毕业设计基于51单片机的智能窗户控制器设计

本文主要是介绍毕业设计基于51单片机的智能窗户控制器设计，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

序
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第1章硬件的设计与分析

1.1 51单片机及相关电路

1.1.1 概述

“Single Chip Microcomputer”是单片机[11]的起源，又被简称为SCM，其主要功能包括运算以及控制，因此，单片机又称作嵌入式微控制器。其在智能仪器与设备、现代工业控制领域、智能终端设备领域以及民用家用电器等众多领域得到全面的应用。STC89C51MCU学习板是基于8位MCU处理芯片的系统，STC系列MCU是美国STC公司发布的一种51内核单片机，它包含Flash程序存储器、A\D和其他模块。该设备的基本功能与普通的51单片机完全兼容。下图为单片机管脚分布图。

MCU管脚分布图

部分引脚说明：

（1）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTSL1引脚：这是振荡反相放大器和内部时钟发生器的输入端；连接外部晶体和微调电容的另一端，使用外部时钟时，该引脚必须接地。

XTAL2引脚：这是振荡反相放大器的输出端，振荡电路的频率与晶体的固有频率一致。而当出现需要外部时钟电路的情况，则需要把外部时钟脉冲输入到其引脚区域。

（2）控制信号引脚RST、PSEN、EA和ALE

RST引脚：复位输入的一端，RST是复位信号的输入端子，有效电平为高电平，当RST引脚出现两个以上高电平周期时，单片机将会重启。该引脚还具有另一功能，就是为RAM提供所需要的备用电源，以保证存储在其中的数据不会发生丢失及损坏的现象，只需要在进行重启操作后便恢复正常工作水平。

PSEN引脚：这是主程序的存储能力确保能够输出稳定的信号端子，通过进行访问片外程序存储器的运行操作，该端子会定期产生负脉冲，因此产生选通信号，以便于读取片外存储器的信息。

EA引脚：其允许固件编程电压输入以及外部程序存储器地址输入。当进行EA引脚连接到高电平的操作时，此时CPU只会芯片上的EPROM / ROM进行访问操作并且会执行程序内部存储器中的指令，但是当程序计数器的值超过0FFFH平均水平时，内部的程序进行自动运行程式，在芯片外部的程序存储器中。此外，当EA引脚处于输入信号连接到低电平的状态时，不管芯片上是否存在相应的程序存储器，CPU只会进行访问外部EPROM / ROM的操作并同时执行外部程序存储器中的命令任务。此引脚的第二个特色能力为VPP，常用于8751芯片，EPROM被当做输入端子，其主要能力是固化编程期间施加相对较高的编程电压。

引脚ALE：这是地址锁定使能信号端子，微控制器加电并进行正常运行后，ALE引脚持续输出一个稳定的正脉冲信号，一般地，该信号的频率约为振荡器的1/6。当CPU在没有芯片的情况下访问存储器时，ALE输出信号将用作控制信号以阻止低8位地址。当不在芯片外访问存储器时，ALE端子还将发送一个振荡频率约为1/6的正脉冲信号，故此，ALE信号可以一致作为外部输出以及用作定时的固定信号。当使用4KB的EPROM芯片对8751进行编程时，此引脚的第二个功能PROG用作编程脉冲输入。

（3）输入/输出端口P0/P1/P2/P3

组合的8位开漏型的双向I/O端口构成端口P0：P0端口，其具体含义为地址/数据总线复用端口系统。当起输出端口功能时，每个单独的位均能够实现通过吸收电流来调控这8个TTL逻辑门电路的功能；当P0端口作为输入口时，需要将把全1写入端口锁存器作为第一步骤,此时P0端口的全部引脚都会处于浮空状态，其可有效地进行高阻抗输入任务。而当进行外部数据存储器或程序存储器访问操作时时，此时该组端口线将进行分时转换地址（低八位）和数据总线复位的操作，以确保在访问的有效时间内，其内部端口上拉电阻P0处于正常工作状态。

