1、2.2 窗帘结构安装及电机选择 62.2.1 窗帘结构安装 62.2.2 步进电机选择 62.3 硬件总体方案 72.3.1方案设计说明 82.3.2方案选择说明 83.1 光电传感器信号采集模块设计 103.3 执行单元模块设计 17第4章 系统软件设计 234.1 程序流程 234.2 程序设计 245课程设计体会 26参考文献 27附录 硬件电路图 28第1章 绪论1.1 设计的背景和意义21世纪是信息化的世纪，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适
2、、安全、有效。在现代社会，对室设计而言，窗帘不仅具有遮光作用，更有美化功能，它不仅可以协调居室的色彩搭配，而且能够柔化空间造型的线条，营造温馨惬意的环境。随着高新技术及电子器件的发展，光控、温控及遥控窗帘应运而生，给人们的生活带来了很多方便。单片机控制的自动窗帘控制系统，既能解决每天手动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帘的开关，以调节室的光线，更进一步地满足了人们的享受要求。同时，遥控和定时的组合控制，可以让人们在需要的时段，方便、快捷使用。自动控制窗帘系统的推广和应用具有重要的现实意义，它改变了人们的生活方式，单片机控制的自动窗帘控制系统具有丰
3、富的智能化功能，为家庭用户营造一个高效、舒适、便利的居住环境，给人们日常生活带来了极方便。自动控制窗帘系统又牵扯一大批产业，单片机控制的自动控制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，必将吸引大批各类企业介入，从而牵动一大批产业的发展。1.2 本设计的容主要设计容：窗帘结构设计、窗帘安装布局的设计、控制系统软件的设计和硬件的选择。窗帘结构设计：在现代的审美观念中，人们往往追求的整体美观，同时窗帘作为整体家居环境的一部分，它的结构和尺寸大小有一定的限制。为了满足人们对美的追求，在设计过程中采用硬度高、质量轻的铝合金材料来制作窗帘的整体框架。窗帘安装布局的设计：窗帘光感模块依
4、靠两个光感模块和三个限位开关来实现。对于不同尺寸的窗帘，可根据实际情况改变限位开关的距离来实现控制。控制系统软件的设计：智能窗帘的智能化体现在其自身光控部分，当人们在室休息、工作的时候，由于外界光线强度的改变，可能给在室的人们造成不适，而光控刚好解决了这一缺陷。只要事先设置好光感的强度，程序就可根据这个光线改变而实现窗帘的开合，从而改变室光线强度，给人们一个舒适、温馨的环境。系统的定时部分可提供任何状态下12个小时的定时功能，在定时结束后，系统自动恢复到光感模式，同时用户也可在未到时间的情况下重新开启光感模式。本系统还可提供温度时时检测，时刻提醒用户注意温度变化。1.3 存在的主要问题1.3.
