智能窗帘系统设计硬件.docx
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智能窗帘系统设计硬件
南阳理工学院
本科生毕业设计（论文）
学院（系）：
电子与电气工程学院
专业：
电子信息工程
学生：
123
指导教师：
123356
完成日期2012年5月
南阳理工学院本科生毕业设计（论文）
智能窗帘系统设计（硬件）
TheDesignofIntelligentCurtainSystem（hardware）
总 计：
毕业设计（论文）23页
表 格：
0个
插 图：
36幅
南阳理工学院本科毕业设计（论文）
智能窗帘系统设计（硬件）
TheDesignofIntelligentCurtainSystem（hardware）
学院（系）：
电子与电气工程学院
专业：
电子信息工程
学生姓名：
14789456
学号：
145268566
指导教师（职称）：
45555555555555
评阅教师：
完成日期：
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
智能窗帘系统设计（硬件）
电子信息工程专业
［摘 要］本电路根据办公和生活环境需要，采用AT89C51单片机控制系统，利用P3口的特殊功能与P1口的空闲模式和掉电模式，根据其不同控制模式，实现半自动控制、自动控制、定时控制的相互转换控制窗帘机。
该设计包括光电开关电路、系统主控模块、电源转换电路、保护电路等组成，可实现窗帘自动升降。
［关键词］单片机；定时控制；光电开关；步进电机
TheDesignofIntelligentCurtainSystem
ElectronicInformationEngineeringSpecialtyYUANGZhen-Peng
Abstract:
Accordingtotherequirementsofofficeandlivingenvironment,thisdesignmadeuseoftheSCM（SingleChipMicyoco）controllingsystemofAT89C51,thespecialfunctionatP3,theidlenessmodeandlose-electricmodeatP1.Basedonthedifferentcontrollingmode,werealizetocontrolthecurtainmachinebymutualtransformationofsemiautomaticandautomaticcontrollingandinfraredremoter.Thisdesignismadeupofinfraredremotecircuit,systematiccontrollingmode,electricalsourcetransformation,protectivecircuit,etc.Itcanreachtheachievementofautomaticallyrisingandfallingofthecurtain.
Keywords:
SCM;timingcontrol;photoelectricswitch;steppingmotor
1引言
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AT89C51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。
电话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，不占用无线电频率资源，避免了电磁污染。
同时，由于电话线路各地联网，可以充分利用现有的电话网，因此遥控距离可跨省市，甚至跨越国家。
另外电话属双工通信手段。
因此，这可以大大体现出利用电话进行遥控的更大优越性。
操作者可以通过各种提示音即时了解受控对象的有关信息，从而进行进一步的操作。
电话遥控部分课题目前已有涉足者，但是只是还只限于实验室阶段，因而距离实际应用，尤其是对于日常生活尚有一定的差距，并不能完全体现出电话遥控方式的双工通信特点。
本设计正是针对这一点进行了较大改进，采取单片机智能控制，利用不同的提示音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。
而且本设计的调试都是在线调试，已经在电信、铁通的交换机实验并且能够成功的使用移动电话进行操作。
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89C51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。
1.2基本内容及章节安排
本设计通过分析电动窗帘的发展和现状来规划电动窗帘的智能功能，从而对电动窗帘控制器进行设计。
采用步进电机作为执行元件，以光敏电阻作为传感元件的传感器作为检测元件，89C51单片机作为控制芯片，辅助键盘和显示，最终实现了电动窗帘控制器的多项智能项目。
主要章节分为：
（1）绪论：
介绍设计目标国内外的发展现状和研究意义目的，设计的基本内容和本文的章节安排。
（2）总体设计方案：
给出了电动窗帘控制器的总体方案设想，智能项目，和设计结构规划。
（3）软件设计：
选用选用汇编语言作为本次软件设计的编程语言。
（4）总结与展望
1.3设计思想及基本功能
该器具有一般的窗帘控制器的最基本的功能，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，该器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。
自动窗帘控制器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：
