基于STC15F2K6152的远程自动窗帘设计.docx
《基于STC15F2K6152的远程自动窗帘设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于STC15F2K6152的远程自动窗帘设计.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于STC15F2K6152的远程自动窗帘设计
目录
摘要III
1绪论1
1.1研究目的和意义及国内外发展现状1
1.2智能家居的概述2
2可行性分析2
2.1系统可行性分析2
2．1．1经济可行性分析2
2．1．2技术可行性分析2
2．1．3法律可行性分析3
2．1．4使用可行性分析3
2.2需求分析3
3总体方案设计3
3.1控制器智能项目3
3.2系统总体结构规划3
4系统硬件设计4
4.1单片机及相关电路5
4.1.1晶振电路6
4.1.2复位电路6
4.1.3电源电路7
4.2步进电机7
4.3wifi通信电路10
4.3.1USR-WIF232-T简介10
4.3.2USR-WIF232-T的引脚介绍11
4.4EEPROM存储电路12
4.5光电传感器电路13
4.6稳压电路14
5系统软件设计15
5.1主程序软件设计15
5.2主要功能子程序设计15
5.2.1步进电机程序设计15
5.2.2WiFi通信程序设计16
6总结与展望19
参考文献20
致谢21
摘要
随着现代生活水平的日益提高，我们对生活质量的要求也随之在不断的提高，同时电子产品与无线网络的飞速发展，使人们对工作生活的智能化的要求也在不断的提高。
至今为止，以物联网为代表的新一代信息技术的应用，为我们的生活带来了技术的变革和创新，现如今智能家居已经逐步的融入到我们的生活中，而自动窗帘也正是其中的不可或缺的一部分。
本文则是介绍基于wifi的自动窗帘控制系统，我们以现在很普遍的无线路由器作为平台，通过用笔记本电脑发送命令给单片机控制步进电机实现对窗帘的打开与关闭。
关键词：
单片机wifi自动窗帘步进电机
1绪论
1.1研究目的和意义及国内外发展现状
21世纪是信息化的世纪，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。
智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。
利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。
与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。
还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。
系统的网络化功能可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。
使生活更加舒适、便利和安全。
因智能家居控制系统布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。
在设计本系统时，面对各种检测对象和大量控制单元，需要利用各种接口标准和MCU进行连接，再经过MCU进行数据处理，实现实时测控。
而此时采用单片机来实现智能家居控制系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采各模块和芯片的协调性，从而大大提高系统的可利用性。
此次系统设计系统正是把利用STC15F2K6152单片机的优点，顺利的完成了本设计的要求。
并且实现了学习型定时和自动控制功能，为控制家居设备提供了良好的基础。
正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。
这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。
智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。
随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，功能也越来越强，各种传感器都已经标准化、模块化这给智能家居控制系统的设计提供极大方便。
Wifi远程控制作为一较新的课题与常规的遥控方式相比，显示出一定的优越性，不需进行专门的布线。
同时，由于wifi可以连接互联网，可以充分利用现有的wifi，因此遥控距离可跨省市，甚至跨越国家。
另外wifi支持全双工通信手段。
因此，这可以大大体现出利用wifi进行遥控的更大优越性。
操作者可以通过各种PDA即时了解受控对象的有关信息，从而进行进一步的操作。
本设计采取以wifi为平台使用单片机进行智能控制，利用不同的指示灯达到对于不同操作的提示及对受控方状态的信息反馈，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与智能化。
随着社会信息化的加快，人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密。
信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。
人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。
家居智能化技术起源于美国，它是以家为平台进行设计的。
智能家居控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。
智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统，以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。
大型的智能家居控制系统通常由系统服务器、家庭控制器（各种模块）、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。
现代智能化离不开运算和控制单元，本系统采用STC15F2K6152作为主控器件，单片机应用系统由硬件和软件组成。
