基于单片机的光控自动窗帘控制系统设计说明书1Word格式.docx
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2.2窗帘结构安装及电机选择6
2.2.1窗帘结构安装6
2.2.2步进电机选择6
2.3硬件总体方案7
2.3.1方案设计说明8
2.3.2方案选择说明8
3.1光电传感器信号采集模块设计10
3.3执行单元模块设计17
第4章系统软件设计23
4.1程序流程23
4.2程序设计24
5课程设计体会26
参考文献27
附录硬件电路图28
第1章绪论
1.1设计的背景和意义
21世纪是信息化的世纪，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。
利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。
在现代社会，对室设计而言，窗帘不仅具有遮光作用，更有美化功能，它不仅可以协调居室的色彩搭配，而且能够柔化空间造型的线条，营造温馨惬意的环境。
随着高新技术及电子器件的发展，光控、温控及遥控窗帘应运而生，给人们的生活带来了很多方便。
单片机控制的自动窗帘控制系统，既能解决每天手动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，以调节室的光线，更进一步地满足了人们的享受要求。
同时，遥控和定时的组合控制，可以让人们在需要的时段，方便、快捷使用。
自动控制窗帘系统的推广和应用具有重要的现实意义，它改变了人们的生活方式，单片机控制的自动窗帘控制系统具有丰富的智能化功能，为家庭用户营造一个高效、舒适、便利的居住环境，给人们日常生活带来了极方便。
自动控制窗帘系统又牵扯一大批产业，单片机控制的自动控制窗帘产品面向家庭用户，其应用市场是庞大的，发展前景也是广阔的，必将吸引大批各类企业介入，从而牵动一大批产业的发展。
1.2本设计的容
主要设计容：
窗帘结构设计、窗帘安装布局的设计、控制系统软件的设计和硬件的选择。
窗帘结构设计：
在现代的审美观念中，人们往往追求的整体美观，同时窗帘作为整体家居环境的一部分，它的结构和尺寸大小有一定的限制。
为了满足人们对美的追求，在设计过程中采用硬度高、质量轻的铝合金材料来制作窗帘的整体框架。
窗帘安装布局的设计：
窗帘光感模块依靠两个光感模块和三个限位开关来实现。
对于不同尺寸的窗帘，可根据实际情况改变限位开关的距离来实现控制。
控制系统软件的设计：
智能窗帘的智能化体现在其自身光控部分，当人们在室休息、工作的时候，由于外界光线强度的改变，可能给在室的人们造成不适，而光控刚好解决了这一缺陷。
只要事先设置好光感的强度，程序就可根据这个光线改变而实现窗帘的开合，从而改变室光线强度，给人们一个舒适、温馨的环境。
系统的定时部分可提供任何状态下12个小时的定时功能，在定时结束后，系统自动恢复到光感模式，同时用户也可在未到时间的情况下重新开启光感模式。
本系统还可提供温度时时检测，时刻提醒用户注意温度变化。
1.3存在的主要问题
1.3.1光感功能的实现
光感部分主要可分成光感检测和光感执行两部分。
光感检测依靠的是光敏电阻的使用。
光敏电阻可分成暗电流和亮电流两部分。
暗电流：
光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻，此时在给定电压下流过的电流。
亮电流：
光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流。
光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。
也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。
实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。
而本设计中在光感电路加入一个滑动电阻，用户可根据当地光线的实际情况来改变光感元件对光线的敏感程度，从而达到完美的控制目的。
光感执行部分主要包括一个直流电机和三个限位开关来实现。
当光敏电阻判断光线强度改变时，电机按相应方向转动。
以光线程度变强为例，电机向窗帘关合的方向运动，当绕绳碰到某一限位开关时，电机停止转动。
再进入另一光敏电阻的判断，如果还是超过设定的位置，电机继续以同方向转动，碰到行程开关停止。
1.3.2遥控功能的实现
遥控器使用方便，功能多。
目前已广泛应用在电视机、VCD、DVD、空调等各种家用电器中，且价格便宜，市场上非常容易买到。
