用1838紅外接收模塊作為無(wú)線(xiàn)模塊。2.2.12電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選型方案一：選用ULN2803電機(jī)驅(qū)動(dòng)。ULN2803主要用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等負(fù)載。工作電壓范圍為3V至50V，工作電流500mA，有8個(gè)輸出端口，最大輸出電流為1.5A。ULN2803的設(shè)計(jì)能與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容，輸入信號(hào)直接連接單片機(jī)I/O口，輸出端連接步進(jìn)電機(jī)。實(shí)物圖如圖2-24所示。圖2-24ULN2803實(shí)物圖方案二：選用ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)。ULN2003主要用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)等負(fù)載。工作電壓范圍為3V至50V，工作電流500mA，有7個(gè)輸出端口，最大輸出電流為0.5A，ULN2003的輸出端口為NPN開(kāi)漏輸出，需要接外部電源，且輸出端口的電壓為負(fù)電壓。實(shí)物圖如圖2-25所示。圖2-25ULN2003實(shí)物圖綜上所述，ULN2003相比于ULN2803的擴(kuò)展性更好且使用難度較低，選用ULN2003作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。2.2.13語(yǔ)音模塊的選型方案二：選用蜂鳴器。蜂鳴器是一種常用的聲音輸出設(shè)備，主要用于發(fā)出警報(bào)、提示等聲音信號(hào)。工作電壓范圍為3V至12V，聲壓級(jí)：一般為85dB至105dB，驅(qū)動(dòng)方式一般為直流驅(qū)動(dòng)，即通過(guò)改變電壓的正負(fù)極性，使蜂鳴器內(nèi)部的震蕩器振動(dòng)，從而發(fā)出聲音，音頻頻率范圍為2kHz至5kHz。實(shí)物如圖2-26所示。圖2-26蜂鳴器報(bào)警模塊方案一：選用語(yǔ)音處理WT5880芯片。WT5880是一種常用的語(yǔ)音處理芯片，主要用于實(shí)現(xiàn)錄音、播放、存儲(chǔ)等功能。工作電壓范圍為2.7V至5.5V，存儲(chǔ)容量為1MB至4MB，音頻采樣率為6kHz至22kHz，控制方式為串口控制，需要通過(guò)外部控制器或單片機(jī)等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。內(nèi)嵌獨(dú)特的人聲語(yǔ)音處理器，使語(yǔ)音表現(xiàn)自然。抗干擾性強(qiáng)，可用于多種環(huán)境。實(shí)物圖如圖2-27所示。圖2-27語(yǔ)音處理WT5880芯片綜合上述，語(yǔ)音處理WT5880D芯片相比于蜂鳴器在抗干擾性更強(qiáng)和使用體驗(yàn)更佳，選用語(yǔ)音處理WT5880D芯片作為語(yǔ)音模塊核心。

第3章硬件電路的設(shè)計(jì)這一章介紹了該系統(tǒng)的各模塊的設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)，電源電路設(shè)計(jì)，PM2.5檢測(cè)模塊，雨量檢測(cè)模塊，風(fēng)速檢測(cè)模塊，光強(qiáng)檢測(cè)模塊，溫濕度檢測(cè)模塊，按鍵，顯示，語(yǔ)音模塊等。3.1單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路中的復(fù)位電路主要是由10uF電容和10K電阻組成，而時(shí)鐘電路主要是由2個(gè)30PF電容和1個(gè)11.0592MHZ振蕩器構(gòu)成。單片機(jī)STC89C52，共有20個(gè)引腳，單片機(jī)引腳圖具體如圖3-1所示。圖3-1單片機(jī)STC89C52該重置電路與RST單片管腳相連，其主體為電容串接，并聯(lián)10K電阻組成。重置電路中的電容器主要起到充、放電的作用，利用該功能，可以實(shí)現(xiàn)將重置電路輸出高電平，并將其作為單片機(jī)的標(biāo)識(shí)。在VCC接通電源的正端時(shí)，電容器C5就能被充電，所以在電阻器R8上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電平的輸出，被微處理器所識(shí)別，然后將其復(fù)位。在C5完全充滿(mǎn)或關(guān)閉VCC的情況下，在R8上既無(wú)電壓也無(wú)電流流過(guò)，那么就不會(huì)產(chǎn)生高電平，所以單片機(jī)將持續(xù)運(yùn)行。