红外遥控智能窗帘升降器的毕业设计论文.docx
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红外遥控智能窗帘升降器的毕业设计论文
绪论
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。
0.1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。
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。
0.2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。
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。
0.3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。
第一章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。
1.1中央控制芯片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。
1.11AT89C2051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：
•AT89C2051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。
1.12AT89C2051的引脚功能
AT89C2051的接口线包括：
P0、P1、P2、P3共四个八位口。
1.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。
2.P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。
3.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。
4.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1.1所示。
端口引脚
引脚功能
P3.0
RXD（串行口输入端）
P3.1
TXD（串行口输出端）
P3.2
0（外部中断0请求端，低电平有效）
P3.3
（外部中断1请求端，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输出端）
P3.7
（外部数据存储器读选通输出端）
表1.1P3口引脚功能说明
1.2红外线接受模块TSOP18xx
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。
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。
1.21红外线一体化接受头
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1.2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：
•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；
•工作电流:
3mA；
•遥控距离:
大于4m.
•内置金属保护装置；
•综合限幅电路功能；
•多种主要传输码；
•智能自动增益控制（AGC）。
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。
1.22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。
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），
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。
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。
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。
1.3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。
采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚,同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
1.31DS1302引脚功能及结构
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。
当Vcc2大于Vcc1＋0.2V时，Vcc2给DS1302供电。
当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1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），后面有详细说明。
SCLK为时钟输入端。
下图1.3为DS1302的引脚功能图：
1.32DS1302的控制字
DS1302的控制字如图1.4示。
控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址;最低有效位（位0）如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。
1
RAM
A4
A3
A2
A1
A0
RAM
图1.4DS1302的控制字
1.33数据输入与输出（I/O）
在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。
同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。
1.34DS1302的寄存器
DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见图1.5。
此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。
时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。
DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：
一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。
寄存器名称
命令字
取值范围
各位内容
写
读
7
6
5
4
3
2
1
0
秒寄存器
80H
81H
00-59
CH
10SEC
SEC
分寄存器
82H
83H
00-59
0
10MIN
MIN
小时寄存器
84H
85H
01-12或00-23
12/24
0
A
HR
HR
日期寄存器
86H
87H
01-28,29,30,31
0
0
10DATE
DATE
月份寄存器
88H
89H
01-12
0
0
0
10M
MONTH
周寄存器
8AH
8BH
01-07
0
0
0
0
0
DAY
年份寄存器
8CH
8DH
00-99
10YEAR
YEAR
图1.5DS1302寄存器与控制字对照表
1.35DS1302与CPU的连接
DS1302与CPU的连接需要三条线，即SCLK（7）、I/O（6）、RST（5）。
其中，时钟的显示用LCD。
实际上，在调试程序时可以不加电容器，只加一个32.768kHz的晶振即可。
只是选择晶振时，不同的晶振，误差也较大。
另外，还可以在上面的电路中加入DS18B20，同时显示实时温度。
只要占用CPU一个口线即可。
LCD还可以换成LED，还可以使用北京卫信杰科技发展有限公司生产的10位多功能8段液晶显示模块LCM101，内含看门狗（WDT）/时钟发生器及两种频率的蜂鸣器驱动电路，并有内置显示RAM，可显示任意字段笔划，具有3－4线串行接口，可与任何单片机、IC接口。
功耗低，显示状态时电流为2μA（典型值），省电模式时小于1μA，工作电压为2.4V～3.3V，显示清晰。
第二章硬件电路设计
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。
下面逐一分析：
2.1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，如图2.1所示。
右边两个是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。
图2.1供电部位电路设计图纸
2.2显示部分硬件电路设计
显示电路设计，考虑到本设计是作为一般家庭的自动控制窗帘，所以采用的是四位数码管来显示实时时间、调开窗帘时间、关窗帘时间，在开窗帘、关窗帘的时候在数码管上不作任何提示，但是伴随有声音提示。
这部分电路最大的优点就是经济实惠，最大的缺点就是欠美观及不能反映窗帘动作情况。
如果此系统作为大型别墅、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，可以把这部分电路设计为液晶屏显示，当然显示的就不仅仅是时间了，还包括年、月、星期。
四位数码管显示，如图2.2所示，在一般情况下显示实时时间，在需要调节开窗帘时间的时候，通过软件的控制作用，数码管将显示此开定时时间；同样在需要调节关窗帘时间的时候，数码管将显示此关定时时间。
因为在开窗帘、关窗帘、停窗帘的时候有明显的动作现象，很容易观察到，所以没有设定在数码管上显示出来。
P1口的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3分别接四个三极管，当其中一个引脚背拉为低电平的时候，与该引脚相连的三极管便导通，此三极管便驱动与它相连接的数码管，然后送入该位应该显示的字形码。
图2.2数码显示部分硬件电路
2.3鸣响部分硬件电路设计
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。
图2.3鸣响部分硬件电路设计
2.4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，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。
2.5时钟控制部分硬件电路设计
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。
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升降窗帘时间。
如下图2.5所示。
图2.5时钟控制部分电路设计
2.6电机部分硬件电路设计
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
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