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基于单片机自动窗帘控制学士学位论文

目录

摘要III

AbstractIV

1绪论1

1.1研究目的和意义1

1.2国内外发展现状2

1.3基本内容及章节安排3

2总体方案设计4

2.1控制器智能项目4

2.2系统总体结构规划5

3系统硬件设计6

3.189C51单片机及相关电路6

3.1.1晶振电路6

3.1.2复位电路7

3.1.3时钟电路8

3.1.4电源电路9

3.2步进电机10

3.3键盘/显示接口电路12

3.4传感器13

3.5信号调理电路15

3.5.1放大滤波电路15

3.5.2A/D转换16

4系统软件设计18

4.1主程序软件设计18

4.2主要功能子程序设计19

4.2.1步进电机程序设计19

4.2.2显示程序19

4.2.3键盘程序设计20

4.2.4定时程序设计21

5综合调试23

总结与展望25

致谢26

附录一27

附录二36

附录三37

附录四38

附录五48

参考文献55

摘要

本文主要阐述了智能窗帘控制器的设计过程。

本设计采用AT89C51单片机为控制核心，介绍了基于单片机的光控窗帘系统，主要从硬件结构原理及软件编程方面进行讲解。

硬件采用分块的模式，对整个系统的电路设计进行分析，分别给出了系统整体框图、显示电路、光电开关电路、系统主控模块、电源转换电路、保护电路等相关电路；随后讲述了软件的编写过程，也是采用了分块的模式，每一模块都画出了相应的流程图。

本文利用P3口的特殊功能与P1口的空闲模式和掉电模式，根据其不同控制模式，实现半自动控制、自动控制、定时控制的相互转换，智能的控制窗帘动作。

通过调试，时钟控制、手动开关窗帘、自动开关窗帘等控制方面的设计基本达到了预期效果，具有较强的实用价值。

关键词：

单片机；智能窗帘；光电开关；步进电机

Abstract

Thispaperdescribesthedesignprocessofintelligentcurtaincontroller.ThisdesignusesAT89C51microcontrollerasthecontrol,introducemicrocontroller-basedopticalcontrolcurtainsystem,themainstructuralprincipleofthehardwareandsoftwareprogrammingtoexplain.Blockthemodelofhardwareused,thecircuitdesignoftheentiresystemtoanalyzetheoverallblockdiagramofthesystemaregiven,displaycircuit,photoelectricswitchcircuit,systemcontrolmodule,powerconversioncircuits,protectioncircuitsandotherrelatedcircuit;thendescribesthesoftwarethepreparationprocess,butalsobythesub-blockpattern,witheachmoduletodrawacorrespondingflowchart.

Inthispaper,themouthofthespecialfunctionsandP3P1portidlemodeandpower-downmode,accordingtotheirdifferentmodes,toachievesemi-automaticcontrol,automaticcontrol,timingcontroloftheconversionandintelligentmotioncontrolcurtains.Debuggingbysimulation,clockcontrol,manualswitchcurtains,thecurtainsautomaticallyswitchthebasicdesignofsuchcontroltoachievethedesiredeffect,withastrongpracticalvalue.Keywords:

SCM;intelligentcurtain;photoelectricswitch;steppingmotor

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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指导教师签名：

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学位论文原创性声明

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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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1绪论

1.1研究目的和意义

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。

智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。

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。

与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。

还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。

系统的网络化功能可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。

使生活更加舒适、便利和安全。

因智能家居控制系统布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。

在设计本系统时，面对各种检测对象和大量控制单元，需要利用各种接口标准和MCU进行连接，再经过MCU进行数据处理，实现实时测控。

而此时采用单片机来实现智能家居控制系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采各模块和芯片的协调性，从而大大提高系统的可利用性。

此次系统设计系统正是利用AT89C51单片机的优点，顺利的完成了本设计的要求。

并且实现了学习型定时和自动控制功能，为控制家居设备提供了良好的基础。

正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。

这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。

智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。

随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，功能也越来越强，各种传感器都已经标准化、模块化，这给智能家居控制系统的设计提供极大方便。

