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基于单片机的智能窗帘系统
JINGCHUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
本科毕业设计（论文）
基于单片机的智能窗帘系统
学院
电子信息工程学院
专业
电气工程及其自动化
年级班别
2010级一班
学号
2010401020102
学生姓名
张祥
指导教师
邹云峰
2014年6月12日
基于单片机的智能窗帘系统
摘要
设计可以实现对窗帘的手动、定时、自动控制，经过改进可以用于窗帘的无人化控制。
本文用AT89C51单片机与光敏电阻实现了对窗帘的监测，并对数据用LCD1602液晶进行显示，用直流电机执行输出。
论文主要研究了：
在硬件方面利用AT89C51单片机技术参数的检测以及他的相关电路；无线红外遥控电路的原理和信号传输；用于显示温度的液晶显示模块；用于定时时间设定的按键输入模块；用于执行的电机模块。
在软件方面主要是研究定时器和液晶显示电路。
并且对电路进行了模拟仿真制作。
本文的特色在于可设定窗帘的无人化操作，对不同环境要求的用户提供了很好的解决方案。
关键词：
单片机;红外;光敏电阻;LCD1602;直流电机
BasedonSingleChipMicrocomputerIntelligentCurtainSystem
Abstract
Designcanbeimplementedtothemanualofthecurtain,timing,automaticcontrol,improvedcanbeusedfortheunmannedcontrolofthecurtain.ThispaperuseAT89C51andphotosensitiveresistanceforthemonitoringofthecurtainisachieved,andthedatausingLCD1602LCDdisplay,executeindcmotoroutput.
Thesismainlystudiedthe:
intheaspectofhardwareusingAT89C51microcontrollertechnologyparameterdetectionandhisrelatedcircuit;Theprincipleofwirelessinfraredremotecontrolcircuitandsignaltransmission;Usedtodisplaythetemperatureofliquidcrystaldisplaymodule;Usedfortimingtimesettingkeyinputmodule;Usedtoperformthemotormodule.Intheaspectofsoftwareismainlyresearchthetimerandliquidcrystaldisplaycircuit.Andonthecircuitsimulation.
Ofthisarticlefeaturestheunmannedoperationofthecurtain,canbesettodifferentenvironmentalrequirementsoftheuserprovidesagoodsolution.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer;Infrared;Photosensitiveresistance;LCD1602;Dcmotor
1绪论
1.1本课题研究的意义
基于对传统窗帘的操作方式不满足。
设计了单片机控制的自动窗帘遥控系统，既能解决每天手拉开和关上窗帘的不便，又显示出了生活的档次，同时还可以根据光线的明暗来自动控制窗帘的开关，以调节室内的光线，更进一步地满足了人们的要求。
除了市民住宅外，还可以广泛应用于别墅、宾馆、饭店等各种场所，本设计采用遥控、光控方式实现智能化的窗帘系统，正符合现今智能家居的方向，具有广阔的市场前景。
1.2国内外研究现状及存在的问题
帘机的控制方式大体上有：
声控、光控、时控。
声控和遥控属于半自动类；光控属全自动式，但存在很多问题，因光敏器件的灵敏度，冬夏等不同季节的光照度的不同，人们对起闭窗帘在时间上的要求不同。
时控式的全自动窗帘也是业余电子设计人员的热门课题。
自动窗帘有些不能实现完全的自动化；有些虽然实现了完全的自动化，但结构复杂，性能不够稳定；有些虽然实现了完全的自动化，且性能还可以，但价格昂贵不适合普通消费者使用。
1.3本课题研究的内容和目标
采用AT89C51单片机的最小系统设计，控制一个可逆、直流电动机控制窗帘的拉开和关闭。
给出了硬件设计方案，以流程图方式对系统的软件设计进行了较为详细的介绍。
该系统的部分主要由键盘扫描电路、遥控、光敏电阻、单片机（AT89C51）、电动机驱动控制电路等组成；窗帘控制部分主要由导轨、窗帘、拉绳和电动机等组成。
单片机根据接收到的信号不同来控制电动机的正转、反转或停止，从而实现窗帘的打开、关闭或停止。
1.4本课题拟解决的关键问题
1）光耦电阻的信号传输问题；
2）人机交互问题（包括键盘、遥控和显示）；
3）直流电机的控制原理问题；
2总体设计方案
2.1系统简介
智能窗帘系统以调节窗帘开关为目的，其输入参数主要是光敏电阻阻值，定时时间，按键命令。
输出信号主要是时间显示、电机执行动作。
不同模式下工作时将控制信号传给单片机，当手动模式时：
通过按键或红外控制系统。
当定时模式时：
通过设定单片机内部时间来控制系统。
当外出模式时：
通过光敏电阻可以实现系统全自动化控制。
从而满足不同环境下窗帘系统的全自动化、半自动化控制。
2.2系统功能方框图
图2.2.1系统功能原理图
2.3各模块功能的介绍
（1）光线强度传输：
实时反馈光线强度给中央处理器。
（2）人机交互：
2.1）远程控制：
远程设置模式和定时时间。
2.2）按键控制：
按键设置模式和定时时间。
2.3）显示输出：
显示系统时间和模式。
（3）中央控制：
负责系统的集中控制。
（4）电机驱动：
控制驱动芯片，从而控制直流电机。
2.4硬件方案的选择
2.4.1CPU方案的选择
按MCU内核可分为：
MSP430、ARM、AT89C51等等。
MSP430单片机功耗低，速度快，内置硬件乘法器，乘除法运算都为单周期指令，片内集成资源丰富，但是学习起来比较复杂[1]。
ARM单片机控制能力强，速度快，价格比较适中，但比51要贵些，可以加操作系统，但是对ARM接触较少，应用起来较为困难。
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。
AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[2]。
本设计选择AT89C51单片机作为主控部分。
2.4.2电源模块方案的选择
电源供电部分可采取三端稳压电路进行电源转换、多节干电池串联供电。
电源转换用市电220V，50Hz电源转换供电，三端稳压电路使用LM7805构成的桥式稳压整流电路。
结构简单、输出电压稳定性强。
