基于RF模塊的門窗監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、基于RF模塊的門窗監(jiān)控系統(tǒng)設計【摘要】本設計中的門窗監(jiān)控系統(tǒng)是指一種基于SILABS公司的增強型單片機C8051F系列單片機組成的具有多種環(huán)境監(jiān)測途徑、集成簡單防盜報警功能、智能自主動作及遙控功能的家居門窗系統(tǒng)。本系統(tǒng)在硬件上可分為兩部分，分別為門上系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)。門上系統(tǒng)通過配套的各種傳感器對門窗的周邊環(huán)境進行檢測。將檢測到的信號通過處理辨識做出相應動作，并通過RF無線模塊與遙控系統(tǒng)進行通信。遙控系統(tǒng)通過RF無線接受信息并顯示在LCD上，將鍵盤控制命令傳輸到門上系統(tǒng)使其有相應的動作。根據目前的方案設計，本系統(tǒng)將包括亮度、溫濕度、紅外感應裝置。各路裝置控制系統(tǒng)在預設定的環(huán)境下動作門窗及窗簾或遙

2、控動作門窗?！娟P鍵詞】環(huán)境監(jiān)測；RF無線；遙控；LCD顯示；8051F；RF無線。Window-based RF module control systexm designAbstract【ABSTRACT】 The objective of this design of door and window control system is based on the companys enhanced SILABS C8051F MCU MCU composed of channels with a variety of environmental monitoring, integrated

3、simple anti-theft alarm, remote control intelligent autonomous movements and home windows and doors.The system hardware can be divided into two parts, namely, the door system and remote control systems.Door system by supporting the various sensors on the doors and windows of the surrounding environm

4、ent for testing. The detected signal by processing the identification to make the appropriate action, and through RF wireless module to communicate with the remote control system. RF wireless remote control system by receiving information and displayed in the LCD on the keyboard control commands tra

5、nsmitted to the door system to a corresponding action.Under the current design, the system will include brightness, rain or shine, infrared sensing devices. Control System from various quarters in the pre-set environment action doors, windows and door and window curtains or remote control action.【KE

6、YWORDS】environmental monitoring; RF wireless; remote control; LCD display; 8051F; RF Wireless 目錄第一章 前言511 本課題研究的背景意義512 門窗監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)況61.3 基于RF的門窗監(jiān)控系統(tǒng)的概述614 本課題的研究內容7第二章 系統(tǒng)整體方案的選擇與分析821 總體方案論證822 微處理器單元選擇923 門體模型選擇924 電機及驅動部分選擇1025 檢測元件的選擇1026 人機界面的選擇1227 報警元件的選擇1328 電源模塊的選擇1329 論證總結14第三章 系統(tǒng)硬件設計1531 80

7、51F330最小系統(tǒng)16312 顯示部分電路18313 LED燈原理與硬件電路2032 鍵盤部分電路2133 無線模塊部分電路22331 RF12簡介22332 RF12與單片機的SPI接口23333 RF12電路硬件應用電路2434 檢測模塊電路設計26341 溫濕度傳感器26342 亮度傳感器28343 紅外模塊部分電路2935 電機驅動部分電路31351 33886芯片簡介31352電路3236 電源模塊電路33361 1117芯片介紹34362 電源模塊電路3437 蜂鳴器35結束語39第一章 前言11 本課題研究的背景意義隨著社會的發(fā)展和生產的需要，電子信息技術，控制技術的日益提升，

8、社會信息化的逐步加快，促使人們的生活、工作、學習與通訊的關系日漸緊密，信息化社會在逐步改變我們的生活習慣和工作方式的同時，也對我們的傳統(tǒng)住宅提出了挑戰(zhàn)。環(huán)顧四周，我們可以發(fā)現(xiàn)，人們對家居的要求已經不僅僅局限于單純的物質空間，更注重一個安全舒適、整潔美觀的居住環(huán)境，一個先進的通訊設施，完備高效的信息終端，自動、智能的家電，網絡化的資源管理和購物方式等。在生活的各個方面，人們迫切需要一種智能型的家庭安全門窗監(jiān)控系統(tǒng)，能可靠地進行日常的門窗開關檢測工作，在大風或下雨的環(huán)境中，自動識別大風或下雨天氣，實現(xiàn)自動關窗動作，以便人們能夠更安心地工作，同時也保證了居民生活的舒適和生命安全不受損失。21世紀是經

9、濟快速發(fā)展和人們生活水平迅速提高的一個時代，人們對健康的要求也變得越來越高。打開門窗，使得戶內外空氣流通，保證房間內空氣的潔凈也逐漸變成人們的生活習慣。但是，在當如今的的生活環(huán)境中，由于時間等的因素，忘記關上門窗卻是屢見不鮮，每當天氣變陰，便擔心是否忘記關上了門窗。而現(xiàn)在市場上主流的門窗控制都是鋼絲繩手拉式或滑軌式。而少部分的門窗智能控制雖然有很多種，但只有少部分家庭已采用，又或是應用在一些高級建筑物或公共場合上，而且主要是和窗戶一起定做，價格也相對較高。因此，經濟便宜的智能化的門窗監(jiān)控系統(tǒng)已經擁有廣闊的市場。隨著城市的流動人口地不斷增加，偷竊、入室搶劫等各種犯罪事件也越發(fā)嚴重，人們對于一個舒