端口P1：P1端口是具有内部上拉电阻的8位型准双向I/O端口的组合端口。一般地，P1端口的输出缓冲级可以同时进行四个LS型TTL负载处理的任务。除此之外，在P1端口作为输入口时，必须将全1写入P1端口锁存地址(90 H)。在该条件下，P1端口上的引脚能够被内部上拉电阻从而提升为高电平状态。当用作输入端口时，因为其内部有独立的上拉电阻，所有当某个引脚出现外部信号下降现象时，会产生一个电流。

端口P2：P2端口是具备内部上拉电阻的8位型准双向I/O的组合端口。每个独立的P端口均可以同时处理4个LS型TTL负载。此外，当不进行芯片访问EPROM/RAM操作时，它将生成前8个地址位。

端口P3：P3端口是具备内部上拉电阻的8位型准双向I/O的组合端口，每个独立的P3端口均可同时进行处理4个LS型TTL负载的操作。除此之外，P3端口与其他I/O端口差异性较大，其的引脚都具备用于串行数据接接受的附加功能：

P3.0～P3.1：串行数据传输，分别进行接受和发送。

P3.2：外部中断输入0。

P3.3：外部中断输入1。

P3.4：定时/计数器0外部计数输入。

P3.5：定时/计数器1外部计数输入。

P3.6：将外部选通信号写入任务数据存储器。

P3.7：外部选通读取数据存储器。

1.1.2晶振电路

电路中的晶振又被称为其电路内部的石英晶体震荡器。因为石英晶体震荡器具有出色的频率稳定性和优异的抗外界扰动性能，因此，常见的石英晶体震荡器常应用于产生基准频率。通过基准频率来调控电路频率的精准度。除此之外，它还可以产生振荡电流，并进行向单片机发出时钟信号的操作。

常见的单片机其片内电路与片外器件就组成一个独立的时钟产生电路，CPU进行所有相关操作必须均必须在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率近似于其晶振的频率，一般为1.2MHz～24MHz之间。此外，C1、C2是反馈电容，其取值范围为20 pF～100 pF，一般选取为30 pF。据此，本电路选取的电容为30 pF，其晶振频率为12 MHz。下图3-2为晶振电路的示意图。

晶振电路

XTAL1为接外部晶体的其中的一个引脚，XTAL2接外晶体的剩余端口。在常见的单片机内部，必须接至上述振荡器的反相放大器的输出端的位置。但是，在石英晶体的2个管脚施加交变电场时，在该条件下，会有一定频率的机械变形的现象发生，而该机械振动又会产生交变的电场现象，上述物理状态称为压电效应。一般地，不管是机械振动的振幅，以及交变电场的振幅，其值都相对较低。但是，当交变电场其频率为固定值时，其振幅会出现瞬间增大的现象，此时会产生共振现象，其又被称为压电振荡。这一固有频率就是石英晶体的固有频率，也被称为谐振频率。石英晶振起振后必须要控制在XTAL2线上输出电压约为3V的正弦波，从而导致 MCS-51片内的OSC电路与石英晶振产生相同频率从而引起自激振荡。一般地，OSC的输出时钟的常见频率为0.5 MHz-16 MHz，常见值为12MHz或11.0592MHz。除此之外，电容C1和C2用于辅助起振，其常见值为30 pF，调控它们可以实现微调f的操作。

1.2 液晶显示电路

LCD1602液晶显示模块是一种广泛使用的字符型液晶显示模块[12]，具有微功耗，体积小，显示内容丰富，超薄轻便等优点。其丰富的显示内容，紧凑的外观和易于控制的功能都是作为显示模块的首选。它由字符型液晶显示器（LCD），HD44780主控制电路及其HD44100显示控制电路组成，并在PCB板上组装了少量电阻器，电容器和结构部件。 LCD1602液晶显示模块使用5x7点矩阵图形显示字符，显示容量为2行16字符。