如果能将遥控器上许多的按键解码出来，用作单片机系统的输入，则解决了常规矩阵键盘线路板过大、布线复杂、占用I／O口过多的弊病。
而且通过使用遥控器，操作时可实现人与设备的分离，从而更加方便使用。
红外线的是一种波长为950nm的光，超出人类的可视光谱围，因此是不可见的。
这也是我们用它来做遥控的原因之一，另一个原因就是红外线很容易人工生成，成本低廉。
虽然人眼不能直接看到红外线，但是通过摄像机或者数码相机，我们就能在图片里看到它们。
不幸的是我们周围有很多红外源。
太阳是最大的红外源，其它的比如灯泡，蜡烛，中央加热系统，甚至是我们的身体都是红外源。
事实上，只要是发热的物体，就会发射红外线。
所以我们必须采取一些措施来防止我们的控制信号受到干扰，采用调制可以使我们的控制信号免受干扰。
通过调制，我们把红外线以特殊的频率发射，然后红外接收设施以相同的频率来接收，从而避免干扰。
第2章总体方案设计
2.1主控制系统CPU
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。
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。
单片机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用。
彩电，冰箱，空调，录像机，VCD，遥控器，游戏机，电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地溶入我们每个人的生活之中。
单片机能大提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极提高了生产效率和产品质量。
当前国外单片机的发展现状良好，我们根据单片机技术的先进性和稳定性制订了如下几种方案：
方案一：
STC单片机
STC公司的单片机主要是基于8051核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快8~12倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强.其中，STC公司推出了了STC89系列单片机，增加了大量的新功能，提高了51的性能，是MCS51家族中的佼佼者。
STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。
它们在指令系统、硬件结构和片资源上与标准8052单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为pin-to-pin兼容。
STC89系列单片机高速（最高时钟频率90MHz），低功耗，在系统/在应用可编程（ISP，IAP）,不占用户资源。
方案二：
MOTOROLA单片机
MOTOROLA是世界上最大的单片机厂商。
品种全、选择余地大、新产品多是其特点，在8位机方面有68HC05和生级产品68HC08，68HC05有30多个系列，200多个品种，产量已超过20亿片。
8位增强型单片机68HC11也有30多个品种，年产量在1亿片以上。
生级产品有68HC12。
16位机68HC16也有十多个品种。
32位单片机的683XX系列也有几十个品种。
近年来，以PowerPC、Coldfire、M.CORE等为CPU，将DSP未为辅助模块集成的单片机也纷纷推出，目前仍是单片机的首选牌品。
MOTOROLA单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强，更适合用于工控领域及恶劣的环境。
MOTOROLA8位单片机过去的策略是以掩膜为主，最近推出OTP计划以适应单片机发展趋势，在32位机上，M.CORE在性能和功耗方面都胜过ARM7。
方案三：
Scenix单片机
Scenix单片机的I/O模块有新意。
I/O模块的集成与组合技术是单片机技术不可缺少的重要方面。
除传统的I/O功能模块如并行I/O、URT、SPI、I2C、A/D、PWM、PLL、DTMF等，新的I/O模块不断出现，如USB，CAN、J1850，最具代表性的是MOTOROLA32位单片机，它集成了包括各种通信协议在的I/O模块，而Scenix单片机在I/O模块的处理上引入虚拟I/O的新概念。
Scenix采用了RISC结构的CPU，使CPU最高工作频率达50MHz。
运算速度接近50MIPS。
有了强有力的CPU，各种I/O功能便可以用软件的办法模拟。
单片机的封装采用20/28引脚。
