自动启闭光控窗帘控制系统设计 精品.docx
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目录
第一章引言1
1.1课题背景1
1.2国内外概况1
1.3课题的研究分析及其特点2
1.4总体方案设计图2
第二章核心芯片结构原理介绍4
2.1STC89C52单片机4
2.2红外线接收模块——TOSP18386
2.3时钟芯片——DS13028
2.4AD转换器ADC08098
2.5液晶显示器LCD160210
2.6ULN2003简介10
第三章硬件部分系统设计12
3.1电源部分硬件电路设计12
3.2显示部分硬件电路设计12
3.3时钟部分硬件电路设计13
3.4红外接收部分硬件电路设计14
3.5光控电路测光部分电路设计14
3.6电机驱动部分电路设计15
3.7电机控制部分的设计16
第四章系统软件设计19
4.1红外线解码的设计19
4.2LCD1602显示程序20
4.3遥控控制部分21
结论与体会23
主要参考材料24
第一章引言
1.1课题背景
单片机控制的自动启闭窗帘控制系统，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享受要求。
除了广大市民住宅使用外，该遥控窗帘器还可以广泛应用于别墅、公寓、宾馆、饭店、写字楼、歌舞厅、影剧院、会议厅、银行、学校、医院等各种公共场所，因此该产品具有广阔的市场前景。
自动启闭光控窗帘系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用自动窗帘系统具有重要的现实意义。
1.2国内外概况
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，这两年，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。
尽管自动启闭光控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。
自动启闭光控窗帘系统走进中国以来，在短短四年的时间里，自动启闭光控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。
目前，我国自动启闭光控窗帘系统生产厂商、分销商、集成商与装饰公司都形成了相当规模，不少国内知名企业纷纷涉足遥控自动窗帘系统行业，如青岛海尔、清华同方、TCL等，并涌现出一些较具影响力的智能家居专业厂商，如上海索博智能电子有限公司、北京九州易居科技有限公司、天津瑞朗智能家居电子科技有限公司、深圳市正星特科技有限公司等。
自动窗帘产品已开始走进中国的家庭。
具报道，我国2004年售出商品房1.9亿m²,如果每20m²需要一套窗帘架产
品，仅此一项就可以年新增窗帘架产品近千万套加上。
年新增窗帘架产品市场需求将不低于2000万套。
如果单片机控制的遥控自动窗帘，销售占市场的5%左右，就可实现年产值上亿元。
1.3课题的研究分析及其特点
现有的电动窗帘机的控制方式有固定式开关控制、遥控、光控、声控等，其中以前两种形式居多。
就实用程度和经济角度来说，用固定式开关控制方式较好，这是因为窗帘的开闭不像电视机等家电产品开闭得那样频繁，每天开闭的次数不多，因此安装在固定的地方使用也相当方便，如把开关装在床头柜等电器综合控制系统中，睡在床上就能控制窗帘的开闭。
利用触摸开关，实现全自动断电，既安全又节能，但最重要的一点就是没有实现完全的自动化，没的摆脱对人的依赖作用。
而采用遥控控制时，需要候机电源，不可能完全断电而且增加遥控功能，也增加了成本，售价也相应提高。
窗帘机的控制方式大体上有三种：
声控、光控、时控，声控和遥控属于半自动类；而光控虽属全自动式，但因光敏器件的灵敏度，冬夏等不同季节的光照度的不同，以及人们对起闭窗帘在时间上的要求不同，而难以实施和普及[8]。
因此，时控式的全自动窗帘机便成了专业以及业余电子设计人员的热门课题。
根据以上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。
所以我想利用价格相对便宜的红外线遥控发射芯片、时钟芯片、单片机作为主要控制器件，来完成该系统的设计。
该系统主要有如下几方面的特点：
（1）发射红外线的发射装置采用一般彩色电视机的遥控器，这样既方便又实惠。
（2）时间控制开关窗帘。
通过对DS1302芯片的设定，让用户可以随自己的生活习惯方便的自动开关窗帘，无需手动。
（3）采用红外遥控方式，不会干扰其它电器的正常工作，也不会影响邻近的无线设备。
超距离遥控，可达8～9m。
（4）能根据光照的强度来自动调整窗帘打开的程度。
（5）美观。
以往的遥控电动窗帘都是向一边拉或向上拉，而本设计用的窗帘为百叶窗。
（6）体积小、结构简单、灵敏度高、抗干扰性强、经济实用、工作可靠。
1.4总体方案设计图
图1.1总体方案图
第二章核心芯片结构原理介绍
2.1STC89C52单片机
2.1.1STC89C52的特点
STC89C52RC具有以下几个特点：
STC89C52RC与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器；五个中断源,两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；
2.1.2STC89C52的主要引脚功能
P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器。
读/写操作。
P0口也用以输出外部存储器的低8位地图1址。
由于是分时输出,应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存,信号用ALE。
P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。
