1、智能窗帘控制装置毕业设计论文综述南京信息职业技术学院毕业设计论文作者 韩生龙 学号 11031P10 系部 电子信息学院 专业 计算机控制技术 题目 智能窗帘控制装置 指导教师 龙凌云 评阅教师 完成时间： 2013年 5 月 1 日 毕业设计(论文)中文摘要智能窗帘控制装置摘要：随着现代社会的高速发展，人们对室内设计智能化的要求也越来越高。方便与享受的智能窗帘对于现代快节奏的人们生活来说，是适应现代化办公和生活环境的需要，是人们生活水平提高的一个标志。对于室内的窗帘而言，它不仅要具有遮光作用和美化功能，更要具有方便智能的使用功能。本文综述了智能窗帘控制装置系统的设计与制作过程，介绍了设计制作
2、一个完整的窗帘控制系统需要做的理论分析以及其制作过程。智能窗帘控制装置系统核心采用的是单片机AT89C51，其次利用了光照传感器、键盘显示接口电路以及信号调理电路等外围电路，它主要的功能有时间显示, 定时控制开闭窗帘，还可以根据光强度自动调节窗帘以使屋内达到舒适惬意的环境。整个系统在理论层面上，用程序语言驱动各模块工作，实现系统的内在联系，在应用层面上则采用Protel软件进行原理图设计。智能窗帘控制装置系统的构成主要由光照传感电路、系统主控模块电路、电源转换电路、电机控制电路、键盘以及显示电路等组成，重点讨论了窗帘自动控制系统的设计过程、硬件选用和软件调试等问题，通过本系统可实现利用光照强度
3、以及设置时间来控制窗帘自动开闭。关键词：单片机 智能窗帘 定时 步进电机毕业设计(论文)外文摘要Title : Smart curtain control device Abstract: With the rapid development of modern society, people are increasingly high requirements for interior design intelligent. Convenience and enjoy smart curtains for the fast pace of modern life for people to
4、adapt to the needs of the modern office and living environment, is a sign of improved living standards. For the curtains in the room, it not only has a shading effect and landscaping features, but also to facilitate intelligent use features. In this paper, intelligent curtain control device system d
5、esign and production process, design a complete curtain control systems need to do theoretical analysis and its production process. Intelligent curtain control device system core microcontroller AT89C51, followed by the use of a light sensor, keyboard and display interface circuit, and a signal cond
6、itioning circuit peripheral circuits, it is mainly the function of time display, timing control the opening and closing curtains, you can also automatically according to the light intensity adjust the curtains to the house of a safe and comfortable environment. The entire system at the theoretical l
7、evel, each module driven programming language, the intrinsic link of the system, using Protel software for schematic design at the application level. Intelligent curtain control device system constitutes a major by the light sensing circuit, system main control module circuit, power conversion circu
8、its, motor control circuit, keyboard and display circuit focused on the design process of the curtains of automatic control system, hardware selection and software issues such as debugging through the system can be realized using light intensity, and set the time to control the curtains open and clo
