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自动窗帘控制器毕业论文
科技工业职业技术学院
毕业设计论文
设计课题：
自动窗帘控制器
班级：
姓名：
学号：
专业：
电气自动化
教研室：
电子电气
指导老师：
联系：
E-mail：
自动窗帘控制器
容摘要：
自动控制属于电子与信息科学的一个重要分支，并且在现代家居中有着较好的目前发展前景。
目前，家庭居住环境的采光与避光问题主要采用的是手动开闭窗帘，手动开闭不仅费力而且很多方面不够人性化，可能对用户造成一定的困扰，窗帘控制器可以解决这些问题。
本文综述了自动窗帘控制器的设计与制作过程，介绍了设计制作一个完整的窗帘控制器需要做的理论分析以与其制作过程。
自动窗帘控制器核心采用的是单片机AT89C51，其次利用了光照传感器、键盘显示接口电路以与信号调理电路等外围电路，整个器在各模块的配合下可实现半自动控制、自动控制、定时控制等功能。
该设计在理论层面上，用程序语言驱动各模块工作，实现器的在联系，在应用层面上则采用Protel软件进行原理图设计。
自动窗帘控制器的构成主要由光照传感电路、器主控模块电路、电源转换电路、电机控制电路、键盘以与显示电路等组成，重点讨论了窗帘自动控制器的设计过程、硬件选用和软件调试等问题，通过本器可实现利用光照强度以与设置时间来控制窗帘自动开闭。
关键字：
单片机，自动控制，AT89C51，Protel
绪论
伴随着信息化时代的到来，人们的生活速度以与对生活质量的追求也在大幅提高。
电子产品智能化速度的加快，也使人们的工作、生活和通讯的关系日益紧密。
智能化的产品设计在改变人们工作方式与生活习惯的同时，让人们对生活质量的提升提出了更高的要求，方便、舒适成了人们所追求的生活方式，在现代家庭生活环境中，居家环境早已不仅仅局限在物理空间上，人们更为关注的是一个安全、方便、舒适的环境。
智能化的电子产品以与设计将以前的被动静止物体转变为人们能够方便操控的工具，这些产品具有提供全方位的信息交换的功能，不仅能够优化人们的生活方式，帮助人们合理的安排时间，增强居家环境的安全性，甚至还可以为各种能源费用节约资金。
在智能化产品中，单片机的应用已经越来越广泛，单片机以它体积小、质量轻、耗电省、可靠性高、价格低等优点，开始不断发展，并广泛应用于仪器仪表、家用电器、医疗设备、航天航空领域、工业专用设备的管理与过程控制等领域，在很多的大中型的电气设备以与小型的电子产品中也用到了单片机进行控制。
针对人们对智能化的需求以与对舒适生活的追求，窗帘自动控制器改变了传统窗帘的劣势，它可以根据外界光照强度的不同而自动开闭窗帘，也可以根据人们设定的时间来控制窗帘。
该器利用光敏电阻检测光照强度的变化，并且将光敏检测模块的电阻变化转化为电压变化，然后将电压变化的信号送单片机，单片机通过电机驱动模块控制着步进电机的正反转实现窗帘的来回移动。
本设计正是把利用AT89C51单片机的优点以与简单实用性，顺利的完成了对智能控制的要求，并且为智能化的家居设备提供了良好的基础。
此外，对该器进行扩展，比如可以加上防火，防盗，甚至室煤气浓度监测等功能，会使该器更具有实用性，而且也完善了器。
一、方案论证
1、课题研究背景与意义
21世纪是信息化的时代，知识与科技成为时代的潮流，在它们的推动下，智能化也因此得到了很大的发展，其作用在社会生活中日益得到彰显。
智能控制器主要利用计算机技术、网络通信技术、综合布线技术等现代化技术的有机结合而发挥作用。
在通信技术、计算机技术、网络技术、智能控制技术的迅猛发展潮流下，家庭生活实现了现代化与智能化，居家环境也变得更加舒适与安全。
智能化控制的工作原理自然离不开运算和控制单元，而该器采用的主控器件AT89C51，正是运算与控制单元的集合体。
器的整体主要由硬件和软件两部分组成。
硬件部分由单片机扩展的外围电路以与各种实现单片机器控制功能的接口电路组成；软件部分主要由单片机器实现其特定控制功能的各种程序组成。
本设计中介绍了自动窗帘控制器的硬件构成以与软件设计过程，以尽最大可能满足不同人对窗帘开闭的不同需求。
同时，器在针对人们一般需求的设计开发外，还提出多种解决方案，在考虑到经济性和简便性的前提下，可以供日后对控制器的功能进行扩展。
