基于单片机的智能窗帘控制系统设计.docx

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基于单片机的智能窗帘控制系统设计

摘要…………………………………………………………………………………1

关键词…………………………………………………………………………………1

1前言…………………………………………………………………………………2

2绪论…………………………………………………………………………………3

2.1课题研究背景及意义……………………………………………………………3

2.2基本内容安排……………………………………………………………………4

2.3设计思想及基本功能……………………………………………………………5

3总体电路设计及其原理说明……………………………………………………5

3.1方案选取…………………………………………………………………………5

3.2系统总体结构设计………………………………………………………………6

3.2.1系统基本功能…………………………………………………………………7

3.2.2系统总体结构设计……………………………………………………………7

4硬件分析与设计……………………………………………………………………8

4.1电源电路设计……………………………………………………………………8

4.289C51单片机及相关电路………………………………………………………9

4.2.189C51单片机概述……………………………………………………………9

4.2.2晶振电路………………………………………………………………………9

4.2.3复位电路………………………………………………………………………10

4.2.4键盘电路………………………………………………………………………11

4.2.5显示电路………………………………………………………………………12

4.2.6A\D转换电路…………………………………………………………………14

4.2.7光敏传感器……………………………………………………………………17

4.2.8步进电机………………………………………………………………………18

4.2.9信号校正电路…………………………………………………………………20

5程序分析与设计……………………………………………………………………21

5.1主程序设计………………………………………………………………………21

5.2主要子程序设计…………………………………………………………………23

5.2.1键盘程序设计…………………………………………………………………23

5.2.2定时程序设计…………………………………………………………………24

5.2.3步进电机程序设计……………………………………………………………25

6总结…………………………………………………………………………………26

参考文献………………………………………………………………………………27

致谢……………………………………………………………………………………27

附录……………………………………………………………………………………28

附图……………………………………………………………………………………28

摘要：

自动控制属于电子及信息科学的一个重要分支，并且在现代家居中有着较好的目前发展前景。

目前，家庭居住环境的采光及避光问题主要采用的是手动开闭窗帘，手动开闭不仅费力而且很多方面不够人性化，可能对用户造成一定的困扰，窗帘控制系统可以解决这些问题。

本文综述了自动窗帘控制系统的设计与制作过程，介绍了设计制作一个完整的窗帘控制系统需要做的理论分析以及其制作过程。

自动窗帘控制系统核心采用的是单片机AT89C51，其次利用了光照传感器、键盘显示接口电路以及信号调理电路等外围电路，整个系统在各模块的配合下可实现半自动控制、自动控制、定时控制等功能。

自动窗帘控制系统的构成主要由光照传感电路、系统主控模块电路、电源转换电路、电机控制电路、键盘以及显示电路等组成，重点讨论了窗帘自动控制系统的设计过程、硬件选用和软件调试等问题，通过本系统可实现利用光照强度以及设置时间来控制窗帘自动开闭。

关键字：

单片机，自动控制，AT89C51,protel[3]

DesignofcontrolsystemforintelligentcurtainbasedonMCU

Abstract：

Automaticcontrolbelongstoanimportantbranchofelectronicsandinformationscience,andinthemodernhomehasagooddevelopmentprospectatpresent.Atpresent,thedaylightingofthefamilylivingenvironmentandavoidlightproblemmainlyUSESismanuallyopenandclosethecurtain,manuallyopenandclosemanyaspectsnotonlylaboriousandinhumane,maycausecertainproblemsforusers,curtaincontrolsystemcansolvetheseproblems.Inthispaper,thedesignofthecontrolsystemofautomaticcurtainandtheproductionprocess,thispaperintroducesthedesignandproductionneedtodoacompletecurtaincontrolsystemtheoryanalysisanditsproductionprocess.CoreautomaticcurtaincontrolsystemUSESasinglechipmicrocomputerAT89C51,thenusethelightsensor,keyboarddisplayinterfacecircuitandsignalconditioningcircuitandperipheralcircuit,withthecooperationofthewholesystemineachmodulecanrealizesemiautomaticcontrolandautomaticcontrol,timingcontrol,etc.

Compositionofautomaticcurtaincontrolsystemmainlybythelightsensorcircuit,systemcontrolmodulecircuit,powerconversioncircuit,motorcontrolcircuit,keyboardanddisplaycircuitandsoon,focusesonthecurtainofthedesignprocessoftheautomaticcontrolsystem,hardwareselectionandsoftwaredebugging,etc.,throughthissystemcanrealizetheuseoflightintensityandsetatimetocontrolthecurtainsopenandcloseautomatically.

