基于单片机的窗帘自动控制系统设计 精品.docx
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基于单片机的窗帘自动控制系统设计精品
郑州信息科技职业学院
基于单片机的窗帘自动控制系统设计
摘要
随着现代电子技术的快速发展,智能家居已逐渐进入人们的生活中。
本课题介绍基于单片机控制的智能窗帘系统,它采用了无线遥控技术,实现在室内任何地方,只要轻按遥控器,窗帘就会随心所欲地打开或关闭。
为了使智能窗帘系统更加完善,在设计中加入了智能报警系统。
当报警系统开启时,只要有入侵者从窗户入内,就会响起相应的报警信号,同时有数码显示那个窗户的报警器在报警。
这样可以使用户很容易的了解报警情况。
为了实现一机多控的功能,在设计中采用了改变无线模块地址码的方法来实现。
一机多控的功能也就是一个遥控器可以控制家中所有的窗帘和报警装置。
当白天家中有人在家时,只要用遥控器就可以关闭报警系统的工作。
这样可以避免误报,而引起的不必要的麻烦。
这也体现出了该系统的人性化设计。
关键词:
单片机无线遥控器智能家居智能报警
1绪论
随着国民经济和科学技术水平的提高,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与提高,促使了家庭实现了生活现代化,居住环境舒适化、安全化。
这些高科技已经影响到人们生活的方方面面,改变了人们生活习惯,提高了人们生活质量,家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。
1.1智能家居控制系统概述及发展
智能家居控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台,计算机网络技术为技术平台,现场总线为应用操作平台,构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。
智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统,以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。
系统通常由系统服务器、家庭控制器(各种模块)、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。
从2000年,智能家居的概念开始在中国出现发展到今天。
已有10余家企业相继加入,智能家居行业规模逐渐形成,市场已经开始启动。
据统计,近几年智能化电工产品的市场份额逐年快速放大,并最终替代传统的电工产品。
从而使智能化产品走进百姓家庭。
在众多控制系统中,电力载波通讯方式。
最为方便实用于家庭的电器智能控制。
X10是电力载波的国际通讯协议,它是将120KHz的编码信号加载到50Hz的电力线上,由指令发射器将一串X10指令以广播的形式发送给网络,网络中的每个指令接受器可以收到来自电力线上的X10信号,并执行相应的动作,从而实现网络化的控制。
1.2现代防盗系统的现状
既然要防范高技术的盗窃犯罪,就需要改变我们过去传统的观念,也就需要使用高技术的防盗方法来保证我们家居和人身的安全。
现代智能家居防盗产品的出现,解决了以上问题,并解决了传统防盗系统解决不了的问题,防破坏、防断电,以及遇到突发应急事件时紧急报警,可以现场报警给小偷一震慑力。
因此,许多电子报警器应运而生,使用红外线、微电脑等高新技术对家居进行防护,而无线自动系列逐渐成为家居报警器当中的佼佼者。
居民住宅的安全防范,以往是在住宅内安装被动红外传感器、磁控开关、紧急按钮等,报警信号通过网络连接到控制中心。
当入侵者进入房间作案时,就发出报警信号。
其特点是安装在室内,因此在室内无人值守时,其防盗保护财产的作用能够实现。
但装在有人居住的家庭中,由于有人员活动,甚至宠物走动都会影响被动红外传感器工作,容易引起误触发报警。
因此在安装时考虑的因素很多,对室内人员活动要有限制,对空调、阳光等外部环境要避让等等。
总而言之,被动红外传感器在家庭安防使用中有一些缺陷,对安装、运行、维护带来不少麻烦。
红外线对射传感器正好弥补了这些缺点,它优势在于它的低误报率,不但长距离瞄准精度高,更有较高稳定和极低误报率,对室外环境工作表现出极强适应性,迅速反应和稳定的信号采集与传输,及时的反馈检测到的信号,尽量减少财产和人身损失。
如果入侵者企图使用工具砸碎窗户或撬门进入房间,振动传感器采集振动信号后触发报警器。
两者相互协调工作,为家居安全提供了保证。
1.5本课题的内容和目标
本课题在设计中力求人性化的智能控制,采用单片机作为系统的内部控制中心,利用无线遥控技术来实现系统的外部控制。
再加上红外对射报警装置,组成了整个智能控制系统。
(1)适用于各种窗帘的使用(闭合式、卷帘式)
(2)具有防盗报警系统
(3)可实现无线遥控
2智能窗帘的硬件设计
2.1智能窗帘系统的硬件设计框图
