自动窗帘控制系统设计毕业作品.docx
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自动窗帘控制系统设计毕业作品
毕设
业计
(20届)
自动窗帘控制系统设计
所在学院
专业班级电子信息工程
学生姓名学号
指导教师职称
完成日期年月
摘要
本设计介绍一种利用光敏电阻控制家里窗帘的智能系统。
本系统能根据室外光照的强弱,自动开启或闭合,使室内光照始终处于一恒值。
不仅如此,它还能根据主人通过无线遥控器控制其开关。
该系统适用于家庭,宾馆,商场,办公楼等区域。
本系统主要由无线发射接收模块、主控模块、电源模块、光敏传感器和定时模块组成。
无线接收模块采用超外差式电路,该模块用来接收无线信号,然后用软件解码来实现遥控编码的识别。
主控模块采用单片机STC12C2052AD来实现窗帘开或关的控制。
光敏传感器采用光敏电阻,利用其电阻随光照强度的改变而改变的特性来实现的。
定时模块采用时钟芯片DS1302来进行时间的读取。
此外在本系统中还需要电机来实现窗帘的运作。
在设计中采用Protel软件设计电路原理图。
实物模型通过了测试且运行状况良好,总体达到设计要求,具有一定的使用和参考价值。
关键词:
光敏传感器;无线遥控;单片机
Abstract
Thisdesignisintroducedauseofphotoconductiveresistancecontrolofthecurtainintelligencesystemathome.Thissystemcanaccordingtothestrengthoftheoutdoorillumination,automaticopenorclosed,makeindoorlightalwaysinaconstantvalue.Notonlythat,itstillcanaccordingtomasterthroughwirelessremotecontrolitsswitch.Thissystemissuitableforthefamily,hotels,stores,officesandotherregions.Thissystemmainlybythewirelesstransmittingreceivingmodule,controlmodule,photosensitivesensorandtimingmodule.WirelessreceivingmoduleUSESspecializedsuperheterodynetypecircuit,thismoduleusedtoreceiveawirelesssignal,thenusesoftwaredecodingtoimplementremotecontrolcodeofrecognition.STC89C51MCUcontrolmoduletoachievethecurtainopenorclosecontrol.Photosensitivesensoradoptsphotoconductiveresistance,usingitsresistancewithlightintensitychangescharacteristicstofulfill.TimingmoduleUSESDS1302fortimeclockchiploading.Inadditioninthesystemstillneedmotortorealizetheoperation.InthedesignofsoftwaredesignusingProtelcircuitprinciplediagram.
Keywords:
Photosensitivesensor;WirelessRemote;Controlsinglechipcomputer
1 引言
随着人民生活条件和科学技术的不断提高,特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展,人们对居住环境的要求也不断提高。
为了满足人民日益增长的物质需求,家居智能化便成为众多电子企业的一个重大科研项目。
何为智能家居,智能家居是一个居住环境,是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境,实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。
从这个定义来看,完全意义上的智能家居以目前的科学技术来讲还是很难实现的。
但部分家电的智能化得以实现。
例如,入户门设置灯光感应器,主人回家或客人来访时,灯光自动打开,方便主人开锁和客人按门铃,灯光过后会自动延时熄灭。
再例如,智能插座,能通过远程无线电控制其通电。
