【正文】 傳感器實(shí)驗(yàn)導(dǎo)論課程設(shè)計(jì)報(bào)告 基于 51 單片機(jī)與若干傳感器的智能開關(guān)窗 系統(tǒng) 基于單片機(jī) 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(huì)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(shí)，就構(gòu)成了功能強(qiáng)大、高度智能化的現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)。智能家居強(qiáng)調(diào)人的主觀能動(dòng)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(shí)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(zhēng)之后，目前已經(jīng)逐漸進(jìn)入理性時(shí)代。如今的智能家居市場(chǎng)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(duì)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(duì)講市場(chǎng)格局，從而使得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)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(dòng)了我國門窗幕墻行業(yè)的迅速發(fā)展，隨著消費(fèi)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(yùn)而生的，因此具有廣闊的市場(chǎng)空間和應(yīng)用前景。 第一章 總體設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)以 51 單片機(jī) 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(jìn)而使用ULN2021 達(dá)林頓陳列 驅(qū)動(dòng) 四相五線步進(jìn)電機(jī) 帶動(dòng)窗戶的打開與關(guān)閉。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分： 單片機(jī)和控制電路 、溫度檢測(cè)電路、光照檢測(cè)電路、雨水檢測(cè)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下： 單片機(jī)控制電路溫度檢測(cè)電路光照檢測(cè)電路雨水檢測(cè)電路采集信息電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)窗戶工作 我們本次課程設(shè)計(jì)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(gè)條件有一個(gè)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制模塊的電路設(shè)計(jì) 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(jìn)電機(jī)模塊 與 LCD1602 液晶的 相關(guān)硬件原理。 一、 28BYJ48 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 本次設(shè)計(jì)是采用步進(jìn)電機(jī) 28BYJ48型四相八拍電機(jī)，電壓為 DC5V—DC12V。當(dāng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一 定的角度（一個(gè)步距角）。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)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(jìn)電機(jī)原理圖 其相序分配表如下： 步進(jìn)電機(jī) 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(jìn)電機(jī)的基本術(shù)語 相數(shù) 產(chǎn)生不同對(duì)極 N、 S磁場(chǎng)的激磁線圈對(duì)數(shù)，常用 m表示。 拍數(shù) 完成一個(gè)磁場(chǎng)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(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角所需脈沖數(shù)，比如說本次設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)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(yùn)行拍數(shù)），以常規(guī)二相，轉(zhuǎn)子齒為 50齒電機(jī)為例。四拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ=360度 /（ 50*4） =（俗稱整步），八拍運(yùn)行時(shí)步距角為θ =360度 /（ 50*8） =（俗稱半步）。 信號(hào)分配 四相步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)，一般都是使用ULN2021 達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然，使用下拉電阻或三極管也是可以驅(qū)動(dòng)的，只不過效果不是那么好，產(chǎn)生的扭力比較小。 二、 ULN2021 達(dá)林頓陳列芯片 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用 ULN2021 芯片 。 ULN2021 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列， 由七個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成。 ULN2021 的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 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(dá) 500mA ， 并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓， 輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)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(jì)中實(shí)驗(yàn) 4 腳做輸入端， 1 1 1 13 做相對(duì)應(yīng)的輸出端，起到放大的作用，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 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(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊 它有若干個(gè) 5X7 或者 5X11 等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)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(shí)序?yàn)椋? 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(jì) 本人在這次課設(shè)中負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制模塊的電路設(shè)計(jì)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(jìn)電機(jī)模塊與 LCD1602 液晶的 電路設(shè)計(jì) 。 一、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及接口電路 本電路模塊用于單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制及使用 ULN2021芯片對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 原理圖如下： 由于所選 24BYJ48 步進(jìn)電機(jī)為四相步進(jìn)電機(jī)，故只需 4 個(gè)單片機(jī) IO口控制，此處使用單片機(jī)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(kuò)展功能） 本次設(shè)計(jì)為了便于今后功能擴(kuò)展使用了 8 個(gè)按鍵。 原理圖如下： 這次課設(shè)中我們使用了兩個(gè)按鍵，分別用于控制電機(jī)點(diǎn)動(dòng)正轉(zhuǎn)、點(diǎn)動(dòng)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(duì)比度 第四章 程序設(shè)計(jì) 本人在這次課設(shè)中負(fù)責(zé)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制模塊的電路設(shè)計(jì)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(jìn)電機(jī) 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