10、適安全的家居空間也越發(fā)期望?？墒瞧胀ǖ拿窬佑玫拇蠖嗍欠辣I安全門、安全窗之類的防盜措施，它的防盜效果雖然不差，但在現(xiàn)實中不僅影響了城市的整體形象，而且對人們的生活也造成了不便。因此，人們迫切需要一種智能的門窗監(jiān)控系統(tǒng)，使其能可靠進行日常安全防范工作，及時發(fā)現(xiàn)各種警情并做出相應處理，以便將警情消滅在萌芽狀態(tài)，保障居民生命和財產的安全。但是因經濟、技術等原因，目前門窗監(jiān)控系統(tǒng)設計不盡合理的情況比較普遍，在信號檢測、信號處理上還存在一定問題，致使一些系統(tǒng)經常出現(xiàn)誤報或者漏報，以及報警系統(tǒng)不動作。因此，對門窗監(jiān)控系統(tǒng)的研究對現(xiàn)實意義重大。12 門窗監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)況門窗監(jiān)控系統(tǒng)是指通過光纖、同軸電纜、無

11、線等通訊介質將被監(jiān)控對象的信息傳輸到控制檢測端，并在控制檢測端對信息進行存儲、分析處理，同時根據處理結果的不同給執(zhí)行機構下達不同的命令的系統(tǒng)。它能實時、形象、真實地反應被監(jiān)控對象的情況，可以代替人眼對被檢測對象的監(jiān)控，它可以在惡劣的環(huán)境下代替人眼進行長時間的監(jiān)控和智能處理，報警系統(tǒng)對非法行為進行及時報警。門窗監(jiān)控系統(tǒng)也是需要自動檢測技術，它可以檢測溫濕度、煙雨與人體，而且自動檢測技術由于微電子技術、計算機技術、通訊技術及網絡技術的快速發(fā)展，對電量的測量技術相應地得到提高，如反應速率、準確率、能夠進行連續(xù)測量、自動記錄、遠距離傳輸和組成控制網絡等。由于現(xiàn)在系統(tǒng)的設計技術的不同，現(xiàn)今門窗監(jiān)控系統(tǒng)的

12、設計方向也越來越多樣化。目前門窗監(jiān)控系統(tǒng)大概有以下幾種。（1）利用紅外技術的門窗監(jiān)控系統(tǒng)利用紅外技術的門窗監(jiān)控系統(tǒng)采用紅外遙控方式與處理器控制器相連的方式，遙控端沒有可視界面；或者有單工顯示，顯示內容主觀性強，顯示內容為遙控器下達的狀態(tài)命令，且遙控距離短，方向性強，可靠性低。（2）利用RF無線技術的門窗監(jiān)控系統(tǒng)利用RF無線技術的門窗監(jiān)控系統(tǒng)其遙控段與被控端為半雙工工作方式，兩端都可以作為接受數據與發(fā)散數據的終端，可以實現(xiàn)遙控端液晶顯示內容為被控端主動發(fā)送的實時數據，保證顯示內容的準確可靠性。1.3 基于RF的門窗監(jiān)控系統(tǒng)的概述基于RF的門窗監(jiān)控系統(tǒng)是通過RF無線技術，將被監(jiān)控對象檢測到的信息傳

13、輸到控制監(jiān)督端，并在控制監(jiān)督端對信息進行存儲、分析處理，同時根據處理結果給執(zhí)行機構下達動作命令的系統(tǒng)?；赗F的門窗監(jiān)控系統(tǒng)硬件上可分為兩部分，分別為門上系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)。門上系統(tǒng)包括門體、門框、傳動機構、拖動電機、電機驅動、編碼套件、限位傳感部件、多個環(huán)境傳感部件、主控芯片、LED狀態(tài)顯示、聲光報警模塊、RF無線收發(fā)模塊。遙控系統(tǒng)包括LCD液晶顯示、鍵盤模塊、主控芯片、無線收發(fā)模塊。具體來說要實現(xiàn)的功能是門上系統(tǒng)通過配套的各種傳感器對門窗的周邊環(huán)境進行檢測，將檢測到的信號通過處理辨識做出相應動作，并通過RF無線模塊與遙控系統(tǒng)進行通信。遙控系統(tǒng)通過RF無線接受信息并顯示在LCD上，將鍵盤控制命令

14、傳輸到門上系統(tǒng)使其有相應的動作。根據目前的方案設計，本系統(tǒng)將包括亮度、晴雨、紅外感應裝置。各路裝置控制系統(tǒng)在預設定的環(huán)境下動作門窗及窗簾或遙控動作門窗。分別包括：-天黑自動關窗 亮度傳感器監(jiān)測室外明亮度，在夜晚不能采光時自動拉上窗，提高室內燈光利用率。-下雨自動關窗 濕度傳感器檢測室外濕度，在檢測到室外濕度過高時認為為下雨或大霧，自動關閉門窗。在下雨時及時關門窗確保室內不受戶外高濕度影響室內居住環(huán)境。-防盜報警功能 紅外對射傳感器檢測門窗，陽臺、窗外有小偷爬窗進來時立即報警。-遙控功能 基于RF無線的遙控器實現(xiàn)在中遠距離對門窗進行監(jiān)控。包括對門窗、窗簾的開關狀態(tài)的查看及開關動作的控制。14 本