硬件由单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件由单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。
在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率，当系统硬件和软件紧密配合、协调一致，就可以组成高性能的单片机应用系统。
本课题完成了单片机应用系统其开发过程的系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试，根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。
本文是从智能家居的一个项目——智能电动窗帘的设计开始的。
[1]
1.2智能家居的概述
“智能家居”（SmartHome），又称智能住宅。
通俗的说，它利用先进的计算机、嵌入式系统和网络通讯技术，将家中的各种设备（如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电）通过家庭网络连接到一起。
一方面，智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过无线遥控器、PDA设备、电话、互联网或者语音识别控制甲家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动：
另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。
[2]
与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭和外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。
智能家居是以住宅为平台，利用网络、通信及控制技术管理家中设备。
来创造一个高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。
2可行性分析
2.1系统可行性分析
在做基于wifi的远程控制的自动窗帘的设计之前，我们对该设计进行可行性分析，我们对该设计主要进行了经济、技术、法律以及使用方面的分析，确保该设计是有经济保障的，是有技术基础的，是合法的，同时，也是具有可实施性的。
2．1．1经济可行性分析
智能家居是针对高消费人群，而我们设计的基于wifi的远程控制的自动窗帘是以无线路由器作为平台，这样大大降低了我们的成本，可以使智能家居走进普通家庭。
2．1．2技术可行性分析
本项目是通过wifi来传输无线信号，因为wifi所具备的特性：
无线电波的覆盖范围广，传输速度非常快，具有安全性，不会对邻里之间造成相互干扰。
而现如今wifi的使用也很广泛，技术也很成熟，所以在技术上是完全可行的。
2．1．3法律可行性分析
我们这个项目是以无线路由器为平台来开发对的基于wifi的远程控制的自动窗帘，它适合很多地方使用不会侵犯到他人的权益，更不会有什么妨碍性后果，所以我们的项目在法律上是可行的。
2．1．4使用可行性分析
本项目是科学的，完全按照国际标准开发的，可广泛应用于各种场所，并且相互之间不会造成干扰，主要是为了方便广大人民群众。
物联网的不断发展以及wifi在各个领域的广泛应用，让该设计是非常可靠的，因此是具备使用可行性的。
综上所述，本项目在技术和经济等方面都具备可行性，并且投入资金少，效果好，因此项目的开发是完全可行的。
2.2需求分析
自动窗帘系统的设计与开发的目的在于构建一种提升人们家居生活的舒适性、便捷性、安全性、节能性、艺术性等，为此主要设计原则是：
便捷、舒适和安全。
为实现这些目标，提出如下一些功能需求：
（1）手动控制：
该功能使电动窗帘具有手动正传、手动反转和手动停止的功能。
而且增加了工作状态指示，电机工作在正传、反转和停止状态的时候，数码管均有不同工作状态指示。
（2）半自动手动控制：
半自动手动控制是在需要关闭或打开窗帘的时候，只需要人工按一下“正转”或“反转”按键后，窗帘到位自动停止。
（3） 环境亮度控制：
窗帘的关闭和开启通过环境亮度自动完成窗帘的开启或关闭操作控制，“天黑关闭，天亮打开”具有智能管理，不产生误动作。
（4） 时间自动控制：
根据设置输入的开启或关闭时间，来控制窗帘的关闭和打开。
3总体方案设计
电动窗帘控制器总体方案设计是确定能够满足设计要求的总体方案的环节。
本章从系统功能需求出发，规划并确定了系统的总体结构，并在此基础上考虑了系统的可扩展性及可实现性。
3.1控制器智能项目
随着人民生活水平的不断提高，人们对家庭生活舒适性的需求越来越强烈，窗帘作为每个家庭生活中最必须的家居用品之一，自然也需要满足人民更舒适性的需求。
窗帘最基本的作用无非是保护业主的个人隐私以及遮阳挡尘等功能，但传统的窗帘您必须手动去开关，每天早开晚关也是挺麻烦的，特别是别墅或复式房的大窗帘，比较长，而且重，用时需要很大的力才能开关窗帘，特别不方便；于是电动窗帘应运而生。
现有的电动窗帘都可以自动开关闭窗帘，到了时间自动控制窗帘的开关，可以根据光的但是他们也有些缺点。
窗帘控制器的自动开关如何让窗帘能够开关自如，停机的时间是否到位。
窗帘的正转、反转和停止功能可由单片机输出电平来控制步进电机的运转以实现。
环境亮度的控制通过光敏电阻和运放组成的电路来控制单片机输出电平继而控制电机的正转和反转。
时间自动控制可以由定时器来控制
3.2系统总体结构规划
电动窗帘控制器的总体结构框图如图1所示。
存储部分
无线
路由器
步进电机
图1自动窗帘控制器结构框图
由光电传感器来探测外界的光强，从传感器出来的信号经过信号调理电路的放大，滤波调理后输入到A/D转换器，A/D转换器件完成一个转换过程需要一定时间，如果在这段时间内信号的幅度发生变化，转换结果将会受到影响，所以期间要用到采样保持电路。
转换后的信号由单片机控制器，来实现电机的运行与停止。
显示部件用来显示电动窗帘控制器的各种状态信息。
按钮是主要的用于复位单片机和复位wifi模块。
4系统硬件设计
整个系统的硬件原理图如图2所示。
图1系统总硬件原理图
总体硬件电路图包括单片机外围电路、A/D转换电路，信号调理电路、键盘/显示接口电路、步进电机控制电路、wifi模块电路、E2PROM存储电路等模块。
