毕业设计（论文）-基于51单片机控制的智能窗的设计

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1、#论文题目：自动窗设计论文题目：自动窗设计指导教师：指导教师：*院系班级：院系班级：#学号：学号：*姓名：姓名：*河南工业职业技术学院2目 录摘要 .1关键词 .1Abstract.1Key words.1引言 .11 总体方案的设计 .11.1 本设计的主要任务和内容 .21.2 智能窗的总体构成 .22 机械结构的设计 .42.1 自动开关窗机械传动形式设计 .42.1.2 齿轮齿条参数选择 .42.2 窗框与窗扇的结构设计 .42.2.1 窗框结构设计 .42.2.2 窗扇结构设计 .42.2.3 步进电机滑槽设计 .52.3 180旋转工作流程示意图 .63 自动控制系统主要硬件的设计

2、 .73.1 单片机选型 .73.1.1 单片机发展过程 .73.1.2 单片机发展趋势 .73.1.3 AT89S51 单片机简介.83.2 数据检测传感器的选择 .83.2.1 数据检测传感模块组成 .83.2.2 传感器选型及电路 .83.3 A/D 转换电路的设计.123.3.1 A/D 转换器的选型.123.3.2 ADC0809 内部功能与引脚介绍.12河南工业职业技术学院33.3.3 A/D 转换器与单片机接口电路的设计.143.4 语音报警电路的设计 .153.4.1 语音录放电路的设计 .153.4.2 扬声器驱动电路的设计 .163.5 行程开关 .174 红外线遥控开关的

3、设计 .184.1 红外线简介 .184.2 遥控方案设计 .184.3 成品红外接收头 .194.4 编码器和译码器的选择 .204.5 红外遥控发射电路的设计 .224.6 红外遥控接收电路设计 .234.7 电源电路的设计 .245 动力源的选型与设计 .255.1 步进电机选型 .255.2 步进电机驱动电路的设计 .256 系统软件的设计 .267 结术语 .28参考文献 .29致谢 .30河南工业职业技术学院2基于 51 单片机控制的智能窗的设计机械电子工程专业学生 王 凯指导教师 侯建华摘要：我们现在使用的窗户大部分采用人工关闭方式，不具有自动防盗、防雨、防煤气中毒等人性化的功能

4、；平时我们外出时经常忘记关闭窗户，遇上下雨时，雨水会进入室内，对室内的电器、摆设等物品造成不必要的损害。晚上睡觉时我们通常把窗户关死，一旦燃气发生泄漏，由于室内不透气造成窒息中毒致残、致死的事件时有发生。为了防盗，我们一般在窗户外面安装防护栏，但如今很多城市为了美化市容通常不允许安装防盗窗。再者，现在使用的窗户大多数是单纯推拉式或平移式的，这给在楼层高的住户擦拭玻璃带来很大困难。本文借助三维建模软件 Solidworks、单片机、电子电路及传感器的知识设计了可以实现清晨自动开窗、防雨、智能防盗和可燃性气体泄漏时报警并开窗，以及实现窗扇 1 80转向的智能窗，从而可解决现实生活中存在的很多问题。

5、本智能窗的设计本着安全、方便、节能、人性化的原则进行，可使现代生活显著提高7。关键词：防风雨、防盗；51 单片机；窗扇的 180旋转；智能51 single-chip microcomputer control based on the design of the intelligent windowStudent majoring in Mechanical and electrical engineering Wang KaiTutor Hou Jian HuaAbstract： We now use the windows closed most of the artificial me

6、ans, does not have auto theft, rain, wind, anti-gas poisoning and other personalized features; normally closed we often forget when they go out the window, encountered bad weather, sand and rain will enter the room, and indoor appliances, furnishings and other items causing unnecessary damage. Usual

7、ly at night when we closed the windows, once the gas leak, poisoning, suffocation caused by indoor air tight disabled, the frequent occurrence of death. For security, we usually install the fence outside the window, but now many of the cities to beautify the city usually do not allow the installatio

8、n of security window. Moreover, the windows are mostly used push-pull or pan-style, giving the floor a high household cleaning glass more difficult. We designed the smart window can be achieved early in the morning automatically open the window, automatic wind, rain, smart security and combustible g

9、as leak alarm window, and the achievement of the overall window sash 180 freedom of direction and relative rotation between the two sashes, in order to address the reality life of the aforementioned problems. The smart window design in line with safe, convenient, energy saving, the principle of huma

10、nity, can significantly improve modern life.Key words: Prevent rain，anti-theft;；51 SCM；180 rotate. Casement； Intelligent window .河南工业职业技术学院2引言: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。但现在使用的窗户大多数是单纯的推拉式或平移式的，并且与自动控制毫不沾边,更不用说智能化了。如果使窗户具有一定的智能,如下雨则自动关、室内有害气体超标则自动开、有盗贼入内则自动报警等,就会给人们的居家生活带来诸多方便,从而进

