光敏电阻式自动窗帘系统.docx

1、光敏电阻式自动窗帘系统光敏电阻式自动窗帘系统 光敏电阻式自动窗帘系统 摘要:光敏电阻式自动窗帘系统核心采用的是 AT89S52 单片机，然后利用了光照传感器、键盘显示接口电路以及信号调理电路等外围电路，在各模块的配合下本设计可实现手动控制、自动控制功能。该系统的构成是由光照传感电路、系统主控模块电路、电源转换电路、电机控制电路、键盘等组成，重点讨论了光敏电阻式自动窗帘系统的设计过程、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控制窗帘自动开闭。关键字:单片机，自动控制，AT89S52，Protel Photosensitive resistance type automatic cu

2、rtain system Abstract:Photosensitive resistance type automatic curtain system design made full use of the single chip microcomputer controlling system of AT89S52,followed by the sensor,keyboard and display interface circuit and the signal conditioning circuit.Based on the different controlling mode,

3、this design realize to control the curtain machine by mutual transformation of semiautomatic and automatic controlling.This system is composed of a light sensingcircuit,system main control module circuit,a power conversion circuit,a motor control circuit,keyboard etc.Focusing on the curtain during a

4、utomatic control system design,hardware and software debugging process and other issues,the system can be realized through the illumination intensity in accordance control the curtains down，and can be realizde through the buttons to controlthe curtains open or down.Key words:single chip microcompute

5、r,automatic control,AT89S52,Protel 1 引言 伴随着信息化数字化时代的到来，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。智能化产品的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需求，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，居住环境早已不仅仅局限在物理空间上，人们更加关注的是一个安全、方便、舒适的生活环境。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

6、，帮助人们更加合理的安排时间，增强居住环境的安全性，甚至还可以为各种能源费用节约资金。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。针对人们对智能化的需求以及对舒适生活的追求，光敏电阻式自动窗帘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。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

7、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。本设计正是把利用 AT89S52 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。1.1 研究背景及意义 随着生活水平的提高，时代的进步，人们对居住空间、环境有更高的要求，这是社会的必然潮流。具有装饰，避光并能自动进行自动开合的单片机控制的光控自动窗帘，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的控制窗帘的拉起或放

8、下以调节室内的光线，更进一步满足人们的享受要求。光敏电阻式自动窗帘系统除了广大市民住宅使用外，该系统还可以广泛应用于别墅、公寓、宾馆、饭点、写字楼、银行、学校、歌舞厅，影剧院，会议厅等场所，而且光控自动窗帘在我国兴起，推广和应用自动窗帘系统具有重要的现实意义，因此该系统有广阔的市场前景。在科学技术日益发达的今天，各种小的技术创造充满了人们的生活，其目的就是为了让人们生活的更加方便。单片机控制的自动窗帘系统就是这样一个设计，它只用一个光控制器就能控制窗帘开关问题而且可以根据室内的光的强度来自动调节窗帘，以此来方便人们的日常生活，为家庭用户营造一个高效、舒适、便利、环保的居住环境。能够让人们享受更

9、高的生活质量。1.2 国内外研究现状 目前，在我国自动窗帘做的首屈一指的公司是背景创明威龙窗饰有限公司，其生产的自动香格里拉帘、自动斑马帘、自动蜂巢帘、自动百叶帘并且其产品的质量已经直逼法国进口尚飞和美国的产品。而在国外由于自动窗帘兴起的时间比国内要早许多年，所以整体水平高于国内的自动窗帘水平。其中法国尚飞生产的 Altus50、Gldea35、LT50、LT50-6-17型自动窗帘电机在整个世界都是领先的。2 系统研究内容 2.1 系统研究思想及内容 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自动开闭窗帘

10、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。光敏电阻式自动窗帘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）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；2.2 系统总体方案设计 光敏电阻式自动窗帘系统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。从人们对系统功能需求出发，在综合考虑各种因素的情况下，设计出自动控制系统的总体

11、构架，并且在基本功能需求的基础上尽可能考虑系统的可扩展性。2.3 系统基本功能 本控制系统提出可以根据光照来开关窗帘，具体有以下功能：（1）手动控制状态：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。（2）自动工作模式：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。2.4 系统总体结构设计 光敏电阻式自动窗帘系统的总体结构设计如图 2-1：图 2-1 光敏电阻式自动窗帘系统总体结构设计 根据光照强度来开闭窗帘主要原理是用光敏电阻采集外界的光强度改变输入电压，输入电压与预定电压在电压比较其中比较产生高/低电平