窗帘智能控制系统的组成如图1-1。
智能控制系统是由无线遥控单元、红外报警单元、电机驱动单元、数码显示单元、语音报警单元、单片机等组成。
本控制系统是由单片机通过软件程序来实现智能控制。
无线遥控单元用于对智能窗帘的运行进行控制。
无线报警发射器可实现有入侵者时的无线控制报警。
图1-1控制系统方框图
2.2控制电路
所谓单片机是指在一个集成芯片中,集成微处理器(CPU)、存储器、基本的I/0接口以及定时/计数等部件,并具有独立指令系统的智能器件,即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能。
如果是简单控制对象,只需利用单片机作为控制核心,不需另外增加外部设备就能够完成。
对于复杂的系统,只需对单片机进行适当扩展即可,十分方便。
单片机是随着微型计算机、单板机的发展及其在智能测控系统中的应用而发展起来的。
各种型号的单片机基本功能相同,但其电路结构、性能、编程语言却大不相同。
目前使用最多的是51系列单片机。
这种型号的单片机及其家族是很原始的类型,而本方案控制核心所用到的凌阳单片机则功能强大。
“61板”是SPCE061AEMUBOARDV1.0的简称,是以16位单片机SPCE061A为核心的精简开发-仿真-实验板,大小相当于一页扑克牌,是“凌阳大学计划”专为电子爱好者、课程设计、毕业设计及电子竞赛所设计的。
硬件电路包括有电源电路、音频电路(含MIC输入部分和DAC音频输出部分)、复位电路等,让学生在掌握软件的同时,熟练单片机硬件的设计制作,锻炼动手能力,而且体积小、采用电池供电,方便学生随身携带。
2.2.1凌阳单片机61板的各组成作用
如图2-2所示为61板的电路图:
图2-261板的实物图
图2-361板各部分功能图
(1)输入/输出(I/O)接口:
“61板”将SPCE061A的32个I/O口全部引出:
IOA0~IOA15,IOB0~IOB15,对应的引脚为:
A口,41~48、53、54~60;B口,1~5、64~68、76~81。
而且该I/O口是可编程的,即可以设置为输入或输出:
设置为输入时,分为悬浮输入或非悬浮输入,非悬浮输入又可以设置为上拉输入或是下拉输入;在5V情况下,上拉电阻为150K,下拉电阻为110K;设置为输出时,可以选择同相输出或者反相输出。
如图2-3所示61板的输入/输出(I/O)接口电路。
(2)音频输入/输出接口:
正如我们在前面介绍的"61板"具有强大的语音处理功能,SPY0030是凌阳的芯片,相当于LM386,但是比LM386音质好,它可以工作在2.4~6.0V范围内,最大输出功率可达700mW(386必须工作在4V以上,而且功率只有100mW)。
如图2-3所示61板的音频输入/输出接口电路。
(3)电源接口:
“61板”的内核SPCE061A电压要求为3.3V,而I/O端口的电压可以选择3.3V也可以选择5V。
所以,在板子上具有两种工作电压:
5V和3.3V。
对应的引脚中7、15和36必须为3.3V,对于I/O端口的电压51、52可以为3.3V也可以是5V,这两种电平的选择通过跳线J5来选择。
如图2-3所示61板的电源接口电路。
“61板”的供电电源系统采用用户多种选择方式:
1DC5V电池供电
用户可以用3节电池来供电,5V直流电压直接通过SPY0029(相当于一般3.3V稳压器)稳压到3.3V,为整个"61板"提供了4.5V和3.3V两种电平的电压。
2DC5V稳压源供电
用户可以直接外接5V的直流稳压源供电,5V电压再通过SPY0029稳压到3.3V。
3DC3V供电
用户可以提供直流3.3V电压为实验板进行供电,此时整个板子只有3.3V电压,I/O端口电压此时只有一种选择。
(4)在线调试器(PROBE)和EZ-PROBE接口:
PROBE的接口,该接口有5pin,其中两个分别是地(VSS)和3.3V电源(VCC),我们就是通过PROBE一端接PC机25针并口,一端连接它来调试、仿真和下载程序的。
这样,就不需要再用仿真器和编程器了。
只要将其连接好,就可以通过它在PC机上调试程序,并且在线仿真,最后将程序下载到芯片中,即完成了程序的烧写。
如图2-3所示61板的在线调试器(PROBE)接口。
EZ-PROBE的接口,凌阳公司提供一根转接线用作EZ-PROBE的下载,一端连接PC机的25pin并口,另外一端接61板的5pinEZ-PROBE接口。
如图2-3所示61板的EZ-PROBE接口电路。
(5)外部复位:
复位是对"61板"内部的硬件初始化,"61板"本身具有上电复位功能,即只要一通电就自动复位。
另外,还具有外部复位电路,即在引脚6上外加一个低电平就可令其复位。
如图2-3所示61板的外部复位电路。
2.2.261板功能特点
(1)具有DSP功能、语音特色的凌阳十六位单片机开发系统。
(2)集开发仿真器和编辑器于一体。
只需PC机即可进行产品开发,同时免费提供集成开发环境
(3)不需任何外围器件就可以完成语音录、放、识别等功能。
