智能电动百叶窗的设计.docx

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智能电动百叶窗的设计

设计题目：

智能电动百叶窗的设计

学院：

年级：

专业：

姓名：

学号：

指导教师：

单片机课程设计

年月日

一．设计容及意义

（一）课程设计题目：

智能电动百叶窗

（二）任务详情：

本项目利用AD加光敏电阻传感器，按键及DA对直流电机的控制实现智能百叶窗的控制。

具体功能：

数码管显示测量结果光强，设置三个按键：

手动/自动切换、手动正转和手动反转，用一个发光二极管显示手动/自动状态，自动状态时二极管亮。

设置两个极限位置保护行程开关，用于保护百叶窗叶片：

当正转到极限位置压下行程开关时，电机停止正转，但还可以反转；当反转到极限位置压下行程开关时，电机停止反转，但还可以正转。

二．整体设计原理及方案

（一）基本要求：

1、用MCS-51单片机，6MHz时钟，常规的上电手动复位电路

2、3个以上的按键

3、LED或/和数码管/和LED显示及其接口

4、至少2路输入信号，可以使模拟量或数字量

（二）基本工作原理：

本设计就是应用传感器技术、单片机技术以及直流电机来控制百叶窗调节杆的旋转角度从而达到控制百叶窗的目地.设计主要包括光传感器、单片机控制系统、直流电机、百叶窗自动机构,电源用直流电源；电机驱动的电路与电机连接。

本设计用新型光敏电阻感应室的光照强度将室光照强度或手动开关作为输入的模拟信号，通过AD转换将模拟信号转换成数字信号,再经过51单片机处理之后,将输出信号用来控制直流电机的转向，从而实现百叶窗的开关以及透光角度大小。

（三）各元器件资料：

1.8051单片机

8051是一种8位元的单芯片微控制器，属于MCS-51单芯片的一种，由英特尔公司于1981年制造。

INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，如Atmel、飞利浦、深联华等公司，相继开发了功能更多、更强大的兼容产品。

8051单芯片是同步式的顺序逻辑系统，整个系统的工作完全是依赖系统部的时脉信号，用以来产生各种动作周期及同步信号。

在8051单片机中已建时钟产生器，在使用时只需接上石英晶体谐振器（或其它振荡子）及电容，就可以让系统产生正确的时钟信号。

引脚的功能：

MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分地布请参照----单片机引脚图：

8051引脚

lP0.0~P0.7P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。

lP1.0~P1.7P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。

lP2.0~P2.7P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。

lP3.0~P3.7P3口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。

P0口有三个功能

1、外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0~D7为数据总线接口）

2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0~A7为地址总线接口）

3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

P1口

只做I/O口使用：

其部有上拉电阻。

P2口有两个功能

1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用

2、做一般I/O口使用，其部有上拉电阻；

P3口有两个功能

除了作为I/O使用外（其部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。

有部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，

即：

编程脉冲：

30脚（ALE/PROG）

编程电压（25V）：

31脚（EA/Vpp）

接触过工业设备的兄弟可能会看到有些印刷线路板上会有一个电池，这个电池是干什么用的呢？

这就是单片机的备用电源，当外接电源下降到下限值时，备用电源就会经第二功能的方式由第9脚（即RST/VPD）引入，以保护部RAM中的信息不会丢失。

（注：

这些引脚的功能应用，除9脚的第二功能外，在“新动力2004版”学习套件中都有应用到。

）

上拉电阻

在介绍这四个I/O口时提到了一个“上拉电阻”那么上拉电阻又是一个什么东东呢？

他起什么作用呢？

都说了是电阻那当然就是一个电阻啦，当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。

ALE/PROG地址锁存控制信号

在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

（在后面关于扩展的课程中我们就会看到8051扩展EEPROM电路，在图中ALE与74LS373锁存器的G相连接，当CPU对外部进行存取时，用以锁住地址的低位地址，即P0口输出。

ALE有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。

当ALE是低电平时，P0口上的容和锁存器输出一致。

关于锁存器的容，我们稍后也会介绍。

在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。

从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。

PORG为编程脉冲的输入端

在第五课 单片机的部结构及其组成中，我们已知道，在8051单片机部有一个4KB或8KB的程序存储器（ROM），ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个ROM中的呢？

实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG。

PSEN外部程序存储器读选通信号：

在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。

1、部ROM读取时，PSEN不动作；

2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；

3、外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；

4、外接ROM时，与ROM的OE脚相接。

参见图2—（8051扩展2KBEEPROM电路，在图中PSEN与扩展ROM的OE脚相接）

EA/VPP访问和序存储器控制信号

1、接高电平时：

CPU读取部程序存储器（ROM）

扩展外部ROM：

当读取部程序存储器超过0FFFH（8051）1FFFH（8052）时自动读取外部ROM。

2、接低电平时：

CPU读取外部程序存储器（ROM）。

在前面的学习中我们已知道，8031单片机部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。

3、8751烧写部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。

RST 复位信号：

当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。

XTAL1和XTAL2外接晶振引脚。

当使用芯片部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

VCC：

电源+5V输入

VSS：

GND接地。

AVR和pic都是跟8051结构不同的8位单片机，因为结构不同，所以汇编指令也有所不同，而且区别于使用CISC指令集的8051,他们都是RISC指令集的，只有几十条指令，大部分指令都是单指令周期的指令，所以在同样晶振频率下，较8051速度要快。