5、1 光感功能的实现光感部分主要可分成光感检测和光感执行两部分。光感检测依靠的是光敏电阻的使用。光敏电阻可分成暗电流和亮电流两部分。暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻，此时在给定电压下流过的电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。而本设计中在光感电路加入一个滑动电
6、阻，用户可根据当地光线的实际情况来改变光感元件对光线的敏感程度，从而达到完美的控制目的。光感执行部分主要包括一个直流电机和三个限位开关来实现。当光敏电阻判断光线强度改变时，电机按相应方向转动。以光线程度变强为例，电机向窗帘关合的方向运动，当绕绳碰到某一限位开关时，电机停止转动。再进入另一光敏电阻的判断，如果还是超过设定的位置，电机继续以同方向转动，碰到行程开关停止。1.3.2 遥控功能的实现遥控器使用方便，功能多。目前已广泛应用在电视机、VCD、DVD、空调等各种家用电器中，且价格便宜，市场上非常容易买到。如果能将遥控器上许多的按键解码出来，用作单片机系统的输入，则解决了常规矩阵键盘线路板过大
7、、布线复杂、占用IO口过多的弊病。而且通过使用遥控器，操作时可实现人与设备的分离，从而更加方便使用。红外线的是一种波长为950nm的光，超出人类的可视光谱围，因此是不可见的。这也是我们用它来做遥控的原因之一，另一个原因就是红外线很容易人工生成，成本低廉。虽然人眼不能直接看到红外线，但是通过摄像机或者数码相机，我们就能在图片里看到它们。不幸的是我们周围有很多红外源。太阳是最大的红外源，其它的比如灯泡，蜡烛，中央加热系统，甚至是我们的身体都是红外源。事实上，只要是发热的物体，就会发射红外线。所以我们必须采取一些措施来防止我们的控制信号受到干扰，采用调制可以使我们的控制信号免受干扰。通过调制，我们把
8、红外线以特殊的频率发射，然后红外接收设施以相同的频率来接收，从而避免干扰。第2章 总体方案设计2.1 主控制系统CPU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一个芯片上。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。单片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。目前，单片机在民用和工业测 控领域得到最广泛的应用。彩电，冰箱，空调，录像机，VCD，遥 控器，游戏机，电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地溶入我们每个人的生活之中。单片机能大提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要
9、性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产 上也极提高了生产效率和产品质量。当前国外单片机的发展现状良好，我们根据单片机技术的先进性和稳定性制订了如下几种方案：方案一：STC单片机STC公司的单片机主要是基于8051核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快812倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强. 其中，STC公司推出了了STC89系列单片机，增加了大量的新功能，提高了51的性能，是MCS51家族中的佼佼者。STC89系列单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。它们在指令系统、硬件结构和片资源上与标准8052单片机完全兼
10、容，DIP40封装系列与8051为pin-to-pin兼容。STC89系列单片机高速（最高时钟频率90MHz），低功耗，在系统/在应用可编程（ISP，IAP）,不占用户资源。方案二：MOTOROLA单片机 MOTOROLA是世界上最大的单片机厂商。品种全、选择余地大、新产品多是其特点，在8位机方面有68HC05和生级产品68HC08，68HC05有30多个系列，200多个品种，产量已超过20亿片。8位增强型单片机68HC11也有30多个品种，年产量在1亿片以上。生级产品有68HC12。16位机68HC16也有十多个品种。32位单片机的683XX系列也有几十个品种。近年来，以PowerPC、Co
