红外线遥控自动窗帘.docx
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红外线遥控自动窗帘
摘要
本文首先介绍了智能家居的基本知识及其应用前景，进而阐明了开发作为智能家居中一个很重要部分——红外线遥控自动窗帘的意义。
随后着重介绍了开发单片机控制的红外线遥控窗帘系统所用到的集成芯片AT89C51、DS1302芯片、红外线发射接收器等硬件的结构原理。
本文采用分块的模式，对整个系统的硬件电路设计进行分析，分别给出了系统总体框图、电源电路、时钟DS1302电路、鸣响电路、红外线接收电路、电机控制电路、显示电路，并对相应电路设计进行了相关的阐述。
随后讲述了软件的编写思路，也是采用分块的模式，分别写出了红外线解码程序、时钟芯片DS1302控制程序、数码显示程序、遥控控制程序的编写思路，每一模块都画出了其方框图，看起来一目了然。
目录
摘要I
1绪言1
1.1课题背景1
1.2国内外概况1
1.3课题的研究工作2
2核心芯片结构原理介绍4
2.1中央控制器——AT89C20514
2.1.1AT89C2051的特点4
2.1.2AT89C2051引脚功能4
2.2红外线发射码组成原理5
2.2.1红外线一体化接收头5
2.2.2红外线发射码组成6
2.3时钟芯片DS13027
2.3.1DS1302的引脚排列及其内部结构8
2.3.2DS1302数据传输方式9
3硬件电路原理设计10
3.1电源部分10
3.2时钟芯片DS130210
3.3鸣响电路设计10
3.4红外线接受电路11
3.5电机执行电路11
3.6数码管显示电路11
4系统软件设计14
4.1红外线解码14
4.2DS1302的控制程序15
4.3数码管显示设计17
4.4遥控控制部分18
5总结与展望20
致谢22
参考文献23
附录25
1绪言
本章阐述了单片机控制的红外线遥控自动窗帘系统的市场价值、研究背景、国内外的现状、以及发展方向，明确指出了单片机控制的红外线遥控自动窗帘系统所面临的问题及一些解决方案。
1.1课题背景
生活在提高，时代在进步，人类在向文明迈进，不同的时代对居住空间、环境有不同的要求，这是社会的必然潮流[1]。
单片机控制的自动窗帘遥控系统，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。
所以该产品能形成大规模生产，很快会普及全国市场，产生巨大的经济效益；另外，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。
遥控自动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。
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，为家庭用户营造一个高效、舒适、便利、环保的居住环境。
单片机控制的遥控自动窗帘只用一个多功能遥控器就能控制和监测住房的窗帘开关问题，给人们日上生活带来极大的方便。
这些都将改变人们传统的生活方式，并提高了人们的生活质量。
其二、牵动一大批产业。
单片机控制的遥控自动窗帘产品面向家庭用户，其应用市场是庞大的，发展前景也是广阔的，必将吸引大批有远见的各类企业介入，从而牵动一大批产业的发展。
这里最先受益的应该是房地产业，单片机控制的遥控自动窗帘不仅是一个很好的概念与“卖点”，同时也是直接提升住宅档次的一个条件，这将会给房地产商带来新的利润空间。
在家居集成化、网络化的趋势下，家居集成也成为一种潮流，许多更专业的、美观的、智能化的家居集成产品相继出现。
其三，开拓一个崭新的市场。
遥控自动窗帘系统牵动了许多的行业，它将不仅仅是目前的IT系统集成商或建筑弱电工程总包商的市场，而且是专业公司和智能化装饰公司的市场[2]。
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，其行业发展之迅速是目前国内任何其它行业所无法比拟的。
目前，我国遥控自动窗帘系统生产厂商、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[3]。
随着自动窗帘热潮在世界范围内的日渐兴起，随着中国电子技术的飞速发展、人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用，自动窗帘已经成为未来家居装饰潮流发展的最新方向，在不久的将来，没有自动窗帘系统的住宅肯定不合潮流。
从目前的发展趋势来看，在未来的20年时间里，自动窗帘行业将成为中国的主流行业之一，其市场的发展前景是非常广阔的。
1.3课题的研究工作
智能家居系统是一个大的社会系统工程，我们应当加快我国智能家居标准化进程。
自动窗帘系统作为智能家居中一个很重要的部分，需要在我国智能家居这一领域，建立起一个具有中国特色的新兴、健康的产业链。
让自动窗帘系统在我国并不是远在天边，而是近在眼前。
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。
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、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，可谓一物两用。
（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）另一种控制方式为手动控制方式，防止停电后采用手动控制。
（5）美观。
以往的遥控电动窗帘都是向一边拉或向上拉，而本设计为向两边打开，随个人的爱好可以控制其大小。
（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[4]。
2核心芯片结构原理介绍
为使基于单片机控制的红外线遥控系统在实际使用过程中方便快捷，并且具有较高的性能/价格比，所以对该系统的原器件作了精心挑选。
按在实际工作中的作用，可分为以下几个部分：
AT89C2051单片机是整个电路的核心，它控制其它模块来完成各种复杂的操作；红外线一体化接受头负责接受命令；芯片DS1302负责时钟的运行及设置参数的存储。
2.1中央控制器——AT89C2051
89C2051是由ATMEL公司推出的一种小型单片机，95年出现在中国市场。
其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，且采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，可以很快被中国广大用户接受。
