代做畢業設計1：智慧窗戶模型
摘 要
本課題將以"智慧窗戶模型設計"作為研究課題，擬將設計一款全新的智慧窗戶。當感測器感受到外界刺激的時候，會通過所設計的電路反饋到微控制器，最後通過電機去實現窗戶的自動開啟和關閉。在硬體上系統採用的是以新塘公司旗下的一款N76E003微控制器為核心，結合雨滴感測，微動開關，減速電機等元器件構建系統硬體框架，在軟體上採用C語言等構建軟體程式碼。這款智慧化的窗戶真正打破常規窗戶設計的桎梏，大大提升了人們的生活質量。而且最主要的是核心硬體採用的是新塘公司旗下的N76E003微控制器在價格上有很強的優勢，能夠很大限度的節約成本，在推廣和普及上能夠得心應手。所以，設計此課題有非凡的意義。
關鍵詞：智慧窗戶；減速電機；N76E003微控制器；雨滴感測器；
Abstract
This project will design a new smart window with "intelligent window model design" as the research topic.When the sensor feels the external stimulation, it will feedback to the MCU through the designed circuit, and finally realize the automatic opening and closing of the window through the motor.On the hardware system USES a N76E003 in xintang inc. Single chip microcomputer as the core, combined with the rain sensor, micro switch, gear motor components to the system hardware framework, such as on the software and other building software using C language code.This intelligent window really breaks the shackle of regular window design, greatly improves people's quality of life.And the most important is the core hardware USES is N76E003 microcontroller xintang inc. Has a strong advantage in price, cost savings to a large extent, on the promotion and popularization can handy.Therefore, it is of great significance to design this topic.
Keywords: smart Windows;Decelerating motor;N76E003 single chip microcomputer;Raindrop sensor;
目 錄
第一章、引言
（一）智慧窗戶模型設計的設計背景
多變的天氣給居民的生活帶來了很多的不確定性，雨水給萬物澆灌，卻也給居民的生活帶來了很多的煩惱，比如當你上班或者外出時下雨了，結果是一屋子的雨水，相關的傢俱衣物等被淋溼；假如因為此原因每次出門都要關上窗戶的話，室內空氣不流通，異味難聞，而且還顯得很悶熱，這種做法實屬無奈之舉。為了解決人們的生活困擾,提高生活質量,因此很有必要開發出一種可以根據天氣變化情況智慧控制的窗戶。
傳統上的窗戶是靠人工開啟關閉的，這樣機械的操作不能及時的應對多變的天氣，極大的影響了人們的生活質量。前人一直在致力改善這種現狀，不過大都是改善窗戶的質量，窗戶的外觀，此舉並沒有真正意義地去改善人們的生活質量。因此設計一款根據天氣能夠實現智慧開啟並關閉的窗戶是有很大的必要。