但为了解决散热问题，安装散热器，增大整个电源设备的体积、重量和成本[5]。
多节干电池串联方案。
单片机机芯片的工作电压是3.3-5V，干电池一般都是每节1.5V，需要三节干电池串联进行供电，成本低，便捷简单，但需要定期更换电池。
由于本设计使用需220v供电，综合考虑最终选电源转换作为电源供电部分。
2.4.3按键输入方案选择
微机键盘主要有两种：
一种是全编码键盘，另一种是非编码键盘。
全编码键盘，键码全由硬件提供，但硬件结构复杂，成本高。
典型的编码矩阵式键盘接口设计。
将I/O口线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线和列线的交叉点上，构成矩阵式键盘。
矩阵式键盘中按键的数量可达行线数n乘以列线数m，如4行、4列的矩阵键盘的按键数可以达到4×4=16个。
此类键盘可节省I／O口。
非编码键盘，键盘多采用矩阵方式，利用软件识别键码及完成各种键功能处理。
实现起来简单，典型的独立式按键是各按键相互独立的接通一条输入数据线，每个键的工作不会影响其它的I/0口。
但占用I/O口多[10]。
考虑简化结构，降低成本，本系统中多采用非编码的独立式按键。
2.4.4红外遥控方案的选择
市场上红外芯片种类繁琐，BC7210、TC9012、HT6122等等
BC7210比高公司拥有版权的红外遥控解码专用芯片。
BC7210可以完成目前国内市场上最常用的飞利浦RC5和NEC两种红外编码信号的解码。
BC7210的输出可以设置为并行输出或者串行输出，串行输出方式兼容SPI和UART两种接口，可以轻松完成与各种MCU、PC机的接口。
可以取代SAA3049等芯片。
TC9012是一块用于东芝系列红外遥控系统中的专用发射集成电路，采用CMOS工艺制造。
它可外接32个按键，提供8种用户编码，另外还具有3种双重按键功能。
TC9012的管脚设置和外围应用线路都进行了高度优化，以配合PCB的布图和低成本的要求
HT6122芯片是通用红外遥控发射集成电路,采用CMOS工艺制造,最多可外接64个按键,并有三组双重按键。
封装形式为SOP-24和SOP-20。
考虑应用方便，本设计用此方案。
2.4.5时钟方案的选择
常用的时钟芯片有：
DS12C887、DS1302、51单片机内部定时等等。
DS12C887能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，DS12C887中自带有锂电池，对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。
带有128字节RAM。
数据/地址总线复用性能优异，但价格相对较贵[12]。
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，工作电压为2.5V～5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
51单片机自带内部定时器，使用方便，价格低廉，但不能断电保存。
由于本设计考虑成本问题，且不会断电，故选用51单片机自带内部定时器。
2.4.6显示模块方案的选择
一般的显示有LED8位数码管显示、LCD1602、lcd12864等等
LED8位数码管显示，显示分为动态显示和静态显示，虽然价格比较便宜，但是其外部电路比较复杂。
LCD液晶显示器在单片机中应用一般有LCD1602液晶显示和LCD12864液晶显示。
LCD1602液晶显示没有中文字库，而且显示的内容也较少。
LCD12864液晶显示分为两种，带字库的和不带字库的，不带字库的液晶显示汉字的时候可以选择自己喜欢的字体。
而带字库的液晶，只能显示GB2312字体，当然也可以显示其他的字体，不过是用图片的形式显示[6]。
考虑本设计显示内容不需要汉字，故选用LCD1602液晶显示作为显示部分。
2.4.7驱动芯片方案的选择
常用的驱动芯片有：
L298N、SA60等。
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚封装。
主要特点是：
工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。
具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
SA60的是一个PWM型功率输出芯片,电路提供给电机的电源电压最大可达到80V,能连续向负载提供10A的电流。
最大模拟输入电压5V,PWM载波频率可以到250kHz,而效率可以高达97%,该芯片还可以外接一个可兼容的TTL型的PWM的信号来同步四象限模式的幅值和方向。
SA60主要应用在驱动中小型直流电机,D类功率放大,轴承激励等场合。
综合考虑，本设计采用L298N作为直流电机的驱动芯片。
3主要元器件介绍
3.1AT89C51单片机介绍
AT89C51的主要特点：
与MCS-51兼容、4K字节可编程闪烁存储器、1000写/擦循环数据保留时间、三级程序存储器锁定、128×8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。
（a）（b）
图3.1.1单片机芯片实物引脚图
管脚说明：
VCC：
供电电压、GND：
接地。
P0,P1,P2,P3：
输入/输出端口。
P3.0/RXD：
串行输入口、P3.1/TXD：
串行输出口、P3.2/INT0：
外部中断0、P3.3/INT1：
外部中断1、P3.4/T0：
计时器0外部输入、P3.5T1：
计时器1外部输入、P3.6/WR：
外部数据存储器写选通、P3.7/RD：
外部数据存储器读选通、P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入、XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
3.2HT6221遥控器芯片介绍
引脚说明表如表3.2.1所示。
表3.2.1引脚说明
代码的特征
1）HT6221键码的形成
当一个键按下超过36ms振荡器使芯片激活如果这个键按下且延迟大约108ms,108ms发射代码由一个起始码9ms,一个结果码4.5ms,低8位地址码9ms~18ms,高8位地址码9ms~18ms,8位数据码9ms~18ms和这8位数据的反码9ms~18ms组成如果键按下超过108ms仍未松开接下来发射的代码连发代码将仅由起始码9ms和结束码2.5ms组成，红外高低位定义如图3.2.1所示。
2）代码格式以接收代码为准接收代码与发射代码反向,代码格式图如图3.2.2所示。
图3.2.1红外高低位定义
（a）单发代码格式（b）连发代码格式
图3.2.2代码格式
解码方法及软件说明
解码的关键是如何识别0和1从位的定义我们可以发现01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读到的已是下一位的高电平因此取1.12ms+0.56ms/2=0.84ms最为可靠一般取0.84ms左右均可。
根据码的格式应该等待9ms的起始码和4.5ms的结果码完成后才能读码