1.2.1 工作原理

点阵液晶，一般通过M行×N列个显示单元构成。例如，当一块LCD屏幕有64行，每行有128列，其中每8列对应1字节的8位，就是每行由16字节构成，共由16×8=128个点构成，此时64×16单位屏幕显示则相当于显示RAM区域中的1024个字节，每个字节的内容对应于屏上对应位置的明暗状态。比如，当屏幕的第一行的亮度，一般由RAM区域中的000H～00FH的16个字节的内容制定，当处于（000）=FFH状态时，其屏幕的左上角就会显示一条明亮的特征细线，其长度为8个点；当处于（3FFH）=FFH状态时，屏幕的右下角会显示一条短的特征亮线；当处于（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=FFH，（003H）=00H，…（00EH）=FFH，（00FH）=00H状态时，一条由8条亮线和8条暗线构成的特征虚线会在屏幕顶部显示出来，这就是LCD屏幕的基本含义。

在LCD上显示字符时，由于字符一般由6×8或8×8点矩阵构成，其相当于，必须要找到与屏幕上某位置对应的8个字节的显示RAM区域，故此，其更为复杂多变。并且使每个单独的字节的不同位都为“1”，另一个为“0”，亮为“1”以及暗点为“0”，从而产生了特定的特征字符。而对于具有内置字符发生器功能的控制器，其显示字符的功能相对比较单一。此外，其可以让控制器通过运行文本模式进行工作，同时依据行号和列号以及每行中的列数找出相应的显示RAM的地址，设置光标，然后在此处输出与字符相对应的信号。一般地，汉字的显示模式选取图形形式，预先从设备中提取需要进行显示任务的汉字的点阵代码内容。其中，每个汉字占32个字节，将分为两个部分，其中每一半各占16个字节，左侧依次为为1、3、5，右侧依次为为2、4、6。对应于显示RAM的地址可以根据行号、列号和每一行的列数找到，设置光标状态，并输出要显示每个汉字的第一个字节，在光标位置加1指令，然后接着发送第二个字节信号，进行行按列对齐操作，然后发送第三个字节。直到显示32个字节结束任务，此时在LCD上就会显示汉字。

该液晶的分辨率为128×64，并具有汉字字库。其模式是并口2线、3线，或串口4位、8位。对于液晶模块而言，可以显示GB一级、二级的汉字，对于整个屏幕而言，可以显示16×16点阵中文共8192个，也包括16×8半角英文字符128个，覆盖所有ＡＳＣＩＩ码显示的字符。该显示模块具有使用灵活、操作简易、支持丰富的特点，通过显示模块对于中文的显示，可以给使用者非常完整的使用体验，在人机交互方面可以最大程度地降低使用者的操作难度。其一共可以显示4行8列汉字，每个汉字的大小是16×16。除此之外，还可以显示图形。低电压和低功耗是另一个突出的情况，各个引脚则有：

引脚1：VSS，该引脚接地。

引脚2：VDD，作为电源，用以提供５V电压。

引脚3：VL，用以调整整个LCD的对比度。对于LCD而言，其对比度关系到显示的清晰程度。对比度也并非越高越好，尽管对比度越高越清晰，但极高的对比度会导致显示出现重影。对比度的极低值出现在该引脚直接接正电源时，一般情况下通过将其与10k电位器连接来对对比度进行调整。

引脚4：RS，该引脚用以选择数据或指令，当该引脚处于低电平时，状态为选择指令，高电平时其状态为选择数据。

引脚5：R/W为读/写信号线，其主要功能为进行高电平的读操作和低电平的写操作任务。当RS和R/W处于低电平装填时，可以实现编写指令或显示地址的功能；当处于RS为低电平且R/W为高电平状态时，可以进行读取忙音的功能；当处于RS为高而R/W为低状态时，则可以进行写入数据任务。