器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。
2总体方案设计
2.1方案选取
单片机在各种电子产品中的应用已经越来越广泛，很多的电子产品利用单片机所取得的便利性得到了人们的好评，针对单片机控制的自动窗帘控制器的智能化要求，实现其自动控制的方案有两种：
方案
（一）基于温度检测以及声控检测器件的自动控制
方案
（二）基于光照强度器件的自动控制
这二个方案都是基于单片机控制的，采用步进电机控制以及液晶显示，不同的设计部分在于检测器件的选取上。
方案
（一）的器框图如图1：
方案
（二）的器框图如图2：
图2方案
（二）的原理框图
方案
（一）与方案
（二）的区别主要在于检测器件的应用，方案
（一）采用温度采集和声音检测元件，通过设定的温度来控制窗帘的开闭，以减少光照对室内的温度影响，利用声音控制虽然方便性有所提高，但是其误差较大。
方案
（二）采用的时钟模块实用性更强。
综合考虑以上因素，器设计采用方案
（二）。
2.2系统总体结构规划
自动窗帘控制器总体方案设计是基于满足设计要求的前提并且根据理论上的可实现性和硬件上的经济实用性，而进行设计的重要环节。
本章从人们对器功能需求出发，在综合考虑各种因素的情况下，设计出自动控制器的总体构架，并且在基本功能需求的基础上尽可能考虑器的可扩展性。
2.2.1系统基本功能
（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。
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
2.2.2控制器总体结构设计
自动窗帘控制器设计的总体框图如图3所示：
图3电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。
键盘是主要的输入设备，控制单片机的各种参量。
3系统硬件设计
整个系统的硬件接线图如图3.1所示。
图4系统总硬件接线图
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、检测电路、键盘/显示接口电路、步进电机控制电路等模块。
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P2口控制步进电机的运行从而控制窗帘的升降。
显示和键盘让人机交换变得更容易。
以上各模块组成了电动窗帘控制器的总体电路。
3.189C51单片机及相关电路
3.1.189C51单片机介绍
单片机是在一块芯片中继承了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多功能I/O接口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称MCU。
51系列单片机内包含下列几个部件：
·1个8为CPU。
·1个片内振荡器及时钟电路。
·4KBROM程序存储器。
·128BRAM数据存储器。
·可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路。
·32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O接口）。
·2个16位的定时/计数器。
·1个可编程全双工串行接口。
·5个中断源、2个优先级嵌套中断结构。
51系列单片机内部结构图如图2.1所示，各个功能部件由内部总线连接在一起。
程序存储器部分用ROM代替即为8051/8052；用EPROM代替即为8751/8752；若去掉ROM即为8031/8032；用FLASHEPROM代替即为89C51/89S52。
基准频率源脉冲技术输入
外部中断控制并行I/O接口串行输入串行输出
图5MCS-51单片机内部结构框图
有总线扩展的51单片机有44个引脚的方形封装形式和40个引脚的双列直插式封装形式，无总线扩展的51单片机有20个引脚双列直插式封装，如89C2051等。
40个引脚封装的引脚图如图2.2，各引脚的功能说明如下。
图68XX51/52单片机引脚
·GND：
接地端。
·VCC：
电源端，接+5V。
·XTAL1：
接外部晶体的一个引脚。
CHMOS单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由此引脚接入。
·XTAL2：
接外部晶体的一个引脚。
HMOS单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由此引脚接入。
·RST：
①复位信号输入。
②VCC掉电后，此引脚可接备用电源，低功耗条件下保持内部RAM中的数据。
·ALE/RPOG：
①地址锁存允许。
当单片机访问外部存储器时，该引脚的输出信号ALE用于锁存P0端口的低8位地址。
ALE输出的频率为时钟振荡频率的1/6。
②对8751单片机片内EPROM编程时，编程脉冲由该引脚接入。
·PSEN：
程序存储器允许。
输出读外部程序存储器的选通信号。
取指令操作期间，PSEN的频率为振荡频率的1/6；但若此期间有访问外部数据存储器的操作时，则有一个机器周期中的PSEN信号将不出现。
·EA/VPP：
①EA=0，单片机只访问外部程序存储器。
对8031单片机此引脚必须接地。
EA=1，单片机访问内部程序存储器。
对于内部有程序存储器的8XX51单片机，此引脚应接高电平，但若地址值超过4KB范围，单片机将自动访问外部程序存储器。
②在8751单片机内EPROM编程期间，此引脚接入21V编程电源VPP。
·P0.0～P0.7:
P0数据/低八位地址复用总线端口。
具有双重功能：
①可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。