12、。再将传入的高/低电平由89S52 单片机来控制，并且做出响应，控制电机的正转、反转与停止。3 硬件分析及设计 3.1 总体硬件分析 本系统单片机及其外围电路由 AT89S52、复位电路、振荡电路等构成单片机最小系统，硬件电路的设计主要包括单片机最小系统模块、光敏电阻及电压比较器模块、步进电机驱动电路模块、步进电机模块四部分。单片机采用 AT89S52 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。系统有步进电机接口，还包括复位电路、时钟振荡电路（12M 晶振）。3.2 光敏电阻及电压比较器 光敏电阻式自动窗帘系统的光控功能是可以根据光照的强弱来自动控制窗帘

13、的开闭的，因此需要用到光照传感元器件，在本设计中采用了光敏电阻。光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。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，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关

14、以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。LM393 概述 LM393 是由两个独立的、高精度电压比较器组成的集成电路，失调电压低，最大为 2.0mV。它专为获得宽电压范围、单电源供电而设计，也可以以双电源供电；而且无论电源电压大小，电源消耗的电流都很低。它还有一个特性：即使是单电源供电，比较器的共模输入电压范围接近地电平。主要应用于限幅器、简单的模/数转换器、脉冲发生器、延时发生器、宽频压控振荡器、MOS 时钟计时器、多频振荡器和高电平数字逻辑门电路。393 被设计成能直接连接 TTL和 CMOS；当用双电源供电时，它能兼容 MOS 逻辑电路这是低功耗的 393相较于标准比较器的

15、独特优势。LM393 优势 1.高精度比较器；2.减少由于温漂引起的失调电压；3.可以单电源供电；4.输入共模电压范围接近地电平；5.兼容逻辑电路。如图 3-1 光敏电阻及电压比较器电路，其中 D3是光敏电阻，当外部光照到 D3时，光敏电阻 D3阻值立刻减小，与此同时 2处电压变大。然后经过 LM393 电压比较器 U2大于 U3，输入到单片机 P3.0 端口的是低电平。此时，关闭的窗帘自动打开。反之打开着的窗帘自动关闭。而且用户可以根据个人的要求，通过调节和 R11 相连的滑动变阻器来设定 LM393 电压比较器的参考电压。图图 3-1 光敏电阻及电压比较器部分电路光敏电阻及电压比较器部分电

16、路 3.3 单片机最小系统模块 89S52 单片机主要性能：与 MCS-51 单片机产品兼容 8K字节在系统可编程 Flash存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程 I/O口线 三个 16位定时器/计数器 八个中断源 全双工 UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 功能特征描述 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Fla

17、sh允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52 具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM

18、内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。如图 3-2 所示单片机最小系统是有单片机 AT89S52 及晶振电路、复位电路等组成，其中单片机 AT89S52 作为主要微控制器，晶振电路采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。复位电路的主要功能是使单片机初始化。图 3-2 单片机最小系统 3.4 步进电机及驱动模块步进电机及驱动模块 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉

19、冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。图 3-3为步进电机运行原理图。控制 指令 脉冲控制单元 反馈与保护 功率驱动电路单元 步进电机 图 3-3 步进电机运行原理图 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。在窗帘控制系统中选用了三相反应式步进电机，其优点是力矩大，精度高，其步进角度是 1.2。使用驱动芯片直接驱动步进电机，步进电机驱动模块使用 ULN2003 双极型线性集成电路。ULN2003是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。ULN

20、2003是有 7对 NPN 达林顿管组合而成的；在 ULN2003的高电压输出特性能够转换感应负载；对于单个达林顿对的集电极电流是 500mA。而达林顿管并联可以承载更大的电流。本设计中驱动电路图 3-4所示。采用了单片机的 P3.0 口作为外部信号的输入，用单片机的 P2口作为信号输出。其中 ULN2003的 1，2，3，4 引脚分别与单片机的 P2.3，P2.2，P2.1，P2.0 相连接。然后 ULN2003 的 16，15，14，13 引脚分别与步进电机 P1的 2，3，4，5 相连。其中 P1上的 1 始终接电源正极，然后根据单片机输出的P2 口输出的信号，转化为步进编码实现电机的正