P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。
不扩展外部存储器时,P2口也可以作为用I/O口线使用,P2口也是准双向口。
P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。
作为第一功能使用时操作同P1口。
P3口的第二功能如表2.1所示。
表2.1P3口第二功能
端口引脚
各个功能
P3.0
RXD（串行口输入端）
P3.1
TXD（串行口输出端）
P3.2
（外部中断0请求输入端，低电平有效）
P3.3
（外部中断1请求输入端，低电平有效）
P3.4
T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）
P3.5
T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）
P3.6
（外部数据存储器写选通信号输入端,低电平有效）
P3.7
（外部数据存储器读选通信号输入端，低电平有效）
2.1.3STC89C52的时钟电路和复位电路
（1）时钟产生电路
本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz，振荡周期＝
，机器周期
，指令周期＝
。
XTAL1和XTAL2：
片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。
在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场。
石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使STC89C52RC片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，如图2.1所示。
图2.1时钟电路
（2）单片机复位电路
图2.2为单片机复位电路。
单片机在开机时都需要复位，以便中央处理CPU以及其他功能部件都处于一个
确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。
STC89C52RC单片机的RST引脚是复位信号的输入端。
图2.2复位电路
2.2红外线接收模块——TOSP1838
近年来，随着信息技术的飞速发展,无线通信技术正在向各个领域渗透,特别是利用红外线进行通信无论从小型化、轻量化、还是从安全性等方面考虑,其可行性都比较高。
红外数据通讯实际是利用红外线作为通讯载体,由红外发射器和红外接收器来完成信号的无线收发。
在发射端,对发送的数字信号经适当的调制后,送入电光变换电路,驱动红外发光二极管发射红外光脉冲;在接收端,红外接收器对收到的红外信号进行光电变换,并进行解调后,恢复出原信号。
在红外数据通讯中,红外接收器件的选择是红外数据通讯中至关重要的因素。
2.2.1红外线一体化接收头
TSOP1838系列是Temic公司推出的一体化红外线接收模块,集红外线接收、放大、解调于一体,不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作；而体积只有普通三极管大小一样，适合各种红外线遥控和红外线数据传输,其传输距离大于4米。
红外线接收模块TSOP1838系列的管脚分布如图2.3所示，1、2分别为电源和地,3为信号输出端,其输出电平和TTL电平兼容。
TSOP1838系列的特性如下：
多种接收频率可供选择:
30KHz、33KHz、36KHz、36.7KHz、38KHz、40KHz、56KHz；大范围工作电压:
（3-6）V；遥控距离:
大于4m。
图2.3TSOP1838引脚图
TSOP1838系列红外线模块接收器的受光面一侧为黑色环氧聚焦滤波透镜，此透镜消除了可见光对它的干扰,对于提高可靠性及滤除光噪声至关重要。
模块内含红外线PIN接收管、前置放大器和解调器。
当红外线发射器发出的信号经空间传送到TSOP1838系列模块时,模块内部PIN红外线接收管将红外光转换为电信号,该信号经前置放大、解调后由3脚输出与TTL电平兼容的电信号,该信号能直接送入到微控器等要求TTL电平信号输入的芯片中。
2.2.2红外线发射码组成
要使用红外线一体化接受头接受遥控器发射的红外线,再通过单片机解码，那就，必须先了解红外线发射器所发射的红外线码的组成。
一般的彩电、VCD遥控器的编码采用的格式为1913、9012、1621格式；要识别一个遥控器的格式很简单,只要把遥控器拆开,看它所用的集成块型号就知道,比如uPD1621、SAA3010,其格式就是1621、3010格式。
这种格式以1621为例,当按下遥控器上的某个按键时,遥控器将发射出一帧数据,帧数据的编码格式由三部分组成：
引导码（Leadcode）、客户码（Customcode）和数据码（Datacode），对于一个遥控器来说,每个按键所发射的帧数据的客户码总是一样的,有区别的只是数据码。
其中9012和1913、1621格式的唯一区别就是引导码的高电平宽度不一样，9012格式为4.5ms,1913和1621格式为9ms。
帧结构中的客户码和数据码各有两个字节,第一个字节和第二个字节互为按位取反,其中客户码的高4位与低4位又互为按位取反。
‘0’码由0.56ms高电平和0.565ms低电平组合而成、‘1’码由0.56ms高电平和1.69ms低电平组合而成。
码元的高电平信号采用38kHz矩形波（载波）调制发射，载波占空比（Duty）为1/3，低电平无信号发射。
2.3时钟芯片——DS1302
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,具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。