引脚6：E是启用端子。当端子E从高电平变变为低电平时，LCD模块将会执行该任务。

引脚7〜14：D0〜D为8位双向数据线。

引脚15：接入背光源的阳极。

引脚16：背光源阴极。

如图3-3所示，LCD1602的引脚示意图：

LCD1602引脚图

1.2.2 操作指令

对于LCD1602模块而言，其实现读/写操作功能通过对指令进行编程来实现对显示屏和光标操作（其中1信号显示为高电平状态，0信号为低电平状态），从如下所示：

命令1：清楚屏幕内容。指令码01H，光标复位到00H。

命令2：光标的重新设置。光标复位到00H。

命令3：进入模式设置部分，在该部分当中，高亮色块的移动由Ｌ/Ｄ控制，当其为低电平时，高亮色块左移，高电平时，高亮色块右移。此外，Ｓ用以代表字符的移动顺序，一般是处于高电平，表示该选项有效，而如果是低电平则正好相反，表示该选项无效。

命令4：对显示是否开启的操作控件。Ｂ为光标是否闪烁的开关，一般是处于高电平，表示打开光标闪烁功能，低电平则关闭该功能。Ｃ为光标是否显示的开关，一般是处于高电平，表示打开光标显示，低电平则关闭该功能。Ｄ是常规显示的开关，高电平指示器显示在屏幕上，低电平指示器关闭。

命令5：高亮色块或字符滚动控件。其中，S/C表示将显示的文本移到较高的级别，而将光标移到较低的级别。

命令6：功能配置。其中，DL表示4位高级总线和8位低级总线。 N表示低水平的单行显示和高水平的双行显示； F表示以低级矩阵字符显示的5×7点，其中Order表示5×10点矩阵字符。

命令7：设置整个字符发生器的内存地址。

命令8：对ＤＤＲＡＭ指定地址。

命令9：忙信号的读取，如果ＢＦ处于高电平，则证明目前正忙，模块无法及时进行反应，但如果ＢＦ处于低电平，则证明目前状态是正常的。

命令10：对数据进行写入操作。

命令11：对数据进行读取操作。

1.3 按键模块电路

在单片机系统中，键盘按钮能够实现向单片机输入数据信号的功能。对于单片机而言，如果要对其进行控制，最简单的方式就是直接对其传送指令[13]，结合实际情况，拟采用独立键盘，可以方便指令的输入操作，电路图如图3-4所示，其中K1和K2为数值的加、减按键，K3为模式设置按键、K4和K5为手动开关窗按键。

常见的获取键盘信号的方式有两种，但是在本设计中使用扫描法。在扫描法中，所有的行线均被设置为输出端口，进行输出信号的操作，以至于产生输出低电平的信号；所有的列线均设置为输入端口，其检测按钮的状态的作用。当进行释放所有按钮任务时，不能够从列线上检验到行线的低电平输出的稳定新。当进行按下按钮操作时，只有当相应的行线产生低电平状态时，在改情况下，才能够在相应的列线端口检验到低电平状态。而按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动的现象，此时该触点的逻辑电平处于不稳定状态，如果进行有效处理，则会引起按键命令的误执行甚至于重复执行的现象。消除该抖动，常选用优化软件的方法。

按键电路图

1.4 温湿度采集模块电路

该电路主要采用ＤＨＴ11温湿度传感器[14]，该传感器具有校准功能，且不输出模拟信号，而是直接输出数字信号，具有准确、方便、灵活的特点。此外，该传感器还具有稳定性，其稳定性的基础是对于数据的采集使用了数字模块采集技术，且传感器较为灵敏，运行可靠。其由两部分组成，分别用以对温度和湿度进行测量，前者主要依靠ＮＴＣ模块，后者主要依靠电阻模块。此外，在感知模块测量之后，相应的数据将被发送至微处理器，该微处理器是8位的，因此其响应较快，且不易受到电子信号的干扰影响。整体而言，该传感器可以在较为经济的基础上实现测量。在测量前，所有的传感器需要进行校准，校准需要在专业场景中进行。校准后的结果将被储存于传感器中，每次测量均对其进行调用。此外，该传感器的接口使用串口，可以具有良好的可拓展性。它的超紧凑和极低的功耗使其最适合要求苛刻的应用中的此类应用。该产品便于以4引脚单排引脚封装进行连接。