15、課題的研究內容該課題中就是為設計一種單片機為核心的具有多種環(huán)境監(jiān)測途徑、集成簡單防盜報警功能、智能自主動作及遙控功能的家具門窗系統(tǒng)。本系統(tǒng)在硬件上可分為兩部分，分別為門上系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)。1)門上系統(tǒng)通過配套的各種傳感器對門窗的周邊環(huán)境進行檢測。2)遙控系統(tǒng)通過RF無線接受信息并顯示。第二章 系統(tǒng)整體方案的選擇與分析21 總體方案論證由本課題可知，該系統(tǒng)是通過傳感器將檢測到的信號傳輸到單片機，再由單片機將信號對信息進行分析處理、邏輯分析，將分析結果分別下達到執(zhí)行機構、顯示部分和報警部分；因此，由于傳輸裝置的不同，該設計的方案有兩個：設計方案一、采用紅外遙控。紅外遙控的發(fā)射電路是采用紅外發(fā)光二極管

16、來發(fā)出經過調制的紅外光波；紅外接收電路由紅外接收二極管、三極管或硅光電池組成，它們將紅外發(fā)射器發(fā)射雕紅外光轉換為相應的電信號，再送后置放大器。設計方案二、采用用射頻芯片實現(xiàn)無線收發(fā)，用RF無線收發(fā)模塊和微處理器通過SPI接口交換信息， RF12是一款低成本高集成的收發(fā)IC,其內部集成了所有RF收發(fā)功能模塊電路,外圍只須一個MCU,一個晶振,一個旁路電容和一個外置天線就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng),其主要特點有:1 、高功率輸出,可設置功率輸出大小。2、高集成度, 外圍零件少。3、成本低，設計簡單,生產無需調試。4、抗干擾能力強。根據分析，本設計實際選擇方案二。因為本設計準備設計的是一定距離內對

17、門窗的監(jiān)控（至少100m），具有一定的穿墻能力，收發(fā)性能穩(wěn)定可靠。紅外的沒有穿透能力和短距離不適合本設計的理念。射頻無線作為遙控領域異軍突起的一種無線類型，目前已在產品中得到廣泛的應用。射頻無線的應用原理框圖如下圖所示。溫度傳感器亮度傳感器紅外檢測器RF模塊RF模塊單片機主控芯片LCD液晶顯示器鍵盤電機蜂鳴器器器單片機22 微處理器單元選擇本設計中分別有門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)的微處理器部分，考慮到門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)工作量與處理能力的要求，以及設計開發(fā)周期的長度控制，決定兩大系統(tǒng)將使用同一類型的MCU芯片。無論從設計的簡便性，還是硬件成本上考慮我們選擇單片機是比較合適的。通過分析可知，系統(tǒng)微處理器需

18、要的硬件資源有SPI總線、集成的AD轉換器件、多個IO口。滿足要求的單片機主要有以下幾種型號可以選擇：設計方案一：采用STC系列的8051單片機，優(yōu)點是硬件成本比較低，編程時有許多可得到的參考資料可以參考。不過，用8051也存在一些缺點，比如它的程序寫入需要專門的燒寫器件提供很高的電壓。在需要硬件程序仿真的時候，其仿真器比較貴。設計方案二：用最新的8051F系列單片機。它有CIP-51TM 的微控制器核 ，與 8051 完全兼容 。C8051F330/1系列單片機使用Silicon Labs的專利CIP-51 微控制器內核。CIP-51與MCS-51TM的指令集完全兼容，可以使用標準 803x

19、/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51內核具有標準 8052 的所有外設部件，包括 4 個 16 位計數器/定時器、一個具有增強波特率配置的全雙工UART、一個增強型SPI端口、768 字節(jié)內部RAM、128 字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間及 17 個I/O端口。 因此綜全考慮，采用8051F單片機作為系統(tǒng)微處理器，它的資源完全可以滿足本設計的硬件要求。23 門體模型選擇由于該系統(tǒng)涉及到對門窗的控制，；因此，門體的選擇對對該系統(tǒng)也有一定的影響。，設計方案一：訂制木質門體。本方案優(yōu)點是訂制的門體美觀，而且容易控制，運行可靠。缺點是由于對知識方面的欠缺，定做的門體完善度低，且修

20、改不易。設計方案二：自制泡沫材質的門體。本方案的優(yōu)勢在于可以依據本人的要求制作門體形狀。而且門體由于是泡沫制成，可塑性高，可以隨意修改。缺點是門體不夠美觀和結實。綜合優(yōu)缺點，本設計實際選擇方案二。24 電機及驅動部分選擇電機和驅動部分作為系統(tǒng)的執(zhí)行機構，其方案在被控和運行時的穩(wěn)定性能決定著整個系統(tǒng)的運行可靠性。一、 電機類型選擇設計方案一：使用步進電機。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。 改變脈沖的順序， 可以方便的改變轉動的方向。缺點是運行轉速慢噪聲大，控制麻煩，成本高。在本系統(tǒng)中對位移距離要求不高，步進電機的優(yōu)勢不能

21、發(fā)揮。設計方案二：使用直流無刷電機。直流無刷電動機的機械特性和調節(jié)特性的線性度好，調速范圍廣，壽命長，維護方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電動機在控制系統(tǒng)中有很大的應用潛力。但是價格高，控制器要求高，且低速起動時有輕微振動。設計方案三：使用直流有刷電機。優(yōu)點：控制方便變速平穩(wěn)，幾乎感覺不到振動；溫升低，可靠性好； 價格低，所以被較多廠家選用，技術成熟。 缺點： 碳刷易磨損，更換較為麻煩，壽命短； 運行電流大，電機磁鋼易退磁，降低了電機與電池的作用壽命。綜合三種電機特點，本設計實際選擇方案三。由于本設計對電機運行時間的要求不高，而對啟動和控制方面有較高的要求，所以方案三的缺點

