【正文】 傳感器實驗導(dǎo)論課程設(shè)計報告 基于 51 單片機與若干傳感器的智能開關(guān)窗 系統(tǒng) 基于單片機 與若干傳感器的智能開關(guān)窗系統(tǒng) 引言 近年來， 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能家居成為家庭信息化和社會信息化發(fā)展的重要組成部分，智能家居又稱智能住宅，當(dāng)家庭智能網(wǎng)關(guān)將家庭中各種各樣的家電設(shè)備通過家庭總線技術(shù)連接在一起時，就構(gòu)成了功能強大、高度智能化的現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)。智能家居強調(diào)人的主觀能動性，重視人與居住環(huán)境的協(xié)調(diào)，能夠隨心所欲地控制居住環(huán)境。 時光飛逝，日夜如梭。智能家居系統(tǒng)在經(jīng)歷了早期混亂的概念紛爭之后，目前已經(jīng)逐漸進入理性時代。如今的智能家居市場已經(jīng)不再是海爾、微軟等專業(yè)家電控制和 IT 廠家的天下，越來越多的樓宇對講廠商開始涉及并深入到智能家居行業(yè)，猛烈地沖擊著樓宇對講市場格局，從而使得市場競爭更加激烈。盡管如此，用戶的需求才是第一位的，所以各廠家的產(chǎn)品研發(fā)主要以市場需求為導(dǎo)向。 由于我國房地產(chǎn)行業(yè)的迅速發(fā)展，也帶動了我國門窗幕墻行業(yè)的迅速發(fā)展，隨著消費者生活水平的提高，智能化的產(chǎn)品如雨后春筍，正逐步發(fā)展和壯大。而我們的智能窗戶就是在這樣的環(huán)境 下應(yīng)運而生的，因此具有廣闊的市場空間和應(yīng)用前景。 第一章 總體設(shè)計方案 本次設(shè)計以 51 單片機 作為微控制器，使用 DS18B2 溫度傳感器 、光敏電阻、雨水傳感器采集窗戶內(nèi)外的溫度、光照、是否下雨等信息，進而使用ULN2021 達林頓陳列 驅(qū)動 四相五線步進電機 帶動窗戶的打開與關(guān)閉。 系統(tǒng)設(shè)計主要分為以下幾個部分： 單片機和控制電路 、溫度檢測電路、光照檢測電路、雨水檢測電路、電機驅(qū)動電路。 整個系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下： 單片機控制電路溫度檢測電路光照檢測電路雨水檢測電路采集信息電機驅(qū)動電路步進電機帶動窗戶工作 我們本次課程設(shè)計目標(biāo)是當(dāng)溫度在 20到 30 度之間、光照充足且無雨的情況下，窗戶關(guān)閉，液晶顯示 OFF；三個條件有一個不滿足則窗戶打開，液晶顯示 ON。 第二章 硬件原理與介紹 本人在這次課設(shè)中負(fù)責(zé)步進電機驅(qū)動及控制模塊的電路設(shè)計 與相關(guān)程序 的編寫以及 LCD1602 液晶的程序控制 ，因此本部分將著重介紹步進電機模塊 與 LCD1602 液晶的 相關(guān)硬件原理。 一、 28BYJ48 步進電機 步進電機的工作原理 步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。可以通過控制脈沖個來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 本次設(shè)計是采用步進電機 28BYJ48型四相八拍電機，電壓為 DC5V—DC12V。當(dāng)對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應(yīng)步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一 定的角度（一個步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（ ABCDA。），雙（雙相繞組通電）四拍（ ABBCCDDAAB。），八拍（ AABBBCCCDDDAA。）。 四相步進電機原理圖 其相序分配表如下： 步進電機 24BYJ48 的相關(guān)電氣參數(shù) ： 12VDC(另有電壓： 5V、 6V、 24V) ： 4 ： 1/64(另有減速比： 1/1 1/32) ： 176。/64 ： 4相 8拍 ： 200Ω177。7%(25℃ )(按客戶要求而定： 80、 130歐姆 ) ：≥ 600Hz ：≥ 1000Hz ：≥ (120Hz) ：≥ ：＞ 10MΩ(500V) ： 600VAC/1mA/1S ： A ：＜ 50K(120Hz) ：＜ 40dB(120Hz) ：大約 40g ： GB1804m ： CCW 步進電機的基本術(shù)語 相數(shù) 產(chǎn)生不同對極 N、 S磁場的激磁線圈對數(shù)，常用 m表示。 拍數(shù) 完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài)用 n表示，或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù)，比如說本次設(shè)計中使用的 24BYJ48有單（單相繞組通電）四拍（ ABCDA。），雙（雙相繞組通電）四拍（ ABBCCDDAAB。），八拍（ AABBBCCCDDDAA。） 