11、一步提高人们的生活质量。再者，这给在楼层高的住户擦拭玻璃带来很大困难。沿着这样的思路,我们设计了以 AT89S51 单片机为中央控制器的智能窗。该智能窗能通过其数据检测传感电路不断循环检测室内湿度、有害气体(如媒气)浓度等信号，经处理后传入单片机。单片机对信号进行运算，然后与由预先设置的参数临界值相比较,从而作出开/关窗 的判断,再结合窗状态检测电路所检测到的当前窗状态,再输出脉冲信号调整步进电机，完成下雨刮风自动关窗、室内有害气体超标自动开窗等。1 总体方案的设计1.1 本设计的主要任务和内容1、自动开关窗：阳光明媚的早上光敏晶体管感光通过单片机控制板自动打开窗户，更新室内空气；傍晚太阳落下

12、时窗子自动关闭；2、自动防风：当风速超过 8m/s 时，风速传感器检测信号，单片机控制板使窗户自动关闭。即使主人不在家，照样将其看管得无微不至，为您营造一个干干净净的环境。3、自动防雨：平时上班或临时加班不能及时关窗、出门在外也总有忘记关窗的时候，遇到下雨时，湿敏传感器检测到下雨信息，单片机控制板控制电动机动作，窗门自动关闭，使您的家用设备遭雨水侵袭，解除您的后顾之忧。此功能特别适合高楼住户。4、防盗：如遇上小偷触碰窗户，振动传感器检测到振动信号后，单片机控制板控制窗户上的喇叭播放“抓贼了，在单元号”的报警声，接着电动机动作，关闭窗户，避免造成财产及安全损失。5、防可燃性气体泄漏： 当室内的液

13、化气、天然气等可燃气体发生泄漏时，传感器检测到气体信号时，单片机控制板控制报警蜂鸣器立即发出报警声，接着电动机动作，打开窗户将有毒气体排到窗外，这样既有效地防止人中毒，也能避免火灾、爆炸事故的发生。6、独特旋转功能：窗扇可实现 180旋转，便于高层住户擦拭玻璃。1.2 智能窗的总体构成本智能窗主要机械传动部分和自动控制系统组成。其中，机械传动部分要由窗框、窗扇、齿轮齿条等。自动控制系统主要包括 AT89S51 单片机组成的中央控制器,数据检测传感电路, A/D 转换器,窗驱动控制接口电路、窗驱动电路、步进电机等组成。其整体结构如图 1-1 所示。河南工业职业技术学院3 图 1-1 整体结构图1

14、-窗框 2-窗扇 3-窗扇 2 4-护罩 5-齿条 6-电机固定座上 7-滑槽块 8-电机固定座下 9-电机滑移螺栓 10-固定螺母 11-固定螺栓 12-行程开关 13-煤气传感器 14-风速传感器 15-湿度传感器 16-人体热释红外传感器 17-光敏传感器 18-步进电机ATS89C51 电源模块盗情监测模块窗户状态监测 模块电机驱动模块光强检测模块煤气检测模块湿度检测模块风速检测模块红外接收模块图 1-2 控制系统架构图河南工业职业技术学院42 机械结构的设计2.1 自动开关窗机械传动形式设计2.1.1 自动开关窗任务分析 智能窗的传动任务是由动力源通过传动机构带动窗扇在滑移槽内来回滑

15、动，任务简单，但要求精确度较高。通过学习机械设计知道，齿轮齿条传动传动较为准确、可靠，并且机械效率高18，因此，选定齿轮齿条传动能满足智能窗传动任务的要求。传动形式见图 2-1。图 21 齿轮齿条传动2.1.2 齿轮齿条参数选择 由于此传动所带负载不是很大，故齿轮齿条参数选取较为宽松，根据具体需要确定其主要参数为：齿轮：m=1.5 Z=20d=mz=30mm=20P=m=3.141.5=4.7mm齿条：m=1.5=20P=m=3.141.5=4.7mm2.2 窗框与窗扇的结构设计2.2.1 窗框结构设计 此窗框是在常规窗框的基础上进行的更改设计，在窗框上下两侧各开一道滑移槽，使窗扇开关窗时在滑

16、移槽内滑动实现关窗。同时为实现窗扇的旋转在滑移槽一侧各设计一转轴槽。其具体设计见图 1-3 窗框结构图。河南工业职业技术学院5图 2-2 窗框结构图2.2.2 窗扇结构设计 窗扇在常规窗扇的基础上进行部分改进，在窗扇一侧加一旋转轴，同时在旋转轴上安装滑动轮。具体设计见图 2-3。 图 2-3 窗扇结构图2.2.3 步进电机滑槽设计为实现窗扇的 180旋转，特别将电机卡座设计成可上下移动的形式。具体设计见图 2-4 滑移槽设计图与 2-5 步进电机滑槽设计装配局部图。图 2-4 滑移槽设计图河南工业职业技术学院6 图 2-5 步进电机滑槽设计装配局部图2.3 180旋转工作流程示意图本设计窗扇可