2、基本容安排
（1）绪论：
介绍目前国外电动窗帘的发展现状和研究的目的和意义。
（2）总体设计方案：
概括自动窗帘控制器的的总体设计方案选取以与硬件设计的总况。
（3）硬件设计：
采用89C51单片机作为控制核心，并且辅助以外围电路，其中包括电源电路，定时电路，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：
介绍各个功能模块的的设计流程以与设计思路。
（5）总结：
针对设计中的不足进行再思考以与提出自动窗帘控制器功能的扩展。
3、设计思想与基本功能
该器具有一般的窗帘控制器的最基本的功能，即通过电动按钮来开闭窗帘，在此基本功能的前提下，本设计根据需求还设计了可以根据光照强度和设定时间自动开闭窗帘的功能，在选取设计方案和采用元器件方面，该器本着简单实用经济的思想，尽量简化电路设计，用最简单的电路布线和选用最经济实用的器件来达到设计要求。
自动窗帘控制器具有以下几个基本功能：
（1）手动控制：
该功能是根据用户的需求通过按键进行窗帘的开关，此功能可以使窗帘的开闭处于任何一种状态；
（2）自动控制：
用户可以通过按键一次性开闭窗帘；
（3）光照控制：
器可以根据用户设定的光照强度值通过感光器采集光照自动开光窗帘；
（4）时间控制：
此功能是根据用户设定的时间一次性开关窗帘。
二、总体电路设计与其原理说明
1、方案选取
单片机在各种电子产品中的应用已经越来越广泛，很多的电子产品利用单片机所取得的便利性得到了人们的好评，针对单片机控制的自动窗帘控制器的智能化要求，实现其自动控制的方案有两种：
方案
（一）基于温度检测以与声控检测器件的自动控制
方案
（二）基于光照强度器件的自动控制
这二个方案都是基于单片机控制的，采用步进电机控制以与液晶显示，不同的设计部分在于检测器件的选取上。
方案
（一）的器框图如图1：
方案
（二）的器框图如图2：
图2方案
（二）的原理框图
方案
（一）与方案
（二）的区别主要在于检测器件的应用，方案
（一）采用温度采集和声音检测元件，通过设定的温度来控制窗帘的开闭，以减少光照对室的温度影响，利用声音控制虽然方便性有所提高，但是其误差较大。
方案
（二）采用的时钟模块实用性更强。
综合考虑以上因素，器设计采用方案
（二）。
2、总体方案设计
自动窗帘控制器总体方案设计是基于满足设计要求的前提并且根据理论上的可实现性和硬件上的经济实用性，而进行设计的重要环节。
本章从人们对器功能需求出发，在综合考虑各种因素的情况下，设计出自动控制器的总体构架，并且在基本功能需求的基础上尽可能考虑器的可扩展性。
①系统基本功能
A.手动控制状态：
此功能使自动窗帘控制器具有手动拉开、关闭和停止功能。
B.半自动控制状态：
此功能是在要打开或者关闭窗帘的时候，通过“开”或“关”按键，窗帘在电机的带动下可以自动开闭。
C.亮度自动控制：
此功能是利用设定的光照强度自动完成窗帘的打开或者关闭，真正实现黑天关闭，白天打开的功能。
D.时间自动控制：
此功能根据用户需要，设定需要开闭窗帘的时间，通过输入的开启或关闭时间，控制窗帘开关。
②器总体结构设计
自动窗帘控制器设计的总体框图如图3所示：
图3电动窗帘控制器结构框图
根据光照来开闭窗帘主要原理是用光敏电阻采集外界的光强度，从光传感器采集的信号利用信号校正电路放大，滤波后输入到A/D转换器，由于A/D转换器件的转换需要一定时间，一旦在这段时间信号发生变化，转换结果将会出现偏差，所以在转换期间要应该采用采样保持电路。
传入的信号由89C51单片机来控制，并且做出响应，以实现电机的正转、反转与停止。
显示模块是用来显示自动窗帘控制器的各种状态。
键盘作为输入设备，通过不同按键来控制单片机进行各种运转状态。
3、电源电路设计
单片机正常工作电压为5V，因此设计的电源电路主要是提供单片机工作电压。
图4是为单片机提供电压的电源电路。
在这个电路中采用了三端集成稳压器LM7805，可以输出5V的直流电压以供给单片机。
图4电源电路图
三端集成稳压器LM7805，总共有三条引脚，分别是输入端、接地端和输出端。