9、se automatically.keywords: MCU Smart Curtains Timing Stepper Motor第1章 绪论 51.1 研究背景及意义 51.2 基本内容安排 61.3 设计思想及基本功能 7第2章 总体电路设计及其原理说明 72.1 系统基本功能 72.2 系统总体结构设计 8第3章 硬件分析与设计 93.1电源电路设计 93.1.1单片机电源电路设计 93.1.2步进电机电源电路设计 113.2 89C51单片机及相关电路 123.2.1晶振电路 133.2.2复位电路 143.2.3时钟电路 143.2.4键盘电路 163.2.5 显示电路 173.2
10、.6 AD转换电路 193.2.7光敏传感器 213.2.8 步进电机 223.2.9信号校正电路 243.3窗帘框架构造设计 253.3.1电动机选择 25第4章 程序分析与设计 274.1 主程序设计 274.2 主要子程序设计 284.2.1 键盘程序设计 284.2.2定时程序设计 304.2.3步进电机程序设计 31结论 32致谢 33参考文献 34附录一 智能窗帘原理图 35附录二 程序清单 36第1章 绪论1.1 研究目的和意义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。智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术
11、、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。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。系统的网络化功能可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。使生活更加舒适、便利和安全。因智能家居控制系
12、统布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。智能化控制的工作原理自然离不开运算和控制单元，在设计本系统时采用的主控器件AT89C51，正是运算与控制单元的集合体。本窗帘控制系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采各模块和芯片的协调性，从而大大提高系统的可利用性。此次系统设计系统正是利用AT89C51 单片机的优点，顺利的完成了本设计的要求。并且实现了学习型定时和自动控制功能，为控制家居设备提供了良好的基础。正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面
13、，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，功能也越来越强，各种传感器都已经标准化、模块化，这给智能家居控制系统的设计提供极大方便。智能窗帘控制装置系统的整体主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分由单片机扩展的外围电路以及各种实现单片机系统控制功能的接口电路组成；软件部分主要由单片机系统实现其特定控制功能的各种程序组成。本设计中介绍了智能窗帘控制装置系统的硬件构成以及软件设计过程，以尽最大可能满足不同人对窗帘开闭的不同需求。同时，系统在针对
14、人们一般需求的设计开发外，还提出多种解决方案，在考虑到经济性和简便性的前提下，可以供日后对控制系统的功能进行扩展。1.2 基本内容安排该设计通过分析电动窗帘的现状和人们对自动窗帘控制系统的功能的需求，从而对自动窗帘控制器进行总体的设计。系统的总体设计采用以步进电机作为单片机控制元件，执行窗帘开闭的主要任务；以光敏电阻作为检测元件，以提供单片机外界光照的变化；89C51单片机作为主控制芯片，控制着整个系统的运行，此外，辅助以键盘和显示电路，在各个电路模块的配合下最终实现了自动窗帘控制系统的智能化要求。自动窗帘控制系统设计过程主要分为以下几个章节：（1）绪论：介绍设计目标国内外的发展现状和研究意义
15、目的，设计的基本内容和本文的章节安排。（2）总体设计方案：给出了智能窗帘控制装置的总体方案设想，智能项目，和设计结构规划。（3）硬件设计：选用89C51单片机为核心的各种电路设计，包括复位电路，电源电路，时钟电路，步进电机控制电路，键盘/显示电路等一系列相关电路。（4）软件设计：介绍各个功能模块的的设计流程以及设计思路。（5）总结：针对设计中的不足进行再思考以及提出自动窗帘控制系统功能的扩展。1.3 设计思想及基本功能 该系统具有一般的窗帘控制系统的最基本的功能，即通过电动按钮来开闭窗帘，在此基本功能的前提下，本设计根据需求还设计了可以根据光照强度和设定时间自动开闭窗帘的功能，在选取设计方案和
16、采用元器件方面，该系统本着简单实用经济的思想，尽量简化电路设计，用最简单的电路布线和选用最经济实用的器件来达到设计要求。自动窗帘控制系统具有以下几个基本功能：（1）手动控制：该功能是根据用户的需求通过按键进行窗帘的开关，此功能可以使窗帘的开闭处于任何一种状态；（2）自动控制：用户可以通过按键一次性开闭窗帘；（3）环境亮度控制：窗帘的关闭和开启通过环境亮度自动完成窗帘的开启或关闭操作控制，“天黑关闭，天亮打开”具有智能管理，不产生误动作。（4）时间自动控制：根据设置输入的开启或关闭时间，来控制窗帘的关闭和打开。窗帘的正转、反转和停止功能可由单片机输出电平来控制步进电机的运转以实现。环境亮度的控制
17、通过光敏二极管和运放组成的电路来控制单片机输出电平继而控制电机的正转和反转。时间自动控制可以由定时器来控制。第2章 总体电路设计及其原理说明2.1 系统基本功能伴随着科学技术的发展和人民生活水平的日益提高，人们对生活舒适性的追求越来越强烈，而窗帘在每个家庭生活是必备的，其基本功能是保护住户的隐私以及遮蔽阳光等。基于这些作用窗帘的便利性自然也受到家庭的关注。但传统的窗帘绝大部分是用手去开关，每天开关不仅不省力，而且还可能错过最佳光照时间，尤其是大窗帘，比较重，而且长，在开闭时需要费很大力气才能开关窗帘，特别不方便；针对这种现象，电动窗帘便由此产生。现有的电动窗帘基本上都可以利用按键控制，自动开关
