第2章 设计的目标任务

2.1 本文主要工作设计 2.1.1本设计的总体介绍

(1) 智能窗户:基于单片机控制系统设计出温湿度检测电路、电机驱动电路、时钟电路、单片机、晶振和复位电路和控制电路等。

（2)设计智能窗户的数据采集及控制系统。 2.1.2设计的具体任务

对智能窗户的功能进行设计，相应的硬件电路和系统软件设计，并做出控制系统，从而达到设计的目的：温度升高到超过预设值时，电机转动关闭窗户并把空调打开；若下雨窗外的湿度传感器会感应到并把窗户关闭；通过按键可以设置自动开启窗户时间及自动关闭窗户时间，到设定时间会自动关闭或开启窗户；可以设置根据温湿度控制窗户开关及根据时间开启、关闭窗户功能。 2.2论文的要求与数据

（1)完成该课题必须重点研究单片机控制、温湿度采集、晶振和复位电路等关键问题和理论。

（2)研究方案的设计、研究方法和手段要合理，符合理论与实践的要求。

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第3章 设计方案论证

智能窗户的模型如下图3.1，传动机构由皮带、电机和定滑轮组成。当电机正转时，可移动窗扇向右移动至限位开关处电机停止。当电机反转时，可移动窗户向左移动至限位开关处电机停止。

图3.1 智能窗户的模型

整个智能窗户控制系统包括微处理器、温湿度检测电路、报警电路、 电机驱动电路等模块组成。整个系统框图如图3.1所示。

温湿度传感器 STC89C52 LCD显示电路 时钟显示电路 光电传感器 电机驱动电路 按键

图3.2 系统框图

3.1 温湿度检测方案

方案一：温度检测采用热电阻温度传感器。热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件；现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻；其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。 湿度检测使用湿敏电阻。

方案二：我们采用数字温湿度传感器DHT11。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

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快应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11 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。 综合来看DHT11集温湿度检测于一体，反应快，单片机数字读取数剧，利于数据采集，而起体积小，利于本次设计，所以选用第二种方案。 3.2 窗户控制系统设计方案 窗户的开关主要通过直流电机控制。 方案一 ：直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图2.1所示。 VCCS1S4A+S3Motor Servo-S2GND 图3.3 H桥电机驱动电路 全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，S1、S2为一组，S3、S4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则 另一组必须关断。当S1、S2导通时，S3、 S4关断，电机两端加正向电压，可以实 现电机的正转或反转制动；当S3、S4导 通时，S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。 在窗户动作的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在S1、S2导通且S3、Q4关断，到S1、S2关断且S3、 S4导通，这两种状态之间转换。在这种 情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是，由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。这个过程可用图2.2说明。 6

图3.4 窗户桥臂导通示意图

因此，为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的协同性和同步性，两组控制信号在理论上要 求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可以通过软件实现。

方案二：通过L6203集成块控制直流电机。L6203是专用驱动集成电路，属于 H桥集成电路，其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。利用单片机输入PWM波形控制使能端很容易改变直流电机速度，调速及控制方向容易，电路设计简单。

综合来看L6203具有强驱动能力，体积小，电路设计简单等优点，故选用方案二。 3.3 限位开关控制系统设计方案

限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。这种开关有接触式的和非接触式的。

方案一：接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，和其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。

方案二：非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。我这里选择光电式，光电传感器(ST178)是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。

综合来看光电式传感器具有体积小，设计简单，而且检测的

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