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本科工程实践项目论文
工程实践项目论文
论文题目智能电动窗帘设计
学生姓名
专业
班级
指导教师
职称
二O一一年十一月
智能窗帘系统设计
摘要
本文描述了智能遥控窗帘系统的设计和工作原理，给出了智能遥控窗帘系统的硬件原理图、软件流程图。
用单片机实现窗帘控制，为传统的手拉式或滑轮式窗帘应用模式转轨到新的红外模式和光敏电阻模式以及按键模式提供了具体解决方案，也为窗帘的智能化发展提供了新的思路。
本文的主要研究工作如下：
使用价格相对便宜的红外线遥控发射芯片、和光敏电阻模块和按键开关来实现对智能窗帘的半自动和全自动的控制；
使用技术成熟的单片机最小系统作为主要控制系统，因为它是一个软硬件相结合的系统，软件是控制单片机控制的程序源代码；硬件是实现系统控制功能的电子元件、单元电路的组成；
使用由四个MOS管连接H桥式电机驱动电路作为驱动模块实现对直流电机的驱动。
由于时间和技术上的限制，未来还需要针对智能窗帘各个模块的参数进行调优，通过与实际问题相结合的设计得到更好的结果。
关键词：
自动窗帘系统；红外线遥控；光敏电阻模块；H桥式电机驱动电路；单片机最小系统
TheDesignofIntelligentCurtainSystem
Abstract
Thispaperdescribestheintelligentremotecontrolcurtainsystemdesignandworkingprinciple,presentstheintelligentremotecontrolcurtainsystemhardwarediagram,thesoftwareflowchart.WithMCUcurtainscontrol,forthetraditionaltypeorpulleytypecurtainapplicationmodetransitiontothenewinfraredpatternandphotosensitiveresistancemodeandkeymodelprovidesspecificsolutions,aswellasthecurtainintelligentdevelopmentprovidesanewtrainofthought.
Themainresearchworkwasasfollows:
Theusedoftherelativelycheappriceoftheinfraredremotecontroltransmittingchip,andphotosensitiveresistancemoduleandakeyswitchtoachievetheintelligentcurtainsemi-automaticandfullyautomaticcontrol;
TheusedofmaturetechnologyofSCMsystemasthemaincontrolsystem,becauseitisacombinationofsoftwareandhardwaresystem,softwarecontrolmicrocontrollercontrolprogramsourcecode;hardwaresystemwastorealizethecontrolfunctionoftheelectronicelement,circuitunit;
UsedwhatismadeoffourMOStubeconnectingtheHbridgemotordrivecircuitfordrivingmoduleforDCmotordrive.
Becauseofthetimeandtechnicallimitations,futureneedforintelligentcurtainmodulesofthetuningparametersoftheactualproblem,andbycombiningthedesigntogetbetterresults.
Keywords:
automaticcurtainsystem;infraredremotecontrol;thephotosensitiveresistormodule;Hbridgemotordrivecircuit;thesmallestsingle-chipsystem