用LM78\LM79系列三端稳压器来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路部还有过流、过热与调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。
其部结构图如图5所示。
图5LM7805部示意图
4、89C51单片机与相关电路
①89C51单片机概述
单片机是将中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM或EPROM）、定时器芯片和一些输入/输出接口电路集成在一个芯片上的微控制器。
AT89C51单片机是低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片上带有8KFlash存储器，且允许在器改写或用编程器编程。
其主要参数有：
A4K字节可编程闪烁存储器
B全静态工作：
0Hz-24MHz
C128*8位部RAM
D32可编程I/O线
E两个16位定时器/计数器
F5个中断源
G低功耗的闲置和掉电模式
H片振荡器和时钟电路
②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6是单片机的晶振电路。
片电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。
片振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～24MHz之间选取。
C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF。
本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。
振荡周期＝
；
图6单片机晶振电路图
③复位电路
复位电路的主要功能是使单片机进行初始化，在初始化的过程中需要在复位引脚上加大于2个机器周期的高电平。
复位后的单片机地址初始化为0000H，然后继续从0000H单元开始执行程序。
在复位电路中提供复位信号，等到器电源稳定后，再撤销复位信号。
但是为了在复位按键稳定的前提下，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防在按键过程中引起的抖动而影响复位。
图3.4所示的RC复位电路可以实现上述基本功能。
图3.4复位电路图
④时钟电路
DS12887芯片和AT89C5l单片机的接口电路如图7所示：
图7时钟电路图
其中DS12887的模式通过选择脚MOT接地来确定，DS12887的中断输出端IQR和89C51的外部中断INT0接口相联，R/W接口与单片机89C51的RD/WR接口相连；而DS12887的AS端口和单片机89C51的AIE端直接相联。
DS12887的SQW端与单片机89C51的TO端相连。
DS12887的高位地址由端口P2．7来片选，DS12887的高8位地址设定为7FH，低8位由芯片部各单元的地址来定。
DS12887部由振荡电路，分频电路，周期中断/方波选择电路，14字节时钟和控制单元，114字节用户非易失RAM，十进制/二进制累加器，总线接口电路，电源开关写保护单元和部锂电池等部分组成。
DS12887引脚分配如图所示：
⑤键盘电路
在窗帘控制器设计中的键盘采用的是4×4矩阵键盘。
这16个按键分别为：
设定键主要是用来设定自动窗帘打开或者关闭的时间；0-9数字键，其作用主要是用于设定时间；复位键主要应用在程序出错以与误操作的时候使单片机复位，从而重新设定；反转键是使步进电机反转，控制窗帘关闭；正转键是使步进电机正转，从而控制窗帘打开；停止键可以控制步进电机停止工作，窗帘控制器停止运行；确定键主要是用于在时间设定完成后的确定输入。
图8键盘接口电路
⑥显示电路
显示电路主要是用于显示时间。
采用LED数码管进行显示是因为LED数码管具有以下几个优点：
（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。
（2）发光响应时间极短（<0.1μs），高频特性好，单色性好，亮度高。
（3）体积小，重量轻，抗冲击性能好。
本设计采用的是4位LED数码管的串行驱动电路来达到显示的目的。
