1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 具有多重保护功能的自动卷门控制器开发 接收器硬件及接收控制软件开发 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘要 本设计是关于自动卷帘门控制器的研究与开发。自动卷帘门控制器的设计大体可分硬件和软件 两部分。硬件设计部分由电源设计、无线遥控模块、开关控制模块这三部分组成。软件部分用软件编程实现。本文开头部分阐述了自动卷帘门控制器相关技术 的 发展状况，设计部分对功能模块的原理及其功能做了详细介绍。本设计利用 Protel 99 SE 绘制硬件电路图，采用 C+Builder 软件来实现功能模块与单片机通
2、信。本自动卷帘门控制器具有手动功能、遥控功能，能对实体窗帘进行打开、关闭和暂停的操作。此外，本设计还添加安全保护系统，以实现自动卷帘门控制电机的自动停机和安全保护，达到智能家居安全智能的目的。 关键词： 自动卷帘门， CB 编程，遥控，安全可靠 III The design of automatic rolling shutter door controller with multiple protectionThe design of hardware and control software of receiver Abstract This design is about the stu
3、dy and design of automatic rolling shutter door controller.The design of automatic rolling shutter door controller in general can be divided into two parts, namely hardware and software. The hardware consists of the power supply design, wireless remote control module and switch control module, and t
4、he software part is carried out by the software programming. The beginning of this article describes related technology development of the automatic rolling shutter door controller,and the detailed introduction function and principles of every function module are given in design part. This design us
5、es Protel 99 SE to draw hardware circuit diagram,and uses C+ Builder software to implement that a computer communicates with SCM. The automatic shutter door controller features a manual function, a automatic function, which can open, close or stop physical rolling shutter door. Besides, this design
6、also adds safeguard system to automatically control the shutter doors automatically shut down the motor and security,and to achieve purposes of smart home. Keywords: automatic rolling shutter door, CB programming, wireless remote control , safe and reliable IV 目 录 摘 要 . Abstract . 1 绪论 . 1 1.1 课题来源