11、ldfire、M.CORE等为CPU，将DSP未为辅助模块集成的单片机也纷纷推出，目前仍是单片机的首选牌品。MOTOROLA单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强，更适合用于工控领域及恶劣的环境。MOTOROLA8位单片机过去的策略是以掩膜为主，最近推出OTP计划以适应单片机发展趋势，在32位机上，M.CORE在性能和功耗方面都胜过ARM7。方案三：Scenix单片机 Scenix单片机的I/O模块有新意。I/O模块的集成与组合技术是单片机技术不可缺少的重要方面。除传统的I/O功能模块如并行I/O、URT、SPI、I2C、A/D、
12、PWM、PLL、DTMF等，新的I/O模块不断出现，如USB，CAN、J1850，最具代表性的是MOTOROLA32位单片机，它集成了包括各种通信协议在的I/O模块，而Scenix单片机在I/O模块的处理上引入虚拟I/O的新概念。Scenix采用了RISC结构的CPU，使CPU最高工作频率达50MHz。运算速度接近50MIPS。有了强有力的CPU，各种I/O功能便可以用软件的办法模拟。单片机的封装采用20/28引脚。公司提供各种I/O的库函数，用于实现各种I/O模块的功能。这些用软件完成的模块包括多路UART、多种A/D、PWM、SPI、DTMF、FSK、LCD驱动等，这些都是通常用硬件实现起
13、来也相当复杂的模块。综合比较三个方案，方案一工具好用，DEMO易搞，成本偏低，所以此次选用的是AT89C52单片机。这是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C52 产品指令和引脚完全兼容。同时具有8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/
14、计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。图2.1 89C52图2.2 窗帘结构安装及电机选择2.2.1 窗帘结构安装家居窗帘不仅要美观，而且得低噪音，高稳定性。因此采用在滑线上缚有一或二只永磁体，与之相对应有一或二只吊环是磁性材料制成，滑线上缚有永磁体，在封闭的帘杆腔运行，而吊环全部套在帘杆外周或嵌进下部开的缝，永磁体用磁力透过帘杆牵引吊环，这种新型电动窗帘滑线不外露，不会蒙尘和缠绕，可以电动手拉兼容。图2.2 窗帘结构示意图2.2.2 步进电机选择步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步
15、进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。目前，比较常用的步进电动机包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。步进电动机和普通电动机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，因此，步进电动机多和现代的数字控制技术相结合。但步进电动机在控制精度、速度变化围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电动机；所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。步进电机主要应用在数控机床制造领域，由于其不需要A/D转
16、换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。 型 号峰值堵转最大空载转数（r/min）转矩（N.m） 电流（ A） 电 压（V）功率（W）GW31ZY-63 7.5 1.5 12 18 63表2.3 直流电机参数本设计采用的是12V的来直流电机驱动，计算转数与扭矩如下：按上表参数计算电机在9V下的扭矩，N=最大空载转数（运行电压峰值电压）=63（912）=47.25r/minM=峰值堵转扭矩峰值电压）=7.512）=5.625N.m 在9V的状态下，电机产生5.625的扭矩足以带动绕绳的转动。2.3 硬件总体方案硬件设计的好坏决定整个方案的成功与否，所以
17、在硬件设计时，在实现功能的情况下电路设计越简单越好，这样才能保证这个系统的稳定运行。本文采用单片机AT89C52作为系统的核心控制器件，通过光电传感器采集数据（数字信号），经单片机根据接收到的信号来控制步进电机的转动方向及步数，并根据光线变化自动调整窗帘的开度。2.3.1方案设计说明考虑到自动窗帘的成本和巨大的市场空间，本文提出一种方案，应用光控原理工作，光亮在一定程度窗帘自动打开，光线变暗窗帘自动关闭，实现光控电动自动窗帘的设计，成本低，环保且方便使用。实现框图如图2.4所示：图2.4 本设计实现的方框图该系统具有抗干扰能力强、结构简单、性能稳定,成本低廉,利于推广等特点,能够满足智能家居需