驱动器采用74LS164，由单片机89C51的P3.0和P3.1来控制LED数码管的显示。
显示电路图如9所示。
图9显示电路
74LS164是8位串行输入，并行输出的移位寄存器。
其引脚与各个引脚的作用如下图10所示：
符号
引脚
说明
DSA
1
数据输入
DSB
1
数据输入
Q0~Q3
3~6
输出
GND
7
地（0V）
CP
8
时钟输入（低电平到高电平边沿触发）
/MR
9
中央复位输入（低电平有效）
Q4~Q7
10~13
输出
VCC
14
正电源
图1074LS164引脚与说明
⑦A\D转换电路
A/D转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。
ADC0809的主要特性有：
A、8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
B、具有转换起停控制端。
C、转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）
D、模拟输入电压围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
E、工作温度围为-40～＋85摄氏度
F、低功耗，约15mW。
ADC0809芯片为28引脚的双列直插式封装：
⑧光敏传感器
窗帘自动控制器的光控功能是可以根据光照的强弱来自动控制窗帘的开闭的，因此需要用到光照传感元器件，本设计采用了型号为GL3526的光敏电阻。
光敏电阻与单片机的连接如图11所示：
图11光敏传感器
⑨步进电机
下图为步进电机运行原理图。
在步进电机控制电路中，步进控制器的作用是把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。
在实际应用中由软件代替步进控制器，其优点是使线路简化，降低成本，可靠性提高。
在窗帘控制器中选用了型号为130HZ308-450的三相反应式步进电机，其优点是力矩大，精度高，。
步进电机电路与单片机的连接如图12：
图12步进电机电路与单片机的连接
自动窗帘控制器的驱动器可以选用大功率复合管，也可以是专门的驱动器，比如光电隔离器，采用光电隔离器一是可以抗干扰，二是起到电隔离的作用。
这样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影响主控部分。
另外，一旦驱动电路出现故障，也可以隔离较大的电压，不致串入单片机而使其损坏。
步进电机的驱动电路也有很多种，最为常见的是单电压驱动，双电压驱动以与细分驱动等。
本设计采用的是细分驱动电路，电路图如13所示。
图13细分驱动电路
⑩信号校正电路
在模拟信号采集过程中，难免会碰到采集信号过于微弱，难以接收到，此时必须采用一个信号放大电路对信号进行一定倍数的放大才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，并且放大器还不能产生干扰信号，因此必须选择一种符合要求的放大器。
此外，进行信号采集时，采集到的信号不仅是有用的信号，还有很多干扰信号，应该选用具有频率选择作用的滤波器，这样可以比较有效地滤除噪声和分离各种不同信号,在本设计中采用了低通滤波器。
如图14所示。
图14放大滤波电路
5、程序分析与设计
器软件设计主要有几部分组成，其中包括显示子程序，按键子程序，定时时钟程序，步进电机控制程序等。
本章介绍了自动窗帘控制器的主程序以与各主要部分功能程序的设计过程。
①主程序设计
主程序流程图如图15所示：
图15主程序流程图
主程序流程说明：
电路主要分为以下几个部分，分别是电源部分、显示部分、按键部分、步进电机控制部分、A\D转换部分、单片机主控器件部分，各部分具有不同的子程序。
主程序的作用主要是先初始化寄存器以与显示容；然后查询按键操作，并且对按键进行分析以与处理，通过分析处理，对于设定键，则设定时间，到了设定的时间后步进电机工作。
对于控制键，执行窗帘开闭的工作。
如果经过分析后都不是，采取复位的操作。
②主要子程序设计
A、键盘程序设计
在单片机处理按键操作后都延时5ms，如果确定是按键后再延时12ms，这样基本可以避免键盘的抖动。