论文总页数：
40页
附录21
附录A印制板电路图21
附录B硬件电气原理图22
附录C程序源代码23
1引言
1.1项目概述
如果说建筑是凝固的音乐，那么完美的家庭智能化自动控制系统则是这首乐曲上绝妙的音符。
在科技发达、物质富庶的今天，自控系统已不单纯是实现室内基本安防、照明、采暖的工具，而且是建筑装饰的一种实用艺术品，是自动化技术与建筑艺术的统一体。
完善的自控系统集装饰、照明、安防及节能于一身，尽力达到完美与和谐的统一，充分利用科学与艺术的搭配，光与影的组合以及安防与空调的自动控制来创造各种舒适、优雅的环境，以加强室内空间效果的气氛。
而智能窗帘作为智能家居的一部分，更显得尤为重要。
试想，当你在看电视前还要去理会那窗帘的开关实在是一件烦人的事情，当你躺在床上的时候，发现窗帘没有关上的时候,当你早上醒来发现房间里乌黑一片……你是不是很恼火啊。
为了解决这些生活中碰到的实际问题，智能窗帘设计便应运而生。
1.2设计目的
自动定时来实现窗帘的定时张开与关闭，早上定点拉开窗帘，同时起到早上提醒业主起床的作用，给人营造温馨与舒适的环境。
实现一键控制功能，可以一键将窗帘拉开或关闭。
1.3设计任务
1）室外光强高于30KLX时，该电路自动控制电机使窗帘拉开。
2）设置两个手动按钮，一个控制窗帘向两边张开，一个控制窗帘向中间闭合，此时的操作不受光的控制。
1.4研究思路和方法
定时开关要实现双定时，则其主要的技术在与将不同强度的光信号转化为不同值的电信号，同时对电信号进行取样，再使用一个专业的窗口比较器LM393对电压值进行分段，来实现双定时；
一键控制在于的是简洁方便，同时为了降低成本，加强实用性，课题选用红外控制和按键控制两种键控制方式来实现对窗帘的一键控制功能；
在执行机构方面，为了降低成本和维护实物的美观性，课题采用了一个直流电机，采用三脚架结构固定安放电机，通过对绳索在电机凹槽的缠绕方式的不同，来实现窗帘的左右开合。
2.项目总体方案设计
2.1系统原理框图
系统原理框图如图1所示：
图1系统原理框图
2.2工作原理
首先这款智能电动窗帘属于智能家居的一个分模块，因此电源供电以室内交流电220V最为合适，因为课题使用了以单片机为主控芯片的控制器和12V直流减速电机，所以整个模块需要12V、5V两种直流电源；5V电源为主控制器电源，12V电源为MOS管H桥驱动电路电源；
主控制器选用了以单片机为主控芯片的最小控制系统，使用了软硬件结合的方式来实现整个窗帘的智能化；
红外控制课题选用了市场上比较实用SM0038系列的红外模块来实现；
定时模块课题采用了以可见光光敏电阻器为传感器，通过传感器检测光的强弱来确定相对应的电压值；
驱动电路选用了以MOS为核心的H桥式驱动电路来驱动电机正反转，
3系统硬件设计
3.1单元电路工作原理和实现功能:
3.1.1电源指示灯模块：
利用发光二极管作为电源指示灯，批示电源是否接通。
电路原理图如右图所示：
发光二极管的压降Uon约为1.8V,通过二极管的电流I=（Vcc-Uon）/R5≈0.63mA；
图2电源指示灯图
3.1.2220伏交流电转12伏直流电模块：
图3220V交流电转12V直流原理图
课题选择了一个220---12V的变压器，得到一个12V的交流电，再通过由4个N4007整流二极管组成的H桥整流电路和一个50V—1000uF的极性电容来得到一个直流12V电源;
J1排针口为220伏交流电输入口，T1为220伏到12伏的变压器，四个整流二极管N4007型号的组成的整流器，C2为是整流滤波电容；
为了减小元件误差，课题使用了7812和7805三端稳压芯片来得到12V、5V的直流电源。
3.1.37812稳十二伏稳压模块：
图412V稳压模块原理图
12V电源为MOS管H桥驱动电路电源；
J3是从220伏交流电转12伏直流电模块的电压输出口，从7812的1号脚输入，2号脚接地，3号脚为12V稳压电源输出端口；C9电容为滤波电容；
3.1.47805稳五伏稳压模块：
图55V稳压模块原理图
5V电源为主控制器电源；
J3是从220伏交流电转12伏直流电模块的电压输出口，从7805的1号脚输入，2号脚接地，3号脚为5V稳压电源输出端口；C19电容为滤波电容；