公司提供各种I/O的库函数，用于实现各种I/O模块的功能。
这些用软件完成的模块包括多路UART、多种A/D、PWM、SPI、DTMF、FSK、LCD驱动等，这些都是通常用硬件实现起来也相当复杂的模块。
综合比较三个方案，方案一工具好用，DEMO易搞，成本偏低，所以此次选用的是AT89C52单片机。
这是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C52产品指令和引脚完全兼容。
同时具有8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
图2.189C52图
2.2窗帘结构安装及电机选择
2.2.1窗帘结构安装
家居窗帘不仅要美观，而且得低噪音，高稳定性。
因此采用在滑线上缚有一或二只永磁体，与之相对应有一或二只吊环是磁性材料制成，滑线上缚有永磁体，在封闭的帘杆腔运行，而吊环全部套在帘杆外周或嵌进下部开的缝，永磁体用磁力透过帘杆牵引吊环，这种新型电动窗帘滑线不外露，不会蒙尘和缠绕，可以电动手拉兼容。
图2.2窗帘结构示意图
2.2.2步进电机选择
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。
通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；
同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
目前，比较常用的步进电动机包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。
步进电动机和普通电动机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，因此，步进电动机多和现代的数字控制技术相结合。
但步进电动机在控制精度、速度变化围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电动机；
所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。
步进电机主要应用在数控机床制造领域，由于其不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。
型
号
峰值堵转
最大空载转数（r/min）
转矩（N.m）
电流（A）
电压（V）
功率（W）
GW31ZY-63
7.5
1.5
12
18
63
表2.3直流电机参数
本设计采用的是12V的来直流电机驱动，计算转数与扭矩如下：
按上表参数计算电机在9V下的扭矩，
N=最大空载转数×
（运行电压÷
峰值电压）=63×
（9÷
12）=47.25r/min
M=峰值堵转扭矩×
峰值电压）=7.5×
12）=5.625N.m
在9V的状态下，电机产生5.625的扭矩足以带动绕绳的转动。
2.3硬件总体方案
硬件设计的好坏决定整个方案的成功与否，所以在硬件设计时，在实现功能的情况下电路设计越简单越好，这样才能保证这个系统的稳定运行。
本文采用单片机AT89C52作为系统的核心控制器件，通过光电传感器采集数据（数字信号），经单片机根据接收到的信号来控制步进电机的转动方向及步数，并根据光线变化自动调整窗帘的开度。
2.3.1方案设计说明
考虑到自动窗帘的成本和巨大的市场空间，本文提出一种方案，应用光控原理工作，光亮在一定程度窗帘自动打开，光线变暗窗帘自动关闭，实现光控电动自动窗帘的设计，成本低，环保且方便使用。
实现框图如图2.4所示：
图2.4本设计实现的方框图
该系统具有抗干扰能力强、结构简单、性能稳定,成本低廉,利于推广等特点,能够满足智能家居需求,具有良好的市场应用前景.
2.3.2方案选择说明
论文设计的核心控制器选用的是AT89C52单片机，光线采集选用光电传感器ULN3330。
它输出单片机能读入数字信号，然后由L293D驱动芯片驱动步进电机转动，调节其转动角度。
电机选用比较容易进行角度调节的步进电机，单片机与步进电机之间的连接采用L293D驱动器，它是一种两相和四相步进电机专用驱动芯片。
2.3.3硬件方案选择说明
硬件电路绘图平台为PROTEL软件，所用元器件在其上绘出，例如AT89C52微控制器、电机驱动芯片L293D、42BYG系列步进电机、电阻、电容、按键、肖特基二极管、转换开关等。
逻辑框图如图2.5所示。
图2.5系统硬件电路设计
光检测模块
选用集成光电传感器ULN3330，当器件顶部受到大于50Lx[4]的光照时就输出高电平，负载上没有电流；