17、以具有180旋转功能，此设计解决了楼层高的住户擦拭玻璃困难的问题。绘制了其工作流程示意图加以说明，见图2-6。1、窗户开闭状态图 2、拿下防护罩状态图3、齿轮与齿条离合状态图4、旋转后状态图河南工业职业技术学院7图 2-6 180旋转工作流程示意图3 自动控制系统主要硬件的设计3.1 单片机选型3.1.1 单片机发展过程 单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（含程序存储器 ROM 和数据存储器 RAM） 、输入、输出接口电路(I/O 接口)集成在同一块芯片上，构成一个既小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完

18、成程序设计者事先规定的任务。其诞生于 20 世纪 70 年代末，主要经历了 SCM、MCU、SOC 三大阶段。1）SCM 即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了 SCM 与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel 公司功不可没。2） MCU 即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。3)MCU 的重任不可避免地落在电气

19、、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel 逐渐淡出 MCU 的发展也有其客观因素。在发展 MCU 方面，最著名的厂家当数 Philips 公司。Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将 MCS-51 从单片微型计算机迅速发展到微控制器。4)单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 SOC 化趋势。随着微电子技术、IC 设计、EDA 工具的发展，基于 SOC 的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统4。3.1.2 单片

20、机发展趋势 （1）CMOS 化 近年，由于 CHMOS 技术的进步，大大地促进了单片机的 CMOS 化。CMOS 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。因为单片机芯片多数是采用 CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS 电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的 TTL 电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了 HMOS（高密度、高速度 MOS）和 CHMOS 工艺。CHMOS 和 HMOS 工艺的结合。目前生产的 CHMOS 电路已达到 LSTTL 的速度，传输延迟时间小于 2ns，它的综合

21、优势已在于 TTL 电路。因而，在单片机领域 CMOS 正在逐渐取代 TTL 电路。（2）高性能化 主要是指进一步改进 CPU 的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达 100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒） ，并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出 10 倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O 功能，由此引入了虚拟外设的新概念。（3）低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰

22、能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。（4）低功耗化 单片机的功耗已从 Ma 级，甚至 1uA 以下；使用电压在 3 至 6V 之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化河南工业职业技术学院8（5）大容量化 以往单片机内的 ROM 为 1KB 至 4KB，RAM 为 64B 至 128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内 ROM 最大可达64KB，

23、RAM 最大为 2KB（6）低电压化 几乎所有的单片机都有 WAIT、STOP 等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在 3 至 6V 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达 1 至 2V。目前 0.8V 供电的单片机已经问世5。3.1.3 AT89S51 单片机简介 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能更强。在单片机家族中，80C51 系列是其中的佼佼者，加之Intel 公司将其 MCS 51 系列中的 80C51 内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名 IC 制造厂商，如 Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些

24、公司都在保持与 80C51 单片机兼容的基础上改善了 80C51 的许多特性。这样，80C51 就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为 80C51 系列。80C51 系列单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的 MCU 品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51 系列可能最终形成事实上的标准 MCU 芯片6。本设计采用美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机 AT89S51。其片内含 4K bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标

25、准 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中,ATMEL 公司的功能强大，低价 AT89S51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：（1）与 MCS-51 产品指令系统完全兼容（2）4K 字节在系统编程（ISP）Flash 闪速存储器（3）1000 次擦写周期（4）4.0-5.5V 的工作电压范围（5）全静态工作模式：0HZ-33MHZ（6）三级程序加密锁（7）128*8 字节内部 RAM32 个可编程 I/O 口线（8）2 个 16 位定时/计数器（9）6

26、 个中断源（10）全双工串行 UART 通道（11）低功耗空闲和掉电模式（12）中断可从空闲模式唤醒系统（13）看门狗（WDT）及双数据指针（14）掉电标示和快速编程特性（15）灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）3.2 数据检测传感器的选择3.2.1 数据检测传感模块组成 根据该设计的功能要求数据检测传感系统由四个部分组成： 1)光度传感电路； 2)风速传感电路；3）湿度传感电路；4)有害气体传感电路；5)红外防盗传感器。3.2.2 传感器选型及电路 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满河南工业职业技

27、术学院9足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节9。1、光度传感器光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器 、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD 和 CMOS 图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。其中最简单的光敏传感器是光敏电阻，本设计中采用光敏电阻与驱动电路来构成光敏传感电路。电路图如图 2-1 所示。+ +5 5V V1 1M MR RR R1 1R R2 2光光敏敏电电阻阻A AP P2 2. .1 1图 3-1

28、 光敏传感器驱动电路图 3-1 中，当外界环境光照强时，光敏电阻 R2 阻值较小，则 A 点电平较低；当外界环境光照弱时，光敏电阻 R2 阻值较大，则 A 点电平较高，将此电平送到单片机，由程序控制是否驱动电机开关窗。2、风速传感器风速传感器是将空气的流动速度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。风速传感器种类有采用毕托管测风速、热线热膜测风速、机械式传感器测风速、超声波测风速和三杯式风速传感器测风速。在本设计中采用风杯式YH12X 风速传感器，产品见图 3-2。图 3-2 YH12X 风速传感器YH12X 风速传感器工作原理：当风杯随着气流的运动而转动时，风速轴带动码盘与风杯成正比地转动

