1、 计算机控制技术 课程设计说明书 光感自动窗帘控制系统 学生姓名： 张静 学号： 学 院： 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2016 年 1 月 摘要 随着生活水平的提高，智能家居越来越被人们关注。智能窗帘也随着科技发展悄然兴起，它不但具备窗帘优雅美观的特点，而且还能提供智能化的服务，使家居生活更加舒适、温馨与贴心。 本文设计的是基于单片机控制系统的智能窗帘。它具备光感、红外遥控、温度显示、定时等功能。该窗帘可以根据外界的光亮程度来控制窗帘开启，从而达到调节室内光线，同时还提供按键来控制窗帘的关合。为了方便用户使用，增设定时模块，用户可根据自身的需要对某段时间，设置窗帘的开启程度。当
2、定时结束，窗帘自动切换到光感模式实现对室内光线的控制。同时，还增设温度显示 ，使用户可以了解温度状况。 关键词：智能窗帘：红外遥控；光感控制；单片机 I 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 设计的背景和意义 . 1 1.2 本设计的内容 . 1 1.3 存在的主要问题 . 2 1.3.1 光感功能的实现 . 2 1.3.2 遥控功能的实现 . 2 第 2 章 总体方案设计 . 4 2.1 主控制系统 CPU . 4 2.2 窗帘结构安装及电机选择 . 6 2.2.1 窗帘结构安装 . 6 2.2.2 步进电机选择 . 6 2.3 硬件总体方案 . 7 2.3.1 方案设计说明 . 8 2.
3、3.2 方案选择说 明 . 8 3.1 光电传感器信号采集模块设计 . 10 3.3 执行单元模块设计 . 16 第 4 章 系统软件设计 . 21 4.1 程序流程 . 21 4.2 程序设计 . 22 5课程设计体会 . 24 参考 文献 . 25 附录 硬件电路图 . 26 第 1 页 共 26 页 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，对室内设计而言，
4、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功能，为家庭用户营造
5、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：窗帘光感模块依靠两个光
6、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。 第 2 页 共 26 页 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化
7、。 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 102 106 之间，可见光敏
8、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按
9、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、布线第 3 页 共 26 页 复杂、占用 I O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
10、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 4 页 共 26 页 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，
11、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
12、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 68
13、HC08， 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、 Coldfire、 M.CORE第 5 页 共 26 页 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
14、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、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S
15、cenix 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 AT89
16、C52 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，
17、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。 第 6 页 共 26 页 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
18、点讲：当步进驱第 7 页 共 26 页 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
19、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。 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（ 9 12） =47.25r/min M=峰值堵转扭矩（运行电压峰值电压） =7.5 (9 12)=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），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。 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