其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易，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[5]。
2.1.1AT89C2051的特点
89C2051有很宽的工作电源电压，可为2.7～6V,当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。
89C2051工作于12Hz时，动态电流为5.5mA，空闲态为1mA,掉电状态仅为20nA。
这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。
AT89C51具有以下几个特点：
·AT89C51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；
·全静态工作,工作范围:
0Hz～24MHz；
·三级程序存储器加密；
·128×8位内部RAM；
·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；
·间歇和掉电两种工作方式[6,7]。
2.1.2AT89C2051引脚功能
（1）口线：
P0、P1、P2、P3共四个八位口。
▪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的读/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,故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口也可以作为用户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[8]。
表2.1P3口第二功能
2.2红外线发射码组成原理
遥控器发射装置首选家用彩电遥控器。
因为目前，彩电和VCD已走进千家万户，而其所带的红外线遥控器给这些家电的操作带来了极大的方便，而接受只需一个红外线一体化接受头就行了。
2.2.1红外线一体化接收头
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。
TSOP18xx系列是Temic公司新近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TSOP18xx系列的管脚分布如图2.1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。
TSOP18xx系列的特性如下：
（1）多种接收频率可供选择：
30kHz、33kHz、36kHz、36.7kHz、38kHz、40kHz、56kHz；
（2）大范围工作电压：
（3～6）V；（3）工作电流：
3mA；（4）遥控距离：
大于4m；（5）内置金属保护装置；（6）综合限幅电路功能；（7）多种主要传输码；（8）智能自动增益控制（AGC），在不同的环境下也能发挥较高接收灵敏度。
TSOP18xx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TSOP18xx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。
图2.1红外线一体化接收头TSOP18xx
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，大概有以下两种编码格式（Format）。
第一种格式为1913、9012、1621格式；第二种为3010格式。
其中尤以第一种格式用得最多。
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。
下面分别具体说明这两种编码格式[9]。
第一种格式以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），见图2.2：
图2.2：
1621帧格式
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’码和‘1’码的结构见图2.3，‘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。
图2.31621格式码元
第二种格式3010与第一种格式截然不同，它是以信号脉冲的上升沿和下降沿来分别表示‘1’码和‘0’码的。
其帧格式见图2.4，每一帧由起始位（Startbit）、扩展位（Enlargedbit）、翻转位（Togglebit）、系统位（Systembit）和数据位（Databit）组成。
其位码结构见图2.5。
码元高电平也是采用38kHz载波调制发射[10]。
图2.43010帧格式
图2.53010格式码元结构
2.3时钟芯片DS1302
DSl302是美国Dallas公司生产的一种串行实时时钟/日历芯片，以串行方式与单片机进行数据传送，它能够向单片机提供：
秒、分、时、日、月、年、及星期等实时时间信息，并能够对闰年天数自动调整，日历有效至2100年。
DSl302由双电源中较大者供电，使系统在没有主电源的情况下也能保持时钟的连续运行。
片内具有31个字节静态RAM，可用来保存重要数据。
DSl302具有引脚少、体积小、价格低等优点，得到了广泛应用。
但由于其时序要求比较严格，应用程序不易编写，给开发者带来不便。
为此，本文对其进行详细分析和阐述并在分析其时序的基础上给出了DSl302与单片机连接的接口电路和通讯子程序。
2.3.1DS1302的引脚排列及其内部结构
DS1302的引脚排列如图2.6所示，其引脚描述如表2.2所示。
图2.6DS1302时钟芯片
表2.2DS1302引脚描述
引脚号
符号
描述
引脚号
符号
描述
1
Vcc2
备用电源引脚
5
复位引脚
2
X1
晶振引脚
6
I/O
数据输入/输出引脚
3
X2
晶振引脚
7
SCLK
串行时钟输入引脚
4
GND
电源地引脚
8
Vcc1
主电源引脚
DS1302串行实时时钟芯片主要由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟及31个字节RAM组成,其内部结构如图2.7所示。
数据传送前，必须把置为高电平且把提供地址和命令信息的8位字节装入到移位寄存器。
在进行单字节传送或多字节传送时，开始的8位命令字节用于指定40个字节（31个字节RAM和9个字节时钟寄存器）中哪个将被访问[11]。