②在有外接存储器和I/O接口时常作为低8位地址/数据总线，即低8位地址与数据线分时使用P0口。
此低8位地址由ALE信号的下跳沿使它锁存到外部地址锁存器中，尔后，P0口出现数据信息。
·P1.0～P1.7：
P1静态通用端口。
具有单一接口功能，P1口每一位都能作为可编程的输入或输出口线。
·P2.0～P2.7：
P2高八位地址总线动态端口。
具有双重功能：
①作为输入/输出口使用，外接输入/输出设备。
②在有外接存储器和I/O接口时，作为系统的地址总线，输出高8位地址，与P0口低8位地址一起组成16位地址总线。
对于内部无程序存储器的单片机来说，P2口只作为地址总线使用，而不作为I/O接口。
·P3.0～P3.7：
P3双功能静态端口，①可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。
②作为第二功能使用时，每一位功能定义如表2.1所示。
3.1.2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3.1.1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。
89C51常选择振荡频率12MHz的石英晶体。
图7单片机晶振电路图
3.1.3复位电路
复位是单片机的初始化操作，只需要给89C51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89C51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89C51摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动。
图3.1.2是复位电路图。
图8复位电路图
3.1.4时钟电路
本设计需要窗帘在给定的时间自动开和关，所以需要用到定时器，而为了保证单片机与外界时钟一致，要用到一个实时时钟电路。
这里使用DS12887实时时钟芯片来完成这项功能。
DS12887是DALLAS公司生产的实时日历时钟芯片，其主要功能包括非易失性时日历时钟、报警器、百年历、可编程中断、方波发生器和114字节的非易失静态RAM。
使用DS12887时应注意以下几点：
Vcc正常情况下为5V，当Vcc降至4.25V时，所有的输入被忽略，输出为高阻状态，Vcc降至3V时，外部电源被关断，内部锂电池为实时时钟和RAM供电，在断电情况下，时钟继续运行，其中的数据可保存十年以上不会丢失。
DS12887有两种工作时序，即MOTOROLA和INTEL时序，由MOT引脚的电平指定，当MOT引脚为高电平时选择MOTOROLA时序，当MOT引脚为低电平时选择INTEL时序，图中选为INTEL时序，这时芯片的DS引脚接系统的读信号/RD，R/W引脚接系统的写信号/WR。
AS引脚用于分离数据地址总线AD7-AD0上的地址和数据信息，连接到MCU的ALE引脚。
RESET引脚的信号对日历时钟和RAM没有影响，但它影响DS12887的命令和状态寄存器的内容，在图中直接将RESET连至Vcc，这样可以保证DS12887在进入或退出电源失效状态时，其工作状态不受RESET引脚的影响。
DS12887有一个可编程输出方波引脚SQW，从该引脚可以输出频率为2Hz-256Hz的方波，在系统中正是利用此引脚输出周期为125MS的方波，作为MCU外部中断/INT0的中断源实现周期性中断，每当中断发生时，MCU读一二次输入口，检查电表是否转过一圈，在整点时还要采一次三相电流和电压。
除此之外，DS12887内部还有128字节的RAM的单元，其中前10个字节用于存放日历时钟信息，字节0为秒，字节2为分，字节4为时，字节6为星期，字节7为日，字节8为月，字节9为年，字节0AH-0DH用作控制和状态寄存器，剩下的114字节为用户RAM，所有的这128字节都是掉电非易失性的。
图9时钟电路图
DS12887时钟芯片和AT89C5l单片微机的接口电路如图3.1.3所示。
模式选择通过选择脚MOT接地来确定,DS12887时钟芯片的AS端口和89C51单片机的AIE端直接相联；而DS、R／W读写控制线与单片机的RD/WR控制线制线相连；DS12887的高位地址由89C51单片机的P2．7端口来片选，则DS12887的高8位地址定为7FH，而其低8位则由芯片内部各单元的地址来决定（00H-3FH）；DS12887的中断输出端IQR和89C51的外部中断INT0端相联，给单片机提供中断信号；DS12887的SQW端与89C5I的TO端相连。
3.1.5电源电路
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4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。
图10电源电路图
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5所示。
图11LM7805内部示意图
3.2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3.2.1所示：
图12步进电机控制系统方框图
图13步进电机控制系统电路图
在步进电机控制电路中，步进控制器的作用是把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。
在实际应用中由软件代替步进控制器，其优点是使线路简化，降低成本，可靠性提高。
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
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