Keywords：

Single-chipmicrocomputer;automaticcontrol;AT89C51;protel[3]

1前言

伴随着信息化时代的到来，人们的生活速度以及对生活质量的追求也在大幅提高。

电子产品智能化速度的加快，也使人们的工作、生活和通讯的关系日益紧密。

智能化的产品设计在改变人们工作方式与生活习惯的同时，让人们对生活质量的提升提出了更高的要求，方便、舒适成了人们所追求的生活方式，在现代家庭生活环境中，居家环境早已不仅仅局限在物理空间上，人们更为关注的是一个安全、方便、舒适的环境。

智能化的电子产品以及设计将以前的被动静止物体转变为人们能够方便操控的工具，这些产品具有提供全方位的信息交换的功能，不仅能够优化人们的生活方式，帮助人们合理的安排时间，增强居家环境的安全性，甚至还可以为各种能源费用节约资金【17】。

在智能化产品中，单片机的应用已经越来越广泛，单片机以它体积小、质量轻、耗电省、可靠性高、价格低等优点，开始不断发展，并广泛应用于仪器仪表、家用电器、医疗设备、航天航空领域、工业专用设备的管理及过程控制等领域，在很多的大中型的电气设备以及小型的电子产品中也用到了单片机进行控制【9】。

针对人们对智能化的需求以及对舒适生活的追求，窗帘自动控制系统改变了传统窗帘的劣势，它可以根据外界光照强度的不同而自动开闭窗帘，也可以根据人们设定的时间来控制窗帘。

该系统利用光敏电阻检测光照强度的变化，并且将光敏检测模块的电阻变化转化为电压变化，然后将电压变化的信号送单片机，单片机通过电机驱动模块控制着步进电机的正反转实现窗帘的来回移动【12】。

本设计正是把利用AT89C51单片机的优点以及简单实用性，顺利的完成了对智能控制的要求，并且为智能化的家居设备提供了良好的基础。

此外，对该系统进行扩展，比如可以加上防火，防盗，甚至室内煤气浓度监测等功能，会使该系统更具有实用性，而且也完善了系统。

2绪论

2.1课题研究背景及意义

智能窗帘控制系统是智能家居的一部分内容，智能家居概念的起源很早：

20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化开始实现；80年代中期，将家用电器、通信设备与安全防范设备各自独立的功能综合为一体，又形成了住宅自动化概念；至80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信、家电、安防设备进行监控与管理的商用系统，这在美国被称为SmartHome，也就是现在智能家居的原型。

智能家居在WiKi百科中定义如下：

以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。

进入21世纪后，智能家居的发展更是多样化，技术实现方式也更加丰富。

总体而言，智能家居发展大致经历了4代。

第一代主要是基于同轴线、两芯线进行家庭组网，实现灯光、窗帘控制和少量安防等功能。

第二代主要基于RS-485线、部分基于IP技术进行组网，实现可视对讲、安防等功能。

第三代实现了家庭智能控制的集中化，控制主机产生，业务包括安防、控制、计量等业务。

第四代基于全IP技术，末端设备基于zigbee等技术，智能家居业务提供采用“云”技术，并可根据用户需求实现定制化、个性化。

目前智能家居大多属于第三代产品，而美国已经对第四代智能家居进行了初步的探索，并已有相应产品。

美国智能家居以数字家庭和数字技术改造为契机，偏重于豪华感，追求舒适和享受，但其能源消耗很大，不符合现阶段世界范围内低碳、环保和开源节流的理念。

日本的智能家居是开发、设计、施工规模化与集团化，以人为本，注重功能，兼顾未来发展与环境保护，大量采用新材料、新技术，充分利用信息、网络、控制与人工智能技术，实现住宅技术现代化。

德国的智能家居追求专项功能的开发，注重基本的功能性。

韩国政府对智能小区和智能家居采取多项政策扶持，规定在汉城等大城市的新建小区必须具有智能家居系统，目前韩国全国80%以上的新建项目采用智能家居系统，产生了像三星、LG等知名的智能家居品牌【17】。

在欧美等发达国家自动窗帘技术已经非常成熟而且被广泛使用。

在2010年前自动窗帘已经进入我国，但一直没有大的推广，这两年随着电控技术的不断进步和自动窗帘售价的不断降低，自动窗帘热才又卷土重来。

据了解全国共有170多家窗帘生产厂家获得了国家专利，但就其技术本身而言，还是大同小异，但售价却相差甚远。

目前国内的自动窗帘产品按控制方式分大体上有三种：

声控、光控、时控，声控和遥控属于半自动类；而光控属全自动式。

目前国内在遥控和声控方面技术比较成熟而完全自动化的光控型，因结构复杂，性能不够稳定或者说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而没有被广泛的使用。