圖1 智慧窗戶
（二）智慧窗戶系統的國內外發展現狀
隨著人們收入的提高，生活質量也逐年在提高，而對於現在來說生活質量的提高不僅僅體現在生活物質上的追求，更體現在精神上的追求。當下智慧化，自動化的科技產品逐漸普及到千家萬戶，而智慧窗戶就是其中的一款具有代表的產品之一。智慧窗戶起源於上個世紀70年代的美國，隨後逐步被歐美的一些國家廣泛應用。自21世紀以來，中國，新加坡，日本等地區也爭先完善智慧窗戶系統。智慧化，自動化已然成為歷史發展的趨勢，當然智慧門窗也不例外。
智慧門窗一直是海內外科學家研究的大熱門，不管是從窗戶的外形，質量上的改造，還是從功能上的改進都五花八門。在國內由於技術的成熟度上，價格上等原因，還沒有得到很好的普及。本課題設計的一個主要目的的節約成本，因此選用新塘公司的N76E003微控制器能夠有效的節約成本，而且本設計以簡約為主，主要是為了能夠得到很好的推廣與普及。
防雨的窗戶五花八門。不需要去改變窗戶現有的結構與模型，也不需要有很複雜的電路系統，雨滴感測器上只要沾有水，窗戶就會自動關閉。這種設計很多科學家都在研究並在不斷地改善，也有學生和老師在做課題競賽。我相信在不久的將來，智慧窗戶在中國也能夠得到很好的普及。
（三）本文主要研究內容
本課題主要的研究方向是如何能夠有效地實現智慧化，自動化地防雨，以簡約的電路系統，節約成本為目的去製作這個課題設計，為的是日後能夠得到很好地推廣。
設計內容：首先確立以N76E003微控制器作為核心硬體，然後結合雨滴感測器，減速電機，微動開關以及各類電阻，電源，輔以電路系統，組成一套全新的智慧窗戶系統。
第二章、微控制器選型
(一)選擇N76E003的原因
本系統採用的微控制器為新塘N76E003微控制器，N76E003是一款51核心的微控制器，相對於stm32而言，學習起來簡單。而且stm32由於在中國最近幾年流行起來，2017年的某些晶片都漲出了一倍的價格，直接導致一些公司棄用ST公司的晶片。
與他更為接近的一款晶片STC15的晶片，不過本系統不用STC15是因為STC公司價格相對也是較高，與此功能較為接近的是STC15F2K60S2，在網上最低價7.6元，而新塘是0.4元。
(二)N76E003簡介
N76E003是8051核心的一款微控制器MCU，它提供豐富的特殊功能模組，包括：
1KRAM其中包括256位元組SRAM，768位元組XRAM。
最多可達18個標準管腳。
兩組標準16位定時器/計數器：定時器0及1，
一組帶有3路管腳輸入捕獲模式的16位定時器：定時器2，
一組看門狗定時器（WDT），
一組自喚醒定時器（WKT），
一組帶自動重灌載功能，可用於產生標準波特率的定時器：定時器3。
兩組標準序列口（UART），這兩組序列口具有幀錯誤偵測及自動地址識別功能。
一組SPI，一組I2C，6 通道增強型PWM輸出，8路12位ADC。
上述功能對應產生18箇中斷源，具有4級中斷優先順序配置。
N76E003支援3組時鐘源輸入，所有時鐘源支援軟體切換立即生效功能（on-the-fly）。
3組時鐘源包括：外部時鐘，10kHz內部RC振盪時鐘和一個出廠時已校準到室溫下精度達±1%的16MHz內部高速時鐘。
N76E003提供額外的電源監控管理模組，例如上電覆位和4級低電壓檢測，該模組用於保障晶片在上電及掉電時系統穩定工作。
N76E003可執行在兩種低功耗模式－空閒模式和掉電模式，可通過軟體選擇執行在哪種模式。
空閒模式時，晶片主時鐘關閉，但部分功能模組仍然執行。
掉電模式下晶片全部時鐘關閉確保晶片功耗達到最低。
在正常工作模式下，也可選擇主時鐘除頻方式工作，確保在功耗和效能之間靈活運用。
高效能、豐富的功能模組及配置，N76E003可靈活用於各種應用場合，家電產品，甚至是馬達控制等高階需求控制系統。
從研發的角度上來說，首先面對的是DEMO板上的程式除錯，然後設計電路圖，最後編寫程式，在進行除錯。
