单片机控制光感自动窗帘课程设计.docx

1、单片机控制光感自动窗帘课程设计摘 要本文首先介绍了智能家居的基本知识及其应用前景，进而阐明了开发作为智能家居中一个很重要部分感光自动窗帘的意义。随后着重介绍了开发单片机控制的红外线遥控窗帘系统所用到的集成芯片STC89C52、光感传感器、继电器、步进电机等硬件的结构原理。目 录第1章.绪言 11.1课题背景 11.3课题的研究工作 2第2章.单片机简介 42.1单片机的发展 42.2单片机的特点 52.3单片机的应用 5第3 章.系统设计 63.1系统方案确定 63.2核心芯片结构原理介绍 73.2.1 中央控制器STC89C52RC 73.3硬件电路原理设计 183.3.6光控测光电路 21

2、3.3.7电机执行电路 213.3.8窗帘框架构造设计 223.4软件设计 23第4章.调试 30第5章.总 结 32第6章.致 谢 33参考文献 34附录： 35原理图： 35源程序： 36第1章.绪言本章阐述了单片机控制的感光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感光自动窗帘系统所面临的问题及一些解决方案。1.1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1。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

3、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

4、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

5、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。1.3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

6、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，

7、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89m。（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

8、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2章.单片机简介单片微型计算机简称单片机，又称为嵌入式微控制器(Embedded microcontroller)。常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳以大规模集成电

9、路为主组成的微型计算机，它的诞生是计算机发展史上一个新的里程碑。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到

10、一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。2.1单片机的发展单片

11、机从诞生至今已经经历了4个发展阶段，分别是：第一阶段（19741976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，此阶段的单片机采用双片的形式而且功能比较简单。例如仙童公司生产的F8单片机，只包括了 8位CPU,64个字节的RAM，和两个并行口，需要加一块具有1KB ROM、定时器/计数器和两个并行口的3851芯片才能组成一台完整的计算机。第二阶段（19761978年）：低性能单片机阶段。此阶段的单片机已成为一台完整的计算机，但内部资源不够丰富，以Intel公司生产的MCS-48系列为代表，片内集成了8位CPU、8位定时器/计数器、RAM和ROM等，但无串行口，中断系统也比较简单，片内RAM和ROM容量

12、较小且寻址范围不大于4KB。第三阶段（19781982）：高性能单片机阶段。此阶段的单片机内部资源丰富，以Intel公司生产的MCS-51系列为代表，片内集成了8位CPU、16位定时器/计数器、串行I/O口、多级中断系统、RAM和ROM等，片内RAM和ROM容量加大，寻址范围可达64KB。有的型号内部还带有A/D转换器。第四阶段（1982）：8位单片机得巩固发展及16位、32位单片机推出阶段。16位单片机以Intel公司生产得MCS-96系列为代表，在片内带有多通道A/D转换器和高速输入/输出（HSI/HSO）部件，中断处理和实时处理能力很强。目前单片机的品种众多，其中性能优良的8位单片机在今

13、后若干年内仍然将是工业检测、控制应用领域中的主角。2.2单片机的特点（1）小巧灵活、成本低、易于产品化。能利用它方便地组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表，很容易满足仪器设备既智能又微型化的要求。（2）可靠性高、适用的温度范围宽。单片机芯片一般是按工业测控要求设计的，能适应各种恶劣的环境。这一点是其他机种无法比拟的。（3） 易扩展、控制能力强。通过单片机本身或扩展可以方便地构成各种规模地应用系统及多机和分布式计算机控制系统。（4） 指令系统相对简单，较易掌握，且指令中又较丰富地逻辑控制功能指令，能较方便地直接操作外部输入输出设备。由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等独特优点

14、，已成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广泛的发展前景。单片机技术的应用，使得许多领域的技术水平和自动化程度大大提高，可以说，当今世界正面临着一场以单片机（微电脑）技术为标志的新技术革命。2.3单片机的应用可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。现

15、在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机

16、、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，第3 章.系统设计3.1系统方案确定这次设计题目为单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了红外控制。随着窗帘红外控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的窗帘控制器应运而生。实现这种控制目的的方案有3个。方案（一）自动控制系统。（采用A/D转换器）方案（二）