3.3光敏电阻介绍
常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器。
光敏电阻的实验图如图3.3.1所示。
图3.3.1光敏电阻的实验图
光敏电阻的主要参数是：
（1）光电流、亮电阻。
光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。
（2）暗电流、暗电阻。
光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。
外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。
（3）灵敏度。
灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。
（4）光谱响应。
光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。
若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。
（5）光照特性。
光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。
从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。
若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。
在大多数情况下，该特性为非线性。
（6）伏安特性曲线。
伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。
（7）温度系数。
光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。
3.4LCD1602液晶显示介绍
工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
（16列2行）。
1602液晶也叫1602字符型液晶，是专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。
3.3V或5V工作电压，对比度可调，内含复位电路，提供各种控制命令,如：
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，有80字节显示数据存储器DDRAM，内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM，8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。
引脚说明如表3.4.1所示。
表3.4.1引脚说明
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，
写操作时，下降沿使能。
读操作时，E高电平有效
7-14
DB0
双向数据总线
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
表3.4.2寄存器选择控制表
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器（清除屏等）
0
1
读busyflag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值
1
0
写入数据寄存器（显示各字型等）
1
1
从数据寄存器读取数据
LCD1602液晶显示实物图如图图3.4.1所示
（a）（b）
图3.4.1LCD1602液晶显示实物图
3.5L298N驱动芯片介绍
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚封装。
主要特点是：
工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。
具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。
性能参数：
尺寸80mmX45mm，工作电压直流5V，电机电压直流3V~46V，最大工作电流2.5A，额定功率25W。
特点：
具有信号指示、转速可调、抗干扰能力强、具有过电压和过电流保护、可单独控制两台直流电机、可单独控制一台步进电机、PWM脉宽平滑调速、可实现正反转。
LCD12864液晶显示实物引脚图如图3.5.1所示。
（b）（b）
图3.5.1L298N实物图
4硬件电路设计
4.1单片机最小系统
单片机芯片工作时，必需加一个最小系统。
最小系统中主要包括复位电路和时钟电路两大部分[6]。
图4.1.1最小系统图
1）复位电路
复位电路选用兼有上电复位与按键复位的电路。
工作原理：
在通电瞬间，在RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，保证RST引脚出现10ms以上稳定的高电平，从而使单片机复位。
电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。
在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。
在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。
所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。
2）时钟电路
时钟电路用于产生AT89C51单片机工作时所必需的时钟信号。
在MCS－51单片机片内有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，由该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。
根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式可分为内部时钟方式和外部时钟方式[3].
本设计使用内部方式，须在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路，晶振的频率取值在1.2MHz～12MHz之间。
4.2电源电路
本设计将220V的电网电压，经变压、整流后得到+5v直流电压。
7805三端稳压集成芯片：
电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列三端稳压器，7805三端稳压芯片引脚图如图4.2.1所示。
MC78M05CT将输出电压稳定在+5V上，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端[4]。
电源电路总设计图如图4.2.2所示。
（a）（b）
图4.2.17805三端稳压芯片引脚图
图4.2.2电源电路总
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