18、闭窗帘，虽然省了力气，但是有些方面的设计还是不够人性化。对此，本控制系统提出可以根据光照以及定时等开关窗帘，具体有以下几大功能：（1）手动控制状态：此功能使自动窗帘控制系统具有手动拉开、关闭和停止功能。（2）半自动控制状态：此功能是在要打开或者关闭窗帘的时候，通过“开”或“关”按键，窗帘在电机的带动下可以自动开闭。（3）亮度自动控制：此功能是利用设定的光照强度自动完成窗帘的打开或者关闭，真正实现黑天关闭，白天打开的功能。（4）时间自动控制：此功能根据用户需要，设定需要开闭窗帘的时间，通过输入的开启或关闭时间，控制窗帘开关。2.2 系统总体结构设计硬件设计的好坏决定整个方案的成功与否，所以在硬件
19、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。下图是智能窗帘控制装置设计的总体框图如图2.2.1所示。图2.2.1 电动窗帘控制器结构框图本智能窗帘控制装置以89C51为主控芯片，通过其灵活的输入/输出口设置，由光电传感器检测外界的光强，经过信号调理电路的放大，滤波调理后输入到A/D转换器，A/D转换器件完成一个转换过程需要一定时间，如果在这段时间内信号的幅度发生变化，转换结果将会受到影响，所以其间要用到采样保持电路。转换后的信号由单片机控制器，来实现电机的运行与停止。显示模块主要用来显示智能窗帘控制装置的各种状态信息。键盘模块主要作用是通过按键向单片机输入指令
20、，其中主要包括设定时间，控制步进电机转动方向，从而控制窗帘的开与关。第3章 硬件分析与设计3.1电源电路设计3.1.1 单片机电源电路单片机工作需要使用5V电压，因此需要给单片机设计电源电路。图3.1.1是单片机的电源电路。它采用LM2576开关稳压集成电路将电动机电源+12V直流电压转变为+5V的直流电压为单片机供电。图3.1.1单片机电源电路LM2576中文资料LM2576系列开关稳压集成电路的主要特性如下：最大输出电流：3A;最高输入电压：LM2576为40V，LM2576HV为60V;输出电压：3.3V、5V、12V、15V和ADJ(可调)等可选;震荡频率：52kHz;转换效率：75%
21、88%(不同电压输出时的效率不同);控制方式：PWM;工作温度范围：-40 +125工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制;工作模式控制：TTL电平兼容;所需外部元件：仅四个(不可调)或六个(可调);器件保护：热关断及电流限制;LM2576的内部框图如图3.1.2所示，该框图的引脚定义对应于五脚TO-220封装形式。图 3.1.2LM2576内部包含52kHz振荡器、1.23V基准稳压电路、热关断电路、电流限制电路、放大器、比较器及内部稳压电路等。为了产生不同的输出电压， 通常将比较器的负端接基准电压(1.23V)，正端接分压电阻网络，这样可根据输出电压的不同选定不同的阻值，其中R1=1k(
22、可调-ADJ时开路)， R2分别为1.7 k(3.3V)、3.1 k(5V)、8.84 k(12V)、11.3 k(15V)和0(-ADJ)，上述电阻依据型号不同已在芯片内部做了精确调整，因而无需使用者考虑。将输出电压分压电阻网络的输出同内部基准稳压值 1.23V进行比较，若电压有偏差，则可用放大器控制内部振荡器的输出占空比，从而使输出电压保持稳定。由图3.1.1及LM2576系列开关稳压集成电路的特性可以看出，以LM2576为核心的开关稳压电源完全可以取代三端稳压器件构成的MCU稳压电源。LM2576系列开关稳压集成电路来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电
23、路，使用起来更可靠、更方便。外形图图3.1.33.1.2 步进电机电源电路本设计采用12V直流电压为步进电机供电，因此需要给步进电机设计电源电路。图3.1.4是步进电机的电源电路。由于该电路在应用中比较常见，所以在此不做任何解析。图3.1.4步进电机的电源电路3.2 89C51单片机及相关电路单片机的全称是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）。为了使用方便，它把组成计算机的主要功能部件：中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM、EPROM、E2PROM或FLASH）、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成了一个
24、完整的计算机系统。与通用的计算机不同，单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微控制器（Microcontroller）。MCS51系列1单片机是美国Intel公司于1980年推出的一种8位单片机系列。该系列的基本型产品是8051、8031和8751。这3种产品之间的区别只是在片内程序存储器方面。8051的片内程序存储器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片时已将应用程序固化进去；8031片内没有程序存储器；8751内部包含有用作程序存储器4KB的EPROM。由于8051的编程需要制造商的支持，而8751的价格昂贵，因此8031获得了更为广泛的使用。MCS51系列单片机优异的性能/