17、模拟集成控制器自动控制系统。（采用V/F转换电路）这二个方案都是采用单片机控制，液晶显示模块LCD显示。方案（一）的系统框图如图3-1：图3-1 方案一的原理框图STC89C52是一款采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机，其主要性能特点有：（1）高性能、低功耗的8Byte微控制器，RISC精简指令集机构，指令功能强大，且多数为单周期指令，具有低功耗的闲置和掉电控制模式、5个中断源、两个16位定时器/计数器等功能。（2）片内集成4KB可编程闪烁存储器，可进行1000次以上写/擦循环操作，数据保留时间可达10年，支持三级程序存储器锁定

18、。（3）丰富强大的外部接口性能：32可编程I/O线，可编程串行通道，片内振荡器和时钟电路。 采用LG28显示模块41BH数码管，动态扫描，8550三极管位选驱动 ， AT89C51微处理器P0口直接段选实现小时、分钟显示，具有显示亮度强、稳定性能好、显示误差少等优点。方案（二）的框图如图3-2：图3-2 方案二的原理框图该窗帘控制器采用STC89C52单片机的最小系统设计，控制一个220v的可逆、变速电动机控制窗帘的拉开和关闭。窗帘控制器可以使用红外遥控器进行远程手动开、手动关和手动停控制；还可以根据室外环境亮度实现环境亮度光控。以及光控状态下环境亮度的控制参数的调整等等都可以通过遥控器进行设

19、置。 该红外遥控窗帘可谓是一款多功能的窗帘控制器窗帘控制器原理图。经过论证选择方案二。3.2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：STC89C52RC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； 3.2.1 中央控制器STC89C52RCSTC89C52RC是由宏晶公司推出的一种小型单片机，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，且采用高密度非易失存储器制造技术制造，将多功能8位CPU

20、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。3.2.1.1 STC89C52RC的特点STC89C52RC有很宽的工作电源电压，可为2.76V,当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。STC89C52RC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。STC89C52RC具有以下几个特点：STC89C52RC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

21、；全静态工作,工作范围:0Hz24MHz；三级程序存储器加密；1288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超强抗干扰:高抗静电(ESD保护),轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰；宽电压,不怕电源抖动；宽温度范围,-4085；禁止ALE输出;；超低功耗: 1、掉电模式:典型功耗0.1A； 2、空闲模式:典型功耗2mA； 3、正常工作模式:典型功耗4mA-7mA； 4、掉电模式可由外部中断唤醒,适用于电池供电系统,如水表、气表、便携设备等.；3.2.1.2 STC89C52RC引脚功能1电源:VCC -

22、 芯片电源，接+5V； VSS - 接地端； 2.时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 3.控制线:控制线共有4根： ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM

23、的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 4.I/O口线：P0、P1、P2、P3共四个八位口。 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。 P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。 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。 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

24、能如表2.1所示。表1 P3口第二功能端口引脚各个功能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2(外部中断0请求输入端，低电平有效)P3.3(外部中断1请求输入端，低电平有效)P3.4T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5T1（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信号输入端,低电平有效)P3.7（外部数据存储器读选通信号输入端，低电平有效）3.2.1.3时钟电路和复位电路1）时钟产生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1.2MHz24MHz

25、之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在20pF100pF之间选取，典型值为30pF。本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。振荡周期；机器周期指令周期。XTAL1和XTAL2：片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。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。即用来连接8051片内OSC的定时反馈回路，

26、如图3.5所示。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C1和C2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。如图3-3.图3-3 时钟电路2）单片机复位电路图3-4为单片机复位电路。单片机在开机时都需要复位，以便中央处理CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟

27、振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。MCS-51单片机的RST引脚是复位信号的输入端。例如：若MCS-51单片机时钟频率为12MHz，则复位脉冲宽度至少应该为2s。 图3-4 复位电路3.3.6光控测光电路光控电路由D6(光敏二极管)、C10、Q5组成，利用单片机的P2.2及P2.3完成对环境亮度的测试工作。D6和C10组成充放电回路，P2.2输出为低电平，有光照时光敏二极管反向导通，C10通过光敏二极管充电，此时环境亮度决定了光敏二极管的光阻值，光阻值大，C10放电速度慢，反之放电速度快。P2.3用来检测C10电压下降到1/2VCC以下后，P2.3测得数为“0

28、”，反之测得数据位“1”，为了减少P2.3对C10的充放电影响，C10充放电电压通过三极管Q5组成的射极输出器连接到P2.3上，射极输出器的高输入阻抗减少了P2.3对电路的影响。单片机对P2.3的状态进行检测，当P2.3为“0”时表示白天，当P2.3为“1“时表示黑夜。 图3-15 光控检测电路3.3.7电机执行电路电机执行部分完全受单片机的控制，通过单片机的P2.0和P2.1完成。单片机复位状态下P2.0和P2.1输出高电平，三极管Q1、Q2，Q3、Q4截止，两个继电器K1、K2释放状态，方向可逆的电动机M因无电源供电而停止。当P2.0或者P2.1其中有一个被拉低后，两个继电器便会有一个导通

29、，例如P2.0拉低后Q1导通、Q2导通，K1吸合，电机M得电转动，当只有P2.1拉低后，电机M则反方向转动，实现了窗帘的拉开和关闭。两个继电器的工作状态受单片机控制，在同一个时间内两个继电器仅能有一个吸合。即便是在电机M工作期间，操作了反向转动按键，单片机也是先释放当前工作的继电器，并延时一段时间后再吸合另外一个继电器，防止了电机M正反工作线圈同时通电的冒险。 图3-16 电机执行电路3.3.8窗帘框架构造设计窗帘框架构造设计包括窗帘微动开关连接电路设计和窗帘架的制作与设计。本设计中的微动开关通过电容、电阻组成的复位电路与单片机的复位引脚相连，微动开关安装在窗帘滑杆上，当窗帘移动到预定位置时，

30、触动微动开关，使单片机复位，此时电机停转，窗帘停到指定位置。 图3-17 窗帘框架构造3.4软件设计程序的编写是该系统重要的部分，如果软件编写的科学就能体现出该系统功能的完整性、实用性、经济性。只有软件和硬件都正确才能使电路正常工作达到我们想要的效果。本系统的软件编程部分的编写主要分为红外解码程序、LCD1602显示程序、时钟芯片DS1302控制程序、数据存储程序这四大类来阐述。第5章.总 结学校给我们布置了个任务,让同学在毕业前进行实践调查，以便培养同学的能力，这样会很好的锻炼我们社会交际能力，现在的社会的要求也是越来越需要我们的能力。通过这项活动，使我们的视野更加宽阔对社会的了解更多.在调

31、研过程中我参加了实习，这更加让我深入的了解企业。在实际调研过程中可以通过网络，书本，指导老师还有专业人员得到相关的信息。从各个环节入手，对厂品全方面了解。突出应用性强，注重新技术，新成果的应用。对传感器进行类比，选材，工艺设计突出实用性。立足基础理论，面向应用技术，以必须，够用为尺度。加理论知识和实际应用统一。这些都是在调研中所要考虑到的。让我学到了许多知识，培养了我的调查研究、查阅文献、收集资料和理论分析的能力；分析问题和解决问题的能力。提高自身实践技能，达到理论知识和实际应用的统一，让我受益匪浅。调研的过程也就是探索如何将设计变为现实的过程，通过这次调研，让我深深地感觉到我们在学校所学知识的重要性。设计知识在实际工程设计环节中必不可少，这也让我感觉到自己所学知识的优势及不足，觉得平时的知识积累的还不够，仍然有好多东西等着我去学习！今后要不断地提高自身的综合素质；同时认识到实践也是一个不可缺少环节，只有不断地通过理论与实践相结合，不断发现问题解决问题，才能创作出更好的毕业设计作品。调研使我对课题在理论上有了一个深层次的研究，开阔了自己的设计思路，也是对我在实践环节中遇到问题的补充，感谢学校给我的