7、. 1 1.2 课题的研究意义 . 1 1.3 自动卷帘门国内外发展状况 . 2 1.3.1 嵌入式软件的发展 . 2 1.3.2 嵌入式控制器 . 3 1.3.3 自动卷帘门电机驱动形式 . 5 1.3.4 遥控技术 . 5 1.4 课题研究的主要内容 . 6 2 设备方案设计 . 6 2.1 方案要求 . 6 2.2 方案原理 . 6 2.3 方案评价 . 7 2.3.1 电源设计 . 7 2.3.2 单片机的选型 . 7 2.3.3 无线通信 . 8 3 硬件设计 . 8 3.1 电源设计 . 9 3.1.1 保护电路 . 10 3.1.2 整流滤波电路 . 12 3.1.3 降压斩波电
8、路 . 13 3.1.4 稳压电路 . 14 3.2 遥控接收器模块设计 . 15 3.3 控制核心设计 . 16 3.4 开关控制模块设计 . 20 3.5 保护系统设计 . 22 3.5.1 限位保护 . 22 3.5.2 安全保护 . 22 4 软件设计 . 23 4.1 自动卷帘门软件基础 . 23 4.2 程序流程 . 23 4.3 主要程序 . 24 总结 . 30 参考文献 . 31 致谢 . 32 附录 . 33 附录图 1 硬件电路图 . 33 具有多重保护功能的自动卷门控制器开发 接收器硬件及接收控制软件开发 1 1 绪论 1.1 课题来源 随着科技的进步，人民生活水平也在
9、不断提高。为了创造更舒适的居住环境，家用电器正朝着自动化、智能化方向发展。 由于传统卷帘门的面积较大， 借助卷帘中心轴上的扭簧平衡力量，达到手动拉动卷帘的目的， 开启和关闭都比较麻烦，费时费力。为了解决这个问题，电动卷帘门应运而生。电动卷帘门的动 作原理是 用专用电机带动卷帘中心轴，使其转动，从而使卷帘开关；当电机转动到其事先设定的上下限位开关时，卷帘门自动停止。这种电动卷帘门仅仅解决了手拉卷帘门的问题，可还是需要人近距离操作，这 同时也促进自动卷帘门产业的发展 。遥控 自动卷帘门是近年出现的自动化门控产品， 可以远距离操作卷帘门的开合，使用更为方便， 是当今智能家居的一部分。 “智能家居 ”
10、是现代信息技术与建筑技术相结合的产物，是信息时代人们追求居所 “安全舒适、高效便捷、绿色节能 ”等现代生活理念的体现 1。 目前市场上普遍的卷帘门还是老式的手拉卷帘门。自动卷帘门 同时具有手动、遥控的功能， 以满足用户各种情况下的使用要求，是一种更为先进的卷帘门控制装置 。 1.2 课题研究的意义 要说自动卷帘门，首先要提到自能家居。人类的生活需要和科学技术的发展，促成了智能家居的诞生。智能 家居 的平台是住宅，集成家居生活有关的设施，其中涉及到诸多技术，如 综合布线 技术、智能家居系统设计方案安全防范技术、网络通信技术、音视频技术、 自动控制技术 等 2。为了使家居更加的安全、便利、舒适、有
11、艺术感，并使居住环境节能环保，高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统的构建是很有必要的。与普通家居相比，智能家居除了具有传统的居住功能外，还使得人们的家庭生活空间变得更加舒适、安全，且不再是原来的那种被动静止结构，而是 能为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，保障家庭与外部信息交流畅通，也使人们的生活方式也得到优化，人们时间得到有效地安排，提高家居生活的安全性，节约了各种能源及费用资金。 家居要智能化，作为住宅的第一道保护层的卷帘门也就要智能化。卷帘门实现智能化后，使其具有传统卷帘不曾具有的优点。自动卷帘门可以智能控制，具有操作简单、安全可靠、省时省力等优点，可以应用于家庭大门、车库
12、、商场等场所。而且具有多重保护功能的自动卷帘门具备了较好的保护功能，可以避免人员夹具有多重保护功能的自动卷门控制器开发 接收器硬件及接收控制软件开发 2 伤，车辆被压坏等意外情况的发生。随着人们对高品质生 活追求的加深，人们越来越认识到自动卷帘门对建筑是至关重要的，它为人们提供舒适的环境，同时为人们节省很多时间和精力，从而挺高了工作效率。 1.3 自动卷帘门国内外的发展现状 自动卷帘门控制器的开发包括硬件和软件两部分的设计。硬件部分由电机驱动、遥控模块、传感器模块等组成。软件模块，主要是通过编写程序，实现计算机与单片机之间的人机界面通信以及单片机实现控制、数据采集等功能。自动卷帘门控制器的开发
