基于单片机控制的智能窗帘系统设计.docx

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基于单片机控制的智能窗帘系统设计

基于单片机控制的智能窗帘设计

摘要

本文首先介绍了智能家居的基本知识及其应用前景，进而阐明了开发作为智能家居中一个很重要部分——红外线遥控自动窗帘的意义。

随后着重介绍了开发单片机控制的红外线遥控窗帘系统所用到的集成芯片STC89C52、DS1302芯片、红外线发射接收器等硬件的结构原理。

本文采用分块的模式，对整个系统的硬件电路设计进行分析，分别给出了系统总体框图、电源电路、时钟DS1302电路、鸣响电路、红外线接收电路、电机控制电路、显示电路，并对相应电路设计进行了相关的阐述。

随后讲述了软件的编写思路，也是采用分块的模式，分别写出了红外线解码程序、时钟芯片DS1302控制程序、LCD液晶显示程序、遥控控制程序的编写思路，每一模块都画出了其方框图，看起来一目了然。

随着人们生活节奏的加快，窗帘的自动化随之产生。

本产品是在学习机械原理及设计和电工学等知识，通过实践，观察，思考的基础上设计而成的，且人性化的思想理念也体现了科学技术在人们生活中的作用。

通过几个月的努力，使我们深刻感受到了电学，力学，加工工艺，理论知识与实践相结合在机械设计中的重要性。

加强和拓展这些方面的知识对机械学子们是很有必要的。

本设计将以单片机为核心设计了系统结构图、程序指令、系统控制流程图等，在保留了原始智能窗帘的基本功能的同时又增加了一系列的实用功能并简化其电路结构，其将以控制方便，灵活，只要改变输入单片机的控制程序，便可改变智能窗帘的颜色，开合，从而使得人们的家居生活不断完美。

关键词单片机控制系统可靠性系统

TheintelligentdesignbasedonMCU

Abstract

Pneumaticmanipulatorisaautomateddevicesthatcanmimicthehumanhandandarmmovementstodosomething，aslocanaccordingtoafixedproceduretomovingobjectsorcontroltools.Itcanreplacetheheavylaborinordertoachievetheproductionmechanizationandautomation,andcanworkinSTC89C52、DS1302environmentstoprotectthepersonalDS1302safety,Thereforewidelyusedinmachinebuilding,metallurgy,electronics,lightindustryandatomicenergysectors.

Thisarticleismainlyofthepneumaticmanipulatortheoveralldesign,andpneumaticdesign.Thismechanismofmanipulatorincludescylindersandclawsandconnectorsparts,itcanmoveaccordingtotheduetrackonthemovementofgrabbing,carryingandunloading.Thepneumaticpartofthedesignisprimarilytochoosetherightvalvesanddesignareasonablepneumaticcontrolloop,bycontrollingandregulatingpressure,flowanddirectionofthecompressedairtomakeitgetthenecessarystrength,speedandchangedthedirectionofmovementintheprescribedprocedurework.Itcanreplacetheheavylaborinordertoachievetheproductionmechanizationandautomation,andcanworkindangerousworkingenvironmentstoprotectthepersonalsafety,Thereforewidelyusedinmachinebuilding,metallurgy,electronics,lightindustryandatomic.Theprinciple,technicalpare-maters,transmitingsystemandmainpartsstructureofmincingma-chinewereintroduced.Theproductingcapacitywasanalysed.KeywordsMincingmachineHoldsplate.

KeywordsSinglechipmicrocomputerForgingmachineloadingmanipulatorcobit

1绪论1

1.1课题的研究背景和历史意义1

1.2智能窗帘的发展现状及应用2

2智能窗帘总体结构的设计6

2.1智能窗帘控制系统的控制原理10

2.2机械传动部分的设计计算11

2.2.1智能窗帘结构系统中直流电机的选型计算12

2.2.2联轴器的选型计算13

2.2.3转轴的设计计算14

2.3光电传感器的选型计算14

3控制系统的设计15

3.1单片机的作用和功能15

3.2单片机的应用场合15

4.4时钟电路17

4.5数据存储电路18

4.6电机执行电路18

5系统软件的设计18

5.1红外解码19

5.2LCD系列显示程序19

5.3控制程序结论致谢20

参考文献21

结论22

致谢23

1绪论

1.1课题的研究背景和历史意义

人类社会的不断发展推动着机械工业的发展和创新，不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。

机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。

现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。

现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。

新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。

这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。

人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。

手的实践反过来又促进人脑的智慧。

在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。

产品的智能化与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。

过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了这个限制。

计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。

智能窗帘是带有一定自我反应、调节、控制功能的窗帘。

如根据室内环境状况自动调光线强度。

使得达到室内人体适应的光线亮度而不至于对人眼睛的伤害为了解决这些生活中碰到的实际问题，智能窗帘设计便应运而生。

1.2智能窗帘的发展现状及应用

目前，国外已大量应用机器人技术，机器人自动化生产线成套装备已成为自动化成套装备的主流以及未来自动化生产线的发展方向。

随着国民经济的发展和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发张，生活现代化得以实现，居住环境向舒适化、安全化发展。