22、在本設計中影響不大優(yōu)勢卻很明顯。二、 電機驅動方案的選擇設計方案一：使用分立元件搭建H橋驅動電路。優(yōu)點價格便宜，使用實驗室已有元件搭建省去采購的花銷。缺點控制電路可靠性低，功能少。設計方案二：使用集成塊驅動芯片。優(yōu)點性能穩(wěn)點，電路簡單，控制便捷，功能強大。缺點是成本較高。由于實際應用中驅動芯片由于運行可靠與使用便捷性受到了許多廠家選用。集成塊故障率小，技術成熟，本設計中電機為控制門窗，對可靠性要求較高，故選用方案二。25 檢測元件的選擇本設計中包括多種傳感器，包括：亮度傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器，紅外傳感器分別用來對門窗周邊天氣環(huán)境和不明物體的監(jiān)測。一、 亮度傳感器選擇設計方案一：使用分立

23、元件光敏電阻配合高性能的ADC模擬數據采集。優(yōu)點為成本低性能卻很好，輸出為實時真實數據。缺點是需要配置合適的ADC元件，需要與MCU緊密的編程配合協(xié)作。設計方案二：使用集成塊亮度傳感芯片。優(yōu)點電路簡單使用，使用方便。缺點是成本高，且輸出多為開關量，不能獲得實時數據。綜合上述優(yōu)缺點，本設計實際選擇方案一。本設計中將選用一款內部集成高性能ADC部件，故方案一的缺點被補償，是理想的選擇。二、 溫度、濕度傳感器選擇設計方案一：溫度濕度選用獨立元件設計使用。溫度傳感器使用Dallas 半導體公司的數字化溫度傳感器DS1820，可以程序設定912位的分辨率，精度為0.5C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適

24、用范圍。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM中。使用“一線總線”方式與控制器通訊。濕度傳感器采用濕敏電阻配合高性能的ADC模擬數據采集。本方案有傳感器性能高，精度大的優(yōu)點。但是同時也有電路復雜，運行可靠性低，控制麻煩、占用資源較多的缺點。設計方案二：使用集成了溫度和濕度傳感器的一體式智能溫濕度傳感芯片DHT11。本方案優(yōu)點有電路簡單使用，使用方便，智能溫濕度傳感芯片DHT11可以通過SPI總線與單片機進行通訊，將溫度和濕度的實際值直接傳送到單片機中，省去了轉換和矯正的的工序，大大提高系統(tǒng)的開發(fā)周期。綜上所述，本設計實際選擇方案二。智能溫濕度傳感芯片DHT11的高使用便捷度和高效的

25、SPI、總線稱為本系統(tǒng)選擇它的理由。三、 紅外傳感器選擇由于紅外傳感器功能的相似性，影響其使用效果的主要是傳感器的封裝形式，所以在選擇紅外傳感器時主要是對紅外傳感器的封裝的選擇。設計方案一：封裝形式為發(fā)射端與接受端獨立的紅外對射管。本方案中的傳感器具有安裝方便，形式多樣的特點。但是對安裝的精度要求較高，當發(fā)射端與接受端安裝距離較遠或沒對準時容易出現(xiàn)對管無法正常工作的情況。設計方案二：封裝形式為槽型的紅外傳感器。此類封裝的傳感器功能比較單一，主要是對槽內切割紅外線的薄片的運動情況進行采集。設計方案三：封裝形式為并列反射型的紅外傳感器。此類封裝的傳感器適用性強，可以對傳感器指向面的障礙監(jiān)測。根據實

26、際應用，本設計在不同的場合分別使用了方案二與方案三的封裝形式紅外傳感器。26 人機界面的選擇人機界面（Human-Computer Interface,簡寫HCI，又稱用戶界面或使用者界面）包括了鍵盤部分和顯示部分。一、 鍵盤部分設計方案一、是用ZLG7289的芯片和顯示與鍵盤專用模塊配合主機實現(xiàn)人機信息交互，其優(yōu)點是用與微處理器用SPI接口，可以節(jié)省很多I/O口線，而且硬件電路規(guī)范化，只要看懂原理就可以用軟件實現(xiàn)各種相關功能。不足之處是這個人機交互模塊不容易重復利用，而且在軟硬件上也是結合緊密，不容易分離和移植到其它系統(tǒng)。設計方案二、采用獨立按鍵鍵盤。本設計采用最簡單的鍵盤設計方法，具有電路

27、簡單，原理清晰，編程便捷的優(yōu)點，缺點是需要按鍵較多時占用I/O口多。綜合以上二種方案，結合本課題的實際后選擇第二種方案。因為它除了有以上兩種方案的優(yōu)點外，還具有擴展性、通用性等優(yōu)勢，從而為未來發(fā)展與擴充作鋪墊。二、 顯示部分設計方案一、采用多位八段數碼管LED顯示。在微處理器的配合下通過多個段選式的數碼管動態(tài)掃描顯示，以完成人機信息交互任務。其優(yōu)點是數碼管價格相對于液晶要便宜，簡單可靠，顯示亮度高，顯示數值時優(yōu)勢明顯。缺點是其顯示的容量有限，不能顯示漢字，硬件連線麻煩占用的I/O口線較多。設計方案二、是用ZLG7289的芯片和顯示與鍵盤專用模塊。本方案解決得占用引腳多的問題，但是還是采用數碼管

