计算机控制光感自动窗帘控制系统设计Word文档格式.docx

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课程设计时间:

　201２-０６-１1~2０１２-06-15

计算机控制技术　课程设计任务书

学生姓名

专业班级

学号

题目

光感自动窗帘控制系统设计

课题性质

工程设计

课题来源

自拟

指导教师

主要内容

（参数）

利用89C51单片机设计光感自动窗帘控制系统,实现以下功能：

１．能够手动控制窗帘得开与关;

2.能够设定时间来打开或关闭窗帘;

３.系统能根据亮度得不同来控制窗帘打开程度得大小;

4.用户能通过键盘电路设定开关时间,并及时显示在数码管显示器上;

任务要求

（进度）

第１天:

熟悉课程设计任务及要求,查阅技术资料,确定设计方案。

第２天：

按照确定得方案设计单元电路。

要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据,各单元电路得设计要有详细论述。

第3天：

画各部分流程图,进行软件设计,编写程序。

第4-5天：

撰写课程设计报告。

要求内容完整、图表清晰、语言流畅、格式规范、方案合理、设计正确。

主要参考

资料

[1]　杨家成.单片机原理与应用及C５１程序设计．北京:

清华大学出版社,20０７

[２]夏路易石宗义.Pｒotel99sｅ电路原理图与电路板设计教程.北京:

北京希望电子出版社,20０4

[3］　朱玉玺.计算机控制技术.北京：

电子工业出版社,201０

[４]邓兴成.单片机原理与实践指导.北京:

机械工业出版社，2０1０

[5]瞿贵荣、电动窗帘红外遥控电路、家庭电子,2005

[6]　阎石、数字电子技术基础、北京：

高等教育出版社,２00９、

审查意见

系（教研室）主任签字:

　　　　　　　　　　年　　月　　日　　　

目　录

1　概述4

１、2设计思想及基本功能ﻩ4

2　总体方案设计5

2、1方案选取ﻩ５

2、3　总体方案设计8

3硬件电路设计9

３、１电源电路设计ﻩ9

3、２晶振电路ﻩ10

3、４　时钟电路１２

３、5键盘电路ﻩ14

3、6　显示电路14

3、7A/D转换电路１7

3、8　光敏传感器１8

4系统软件设计22

4、2键盘程序设计ﻩ２３

4、3定时程序设计25

４、4步进电机程序设计２６

５总结ﻩ28

参考文献2９

附录　系统原理图ﻩ2９

１概述

1、1研究背景

伴随着信息化时代得到来，人们得生活速度以及对生活质量得追求也在大幅提高。

智能化得产品设计在改变人们工作方式与生活习惯得同时,让人们对生活质量得提升提出了更高得要求,方便、舒适成了人们所追求得生活方式,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,人们更为关注得就是一个安全、方便、舒适得环境。

智能化得电子产品以及设计将以前得被动静止物体转变为人们能够方便操控得工具,这些产品具有提供全方位得信息交换得功能,不仅能够优化人们得生活方式,帮助人们合理得安排时间,增强居家环境得安全性,甚至还可以为各种能源费用节约资金。

在智能化产品中,单片机得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、工业专用设备得管理及过程控制等领域,在很多得大中型得电气设备以及小型得电子产品中也用到了单片机进行控制。

针对人们对智能化得需求以及对舒适生活得追求,窗帘自动控制系统改变了传统窗帘得劣势,它可以根据外界光照强度得不同而自动开闭窗帘,也可以根据人们设定得时间来控制窗帘。

该系统利用光敏电阻检测光照强度得变化，并且将光敏检测模块得电阻变化转化为电压变化,然后将电压变化得信号送单片机,单片机通过电机驱动模块控制着步进电机得正反转实现窗帘得来回移动。

本设计正就是把利用AT89Ｃ51　单片机得优点以及简单实用性,顺利得完成了对智能控制得要求，并且为智能化得家居设备提供了良好得基础。

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、2设计思想及基本功能

该系统具有一般得窗帘控制系统得最基本得功能,即通过电动按钮来开闭窗帘,在此基本功能得前提下,本设计根据需求还设计了可以根据光照强度与设定时间自动开闭窗帘得功能,在选取设计方案与采用元器件方面,该系统本着简单实用经济得思想,尽量简化电路设计,用最简单得电路布线与选用最经济实用得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:

该功能就是根据用户得需求通过按键进行窗帘得开关,此功能可以使窗帘处于开闭得任何一种状态;

（2）自动控制:

系统可以通过感光器采集室内光照强度,根据亮度得不同而自动控制窗帘得打开程度;

（4）时间控制:

此功能就是根据用户设定得时间在特定得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得应用已经越来越广泛,很多得电子产品利用单片机所取得得便利得到了人们得好评,针对单片机控制得自动窗帘控制系统得智能化要求,实现其自动控制得方案有两种:

方案

（一）系统得传动机构使用直流电机，窗帘只有两个简单得状态：

完全打开与完全关闭;

　方案

（二）系统得传动机构使用更精确灵敏得步进电机，使得窗帘从关闭到完全打开之间有6个不同得等级。

这二个方案都就是基于单片机控制得,光线感应以及数码管显示,不同得设计部分在于传动机构与窗帘得设计形式得选取上。

方案

（一）得窗帘由于只有完全开与完全关两种状态，所以窗帘本身设计不需要太复杂，采用普通得卷帘即可。

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）得窗帘从完全关闭到完全打开按打开程度有0~５共六个等级,窗帘设计成类似百叶窗得形式,通过步进电机可以精确控制每个叶片得旋转角度,从而控制开关程度得大小。

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所示就是方案

（一）得效果图;

图２、2就是方案

（二）得效果图:

图2、1　方案

（一）卷帘效果图

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,没有太多继续研究得价值,并且其窗帘控制过于单一，而且不如方案二得百叶窗式得窗帘美观。

图2、３所示就是百叶窗关闭打开得原理图，图2、4就是步进电机驱动百叶窗各叶片得物理截面图，其根据光照强度得大小有不同程度得打开,能够更精确得满足用户得需求，所以本设计选择方案二。

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）得系统框图如图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就是基于满足设计要求得前提并且根据理论上得可实现性与硬件上得经济实用性,而进行设计得重要环节。

本章从人们对系统功能需求出发，在综合考虑各种因素得情况下,设计出自动控制系统得总体构架,并且在基本功能需求得基础上尽可能考虑系统得可扩展性。

伴随着科学技术得发展与人民生活水平得日益提高,人们对生活舒适性得追求越来越强烈,而窗帘在每个家庭生活就是必备得,其基本功能就是保护住户得隐私以及遮蔽阳光等。

基于这些作用窗帘得便利性自然也受到家庭得关注。

但传统得窗帘绝大部分就是用手去开关,每天开关不仅不省力，而且还可能错过最佳光照时间,尤其就是大窗帘,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。

现有得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，但就是有些方面得设计还就是不够人性化。

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、关闭得功能，方便用户控制。

（2）亮度自动控制:

此功能就是根据室内光照强度得大小,来决定百叶窗每个叶片得旋转角度从而控制窗帘打开得大小程度。

（3）时间自动控制:

此功能根据用户需要,设定需要开闭窗帘得时间,通过输入得开启或关闭时间,控制窗帘开关。

光感自动窗帘控制系统设计得总体框图如图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就是用光敏电阻采集外界得光强度,从光传感器采集得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转换器件得转换需要一定时间,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。

传入得信号由89C５1单片机来控制，并且做出响应，以实现电机得正转、反转与停止。

显示模块就是用来显示自动窗帘控制器得各种状态。

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。

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,因此设计得电源电路主要就是提供单片机工作电压。

图３、1就是为单片机提供电压得电源电路。

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

图３、1电源电路图

３、2晶振电路

电路中得晶振即石英晶体震荡器。

由于石英晶体震荡器具有非常好得频率稳定性与抗外界干扰得能力,所以,石英晶体震荡器就是用来产生基准频率得。

通过基准频率来控制电路中得频率得准确性。

同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。

图3、2就是单片机得晶振电路。

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

片内振荡器得振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1、2MHz~24ＭＨz之间选取。

C1、C2就是反馈电容,其值在20pＦ~1００ｐＦ之间选取，典型值为30pF。

本电路选用得电容为30pＦ,晶振频率为12MＨz。

振荡周期=;