另PIC的8位单片机前几年是世界上出货量最大的单片机，飞思卡尔的单片机紧随其后。

ARM实际上就是32位的单片机，它的部资源（寄存器和外设功能）较8051和PIC、AVR都要多得多，跟计算机的CPU芯片很接近了。

常用于手机、路由器等等。

DSP其实也是一种特殊的单片机，它从8位到32位的都有。

它是专门用来计算数字信号的。

在某些公式运算上，它比现行家用计算机的最快的CPU还要快。

比如说一般32位的DSP能在一个指令周期运算完一个32位数乘32位数积再加一个32位数。

应用于某些对实时处理要求较高的场合

2.ADC0809

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

外部特性（引脚功能）

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。

下面说明各引脚功能：

IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

2-1～2-8：

8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

ALE：

地址锁存允许信号，输入端，产生一个正脉冲以锁存地址。

START：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

EOC：

A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：

数据输出允许信号，输入端，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHz。

REF（+）、REF（-）：

基准电压。

Vcc：

电源，单一+5V。

GND：

地。

3.光敏电阻传感器电路

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。

国主要厂商有OTRON品牌等。

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。

最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。

4.数码管

简介

液晶显示器简称LCD（LiquidCrystalDisplay）。

它的重量轻、体型薄、工作电压低、功耗极微,适合用电池供电的携带式电子设备。

其缺点是可视角度小、对温度变化敏感。

温度过高或者过低时，显示器对比度将降低。

　　液晶数码显示器的每一位用七段显示数字0~9，加上小数点，共八个段电极。

每个段电极各自单独引出，背电极则连接在一起成为公共电极。

当背电极与段电极上的电平相反时，该段就显示；当电平相同时，该段就消失。

液晶数码显示器如图l所示。

液晶数码显示器大量应用在各类电子设备、仪表中，特别是在袖珍式和便携式电子产品中应用非常广泛。

　　液晶数显管通常是多位应用,多位液晶数显管的图形符号如图2所示。

图形符号右上角的数字表示它的位数。

结构

LED数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。

位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。

图2是共阴和共阳极数码管的部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。

颜色有红，绿，蓝，黄等几种。

led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。

选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。

5.驱动方式

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

静态显示驱动

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：

），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

动态显示驱动

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低

三．硬件电路图

直流调压调速测速电机原理

直流调压调速电机模块由测速电路和调速电路两部分组成。

模块的电源由接口总线引入。

本模块中使用的电机为12V的直流电机。

一、电机测速部分

（1）直流电机测速原理介绍

电机测速部分由一个霍尔开关和信号放大电路组成。

与电机同轴的转盘上装有两块的强力磁钢，它们的磁极性相反，以保持转盘的平衡并保证转盘每转一周霍尔开关只导通一次。

霍尔开关平时输出为正电压，当转盘上的磁钢与霍尔开关正对时，霍尔开关输出负电压，经整形、放大输出。

单片机通过对负脉冲计数，可计算出电机的转速。

（2）电机测速部分电路原理及说明

图3—56

3144为霍尔开关，整形、放大由LM358完成。

LM358作为比较器使用。

SIGNAL为负脉冲输出接口，对应于模块上的SIGNAL插孔。

可直接用SIGNAL信号进行测速。

此外，模块还提供了另一种测速方法。

如下图所示：

图3—57

平时使START保持低电平，OUT2输出为低电平，OUT1为高电平。

拉高START表示允许测速，此时OUT1的下降沿启动计数，上升沿停止计数，表示测速结束。

二、电机调速部分

电机调速的原理是通过改变电机两端的电压来改变电机的转速。

其原理如下：

图3—58

该部分电路测试方法：

DRV接GND，调节电位器R9，可以观察到电机转速的变化。

四．程序设计流程图

主程序框图

五．问题及心得

本文介绍了智能电动百叶窗的设计，较为详细的介绍了只能电动百叶窗从硬件电路设计到软件设计的一系列步骤。

设计主要采用直流电动机执行元件，以光敏电阻作为传感元件，89C51单片机作为控制芯片，从而实现了智能电动百叶窗的设计。

同时，由于设计的时间和能力有限，没有对智能电动百叶窗的许多其他功能和技术没有进行进一步的研究，如电机旋转速度和光杆强度的优化等，没有完成实物的设计。

但是，通过智能电动百叶窗课题设计，不仅让我掌握了关于单片机系统和电子操作软件等各方面的知识，更是将所学电工电子有效的与单片机结合在了一起。

在实践和动手能力方面更是有了很大的提升。

6．参考文献

1、.baidu. 

2 、.google. 

3、查电子元器件资料:

 .21icsearch./ 

4、胡汉才编著，单片机原理及系统设计，清华大学

5、建民编著，机电一体化系统设计，高等教育