家居智能化在这种形势下应运而生。

本次设计是基于单片机控制技术的随光线强弱来自动控制型智能窗帘。

每个人对坏境室内光线强弱适应能力不

同，室内主人可根据自己的需求自行调节所适应的最佳光线强度，连接电源并选择控制类型（自动控制/手动控制）。

选择自动控制时，智能窗帘由室内光线强度的变化，而经由相关器件接收、处理、控制信号，达到自行调节窗帘的开合程度，从而使光线的强弱程度达到主人所预先设定的值范围。

选择手动控制时，由于室内主人在黑夜白天的特殊需求而自行来控制窗帘的开合（例如在晚上、睡觉等时候，根据主人的需要是要求把窗帘闭合，而不影响睡眠质量，但是根据预先设定和程序设定，智能型窗帘是会依设定值打开窗帘的，所以需要手动控制来关闭窗帘）。

2智能窗帘总体结构的设计

2.1智能窗帘控制系统的控制原理

智能窗帘控制系统是通过单片机控制系统控制直流电机，从而带动窗帘自动的上升和下降的系统，并且能够通过光电传感器感应到环境光度以及亮度的强弱，反馈信号给中控系统，然后中控系统控制系统就会根据光电传感器反馈的信号改变智能窗帘颜色的系统，其结构布局图如下：

2.2机械传动部分的设计计算

2.2.1智能窗帘结构系统中直流电机的选型计算

已知整个智能窗帘控制系统中窗帘与零件的重量，我们取总重量为10Kg，范围为50mm~200mm，窗帘上升、下降速度为1~2r/min。

即：

具体的电机设计计算如下:

N=

＝0.18（KW）

G－电机的负载

－传动效率，取0.75

所以根据N＝0.18kw，n＝1500r/min，查B1表10-4-1选用Y112M-4，再查B1表10-4-2得Y112M-4电机。

2.2.2联轴器的选型计算

根据公式

mm

输入轴的最小直径为安装联轴器的直径，为了使所选的轴直径

与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号

。

联轴器的计算转矩

，查《机械设计（第八版）》表14-1，由于转矩变化很小，故取

，则

=1.3X49.24=64012N.Mm

查《机械设计课程设计》表14-4，选Lx3型弹性柱销联轴器其工称转矩为1250N.m，而电动机轴的直径为25mm所以联轴器的孔径不能太小。

取

=25mm，半联轴器长度L=82mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度为60mm。

轴向滚动丝杠副丝杠轴，选HL1型弹性柱销联轴器，其公称转矩为1250000

，半联轴器的孔径25mm，半联轴器长度42mm。

2.2.3转轴的设计计算

轴是组成精密机械的重要零件之一。

一切作为回转运动的零件，都必须在轴上才能传递运动和动力。

在本课题所使用的轴，承受的负荷比较小，尺寸也比较小，制造精度高，要求材料具有足够高的机械强度和良好的加工性能。

因此，选用材料45#，传动轴最大外圆直径30，热处理为对轴进行调质处理。

此转轴大致图形如下：

2.3光电传感器的选型计算

本测量系统采用的是光穿透型光电传感器，这里我们采用的是基恩士的LS-7000系列：

1）LS-7000系列产品特性

LS-7000系列产品是一款高速、高精度的数字测微计，无需接触目标物即可对其尺寸进行测量。

该系列用途广泛，可应用于联机测量和脱机测量。

每秒2400次的高速采样可以确保达到两倍于普通型号的采样速度。

这样就可以对挤压制品进行连续测量以及对运动工件进行联机测量。

重复精度为±0.15μm配备最新的光学系统，确保两倍于普通型号的重复精度，从而为高精度产品的制造提供了有力的支持。

连接两个测量头进行双渠道同步测量结合使用两个测量头可对两个目标物进行同步测量。

利用阈值更改功能对透明目标物进行稳定的检测DE处理器支持阈值更改功能，这样就可以对透明目标物进行稳定的检测。

2）测量原则

高亮度GaN绿色LED辐射光能够通过专用的散射模组和准直装置镜头变成均匀的平行光，并照射到测量范围内的目标物上。

然后目标物的影像即通过远心光学系统显示在HL-CCD（高速线性CCD）上。

HL-CCD（高速线性）的输出入射信号将由控制器中的DE（数字边缘检测）处理器和CPU进行处理。

因此，目标物的尺寸规格就可以被显示和输出。

3控制系统的设计

3.1单片机的作用和功能

随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。

在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS –51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。