21、转反转，为了防止各个单元的耦合，ULN2003的 9号引脚接的是电源去耦电路。图 3-4 步进电机电路与单片机的连接 4 程序设计与分析 4.1 键盘程序设计 在操作按键时，无论是按下还是松开，触点在闭合和断开时均会产生抖动，此时逻辑电平是不稳的，如果得不到正确处理，可能会引起单片机对按键命令的错误执行。解决这个问题的简单方法是利用软件延时。在单片机处理按键操作后都延时5ms，如果确定是按键后再延时 12ms，这样基本可以避免键盘的抖动。然后由单片机进行键码分析，并执行相应的命令，显示并且返回。图 4-1是键盘程序设计流程图。图 4-1 键盘程序流程图 按键设置采用了扫描法，要判断键盘中有无键

22、按下时将全部行线 Y0-Y3置低电平，列线置高电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与 4根行线相交叉的 4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置时，在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。例如将单片机的 P1口用作键盘 I/O口，键盘的列线接到 P1口的低 4位，键盘的行线接到 P1口的高 4 位。

23、列线 P1.0-P1.3 分别接有 4个上拉电阻到正电源+5V，并把列线P1.0-P1.3 设置为输入线，行线 P1.4-P.17 设置为输出线。4根行线和 4 根列线形成 16个相交点，这些交点即为键盘按键。4.2 步进电机程序设计 步进电机是操控窗帘开闭的主要执行器件，其设计主要是按照单片机指令以及按键指令进行正转或者反转。图 4-2 是步进电机程序流程图。N Y 图 4-2 步进电机程序流程图 步进电机程序设计的主要任务是：（1）判断旋转方向；（2）按顺序传送控制脉冲；（3）判断所要求的控制步数是否传送完毕。对于三相单三拍的设计，其控制方式模型如下表 4-3：表 4-3 三项单三拍的控制

24、方式模型 步 序 控 制 位 工作 状态 控制 模型 P.7 P.6 P.5 P.4 P.3 P.2 C相 P.1 B相 P.0 A相 1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H 2 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H 3 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H 总之，只要按一定的顺序改变 P1.0P1.2 三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。而对于节拍比较多的控制程序，通常采用循环程序进行设计。5 系统调试 根据任务书要求：1手动按压开关按钮，步进电机正反转。2按下自动按钮，由光照强度改变光敏电阻阻值来控制步进电机正反转。5.1 电路板调试 在给电路板上电之前最

25、重要要做的就是检测电路的电源和地是否短接，一旦短接就会导致元器件和实验器材的损坏。在确保电源和地没有短接后，给系统加上 220V电压，检测到各指示灯正常。5.2 步进电机正反转模块调试 调试内容：在手动控制状态下，调试步进电机正反转状态是否正常。调试结果：在按下打开按钮电机正转，当按下关闭按钮电机反转，调试结果正常。5.3 光照采集模块调试 调试内容：由于实验室测试仪器的限制，本部分测试在有光照情况下步进电机旋转状态和在无光情况下步进电机旋转状态。调试结果：在光照状态下步进电机正转，在无光状态下步进电机反转，调试结果正常。总 结 经过了 1个多学期的努力，终于完成了光敏电阻式自动窗帘系统的设计

26、。起初想多设计几个功能，虽然最终还是由于知识的不足没有实现，但是总体上还是完成了整个作品的设计流程。本次毕业设计的整个研究与设计过程包括选题、设计以及完善等。首先，在选题方面查阅了很多与题目有关的资料然后向论文指导老师进行的相关的咨询。其次，在制定的方案基础上运用所学的知识对硬件以及软件进行设计，并用相关软件进行仿真设计。最后，对设计内容进一步修缮，以求达到最佳设计结果。虽然设计内容完成了基本的功能，但是其中还是存在一定欠缺，比如在设计中没有考虑到窗帘工作方式的显示以及没有添加类似红外遥控的设计等。本次设计系统地介绍了光控自动窗帘控制系统的硬件电路设计以及软件设计。在总体方案设计中以光敏电阻作

27、为传送信号的传感器，用步进电机作为信号输出的执行元件，以 89S52 单片机作为主要的控制元器件，并且应用了按键部分。应用 89S52 单片机的优势减少了硬件的复杂性，光敏电阻接收外界光照信号，经过比较器后，传送给单片机一个电信号，单片机经过处理后，控制步进电机做出相应的动作，以控制窗帘的开闭。光敏电阻的良好感光性以及步进电机的结构简单，控制方便的优点使窗帘控制开关更加稳定。在整个设计过程中，在完成毕业设计之外也让我系统性地认识和全面地掌握了单片机相关技术，从本次毕业设计中我更加深刻地认识到理念来源于实际的含义。在和同学以及老师的就相关问题的互相讨论交流中，我认识到自己的很多不足，但在这些不足