13、中，对信号的接收及处理，对目标物，即卷帘门，进行控制。这涉及到很多方面的研究，如嵌入式控制器和嵌入式软件状况射频通信技 术、电机驱动形式等。以下是各方面最新成果及动态。 1.3.1 嵌入式软件的发展 嵌入式技术作为继 IT 网络技术之后又一迅速发展的技术方向，有着强大而持久的生命力。嵌入式软件就是嵌入在硬件中的操作系统和开发工具软件。嵌入式技术被广泛应用于众多领域，已经成为国内 IT 产业发展的核心反向，我国软件产值中的 40%来自嵌入式软件日常生活中，各种使用嵌入式技术的电子产品已经得到了广泛的应用，如 MP3、 PDA、手机、智能玩具、智能家电、车载电子设备等。在工业和服务领域中嵌入式技术
14、也已经大量应用于数控机床、智能工具、机器人等 行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。而嵌入式的应用更是涉及金融、航天、电信、网络、信息家电、医疗、工业控制和军事等各个领域，以至一些学者断言嵌入式技术将成为后 PC 时代的主宰 3。我们的生活已经被嵌入式软件所包围。在移动领域突出体现这一点， Windows Mobile 成为 Windows CE最好的一个应用典范 4。 早期的嵌入式系统设计，硬件优先，这使得硬软件资源难以充分利用，不能取得最佳性能效果。 90 年代以来的随着电子系统功能的日益强大和微观化，有关系统设计的问题越来越多，难度也越来越大。以前 那种硬件优先的方法不早适合，而
15、是应该软硬件相互结合，出现了软硬件协同（ codesign）设计方法，最大限度地发挥系统软硬件的能力。基于嵌入系统设计的嵌入式软件在个方面得到了较大的发展，已经成为软件的重要组成部分。随着硬件技术的不断提高，硬件平台处理能力不断增强，硬件成本的不断下降，嵌入式软件已成为产品数字化改造、智能化增值的带动性技术。 SOC 技术是微电子技术发展的一个新的里程碑。它的迅猛发展，推动了嵌入式软件与硬件的进一步融合嵌入，核心和灵魂是嵌入式软件。 近几年，嵌入式操作系统的飞速发展主要表现在以下及方 面： 具有多重保护功能的自动卷门控制器开发 接收器硬件及接收控制软件开发 3 （ 1）处理器从 8 位到现在的
16、 32 位，甚至 64 位； （ 2）支持的 CPU 芯片的品种不断增多； （ 3）除了内核崴还可以提供例如文件系统、窗口图形系统等功能模块； （ 4）形成包括嵌入式操作系统、中间平台软件在内的嵌入式软件体系； Spectra 是嵌入式系统软件开发的新途径。它是是第一个真正开放的嵌入式交叉开发平台，支持包括 Motorola 的 68000 和 683XXX 处理机在内的各种目标系统，并已实现对 FUJISU 的 SPARCLITE 和 Intel556/456 芯片的支持。 嵌入式系统软件向运行速度更快、支持功能更强 、应用开发更便捷的方向不断发展。 1.3.2 嵌入式控制器 嵌入式控制器的
17、核心单元有单片机、 DSP、 EDA 等。这里对这些核心单元的最新发展状况进行说明。 （ 1）单片机性能的提升 单片机 (MCU) 它是以工业测控对象、环境、接口等特点出发，向着增强控制功能，提高工业环境下的可靠性、灵活方便地构成应用计算机系统的界面接口的方向发展 5。自从 INTEL 推出 51 系列 单片机 ，许多公司 对它做出改进，发展成为增强型 51 系列，而且新的 单片机 类型也不断涌现，如 MOTOROLA 和PHILIPS 均有几十个系列，几百种产品。 CPU 从 8， 16， 32 到 64 位，多采用 RISC 技术，片上 I/O 非常丰富，有的 单片机 集成有 A/ D ，
18、 “看门 狗 ”， PWM ，显示驱动，函数发生器，键盘控制等，它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。新型的 8 位单片在运算速度大大地挺高，最大运算速度是 C51 的 12倍以上；存储容量也做了提升；指令集更精简； I/O 口更多；拥有更细更多中断的种类和定时器 /计数器的功能。使用 STM8 ATmega8/16、 PIC16F877、STC12C5A60S2 这类的新型 8 位单片机，可以大大简化电路，节省成本，提高系统的可靠性。 （ 2） EDA 技术发展 当今电子系统的复杂性在不断增加，而电子产品的更新换代越来越快，传统的设 计方法难以适应。随着计算机技术的发展，