18、求,具有良好的市场应用前景. 2.3.2方案选择说明论文设计的核心控制器选用的是AT89C52单片机，光线采集选用光电传感器ULN3330。它输出单片机能读入数字信号，然后由L293D驱动芯片驱动步进电机转动，调节其转动角度。电机选用比较容易进行角度调节的步进电机，单片机与步进电机之间的连接采用L293D驱动器，它是一种两相和四相步进电机专用驱动芯片。2.3.3 硬件方案选择说明硬件电路绘图平台为PROTEL软件， 所用元器件在其上绘出，例如AT89C52微控制器、电机驱动芯片L293D、42BYG系列步进电机、电阻、电容、按键、肖特基二极管、转换开关等。逻辑框图如图2.5所示。图2.5 系统
19、硬件电路设计光检测模块 选用集成光电传感器ULN3330，当器件顶部受到大于50 Lx4的光照时就输出高电平，负载上没有电流；当光照不足45 Lx时，器件就输出低电平，负载上有电流通过。单片机模块选用MCS-51单片机系列，AT89C52单片机。步进电机的驱动模块选用步进电机专用驱动芯片L293D,采用L293D，通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正、反转、停止的操作。步进电机选用步进电机的步距角选用1.8度/步（四相电机）。2.4 软件方案设计说明（主控程序流程图）软件开发平台为Keil软件，用C语言编写具体的程序代码。主控程序流程图如图2.6所示。图2.6 主控程
20、序流程图第3章 硬件电路设计3.1 光电传感器信号采集模块设计3.1.1 光电传感器ULN3330介绍光电传感器按输出信号有开关型和模拟型， 开关型用于转速测量、 模拟开关、 位置开关等；模拟型用于光电式位移计、 光电比色计等。 光电检测必须具备光源、 被测物和光电元件。ULN3330是美国摩托罗拉公司生产的集成光电传感器。 它是一种新颖的光电开关， 将光敏二极管、 低电平放大器、 电平探测器、 输出功率驱动器和稳压电路等五部分都集成在了一块11.8（mmmm）的硅片上， 形成一种具有驱动能力的光敏功率器件。 该器件可用于众多使用光敏器件的场合， 使光敏器件的应用变得更简单、 可靠。光敏二极管
21、的光敏区域约为1.11.1 （mmmm），峰值波长为880 nm。 当ULN3330受到光照时，会产生微安数量级的光电流。低电平放大器是一种低噪声小电流放大器，能对微安级的光电流进行放大、电平位移，最后输出可供电平探测器进行鉴别的电平。 电平探测器是由施密特电路构成的，它具有约20的“滞后”特性。 输出功率驱动器是NPN中功率晶体管，最大可通过100 mA的电流，可以直接驱动各种负载。 稳压电路可确保当电压在415 V围变化时电路也能稳定地工作。ULN3330接上电源与负载后， 不需要其他元件就能工作。当器件顶部受到大于50 Lx的光照时， 就输出高电平，负载上没有电流；3.1.2 传感器信号
22、采集模块设计由于光电传感器ULN3330直接输出数字信号，因而与单片机连接电路之间无需模数转换电路。ULN3330控制电路基本思路:光照强度 OUTPUT输出端窗帘开合状态E50LX 高电平1打开E45LX 低电平0关上 表3.1 光照强度与窗帘状态关系下面两图即为光电传感器ULN3330模块电路连接图：图3.2：光电传感器的输出端OUTPUT接单片机的P3.0口，输出端的高低电平就送到单片机的口，电源端接+12V的直流电压，VSS端接地。当外界逐渐变亮，光电传感器件顶部受到大于50 Lx的光照时，就输出高电平，经单片机后由驱动电路L293D驱动步进电机正转，窗帘打开，当光电传感器件顶部光照不
23、足45 Lx时，光电传感器件就输出低电平。经单片机后由驱动电路L293D驱动步进电机反转，窗帘闭合。图3.3：用开关模拟光电传感器，开关一端接单片机的P3.0口，另一端为接地端，单片机上电后其端口为高电平，因而当开关断开时，P3.0口即为高电平，窗帘打开。当开关闭合时，开关接地，P3.0口为低电平，窗帘闭合。下图即为光电传感器ULN3330的电路连接图：图3.2 ULN3330与单片机的连线图图3.3 PROTUES中连线图说明：要用PROTUES软件仿真，因其中器件库中没有光敏这块，用开关替代，左图为光电传感器在单片机上的连接图，右图为用开关代替光电传感器在与单片机的连接图。3.2 单片机信
24、号处理模块设计3.2.1 MCS-51单片机的结构 单片机全称单片微型计算机，顾名思义，它指的是一种单硅片上集成的微型计算机主要功能部件的集成芯片。单片机的出现要归功与大规模集成电路技术的发展，就组织和功能而言，它如一个微型计算机系统，部集成了中央处理器，随机数据存储器、只读程序存储器、定时器/计数器、输入输出（I/O）接口电路和串行通信接口等主要功能部件。这里的51单片机指的是Intel公司的MCS-51系列单片机，属于这一系列的单片机芯片有许多种，如8051/8052、8031/8032、8752/8751等，他们的基本组成、基本性能、指令系统都是相同的。（1）MCS-51单片机的部结构单