3.1.5主控制器：
主控制器原理图如图6所示：
图6控制器原理图
用软件生成了PWM波，通过P0端口来驱动MOS管H桥驱动模块，让电机正转或者反转；
当主控制器的P0.6端口输出为高电平，P0.7端口输出为低电平的时候，电机正转，窗帘拉开；
当主控制器的P0.6端口输出为低电平，P0.7端口输出为高电平的时候，电机反转，窗帘闭合；
当主控制器的P0.6端口输出为低电平，P0.7端口输出为低电平的时候，电机不转，窗帘保持原状态；
表1电机状态与P0.6、P0.7口电平关系表
电机状态
P0.6
P0.7
反转
0
1
不转
0
0
正转
1
0
晶振为11.0592M，P0.6和P0.7为PWM波输出端口，电机正转PWM波占空比为80%；P3.2、P3.3为外部中断按键，P2.1为光敏电阻电压输入端口；
3.1.6光敏电阻传感器模块：
图7光感模块原理图
光敏电阻课题选用了TYL系列光敏电阻器，它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而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换；根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器，紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器；课题选用了可见光光敏电阻器光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性；传感器模块使用了一个10K的滑动变阻器作为打压调节平衡器，入射光强，电阻减小，2号端口电压值变大，窗帘打开；入射光弱，电阻增大，2号端口电压值变小，窗帘闭合。
然后通过一个LM393进行一个比较，确定两个阈值，使得LM393发出三种不同的高低电平组合信号，通过单片机的P2端口来实现对窗帘的开合控制；
表2光强、光敏电阻电压及窗帘状态关系表
光照强度
光敏电阻电压v
窗帘开合状态
E<10KLX
U》4.0
关闭
10KLX1.8《U《4.0
保持
E>30KLX
U《1.8
开
3.1.7SM0038红外模块作为红外遥控装置：
图8红外遥控模块原理图
将红外的接收端安装在主控制器上，课题使用了发射端的五个按键作为整个智能窗帘系统的红外控制按键，来实现窗帘的开合，以及遥控与定时的相互转换；
红外遥控模块采用了SM0038系列,其解调输出信号可以直接有微处理器解码，其主要特点是可靠性高，不易受环境干扰，并可以防止非控制信号的输出脉冲出现。
可以连续进行数据发送。
123
45
图9遥控器按钮图
1号健为整个系统的电源总开关键，2号健是夜间模式键，打开2号健的时候，是在夜间状态，窗帘已经关闭，光敏电阻模块放置在靠向窗户一侧，当第二天天亮，室外光打达到设定的阈值时，夜间模式功能使得窗帘打开，提醒主人起床，当不需使用夜间模式时，可按下3号健，关闭夜间模式，当然使用其他的三个遥控键也可以实现关闭夜间模式功能；4号健为窗帘打开键，5号健为窗帘关闭键；实现了红外遥控功能；
表3红外遥控板按键对应键值级功能说明表
键标号
对应键值
功能说明
1
45H
总开关
2
46H
夜间定时模式开启
3
47H
夜间定时模式关闭
4
44H
电机正转窗帘开启
5
40H
电机反转窗帘闭合
3.1.8H桥MOS管驱动电机电路模块：
图10电机驱动模块原理图
4个MOS管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。
之所以选用MOS管，而不选用双极型晶体管，是因为双极型晶体管本身有导通电阻，在通过大电流时会明显发热，如果没有散热措施会很容易烧毁。
这样就会限制电路功率的增加。
而MOS管由于结构和原理的不同，导通电阻远比普通三极管低，允许流过更大的电流，且MOS管都内置有反向二极管来保护管子本身，所以采用MOS管连接H桥不但效率可以提高，电路也可以简化，使用MOS管搭建H桥，高位电路使用P沟道管；低位使用N沟道管。
Q1和Q2为绝缘栅型P沟道耗尽型场效应管，型号为IRF9540；Q3和Q4为绝缘栅型N沟道耗尽型场效应管，型号为IRF540；