电话远程控制作为一较新的课题与常规的遥控方式相比，显示出一定的优越性，不需进行专门的布线，不占用无线电频率资源，避免了电磁污染。

同时，由于电话线路各地联网，可以充分利用现有的电话网，因此遥控距离可跨省市，甚至跨越国家。

另外电话属双工通信手段。

因此，这可以大大体现出利用电话进行遥控的更大优越性。

操作者可以通过各种提示音即时了解受控对象的有关信息，从而进行进一步的操作。

电话遥控部分课题目前已有涉足者，但是只是还只限于实验室阶段，因而距离实际应用，尤其是对于日常生活尚有一定的差距，并不能完全体现出电话遥控方式的双工通信特点。

本设计正是针对这一点进行了较大改进，采取单片机智能控制，利用不同的提示音达到对于不同操作的提示及对受控方状态的信息反馈，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与智能化。

1.2国内外发展现状

随着社会信息化的加快，人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密。

信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。

人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。

家居智能化技术起源于美国，它是以家为平台进行设计的。

智能家居控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。

智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统，以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。

大型的智能家居控制系统通常由系统服务器、家庭控制器（各种模块）、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。

现代智能化离不开运算和控制单元，本系统采用89C51作为主控器件，单片机应用系统由硬件和软件组成。

硬件由单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件由单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。

在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率，当系统硬件和软件紧密配合、协调一致，就可以组成高性能的单片机应用系统。

本课题完成了单片机应用系统其开发过程的系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试，根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。

本文是从智能家居的一个项目——智能电动窗帘的设计开始的。

1.3基本内容及章节安排

本设计通过分析电动窗帘的发展和现状来规划电动窗帘的智能功能，从而对电动窗帘控制器进行设计。

采用步进电机作为执行元件，以光敏二极管作为传感元件的检测单元，89C51单片机作为控制芯片，辅助键盘和显示，最终实现了电动窗帘控制器的多项智能项目。

主要章节分为：

（1）绪论：

介绍设计目标国内外的发展现状和研究意义目的，设计的基本内容和本文的章节安排。

（2）总体设计方案：

给出了电动窗帘控制器的总体方案设想，智能项目，和设计结构规划。

（3）硬件设计：

选用89C51单片机为核心的各种电路设计，包括复位电路，电源电路，时钟电路，步进电机控制电路，键盘/显示电路等一系列相关电路。

（4）软件设计：

主要介绍了各项功能的设计流程。

（5）综合调试

2总体方案设计

电动窗帘控制器总体方案设计是确定能够满足设计要求的总体方案的环节。

本章从系统功能需求出发，规划并确定了系统的总体结构，并在此基础上考虑了系统的可扩展性及可实现性。

2.1控制器智能项目

随着人民生活水平的不断提高，人们对家庭生活舒适性的需求越来越强烈，窗帘作为每个家庭生活中最必须的家居用品之一，自然也需要满足人民更舒适性的需求。

窗帘最基本的作用无非是保护业主的个人隐私以及遮阳挡尘等功能，但传统的窗帘您必须手动去开关，每天早开晚关也是挺麻烦的，特别是别墅或复式房的大窗帘，比较长，而且重，用时需要很大的力才能开关窗帘，特别不方便；于是电动窗帘应运而生。