在單片機(jī)工作狀態(tài)下，按動(dòng)K1重置鍵，可引起電容器C5的放電，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的重置。在圖3-1中顯示了該重置電路的詳細(xì)電路圖。圖3-2復(fù)位電路工作電路圖時(shí)鐘電路，連接到單片機(jī)的XLAL1（X1）和XLAL2（X2），由2個(gè)30pF的電容和1個(gè)11.0592MHZ振蕩器Y1構(gòu)成。C6和C7為負(fù)載電容。主要功能的包裝振蕩器兩端諧振頻率，因此兩個(gè)電容值要求一樣。當(dāng)時(shí)鐘電路振蕩器的頻率越高時(shí)，單片機(jī)的反應(yīng)和運(yùn)行速度也會(huì)越快。因此時(shí)鐘電路對(duì)單片機(jī)整個(gè)系統(tǒng)有著很大的作用。時(shí)鐘電路具體電路圖如圖3-2所示。圖3-3時(shí)鐘電路工作電路圖3.2電源電路設(shè)計(jì)在該供電電路中，VD1被稱(chēng)為續(xù)流二極管，用于L1續(xù)流。在LM2596的內(nèi)部開(kāi)關(guān)管接通的情況下，通過(guò)接通的開(kāi)關(guān)管，對(duì)L1、C3、C4進(jìn)行充電，并從該IC的兩個(gè)引腳對(duì)其進(jìn)行充電，并使其儲(chǔ)存能量，從而斷開(kāi)1N5822；在LM2596的內(nèi)部切換管斷開(kāi)時(shí)，該IC的第二腳沒(méi)有任何電壓輸出，L2保持負(fù)載電流（場(chǎng)能被轉(zhuǎn)化為電能）,VD1接通，為L(zhǎng)2放電的電流回路，與此同時(shí)，L1、C3、C4也放電，使得電勢(shì)略微降低，該電勢(shì)經(jīng)過(guò)IC的四條引線(xiàn)，與參考電壓進(jìn)行比較，如果該參考電壓比參考電壓低，則IC內(nèi)的開(kāi)關(guān)管重新接通，啟動(dòng)下一周期。在圖3~4中給出了該供電電路的詳細(xì)電路圖。圖3-4電源電路圖3.3PM2.5檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)PM2.5傳感器的MOD和GND接入低電平。OUT2/RXD是串行時(shí)鐘輸入引腳，用于輸入時(shí)鐘信號(hào)空接。VCC是電源引腳，連接到電路的正電源上，通常是+5VDC。OUT1/TXD是串行數(shù)據(jù)輸出引腳，采用了I2C總線(xiàn)協(xié)議，連接到單片機(jī)的P30引腳，通過(guò)該引腳向單片機(jī)傳輸溫濕度數(shù)據(jù)。它內(nèi)部集成了溫濕度傳感器和AD轉(zhuǎn)換器，能夠精確測(cè)量環(huán)境溫度和濕度，并將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的形式輸出。PM2.5檢測(cè)模塊具體電路圖如圖3-5所示。圖3-5PM2.5檢測(cè)模塊電路圖3.4雨量檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)雨量檢測(cè)模塊與單片機(jī)的P33引腳連接，雨滴傳感器在連接單片機(jī)之前還連接了一個(gè)LM393電壓比較器和一個(gè)電位器，雨滴傳感器輸出電壓到LM393的3腳，電位器連接LM393的2腳，若雨滴傳感器輸出電壓高于電位器電壓，則1腳輸出高電平，單片機(jī)只需檢測(cè)電平的高低，就可以判斷出雨量是否超過(guò)閾值。電位器可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)節(jié)雨滴傳感器的靈敏度。雨滴檢測(cè)模塊具體電路圖如圖3-6所示。圖3-6雨量檢測(cè)模塊電路圖3.5風(fēng)速檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)由于所選的風(fēng)速傳感器型號(hào)是模擬信號(hào)，因此在與單片機(jī)相連之前，必須與一臺(tái)ADCTLC2543相連，TN0—TN8是將被變換后的數(shù)字信號(hào)輸出管腳。TLC2543是一種串行通信方式，它以TN8為起始，進(jìn)行一次12比特的轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)使用了一種同步串行通信方式，其中數(shù)據(jù)由DAIN管腳輸入，而時(shí)鐘信號(hào)由CLOCK管腳輸入。CS管腳是芯片選擇的輸入管腳。TLC2543在CS管腳是低的情況下工作，在CS管腳是高的情況下等待。