28、顯示。設計方案三、采用單顆LED燈配合相應位置漢字指示。本方案解決了指示漢字的問題，價格低廉，在顯示內容不多且變化少時優(yōu)勢明顯。但是缺點也很明顯，漢字不能改變，不能顯示數字。設計方案四、LCD顯示指示。LCD 液晶顯示器是 Liquid Crystal Display 的簡稱，LCD 的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產生畫面。采用128X64點陣的LCD可以顯示四行漢字，顯示資源豐富。綜合以上四種方案，結合本課題的實際后選擇第三種和第四種方案分別作為門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)。因為本系統(tǒng)遙控部分對

29、顯示要求較高，顯示文字內容較多。而門上部分顯示內容少，不用顯示數值，故不采用數碼管而直接采用單顆LED顯示27 報警元件的選擇該系統(tǒng)中，報警系統(tǒng)作為其中的一個重要組成部分，報警元件的選擇顯得十分重要，關系到整個系統(tǒng)的安全性。設計方案一、語音報警。通過人聲報警，報警內容明確，系統(tǒng)產品顯得高檔智能。缺點是成本高，控制麻煩，警告性不高，適合提示性場合。設計方案二、蜂鳴器報警。通過對蜂鳴器發(fā)聲類型的控制，可以編制多種報警聲用于各種不同的報警場合。優(yōu)點是音量大，警報性好，價格低廉，可靠性高，控制方便。根據優(yōu)劣勢分析，本系統(tǒng)采用方案二。方案二在控制了成本的前提下提高了系統(tǒng)警報系統(tǒng)的實用性和易開發(fā)性。28

30、電源模塊的選擇由于系統(tǒng)需要分別給門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)進行供電，因此，對于門上系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)的供電應該分開考慮，考慮到門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)各自的特性進行設計雨安排。一、門上系統(tǒng)電源供電方案選擇設計方案一：電池供電。電池供電的優(yōu)勢是不用擔心系統(tǒng)受外界供電電源的的影響。但缺點是門上系統(tǒng)需要向電機供電，電機運行與帶負載需要較大的電能，所以電池供電的持久性不能保證。設計方案二：外部電源供電。本方案可以為系統(tǒng)帶來無窮的電力，能保證長時間運行。但是在停電時會導致系統(tǒng)不能工作。根據實際應用，本設計擇優(yōu)選擇了方案二。二、遙控系統(tǒng)電源供電方案選擇為保證遙控系統(tǒng)的遙控器可移動性，只能為本系統(tǒng)配備電池供電。在設計時考慮的

31、是電池的類型。設計方案一：鋰離子電池供電。鋰離子電池供電的優(yōu)勢是可以反復充電使用，且體積可以做得比較小。缺點是鋰離子電池價格昂貴成本高。設計方案二：普通五號電池供電。這類電池供電的優(yōu)勢是價格便宜，且體積也不是很大，在電池消耗光時通過換電池就可以使系統(tǒng)繼續(xù)工作。綜上所述，本設計擇優(yōu)選擇了方案二，低廉的價格極大地降低了開發(fā)成本。29 論證總結我們對系統(tǒng)設計方案有了初步的決定。微處理器單元選用C8051F系列增強型單片機C8051F330；無線模塊選用RF12射頻無線收發(fā)模塊；門體模型使用泡沫材質自制門體；電機及驅動部分電機選用直流有刷電機，驅動選用專用電機驅動芯片33886集成塊；傳感器模塊分別采

32、用溫濕度一體DTH-11傳感器，光敏電阻搭建亮度傳感器，槽型及反射型紅外對射管；人機界面選擇MzL05-12864液晶顯示和紅色LED燈管顯示；報警模塊選用5V蜂鳴器報警；電源供電部分門上系統(tǒng)與遙控系統(tǒng)分別采用市電變壓整流調制到5V、3.3V直流電為系統(tǒng)供電與兩節(jié)5號電池供電。最終決定的方案有取材方便，性價比高，開發(fā)周期短的優(yōu)勢。第三章 系統(tǒng)硬件設計根據設計方案，系統(tǒng)的硬件電路應包括門上系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)，門上系統(tǒng)分為由傳輸部分、控制部分、顯示部分；遙控系統(tǒng)分為前端部分、傳輸部分、執(zhí)行機構、報警部分。前端部分：前端進行對門窗周圍環(huán)境變量的采集。采集工具包括溫度、濕度、光亮度傳感器對溫濕度、亮度的參

33、數采集；以及攝像頭紅外對射管等設備對門窗周圍物體進行監(jiān)視。傳輸部分：應用RF無線模塊將前端部分采集的信號實時可靠地傳輸到控制部分?？刂撇糠郑簡纹瑱C，對信息進行分析處理、邏輯分析，將分析結果分別下達到執(zhí)行機構、顯示部分和報警部分。執(zhí)行機構：電機，受控制部分控制命令控制。顯示部分：LCD液晶顯示,顯示內容由控制部分控制。報警部分：蜂鳴器，警報狀態(tài)由控制部分控制。溫度傳感器亮度傳感器紅外檢測器RF模塊RF模塊單片機主控芯片LCD液晶顯示器鍵盤電機蜂鳴器器器單片機 門上部分 遙控部分31 8051F330最小系統(tǒng)8051F采用的是最新SOC工藝，從8051發(fā)展而來的，在51的基礎上增加的許多功能 ：C