目前智能家居的概念已经越来越被大家所了解和接受，所谓智能家居就是指以家为平台，兼备建筑、自动化，智能化于一体的高效、舒适、安全、便利的家居环境。

它的目标是通过网络等信息通信技术手段实现对家居电器等的智能控制，使其能够按照人们的设定工作运行，而不论距离的远近。

另外全自动的光控窗帘有以下优点：

其一，改变人们的生活方式。

单片机控制的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。

其二、牵动一大批产业。

单片机控制的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。

其三，开拓一个崭新的市场。

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。

因此，全自动的光控窗帘机的普及那是大势所趋【9】。

21世纪是信息化的时代，知识与科技成为时代的潮流，在它们的推动下，智能化也因此得到了很大的发展，其作用在社会生活中日益得到彰显。

智能控制系统主要利用计算机技术、网络通信技术、综合布线技术等现代化技术的有机结合而发挥作用。

在通信技术、计算机技术、网络技术、智能控制技术的迅猛发展潮流下，家庭生活实现了现代化与智能化，居家环境也变得更加舒适与安全。

智能化控制的工作原理自然离不开运算和控制单元，而该系统采用的主控器件AT89C51，正是运算与控制单元的集合体。

系统的整体主要由硬件和软件两部分组成。

硬件部分由单片机扩展的外围电路以及各种实现单片机系统控制功能的接口电路组成；软件部分主要由单片机系统实现其特定控制功能的各种程序组成。

本设计中介绍了自动窗帘控制系统的硬件构成以及软件设计过程，以尽最大可能满足不同人对窗帘开闭的不同需求。

同时，系统在针对人们一般需求的设计开发外，还提出多种解决方案，在考虑到经济性和简便性的前提下，可以供日后对控制系统的功能进行扩展。

2.2基本内容安排

该设计通过分析电动窗帘的现状和人们对自动窗帘控制系统的功能的需求，从而对自动窗帘控制器进行总体的设计。

系统的总体设计采用以步进电机作为单片机控制元件，执行窗帘开闭的主要任务；以光敏电阻作为检测元件，以提供单片机外界光照的变化；89C51单片机作为主控制芯片，控制着整个系统的运行，此外，辅助以键盘和显示电路，在各个电路模块的配合下最终实现了自动窗帘控制系统的智能化要求【18】。

自动窗帘控制系统设计过程主要分为一下几个章节：

（1）绪论：

介绍目前国内外电动窗帘的发展现状和研究的目的和意义。

（2）总体设计方案：

概括自动窗帘控制系统的的总体设计方案选取以及硬件设计的总况。

（3）硬件设计：

采用89C51单片机作为控制核心，并且辅助以外围电路，其中包括电源电路，定时电路，步进电机控制电路，键盘/显示电路等一系列相关电路。

（4）软件设计：

介绍各个功能模块的的设计流程以及设计思路。

（5）总结：

针对设计中的不足进行再思考以及提出自动窗帘控制系统功能的扩展。

2.3设计思想及基本功能

该系统具有一般的窗帘控制系统的最基本的功能，即通过电动按钮来开闭窗帘，在此基本功能的前提下，本设计根据需求还设计了可以根据光照强度和设定时间自动开闭窗帘的功能，在选取设计方案和采用元器件方面，该系统本着简单实用经济的思想，尽量简化电路设计，用最简单的电路布线和选用最经济实用的器件来达到设计要求。

自动窗帘控制系统具有以下几个基本功能：

（1）手动控制：

该功能是根据用户的需求通过按键进行窗帘的开关，此功能可以使窗帘的开闭处于任何一种状态；

（2）自动控制：

用户可以通过按键一次性开闭窗帘；

（3）光照控制：

系统可以根据用户设定的光照强度值通过感光器采集光照自动开光窗帘；

（4）时间控制：

此功能是根据用户设定的时间一次性开关窗帘。

3总体电路设计及其原理说明

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。

如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：

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该论文已经通过答辩

3.2.1系统基本功能

伴随着科学技术的发展和人民生活水平的日益提高，人们对生活舒适性的追求越来越强烈，而窗帘在每个家庭生活是必备的，其基本功能是保护住户的隐私以及遮蔽阳光等。

基于这些作用窗帘的便利性自然也受到家庭的关注。

但传统的窗帘绝大部分是用手去开关，每天开关不仅不省力，而且还可能错过最佳光照时间，尤其是大窗帘，比较重，而且长，在开闭时需要费很大力气才能开关窗帘，特别不方便；针对这种现象，电动窗帘便由此产生。