(4)所有I/O全部引出,可以和用户的外部电路直接连接。
(5)多种电源供电方式,使用户使用更加方便。
2.2.3SPCE061A芯片特性
凌阳十六位单片机的CPU内核采用凌阳公司最新推出的µ’nSP(MicrocontrollerandSignalProcessor)16位微处理器内核(以下简称µ’nSP™),而µ’nSP™内核是一个通用的核结构。
SPCE061A是继µ’nSP™系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。
如图2-4所示为SPCE061A实物图。
SPCE061A里内嵌32K的闪存,2K的静态内存;内置十位ADC、DAC,有多达十四个中断源等丰富的片内资源。
CPU最高可工作在49MHz的主频下,应用凌阳µ’nSP™的精简指令集,再加上较高的处理速度,使µ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
这使得SPCE061A带有DSP特性,且具有灵活的语音处理功能。
因此,与其它类型的单片机相比,以µ’nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于有数字语音功能应用领域产品的一种最经济的选择。
本方案采用凌阳科技16位高性能的微控制器—SPCE061A作为主控制器。
SPCE061A单片机的主要性能有:
(1)内核采用16位µ’nSP微处理器;
(2)CPU工作电压VDD为3.0~3.6V(CPU),I/O端口高电平VDDH为3.0~5.5V;
(3)CPU时钟频率为0.320~49.152MHz;
(4)内置2K字静态内存(SRAM);
(6)内置32K字闪存(FLASH);
(7)具有可编程音频处理功能;
(8)低功耗,系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2µA/3.6V;
(9)两个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初值);
(10)两路10位数/模转换(DAC)输出通道;
(11)32位通用可编程输入/输出端A口和B口;
(11)14个中断源(定时器A、B,时基信号,两个外部时钟源,触键唤醒等);
(12)具有触键唤醒功能;
(13)使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4kb/s),能容纳210秒语音数据;
(14)实时时钟频率为32768Hz,由锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号;
(15)7通道10位电压模/数转换器(ADC)和单通道声音模/数转换器;
(16)语音模/数转换器输入通道,内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)电路;
(17)具有串行设备通信接口SIO;
(18)具有低电压复位(LVR)和低电压监测(LVD)功能;
(19)内置看门狗监视器;
(20)内置在线仿真(ICE,In-CircuitEmulator)接口;
图2-4SPCE061A实物图
2.3无线遥控电路
本电路由无线发射和无线接收模块电路组成,可实现10米距离之间的无线遥控。
2.3.1无线发射电路
1.无线发射模块电路原理
本课题使用的是F05P-射频无线发射模块。
F05P实物如图2-5所示。
图2-5F05P实物图
F05P的引脚功能
1接正电源+3V—12V
2接地
3数据信号输出
4外接天线
F05P无线发射电路原理如图2-6所示。
图2-6F05P无线发射原理图
F05P采用SMT工艺,树脂环氧封装,小体积,声表谐振器稳频,内部具有一级调制电路及限流电阻,适合短距离无线遥控报警及单片机短距离无线数据传输。
F05P具有较宽的工作电压范围及低功耗特性,ASK方式调制。
F05P不能任意调整发射电流,单片机的数据可直接通过串口进入F05P的数据输入端。
在无数据时单片机数据输出口必须设置成低电平状态。
F05P需要输入数据才能发射,数据信号停止,发射电流为零。
F05P对0.1—1ms的数据脉冲发射效果较理想,过宽过窄的脉冲会引起调制效率下降,过调制或调制不足使收发距离变近。
F05P对直流电平不能发射。
如在数据位前加一些乱码可以抑制接受机的零电平燥声干扰。
若采用通用编码器PT2262,发射效果比单片机好,因为PT2262的数据无论怎么变但脉宽是不变的,即使出现一点突发性的外界干扰,解码器的宽容性也会解码输出高电平。
而单片机则会出现数据错误。
所以单片机必须要工作在可靠的收发区域才能保证较低的误码率。
F05P有4个功能引脚,因为体积小,功耗低无天线只能满足短距离使用,而天线对距离起着很大作用,天线能否匹配也很关键,匹配良好的天线能增加几倍的距离,匹配不好的天线效果很差甚至会引起频率漂移。