　　　　　　　　　机器周期

　　　指令周期＝。

XTAL1接外部晶体得一个引脚，ＸTAL2接外晶体得另一端。

在单片机内部,接至上述振荡器得反相放大器得输出端。

采用外部振荡器时,对ＨMOS单片机,该引脚接外部振。

在石英晶体得两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率得机械变形,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，无论就是机械振动得振幅,还就是交变电场得振幅都非常小。

但就是,当交变电场得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。

这一特定频率就就是石英晶体得固有频率,也称谐振频率。

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

通常,OSC得输出时钟频率fOSC为0、5ＭHz-１6ＭHz,典型值为12MHｚ或者1１、05９２ＭHz。

电容C1与C2可以帮助起振,典型值为30pF,调节它们可以达到微调fOSC得目得。

图３、2　单片机晶振电路图

3、3　复位电路

复位电路得主要功能就是使单片机进行初始化，在初始化得过程中需要在复位引脚上加大于2个机器周期得高电平。

复位后得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。

但就是为了在复位按键稳定得前提下，电源稳定后还要经一定得延时才撤销复位信号，以防在按键过程中引起得抖动而影响复位。

图3、３所示得　RＣ复位电路可以实现上述基本功能。

图3、3复位电路图

3、４时钟电路

DＳ128８7芯片与ＡT89C5l单片机得接口电路如图3、4所示。

图３、4　时钟电路图

其中DＳ12８87得模式通过选择脚MOT接地来确定,DS１２８87得中断输出端IQＲ与８9C51得外部中断ＩＮＴ0接口相联,R/W接口与单片机８９C51得RD/WR接口相连;

而DS12８87得ＡS端口与单片机89C51得AIE端直接相联。

DS1２887得ＳQW端与单片机８9C５1得TO端相连。

DS12887得高位地址由端口P2.7来片选，DS1２88７得高８位地址设定为7ＦH,低8位由芯片内部各单元得地址来定。

DS12８8７内部由振荡电路,分频电路,周期中断/方波选择电路,14字节时钟与控制单元,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与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与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级分频器得13个抽头中选择一个作为输出信号,其输出频率可通过对寄存器A编程改变。

AＤ0-AD7（双向地址／数据复用线）:

总线接口,可与Ｍｏtorｏlａ微机系列与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得下降沿把地址锁入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引脚得电平,当使用Ｍoｔorola时序时,ＤＳ就是一正脉冲，出现在总线周期得后段，称为数据选通;

在读周期，ＤS指示DS1288７驱动双向总线得时刻;

在写周期,DS得后沿使DS12８87锁存写数据。

选择Intｅｌ时序时,ＤＳ称作（RＤ）,RD与典型存贮器得允许信号（OＥ）得定义相同。

R/W（读/写输入）：

R/W引脚也有两种操作模式。

选Mｏtoｒoｌa时序时，R/Ｗ就是低电平信号时,指示当前周期就是读或写周期,DS为高电平时,R/W高电平指示读周期,R/W信号一低电平信号,称为WR。

在此模式下,R/W引脚与通用RAM得写允许信号（WE）得含义相同。

　CS（片选输入）:

在访问DＳ１2887得总线周期内,片选信号必须保持为低。

IRQ（中断申请输入）:

低电平有效,可作微处理得中断输入。

没有中断得条件满足时，IRQ处于高阻态。

IRQ线就是漏极开路输入,要求外接上接电阻。

ＲEＳET（复位输出）:

当该脚保持低电平时间大于200mｓ，保证DS12887有效复位。

3、5　键盘电路

键盘在由单片机控制得窗帘自动控制系统中得主要作用就是通过按键向单片机输入指令，其中主要包括设定时间,控制窗帘得开关等等功能,就是人工控制单片机得主要手段。

在窗帘控制系统设计中得键盘采用得就是4×

４矩阵键盘。

这１６个按键分别为：

设定键主要就是用来设定自动窗帘打开或者关闭得时间；

0-９数字键，其作用主要就是用于设定时间;