29、，从而输出电脉冲信号，将机械转动信号转换成电信号。风向测量采用进口红外光电管,格雷码盘等器件。当风向标随着气流的运动而转动时，风向轴带动格雷码盘同时转动,从而输出七位格雷码信号，将机械位置信号转换成光电脉冲信号，河南工业职业技术学院10通过微处理器 CPU 记录每秒种的产生的光电脉冲的个数，快速运算处理后即可的出气流的运动速度。计算原理如下：每秒种产生光电脉冲的个数：n 齿轮的圆周半径 ： R (m)齿轮的总个数： N风杯轴承的传动系数：风杯的线速度 : V1(m/s)风速：V （m/s）风速的计算公式为： VV (3-1)风杯的转动线速度： NnRV36021(3-2)可通过转换处理将数据以

30、其他形式输出，传递给其他智能设备。 YH42X 风速显示器工作原理：风速显示器对接收到的风速信息进行处理,换算转化成实际风速风级显示到对应的显示器中,风速显示器还可以针对预先设定的报警参数,当风速超过其参数时触发关窗信号，单片机接到信号处理后，通过驱动电路驱动电机，完成关窗动作。2、湿度传感器Honeywell 公司的 HIH3610 湿度传感器是为大批量 OEM 设计，具有湿度仪表级测量性能，低成本，SIP 封装。线形放大电压输出，驱动电流 200 微安，器件一致性好3。特点：湿度传感器 HIH3610 主要性能： （1）热固性聚合物电容湿度传感器，带集成信号处理电路 （2）3 针可焊塑封

31、（3）宽量程：0100RH 非凝结，宽工作温度范围4085（4）高精度：2RH，极好的线形输出（5）5VDC 恒压供电，0.8-3.9VDC 放大线形电压输出（6）低功耗设计 200 微安驱动电流（7）激光修正互换性 （8）快速响应 15 秒（9）稳定性好，低温漂，抗化学腐蚀性能其引脚如图 3-2 所示：+ +5 5V VH HI IH H3 36 61 10 0V Vo ou ut t图 3-2 HIH3610 引脚图3、有害气体传感器MY1000 系列电化学式一氧化碳气体传感器是由广州市中敏仪器有限公司生产的产品,它是一种定电位电解式电流型传感器。该产品具有结构紧凑，体积小，功耗低，测河南

32、工业职业技术学院11量精度高，稳定性好，寿命长等优点。其性能和可靠性达到国内或国外同类产品的水平，属于气体传感器整机的核心部件3。（1）检测原理：本传感器元件采用的是定电位电解原理，组成主要由三个电极组成，电极材料是贵金属催化剂，主要是铂黑，其中各电极的作用如下：工作电极（W）：一氧化碳气体的氧化，对电极（C）：氧气的还原，对电极（R）：为工作电极提供恒定电位。当一氧化碳接触到工作电极时，即发生氧化反应，生成二氧化碳和氢离子，并产生电子，氢离子发生离子迁移，在对电极上接受电子，并与氧气发生还原发应，生成水。电极反应如下;工作电极：CO+H2OCO2+2H+2e 对电极： 1/2O2+2H+2e

33、H2O总反应： 2 COO22 CO2由反应式可知产生的电流大小与一氧化碳的浓度成正比，因此可以通过测量产生的电流的大小就可以检测出一氧化碳的浓度。（2）技术指标：表 3-1 MY1000 技术性指标 范围参数检测范围0 至 1000ppm相对误差5压力范围86-106 Kappa先好衰减%2/月温度系数1.5%相对湿度%30 至 95%响应时间10s零点漂移2Fimax（1）由于 A/D 转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压在一段时间内不变，直到下一次采样的开始。实际中采样-保持是做成一个电路。（2）量化与编码 模拟信号经采样-保持电路后，得到了连续模拟信号的样值脉冲，他

34、们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值，并不是数字信号。还要把每个样值脉冲转换成与它幅值成正比的数字量。以上为 A/D 转换的一般步骤，在本电路中由ADC0809 芯片完成2.ADC0809 内部结构及主要性能ADC0809 八位逐次逼近式 AD 转换器是一种单片 CMOS 器件，包括 8 位模拟转换器、8 通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8 路转换开关能直接连通 8 个单端模拟河南工业职业技术学院信号中的任何一个。其内部结构如图 2-6 所示。8 8路路模模拟拟开开关关控控制制电电路路S SA AR R树树状状开开关关2 25 56 6电电阻阻阶阶梯梯三三态态输输出出锁锁存存器器比比较

35、较器器地址锁存与译码器2 26 62 27 72 28 81 12 23 34 45 52 25 52 24 42 23 32 22 27 71 17 79 91 11 11 13 31 12 21 16 6I IN N0 0I IN N1 1I IN N2 2I IN N3 3I IN N4 4I IN N5 5I IN N6 6I IN N7 7A AD DD DA AA AD DD DB BA AD DD DC CA AL LE EV VC CC CG GN ND DV VR RE EF F( (+ +) )V VR RE EF F( (- -) )O OE EE EO OC C2 2_