34、8051F330/1 系列 MCU 在 CIP-51 內核和外設方面有幾項關鍵性的改進，提高了整體性能，更易于在最終應用中使用。 擴展的中斷系統(tǒng)向 CIP-51 提供14 個中斷源（標準 8051 只有7 個中斷源） ，允許大量的模擬和數字外設中斷微控制器。一個中斷驅動的系統(tǒng)需要較少的 MCU干預，因而有更高的執(zhí)行效率。在設計一個多任務實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。 C8051F330/1器件的內部振蕩器在出廠時已經被校準為 24.5MHz 2%，該振蕩器的周期可以由用戶以大約 0.5%的增量編程；片內還集成了一個低速振蕩器，更適合于低功耗操作。器件內集成了外部振蕩器驅動電路，允許

35、使用晶體、陶瓷諧振器、電容、RC 或外部 CMOS時鐘源產生系統(tǒng)時鐘。如果需要，時鐘源可以在運行時切換到外部振蕩器。外部振蕩器在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率（節(jié)電）外部晶體源運行，當需要時再周期性地切換到高速（可達 25MHz）的內部振蕩器。1、 片內存儲器組織結構CIP-51 有標準 8051 的程序和數據地址配置。它包括 256 字節(jié)的數據 RAM，其中高 128字節(jié)為雙映射。用間接尋址訪問通用 RAM 的高 128 字節(jié)，用直接尋址訪問 128 字節(jié)的 SFR地址空間。數據 RAM 的低 128 字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問。前 32 個字節(jié)為 4 個通用寄存器區(qū)

36、，接下來的 16 字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。 程序存儲器包含 8KB 的FLASH。該存儲器以 512 字節(jié)為一個扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特別的編程電壓。8051F330最小系統(tǒng)如圖 3-2所示。最小系統(tǒng)包括了單片機、復位電路、JTAG接口及電源供電接口。本設計中最小系統(tǒng)復位電路集成了上電復位和手動復位兩種方式。不同于普通C51單片機復位信號為高電平有效，且高電平的持續(xù)時間需要達到24個震蕩周期（2個機器周期）以上，C8051F330的復位信號是低電平有效，部/RST引腳提供了使用外部電路強制MCU進入復位狀態(tài)的手段，在/RST引腳上加一個低電平有效信號將導致MCU進入復位狀態(tài)。

37、本設計中的自動復位則利用上電時對10UF電容的充電時間達到在/RST引腳上加一個低電平有效信號的效果。圖 3-1 8051F330最小系統(tǒng)2、 片內存儲器組織結構CIP-51 有標準 8051 的程序和數據地址配置。它包括 256 字節(jié)的數據 RAM，其中高 128字節(jié)為雙映射。用間接尋址訪問通用 RAM 的高 128 字節(jié)，用直接尋址訪問 128 字節(jié)的 SFR地址空間。數據 RAM 的低 128 字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問。前 32 個字節(jié)為 4 個通用寄存器區(qū)，接下來的 16 字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。 程序存儲器包含 8KB 的FLASH。該存儲器以 512 字節(jié)為一個扇

38、區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特別的編程電壓。如圖 3-2所示為MCU系統(tǒng)的存儲器結構。圖 3-2 MCU系統(tǒng)的存儲器結構312 顯示部分電路根據3.1節(jié)的論證，本系統(tǒng)機界面采用MzL05-12864液晶顯示和紅色LED燈管顯示。一、MzL05-12864簡介MzL05-12864為一塊小型的128X64點陣的LCD顯示模組,模組上的 LCM *采用COG* 技術將控制（包括顯存）、驅動器集成在LCM 的玻璃上，接口簡單、操作方便；為方便用戶的使用，在LCM的基礎上設計了MzL05-12864 模組，將模組所必需的外圍電容電阻集成到模組上。MzL05-12864 模組與各種MCU均可進行方便簡單的

39、接口操作。1. 128 x 64 點陣FSTN2. 1/64 占空比1/9 偏壓比3. 單電源供電對比度編程可調4. 僅寫入的串行 SPI 接口方式5. 3.3V 的白色LED 背光，美觀大方圖3-3 MzL05-12864模組正面及背面圖樣一、 MzL05-12864與單片機接口電路原理MzL05-12864與單片機接口采用SPI接口通訊。模塊共有7個引腳，分別為：1 /CS1 片選（低電平有效）2 /RES 復位腳（低電平復位）3 A0 數據命令選擇腳4 SCK 串行時鐘輸入引腳5 SDI 串行數據輸入引腳6 VDD 模組供電（推薦3.0V）7 VSS 地其中15腳與單片機相連。 圖3-4

40、 MzL05-12864與單片機接口電路原理圖313 LED燈原理與硬件電路本系統(tǒng)共設計了3盞LED提示燈，分別作為門上系統(tǒng)的報警燈、發(fā)射無線信號燈和接受無線信號燈。LED連線電路采用共陽極顯示，在單片機引腳為低時LED燈可以點亮，反之LED無電流流過。紅色發(fā)光二極管的壓降為2.02.2V ，黃色發(fā)光二極管的壓降為1.82.0V ，綠色發(fā)光二極管的壓降為3.03.2V ，正常發(fā)光時的額定電流約為20mA。本系統(tǒng)工作電壓3.3V，故通限流電阻可以過公式計算：R=(U-ULED)/ILED=(3.3V-2.1V)/20mA=60實際應用中采用60的電阻限流時LED很亮，故本系統(tǒng)根據實際情況采用15

