基于单片机的多功能窗的设计 陈锋（德州学院物理系，山东德州253023） 摘 要 本文采用 AT89S52单片机,通过数据检测传感电路，窗驱动电路，报警电路，LCD1602显示电路以及步进电机来做成的单片机多功能窗在系统化概念设计方法的指导下，以需求分析目标确立功能结构分析多方案产生方案评估为步骤，逐步实现具有对室外温度、雨水、风压、噪音进行自我监测，并自动控制窗户关闭。该控制系统能通过其数据监测传感电路不断循环监测室内温度。湿度、温度等环境参数，然后与由控制键盘预置的参数临界值相比较，从而做出开/关窗、降/生温（湿）等判断，再结合窗状态检测电路所检测的窗状态，发出一系列控制命令，完成下雨自动关窗、恒温（湿）等自动控制功能。通过控制键盘，直接控制窗户的开/关、温（湿）的升/降、选择所显示的种类等。关键词 AT89S52单片机； 传感器； LCD16021绪论我国的改革开放，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、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 。 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。2多功能智能窗简介 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，智能窗迅速成为各国研究的热点。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省。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。人工智能窗，能使你的生活更加安全，更加舒适，更加环保。它不仅是一个消费品，更是家庭云系统中的一员。当然它更是一种健康绿色的理念。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、温湿度传感器及其相关部件组成。3 研究内容 设计一个多功能窗，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）当窗户外有人驻留超过一定时间时，窗户会立即关闭并报警。（3）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。4 系统硬件设计4.1 智能窗的整体框图本控制系统主要由AT89S52 单片机组成的中央控制器，显示电路， 数据检测传感电路，蜂鸣器报警电路， 窗驱动电路等组成。其系统框图如图1所示: 数据检测传感电路 AT89S52 步进电机窗驱动电路 报警电路1602LCD显示电路 图1 系统框图 4.2控制器模块 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、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。2. AT89S52单片机特点AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结,单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器8K字节在系统可编程 Flash AT89S52。 图2 AT89S52单片机引脚图P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能 P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P2 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 端口引脚第二功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外中断0) P3.3 INT1(外中断1) P3.4 TO(定时/计数器0) P3.5 T1(定时/计数器1) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) 此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。 RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。 对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。 如有必要，可通过对