然后由单片机进行键码分析，并执行相应的命令，显示并且返回。
图16是键盘程序设计流程图。
图16键盘程序流程图
按键设置采用了扫描法，要判断键盘中有无键按下时将全部行线Y0-Y3置低电平，列线置高电平，然后检测列线的状态。
只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。
若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
③定时程序设计
图17是定时程序流程图。
图17定时程序流程图
④步进电机程序设计
图18是步进电机程序流程图。
图18步进电机程序流程图
步进电机程序设计的主要任务是：
（1）判断旋转方向；
（2）按顺序传送控制脉冲；
（3）判断所要求的控制步数是否传送完毕。
对于三相单三拍的设计，其控制方式模型如下：
步
序
控制位
工作
状态
控制
模型
P.7
P.6
P.5
P.4
P.3
P.2
C相
P.1
B相
P.0
A相
1
0
0
0
0
0
0
0
1
A
01H
2
0
0
0
0
0
0
1
0
B
02H
3
0
0
0
0
0
1
0
0
C
04H
总之，只要按一定的顺序改变P1.0～P1.2三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。
而对于节拍比较多的控制程序，通常采用循环程序进行设计。
总结
本次设计器地介绍了自动窗帘控制器的硬件电路设计以与软件设计。
在总体方案设计中以光敏电阻作为传送信号的传感器，用步进电机作为信号输出的执行元件，89C51单片机作为主要的控制元器件，并且应用了按键以与和显示电路。
应用89C51单片机的优势减少了硬件的复杂性，光敏电阻接收外界光照信号，经过A\D转换后，传送给单片机一个电信号，单片机经过处理后，控制步进电机做出相应的动作，以控制窗帘的开闭。
在实现一般应用的基础上，又添加了定时元器件电路，使窗帘的自动化性能得到进一步提升。
光敏电阻的良好感光性以与步进电机的结构简单，控制方便的优点使窗帘控制开关更加稳定。
本次毕业设计的整个研究与设计过程包括选题、设计以与完善等。
首先，在选题方面查阅了很多与题目有关的资料和课题并且制定设计方案，进行设计的总体规划，然后将这些方案落实到设计环节中。
其次，在制定的方案基础上运用所学的知识对硬件以与软件进行设计，并用相关软件进行仿真设计。
最后，对设计容进一步修缮，以求达到最佳设计结果。
虽然设计容完成了基本的功能，但是其中还是存在一定欠缺，比如在设计中没有考虑到窗帘工作方式的显示以与没有添加类似红外遥控的设计等。
此次设计过程中，在完成设计任务之外也让我器性地认识和全面地掌握了单片机相关技术，从本次毕业设计中我更加深刻地认识到理念来源于实际的含义。
在和同学以与老师的就相关问题的互相讨论交流中，我认识到自己的很多不足，但在这些不足中我又学到了很多知识，使我的综合应用能力有了很大提高。
致
经过这么长时间的忙碌，毕业设计和论文已经接近尾声。
在毕业设计的过程中，由于经验的缺乏以与知识的局限性，难免有许多考虑不周全的地方，在选题，设计等方面，如果没有导师的督促指导，没有同学们的支持和帮助，单独完成这个设计，其中还是有一定难度的。
在论文完稿之际，我想借此机会对在完成毕业设计期间关心、帮助、支持和鼓励过我的老师、同学以与朋友们致以最诚挚的意和最衷心的祝福！
首先我要感的是我的导师老师，在完成整个毕业设计的过程中，老师给我提供了很大的帮助，在选题、设计以与修改论文的各个环节里老师给我指出了很多错误，提出了很多宝贵意见，对于设计中存在的问题也是耐心的回答和指导，让我能够顺利的完成毕业设计。
在此谨向老师致以诚挚的意和崇高的敬意。
其次要感的是所有在大学四年中教育指导过我的所有老师，你们传授给我的专业知识是我完成本设计的基础，也是日后踏入工作岗位的重要基石，对于老师们一丝不苟，兢兢业业的精神表示衷心的感。
最后我还要向所有关心和支持我学习的朋友和同学们表示真挚的意！
感你们对我的关心、关注和支持。
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