25、价格比使得它从面世以来就获得用户的认可。Intel公司把这种单片机的内核，即8051内核，以出售或互换专利的方式授权给一些公司，如Atmel、Philips、ADI等。这些公司的这类产品也被称为8051兼容芯片，这些8051兼容芯片在原来的基础上增加了许多特性。本文应用电路中采用了Atmel公司的AT89S51芯片，它与MCS51单片机指令兼容，同时它的内部包含用作程序存储器4KB的基于FLASH技术的只读存储器。采用这款芯片既克服了采用8031需要添加外部程序存储器导致电路复杂的缺点，又克服了采用8751导致电路制作成本高的缺点。3.2.1 晶振电路电路中的晶振即石英晶体震荡器。由于石英晶体
26、震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。图3.2.1是单片机的晶振电路。电路中的电容C1和C2的典型值通常选择为30PF左右，该电容的大小会影响振荡电路频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶体振荡频率的范围通常在1.212MHz。晶体的频率越高，系统的时钟频率越快，单片机的运行速度越快。但反过来，运行速度对于存储器的速度要求就越高，对印刷电路板的工艺要求也就越高，即要求线间的寄生电容要小。晶体和电容应该尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更
27、好地保证振荡器稳定、可靠地工作。89C51常选择振荡频率12MHz的石英晶体。图3.2.1 单片机晶振电路图3.2.2 复位电路复位是单片机的初始化操作，只需要给89C51的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可以使89C51复位。复位时，单片机初始化为0000H，从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行错误（如程序跑飞）或操作错误使系统处于锁死状态时，也需要复位键使RST脚为高电平，使89C51摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动。图3.2.2是复位电路图。图3.2.2 复位电路图3.2.3 时钟电路本设计需要窗帘在给定的时间自动
28、开和关，所以需要用到定时器，而为了保证单片机与外界时钟一致，要用到一个实时时钟电路。这里使用DS12887实时时钟芯片来完成这项功能。DS12887是DALLAS公司生产的实时日历时钟芯片，其主要功能包括非易失性时日历时钟、报警器、百年历、可编程中断、方波发生器和114字节的非易失静态RAM。使用DS12887时应注意以下几点：Vcc正常情况下为5V，当Vcc降至4.25V时，所有的输入被忽略，输出为高阻状态，Vcc降至3V时，外部电源被关断，内部锂电池为实时时钟和RAM供电，在断电情况下，时钟继续运行，其中的数据可保存十年以上不会丢失。DS12887有两种工作时序，即MOTOROLA和INT
29、EL时序，由MOT引脚的电平指定，当MOT引脚为高电平时选择MOTOROLA时序，当MOT引脚为低电平时选择INTEL时序，图中选为INTEL时序，这时芯片的DS引脚接系统的读信号/RD，R/W引脚接系统的写信号/WR。AS引脚用于分离数据地址总线AD7-AD0上的地址和数据信息，连接到MCU的ALE引脚。RESET引脚的信号对日历时钟和RAM没有影响，但它影响DS12887的命令和状态寄存器的内容，在图中直接将RESET连至Vcc，这样可以保证DS12887在进入或退出电源失效状态时，其工作状态不受RESET引脚的影响。DS12887有一个可编程输出方波引脚SQW，从该引脚可以输出频率为2H
30、z-256Hz的方波，在系统中正是利用此引脚输出周期为125MS的方波，作为MCU外部中断/INT0的中断源实现周期性中断，每当中断发生时，MCU读一二次输入口，检查电表是否转过一圈，在整点时还要采一次三相电流和电压。除此之外，DS12887内部还有128字节的RAM的单元，其中前10个字节用于存放日历时钟信息，字节0为秒，字节2为分，字节4为时，字节6为星期，字节7为日，字节8为月，字节9为年，字节0AH-0DH用作控制和状态寄存器，剩下的114字节为用户RAM，所有的这128字节都是掉电非易失性的。图3.2.3 时钟电路图DS12887时钟芯片和AT89C5l单片微机的接口电路如图3.2.
31、3所示。模式选择脚MOT接地， DS12887时钟芯片的AS端口和89C51单片机的AIE端直接相联；而DS、RW 读写控制线与单片机的RD/WR控制线制线相连；DS12887的高位地址由89C51单片机的P27端口来片选，则DS12887的高8位地址定为7FH，而其低8位则由芯片内部各单元的地址来决定(00H-3FH)；DS12887的中断输出端IQR和89C51的外部中断INT0端相联，给单片机提供中断信号；DS12887的SQW端与89C5I的TO端相连。3.2.4 键盘电路 键盘在由单片机控制的窗帘自动控制系统中的主要作用是通过按键向单片机输入指令，其中主要包括设定时间，控制窗帘的开关
32、等等功能，是人工控制单片机的主要手段。在窗帘控制系统设计中的键盘采用的是44矩阵键盘。这16个按键分别为：设定键主要是用来设定自动窗帘打开或者关闭的时间；0-9数字键，其作用主要是用于设定时间；复位键主要应用在程序出错以及误操作的时候使单片机复位，从而重新设定；反转键是使步进电机反转，控制窗帘关闭；正转键是使步进电机正转，从而控制窗帘打开；停止键可以控制步进电机停止工作，窗帘控制器停止运行；确定键主要是用于在时间设定完成后的确定输入。由于按键比较多，单独设置按键会增加总体设计的复杂性，而且为了减少所占用的端口，可以将按键组成一个矩阵，如图3.2.4所示。 图3.2.4 键盘接口电路3.2.5 显示电路显示电路主要是用于显示时间。采用LED数码管进行显示是因为LED数码管具有以下几个优