现有的电动窗帘都可以自动开关闭窗帘，到了时间自动控制窗帘的开关，可以根据光的但是他们也有些缺点。

窗帘控制器的自动开关如何让窗帘能够开关自如，停机的时间是否到位。

电动窗帘主要有以下几大功能：

（1）手动控制：

该功能使电动窗帘具有手动正传、手动反转和手动停止的功能。

而且增加了工作状态指示，电机工作在正传、反转和停止状态的时候，数码管均有不同工作状态指示。

（2）半自动手动控制：

半自动手动控制是在需要关闭或打开窗帘的时候，只需要人工按一下“正转”或“反转”按键后，窗帘到位自动停止。

（3） 环境亮度控制：

窗帘的关闭和开启通过环境亮度自动完成窗帘的开启或关闭操作控制，“天黑关闭，天亮打开”具有智能管理，不产生误动作。

（4） 时间自动控制：

根据设置输入的开启或关闭时间，来控制窗帘的关闭和打开。

窗帘的正转、反转和停止功能可由单片机输出电平来控制步进电机的运转以实现。

环境亮度的控制通过光敏二极管和运放组成的电路来控制单片机输出电平继而控制电机的正转和反转。

时间自动控制可以由定时器来控制。

2.2系统总体结构规划

电动窗帘控制器的总体结构框图如图2.1所示。

图2.1电动窗帘控制器结构框图

由光电传感器来探测外界的光强，从传感器出来的信号经过信号调理电路的放大，滤波调理后输入到A/D转换器，A/D转换器件完成一个转换过程需要一定时间，如果在这段时间内信号的幅度发生变化，转换结果将会受到影响，所以期间要用到采样保持电路。

转换后的信号由单片机控制器，来实现电机的运行与停止。

显示部件用来显示电动窗帘控制器的各种状态信息。

键盘是主要的输入设备，控制单片机的各种参量。

3系统硬件设计

总体硬件硬件包括单片机外围电路、A/D转换电路，信号调理电路、检测电路、键盘/显示接口电路、步进电机控制电路等模块。

单片机外围电路提供各模块所需的5V电源和时钟模块；信号检测后的是模拟信号，经过调理放大进入A/D转换后输出数字信号给单片机。

单片机的P2口控制步进电机的运行从而控制窗帘的升降。

显示和键盘让人机交换变得更容易。

3.189C51单片机及相关电路

89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

它是美国ATMEL公司的低电压，高性能CMOS8位单片机。

89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

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89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。

89C51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。

3.1.1晶振电路

电路中的晶振即石英晶体震荡器。

由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。

通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。

同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。

图3.1是单片机的晶振电路。

电路中的电容C1和C2的典型值通常选择为30μF左右，该电容的大小会影响振荡电路频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。

晶体振荡频率的范围通常在1.2~12MHz。

晶体的频率越高，系统的时钟频率越快，单片机的运行速度越快。

但反过来，运行速度对于存储器的速度要求就越高，对印刷电路板的工艺要求也就越高，即要求线间的寄生电容要小。

晶体和电容应该尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。

89C51常选择振荡频率12MHz的石英晶体。

图3.1单片机晶振电路图

3.1.2复位电路

复位是单片机的初始化操作，只需要给89C51的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可以使89C51复位。

复位时，单片机初始化为0000H，从0000H单元开始执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行错误（如程序跑飞）或操作错误使系统处于锁死状态时，也需要复位键使RST脚为高电平，使89C51摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动。

图3.2是复位电路图。

图3.2复位电路图

3.1.3时钟电路

本设计需要窗帘在给定的时间自动开和关，所以需要用到定时器，而为了保证单片机与外界时钟一致，要用到一个实时时钟电路。

这里使用DS12887实时时钟芯片来完成这项功能。

DS12887是DALLAS公司生产的实时日历时钟芯片，其主要功能包括非易失性时日历时钟、报警器、百年历、可编程中断、方波发生器和114字节的非易失静态RAM。

使用DS12887时应注意以下几点：

Vcc正常情况下为5V，当Vcc降至4.25V时，所有的输入被忽略，输出为高阻状态，Vcc降至3V时，外部电源被关断，内部锂电池为实时时钟和RAM供电，在断电情况下，时钟继续运行，其中的数据可保存十年以上不会丢失。

DS12887有两种工作时序，即MOTOROLA和INTEL时序，由MOT引脚的电平指定，当MOT引脚为高电平时选择MOTOROLA时序，当MOT引脚为低电平时选择INTEL时序，图中选为INTEL时序，这时芯片的DS引脚接系统的读信号/RD，R/W引脚接系统的写信号/WR。

AS引脚用于分离数据地址总线AD7-AD0上的地址和数据信息，连接到MCU的ALE引脚。

RESET引脚的信号对日历时钟和RAM没有影响，但它影响DS12887的命令和状态寄存器的内容，在图中直接将RESET连至Vcc，这样可以保证DS12887在进入或退出电源失效状态时，其工作状态不受RESET引脚的影响。