DS1302由8个时钟寄存器和两个控制寄存器组成，各寄存器的位描述如图2.6所示，时钟寄存器以BCD码格式储存数据。
图2.7DS1302寄存器
2.3.2DS1302数据传输方式
对DS1302进行任何数据传送时,第一个数据字节必须是命令字节,格式如图2.8所示,其最高有效位MSB（位7）必须为逻辑1。
如果它是零,禁止写DS1302。
位6为逻辑0时指定传送时钟/日历数据;逻辑1指定传送RAM数据。
位1至5指定进行输入或输出的特定寄存器的地址。
最低有效位LSB（位0）为逻辑0时指定时进行写操作（输入）;逻辑1指定进行读操作（输出）。
命令字节总是从最低有效LSB（位0）开始输入[12]。
图2.8地址/命令字节
时钟芯片DS1302是采用I2C总线来传输数据的。
I2C（Inter－IntegratedCircuit）总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。
I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。
I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。
由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。
总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。
I2C总线的另一个优点是，它支持多主控（multimastering），其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。
一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。
当然，在任何时间点上只能有一个主控。
3硬件电路原理设计
电路分为七个部分，分别是电源部分、显示部分、鸣响提示部分、红外线接收部分、时钟控制部分、电机控制执行部分、单片机主控器件部分。
3.1电源部分
通过一带有整流电路的12V变压器外接市电（220V）后，与图3.1中左边插座相连接，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。
然后输出电压为+12V的VDD，为控制继电器提供工作电压。
同时经过3端集成稳压器LM7805稳压后输出+5V电压VBB,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D4、限流电阻R18=51后，为单片机提供VCC电压，BATTERY是直流供电电源，电压为3V～3.6V,在本电路中为了节省成本，使用两节5号普通电池，C6和C7是单片机电源滤波电容。
平时交流电正常的情况下，5V电源为单片机供电的同时，也为电池浮充电，大大延长了电池的使用寿命，当交流电停电的时候，电池仅为单片机供电，单片机在掉电状态下维持时钟的正常走时，VBB供电被D4隔断。
在控制器设置成手动控制时，单片机除执行任务外，均处于睡眠状态，遥控器信号的到来，单片机从睡眠中唤醒，恢复正常工作，所以手动状态下当交流停电时，电池的耗电电流更小。
3.2时钟芯片DS1302
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与CPU的连接仅需要三条线，即SCLK（7）、I/O（6）、RST（5）。
DS1302与CPU连接的电路原理如图3.1所示[13]。
要特别说明的是备用电源B1，可以用电池或者超级电容（10万uF以上）。
虽然DS1302在主电源掉电后，耗电很小，但如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电电池。
可以用老式电脑主板上的那种3.6V充电电池。
如果断电时间较短（几小时或几天）时，就可以用漏电较小的普通电解电容代替。
100uF就可以保证1小时的正常走时。
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开关窗帘时间[14]。
3.3鸣响电路设计
鸣响电路可以设计成一个单独的单元来控制，用一个独立的按键来控制它的开与关，但是红外线发射遥控器是采用彩色电视机上的遥控器，而非专用遥控器，考虑到使用的按键较多时容易让用户记不清各个键对应的功能，所以容易产生误操作；别外考虑到可以选取一个功率比较小，声音比较悦耳的陶瓷喇叭，这个喇叭一方面能掩盖电机和窗帘发出来的噪声，另一方面也能作为检错用。
一般情况下人们不会把它当噪声来看待
鸣响电路与单片机的一个P口引脚相连，应程序设定在开窗帘和关窗帘的时候都会伴随着声音。
喇叭采用小功率的陶瓷音源，声音不会很大。
音频信号输出，音频信号通过R20、C10输入到三极管V6的基极上，放大后推动发声器Y1发。
二极管D3用来提供C10的放电回路，保证交流信号的正常耦合[15]。
3.4红外线接受电路
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，同时在手动工作状态下，单片机进入睡眠后，利用外部中断功能完成对单片机的唤醒。
3.5电机执行电路
电机执行电路，为了减轻单片机的工作负荷，提高单片机的抗干扰能力，所以电机不直接由单片机来驱动。
当继电器的触点打开时,没有漏电流.也就是说,断开状态的电阻非常大（接近无穷大）,此时触点两侧的电压可达1500V;当触点合上时,接通电阻极低,所以继电器的功率非常小.因此继电器不会发热,通常也不需要散热器;电磁继电器的购买成本通常比半导体驱动器件低;继电器的打开时间一般是毫秒级的,相比之下,半导体开关的开关时间是微秒级的。
电机执行部分完全受单片机的控制，通过单片机的P3.0和P3.1完成。
单片机复位状态下P3.0和P3.1输出高电平，三极管V1、V2，V4、V5截止，两个继电器J1、J2释放状态，方向可逆的电动机因无电源供电而停止。
当P3.0或者P3.1其中有一个被拉低后，两个继电器便会有一个导通，例如P3.0拉低后V1导通、V4导通，J1吸合，电机得电转动，当只有P3.1拉低后，电机则反方向转动，实现了窗帘的拉开和关闭。
两个继电器的工作状态受单片机控制，在同一个时间内两个继电器仅能有一个吸合。
即便是在电机工作期间，操作了反向转动按键，单片机也是先释放当前工作的继电器，并延时一段时间后再吸合另外一个继电器，防止了电机正反工作线圈同时通
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