复位键主要应用在程序出错以及误操作得时候使单片机复位,从而重新设定;

反转键就是使步进电机反转,控制窗帘关闭;

正转键就是使步进电机正转，从而控制窗帘打开;

停止键可以控制步进电机停止工作，窗帘控制器停止运行;

确定键主要就是用于在时间设定完成后得确定输入。

由于按键比较多,单独设置按键会增加总体设计得复杂性，而且为了减少所占用得端口,可以将按键组成一个矩阵,如图3、5所示。

图3、5键盘接口电路

3、6　显示电路

显示电路主要就是用于显示时间。

采用LＥＤ数码管进行显示就是因为LED数码管具有以下几个优点：

（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、IＴL电路兼容。

（2）发光响应时间极短（＜0、1μｓ）,高频特性好,单色性好,亮度高。

（3）体积小,重量轻,抗冲击性能好。

ﻫ数码管有共阴极与共阳极两种类型,其公共端主要进行位控制,笔画端则就是进行字符控制,数码管有静态显示与动态显示两种方法,说明如下:

（１）静态显示驱动:

ﻫ　静态驱动也称直流驱动。

静态驱动就是指每个数码管得每一个段码都由一个单片机得Ｉ/O进行驱动,或者使用如ＢCＤ码二—十进位器进行驱动。

静态驱动得优点就是编程简单,显示亮度高,缺点就是占用I/O多,如驱动5个数码管静态显示则需要5×

8＝４0根I／Ｏ来驱动,要知道一个89C5１单片机可用得I／O才32个。

故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路得复杂性。

（2）动态显示驱动:

数码管动态显示就是单片机中应用最为广泛得一种显示方式之一,动态驱动就是将所有数码管得8个显示笔划"

a、b、ｃ、d、e、f、g、dp"

得同名端连在一起,另外为每个数码管得公共极增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立得I/Ｏ线控制，当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同得字形码,但究竟就是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位元选通端电路得控制,所以我们只要将需要显示得数码管得选通控制打开,该位元就显示出字形,没有选通得数码管就不会亮。

透过分时轮流控制各个LED数码管得端,就使各个数码管轮流受控显示,这就就是动态驱动。

在轮流显示过程中,每位元数码管得点亮时间为1～２ms,由于人得视觉暂留现象及发光二极体得余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮,但只要扫描得速度足够快,给人得印象就就是一组稳定得显示资料,不会有闪烁感,动态显示得效果与静态显示就是一样得,能够节省大量得Ｉ/O口,而且功耗更低。

　本设计采用得就是4位LED数码管得串行驱动电路来达到显示得目得。

驱动器采用74LS１64,由单片机８9C5１得P3、0与P3、1来控制LED数码管得显示。

显示电路图如３、6所示。

图３、6显示电路

74LS１64就是8　位串行输入,并行输出得移位寄存器。

其引脚及各个引脚得作用如下图3、7所示：

符号

引脚

说明

DＳA

１

数据输入

ＤSB

1

Ｑ0～Q3

3~6

输出

GNＤ

7

地（0V）

CＰ

８

时钟输入（低电平到高电平边沿触发）

／MＲ

9

中央复位输入（低电平有效）

Q4~Q7

1０~1３

VCC

１４

正电源

图3、774ＬS１６4引脚及说明　　

3、7Ａ/D转换电路

Ａ/D转换得作用就是进行模数转换,把接收到得模拟信号转换成数字信号输出。

在选择A／D转换时,先要确定A/Ｄ转换精度、转换速度以及转换位数等,A/D转换得位数确定与整个测量控制系统所需测量控制得范围与精度有关,在自定窗帘控制系统中采用了8位Ａ／D转换器ＡＤＣ08０9。

