家居环境感光窗帘智能控制与调节系统.doc

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家居环境感光窗帘智能控制与调节系统

摘要

随着社会的不断进步，物联网已经成为国家五大新兴战略性产业之一，是当今科技发展的重要方向。

智能窗帘作为物联网智慧家居的一环，也得到了越来越多的关注和需求。

然而，现阶段的很多产品还存在不足，如：

不能多层复合控制，无智能操作界面，只能单一模式运行，参量出厂固定，采用简单的机械记忆，光控易受干扰等。

本文基于嵌入式ARM2410单片机，设计了一种感光窗帘智能控制与调节系统，该系统通过对光控的重新设计，对窗帘进行复合控制；通过多项可设参数和多种控制模式，来适应不同的环境需求；测试结果表明，该系统操作简便，控制精确可靠，可行性强。

关键字：

感光窗帘；智能控制；嵌入式ARM2410；步进电机

Abstract

Withtheprogressofsociety,theInternetofThingshasbecomeoneofthefiveemergingstrategicindustries.Itisanimportantdirectioninscienceandtechnologydevelopment.Smartcurtainsaspartofthe"smarthome"ontheInternetofThingsgetmoreandmoreattentionanddemand.However,atthisstage,manyproductshaveshortcomings,forexample:

wecannotmulti-layercompositecontrol,smartuserinterface,onlyasinglemode,factoryfixedparameters,usingasimplemechanicalmemory,susceptibletointerferencelightcontrol,andmanyothershortcomings.AnewsmartcurtainsystemisdesignedbasedontheembeddedARM2410designtobuildanewsmartcurtainsystem.Thesystemre-designsoflightcontrolcompositecontroltheopeningandclosingcurtainsandvenetianblinds;canbesetthroughanumberofparametersandavarietyofcontrolmodes,adapttodifferentenvironmentalneeds.Thetestresultsshowthat,thesystemhastheadvantagesofsimpleoperation,accurateandreliablecontrol.

Keywords:

Lightsensingcurtain;Intelligentcontrol;EmbeddedARM2410;Steppermotor

目录

1引言 -1-

1.1研究目的及意义 -1-

1.2国内外研究现状 -1-

1.3设计应用分析 -2-

2系统方案设计 -3-

2.1系统总体构成 -3-

2.2系统模块设计 -3-

2.2.1光敏传感器模块 -3-

2.2.1.1光敏传感器的选型 -3-

2.2.1.2光敏电阻的构成及原理 -3-

2.2.2电机模块 -6-

2.2.2.1电机的选择 -6-

2.2.2.2电机驱动电路 -7-

3系统硬件平台及接口设计 -9-

3.1S3C2410A芯片简介 -9-

3.1.2ARM2410试验箱硬件结构 -10-

3.2I/O设备 -13-

4软件设计 -15-

5安装与调试 -16-

5.1窗帘框架的制作与安装 -16-

5.2测试分析 -16-

6总结 -17-

参考文献 -18-

III

1引言

随着科技的快速发展，家居智能化的趋势越来越明显。

目前最常见的智能窗帘如开合帘、罗马帘、卷帘、风琴帘可以根据设定的时间或者光照强度进行打开和关闭，百叶帘可以自动旋转角度调节光强，一般通过墙上电气开关或三四个按键遥控，也可以通过手动模式进行控制。

虽然现有的智能窗帘已经能够实现多种功能，并且有着不错的创新点，但仍能够看到很多缺憾，即可以优化改进的地方。

单层控制：

国内外电动窗帘产品，多数为简单的控制电机正反转，着重于多种多样的电机的开发。

智能产品中虽有并联技术等大面积集群控制，但是基本上皆为控制单层窗帘。

然而，随着智能家居的不断推广，人们对智能生活的细节要求越来越高，在办公室、家庭等场所对光线的多层控制是一个有待深入发展的方向。

若是简单的将两个智能窗帘系统联合使用，将造成传感误判、智能冲突、控制繁琐等问题。

1.1研究目的及意义

智能家居是人们经常谈论的话题，智能窗帘作为智能家居的一员，只有在一些高档宾馆和一些高档的私人住宅中，才能见到一些智能窗帘的影子。

因此，研究出一款适合大众的、使用简便的窗帘是十分有必要的。

其一、改变人们的生活方式。

单片机控制的遥控自动窗帘系统具有丰富的智能化功能，为普通家庭用户营造一个高效、舒适、便利的居住环境。

其二、智能窗帘能帮助人们有效的安排时间，在外时不必担心窗帘没有关闭可能引起的一些问题。

此外，智能窗帘的设计还可以培养自己对已学过的专业基础理论知识与实践的综合应用能力；同时带着系统设计中的各种新问题，学习控制、遥控技术、机械设计等多方面的知识，培养学科间知识的交叉运用能力。