1.4.1 工作原理

DHT11温湿度传感器的工作原理是，它可能会导致超出建议的工作范围的最高3％RH的临时漂移信号。当恢复正常工作状态时，传感器会逐渐缓慢地恢复至校准状态。在异常工作条件下长时间使用将加速产品的老化过程。化学暴露的电阻式湿度传感器的检测层会受到化学蒸气等因素的影响，此外，化学污染物会在检测层中的随机扩散，从而引起测量值的偏移，以至于降低灵敏度。

1.4.2 引脚说明

DHT11电源的电压为3-5.5V。打开传感器后，需要等待1秒钟以克服不稳定状态。在此期间，无需发送任何命令。可以在电源引脚（VDD，GND）之间添加一个100nF的电容，以使滤波去耦。DATA用于微处理器和DHT11之间的通信和同步。它使用单一总线数据格式。通讯时间约为4ms。数据分为小数部分和整数部分。具体格式如下所述。当前的小数部分用于将来的扩展，读数为零。

表3-1DHT11引脚说明

	名称	注释
1	GND	接地，电源负极。
2	DATA	串行数据，单总线。
3	NC	空脚，悬空。
4	VDD	供电3-5.5VDC。

1.5光感电路

智能窗户控制系统的设计要求是可以根据光照强度进行自动开关窗，因此需要光敏元件，在这次设计中，我用光敏电阻检测光的强度。

光敏电阻主要是由硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的，一种具备特殊功能的电阻器。光线越强，电阻值越低。随着光强度的增加，电阻值迅速减小，并且亮电阻值可以小至1KΩ或更小。光敏电阻对光非常敏感，在没有光的情况下会显示高电阻，其暗电阻的电阻值一般为1.5MΩ。目前，光敏电阻在工业生产中得到大量的应用，其主要原理是半导体的光电导效应，在接受不同亮度的光时电阻的阻止也会发生相应的变化，例如增加等。还有另一种类型的情况，即如果光的亮度较低时，电阻阻值也随之降低，亮度较高时阻值也随之升高。

一般而言，光敏电阻被应用于光与电的转换过程中，或者对亮度进行测量，以及实现光敏控制。制作光敏电阻的主要材料是硫化镉，其为一种半导体材料。选择前述材料的主要原因是其感光程度非常接近人眼对可见光的响应，人眼只要感受到光线，就会引起它阻值的变化。在设计光控制电路时，可以使用白炽灯泡或自然光作控制光源，将有利于整体设计。

对于整个系统而言，光通过光敏电阻传递相应的信号从而进入系统，且亮度高低将会影响到电阻的阻值，进而使其他元件获得感知并传至单片机，经处理后显示在LCD上，电路如图3-5所示。

光照采集电路图

1.6步进电机控制电路

在该系统中，步进电机[15]的作用是通过改变转动方向来模拟窗户的开关，步进电机主要起将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移功能。故此，需要将单片机发出的脉冲信号转化为步进角度以便于控制电机的转动。在本设计中，选用 ULN2003步进电机驱动芯片为步进电机提供所需的脉冲信号。ULN2003是一组耐高压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管构成，每对达林顿都与一个2.7K基极电阻串联连接当在5V工作电压下，其能够有效地直接连接至TTL以及CMOS电路，可以直接对本需要标准逻辑缓冲区的数据进行处理。如图3-6为步进电机驱动电路。