19、CAD 在某种程度上减轻了设计人员的工作压力，但其智能化、自动化水平仍不尽人意。于是 EDA 技术作为一种全新的技术诞生了。它正改变着数字系统和设计方法，设计过程和设计观念。尽管 CAD/CAE 技术取得了巨大的成功，但并没有把人从繁重的设计工作中彻底解放出来。在整个设计过程中，自动化和智能化程度还不高，各种 EDA 软件界面千差万别，学习使用比较困 难，并且互不兼容，直接影响到设计环节间的衔接。基于以上不足， EDA 技术继续发展，出现了以自动综合器和硬件描述语言为基础，全面支持电子设计自动化的 ESDA（电子系统设计自动化），即高级 EDA 阶具有多重保护功能的自动卷门控制器开发 接收器硬
20、件及接收控制软件开发 4 段、也就是目前常说 的 EDA6。这一阶段采用一种新的设计概念自顶而下(Top-Down)的设计程式和并行工程 (Concurrent Engineering)的设计方法，设计者的精力主要集中在所要电子产品的准确定义上， EDA 系统去完成电子产品的系统级至物理级的设计。 （ 3） ARM 发展动态 ARM 具有耗电少功能强、 16 位 /32 位双 指令集 等特点，而运用广泛应用各个领域。当前 ARM 体系结构的进行了扩充： Thumb 16 位指令集，为了改善代码密度； DSP 应用的算术运算指令集； Jazeller 允许直接执行 Java 字节码。 ARM体系
21、结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗。 2011 年，微软宣布，下一版 Windows 将正式正式支持 ARM处理器，今年就会有 ARM 的 2.5GHz 的处理器上市。 在嵌入式技术中的应用非常广泛。多嵌入式设备如果要上网就必需加上TCP/IP 网络协议，由于 8/16 位的单机的速度还不够快，内存也不够大，不容易满足嵌入式设备上网的要求。随着集成电路的发展， 32 位的 RISC 处理器更是能得到青睐，领先的是 ARM 处理器位内核的生产芯片的公司居多 7。 对于目前的 3G 视频方面，国内外市场上主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两
22、类产品。前者的技术发展已经非常成熟，产品性能稳定，在实际工程中得到了广泛应用。后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩技术为 核心的新型视频监控系统 8。基于 ARM 的嵌入式无线视频监视系统解决了模拟视频监控的部分弊端。 家庭智能化是一个新发展趋势，家庭智能化使得人们的生活方式、工作方式以及思维方式都发生了巨大的变化。具有强大功能的 ARM 芯片的推出无疑起到了推波助澜的作用，嵌入式处理器芯片 ARM 是 RISC，它以其功能强大、指令简单、功耗低等优点在家庭智能化的过程中具有强大的优势 9。 ARM 还开发了一下新技术： Jazelle DBX (Direct Bytecode eXec
23、ution)，允许它们在某些架构的硬件上加速执行 Java bytecode，就如其他执行模式般，当呼叫一些无法支援 bytecodes 的特殊软件时，能提供某些 bytecodes 的加速执行。它能在现存的 ARM 与 Thumb 模式之间互相执行； Thumb-2 技术首见于 ARM1156 核心，并于 2003 年发表。 Thumb-2 扩充了受限 16-bit Thumb 指令集，以额外的 32-bit指令让指令集的使用更广泛。因此 Thumb-2 的预期目标是要达到近乎 Thumb 的编码密度，但能表现出近乎 ARM 指令集在 32-bit 内存下的效能。 ThumbEE 也就是所谓
24、的 Thumb-2EE，提供 从 Thumb-2 而来的一些扩充性，在所处的执行环境（ Execution Environment）下，使得指令集能特别适用于执行阶段（ Runtime）的编码产生（例如即时编译）。 具有多重保护功能的自动卷门控制器开发 接收器硬件及接收控制软件开发 5 1.3.3 自动卷帘门电机驱动形式 卷帘门在电机驱动上分交流驱动和直流驱动，以下对这两种驱动做详细介绍。 （ 1）交流驱动 交流变速驱动技术的不断发展主要是由于市场需求推动所至，市场需要交流驱动采用价廉、可靠、特别是无刷的交流电机来达到直流驱动所具有的力矩快速响应和速度控制的精确性 10。交流电机交流电动机分为