步距角 對應(yīng)一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角位移用θ表示。θ =360度（轉(zhuǎn)子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二相，轉(zhuǎn)子齒為 50齒電機為例。四拍運行時步距角為θ=360度 /（ 50*4） =（俗稱整步），八拍運行時步距角為θ =360度 /（ 50*8） =（俗稱半步）。 信號分配 四相步進電機按照其通電方式的不同，可以分為單四拍，雙四拍和雙八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等，均為 度，而八拍的步距角則是單四拍與雙四拍的一半， 度。單（單相繞組通電）四拍（ ABCDA。），雙（雙相繞組通電）四拍（ ABBCCDDAAB。），八拍 （ AABBBCCCDDDAA。）。這里選取的是單雙八拍的工作方式。 由于步進電機的驅(qū)動電流較大，單片機不能直接驅(qū)動，一般都是使用ULN2021 達林頓陣列驅(qū)動，當(dāng)然，使用下拉電阻或三極管也是可以驅(qū)動的，只不過效果不是那么好，產(chǎn)生的扭力比較小。 二、 ULN2021 達林頓陳列芯片 步進電機的驅(qū)動采用 ULN2021 芯片 。 ULN2021 是高耐壓、大電流達林頓陳列， 由七個硅 NPN 達林頓管組成。 ULN2021 的每一對達林頓都串聯(lián)一個 的基極電阻 , 在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連， 可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN2021 工作電壓高， 工作電流大， 灌電流可達 500mA ， 并且能夠在關(guān)態(tài)時承受 50V 的電壓， 輸出還可以在高負(fù)載電流并行運行。 采用DIP16 或者 SOP16 塑料封裝。 其引腳及內(nèi)部原理圖如下： 本設(shè)計中實驗 4 腳做輸入端， 1 1 1 13 做相對應(yīng)的輸出端，起到放大的作用，以驅(qū)動電機。 ULN2021 的典型應(yīng)用電路如下圖： 三、 LCD1602 液晶 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶 它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊 它有若干個 5X7 或者 5X11 等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780 寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。 其各引腳功能見下圖： 其典型接口電路如下圖： 其基本操作時序為： 讀狀態(tài) 輸入： RS=L， RW=H，E=H 輸出： DB0～ DB7=狀態(tài)字 寫指令 輸入： RS=L， RW=L， E=下降沿脈沖， DB0～DB7=指令碼 輸出：無 讀數(shù)據(jù) 輸入： RS=H， RW=H，E=H 輸出： DB0～ DB7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù) 輸入： RS=H， RW=L， E=下降沿脈沖， DB0～DB7=數(shù)據(jù) 輸出：無 第三章 各模塊硬件設(shè)計 本人在這次課設(shè)中負(fù)責(zé)步進電機驅(qū)動及控制模塊的電路設(shè)計與相關(guān)程序的編寫以及 LCD1602 液晶的程序控制， 因此本部分將 介紹步進電機模塊與 LCD1602 液晶的 電路設(shè)計 。 一、步進電機驅(qū)動及接口電路 本電路模塊用于單片機對步進電機的控制及使用 ULN2021芯片對步進電機進行驅(qū)動。 原理圖如下： 由于所選 24BYJ48 步進電機為四相步進電機，故只需 4 個單片機 IO口控制，此處使用單片機的 IO 口 ，使用 ULN2021 的引腳 14做輸入， 1613 引腳做輸出口。 二、按鍵電路（用于擴展功能） 本次設(shè)計為了便于今后功能擴展使用了 8 個按鍵。 原理圖如下： 這次課設(shè)中我們使用了兩個按鍵，分別用于控制電機點動正轉(zhuǎn)、點動反轉(zhuǎn)。 三、 1602 液晶 接口電路 1602 液晶接口電路原理圖如下： 本電路用于連接 1602 液晶， — 分別接 RS、 RW、 EN， P0口接數(shù)據(jù)指令輸入口， 10K 歐可調(diào)電阻用于調(diào)節(jié)液晶的對比度 第四章 程序設(shè)計 本人在這次課設(shè)中負(fù)責(zé)步進電機驅(qū)動及控制模塊的電路設(shè)計與相關(guān)程序的編寫以及 LCD1602 液晶的程序控制，因此本部分將介紹步進電機 的編程控制方法 與 LCD1602 液晶的 編程控制 。 一 、總體 程序 流程圖 開 關(guān) 主程序