当P0.6输入为高电平P0.7输入为低电平时，Q1和Q4管导通，Q2和Q3管截止，电机正转；
当P0.6输入为低电平P0.7输入为高电平时，Q1和Q4管截止，Q2和Q3管导通，电机反转。
3.1.9电机：
电机选用的是一个十二伏直流电机，转速为150转/分，功率为5W，价格为五十元，在本系统的电机选用中，性价比为相对最优；
3.1.10执行结构：
课题窗帘的开合方式选择了左右开合方式，总体结构的设计分为以下几部分：
（1）轨道主体架构:
采用两个等腰三角形结构平行放置，将其底边沿两边延长，三角形两斜边也相同做延伸，实物制作中所有线条均采用钢铁或木条代替，在系统中起支撑作用。
1）材料选择：
由于金属材料价格相对较高、尺寸更改较困难，项目资金不足，所以选用价格低廉的木棒作为主体架构。
钢丝、软绳作为固定辅助元件。
2）架构安装：
架构长40cm，宽5cm，等腰三角形高15cm。
用钢丝和软绳将每个节点固定。
底座两末端用平滑钢丝固定，由于其将作为滑轮的转轴，效果如图：
图11窗帘支架结构图
（2）电机位置的设计：
将电机安放于架构上凹槽处，用绝缘耐高温导线将其固定，安放位置需满足传动线布置空间，即电机安放不能太靠前也不能靠后，位置必须适中。
效果如图：
图12电机安放位置展示图（圆柱体为电机模型）
（3）电机传动实现的设计：
在底边两侧各安装一个滑轮，用于传动绳索的来回滑动，目的是减小绳索滑动时所受的阻力。
将滑轮穿过钢丝，将钢丝与主体架构固定连接。
使用软绳在电机转轴上缠绕，缠绕方向需满足方案设计要求。
传动绳的长度必须满足要求，取70cm×2。
缠绕（剩60cm）完后，将传动绳绕过滑轮，末端固定在主体架构上，必须使传动绳绷紧。
效果如图：
图13电机传动实现原理图
（图中两端小圆代表滑轮，两细实线代表传动绳索，主体结构下方中间处绳索无连接）
绳索在电机转轴上的缠绕：
两边绳索采用相同方向的缠绕方式，满足电机转动时，两边绳索同收同放。
缠绕方式如图：
图14电机转轴剖面图（细实线代表两边绳索）
这种缠绕方式可实现：
当转轴顺时钟旋转时，两边绳索同时放长，即绳索在转轴上缠绕更少；当转轴逆时钟旋转时，两边绳索同时收紧，即绳索在转轴上缠绕更多。
由此实现电机的传动。
（4）窗帘轨道设计以及装饰窗帘的传动实现设计：
1）轨道设计：
窗帘轨道采用双轨道形式，即两边传动绳索走向不重叠，相互不影响。
绳索在整个结构的中心点位置与橡皮筋相连接，橡皮筋的另一端固定在结构的两端。
通过绳索的滑动改变橡皮筋的长度，使连接点与轨道的相对位置发生改变；
2）轨道材料选择与固定：
为使窗帘能自如滑动，需减小圆环与轨道之间的摩擦力，固选用表面光滑的刚性塑料管，长度为25cm；用软绳按照方案设计中要求将轨道一端固定好，另一端需留着穿圆环。
下面为绳索与橡皮筋的连接效果三视图（窗帘为关闭状态）：
图15左边绳索与左边橡皮筋的主视图
（细实线为绳索，最粗实线为橡皮筋，两边圆为滑轮）
当绳索向左拉时，橡皮筋变长，即中间连接点向左边滑轮靠近；同理，当右边伸缩的绳索向右拉时，橡皮筋变长，中间连接点向右边滑轮靠近。
图16窗帘轨道平面俯视图
（细实线为绳索，最粗实线为橡皮筋，两边的矩形为滑轮）
当左右两边绳索分别向两边拉时，两个连接点分别向左和向右靠，窗帘为展开趋势。
图17窗帘轨道平面左视图（放大效果）
细实线为绳索，两矩形为滑轮
3）装饰窗帘传动的设计：
装饰窗帘使用圆环挂轨道滑动形式，圆环均使用挂在轨道上的形式，两个轨道上的第一个环分别与两个连接点固定连接。
通过改变连接点位置，即改变装饰窗帘中间点的位置来控制窗帘的开闭，每个环的下端均与装饰窗帘固定连接；将圆环穿过轨道，末端与主体架构固定连接；将轨道的另一端固定在主体架构上。
图19中间圆环与连接点固定连接俯视图
（中间两竖线为圆环）
图20单边窗帘效果主视图
短竖线为圆环，其下方矩形为装饰窗帘，中间圆环与连接点固定连接，末端圆环与轨道末端固定连接。
通过中间连接点（第一圆环）的相对位置改变带动整个窗帘的开闭。
3.2产品材料清单
表四材料清单表
型号
供方
数量个
单价元
总价元
220V—12V的变压器
EI-41x18
成都市电子市场
1
15
15
稳压二极管
N4007
成都市电子市场
10
1.5
15
整流二极管