DS12887有一个可编程输出方波引脚SQW，从该引脚可以输出频率为2Hz-256Hz的方波，在系统中正是利用此引脚输出周期为125MS的方波，作为MCU外部中断/INT0的中断源实现周期性中断，每当中断发生时，MCU读一二次输入口，检查电表是否转过一圈，在整点时还要采一次三相电流和电压。

除此之外，DS12887内部还有128字节的RAM的单元，其中前10个字节用于存放日历时钟信息，字节0为秒，字节2为分，字节4为时，字节6为星期，字节7为日，字节8为月，字节9为年，字节0AH-0DH用作控制和状态寄存器，剩下的114字节为用户RAM，所有的这128字节都是掉电非易失性的。

DS12887时钟芯片和AT89C5l单片微机的接口电路如图3.3所示。

模式选择脚MOT接地，DS12887时钟芯片的AS端口和89C51单片机的AIE端直接相联；而DS、R／W读写控制线与单片机的RD/WR控制线制线相连；DS12887的高位地址由89C51单片机的P2．7端口来片选，则DS12887的高8位地址定为7FH，而其低8位则由芯片内部各单元的地址来决定（00H-3FH）；DS12887的中断输出端IQR和89C51的外部中断INT0端相联，给单片机提供中断信号；DS12887的SQW端与89C5I的TO端相连。

图3.3时钟电路图

3.1.4电源电路

单片机工作需要使用5V电压，因此需要给单片机设计电源电路。

图3.4是单片机的电源电路。

它采用LM7805三端集成稳压器，可输出+5V的直流电压供电。

图3.4电源电路图

3.2步进电机

步进电机为一种数字伺服执行元件，具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。

为了实现步进电机的简易运动控制，一般以单片机作为控制系统的微处理器，通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机的速度和位置定位控制。

单片机在本次试验中对步进电机的控制从而达到对转角和位移的控制的方法。

本次设计采用两个型号为130HZ308-450的三相反应式步进电机对旋转角度和位移进行控制，该步进电机力矩大、耐负载冲击、精度高。

其步距角为1.2°，即

=1.2°，即本次设计的测控系统对回转台转角的控制精度可以达到1.2°。

步进电机的驱动电路是根据控制信号工作的。

而本次测控系统是以单片机位控制中心的，下面将介绍步进电机控制系统。

步进电机控制系统主要由脉冲分配器，功率驱动电路，步进电机几部分构成的。

步进电机控制系统的方框图以及其控制系统的电路图如图3.5与3.6所示。

图3.5步进电机控制系统方框图

图3.6步进电机控制系统电路图

单片机输出步进脉冲后，再由脉冲分配电路按事先确定的顺序控制各相的通断。

本设计由软件完成脉冲分配工作，不仅使线路简化，成本下降，而且可根据应用系统的需要，灵活地改变步进电机的控制方案。

软件控制脉冲将在软件设计部分说明。

步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，采用光电耦合器将单片机与步机电机隔离可以避免单片机与步进电机功率回路的共地干扰，防止强功率的干扰信号反串进主控系统。

此外，万一驱动电路发生故障，也不致让功放中较高的电压串入单片机而使其损坏。

步进电机的驱动电路有很多种，但最为常见的就是用单电压驱动，双电压驱动，斩波驱动，细分驱动等。

但电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。

它最大的特点是结构简单，工作效率低。

而且它的外接电阻要消耗相当一部分能量，这样会影响电路的稳定性。

双电压驱动电路是采用两种电源电压，缺点在于在高低电压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降，不易于电机的正常运行。

对于斩波驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。

从提高效率的角度来看这是一个很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定额定电流和减少时间常数。

但由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以产生较大的电磁噪声。

细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步。

本设计采用的是恒频脉宽调制细分驱动电路，电路图如3.7所示。

图3.7恒频脉宽调制细分驱动电路

3.3键盘/显示接口电路

键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据，传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。

本设计中的键盘采用4×4矩阵键盘。

16个键分别为：

0-9十个数字键，用于时间设定输入；设定键，设定自动窗帘开和关的时间；复位键，在程序出错或者有误操作的时候；正转键，使步进电机正转，窗帘打开；反转键，使步进电机反转，窗帘关闭；停止键，步进电机停止运转；确定键，时间设定完成后确定输入。

由于按键比较