1、家居环境感光窗帘智能控制与调节系统I摘 要随着社会的不断进步，物联网已经成为国家五大新兴战略性产业之一，是当今科技发展的重要方向。智能窗帘作为物联网智慧家居的一环，也得到了越来越多的关注和需求。然而，现阶段的很多产品还存在不足，如：不能多层复合控制，无智能操作界面，只能单一模式运行，参量出厂固定，采用简单的机械记忆，光控易受干扰等。本文基于嵌入式 ARM2410 单片机，设计了一种感光窗帘智能控制与调节系统，该系统通过对光控的重新设计，对窗帘进行复合控制；通过多项可设参数和多种控制模式，来适应不同的环境需求；测试结果表明，该系统操作简便，控制精确可靠，可行性强。关键字：感光窗帘；智能控制；嵌入
2、式ARM2410；步进电机家居环境感光窗帘智能控制与调节系统IIAbstractWith the progress of society, the Internet of Things has become one of the five emerging strategic industries. It is an important direction in science and technology development. Smart curtains as part of the “smart home“ on the Internet of Things get more and
3、 more attention and demand. However, at this stage, many products have shortcomings, for example: we cannot multi-layer composite control, smart user interface, only a single mode, factory fixed parameters, using a simple mechanical memory, susceptible to interference light control, and many other s
4、hortcomings. A new smart curtain system is designed based on the embedded ARM2410 design to build a new smart curtain system. The system re-designs of light control composite control the opening and closing curtains and venetian blinds; can be set through a number of parameters and a variety of cont
5、rol modes, adapt to different environmental needs. The test results show that, the system has the advantages of simple operation, accurate and reliable control. Key words: Light sensing curtain; Intelligent control; Embedded ARM2410; Stepper motor家居环境感光窗帘智能控制与调节系统III目 录1 引言 .- 1 -1.1 研究目的及意义 .- 1 -1
6、.2 国内外研究现状 .- 1 -1.3 设计应用分析 .- 2 -2 系统方案设计 .- 3 -2.1 系统总体构成 .- 3 -2.2 系统模块设计 .- 3 -2.2.1 光敏传感器模块 .- 3 -2.2.1.1 光敏传感器的选型 .- 3 -2.2.1.2 光敏电阻的构成及原理 .- 3 -2.2.2 电机模块 .- 6 -2.2.2.1 电机的选择 .- 6 -2.2.2.2 电机驱动电路 .- 7 -3 系统硬件平台及接口设计 .- 9 -3.1 S3C2410A 芯片简介 .- 9 -3.1.2 ARM2410 试验箱硬件结构 .- 10 -3.2 I/O 设备 .- 13 -
7、4 软件设计 .- 15 -5 安装与调试 .- 16 -5.1 窗帘框架的制作与安装 .- 16 -5.2 测试分析 .- 16 -6 总结 .- 17 -参考文献 .- 18 -家居环境感光窗帘智能控制与调节系统- 1 -1 引言随着科技的快速发展，家居智能化的趋势越来越明显。目前最常见的智能窗帘如开合帘、罗马帘、卷帘、风琴帘可以根据设定的时间或者光照强度进行打开和关闭，百叶帘可以自动旋转角度调节光强，一般通过墙上电气开关或三四个按键遥控，也可以通过手动模式进行控制。虽然现有的智能窗帘已经能够实现多种功能，并且有着不错的创新点，但仍能够看到很多缺憾，即可以优化改进的地方。单层控制：国内外电