36、 _1 12 2_ _2 22 2_ _3 32 2_ _4 42 2_ _5 52 2_ _6 62 2_ _7 72 2_ _8 86 61 10 0S ST TA AR RT TC CL LO OC CK KV Vi in nV Vs st t1 14 41 15 58 81 18 81 19 92 20 02 21 1图 3-6 ADC0809 内部结构图ADC0809 主要性能：（1）逐次比较型（2）CMOS 工艺制造（3）单电源供电（4）无需零点和满刻度调整（5）具有三态锁存输出缓冲器，输出与 TTL 兼容（6）易与各种微控制器接口（7）具有锁存控制的 8 路模拟开关（8）分辨率：

37、8 位（9）功耗：15mW（10）最大不可调误差小于1LSB（最低有效位）（11）转换时间 128 微秒（12）转换精度：0.4% ADC0809 没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为 101280kHz。典型时钟频率为 640kHz3. 引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图 3-7 所示。1 12 23 34 45 56 67 78 89 91 10 01 11 11 12 21 13 32 28 82 27 72 26 62 25 52 24 42 23 32 22 22 21 12 20 01 19 91 18 81 17 71 16 61 15 51 14 4 I IN N3 3 I

38、 IN N4 4 I IN N5 5 I IN N6 6 I IN N7 7 S ST TA AR RT T E EO OC C D D3 3 O OE E C CL LK K V Vc cc c R RE EF F( (+ +) ) G GN ND D D D1 1 I IN N2 2 I IN N1 1 I IN N0 0 A A B B C C A AL LE E D D7 7 D D6 6 D D5 5 D D4 4 D D0 0 D D2 2 R RE EF F( (- -) )A AD DC C0 08 80 09 9图 3-7 ADC0809 引脚图IN0IN7：8 个通道的模拟

39、量输入端，可输入 05V 待转换的模拟电压。D0D7：8 位转换结果输出端。三态输出，D7 是最高位，D0 是最低位。河南工业职业技术学院A、B、C：通道选择端。当 CBA=000 时，IN0 输入；当 CBA=111 时，IN7 输入。ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把 ABC 的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通 8 路模拟信号中的某一路。START：启动转换信号输入端。从 START 端输入一个正脉冲，其下降沿启动 ADC0809 开始转换。脉冲宽度应不小于 100200ns。EOC：转换结束信号输出端。启动 A/D 转换时它自动变为低电平。OE：输出允许端。C

40、LK：时钟输入端。ADC0809 的典型时钟频率为 640kHz，转换时间约为 100s。REF(-)、REF(+)：参考电压输入端。ADC0809 的参考电压为5V。VCC、GND：供电电源端。ADC0809 使用5V 单一电源供电。当 ALE 为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。在 START 上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行 A/D 转换，此期间 START 应保持低电平。在 START 下降沿后 10us 左右，转换结束信号变为低电平，EOC 为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。OE 为低电平时，D0D7 为高阻状态，O

41、E 为高电平时，允许转换结果输出。3.3.3 A/D 转换器与单片机接口电路的设计 ADC0809 与 8051 单片机的硬件接口有3 种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本设计中选用中断接口方式。由于 ADC0809 无片内时钟，时钟信号可由单片机的 ALE 信号经 D 触发器二分频后获得。ALE 引脚得脉冲频率是 8051 时钟频率的 1/6。该题目中单片机时钟频率采用 6MHz, 二分频后为 500Hz,符合 ADC0809 对频率的要求。由于 ADC0809 内部设通道基本地址为0000H0007H。其对应关系如下表所示。有地址锁存器，所以通道地址由 P0 口的低 3位直接

42、与 ADC0809 的 A、B、C 相连。表 3-3 地址通道对应关系地址码输入通道ABC河南工业职业技术学院控制信号：将 P2.7 作为片选信号，在启动 A/D 转换时，由单片机的写信号和 P2.7控制 ADC 的地址锁存和启动转换。由于 ALE 和 START 连在一起，因此 ADC0809 在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号和 P2.7 引脚RD经或非门后，产生正脉冲作为 OE 信号，用一打开三态输出锁存器。其接口电路如图 3-8 所示。P P1 1. .0 0 1 1 R RX XD D P P1 1. .1 1P P1 1. .2 2P P1 1. .

43、3 3 2 2 3 3 4 4 5 5P P1 1. .4 4P P1 1. .5 5P P1 1. .6 6P P1 1. .7 7 T TX XD DI IN NT T0 0I IN NT T1 1 T T0 0 6 6 7 7 8 8 R RS ST T 9 9 1 10 0 1 11 1 1 12 2 1 13 3 1 14 4 T T1 1 W WR R R RD D G GN ND D 1 15 5 1 16 6 1 17 7 1 18 8 1 19 9 2 20 0 X XT TA AL L2 2 X XT TA AL L1 1P P0 0. .0 03 39 9V VC CC