单片机外围电路提供各模块所需的5V电源和时钟模块；信号检测后的是模拟信号，经过调理放大进入A/D转换后输出数字信号给单片机。
单片机的P0口控制步进电机的运行从而控制窗帘的开关。
以上各模块组成了自动窗帘控制器的总体电路。
4.1单片机及相关电路
STC15F2K6152单片机是宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用宏晶第八代加密技术，加密性超强，指令代码完全兼容传统8051,但速度快6-12倍。
内部集成高精度R/C时钟，±1%温漂，常温下温漂5%，5MHz～35MHz宽范围可设计，可彻底省掉外部昂贵的晶振。
内部高可靠复位,8级可选复位门槛电压，可彻底省掉外部复位电路。
STC15F100特性：
·高速：
增强型8051CPU，1T，单时钟/ 机器周期，速度比普通8051快6～12倍
·工作电压：
5.5～3.8V（5V单片机）
·内部高可靠复位,8级可选复位门槛电压，可彻底省掉外部复位电路
·内部高精度R/C时钟，±1%温漂（-40℃～+85℃），常温下温漂5%0，内部时钟从5MHz～35MHz
·工作频率：
5MHz～35MHz，相当于普通8051的60MHz～420MHz
·低功耗设计：
低速模式，空闲模式，掉电模式/停机模式（可由外部中断唤醒）
·支持掉电唤醒的管脚:
INT0/P3.2,INT1/P3.3,
·时钟：
外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置
·0.5K字节片内Flash 程序存储器，擦写次数10万次以上
·片上集成128字节RAM
·有EEPROM功能,擦写次数10万次以上
·ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/ 仿真器
·2个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1，并可实现时钟输出和PWM功能
·可编程时钟输出功能，T0在P3.5输出时钟，T1在P3.4输出时钟,BRT在P3.4还可输出内部高精度R/C时钟IRC_CLK（也可2分频输出IRC_CLK/2）
·硬件看门狗（WDT）
·6个通用I/O口，复位后为：
准双向上/弱上拉
4.1.1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3是单片机的晶振电路。
电路中的电容C1和C2的典型值通常选择为30PF左右，该电容的大小会影响振荡电路频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶体振荡频率的范围通常在1.2~12MHz。
晶体的频率越高，系统的时钟频率越快，单片机的运行速度越快。
但反过来，运行速度对于存储器的速度要求就越高，对印刷电路板的工艺要求也就越高，即要求线间的寄生电容要小。
晶体和电容应该尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。
STC15F2K6152常选择振荡频率12MHz的石英晶体。
图3单片机晶振电路图
4.1.2复位电路
复位是单片机的初始化操作，只需要给STC15F2K6152的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可以使STC15F2K6152复位。
复位时，单片机初始化为0000H，从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行错误（如程序跑飞）或操作错误使系统处于锁死状态时，也需要复位键使RST脚为高电平，使STC15F2K6152摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动。
图4是复位电路图。
图4复位电路图
4.1.3电源电路
单片机工作需要使用5V电压，因此需要给单片机设计电源电路。
图5是单片机的电源电路。
它采用LM7805三端集成稳压器，可输出+5V的直流电压供电。
图5电源电路图
4.2步进电机
步进电机为一种数字伺服执行元件，具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。
为了实现步进电机的简易运动控制，一般以单片机作为控制系统的微处理器，通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机的速度和位置定位控制。
单片机在本次试验中对步进电机的控制从而达到对转角和位移的控制的方法。
本次设计采用两个型号为130HZ308-450的三相反应式步进电机对旋转角度和位移进行控制，该步进电机力矩大、耐负载冲击、精度高。
其步距角为1.2°，即
=1.2°，即本次设计的测控系统对回转台转角的控制精度可以达到1.2°。
步进电机的驱动电路是根据控制信号工作的。
而本次测控系统是以单片机位控制中心的，下面将介绍步进电机控制系统。
步进电机控制系统主要由脉冲分配器，功率驱动电路，步进电机几部分构成的。
步进电机控制系统的方框图如图6所示：
脉冲信号
图6步进电机控制系统方框图
单片机输出步进脉冲后，再由驱动电路按事先确定的顺序控制各相的通断。
本设计由软件完成脉冲分配工作，不仅使线路简化，成本下降，而且可根据应用系统的需要，灵活地改变步进电机的控制方案。
软件控制脉冲将在软件设计部分说明。
步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，采用光电耦合器将单片机与步机电机隔离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反串进主控系统。
此外，万一驱动电路发生故障，也不致让功放中较高的电压串入单片机而使其损坏。
步进电机的驱动电路有很多种，但最为常见的就是用单电压驱动，双电压驱动，斩波驱动，细分驱动等。
但电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。
它最大的特点是结构简单，工作效率低。
而且它的外接电阻要消耗相当一部分能量，这样会影响电路的稳定性。
双电压驱动电路是采用两种电源电压，缺点在于在高低电压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降，不易于电机的正常运行。