天线的长度应取发射频率的1/4波长,可以用一根直径0.5—1毫米,长度(433M)18厘米;(315M)24厘米的漆包线代替。
但天线必须拉直,指向无所谓。
短于1/4波长或弯曲的天线效果会很差。
F05P对应接收电路根据需求可选用J04VJ04TJ04PJ04E34003100等同频率接受模块配套使用。
2.无线发射电路工作原理
本课题设计的无线发射器为四位控制器。
在工作中可实现四个地址的选择。
当按下SW0按键时编码器PT2262将编出1000的四位码。
相应的SW1、SW2、SW3将编出0100、0010、0001四位码。
由17脚把编码数据传送到无线发射模块,通过载频把编码数据发射给无线接收模块。
四位无线发射器电路原理图如2-7所示。
图2-7四位无线发射器电路图
2.3.2无线接受电路
1.无线接受模块电路原理
本课题使用的无线接受模块是J04V-射频无线接收模块。
J04V实物如图2-8所示。
图2-8J04V实物图
J04V引脚的功能
1外接天线
2数据输出端
3数据反向输出端
4工厂测试端
5接地
6正电源+3V—3.6V
J04V无线接收电路原理如图2-9所示。
图2-9J04V无线接受电路原理图
无线接受电路采有了RX3310A译码器组成。
经电路内部译码后,其输出端输出相应的控制信号。
RX3310A的
、
脚外接的是振荡电阻,这样就给RX-3内部提供了一个基准频率。
RX3310A内部有两个反相器,可用于输入编码信号的放大和控制信号的反相输出。
发射器发射的控制信号经接受电路的滤波调制,再由芯片内部进行放大,电阻R6、R1把RX3310A内部的反向器偏置在放大区域,由C7耦合来的编码信号经反向器放大后送至
脚,经译码器后由输出端
脚输出控制信号。
2.无线接收电路的工作原理
在本课题中无线接收器有着很重要的作用,为了实现一对多的功能,本设计将把J04V无线接收模块与PT2272结合使用。
通过对PT2272地址码的设计,将完成多个地址的寻址。
由此来实现一对多的接收功能。
无线接收器原理如图2-10所示。
图2-10无线接收器原理图
2.3.3编码芯片PT2262的原理
编码芯片PT2262发出的编码信号由:
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字,解码芯片PT2272接收到信号后,其地址码经过两次比较核对后,VT脚才输出高电平,与此同时相应的数据脚也输出高电平,如果发送端一直按住按键,编码芯片也会连续发射。
当发射机没有按键按下时,PT2262不接通电源,其17脚为低电平,所以315MHz的高频发射电路不工作,当有按键按下时,PT2262得电工作,其第17脚输出经调制的串行数据信号,当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号,当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡,所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号,从而对高频电路完成幅度键控(ASK调制)相当于调制度为100%的调幅。
外形图及测试应用图如2-11所示。
PT2262特点
1CMOS工艺制造,低功耗
2外部元器件少
3RC振荡电阻
4工作电压范围宽:
2.6-15v
5数据最多可达6位
6地址码最多可达531441种
图2-11外形图及测试应用图
PT2262管脚说明:
A0-A111-8、10-13 地址管脚,用于进行地址编码,可置“0”“1”“f”(悬空)
D0-D57-8、10-13数据输入端,有一个为“1”即有编码发出,内部下拉
Vcc18电源正端(+)
Vss9电源负端(-)
TE14编码启动端,用于多数据的编码发射,低电平有效;
OSC116振荡电阻输入端,与OSC2所接电阻决定振荡频率;
OSC215振荡电阻振荡器输出端;
Dout17编码输出端(正常时为低电平)
在具体的应用中,外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节,阻值越大振荡频率越慢,编码的宽度越大,发码一帧的时间越长。
2.3.4编码芯片PT2272的原理
PT2272解码芯片有不同的后缀,表示不同的功能,有L4/M4/L6/M6之分,其中L表示锁存输出,数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态,直到下次遥控数据发生变化时改变。
M表示非锁存输出,数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应,可以用于类似点动的控制。
后缀的6和4表示有几路并行的控制通道,当采用4路并行数据时(PT2272-M4),对应的地址编码应该是8位,如果采用6路的并行数据时(PT2272-M6),对应的地址编码应该是6位。