44、C4 40 0P P0 0. .1 13 38 8P P0 0. .2 23 37 7P P0 0. .3 33 36 6P P0 0. .4 43 35 5P P0 0. .5 53 34 4P P0 0. .6 63 33 3P P0 0. .7 73 32 2E EA A/ /V VP PP P3 31 1A AL LE E/ /P PR RO OG G3 30 0P PE ES SN N2 29 9P P2 2. .7 72 28 8P P2 2. .6 62 27 7P P2 2. .5 52 26 6P P2 2. .4 42 25 5P P2 2. .3 32 24 4P P2

45、2. .2 22 23 3P P2 2. .1 12 22 2P P2 2. .0 02 21 1m ms sb b2 2_ _1 12 21 1 2 2_ _2 22 20 0 2 2_ _3 31 19 9 2 2_ _4 41 18 8 2 2_ _5 58 8 2 2_ _6 61 15 5 2 2_ _7 71 14 41 1s sb b2 2_ _8 81 17 7 E EO OC C7 7 A AD DD D_ _B B2 24 4 A AD DD D_ _C C2 23 3 A AL LE E2 22 2E EN NA AB BL LE E9 9 A AD DD D_ _A A

46、2 25 5 S ST TA AR RT T6 6 C CL LO OC CK K1 10 0I IN N_ _0 02 26 6I IN N_ _1 12 27 7I IN N_ _2 22 28 8I IN N_ _3 31 1I IN N_ _4 42 2I IN N_ _5 53 3I IN N_ _6 64 4I IN N_ _7 75 5R RE EF F( (- -) )1 16 6R RE EF F( (+ +) )1 12 21 1Q Q2 22 2Q Q5 53 3Q Q6 64 4Q Q9 95 5Q Q1 12 26 6Q Q1 15 57 7Q Q1 16 67 7Q

47、 Q8 8Q Q1 19 9 8 8D D1 18 8 7 7D D1 17 7 6 6D D1 14 4 5 5D D1 13 3 4 4D D8 8 3 3D D7 7 2 2D D4 4 1 1D D3 3 C C1 11 1 O OC C1 1A7A6A5A4A3A2A1A0A7A6A5A4A3A2A1A0A7A6A5A4A3A2A1A0Q Q 2 2Q Q 1 1R R4 4S S6 6 D D C CK K 3 35 5V VC CC C1 12 2U U6 6A AU U4 4A A4 40 01 13 3U U5 5B B7 74 4F F0 02 2U U5 5A A7 74

48、 4F F0 02 27 74 4F F0 04 4A AT T8 89 9S S5 51 1A AD DC C0 08 80 09 9图 3-8 ADC0809 与 AT89S51 单片机接口电路3.4 语音报警电路的设计3.4.1 语音录放电路的设计 ISD1420 是美国 ISD 公司出品的新型单片优质语音录放电路，较之以往所有的语音电路，具有专利技术的模拟处理存储方式，使录放音质极佳，没有常见的的背景噪音，且电路断电后语音内容仍不丢失。电路内部由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电

49、源、少数电阻电IN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111河南工业职业技术学院容组成。10特性：（1）使用简单的单片录放音电路（2）高保真语音/音频处理（3）开关接口放音可以是脉冲触发或电平触发（4）录放周期为 16 和 20 秒（5）自动功率节约模式（6）当一个录音或放音周期结束后自动进入掉电状态（7）掉电状态的典型电流为 0.5uA（8）零功率存储（9）不需要电池备份电路（10）处理复杂信息可使用地址操作（11）100 年信息保存典型（12）片上时钟（13）不需要编程器和开发系统（14）+5V 供电（15）提供裸片 DIP SOIC 封装

50、（16）提供工业级别温度型号（-40 到 85）系统的语音录放电路如图 3-9 所示。电路中采用 AT89S51 作为 CPU，用它的P1.0P1.5 与 ISD1420 相接。在设计电路时 ISD1420 的所有地址端、控制端必须可靠接高电平或低电平而不能悬空，否则可能出现停止播放的情况。话筒信号耦合电容与连接 MICREF 端到模拟地的电容要相同。要特别注意的是 ISD1420 芯片的 SP+、SP-端一定不要直接接地，只能接扬声器或者悬空。外接功放器时，采用单端输出，另一端接10F 到地或悬空，否则 ISD 器件会损坏。P P1 1. .0 0 1 1P P3 3. .0 0 A A0

51、01 1A A2 23 3A A1 12 2A A3 34 4A A4 45 5A A5 56 6N NC C8 8A A6 69 9A A7 71 10 0N NC C1 11 1V VS SS SD D1 12 2V VS SS SA A1 13 3S SP P+ +1 14 4N NC C7 7V VC CC CD DR RE EC CX XC CL LK K A AG GC CM MI IC CV VC CC CA AS SP P- - 2 28 8 2 26 6 2 27 7 2 24 4 2 23 3 2 22 2 2 21 1 2 20 0 1 19 9 1 18 8 1 17

52、7 1 16 6 1 15 5 2 25 5R RE EC CL LE ED DP PL LA AY YE EP PL LA AY YL LA AN NA AO OU UT T A AN NA AI IN N M MI IC CR RE EF F N NC CP P1 1. .1 1P P1 1. .2 2P P1 1. .3 3 2 2 3 3 4 4 5 5P P1 1. .4 4P P1 1. .5 5P P1 1. .6 6P P1 1. .7 7P P3 3. .1 1P P3 3. .2 2P P3 3. .3 3P P3 3. .4 4 6 6 7 7 8 8R RS ST T