25、异步电动机和同步电 动机两类。异步电动机按照定子相数的不同分为单项异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。三相异步电动机结构简单，运行可靠，成本低廉等优点，广泛应用于工农业生产中。而交流感应电机因其结构牢固、运行稳健可靠、成本低廉和高效率等而被广泛使用。但是交流电机的可控制性不如直流电机，而在很多应用中有精确定位、转距控制、速度控制等要求。为了实现此功能并提高控制精度，需要采用闭环控制系统和较为复杂、有效的控制算法，这些复杂的控制算法中包含了大量的数据运算及系统的实时性要求，对微处理器运算能力和速度要求更高 11。 （ 2）直流驱动 直流驱动是目前仍然广泛使用的最老的伺服驱动方案。直流驱动
26、适用于力矩变化大或功率小的应用，由于该方案控制简单又可以容易地得到良好的高精度力矩和速度响应，因此直流驱动方案也较好地应用于变速控制 12。电机的电磁场定向是采用带电刷的机械整流子来实现的，这种简单的整流方法可以降低控制器的成本，但是对电机来说则是增加了成本、降低了可靠性。无刷直流电动机由于没有接触式换向装置，不存在换向引起的火花，其具有效率高，转速不受机械换向所限制，可维护性强，安全性高等诸多优点，而被人们广泛应用于光驱、智能机器人、电 动交通工具等领域 13。与交流电机相比，直流电机的结构较复杂，成本较高，可靠性稍差，使它的应用受到一定限度的限制。 1.3.4 遥控技术 目前自动卷帘门的遥
27、控模块发展很快。由早期的红外遥控，到现今的无线电遥控、射频技术，遥控模块正发生着日新月异的变化。随着技术的完善，成品价格的下降，无线遥控、射频技术越来越被广大群众所接受，这种新兴产业的发展，势必在家居生活中产生深远的影响。 无线电遥控是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的技术。这些信号被远方的接收设备接收后，可以指令或驱动其它各种相应的机械，去完成 各种操作，如闭合电路、移动手柄、开动电机，之后，再由这些机械进行需要的操作。所以，各个控制的信号在频率和延续的时间上都彼此不同，对于控制船舶、飞机、具有多重保护功能的自动卷门控制器开发 接收器硬件及接收控制软件开发 6 导弹等海空行体的应用上极
28、为广泛。无线电有频谱广，传播距离远的特点。但无线电遥控系统存在抗干扰能力差、稳定性不高等缺点 14。 红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。它是把红外线作为载体的遥控方式。不像无线电遥控，由于红外线的波长远小于无线电波的波长，因此在采用红外遥控方式时，不会扰其他电器的正常工作，也不会影响临 近的无线电设备。红外遥控是利用波长0.76m-1.5m 之间的近红外线来传递控制信号的 15。红外遥控具有干扰性强，信息传输可靠、功耗低、成本低、易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。同时，红外遥控的控制范围范
29、围不大，使得在远程控制方面存在缺陷。 1.4 课题研究的主要内容 本设计的课题是具有多重保护功能的自动卷门控制器开发，主要是接收器硬件及接收器控制软件的开发。该自动卷帘门控制器以卷帘门动作为目标，以单片机为控制核心，通过对换向继电器的切换而切换而实 现电机正反转的控制，系统需要增加红外保护、时间保护、限位保护等保护手段，以提高系统的安全性。研究内容分两方面，硬件设计和软件设计。硬件设计涉及硬件电路原理图的设计，器件选型，以及向单片机及继电器供电的开关电源的设计。软件设计主要是主要是用高级语言编程，对接收到的射频信号进行识别处理，来控制电机正反转，以达到卷帘门开关的目的。 2 设备方案设计 2.1 方案要求 （ 1）控制器功能设计 （ 2）控制器硬件选型及方案设计 （ 3）控制器软件设计 （ 4）控制器动作模拟，各种运动的情况总结 2.2 方案原理 本设 计的方案，就是以卷帘门动作为目标，以单片机为控制核心，通过天线ANT 天线接收无线电波，通过译码器译码，将信号通过 DATA 脚输出，将信号传送到 PIC 单片机 16F630 的通用 I/O 口 RA0/DAT 后，然后通过程序控制通用I/O 口 RC0 和 RC1 口信号的输出，对换向继电器的切换而实现电机正反转的控