ADＣ0８09就是美国国家半导体公司生产得CMOS工艺8通道，８位逐次逼近式Ａ/D转换器。

8路模拟信号得分时采集,片内有８路模拟选通开关，以及相应得通道抵制锁存用译码电路,其转换时间为１00μs左右。

ADC080９得主要特性有:

（1）8路输入通道,8位Ａ/D转换器，即分辨率为8位。

（2）具有转换起停控制端。

（3）转换时间为100μs（时钟为640kＨz时）,１30μs（时钟为5０0kHｚ时）　　　

（4）模拟输入电压范围０～+５V，不需零点与满刻度校准。

（５）工作温度范围为-4０～+８5摄氏度　　

（6）低功耗,约1５ｍW。

ADＣ０80９与单片机８9Ｃ51得连接示意图如图3、8所示，其中７4LＳ373为锁存器,当三态允许控制端　OE为低电平时,Ｏ0-O7为正常逻辑状态,可用来驱动负载或总线。

当　ＯE为高电平时,Ｏ0－O7　呈高阻态,即不驱动总线,也不为总线得负载,但锁存器内部得逻辑操作不受影响。

　图3、8　AＤC0８0９与单片机连接示意图

３、8光敏传感器

电动窗帘要根据光照得情况而自动开关窗帘,因而需要使用到光电传感器。

这里使用光敏电阻。

光敏电阻就是用光电导体制成得光电器件,又称光导管，她就是基于半导体光电效应工作得。

光敏电阻没有极性,纯粹就是一个电阻器件,使用时可以加直流偏压,也可以加交流电压。

当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流很小。

当光敏电阻受到一定波长范围得光照时,它得阻值急剧减少，因此电路中电流迅速增加。

光敏电阻具有很高得灵敏度,很好得光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区。

而且体积小、重量轻、性能稳定。

因此在自动化技术中得到广泛得应用。

光敏电阻器一般用于光得测量、光得控制与光电转换（将光得变化转换为电得变化）。

通常,光敏电阻器都制成薄片结构,以便吸收更多得光能。

当它受到光得照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电,使电路中电流增强。

根据光敏电阻得光谱特性,可分为三种光敏电阻器:

紫外光敏电阻器:

对紫外线较灵敏,包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等,用于探测紫外线。

红外光敏电阻器:

主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。

锑化铟等光敏电阻器,广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱,红外通信等国防、科学研究与工农业生产中。

可见光光敏电阻器：

包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。

主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯与其她照明系统得自动亮灭,自动给水与自动停水装置，机械上得自动保护装置与“位置检测器”，极薄零件得厚度检测器,照相机自动曝光装置,光电计数器,烟雾报警器,光电跟踪系统等方面。

这里选用Ф3系列得GL3５2６。

其亮电阻在10～20KΩ,暗电阻为1MΩ、

光敏电阻连接如图３、9所示。

　　　　　图3、９　光敏传感器

在模拟信号采集过程中，难免会碰到采集信号过于微弱,难以接收到,此时必须采用一个信号放大电路对信号进行一定倍数得放大才能满足A/D转换器对输入信号电平得要求,并且放大器还不能产生干扰信号,因此必须选择一种符合要求得放大器。

此外,进行信号采集时,采集到得信号不仅就是有用得信号，还有很多干扰信号,应该选用具有频率选择作用得滤波器,这样可以比较有效地滤除噪声与分离各种不同信号,在本设计中采用了低通滤波器。

积分运算电路具有低通特性,而通带放大倍数取决于电阻组成得负反馈网络,故在积分运算电路中电容上并联一个电阻,得到反相输入一阶低通滤波电路,该电路具有放大与滤波功能。

3、9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。

为了实现步进电机得简易运动控制,一般以单片机作为控制系统得微处理器,通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机得速度与位置定位控制。

单片机在本次试验中对步进电机得控制从而达到对转角与位移得控制得方法。

本次设计采用两个型号为1３0HZ308-４50得三相反应式步进电机对旋转角度与位移进行控制,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°

，即本次设计得测控系统对回转台转角得控制精度可以达到１、２°

。

步进电机得驱动电路就是根据控制信号工作得。

而本次测控系统就是以单片机位控制中心得,下面