53、9 9 1 10 0 1 11 1 1 12 2 1 13 3 1 14 4P P3 3. .5 5P P3 3. .6 6P P3 3. .7 7 G GN ND D 1 15 5 1 16 6 1 17 7 1 18 8 1 19 9 2 20 0 X XT TA AL L2 2 X XT TA AL L1 1P P0 0. .0 03 39 9V VC CC C4 40 0P P0 0. .1 13 38 8P P0 0. .2 23 37 7P P0 0. .3 33 36 6P P0 0. .4 43 35 5P P0 0. .5 53 34 4P P0 0. .6 63 33 3P

54、 P0 0. .7 73 32 2E EA A/ /V VP PP P3 31 1A AL LE E/ /P PR RO OG G3 30 0P PE ES SN N2 29 9P P2 2. .7 72 28 8P P2 2. .6 62 27 7P P2 2. .5 52 26 6P P2 2. .4 42 25 5P P2 2. .3 32 24 4P P2 2. .2 22 23 3P P2 2. .1 12 22 2P P2 2. .0 02 21 1+ +5 5V V+ +5 5V V4 45 50 0K K1 1K K3 30 0P PF F1 12 2M MH HZ Z3 30

55、 0P PF FI IS SD D1 14 42 20 01 10 0U UF F1 10 0U UF F1 10 0U UF F1 13 3K K1 13 3K K1 10 00 0K K1 12 20 0K K3 36 6K K1 10 0U UF F5 56 6K K5 56 6K K1 1U UF F1 10 0U UF F1 10 0U UF FM MK K1 1+ +5 5V VV VC CC C接接功功放放电电路路A AT T8 89 9S S5 51 12 22 2U UF F图 3-9 语音录放电路河南工业职业技术学院3.4.2 扬声器驱动电路的设计 通常 ISD1420 的

56、驱动能力有限（0.5W） ，直接接到扬声器上效果不太理想，若接 1W 以上的扬声器将发生失真。通常 1W 以下的扬声器可用LM386、D2283、D2822、MC34119 及 TA7368 等芯片驱动。若选用 1W 以下的扬声器，用低电压通用集成功率放大器 LM386 作为扬声器的驱动芯片，其电路如图 3-10 所示。1W至 10W 的扬声器用 TDA2003 芯片驱动。选用 TDA2003 作为扬声器驱动芯片的电路如图3-11 所示。0 0. .1 1U UF F1 10 0K K3 32 2V VC CC CL LM M3 38 86 60 0. .1 1U UF F1 10 00 0U

57、 UF F4 4. .7 7 + + - -S SP P+ +4 46 65 5图 3-10 以 LM386 为驱动芯片的电路声声音音输输入入1 10 01 10 0U UF F0 0. .1 1U UF FT TD DA A2 20 00 03 32 22 20 01 10 00 00 0U UF F0 0. .1 1U UF F2 22 20 0U UF F + + - -2 20 05 50 0K K 1 1 2 24 43 35 5图 3-11 以 TDA2003 为驱动芯片的电路3.5 行程开关 为了判断窗子是否闭合，需要使用行程开关。利用单片机自带的硬件中断资源，设计了接触式的中断

58、行程开关。当窗体闭合时引发中断，停止运行，进入节电待机状态17。河南工业职业技术学院4 红外线遥控开关的设计4.1 红外线简介红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。红外线由德国天文学家威廉赫歇耳于 1800 年发现，又称为红外热辐射，是太阳光线中众多不可见光线中的一种，人的眼睛能看到的波长最长的光是红光，从广义来讲，红外线是一种电磁波，电磁波家族按波长顺序是这样排列的：长波、短波、超短波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线等。其中长波的波长最长，顺序越来越短，X 射线的波长一般不超过1nm。红外线波长在无线电波与可见光波之间，约为 0.751000m 之间，是一种肉眼看不到这种

59、光线，但利用红外线发送和接收装置却可以发送和接收红外线信号4。在近红外区，它和可见光相邻，因此具有可见光的某些特性，如直线传播、反射、折射、衍射、可被某些物体吸收以及可以通过透镜将其聚焦等。在远红外区，由于它邻近微波区，因此它具有微波的某些特性，如有较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。自然界中，不论任何物体，也不论其本身是否发光（指可见光） ，只要其温度高于绝对零度(-273)，都会一刻不停地向周围辐射红外线。只不过是温度高的物体辐射的红外线较强，温度较低的物体辐射的红外线较弱。红外线摄像、红外线夜视、热释电红外探测以及某些导弹的瞄准等就是利用红外线的这一特性工作的。它具有以下特点：(1)