外形图及测试应用图如2-12所示。
图2-12外形图及测试应用图
PT2272管脚说明
A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”(悬空),必须与2262一致,否则不解码
D0-D57-8、10-13地址或数据管脚,当做为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换
Vcc18电源正端(+)
Vss9电源负端(-)
DIN14数据信号输入端,来自接收模块输出端
OSC116振荡电阻输入端,与OSC2所接电阻决定振荡频率;
OSC215振荡电阻振荡器输出端;
VT17解码有效确认输出端(常低)解码有效变成高电平(瞬态)
地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示,两个窄脉冲表示“0”;两个宽脉冲表示“1”;一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”
如图2-13所示。
图2-13地址码和
数据码脉宽图
2.3.5PT2262/2272芯片的地址编码设定和修改
在通常使用中,我们一般采用8位地址码和4位数据码,这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1~8脚为地址设定脚,有三种状态可供选择:
悬空、接正电源、接地三种状态,3的8次方为6561,所以地址编码不重复度为6561组,只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同,才能配对使用,遥控模块的生产厂家为了便于生产管理,出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空,这样用户可以很方便选择各种编码状态,用户如果想改变地址编码,只要将PT2262和PT2272的1~8脚设置相同即可,例如将发射机的PT2262的第1脚接地第5脚接正电源,其它引脚悬空,那么接收机的PT2272只要也第1脚接地第5脚接正电源,其它引脚悬空就能实现配对接收。
当两者地址编码完全一致时,接收机对应的D1~D4端输出约4V互锁高电平控制信号,同时VT端也输出解码有效高电平信号。
用户可将这些信号加一级放大,便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。
2.4检测电路
本系统的检测电路使用红外线对射传感器。
如图2-14为红外线对射传感器原理图。
图2-14红外线对射传感器原理图
(1)红外线对射传感器工作原理
红外线对射传感器包括红外线脉冲发射器和红外线脉冲接收﹑解码器并将发射头和接收头装配在一个金属机座上。
如图2-15所示为红外线对射传感器发射电路。
发射器电路是由具有4个2输入的与非门CD4011组成的多谐振荡器,其振荡频率取决于W1﹑C1,此图所对应的频率为1~15KHz,三极管驱动后发出红外光脉冲信号。
图2-15红外线对射传感器发射器电路
如图2-16所示为红外线对射传感器接收电路。
接收器电路包括红外光-电转换探头﹑放大器﹑译码器及功率开关控制元件等组成。
红外接收管JS须与发射管FS配对使用,当红外接收管JS接收到因人体阻挡而反射回的红外脉冲信号后,并经IC2放大器后加至IC3译码器。
IC3译码器是采用锁相环音频译码集成电路LM567,它要求输入信号不小于25mv,当调节W1使其接收器中心频率与发射器的高频频率步调一致时,LM567的输出端
脚将产生一低电平跃变信号。
LM567的中心频率为
(2-1)
此图所对应的频率约为1~12KHz。
当红外线对射传感器检测到有入侵信号时,发射器接收到人体阻挡而反射回的红外脉冲信号然后经信号放大后LM567的输出端
脚将产生一低电平跃变信号,此时报警电路立即响起语音报警声。
图2-16红外线对射传感器接收电路
(2)红外线对射传感器的滤波环节
由于红外线对射传感器一般都工作在室外,为了防止室外自然光或太阳光、汽车灯光的干扰,或防止入侵者以红外光源干扰,每个生产厂家对自己的红外发射源都会加以调制,以不同的调制频率工作,同时在接收端加以解调,只接收该频率段的红外光源,从而防止干扰和恶意入侵。
此外,红外对射探头要选择合适的响应时间,太短容易引起不必要的干扰,如小鸟飞过,小动物穿过等;太长会发生漏报。
通常以10米/秒的速度来确定最短遮光时间。
若人的宽度为20厘米,则最短遮断时间为20毫秒。
大于20毫秒报警,小于20毫秒不报警。
为了增加红外发射管的寿命,一般红外发射管工作在开关状态,而开关频率可以由用户自己调节。
一般的开关频率按照传感器的工作位置特性,参照该工作位置入侵者可能的最大入侵速度而定,如假设安装在墙头,则考虑到入侵者爬行的速度最大为0.5m/s,设定开关时间为2
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