对于斩波驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。
从提高效率的角度来看这是一个很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定额定电流和减少时间常数。
但由于其波形顶部呈现锯齿形波动，所以产生较大的电磁噪声。
细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步。
本设计采用的是ULN2003芯片驱动电路，电路图如7所示。
图7ULN2003步进电机驱动电路
ULN2003
是内部结构是达林顿管的列阵（如图8）
图8ULN2003引脚图
ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。
用于感性负载时，该脚接负载电源正极，起续流作用（在感性负载中，电路断开后会产生很大的反电动势，为防止损坏达林管，接反相的二极管来构成通路，使之转换为电流）
达林顿管由两个三极管组成，如图9：
图9ULN2003各路内部结构图
将两个三极管串联，第一个管子的发射极接第2个管子的基极，所以达林顿管的放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积，具有很大的放大倍数。
集电极开路，能输出较大的电流（集电极电位高）。
IC的典型应用如图10
图10芯片的典型应用
其中二极管的作用，驱动电流断开时，电机内的电感产生很大的反电动势，每一个单元的二极管都与三极管的集电极相连，产生反电动势时就构成了放点回路，从而保护了三极管。
4.3wifi通信电路
4.3.1USR-WIF232-T简介
USR-WIF232-T为低功耗小尺寸wifi模组，以下是对USR-WIF232-T的简介：
支持802.11b/g/n无线标准；
自主开发MCU平台，超高性价比；
超低功耗，卓越省电机制，适于电池供电应用；
支持UART/PWM/GPIO数据通讯接口；
支持STA/AP/STA+AP共存工作模式；
支持SmartLink智能联网功能（提供APP）；
支持声波智能联网配置（USR-WIF232-H）；
支持无线和远程升级固化；
支持WPS联网配置；
支持多路（5路）TCPClient连接；
可选内置天线、外置天线IPEX连接器或引出线接口；
3.3V单电源供电；
4.3.2USR-WIF232-T的引脚介绍
USR-WIF232-T的各引脚的功能描述如下：
nReset：
模块复位信号，输入，低电平有效。
模块nReset需接上拉电阻。
当模块上电时或者出现故障时，MCU需要对模块做复位操作，拉低至少10ms后拉高。
nReload：
模块恢复出产设置引脚，需接上拉电阻，输入，低电平有效，可接成按键，不用需接上拉电阻。
1）上电后，短按该键（<=3S），则模块进入SmartLink配置模式，等待APP进行密码推送；
2）上电后，长按该键（>=3S），后松开，则模快恢复出产设置。
nLink：
连接状态指示引脚，输出低电平有效，可接led灯。
1）在SmartLink配置模式，nLink快闪提示模块等待配置，nLink慢闪提示APP正在进行智能联网；
2）在正常模式，作为wifi的连接状态指示灯；
nReady：
模块正常启动状态指示引脚，输出低电平有效，可接led灯。
WPS：
低有效，可外接按键，用于启动WPS功能。
UART0_TXD/RXD:
串口数据收发信号。
PWM_N:
模块PWM调光控制信号，输出。
也可配置为GPIO信号用于控制。
另外可通过“AT+LPTIO=on”切换PWM_1功能为nLink，PWM-2功能为nReady，PWM_3功能为WPS按键，|“AT+LPTIO=off”则相反。
图11wifi通讯电路
4.4EEPROM存储电路
CAT24WC02是一个2K位串行CMOSE2PROM内部含有256个8位字节CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗CAT24WC01有一个8字节页写缓冲器CAT24WC02/04/08/16有一个16字节页写缓冲器该器件通过I2C总线接口进行操作有一个专门的写保护功能
图12EEPROM存储电路
4.5光电传感器电路
自动窗帘要根据光照的情况而自动开关窗帘，因而需要使用到光电传感器。
这里使用光敏电阻。
光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光导管，他是基于半导体光电效应工作的。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可以加直流偏压，也可以加交流电压。
当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值急剧减少，因此电路中电流迅速增加。
光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区。
而且体积小、重量轻、性能稳定。
因此在自动化技术中得到广泛的应用。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。
当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。
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：
对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。
红外光敏电阻器：
主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。
锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。
可见光光敏电阻器：
包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。
主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动
升级会员 