当然仅仅有这些是远远不够的,要实现家居的智能化还有很长的路要走,但随着科学技术的不断发展,比尔盖茨的数字豪宅不再是一个梦想。
窗帘,在任何一个家庭中我们都能看到它的身影。
它不仅能遮挡阳光,还能起到美观的作用。
但传统的窗帘需要人为的开启和关闭,而且还无法保证室内光线达到一恒值,不是太暗就是太亮。
在智能家居日益深入人心的当今社会显得格格不入。
本次所要设计的就是智能窗帘的控制系统,使它也能步入智能化的行列。
智能窗帘的控制系统的依据是光敏电阻的阻值会随着光照强度的改变而改变,主控芯片会探测到这一变化控制电机正转或反转,从而控制窗帘开关。
2总体设计
本次所要设计的是智能窗帘的控制系统,使窗帘能自动感光并且根据光照强度来控制窗帘的打开程度。
此外,该控制系统还能实现无线遥控和定时的功能。
本系统由光敏传感器部分,无线发射接收部分,主控部分,定时部分构成,通过,光敏传感器探测到外界光照强度的强弱,并通过STC12C2052AD处理芯片。
2.1总体硬件组成框图
图2-1为总体硬件的组成框图:
图2-1总体硬件组成框图
整个设计系统主要由光敏传感器,无线控制模块,单片机主控模块和定时模块组成。
2.2无线发射接收模块
无线遥控技术,顾名思义就是指实现对被控目标的非接触遥远控制。
无线遥控系统按传输控制指令信号的载体分为:
红外线遥控、无线电遥控、超声波遥控;按信号的编码方式分:
频率编码、脉冲编码;按传输通道数分为:
单通道多通道遥控[1]。
本设计使用的无线遥控是单通道无线电遥控,其编码方式是脉冲编码。
组成无线传输系统的核心部件是无线收发模块。
无线发射端可以采用EV1527编码芯片和PT2262编码芯片。
PT2262通常情况下只能设置不超过256个地址码[2],而且是用硬件固化的,由硬件解码,只要打开2262或2272,里面的地址码就可以看得清清楚楚,很容易复制,所以安全性能是比较低的,这也是导致安装此类无线遥控器经常发生失窃的一个主要原因。
而EV1527是一片由CMOS设计制造的可预烧内码的学习码编码芯片,由软件解码。
内码共有20位元可预烧100万组内码组合,大大降低了使用编码上重复的机率。
更重要的是其不可复制性,并且由于可以自学习,当发射模块丢了,只要对接收模块进行自学习就可以使原先的发射模块失效,大大提高了安全性。
本实验采用的是EV1527编码芯片。
2.3光敏传感器
传感器是信息采集系统的一种能价格物理量,化学量等非电量转化成电量的器件[3]。
本设计采用的是光敏传感器,其主要元件是光敏电阻,光敏电阻的主要材料是半导体,它对一定范围内的波长的光照是敏感的。
当外界的关照发生变化是其电阻也会变小。
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应,将半导体光敏材料封装在透明窗的管壳里,在其两端用电极引线引出。
在无光照时,其阻值很大。
当受到光照时,只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度,则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带,并在价带中产生一个带正电荷的空穴,这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目,使其电阻率变小,从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强,阻值愈低。
入射光消失后,由光子激发产生的电子—空穴对将复合,光敏电阻的阻值也就恢复原值,这种特性称为光敏特性[4]。
图2-2为光敏电阻原理图。
本设计利用光敏电阻的光敏特性,当外界光照强度变化时,其电阻也改变,主控芯片接收到这一变化,就会做出相应的调整。
图2-2光敏电阻原理图
2.4主控模块
主控模块主要采用单片机STC12C2052AD来实现系统的控制。
主控部分主要包括三部分,分别是无线解码部分、继电器控制和指示部分。
无线解码部分具有分析无线发射信号内含有的编码。
2.5定时模块
定时模块主要采用时钟芯片DS1302,DS1302时钟芯片是由美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路的时钟芯片,能对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能。
DS1302有12个寄存器,与时钟,日历有关的有7个寄存器,用BCD码形式表示。
3硬件设计
本系统硬件主要有五大模块组成:
电源模块、光敏传感器、无线遥控模块、主控模块和定时模块。
3.1电源模块
3.1.1三端稳压集成电路7805和二极管