25、片机是在一块芯片中继承了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多功能I/O接口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称MCU。51系列单片机包含下列几个部件：1个8为CPU。1个片振荡器及时钟电路。4KB ROM程序存储器。128B RAM数据存储器。可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路。32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O接口）。2个16位的定时/计数器。1个可编程全双工串行接口。5个中断源、2个优先级嵌套中断结构。51系列单片机部结构图如图3.3所示，各个功能部件由部总线连接在一起。程序存储器部分用ROM代替即为8051/8052；用EPROM代替
26、即为8751/8752；若去掉ROM即为8031/8032；用FLASH EPROM代替即为89C51/89S52。 基准频率源 脉冲技术输入 外部中断 控制 并行I/O接口 串行输入 串行输出 图3.4 MCS-51单片机部结构框图（2）引脚功能有总线扩展的51单片机有44个引脚的方形封装形式和40个引脚的双列直插式封装形式，本文用40个引脚的双列直插式封装形式， 40个引脚封装的引脚图如图3.4，各引脚的功能说明如下。哥 GND 2 XTAL1, XTAL2 2RESET 1EA/Vp 1ALE/PROG 1PSEN 1P0.0P0.7 8P1.0P1.7 8 P2.0P2.7 8P3.0
27、P3.7 8图3.5 AT89C52单片机引脚图GND：接地端。VCC：电源端，接+5V。XTAL1：接外部晶体的一个引脚。CHMOS单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由此引脚接入。XTAL2：HMOS单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由此引脚接入。RST：复位信号输入。VCC掉电后，此引脚可接备用电源，低功耗条件下保持部RAM中的数据。ALE/RPOG：地址锁存允许。当单片机访问外部存储器时，该引脚的输出信号ALE用于锁存P0端口的低8位地址。ALE输出的频率为时钟振荡频率的1/6。对8751单片机片EPROM编程时，编程脉冲由该引脚接入。PSEN：程序存储器允许。输出读外部程序存储
28、器的选通信号。取指令操作期间，PSEN的频率为振荡频率的1/6；但若此期间有访问外部数据存储器的操作时，则有一个机器周期中的PSEN信号将不出现。EA/VPP： EA=0，单片机只访问外部程序存储器。对8031单片机此引脚必须接地。EA=1，单片机访问部程序存储器。对于部有程序存储器的8XX51单片机，此引脚应接高电平，但若地址值超过4KB围，单片机将自动访问外部程序存储器。在8751单片机EPROM编程期间，此引脚接入21V编程电源VPP。P0.0P0.7: P0数据/低八位地址复用总线端口。具有双重功能：可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。在有外接存储器和I/O接口时常作为低8位地址
29、/数据总线，即低8位地址与数据线分时使用P0口。此低8位地址由ALE信号的下跳沿使它锁存到外部地址锁存器中，尔后，P0口出现数据信息。P1.0P1.7：P1静态通用端口。具有单一接口功能，P1口每一位都能作为可编程的输入或输出口线。P2.0P2.7：P2高八位地址总线动态端口。作为输入/输出口使用，外接输入/输出设备。在有外接存储器和I/O接口时，作为系统的地址总线，输出高8位地址，与P0口低8位地址一起组成16位地址总线。对于部无程序存储器的单片机来说，P2口只作为地址总线使用，而不作为I/O接口。P3.0P3.7：P3双功能静态端口，可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。作为第二功能使用时，每一位功能定义如表3.6所示单片机端口外围电路P0.0-P0.7,P2.0-P2.2屏幕显示模块P2.5-P2.7电机驱动模块P2.3-P2.4光感模块P1.0-P1.2，P1.3-P1.533矩阵按键模块P1.6-P1.7，P3.0定位开关模块P3.2红外线P3.3温度模块P3.7蜂鸣器表3.6 P3口第二功能说明（3）单片机本身的微