1.2国内外研究现状

在欧美等发达国家,电动窗帘已广泛应用。

在10年前,电动窗帘就已经进入我国，可一直没有大的推广。

近几年，随着电控技术的不断提高及价格的不断下降,电动窗帘热才又卷土重来。

据了解,全国共有170多种电动窗帘器获得了国家专利,但就其技术本身而言，还是大同小异,但售价却有很大差别，贵的要数千元，便宜的只要500块。

尽管遥控自动窗帘系统在国内是一个新兴的行业，但是，它也正以不可抵挡之势迅速崛起。

遥控自动窗帘系统走进中国以来，在短短四年的时间里，遥控自动窗帘系统生产商由最初的几家公司增加到如今的百余家企业,其行业发展非常迅速。

随着技术的不断发展，人们财富的不断增长，用户对智能家居的需求呈现出快速增长的态势，作为智能家居的一部分——智能窗帘，随着认识的深化，推广的普及，其发展呈现功能多样化、噪音更低化、产品高档化等趋势。

1.3设计应用分析

窗帘是每个家庭的必需品，然而在人们已经越来越快的生活节奏中，窗帘也给人们带来了些许不便。

人们在繁忙的工作之后，回到家已是疲惫不堪，本想好好休息一下，但还要去拉开闭合的窗帘，显得有些繁琐；如果碰到出差，家里又没人把打开的窗帘拉上的话，可能会担心家中的安全……

模式单一：

目前智能产品中虽有光感应、温度感应、定时控制、雨水感应等诸多传感应用，然而多为只有其中某一项传感在使用，而不能实现多模式复合控制，不能适应生活各方面带来的复杂需求。

阈值固定：

目前市面上的产品通常出厂便固定好了光控开关阈值、灵敏度等，然而不同的自然环境和生活需求采光需求不同，产品不能很好的适应与调整。

光的错误干扰：

安装位置不当会导致外界光污染且影响室内灯光，误导光传感器的判断。

针对以上所谈到的国内外智能窗帘的现状，本文设计了一种新的感光窗帘智能控制与调节系统。

2系统方案设计

2.1系统总体构成

该系统以s3c2410为核心,以光敏信号为信号输入；通过驱动电路控制步进电机为控制信号输出。

系统框图如图2.1所示：

图2.1系统总体框图

如图所示，本系统的信号采集采用光敏传感器，通过光敏传感器可以感应光照强度，然后根据光照强度控制窗帘开合。

本系统可以实现两种工作模式，分别是白天工作模式和夜间工作模式，不停的工作模式下，其实现的功能不一样，即控制电机转动的方式不一样。

白天工作模式下，通过光敏传感模块检测光照强度进行打开窗帘；夜间工作模式进行反向转动电机，使窗帘关闭。

2.2系统模块设计

2.2.1光敏传感器模块

光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：

光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。

光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。

2.2.1.1光敏传感器的选型

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光的装换，光敏电阻的阻值随光照强弱而改变，光线越强，阻值变得越小，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达到1～10M欧，在强光条件下，它的阻值（亮阻）只有几百至几千欧。

随着光照强度的增加，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。

可见光敏电阻具有灵敏度高，反映速度快，稳定可靠，工作电流大，可达数毫，易于使用的特点。

光敏电阻完全满足本设计的要求，故选用光敏电阻型的光敏传感器。

2.2.1.2光敏电阻的构成及原理

光敏电阻又称光敏电阻器或光导管，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。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

如下图所示光敏电阻的工作原理：

图2.2光敏电阻工作原理图

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。

通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体

图2.3光敏电阻结构原理图

及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。

入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。

在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

图2.4光敏电阻实物图

本模块采用灵敏型光敏电阻传感器，比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA。

配可调电位器可调节检测光线亮度，工作电压3.3V-5V。

输出形式：

DO开关量输出（0和1）和AO模拟量输出（电压），模块在环境光线