常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。
7805表示输出电压为正5V的三端稳压集成电路。
二极管是一种具有单向导电的二端器件。
根据PN结构造面的特点,把晶体二极管分为点触型二极管、键型二极管、合金型二极管等。
本设计利用二极管具有单向导电的能力将220V的家用交流电转化为+5的直流电。
图3-1为二极管的实物图。
图3-1二极管的实物图
3.1.2电源电路
本设计中有许多电路需要恒定的直流电压,而住宅内使用的是220V的交流电,因此将交流电转化为恒定的直流电便成为一个必不可少的环节。
本设计中采用三端稳压集成电路7805和二极管达到转化的目的。
图3-2是电源模块的电路图。
在电源电路中,LED灯能显示电源是否处于工作状态。
二极管起整流的作用。
整流,就是把交流电变为直流电的过程,利用具有单向导电特性的器件,可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。
在本设计中采用了四个晶体二极管作为整流的器件。
这种电路被称为桥式整流电路,是适用最多的一种整流电路。
具有全波整流电路的优点。
经过整流电路的电流称为脉动直流,脉动直流电是指方向(正负极)不变,但大小随时间变化。
电容的主要作用是滤波,将大小不同的直流电转化为恒定的直流电。
图3-2电源模块的电路图
3.2光敏传感器部分
本设计的光敏传感部分主要有光敏电阻构成。
3.2.1光敏传感器
光敏传感器主要是光能转化为电能的过程。
该设计用的光敏传感器为最简单的光敏传感器,是由光敏电阻以及一定值电阻R1构成。
图3-3是光敏电阻的实物图。
在本设计中给光敏传感器一恒定的电压,当外界光照强度改变时,光敏电阻的阻值会改变,而R1的电阻不变,使加在其两边的阻值也会改变。
主控芯片内部的AD功能对变化的电压信号进行采集和处理,从而控制电动机正转或反转。
图3-3光敏电阻的实物图
图3-4光敏传感器电路图
3.3无线遥控系统
本设计的无线遥控系统包括无线发射部分和无线接收部分。
发射部分由编码电路和无线发射部分组成,接收电路由无线接收和解码部分组成。
3.3.1无线发射部分
无线发射模块主要包括无线指令模块和发射电路。
指令产生器产生指令信号,可以是开关信号、模拟信号、语音信号或数字编码信号等。
本设计主要采用的是数字编码信号。
发射电路主要是用来发射一高频的载波,用其运送指令编码器所产生的数字编码信号。
无线发射电路中采用EV1527编码芯片来实现编码发射,发射的频段是315MHZ。
EV1527可根据电压和振荡电阻的匹配情况来确定其振荡频率,电压越高,频率越高,电阻越大,频率越低[5]。
如图3-是常用的无线发射模块的典型电路,Q1实现数据控制,Q2则实现了载波控制。
图3-5无线发射模块典型电路
EV1527是由CMOS结构设计生产的预烧内码(遥控中的地址码)的通用编码器,内有20位可预烧写100万组内码组合,使得重码率很低,EV1527具有更高安全性。
EV1527的工作电压为3.0V-12V。
具有T0,T1,T2,T3四个按键组合输入脚。
总计1048576个地址编码。
主要用于智能防盗报警器,家庭防盗报警器,汽车防盗器,摩托车防盗器,遥控玩具等。
本设计主要运用于无线遥控器中。
单端电阻振荡器如图3-6是EV1527的引脚图。
图3-6EV1527引脚图
EV1527引脚位功能说明如表3-1所示:
表3-1EV1527引脚功能表
符号(Symbol)
描述(Description)
引脚(PIN)
端口(I/O)
OSC1
振荡线路输入脚接电阻接电源
1
I
Vcc
电源正
2
GND
电源负
3
TXD
串列资料输出脚
4
O
T0
按键输入脚内含接地电阻
5
I
T1
按键输入脚内含接地电阻
6
I
T2
按键输入脚内含接地电阻
7
I
T3
按键输入脚内含接地电阻
8
I
串列资料输出格式描述:
资料格式:
同步码
内码C0—C19(一百万组)
D0
D1
D2
D3
图3-7EV1527编码格式定义和反码
3.3.2无线接收部分
无线遥控的种类很多,按传输控制指令信号的载体分为:
无线电遥控、红外线遥控、超声波遥控;按信号的编码方式分:
频率编码和脉冲编码;按传输通道数分为:
单通道和多通道遥控等[1]。
本设计使用的无线遥控是单通道无线电遥控,其发射端编码方式是脉冲编码。
无线接收模块主要用来接收无线编码,本设计中我们采用软件解码来实现接收编码的识别。
软件解码主要由单片机加外围电路构成,外围电路主要是一个无线接收电路[6]。
其优点是电路简单,控制方便。
无线发射模块中用EV1527芯片发射编码,而软件解码的功能则是能够对接收由EV1527编码芯片发射过来的无线信号进行识别解码。