8、动窗帘产品，多数为简单的控制电机正反转，着重于多种多样的电机的开发。智能产品中虽有并联技术等大面积集群控制，但是基本上皆为控制单层窗帘。然而，随着智能家居的不断推广，人们对智能生活的细节要求越来越高，在办公室、家庭等场所对光线的多层控制是一个有待深入发展的方向。若是简单的将两个智能窗帘系统联合使用，将造成传感误判、智能冲突、控制繁琐等问题。1.1 研究目的及意义智能家居是人们经常谈论的话题，智能窗帘作为智能家居的一员，只有在一些高档宾馆和一些高档的私人住宅中，才能见到一些智能窗帘的影子。因此，研究出一款适合大众的、使用简便的窗帘是十分有必要的。其一、改变人们的生活方式。单片机控制的遥控自动窗帘
9、系统具有丰富的智能化功能，为普通家庭用户营造一个高效、舒适、便利的居住环境。其二、智能窗帘能帮助人们有效的安排时间，在外时不必担心窗帘没有关闭可能引起的一些问题。此外，智能窗帘的设计还可以培养自己对已学过的专业基础理论知识与实践的综合应用能力；同时带着系统设计中的各种新问题，学习控制、遥控技术、机械设计等多方面的知识，培养学科间知识的交叉运用能力。1.2 国内外研究现状在欧美等发达国家,电动窗帘已广泛应用。在10 年前,电动窗帘就已经进入我国，可一直没有大的推广。近几年，随着电控技术的不断提高及价格的不断下降, 电动窗帘热才又卷土重来。据了解,全国共有170多种电动窗帘器获得了国家专利,但就其
10、技术本身而言，还是大同小异,但售价却有很大差别，贵的要数千元，便宜的只要500块。尽管遥控自动窗帘系统在国内是一个新兴的行业，但是，它也正以不可抵挡之势迅速崛起。遥控自动窗帘系统走进中国以来，在短短四年的时间里，遥控自动窗帘系统生产商由最初的几家公司增加到如今的百余家企业,其行业发展非常迅速。随着技术的不断发展，人们财富的不断增长，用户对智能家居的需求呈现家居环境感光窗帘智能控制与调节系统- 2 -出快速增长的态势，作为智能家居的一部分智能窗帘，随着认识的深化，推广的普及，其发展呈现功能多样化、噪音更低化、产品高档化等趋势。1.3 设计应用分析窗帘是每个家庭的必需品，然而在人们已经越来越快的生
11、活节奏中，窗帘也给人们带来了些许不便。人们在繁忙的工作之后，回到家已是疲惫不堪，本想好好休息一下，但还要去拉开闭合的窗帘，显得有些繁琐；如果碰到出差，家里又没人把打开的窗帘拉上的话，可能会担心家中的安全模式单一：目前智能产品中虽有光感应、温度感应、定时控制、雨水感应等诸多传感应用，然而多为只有其中某一项传感在使用，而不能实现多模式复合控制，不能适应生活各方面带来的复杂需求。阈值固定：目前市面上的产品通常出厂便固定好了光控开关阈值、灵敏度等，然而不同的自然环境和生活需求采光需求不同，产品不能很好的适应与调整。光的错误干扰：安装位置不当会导致外界光污染且影响室内灯光，误导光传感器的判断。针对以上所
12、谈到的国内外智能窗帘的现状，本文设计了一种新的感光窗帘智能控制与调节系统。家居环境感光窗帘智能控制与调节系统- 3 -2 系统方案设计2.1 系统总体构成该系统以s3c2410为核心,以光敏信号为信号输入；通过驱动电路控制步进电机为控制信号输出。系统框图如图2.1所示：光敏感 应模块 S 3 C 2 4 1 0 窗 帘步进电 机模块图2.1 系统总体框图如图所示，本系统的信号采集采用光敏传感器，通过光敏传感器可以感应光照强度，然后根据光照强度控制窗帘开合。本系统可以实现两种工作模式，分别是白天工作模式和夜间工作模式，不停的工作模式下，其实现的功能不一样，即控制电机转动的方式不一样。白天工作模式
13、下，通过光敏传感模块检测光照强度进行打开窗帘；夜间工作模式进行反向转动电机，使窗帘关闭。2.2 系统模块设计2.2.1 光敏传感器模块光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。2.2.1.1 光敏传感器的选型光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光的装换，光敏电阻的阻值随光照强弱而改变，光线越强，阻值变得越小，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达到1
14、10M欧，在强光条件下，它的阻值（亮阻）只有几百至几千欧。随着光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。可见光敏电阻具有灵敏度高，反映速度快，稳定可靠，工作电流大，可达数毫，易于使用的特点。光敏电阻完全满足本设计的要求，故选用光敏电阻型的光敏传感器。2.2.1.2 光敏电阻的构成及原理家居环境感光窗帘智能控制与调节系统- 4 -光敏电阻又称光敏电阻器或光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载
15、流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。如下图所示光敏电阻的工作原理：图2.2 光敏电阻工作原理图光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻
16、的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体图2.3光敏电阻结构原理图及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。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。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电家居环境感光窗帘智能控制与调节系统- 5 -压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。图2.4 光敏
17、电阻实物图本模块采用灵敏型光敏电阻传感器，比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA。配可调电位器可调节检测光线亮度，工作电压3.3V-5V。输出形式 ：DO开关量输出（0 和1）和AO模拟量输出（电压），模块在环境光线亮度达不到设定阈值时，DO端输出高电平，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，DO端输出低电平；DO输出端可以与MCU直接相连，通过MCU来检测高低电平，由此来检测环境的光线亮度改变；小板模拟量输出AO可以和AD模块相连，通过AD转换，可以获得环境光强更精准的数值。图2.5 传感器模块如图2.5所示，本设计采用的光敏传感器模块有4个脚针，一个接电源正极、一个接电源负极，
18、另外两个分别为模拟信号输出和数字信号输入。开关指示灯LED用作数字信号输出指示作用，当光照强度太大，输出低电平时，指示灯点亮。家居环境感光窗帘智能控制与调节系统- 6 -图2.6传感器模块实物图另外，如图2.6所示，为传感器模块实物图。在本电路图的中上方具有灵敏度调节模块。即通过调节灵敏度电位器，可以调整光照强度阈值。在实际安装过程中，用户可以根据对光照的要求进行调节。如果用户希望房间一直处于非常明亮状态，则可以通过调整灵敏度电位器达到自己要求，即只要房间内稍微有点暗，就可以输出低电平，触发电机转动，打开窗帘。如果用户希望房间内光照强度处于光线柔和状态，则可以调低光照灵敏度。达到用户要求，即只
19、要房间内光线强度不是非常弱，窗帘不会打开，在保证屋内光线柔和的前提下，触动电机模块，进行开关窗帘。2.2.2 电机模块此部分主要包括电机及驱动两部分组成。本设计采用步进电机作为智能窗帘的开关执行器。驱动主要包括电机正反转。2.2.2.1 电机的选择方案一：使用直流电机来作为执行机构，带动窗帘运动实行开合。此方案的优点是电机转速能达到很高，从而实现窗帘的快速开合。其缺点是电机转速能达到很高，从而实现窗帘的快速开合。其缺点是电机速度过高时，给出停转信号后，由于惯性会继续转动，窗帘也随之继续运动，可能会对窗帘框架造成损停转信号后，由于惯性会继续转动，窗帘也随之继续运动，可能会对窗帘框架造成损害；速度
20、过低，则可能会出现电机不能克服阻力，因而不能带动窗帘运动。方案二：使用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，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，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以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。家居环境感光窗帘智能控制与调节系统- 7 -步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电
21、路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。使用步进电机作为来作为执行机构，带动窗帘运动实现开合。此方案的优点是给出停转信号后，会立即停转，不会对窗帘框架造成损害，且其扭矩比直流电机大，便于带动窗帘运动；其缺点是价格比直流电机稍贵。如下图所示，为步进电机实物外观图。图2.7 步进电机实物外观图综上所述，选择方案二作为系统的执行机构，带动窗帘运动实现窗帘的开合。下面以高2.0m、宽2.0m、亚麻窗帘布材质的窗帘布，与电机相连的主动轮以及从动轮都是直径D= 5mm的滑轮构建的窗帘模型为例，具体讲解一下
22、步进电机的型号选择。查阅资料得知，亚麻窗帘布的克重是800g，即高2.7m、宽1m的亚麻窗帘布的质量是800g。那么，高0.8m、宽1.5m的亚麻窗帘布材质的窗帘的质量M为2.0=1.487假设拉绳与滑轮的直径垂直，窗帘与窗帘杆之间的滑动摩擦系数为=0.1，重力加速度g=9.8m/ s2，电机的效率一般在0.85 0.95的范围内，在这儿我们取=0.9。则窗帘布与窗帘杆之间的滑动摩擦力F=Mg=0.1 1.48 9.8=1.45。那么主动轮转动所需要的最小转动力矩 1.450.4()29LFDTNmg考虑到框架实际设计过程中，拉绳可能与窗帘的拉环之间存在一定的角度。因此，主动轮所需的最小转动力矩要大于之前在理想条件下计算出的转矩值；即要求电机的输出转矩。现有一工作电压在5V/12V时，输出转矩为36mNm/45mNm的步进电机，满足主动轮对转动力矩的要求，因此选择此电机作为带动主动轮转动的电机。
