1、2.2.1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 16第 4 章 系统软件设计 214.1程序流程 214.2程序设计 225 课程设计体会 24参考文献 25附录 硬件电路图 26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、安 全、有效。在现代社会，对室内
2、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，以调节室内的光线，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内，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富的智能化
3、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大地方便。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本设计的内容主要设计内容：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
4、帘光感模块依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 室内休息、工作的时候，由于外界光线强度的改变，可能给在室内的人们造成不 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，从而改变室内光线强度，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
5、化。1.3存在的主要问题1.3.1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
6、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
7、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、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范围，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
8、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
9、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。单片机能大大地提高这些产品的智能性， 易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农 业生产 上也极大地提高了生产效率和产品质量。当前国内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 内核,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
10、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、硬件结构和片内资源上与标 准 8052 单片机完全兼容， 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
11、 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、Coldfire、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
12、 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、 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内的 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 50M
13、Hz。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
14、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，片内晶振及时钟电路。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/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，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
15、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， 在封闭的帘杆内腔运行，而吊环全部套在帘杆外周或嵌进下部开的缝内，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，
16、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、速度变化范围、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）
17、GW31ZY-637.51.5121863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
18、），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
19、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 系统硬件电路设计1 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
20、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。2 单片机模块选用 MCS-51单片机系列，AT89C52 单片机。3 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。4 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
21、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。光敏二极管的光敏区域约为 1.11.1 （mmmm），峰 值波长为
22、 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 范围内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；当光照不足 45 Lx 时，器件
23、就输出低电平，负载上有电流通过。3.1.2传感器信号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关上下面两图即为光电传感器ULN3330 模块电路连接图：1 图 3.2：光电传感器的输出端2 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
24、 驱动步进电机正转，窗帘打开，当光电传感器 件顶部光照不足 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。2 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
25、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单片机信号处理模块设计3.2.1MCS-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，内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/
26、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 单片机的内部结构单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 机内包含下列几个部件：1 个 8 为 CPU。1 个片内振荡器及时钟电路。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
27、个中断源、2个优先级嵌套中断结构。51 系列单片机内部结构图如图 3.3 所示，各个功能部件由内部总线连接在 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 单片机内部结构框图（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，
28、 40 个引脚封装的引脚图 如图 3.4，各引脚的功能说明如下。图 3.5 AT89C52 单片机引脚图GND 2XTAL1, XTAL2 2RESET 1EA/Vp 1ALE/PROG 1PSEN 1P0.0P0.7 8P1.0P1.7 8P2.0P2.7 8P3.0P3.7 8GND：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 件下保持内部 RAM 中的数据。
29、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单片机片内 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，单片机访问内部程序存储器。对于内部有程序存储器的 8XX51 单片机，此引脚应接高电平，但若地址值超过 4KB 范围，单片机将自动访问外部 程序存储器。在87