(三)引腳說明
N76E003晶片如圖2-1所示：
圖2 N76E003晶片引腳圖
N76E003晶片的管腳功能強大:
一組帶自動重灌載功能，可用於產生標準波特率的定時器：定時器3。
兩組標準序列口（UART），這兩組序列口具有幀錯誤偵測及自動地址識別功能。
一組SPI，
一組I2C，
6 通道增強型PWM輸出，
8路12位ADC。
表2-1 N76E003晶片引腳示意圖
| 符號 |
功能描述 |
|
| 9 |
VDD |
電源: 電源正端 |
| 7 |
GND |
電源地: 電源負端 |
| 16 |
P0.0/PWM3/IC3/MOSI/T1 |
P0.0: 埠0管腳0 |
| PWM3: PWM 輸出通道3 |
||
| MOSI: SPI 主機輸出/從機輸入腳 |
||
| IC3: 定時器輸入捕獲通道3 |
||
| T1: 定時器/計數器1，外部計數輸入腳或翻轉輸出腳 |
||
| 17 |
P0.1/PWM4/IC4/MISO |
P0.1: 埠0管腳1 |
| PWM4: PWM 輸出通道4 |
||
| IC4: 定時器輸入捕獲通道4 |
||
| MISO: SPI 主機輸入/從機輸出腳 |
||
| 18 |
P0.2/ICPCK/OCDCK/ RXD_1/[SCL] |
P0.2: 埠0管腳2 |
| ICPCK: ICP程式設計時鐘輸入腳. |
||
| OCDCK: OCD模擬時鐘輸入腳 |
||
| RXD_1: 串列埠1資料輸入腳 |
||
| [SCL]:I2C 時鐘腳 |
||
| 19 |
P0.3/PWM5/IC5/AIN6 |
P0.3: 埠0管腳3 |
| PWM5: PWM 輸出通道5 |
||
| IC5: 定時器輸入捕獲通道5 |
||
| AIN6: ADC輸入通道6 |
||
| 20 |
P0.4/AIN5/STADC/ PWM3/IC3 |
P0.4: 埠0管腳4 |
| AIN5: ADC輸入通道5 |
||
| STADC: 外部啟動ADC觸發腳 |
||
| PWM3: PWM 輸出通道3 |
||
| IC3: 定時器輸入捕獲通道3 |
||
| 1 |
P0.5/PWM2/IC6/T0/AIN4 |
P0.5: 埠0管腳5 |
| PWM2: PWM 輸出通道2 |
||
| IC6: 定時器輸入捕獲通道6 |
||
| T0: 定時器/計數器0，外部計數輸入腳或翻轉輸出腳 |
||
| 2 |
P0.6/TXD/AIN3 |
P0.6: 埠0管腳6 |
| TXD: 串列埠0資料傳送腳 |
||
| AIN3: ADC 輸入通道3 |
||
| 3 |
P0.7/RXD/AIN2 |
P0.7: 埠0管腳7 |
| RXD: 串列埠0資料接收腳 |
||
| AIN2: ADC 輸入通道2 |
||
| 15 |
P1.0/PWM2/IC2/SPCLK |
P1.0: 埠1管腳0 |
| PWM2: PWM 輸出通道2 |
||
| IC2: 定時器輸入捕獲通道2 |
||
| SPCLK: SPI 時鐘腳 |
||
| 14 |
P1.1/PWM1/IC1/AIN7/ CLO |
P1.1: 埠1管腳1 |
| PWM1: PWM 輸出通道1 |
||
| IC1: 定時器輸入捕獲通道1 |
||
| 符號
|
功能描述
|
|
| AIN7: ADC 輸入通道7 |
||
| CLO: 系統時鐘輸出腳 |
||
| 13 |
P1.2/PWM0/IC0 |
P1.2: 埠1管腳2 |
| PWM0: PWM 輸出通道0 |
||
| IC0: 定時器輸入捕獲通道0 |
||
| 12 |
P1.3/SCL/[STADC] |
P1.3: 埠1管腳3 |
| SCL:I2C 時鐘腳 |
||
| [STADC]: 外部啟動ADC觸發腳 |
||
| 11 |
P1.4/SDA/FB/PWM1 |
P1.4: 埠1管腳4 |
| SDA:I2C 資料腳 |
