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1、光感自动窗帘控制系统设计22020年4月19日文档仅供参考，不当之处，请联系改正。目录1 概述1 1.1 研究背景11.2 设计思想及基本功能12 总体方案设计22.1 方案选取22.2 系统框图52.3 总体方案设计53 硬件电路设计63.1 电源电路设计63.2 晶振电路73.3 复位电路83.4 时钟电路93.5 键盘电路103.6 显示电路113.7 A/D转换电路143.8 光敏传感器153.9 步进电机174 系统软件设计194.1 主程序软件设计194.2 键盘程序设计204.3 定时程序设计224.4 步进电机程序设计235总结25参考文献25附录 系统原理图261 概述1.1
2、 研究背景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。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，居家环境早已不但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，不但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，甚至还能够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
3、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，窗帘自动控制系统改变了传统窗帘的劣势，它能够根据外界光照强度的不同而自动开闭窗帘，也能够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，而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，单片机经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AT89C51 单片机的优点以及简单
4、实用性，顺利的完成了对智能控制的要求，而且为智能化的家居设备提供了良好的基础。另外，对该系统进行扩展，比如能够加上防火，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。1.2 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，即经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能够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。光感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经
5、过按键进行窗帘的开关，此功能能够使窗帘处于开闭的任何一种状态；（2）自动控制：系统能够经过感光器采集室内光照强度，根据亮度的不同而自动控制窗帘的打开程度；（4）时间控制：此功能是根据用户设定的时间在特定的时间点一次性开关窗帘。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得到了人们的好评，针对单片机控制的自动窗帘控制系统的智能化要求，实现其自动控制的方案有两种： 方案（一）系统的传动机构使用直流电机，窗帘只有两个简单的状态：完全打开和完全关闭； 方案（二）系统的传动机构使用更精确灵敏的步进电机，使得窗帘从关闭到完全打开之间有6
6、个不同的等级。这二个方案都是基于单片机控制的，光线感应以及数码管显示，不同的设计部分在于传动机构和窗帘的设计形式的选取上。方案（一）的窗帘由于只有完全开与完全关两种状态，因此窗帘本身设计不需要太复杂，采用普通的卷帘即可。关闭时，电机旋转全部放下卷帘；打开时，电机将卷帘全部卷起。方案（二）的窗帘从完全关闭到完全打开按打开程度有05共六个等级，窗帘设计成类似百叶窗的形式，经过步进电机能够精确控制每个叶片的旋转角度，从而控制开关程度的大小。当叶片与窗户面平行时，窗帘完全关闭；当叶片与窗户面垂直时，窗帘完全打开。下面图2.1所示是方案（一）的效果图；图2.2是方案（二）的效果图：图2.1 方案（一）卷
7、帘效果图图2.2 方案（二）百叶窗式效果图鉴于方案一这种卷帘现在市场上已经发展很好，没有太多继续研究的价值，而且其窗帘控制过于单一，而且不如方案二的百叶窗式的窗帘美观。图2.3所示是百叶窗关闭打开的原理图，图2.4是步进电机驱动百叶窗各叶片的物理截面图，其根据光照强度的大小有不同程度的打开，能够更精确的满足用户的需求，因此本设计选择方案二。图2.3 百叶窗原理图图2.4 步进电机与百叶窗叶片连接截面图2.2 系统框图方案（二）的系统框图如图2.5。图2.5 系统框图2.3 总体方案设计自动窗帘控制系统总体方案设计是基于满足设计要求的前提而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
8、重要环节。本章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构架，而且在基本功能需求的基础上尽可能考虑系统的可扩展性。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，每天开关不但不省力，而且还可能错过最佳光照时间，特别是大窗帘，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能够利用按键控制，自动开关闭窗帘，虽
9、然省了力气，可是有些方面的设计还是不够人性化。对此，本控制系统提出能够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、关闭的功能，方便用户控制。（2）亮度自动控制：此功能是根据室内光照强度的大小，来决定百叶窗每个叶片的旋转角度从而控制窗帘打开的大小程度。（3）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，经过输入的开启或关闭时间，控制窗帘开关。光感自动窗帘控制系统设计的总体框图如图2.6所示。图2.6 电动窗帘控制器结构框图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
10、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，因此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，而且做出响应，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，经过不同按键来控制单片机进行各种运转状态。3 硬件电路设计3.1 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，能够输出5V的直流电压以供给单片机。图3.1 电源电路图3.2 晶振电路电路
11、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，因此，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。经过基准频率来控制电路中的频率的准确性。同时，它还能够产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。图3.2是单片机的晶振电路。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1.2MHz24MHz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接外部晶体的一个引脚，XTA
12、L2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。可是，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。一般，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5
13、MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。电容C1和C2能够帮助起振，典型值为30pF，调节它们能够达到微调fOSC的目的。图3.2 单片机晶振电路图3.3 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。可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。图3.3所示的 RC 复位电路能够实现上述基本功能。图3.3
14、复位电路图3.4 时钟电路DS12887芯片和AT89C5l单片机的接口电路如图3.4所示。 图3.4 时钟电路图其中DS12887的模式经过选择脚MOT接地来确定，DS12887的中断输出端IQR和89C51的外部中断INT0接口相联 ，R/W 接口与单片机89C51的RD/WR接口相连；而DS12887的AS端口和单片机89C51的AIE端直接相联。DS12887的SQW端与单片机89C51的TO端相连。DS12887的高位地址由端口P27来片选，DS12887的高8位地址设定为7FH，低8位由芯片内部各单元的地址来定。DS12887内部由振荡电路，分频电路，周期中断/方波选择电路，14字
15、节时钟和控制单元，114字节用户非易失RAM，十进制/二进制累加器，总线接口电路，电源开关写保护单元和内部锂电池等部分组成。DS12887引脚分配如图所示： Vcc：直流电源+5V电压。当5V电压在正常范围内时，数据可读写；当Vcc低于4.25V,读写被禁止，计时功能仍继续；当Vcc下降到3V以下时，RAM和计时器供电被切换到内部锂电池。 MOT（模式选择）：MOT引脚接到Vcc时，选择MOTOROLA时序，当接到GND时，选择Intel时序。 SQW（方波信号输出）：SQW引脚能从实时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可经过对寄存器A编程改变。 AD0-AD7（双向地址/数据复用线）：总线接口，可与Motorola微机系列和Intel微机系列接口。 AS（地址选通输入）：用于实现信号分离，在AD/ALE的下降沿把地址锁入DS12887。 DS（数据选通或读输入）：DS/RD引脚有两种操作模式，取决于MOT引脚的电平，当使用Motorola时序时，DS是一正脉冲，出现在总