由于同步码及各个码位的高低电平宽度都不一样,所以采用软件解码时,可以先判断出同步码头,然后对后面的字码进行脉冲宽度识别即可。
软件解码由于可以自主学习,当发射模块丢了,只要对接收模块进行自主学习就可以使原先的发射模块失效。
基于软件解码良好的性能和简便的电路,本次设计中使用软件解码具有较大的优势。
图3-7为无线接收部分。
由于在现实中存在干扰,无线接收部分接收到的信号会变弱,因此,在电路中应接入一个三极管作为放大器,将外界接收过来的信号经过放大在进入主控芯片处理。
图3-8无线接收部分
3.4主控模块
主控模块中,我们采用STC12C2052AD单片机芯片来实现三方面的控制,分别是无线解码部分,继电器控制部分和指示部分。
3.4.1STC12C2052AD单片机芯片介绍
STC12C2052系列单片机是单时钟的/机器周期(1T)的兼容8051内核单片机。
是高速、低功耗的新一代单片机[7]。
图3-9是STC12C2052AD芯片管脚图。
STC12C2052AD芯片有8路8位高精度的高速A/D转换器。
速度可达100KHz。
P1.7-P1.0共8路电压输入型A/D可做温度检测电池电压检测,按键扫描,频谱检测等。
图3-10是检测光强度变化的电路图。
光敏电阻R2改变引起P1.5口电压的变化,公式:
U2=U1R2/R1。
电压输入型A/D便可对其进行采样和处理,并作出相应的动作。
图3-9STC12C2052AD芯片管脚图
图3-10检测光强度变化的电路图
3.4.2指示和按键控制部分
显示部分主要通过LED的亮和暗来具体指示按键的控制是否在进行。
图3-11是指示电路图。
按键部分主要控制继电器的正传,反转和停止。
图3-11指示部分电路图
3.4.3电机控制部分
电机控制部分主要由两个电机组成,一个正转,一个反转。
分别控制窗帘的开关。
图3-12是电机控制部分。
在控制电路中,三极管起放大的作用,将流入电路的直流电放大,达到电机的额定电流。
二极管起保护电机的作用。
当电路断开时会产生一反向电流,由于二极管单向导通的缘故,就能阻值其流动,防止电动机烧坏。
图3-12电机控制部分
3.5定时部分电路
本设计的定时芯片主要包括定时模块和备用电池。
定时芯片采用DS1302,备用电池采用的是3V的电池。
3.5.1时钟芯片部分
当今流行的串行时钟电路有很多,如DS1302、DS12887、DS1216、DS1643等,这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便,被广泛地采用。
每种芯片的主要时钟功能基本相似,只是在引脚数量,备用电池的安装方式和计时精度上不同。
DS1643拥有28个管脚,硬件连接起来占用的I/O口较多,不方便系统功能拓展和维护。
而DS1302只有8个管脚连接较方便。
考虑到经济和维护方面,本设计采用的是DS1302。
DS1302是由美国DALLAS公司设计研发的。
具有高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路的特点。
图3-13是DS1302的芯片管脚图。
由于DS1302无自带的备用电源,因此,必须在Vcc1口接3V的电池,当电源断开时,确保芯片正常工作。
图3-13DS1302的芯片管脚图
DS1302引脚位功能说明如表3-2所示:
表3-2DS1302引脚功能表
引脚
名称
功能
1
Vcc1
备用电源输入
2
X1
32.768KHz晶振输入
3
X2
32.768KHz晶振输入
4
GND
接地
5
RST
控制移位寄存器/复位
6
I/O
数据输/输出
7
SCLK
串行时钟
8
Vcc2
电源输入
3.6硬件设计的总括
综上所述,本设计由电源模块、光敏传感器、无线遥控模块、主控模块和定时模块五大模块组成。
各自履行着不同的功能。
电源模块提供控制系统的电能;光敏传感器主要履行光控的功能,使窗帘能够自动感光并且根据光照强度来控制窗帘的打开程度得以实现;无线遥控模块能是窗帘具有远距离控制的功能;定时功能是窗帘更具智能化;STC12C2052AD处理芯片作为中控芯片将各模块紧密联系在一起。
4软件设计
本设计软件部分采用C语言在KEIL软件环境中编写各功能模块程序。
该系统主要包括无线解码部分、继电器控制和指示部分、按键部分。
C语言是一种面向过程的计算机程序设计语言,是由D.M.Ritchie于1972年推出,现被运用在各种微机上。
C语言具有绘图能力强,可移植性,并具备很强的数据处理能力,因此适于编写系统软件、三维、二维图形和动画,它是数值计算的高级语言。
C语言被称为中级语言,因为它既具有高级语言的功能,又具有低级语言的许多功能。
而且其语法限制不太严格,具有很强的灵活度,是目前世界上使用最广泛的高级程序设计语言。