該風(fēng)速傳感器的第3管腳被連接到TLC2543的IND上，而TLC2543ADC的EOC、時(shí)鐘、DAIN、DAOUT則分別與MCU的p10-P14管腳相連。在3~7中給出了風(fēng)速探測(cè)模塊的詳細(xì)電路。圖3-7風(fēng)速檢測(cè)模塊電路圖3.6光強(qiáng)檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)在該光敏電阻上接有電位計(jì)及LM393的電壓比較器，該光敏電阻向LM393的5腳輸出一電壓，當(dāng)該光強(qiáng)傳感器的輸出電壓大于該電位計(jì)的電壓時(shí)，該7腳將該高電平，該單片機(jī)僅通過(guò)檢測(cè)該電平的高低，來(lái)判定該強(qiáng)度有沒(méi)有超出該閾值。電位計(jì)可依需要調(diào)整其靈敏度。在圖3~8中表示了雨滴探測(cè)模塊的詳細(xì)電路。圖3-8光強(qiáng)檢測(cè)模塊電路圖3.7溫濕度檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)DHT11的串口通訊是一種單總線(xiàn)、兩條線(xiàn)路的串口通訊。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，由單片機(jī)經(jīng)I/O管腳將一個(gè)起始訊號(hào)傳至DHT11，再由DHT11反向回單片機(jī)進(jìn)行應(yīng)答，單片機(jī)對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的溫、濕參數(shù)，并將其輸出到LCD12864顯示屏上。通過(guò)DOUT接口輸送到單片機(jī)P35引腳中，VCC連接電源，GND接地，NC空接。溫濕度檢測(cè)模塊具體電路圖如圖3-9所示。圖3-9溫濕度檢測(cè)模塊電路圖3.8無(wú)線(xiàn)接收模塊電路設(shè)計(jì)1838紅外線(xiàn)接收器1腳與單片機(jī)的P32引腳連接，當(dāng)接收到紅外線(xiàn)時(shí)，可輸出一個(gè)低電平信號(hào)，反之，可輸出高電平信號(hào)。在接收紅外線(xiàn)信號(hào)之后傳輸給單片機(jī)。其余的3腳連接VCC，2腳連接GND。當(dāng)紅外線(xiàn)照射到接收器的接收頭上時(shí)，接收頭內(nèi)部的紅外敏感元件會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、整形、濾波等處理后，輸出到OUT引腳。因此，通過(guò)檢測(cè)OUT引腳的電平變化，就可以判斷是否接收到了紅外信號(hào)。無(wú)線(xiàn)接收模塊具體電路圖如圖3-10所示。圖3-101838紅外接收器電路圖3.9按鍵模塊電路設(shè)計(jì)該部件包括三個(gè)獨(dú)立的按鍵，其中K2,K3,K4的一端分別連接到MCU的管腳P15-17上，而K2,K3,K4的另一端一起接地。每一個(gè)鍵都是獨(dú)立的。判斷一個(gè)鍵是否被按下，是由單片機(jī)根據(jù)其高低電平來(lái)進(jìn)行的，當(dāng)按鍵被按壓后，就會(huì)發(fā)出一個(gè)較低的信號(hào)。這一次，使用三個(gè)單獨(dú)的鍵來(lái)設(shè)定該系統(tǒng)，K2表示進(jìn)入設(shè)定畫(huà)面或下一個(gè)項(xiàng)目，K3表示上升，K4表示下降。在自動(dòng)工作方式下，按動(dòng)K3鍵可使工作方式變?yōu)槭謩?dòng)工作方式。以手動(dòng)方式按動(dòng)K4可控制車(chē)窗的開(kāi)閉。在圖3~11中，給出了關(guān)鍵模塊的詳細(xì)電路。圖3-11按鍵模塊電路圖3.10顯示電路設(shè)計(jì)LCD12864有20根管腳，其中GND管腳與電源的正電極相連，而VCC管腳與電源的負(fù)電極相連。將V0管腳連接到滑動(dòng)電阻器上，然后將其接地，通過(guò)調(diào)整滑片電阻的阻值，使V0管腳上的電壓發(fā)生變化，就能調(diào)整LCD的對(duì)比度。RS管腳連接到MCU的P25管腳上。管腳RW被連接到微控制器P26的管腳上，它有權(quán)選擇地執(zhí)行讀寫(xiě)指令，這取決于它的電平。片選擇管腳EN連接到微控制器P27管腳，在芯片選擇管腳EN發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號(hào)后，判斷相應(yīng)的操作已經(jīng)開(kāi)始。在圖3-12中顯示了特定的電路圖。圖3-12LCD12864電路圖3.11語(yǔ)音模塊電路設(shè)計(jì)單片機(jī)通過(guò)DATA數(shù)據(jù)口對(duì)WT588D語(yǔ)音模塊進(jìn)行控制。當(dāng)觸