60、由于为不可见光，因此，对环境影响很小。红外线的波长远小于无线电波的波长，所以，红外遥控不会干扰其它家用电器，也不会影响近邻的无线电设备。同时，由于红外线不能穿透墙壁，所以不同的电器可以使用通用的遥控器而不会互相干扰，这是无线电遥控所不能做到的。(2)红外线为不可见光，具有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗，警戒等安全保卫装置中也得到了广泛的应用。(3)红外线遥控的遥控距离一般为几米至几十米或更远一点。(4)红外线遥控具有结构简单，制作方便，成本低廉，抗干扰能力强，工作可靠性高等一系列优点，特别是室内遥控的优先遥控方式。同时，由于采用红外线遥控器件时，工作电压低，功耗小，外围电路简单，因此它在日常

61、工作生活中的应用越来越广泛。它在技术上的主要优点是：(1)无需专门申请特定频率的使用执照；(2)具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点；(3)传输速率适合于家庭和办公室使用的网络；(4)信号无干扰，传输准确度高；(5)编解码容易，可进行多路遥控。它的缺点是：由于它是一种视距传输技术，采用点到点的连接具有方向性，两个设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物；而且通讯距离较短，此外红管 LED 不是一种十分耐用的器件4.2 遥控方案设计使用由常规数字集成电路组成的红外遥控电路。这种遥控电路使用配套的专用编译码器，因此制作起来比较方便。红外线发射、接收系统组成框图如图 4-1 所示。河南工业职

62、业技术学院按键控制编码调制红外接收 解码(a)红外遥控发射器红外发射受控电源开关（b）红外遥控接收器图 4-1 红外线发射、接受系统组成框图 4.3 成品红外接收头由于红外发光二极管的发射功率一般都较小（100mW 左右） ，所以红外接收二极管接收到的信号比较微弱，PH302、PH303 的最大接收距离一般在 5m。当要求更长的遥控距离时，要增加高增益放大电路。前些年常用 PC1373H、CX20106A 等红外接收专用放大电路，最近几年不论是业余制作还是正式产品，大多采用成品红外接收头。所以本设计也采用成品红外接收头。成品红外接收头的封装大致有两种：一种采用铁皮屏蔽，一种是塑料封装。均有三个

63、引脚，即电源正（VDD） 、电源负（GND）和数据输出（VO和 OUT） 。红外接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同，需参考厂家的使用说明。成品红外接收头的优点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽，使用起来如同一只三极管，非常方便。但使用时需注意成品红外接收头的载波频率。本设计中用到的成品红外接收头是 FPS-4091。FPS-4901高灵敏红外线接收器，外形尺寸：13.5mm14.4mm16.3mm。该红外线接收器内含一个红外线接收管（PH302）和一个放大电路（CX20106） ，红外线接收管产生的光电流有前置放大器放大。该接收器可以直接和红外线发射管配合组合成各种遥控系统 FPS-4091 主要

64、光电参数见表 4-1 所示表 4-1 FPS-4901 主要光电参数 类别参数名称最小值典型值最大值工作电压3.74.7 至 5.36.3遥控距离6.58.510高电平脉冲宽度290540790低电平脉冲宽度410660910工作环境温度-10 至+60-10 至+60-10 至+60图 4-2 是 FPS-4901 接收器的内部电路图。该电路功耗低，Vcc=5V 时，PCM =9mW；工作电压为 4.5 至 17V，建议使用 5V；工作温度-20 至+75。其中第 2 脚外接电阻与电容决定前置放大器的放大倍数，当第 2 脚外接电阻由 4.7 减少到 0 时，灵敏度最高，遥控距离可达 12m，

65、但易受干扰。第 5 脚外接决定接收的中心频率 fo。CX-20106 可用KA2184 直接代换，功能完全一样。图 4-3 是电路的工作波形图。由图 4-3 分析可知，FPS-4091 接收器在红外接收电路中起转换、放大和解调信号的作用。此接收器内部电路也可用分立组件代替，但体积较大，不宜配套使用，所以本设计直接使用成品红外线接收头 FPS-4091。C CX X2 20 01 10 06 6( (K KA A2 28 81 14 4) )1 12 23 34 45 56 67 78 84 4. .7 71 1U UF F+ + +3 3. .3 3U UF F2 20 00 0K K3 33

66、 30 0U UF F2 22 2K K1 1 输输入入2 2 输输出出P PH H2 20 01 1红红外外线线接接受受管管3 3图 4-2 FPS-4901 接收器的内部电路图波形说说明明前置放大器输入波形5V0.2V第七脚输出波形把把接接收收的的红红外外信信号号变变成成电电信信号号并并放放大大整整形形。从从第第七七脚脚输输出出矩矩形形波波图 4-3 FPS-4901 工作波形图河南工业职业技术学院4.4 编码器和译码器的选择PT2262、2272 是台湾普城公司生产的一种 CMOS 工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262、2272 最多可有 12 位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平），可以组合成 531441 个不同的地址码；PT2262 最多可有 6 位（D0-D5）数据端管脚，设定的地址码和数据码从 17 脚串行输出。PT2262 为编码芯片，PT2262 外形图如图 4-4 所示。工作电源范围为2.6V15V，A0A11为地址管脚，其中 A6A11 既可以作为地址也可以作数据使用，它们按三态即“0”、“1”、高阻态（悬空、开路）三种状态编