现有的电动窗帘基本上都可以利用按键控制，自动开关闭窗帘，虽然省了力气，但是有些方面的设计还是不够人性化。

对此，本控制系统提出可以根据光照以及定时等开关窗帘，具体有以下几大功能：

（1）手动控制状态：

此功能使自动窗帘控制系统具有手动拉开、关闭和停止功能。

（2）半自动控制状态：

此功能是在要打开或者关闭窗帘的时候，通过“开”或“关”按键，窗帘在电机的带动下可以自动开闭。

（3）亮度自动控制：

此功能是利用设定的光照强度自动完成窗帘的打开或者关闭，真正实现黑天关闭，白天打开的功能。

（4）时间自动控制：

此功能根据用户需要，设定需要开闭窗帘的时间，通过输入的开启或关闭时间，控制窗帘开关。

3.2.2系统总体结构设计

自动窗帘控制系统设计的总体框图如图2.3所示。

图2.3电动窗帘控制器结构框图

Figure2.3Electriccurtaincontrollerstructurediagram

根据光照来开闭窗帘主要原理是用光敏电阻采集外界的光强度，从光传感器采集的信号利用信号校正电路放大，滤波后输入到A/D转换器，由于A/D转换器件的转换需要一定时间，一旦在这段时间内信号发生变化，转换结果将会出现偏差，所以在转换期间要应该采用采样保持电路。

传入的信号由89C51单片机来控制，并且做出响应，以实现电机的正转、反转与停止。

显示模块是用来显示自动窗帘控制器的各种状态。

键盘作为输入设备，通过不同按键来控制单片机进行各种运转状态。

4硬件分析与设计

4.1电源电路设计

单片机正常工作电压为5V，因此设计的电源电路主要是提供单片机工作电压。

图3.1是为单片机提供电压的电源电路。

在这个电路中采用了三端集成稳压器LM7805，可以输出5V的直流电压以供给单片机【11】。

图3.1电源电路图

Figure3.1Powersupplycircuitdiagram

三端集成稳压器LM7805，总共有三条引脚，分别是输入端、接地端和输出端。

用LM78\LM79系列三端稳压器来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。

其内部结构图如图3.2所示。

图3.2LM7805内部示意图

Figure3.2LM7805internalmap

4.289C51单片机及相关电路

4.2.189C51单片机概述

图3.3AT89C51示意图

Figure3.3AT89C51schematicdiagram

单片机是将中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM或EPROM）、定时器芯片和一些输入/输出接口电路集成在一个芯片上的微控制器。

AT89C51单片机是低功耗、高性能的CMOS8位单片机，片上带有8KFlash存储器，且允许在系统改写或用编程器编程[6]。

其主要参数有：

（1）4K字节可编程闪烁存储器　　

（2）全静态工作：

0Hz-24MHz　

（3）128*8位内部RAM　　

（4）32可编程I/O线　　

（5）两个16位定时器/计数器　　

（6）5个中断源　　

（7）低功耗的闲置和掉电模式　　

（8）片内振荡器和时钟电路

4.2.2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3.4是单片机的复位电路和晶振电路。

片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。

片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～24MHz之间选取。

C5、C6是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF【16】。

本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。

振荡周期＝1/12µs；

机器周期=1µs

指令周期＝1~4µs

XTAL1接外部晶体的一个引脚，XTAL2接外晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振。

在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。

一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。

但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。

这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。

石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。

通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。

电容C5和C6可以帮助起振，典型值为30pF，调节它们可以达到微调fOSC的目的[2]。

4.2.3复位电路

复位电路的主要功能是使单片机进行初始化，在初始化的过程中需要在复位引脚上加大于2个机器周期的高电平。

复位后的单片机地址初始化为0000H，然后继续从0000H单元开始执行程序。

在复位电路中提供复位信号，等到系统电源稳定后，再撤销复位信号。

但是为了在复位按键稳定的前提下，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防在按键过程中引起的抖动而影响复位[4]。

图3.4所示的RC复位电路及晶振电路可以实现上述基本功能。

图3.4复位电路及晶振电路图

Figure3.4Resetcircuitandacrystalvibrationcircuitdiagram

4.2.4键盘电路

键盘在由单片机控制的窗帘自动控制系统中的主要作用是通过按键向单片机输入指令，其中主要包括设定时间，控制窗帘的开关等等功能，是人工控制单片机的主要手段【15】。

在窗帘控制系统设计中的键盘采用的是4×4矩阵键盘。

这16个按键分别为：

设定键主要是用来设定自动窗帘打开或者关闭的时间；0-9数字键，其作用主要是用于设定时间；复位键主要应用在程序出错以及误操作的时候使单片机复位，从而重新设定；反转键是使步进电机反转，控制窗帘关闭；正转键是使步进电机正转，从而控制窗帘打开；停止键可以