||
| FB: 故障剎車輸入腳 |
||
| PWM1: PWM 輸出通道1 |
||
| 10 |
P1.5/PWM5/IC7/ |
P1.5: 埠1管腳5 |
| PWM5: PWM 輸出通道5 |
||
| IC7: 定時器輸入捕獲通道7 |
||
| SPI 從機選擇輸入腳 |
||
| 8 |
P1.6/ICPDA/OCDDA/ TXD_1/[SDA] |
P1.6: 埠1管腳6 |
| ICPDA: ICP 程式設計資料輸入輸出腳 |
||
| OCDAT: OCD模擬資料輸入輸出腳 |
||
| TXD_1: 串列埠1資料傳送腳 |
||
| [SDA]:I2C 資料腳 |
||
| 6 |
P1.7/ |
P1.7: 埠1管腳7 |
| 1.外部中斷1輸入 |
||
| AIN0: ADC 輸入通道0 |
||
| 4 |
P2.0/nst |
P2.0: 埠2管腳0， RPD (CONFIG0.2) 配置為0 時可用 |
| Net 復位腳為施密特觸發輸入，用以外部復位訊號復位晶片。 |
||
| 5 |
P3.0/OSCIN/AIN1 |
P3.0: 埠3管腳0，使用內部晶振時可用 |
| 外部中斷0輸入 |
||
| XIN: 使用 ECLK 模式，XIN 為外部時鐘輸入腳。 |
||
| AIN1: ADC 輸入通道1 |
||
/AIN0 
第三章、系統的硬體設計
(一)智慧窗戶模型設計的原理
圖3智慧窗戶模型設計系統框圖
(二)窗戶模型設計
由圖2-1可知，本系統由兩個微動開關，雨滴感測器，電機組成以及自己製作的N76E003核心板。
圖4窗戶模型設計
(三)減速電機
圖2-2的電機即是圖2-1中的電機，其主要功能是實現窗戶的向左移動以及向右移動（即窗戶的開與關）。
圖5 減速電機
(四)微動開關
本系統中微動開關主要作用是提供給微控制器窗戶是否已經到達窗戶邊沿。
圖6 微動開關
(五)穩壓電源系統
本系統穩壓電路由開關，濾波電容，3.3V穩壓管，指示燈等組成，給微控制器電路提供電源。
圖7 穩壓電源系統電路圖
(六)電機驅動電路
此電路將光電耦合器和H橋相結合，保證了微控制器不會由於電機所使用的12V電源產生損壞。
圖8 電機驅動電路圖
(七)雨滴感測器
雨滴感測器是本系統重要的感測器，主要實現對是否下雨進行反饋，當然這個要裝到窗外易被雨淋到地方。感測器給N76E003反饋高低電平， 高電平即是下雨。至於將雨滴感測器去除他的比較器部分，直接接入N76E003，由N76E003的AD部分界定是否下雨，其實也是可行的。但測試時一直沒有調出AD部分，所以放棄。
(八)總體硬體設計
表3-1元器件清單
| 元器件 |
數量 |
標號 |
|||
| 100uF/6.3V |
CD A(3216) |
2 |
E1, E2 |
貼片鉭電容 |
|
| 104 |
C 0805 |
6 |
C1, C2, C3, C4, C5, C6 |
無極性貼片電容 |
|
| 1K |
R 0805 |
3 |
R2, R6, R7 |
貼片電阻 |
|
| 1K |
RS 1/4W |
4 |
R1, R3, R4, R5 |
貼片電阻 |
|
| 1N4148 |
MINI_MELF (LL34) |
4 |
VD1, VD2, VD3, VD4 |
高速開關二極體 |
|
| 44H11 |
TO252 |
2 |
Q1, Q2 |
互補功率-NPN型 |
|
| 45H11 |
TO252 |
2 |
Q3, Q4 |
互補功率-PNP型 |
|
| 6x6x5 |
TSW DIP-6*6*6 |
2 |
SW1, SW2 |
直插6x6輕觸開關 |
|
| 78L05 |
78XX |
1 |
U2 |
3-Terminal Positive Voltage Regulator |
|
| 817 |
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