当光照不足45Lx时，器件就输出低电平，负载上有电流通过。
单片机模块
选用MCS-51单片机系列，AT89C52单片机。
步进电机的驱动模块
选用步进电机专用驱动芯片L293D,采用L293D，通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正、反转、停止的操作。
步进电机选用
步进电机的步距角选用1.8度/步（四相电机）。
2.4软件方案设计说明（主控程序流程图）
软件开发平台为Keil软件，用C语言编写具体的程序代码。
主控程序流程图如图2.6所示。
图2.6主控程序流程图
第3章硬件电路设计
3.1光电传感器信号采集模块设计
3.1.1光电传感器ULN3330介绍
光电传感器按输出信号有开关型和模拟型，开关型用于转速测量、模拟开关、位置开关等；
模拟型用于光电式位移计、光电比色计等。
光电检测必须具备光源、被测物和光电元件。
ULN3330是美国摩托罗拉公司生产的集成光电传感器。
它是一种新颖的光电开关，将光敏二极管、低电平放大器、电平探测器、输出功率驱动器和稳压电路等五部分都集成在了一块1×
1.8（mm×
mm）的硅片上，形成一种具有驱动能力的光敏功率器件。
该器件可用于众多使用光敏器件的场合，使光敏器件的应用变得更简单、可靠。
光敏二极管的光敏区域约为1.1×
1.1（mm×
mm），峰值波长为880nm。
当ULN3330受到光照时，会产生微安数量级的光电流。
低电平放大器是一种低噪声小电流放大器，能对微安级的光电流进行放大、电平位移，最后输出可供电平探测器进行鉴别的电平。
电平探测器是由施密特电路构成的，它具有约20％的“滞后”特性。
输出功率驱动器是NPN中功率晶体管，最大可通过100mA的电流，可以直接驱动各种负载。
稳压电路可确保当电压在4～15V围变化时电路也能稳定地工作。
ULN3330接上电源与负载后，不需要其他元件就能工作。
当器件顶部受到大于50Lx的光照时，就输出高电平，负载上没有电流；
3.1.2传感器信号采集模块设计
由于光电传感器ULN3330直接输出数字信号，因而与单片机连接电路之间无需模数转换电路。
ULN3330控制电路基本思路:
光照强度
OUTPUT输出端
窗帘开合状态
E>
50LX
高电平1
打开
E<
45LX
低电平0
关上
表3.1光照强度与窗帘状态关系
下面两图即为光电传感器ULN3330模块电路连接图：
图3.2：
光电传感器的输出端
OUTPUT接单片机的P3.0口，输出端的高低电平就送到单片机的口，电源端接+12V的直流电压，VSS端接地。
当外界逐渐变亮，光电传感器件顶部受到大于50Lx的光照时，就输出高电平，经单片机后由驱动电路L293D驱动步进电机正转，窗帘打开，当光电传感器件顶部光照不足45Lx时，光电传感器件就输出低电平。
经单片机后由驱动电路L293D驱动步进电机反转，窗帘闭合。
图3.3：
用开关模拟光电传感器，开关一端接单片机的P3.0口，另一端为接地端，单片机上电后其端口为高电平，因而当开关断开时，P3.0口即为高电平，窗帘打开。
当开关闭合时，开关接地，P3.0口为低电平，窗帘闭合。
下图即为光电传感器ULN3330的电路连接图：
图3.2ULN3330与单片机的连线图
图3.3PROTUES中连线图
说明：
要用PROTUES软件仿真，因其中器件库中没有光敏这块，用开关替代，左图为光电传感器在单片机上的连接图，右图为用开关代替光电传感器在与单片机的连接图。
3.2单片机信号处理模块设计
3.2.1MCS-51单片机的结构
单片机全称单片微型计算机，顾名思义，它指的是一种单硅片上集成的微型计算机主要功能部件的集成芯片。
单片机的出现要归功与大规模集成电路技术的发展，就组织和功能而言，它如一个微型计算机系统，部集成了中央处理器，随机数据存储器、只读程序存储器、定时器/计数器、输入输出（I/O）接口电路和串行通信接口等主要功能部件。
这里的51单片机指的是Intel公司的MCS-51系列单片机，属于这一系列的单片机芯片有许多种，如8051/8052、8031/8032、8752/8751等，他们的基本组成、基本性能、指令系统都是相同的。
（1）MCS-51单片机的部结构
单片机是在一块芯片中继承了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多功能I/O接口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称MCU。
51系列单片机包含下列几个部件：
·