2.3.1DS1302简介
DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。
在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。
RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能：
首先，RST接通控制逻辑,允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化,允许对DS1302进行操作。
如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送,I/O引脚变为高阻态。
上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。
I/O为串行数据输入输出端（双向）。
SCLK为时钟输入端。
下图2.4为DS1302的引脚功能图：
图2.4DS1302引脚功能图
2.4AD转换器ADC0809
2.4.1ADC0809的内部逻辑结构
模数转换部分主要由ADC0809芯片负责，读入模拟信号的管脚我们选用的是IN0，输出数字信号是D0~D7，与单片机相连接ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
由图2.5可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
图2.5ADC0809功能引脚图
ADC0809对输入模拟量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行换。
A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。
ST为转换启动信号。
当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。
EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。
OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。
D7－D0为数字量输出线。
CLK为时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。
2.5液晶显示器LCD1602
1602液晶每行可显示16个字符，一共可以显示两行。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。
2.5.1LCD1602的RAM地址映射
控制器内部带有80B的RAM缓冲区，对应关系如图2.6所示
图2.61602LCD内部RAM显示地址
当我们向00～0F、40～4F地址中的任一处写显示数据是，液晶都可以立即显示出来，当写到10～27、50～67地址是，必须通过移屏指令将它们移入可显示区域方可正常显示。
2.6ULN2003简介
ULN2003是高耐压、大电流达林顿阵列，由7个硅NPN达林顿管组成。
该电路的特点如下：
ULN2003的每一对达林顿管都串联一个2.7kΩ的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和COMS电路直接连接。
ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适用于各类要求高速大功率驱动的系统ULN2003经常在以下电路中试用：
（1）显示驱动；
（2）继电器驱动；（3）照明灯驱动；（4）电磁阀驱动；（5）伺服电动机、步进电机驱动等电路中。
ULN2003的每一对达林顿管都串联一个2.7kΩ的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和COMS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。
第三章硬件部分系统设计
3.1电源部分硬件电路设计
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D9、限流阻R20=5K后，为单片机及DS1302提供VDD电压，如图3.1所示。
图3.1电源电路图
3.2显示部分硬件电路设计
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，来传输数据及指令，由于P0口带负载能力差，故需接上拉电阻。
P1.0接LCD1602的4脚RS（数据/命令选择端），P1.1接LCD1602的5脚R/W（读写选择端），P1.2接LCD1602的6脚E（使能信号）。
电位器W1用来调节LCD1602的亮度，如图3.2所示。
图3.2显示电路
3.3时钟部分硬件电路设计
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32768Hz晶振，开窗帘时间，关窗帘时间都保存在DS1302自带的RAM中，不需要单独的EEPROM。
DS1302在第一次加电后，须进行初始化操作，初始化后就可以按正常方法调整时间及升降窗帘时间，电路连接图如图3.3所示。
图3.3DS1302接线图
3.4红外接收部分硬件电路设计
红外线接收电路使用一个集成红外接收器，型号是TSOP1838，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P3.2，该口对应的第二功能是外部中断0（INT0），利用该口的第二功能，一旦红外线信号到来，P3.2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。