这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。

80C51单片机已成为单片机发展的主流。

专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

STC89C51RC系列单片机是宏晶科技出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器和6时钟/机器可选，HD版本和90C版本内部集成MAX810专用复位电路。

89C52与89C51的区别在于51的程序空间为4K字节，而52程序空间为8K字节，其余性能与结构相同。

本论文以89C51RC系列来讲述。

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。

各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。

由于单片机体积小，使用方便的特点，被应用在智能仪器上，再结合其他的传感器之类的，可以实现对温度、湿度等精密量的测量，功能十分的强大。

同样由于单片机的体积小、环境适应能力强和使用方便等方面的优点，单片机也被普遍应用于工业控制上，比如多种多样的通讯系统以及机器人等方面。

此外，由于单片机的适应能力很强，所以在我们常用的手机、电脑等物品上应用十分广泛。

还有，医院的医疗设备如呼吸机等也有单片机的广泛应用。

还有就是汽车系统、物流系统、电力系统、通讯系统等都广泛应用单片机。

其中，单片机的结构图如下：

3.2单片机的应用场合

由于单片机有许多优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。

单片机应用的主要领域有：

1）智能化家用电器：

各种家用电器普遍采用单片机智能化控制代替传统的电子线路控制，升级换代，提高档次。

如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。

2）办公自动化设备：

现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。

如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。

3）商业营销设备：

在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。

4）工业自动化控制：

工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。

如各种测控系统、过程控制、机电一体化、单片机等。

在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。

5）智能化仪表：

采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。

如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。

6）智能化通信产品：

最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机。

7）汽车电子产品：

现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。

8）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：

单片机的应用更是不言而喻。

单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益。

更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。

以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。

以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。

这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。

随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善。

4硬件系统的设计

4.1电源部分

通过一带有整流电路的12V变压器外接市电（220V）后，输入直流12V电压。

左边两个是12伏的电源滤波电容，一般大电容旁边并联一个小电容的目的是降低高频内阻，因为大的电解电容一般采用卷绕工艺制造，所以等效电感较大，小电容可以提供一个小内阻的高频通道，降低电源全频带内阻。

同时经过3端集成稳压器LM7805稳压后输出+5V电压VCC,为讯响电路、红外接收电路、显示电路提供电源，5V电源经过二极管D5、限流电阻R1=5K后，为单片机及DS1302提供VDD电压，BATTERY是直流供电电源，电压为3V～3.6V,在本电路中为了节省成本，使用两节5号可充电电池，C6和C7是单片机电源滤波电容。

平时交流电正常的情况下，VDD电源为单片机及DS1302供电的同时，也为电池浮充电，大大延长了电池的使用寿命，当交流电停电的时候，电池为单片机及DS1302供电，单片机及DS1302在掉电状态下维持时钟的正常。

在控制器设置成手动控制时，单片机除执行任务外，均处于睡眠状态，遥控器信号的到来，单片机从睡眠中唤醒，恢复正常工作，所以手动状态下当交流停电时，电池的耗电电流更小。

4.2显示电路

显示电路设计采用的是液晶LCD1602来显示实时时间、调开窗帘时间、关窗帘时间等内容。

P0口作为数据口连接LCD1602的7～14口，来传输数据及令，由于P0口带负载能力差，故需接上拉电阻。

P2.5接LCD1602的4脚RS（数据/

命令选择端），P2.6接LCD1602的5脚R/W读写选择端），P2.7接LCD1602的

6脚E（使能信号）。

电位器W1用来调节LCD1602的亮度。

4.3红外接收电路

红外线接收电路使用一个集成红外接收器，型号是HS0038，静态时输出端输出高电平，当接收到红外信号后，按红外信号的数据波形输出负脉冲数据信号。

红外信号输出到单片机的P3.3 ，该口对应的第二功能是外部中断1（INT1），利用该口的第二功能，一旦红外线信号到来，P3.3被拉低，单片机中止当前的工作转移到接收、处理红外信号。