28、中我又学到了很多知识，使我的综合应用能力有了很大提高。致 谢 经过这么长时间的忙碌，毕业设计和论文已经接近尾声。在毕业设计的过程中，由于经验的缺乏和专业知识的不足，有许多考虑不周全的地方，在选题，设计等方面，如果没有导师的督促指导，没有同学们的支持和帮助，我很难完成的这么快。在此之际，我想借此机会对在完成毕业设计期间关心、帮助、支持和鼓励过我的老师、同学以及朋友们致以最诚挚的谢意和最衷心的祝福！首先我要感谢的是我的导师老师，在完成整个毕业设计的过程中，老师给我提供了很大的帮助，在选题、设计以及修改论文的各个环节里老师给我指出了很多错误，提出了很多宝贵意见，对于设计中存在的问题也是耐心的回答和指

29、导，并且分享了宝贵经验和知识。让我能够顺利的完成毕业设计。在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。其次要感谢的是所有在大学四年中教育指导过我的所有老师，你们传授给我的专业知识是我完成本设计的基础，也是日后踏入工作岗位的重要基石，对于老师们一丝不苟，兢兢业业的精神表示衷心的感谢。最后我还要向所有关心和支持我学习的朋友和同学们表示真挚的谢意！感谢你们对我的关心、关注和支持。参参 考考 文文 献献 1孟庆明自动控制原理（非自动化类）M.高等教育出版社，2008：217-254.2沈玉龙，王琨.智能家居控制系统设计J.电子科技，2004，5:47-50.3张道德.单片机接口技术M.北京：中国水利水电出

30、版社，2007：240-259.4谭浩强.C 程序设计（第四版）M.北京：清华大学出版社，2010：170-218.5孙勇，杨文月，赵宇新.自动窗帘控制系统设计J.微型机与应用，2010，13：15-17.6林旭东.智能家居系统相关技术及发展趋势J.计算机应用研究，2008，2：33-34.7闫哲，杜涛，左海利.智能家具控制系统的设计及实现J.自动化技术与应用201029：93-98.8张倩，刘平.光控自动窗帘设计J.电子制作 201212：147.9郭光立.光控自动窗帘J.家庭电子 19997:22.10王峻涛，何川，姚建云，严一民.光控自动窗帘轨设计J.实验科学与技术20033:182-1

31、83 附录一：系统原理图 附录二：程序清单#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int sbit key=P10;/按键控制步进电机的方向 sbit s2=P11;unsigned char speed=8;/步进电机的转速 sbit LED1=P02;/开窗指示 sbit LED2=P03;/关窗指示 sbit zi=P00;sbit shou=P01;sbit guang=P30;bit ZD;uchar irdate33;uchar irbyte4;uchar disp8;uchar irtime,irflag,

32、bitnum,irdateok;uint num,flag,disnum,count,a;/*八拍方式驱动，顺序为 A AB B BC C CD D DA*/unsigned char code clockWise=0 x08,0 x0c,0 x04,0 x06,0 x02,0 x03,0 x01,0 x09;unsigned char code clockWise1=0 x09,0 x01,0 x03,0 x02,0 x06,0 x04,0 x0c,0 x08;void delay(uchar z)unsigned char x,y;for(x=0;xz;x+)for(y=0;y110;y+

33、);/*步进电机正转函数*/void zhengzhuan()uchar i;for(i=0;i8;i+)P2=clockWisei;delay(speed);/*步进电机反转函数*/void fanzhuan()uchar i;for(i=0;i8;i+)P2=clockWise1i;delay(speed);void KG()if(s2=0)delay(5);if(s2=0)while(!s2);ZD=ZD;if(ZD=1)shou=0;zi=1;else shou=1;zi=0;if(ZD=0)/自动 if(guang=0)&(flag=0)/如果光亮并且窗是关的 开窗 flag=1;a=400;/控制电机正转 while(a)a-;zhengzhuan();LED1=0;LED2=1;else if(guang=1)&(flag=1)/如果暗并且窗是开的 关窗 flag=0;a=4