图3.4红外接收硬件电路图
3.5光控电路测光部分电路设计
光控测光电路部分由光敏电阻DG、电阻R1A和AD转换器ADC0809组成。
光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱改变的电阻；入射光强，电阻值减小，流入ADC0809的电流模拟量增大，ADC0809的输出相应的数字量，入射光减弱，电阻值增大，流入ADC0809的电流减小，ADC0809输出相应的数字量。
ADC0809的转换结束信号EOC连接到P3.0；输出允许信号OE连接到P3.1；时钟信号CLK连接到P1.3，由单片机软件编程实现16分频，满足CLK信号低于640kHz的要求；START与ALE均连接到P1.4；D0~D7分别接到单片机P2.0~P2.7；VREF（+）和VREF（-）分别连接到+5V电源和GND；ADDA、ADDB、ADDC均连接到GND。
单片机处理系统接收的信号是由信号采集装置经A/D转换后的数字信号，在此设置P2.0～P2.7为输入端口。
对信号分析处理后，处理系统需对电机控制装置发出控制指令，在此设置P3.4-P3.7为输出端口。
当单片机的P2.0～P2.7端口接收到输入信号后，接下来要做的是对信号的分析。
在信号采集装置中，采用了分压电路型式，将光信号转换为电压信号，然后经过A/D转换变成数字信号，所以处理系统要分析的是数字数据。
信号采集装置和单片机使用了同一电源，电压为5.0V，也就是说，电压信号的变化范围为0～5.0V。
转换成数字信号后为0~255，所以单片机通过这个数字范围控制步进电机的转动角度。
我们采用的是分级调速，把这个区域分成4个区域，每个区域对应转动角度分别为0°，30°，60°，90°。
图3.5ADC0809和光敏电阻电路图
3.6电机驱动部分电路设计
电机驱动部分主要由达林顿驱动ULN2003芯片实现。
ULN2003所用的是单片机的P3.4～P3.7接口，输出部分选用13～16引脚，8引脚接地，9引脚所示为连接步进电机的电源，电机驱动电路连接图如图3.6所示。
图3.6电机控制部分电路设计
3.7电机控制部分的设计
此部分主要是对控制指令的执行。
单片机根据读入的数据通过驱动器对电机进行驱动，调节电机转动的角度。
下面介绍一下步进电机及其控制原理，了解步进电机使我们能更顺利的完成自动启闭光控窗帘的设计。
3.7.1步进电机简述
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率的脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。
步进电机实际上是一种单相或多相同步电动机。
单相步进电机由单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。
多相步进电机的多相方波脉冲驱动，在经功率放大后分别送入步进电机各相绕组。
正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。
由于步进电机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微处理器控制。
3.7.2步进电机驱动原理
步进电机有三线式、五线式、六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动。
若每旋转一圈以20个励磁信号来计算，则每个励磁信号前进18°，其旋转角度与脉冲数成正比，正、反转可由脉冲顺序来控制。
步进电机的励磁方式可分为全步励磁及半步励磁，其中全部励磁又有1相励磁及2相励磁之分，而半步励磁又称1～2相励磁。
本次设计采用的是2想励磁法。
2相励磁法：
在每一瞬间会有两个线圈同时导通。
因其转巨大，振动小，故为目前使用最多的励磁方式，每送一励磁信号可走18°。
其励磁顺序如表3.1所示，若励磁信号反向传送，则步进电机反转。
表3.1正转励磁顺序
STEP
A
B
C
D
STEP
A
B
C
D
1
1
1
0
0
3
0
0
1
1
2
0
1
1
0
4
1
0
0
1
电动机的负载转矩与速度成反比，速度越快负载转矩越小，但速度快至其极限时，步进电机即不在运转。
所以在每走一步后，程序必须延时一段时间，以对转速加以限制。
3.7.3步进电机的选择
步进电机有步距角（涉及相数）、静转矩及电流三大要素组成。
一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。
（1）步距角的选择：
电动机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，即每个当量电动机应走多少角度（包括减速）。
电动机的步距角应等于或小于此角度。
（2）静力矩的选择：
静力矩的选择依据是电动机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。
单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。
直接启动时（一般由低速）两种负载均要考虑，加速启动时主要考虑惯性负载，恒速运行时只要考虑摩擦负载。
一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2～3倍，静力矩一旦选定，电动机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。
（3）电流的选择：
静力矩相同的电动机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大。
可
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