1个8为CPU。
1个片振荡器及时钟电路。
4KBROM程序存储器。
128BRAM数据存储器。
可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路。
32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O接口）。
2个16位的定时/计数器。
1个可编程全双工串行接口。
5个中断源、2个优先级嵌套中断结构。
51系列单片机部结构图如图3.3所示，各个功能部件由部总线连接在一起。
程序存储器部分用ROM代替即为8051/8052；
用EPROM代替即为8751/8752；
若去掉ROM即为8031/8032；
用FLASHEPROM代替即为89C51/89S52。
基准频率源脉冲技术输入
外部中断控制并行I/O接口串行输入串行输出
图3.4MCS-51单片机部结构框图
（2）引脚功能
有总线扩展的51单片机有44个引脚的方形封装形式和40个引脚的双列直插式封装形式，本文用40个引脚的双列直插式封装形式，40个引脚封装的引脚图如图3.4，各引脚的功能说明如下。
哥GND2
XTAL1,XTAL22
RESET1
EA/Vp1
ALE/PROG1
PSEN1
P0.0—P0.78
P1.0—P1.78
P2.0—P2.78
P3.0—P3.78
图3.5AT89C52单片机引脚图
GND：
接地端。
VCC：
电源端，接+5V。
XTAL1：
接外部晶体的一个引脚。
CHMOS单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由此引脚接入。
XTAL2：
HMOS单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由此引脚接入。
RST：
①复位信号输入。
②VCC掉电后，此引脚可接备用电源，低功耗条件下保持部RAM中的数据。
ALE/RPOG：
①地址锁存允许。
当单片机访问外部存储器时，该引脚的输出信号ALE用于锁存P0端口的低8位地址。
ALE输出的频率为时钟振荡频率的1/6。
②对8751单片机片EPROM编程时，编程脉冲由该引脚接入。
PSEN：
程序存储器允许。
输出读外部程序存储器的选通信号。
取指令操作期间，PSEN的频率为振荡频率的1/6；
但若此期间有访问外部数据存储器的操作时，则有一个机器周期中的PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
①EA=0，单片机只访问外部程序存储器。
对8031单片机此引脚必须接地。
EA=1，单片机访问部程序存储器。
对于部有程序存储器的8XX51单片机，此引脚应接高电平，但若地址值超过4KB围，单片机将自动访问外部程序存储器。
②在8751单片机EPROM编程期间，此引脚接入21V编程电源VPP。
P0.0～P0.7:
P0数据/低八位地址复用总线端口。
具有双重功能：
①可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。
②在有外接存储器和I/O接口时常作为低8位地址/数据总线，即低8位地址与数据线分时使用P0口。
此低8位地址由ALE信号的下跳沿使它锁存到外部地址锁存器中，尔后，P0口出现数据信息。
P1.0～P1.7：
P1静态通用端口。
具有单一接口功能，P1口每一位都能作为可编程的输入或输出口线。
P2.0～P2.7：
P2高八位地址总线动态端口。
①作为输入/输出口使用，外接输入/输出设备。
②在有外接存储器和I/O接口时，作为系统的地址总线，输出高8位地址，与P0口低8位地址一起组成16位地址总线。
对于部无程序存储器的单片机来说，P2口只作为地址总线使用，而不作为I/O接口。
P3.0～P3.7：
P3双功能静态端口，①可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。
②作为第二功能使用时，每一位功能定义如表3.6所示
单片机端口
外围电路
P0.0-P0.7,P2.0-P2.2
屏幕显示模块
P2.5-P2.7
电机驱动模块
P2.3-P2.4
光感模块
P1.0-P1.2，P1.3-P1.5
3×
3矩阵按键模块
P1.6-P1.7，P3.0
定位开关模块
P3.2
红外线
P3.3
温度模块
P3.7
蜂鸣器
表3.6P3口第二功能说明
（3）单片机本身的微
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