1N4937
成都市电子市场
10
1.5
15
电解电容
1000uf
成都市电子市场
3
3.5
10.5
LED
普通发光二极管
成都市电子市场
10
0.1
1
单片机
STC89C51/AT89C52
成都市电子市场
3
8
24
晶振
11.0592
成都市电子市场
4
1.5
6
开关
按键开关摇动开关
成都市电子市场
15
----
12
插槽、插针
双排插槽、单排插槽
成都市电子市场
20
0.7
14
排阻
A472J
成都市电子市场
10
0.5
5
排线
杜邦线、排线
成都市电子市场
1米
10
10
焊锡
成都市电子市场
1
40
40
红外模块
SMOO38
成都市电子市场
1
15
15
Mos管
IRF540/IRF9540
成都市电子市场
5
5
25
比较器
LM393
成都市电子市场
5
0.8
4
光敏电阻
TYL系列
成都市电子市场
1
3.5
3.5
电机
12v直流电机
成都市电子市场
1
50
50
排针
单排排针
成都市电子市场
10
0.7
7
可调稳压芯片
LM317
成都市电子市场
2
2
2
滑动变阻器
502
成都市电子市场
10
0.2
2
驱动芯片
ULN2003
成都市电子市场
2
3
6
万能板
九寸万能板
成都市电子市场
5
5
25
铁钉
长短铁钉
成都市电子市场
1包
2
2
制板
PCB印制板
成都市电子市场
5
3
15
双接头电源线
成都市电子市场
1
2
2
项目费用总计：
331元
4系统软件设计
4.1各个单元的设计思路和实现的功能（按摸块化设计）
1）实现智能窗帘系统的定时自动开合功能：
软件定时，使电机正反转的时间确定，防止电机正反转过度；
2）实现智能窗帘系统的一键控制功能：
①依靠单片机的中断功能实现按键控制窗帘开合；
软件设计外部中断程序来实现该功能；
②使用红外模块实现远程的按键控制窗帘开合：
对购买的SM0038红外模块进行软件的红外解码，时期实现红外远程控制窗帘开合；
3）对光敏电阻采集的电信号进行采样滤波以及数值处理：
实用软件编写一个采样中值滤波程序实现光检测窗帘自动开合；
4）电机能够实现正反转：
在主控制器单片机内用程序生成一个PWM波，通过改变它的占空比来实现电机的正反转。
4.2软件程序框图
图21软件程序框图
4.3主程序源代码
/******************************************************************************
**
*主函数*
**
*******************************************************************************/
voidmain（void）
{
InitSys（）;//初始化系统
while
（1）
{
while（IR_IN（）==LightMod||LightSet）//如果夜间模式被开启
{
if（AD_Filter（）!
=0）//判断是否光照达到阈值，如果达到阈值则执行
{
led=~led;
TR0=1;
LightSet=0;
for（i=0;i<1000;i++）
{
t1=10000;
t2=40000;//电机正转p0620%;p0780%
delay1
（1）;
if（IR_IN（）==LightModCancel）break;
}
t1=20000;
t2=20000;//停转
}
while（IR_IN（）==IR_close）//扫描关窗遥控按键是否被按下
{
TR0=1;//
t1=10000;
t2=40000;
if（IR_IN（）==IR_stop）//扫描停止遥控按键是否被按下
{
t1=20000;
t2=20000;//
}
}
while（IR_IN（）==IR_open）//扫描开窗遥控按键是否被按下
{
TR0=1;
t1=40000;
t2=10000;
if（IR_IN（）==IR_stop）//扫描停止遥控按键是否被按下
{
t1=20000;
t2=20000;//
}
}
}
while（（IR_IN（）==IR_close）&&!
LightSet）//夜间模式没被开启则执行下面程序
{
TR0=1;
t1=1000
升级会员 