开启中断功能的目的，既减轻了单片机的工作负担，又保证接收到的红外信号的完整性，同时在手动工作状态下，单片机进入睡眠后，利用外部中断功能完成对单片机的唤醒。

 红外接收部分主要是对红外载波信号进行解调放大整形等由于市场上已经有集成解调放大整形输出的红外接收头所以我们只用考虑怎样能准确计算出红外编码脉冲时间就可以了通常我们在计算红外编码脉冲时间时一般把接收程序

放在中断程序中一旦有红外信号则马上进入中断程序中并启动定时器对红外信

号延时时间进行定时一旦计算判断出是起始位则准备进行指令码的定时计算如

果没有检测到起始位就不能检测指令码而是继续检测起始位的出现当指令码全

部接收完毕后可根据指令码的命令执行相应的动作。

在红外接收时要注意抗干扰因为遥控窗帘接收阳光照射的时间和强度都很大因此主机接收到的红外线干扰信号也很强所以一方面要加强主机接收头的避光措施另一方面要在红外接收软件中设置接收红外编码信号延时时间的上限和下限依次来达到最佳的抗干扰效果。

4.4时钟电路

本电路采用DS1302时钟芯片，DS1302主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。

采用普通的32768Hz晶振，两个电源Vcc1及Vcc2接电源VDD，这样如果没有交流电的供电也可以由可充电电池供电，起了掉电保护，防止数据丢失。

2脚X1（晶振引脚）及3脚X2（晶振引脚）接32786Hz的晶振，DS1302的7脚CLK（串行时钟输入引脚）与单片机的P1.5相连，6脚I/O（数据输入输出引脚）与单片机的P1.6相连，5脚RET（复位引脚）与单片机的P1.7相连。

4.5数据存储电路

本电路采用AT24C02芯片，AT24C02支持IC，总线数据传送协议IC，总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。

任何从总线接收数据的器件为接收器。

数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。

A0、A1、A2接地表示该器件的地址为00H，SCL接单片机的P1.0脚，SDA接单片机的P1.1脚。

4.6电机执行电路

电机执行部分完全受单片机的控制，通过单片机的P2.0和P2.1完成。

单片机复位状态下P2.0和P2.1输出高电平，三极管Q1、Q2，Q3、Q4截止，两个22 继电器K1、K2释放状态，方向可逆的电动机M因无电源供电而停止。

当P2.0或者P2.1其中有一个被拉低后，两个继电器便会有一个导通，例如P2.0拉低后Q1导通、Q2导通，K1吸合，电机M得电转动，当只有P2.1拉低后，电机M则反方向转动，实现了窗帘的拉开和关闭。

两个继电器的工作状态受单片机控制，在同一个时间内两个继电器仅能有一个吸合。

即便是在电机M工作期间，操作了反向转动按键，单片机也是先释放当前工作的继电器，并延时一段时间后再吸合另外一个继电器，防止了电机M正反工作线圈同时通电的冒险。

5系统软件的设计

5.1红外解码

这里采用的是6122型遥控器，载波波形使用455KHz晶体，经内部分频电路，信号被调制在37.91KHz，占空比为三分之一。

数据格式包括了引导码、用户码、数据码、数据反码，编码总共占32位。

数据反码是数据码相反的编码，编码时可用对于数据的纠错。

引导码由一个9ms的载波波形和4.5ms的关断时间构成，它作为随后发射的码的引导，这样当接收系统是由微处理器构成的时候，能更有效地处理码的接收与检测及其它各项控制之间的时序关系。

编码采用脉冲位置调制方式（PPM）。

每次8位的码被传送之后，它们的反码也被传送，减少了系统的误码率。

用户码或者数据码中的每一位可以是“1”，也可以是“0”。

区分“0”和“1”是利用脉冲的时间间隔来区分，这种编码方式称为脉冲位置调制方式，简称PPM。

解码的关键是如何识别“0”和“1”， 代码格式（以接收代码为准，接收代码与发射代码反向）。

从位的定义我们可以发现“0”、“1”均以0.56ms的低电平开始，不同的是高电平的宽度不同，“0”为0.56ms,“1”为1.68ms,所以必须根据高电平的宽度区别“0”和“1”。

如果从0.56ms低电平过后，开始延时，0.56ms以后，若读到的电平为低，说明该位为“0”，反之则为“1”，为了可靠起见，延时必须比0.56ms长些，但又不能超过1.12ms,否则如果该位为“0:

”。

红外解码流程图如下：

5.2LCD系列显示程序

写指令：

输入：

RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲 ；输出：

D0—D7=数据。

 写数据：

输入：

RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