41、0的限流電阻。 圖3-5 LED燈電路原理圖32 鍵盤部分電路本系統(tǒng)由于只用到6個按鍵，采用行列式鍵盤比獨立式鍵盤僅節(jié)約一個IO口（2*3），卻增加了系統(tǒng)編程工作量。故本系統(tǒng)鍵盤采用獨立按鈕式鍵盤，每個按鈕單獨占有一個IO口。鍵盤的工作原理是：通過將IO口用一個大電阻弱上拉到高電平，再將這個IO口用按鈕的常開端接到地，當按鈕按下時IO口電平被拉低。單片機通過查詢各個IO口的邏輯電平就可得到相應按鈕按下。SW0,W01,SW2,SW3,SW4,SW5為IO接口。圖3-6 鍵盤部分電路33 無線模塊部分電路本設計中無線模塊不僅是一個重點更是一個難點。為了實現(xiàn)設計要求，在各種射頻無線模塊中我們選擇了

42、RF12模塊。331 RF12簡介RF12是一款低成本高集成的FSK*收發(fā)IC,其內部集成了所有RF收發(fā)功能模塊電路,外圍只須一個MCU,一個晶振,一個旁路電容和一個外置天線就可組成一個帶有PLL技術的高可靠性的收發(fā)系統(tǒng),具有設計簡單,生產無需調試的特點.可工作在315/433/868/915MHz四個頻段. 其高功率輸出和高靈敏度接收的特點, 在無需外加功放電路的情況下，可使其距離達到150米以上.RF12還集成了一個數字接口,輕易實現(xiàn)由MCU通過軟件設置,就可精確調整各種射頻參數(如收發(fā)轉換,中心頻點,發(fā)射頻偏,發(fā)射功率,調制方式,傳輸率,接收帶寬等), 而無需調整硬件電路,可輕易實現(xiàn)跳頻

43、功能.RF12可應用于各種無線局域網,PC周邊通迅.無線防盜和報警系統(tǒng),無線傳感器，無線鍵盤和鼠標,家居自動化遙控,無線高速數據采集系統(tǒng),無線玩具等場合.特點:工作電壓2.2V到5.4V 高功率輸出,在315/433MHz頻段最高可達8dBm,在868/915MHz頻段最高可達6dBm 可設置功率輸出大小靜態(tài)功耗電流0.3mA高傳輸數率,數字模式可達115.2Kbps工作溫度-40到+85度高集成度, 外圍零件少,成本低設計簡單,生產無需調試抗干擾能力強通過軟件設置各種射頻參數(如中心頻點,頻偏,發(fā)射功率,調制方式,傳輸率等), 無需調整硬件電路. 可輕易實現(xiàn)跳頻功能發(fā)射時天線自動匹配,確保手

44、持時或周圍環(huán)境變化時仍然有最高發(fā)射功率可提供可編程MCU外部時鐘信號低電壓檢測發(fā)射時提供位同步模式大大降低了因位同步發(fā)射而產生的對MCU的速度要求332 RF12與單片機的SPI接口RF12無線模塊通過SPI接口與單片機相連接。SPI（Serial Peripheral interface）：高速同步串行口。是一種標準的四線同步雙向串行總線。是Motorola首先在其MC68HCXX系列處理器上定義的。SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信

45、協(xié)議。SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設備和一個或多個從設備，需要至少4根線，事實上3根也可以（用于單向傳輸時，也就是半雙工方式）。也是所有基于SPI的設備共有的，它們是SDI（數據輸入），SDO（數據輸出），SCK（時鐘），CS（片選）。其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號為預先規(guī)定的使能信號時（高電位或低電位），對此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個SPI設備成為可能。接下來就負責通訊的3根線了。通訊是通過數據交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議，也就是說數據是一位一位的傳輸的。這就是SCK時鐘線存在的原因，由SCK提供時鐘

46、脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數據傳輸。數據輸出通過 SDO線，數據在時鐘上升沿或下降沿時改變，在緊接著的下降沿或上升沿被讀取。完成一位數據傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時鐘信號的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數據的傳輸。 要注意的是，SCK信號線只由主設備控制，從設備不能控制信號線。同樣，在一個基于SPI的設備中，至少有一個主控設備。這樣傳輸的特點：這樣的傳輸方式有一個優(yōu)點，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數據，而SPI允許數據一位一位的傳送，甚至允許暫停，因為SCK時鐘線由主控設備控制，當沒有時鐘跳變時，從設備不采集或傳送數據。也就是說，

47、主設備通過對SCK時鐘線的控制可以完成對通訊的控制。SPI還是一個數據交換協(xié)議：因為SPI的數據輸入和輸出線獨立，所以允許同時完成數據的輸入和輸出。不同的SPI設備的實現(xiàn)方式不盡相同，主要是數據改變和采集的時間不同，在時鐘信號上沿或下沿采集有不同定義，具體請參考相關器件的文檔。在點對點的通信中，SPI接口不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效。在多個從設備的系統(tǒng)中，每個從設備需要獨立的使能信號，硬件上比I2C系統(tǒng)要稍微復雜一些。RF12模塊的電路中在SPI的基礎上多了中斷請求輸出（nIRQ低電平有效）引腳，構成了5根線的總線，使作為從機的無線模塊擁有請求中斷的功能。333 RF12電