同时它也存在不少缺点,例如在数据的安全性上显得有些不足。
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发,体会更加深刻。
具有生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
图4-1是KeilC5的调试界面图。
图4-1KeilC5的调试界面图
4.1系统主流程图
图4-2是系统的流程图。
首先通过无线遥控器进行按键控制。
按键由开启,关闭和停止三个控制开关。
三个键中含有不同在编码。
当任意按下一控制开关后,无线电路便会将含有此编码的高频信号发射到空气中。
无线接收器接收到这一信号便会作出判断,若确认其为无效信号,则丢弃该信号,并终止一下信号,若其为有效信号,则送入无线编码模块解码。
然后主控芯片根据解码的指示控制电机的工作,并通过相应的指示表示其进行的动作。
图4-2系统主流程图
4.2无线解码部分
本设计中采用超外差式接收电路来接收无线数据,使用单片机STC12C2052AD来作为主控芯片,并且实现编码数据的软件解码。
本设计软件解码就是单片机分别识别EV1527发出的编码信号中的同步码、地址码(内码)和数据码过程。
软件解码部分主要分为:
同步码的识别、数据码的识别和按键码的识别三部分,其中数据码和按键码格式相同,可以同等对待来进行解码。
4.2.1同步码识别思路
本设计采用查询方式处理解码程序,因为无线模块接收到很多空气中的干扰信号,一直有高低变化产生,所以不适用在单片机的中断中处理解码程序,因为频繁进入中断,就没时间去处理其他过程的程序了,导致单片机程序死机情况出现,从而不能正常工作。
无线解码部分的同步码识别主要包括同步码高电平识别和同步码低电平识别两部分。
如图3-8所示,由于无线接收器接收到的编码经过三极管Q3,因此其编码是EV1527的编码的反码,具体如图3-7所示。
对于解码时针对于反码而解的,以下描述也是针对于反码来进行描述的。
本文是采用自适应方式进行软件解码[3],自适应方法就是对于同一编码格式的一组编码在不同时间宽度下都可以进行解码的方法。
见图3-7同步码反码部分,首先要求将电路图连接起来,再编译软件。
把单片机接收I/O口定义为INPUT,先判断INPUT是否接收到同步码,判断同步码高电平长度。
本设计采用的是12V工作电压,振荡线路中外界的电阻为330K。
本设计采用80us为最小时间单位,N定义为80us时间单位的个数。
所以时间长度为:
124LCK=N×80us。
具体的流程图如图4-3和图4-4所示,其中图4-3是判断是否有同步码低电平,当N>4时,判断其是否是正确的同步码低电平,若是则进入同步码高电平识别程序。
图4-4是同步码高电平识别流程图,最小延时子程序Delay_80()作为最小时间长度,N定义为其个数。
当N>90时,则表示同步码高电平时间过短,程序就识别为误码,此次同步码判断结束,重新开始判断接收同步码。
如果N>90,则当同步码识别结束的时候保存N值。
由公式:
124CLK/16得高低电平判断的时间长度为7.75CLK。
图4-3同步码低电平识别流程
图4-4同步码高电平识别路程图
4.2.2数据和地址码识别思路
软件解码需要识别20位内码和4位按键码,我们需要根据EV1527的编码规范来进行相应的解码。
首先是判断接收到的同步码是否符合规范,而后识别位码的高低。
对24位编码进行逐位数据的接收,并且对数据进行保存。
具体解码流程图如下图4-5。
因为总共需要接收24bit码,占用3个字节,每个字节8位。
所以设图中n1=8,n2=3,识别数据码的方法就是用7.75LCK来判断数据码。
若7.75LCK后接收到的数据为低电平,则表明接收到的数据为“1”,若接收到的数据为高电平,则表明为“0”。
然后在把24比特的数据存储到3个DATA0,DATA1和DATA2中,其中DADT2中为按键码,本设计照片那个只要求使用3个按键码。
图4-5是数码识别和存储流程图。
图4-5数码识别和存储流程图
无线软件解码部分:
/***********EV1527解码**********************/
voidEV1527_RECODE(void)
{
uchari,j,k;
ucharHEAD_NUM_CY_8;//定义同步码高电平除于8后的值的存储地址
ucharHEAD_NUM_CY_16;//定义同步码高电平除于16后的值的存储地址
ucharHEAD_NUM_CY_32;//定义同步码高电平除于32后的值的存储地址
ucharEV1527_DA
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