48、路硬件應用電路RF12電路硬件應用電路如圖3-7所示，其中VDD與nINT腳之間串接了一個指示LED燈。LED燈用來指示無線模塊所在的環(huán)境內是否存在可用無線信號。在實際設計中發(fā)現(xiàn)該設計會對所有空氣中的“無線信號”進行提示，也就是說當無線模塊經過初始化后，LED會一直在閃爍。RF12無線模塊引腳功能：1nINT/VDI中斷輸入（低電平有效）/有效數據指示輸出2SDI串行控制接口數據輸入3nSEL串行控制接口片選輸入（低電平有效）4nIRQ中斷請求輸出（低電平有效）5DCLK接收數據的時鐘輸出 (本設計中不使用）6nRES用內部上拉和輸入緩沖開啟復位輸出（低電平有效）(本設計中不使用）7GND負電

49、源電壓8CLKD供MCU使用的時鐘輸出(本設計中不使用）9 DATAFSK 數據輸入/接收數據輸出（本設計中不使用)10SDO串行數據輸出11SCK串行控制接口時鐘輸入12VDDS正電源電壓 圖3-7 RF12無線模塊與單片機的接口電路原理圖34 檢測模塊電路設計本設計中傳感器模塊分別采用溫濕度一體DTH-11傳感器，光敏電阻搭建亮度傳感器。341 溫濕度傳感器目前市場上的溫濕度傳感器種類非常豐富，比較常用的如DS1820溫度傳感器和濕敏電阻搭建的濕度傳感器等。本系統(tǒng)為追求易用性和集成性選擇了技術成熟使用廣泛的數字溫濕度傳感器集成模塊DHT11。（1）DTH-11簡介DHT11數字溫濕度傳感器

50、是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產品為 4 針單排引腳封

51、裝。連接方便，特殊封裝形式可根據用戶需求而提供。DHT11數字溫濕度傳感器的特點是：相對濕度和溫度測量全部校準，數字輸出卓越的長期穩(wěn)定性無需額外部件超長的信號傳輸距離超低能耗4引腳安裝完全互換圖3-8 RF12無線模塊外觀和封裝（2）電路硬件應用電路DHT11數字溫濕度傳感器的DATA引腳（2腳）用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數據格式，一次通訊時間4ms左右,數據分小數部分和整數部分，具體格式在下面說明，DHT11型號的小數部分用于以后擴展，現(xiàn)讀出為零。一次完整的數據傳輸為40bit,高位先出。數據格式：8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bit溫度整數數據+8

52、bit溫度小數數據+8bit校驗和數據傳送正確時校驗和數據等于“8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bi溫度整數數據+8bit溫度小數數據”所得結果的末8位。用戶MCU發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發(fā)送響應信號，送出40bit的數據，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分數據。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集，采集數據后轉換到低速模式。在連接線長度短于20米時需要用5K上拉電阻，大于20米時根據實際情況使用合適的上拉電阻。1VDD供電 3

53、5.5VDC2DATA串行數據，單總線3NC空腳，請懸空4GND接地，電源負極 圖3-9 DHT11數字溫濕度傳感器接線電路原理與單片機接口342 亮度傳感器現(xiàn)在市場上存在豐富的亮度傳感器模塊供我們選擇，但是本系統(tǒng)在性價比方面考慮后決定采用光敏電阻配合ADC模塊搭建亮度傳感器。（1）光敏電阻簡介光敏電阻器（Photovaristor）又叫光感電阻，是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化）。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。

54、在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產生的電子空穴對增加了半導體材料中載流子的數目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產生的電子空穴對將逐漸復合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復原值。（2）光敏電阻搭建亮度傳感器應用電路根據光敏電阻的特性，將光敏電阻如圖3-10接線，與單片機的接口為單片機內部集成的ADC接口。利用ADC模數轉換實時采集，可以獲得光敏電阻所在環(huán)境的亮度相對值，然后在單片機中利用軟件進行矯正和量化*

55、，獲得環(huán)境亮度值（比系統(tǒng)將僅使用相對值，其數值不代表真實亮度坎德拉*等單位值）。圖3-10 光敏電阻接線電路原理與單片機接口343 紅外模塊部分電路本設計中紅外模塊應用在門體移動限位，防夾電子眼，電機編碼盤三個位置。紅外線發(fā)射與接收的方式有兩種，其一是直射式，其二是反射式。直射式指發(fā)光管和接收管相對安放在發(fā)射與受控物的兩端，中間相距一定距離；反射式指發(fā)光管與接收管并列一起，平時接收管始終無光照，只在發(fā)光管發(fā)出的紅外光線遇到反射物時，接收管收到反射回來的紅外光線才工作。常用的紅外發(fā)光二極管（如SE303.PH303)，其外形和發(fā)光二極管LED相似，發(fā)出紅外光。管壓降約1.4v，工作電流一般小于20mA。為了適應不同的工作電壓，回路中常常串有限流電阻。紅外接收管如紅外接收二極管，光電三極管等作為受控裝置中相應的紅外光一電轉換元件。本系統(tǒng)實用中已有紅外發(fā)射和接收配對的二級管。本設計中，利用紅外對管的工作特性，將紅外對管的接收端信號引出到LM324電壓比較器中，與給定電壓進行比較輸出，如圖3-11電路