摘 要 自動控制屬于電子及信息科學的一個重要分支 并且在現代家居中有著較 好的目前發展前景 目前 家庭居住環境的采光及避光問題主要采用的是手動 開閉窗簾 手動開閉不僅費力而且很多方面不夠人性化 可能對用戶造成一定 的困擾 窗簾控制器可以解決這些問題本文旨在設計一個家用窗簾自動開關控 制器 當外界光照度高于某一參考值時窗簾自動打開 低于該參考值是窗簾自 動關閉 通過本學期對單片機的學習 利用單片機為控制器 設計單片機控制 系統 最終實現控制功能 本設計具有一定的的推廣價值 能更加方便人們的 生活起居 本系統先確定了設計方案 再分別通過硬件設計和軟件設計來完善方案 自動窗簾控制器的構成主要由光照傳感電路 89C51 單片機作為控制器 器主 控模塊電路 電源轉換電路 電機控制電路 鍵盤 顯示電路 執行機構為步 進電機等組成 重點討論了窗簾自動控制器的設計過程 硬件選用和軟件調試 等問題 通過本器可實現利用光照強度以及設置時間來控制窗簾自動開閉 關鍵詞 家用窗簾 89C51 單片機 步進電機 光敏電阻 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 目 錄 第 1 章 緒論 1 第 2 章 方案設計 2 2 1 概述 2 2 2 系統組成的總體結構 2 第 3 章 硬件設計 4 3 1 電源電路設計 4 3 2 系統控制器單片機的選擇 4 3 3 光敏電阻的選擇與設計 5 3 4 驅動電路的設計 6 3 5 A D 轉換電路設計 7 3 6 鍵盤的設計 7 3 7 顯示電路的設計 8 3 8 時鐘電路的設計 10 第 4 章 軟件設計 11 4 1 A D 轉換程序設計 11 4 2 電機驅動程序設計 12 4 3 時鐘電路程序設計 13 4 4 系統分析 14 第 5 章 課程設計總結 15 參考文獻 16 附錄 17 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 0 第 1 章 緒論 伴隨著信息化時代的到來 人們的生活速度以及對生活質量的追求也在大幅 提高 電子產品智能化速度的加快 也使人們的工作 生活和通訊的關系日益緊 密 智能化的產品設計在改變人們工作方式與生活習慣的同時 讓人們對生活質 量的提升提出了更高的要求 方便 舒適成了人們所追求的生活方式 在現代家 庭生活環境中 居家環境早已不僅僅局限在物理空間上 人們更為關注的是一個 安全 方便 舒適的環境 智能化的電子產品以及設計將以前的被動靜止物體轉 變為人們能夠方便操控的工具 這些產品具有提供全方位的信息交換的功能 不 僅能夠優化人們的生活方式 幫助人們合理的安排時間 增強居家環境的安全性 甚至還可以為各種能源費用節約資金 在智能化產品中 單片機的應用已經越來越廣泛 單片機以它體積小 質量 輕 耗電省 可靠性高 價格低等優點 開始不斷發展 并廣泛應用于儀器儀表 家用電器 醫療設備 航天航空領域 工業專用設備的管理及過程控制等領域 在很多的大中型的電氣設備以及小型的電子產品中也用到了單片機進行控制 針對人們對智能化的需求以及對舒適生活的追求 窗簾自動控制器改變了傳 統窗簾的劣勢 它可以根據外界光照強度的不同而自動開閉窗簾 也可以根據人 們設定的時間來控制窗簾 該器利用光敏電阻檢測光照強度的變化 并且將光敏 檢測模塊的電阻變化轉化為電壓變化 然后將電壓變化的信號送單片機 單片機 通過電機驅動模塊控制著步進電機的正反轉實現窗簾的來回移動 本設計正是把 利用 AT89C51 單片機的優點以及簡單實用性 順利的完成了對智能控制的要求 并且為智能化的家居設備提供了良好的基礎 此外 對該器進行擴展 比如可以 加上防火 防盜 甚至室內煤氣濃度監測等功能 會使該器更具有實用性 而且 也完善了器 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 1 第 2 章 方案設計 2 1 概述 本次設計主要是綜合運用所學知識 設計出家用窗簾自動開關控制器 并在 實踐的基本技能方面進行一次系統的訓練 能夠較全面地鞏固和應用 單片機 課程中所學的基本理論和基本方法 并初步掌握小型單片機系統設計的基本方法 該器具有一般的窗簾控制器的最基本的功能 即通過電動按鈕來開閉窗簾 在此 基本功能的前提下 本設計根據需求還設計了可以根據光照強度和設定時間自動 開閉窗簾的功能 在選取設計方案和采用元器件方面 該器本著簡單實用經濟的 思想 盡量簡化電路設計 用最簡單的電路布線和選用最經濟實用的器件來達到 設計要求 自動窗簾控制器具有以下幾個基本功能 1 手動控制 該功能是根據用戶的需求通過按鍵進行窗簾的開關 此功能 可以使窗簾的開閉處于任何一種狀態 2 自動控制 用戶可以通過按鍵一次性開閉窗簾 3 光照控制 器可以根據用戶設定的光照強度值通過感光器采集光照自動 開光窗簾 4 時間控制 此功能是根據用戶設定的時間一次性開關窗簾 2 2 系統組成的總體結構 本次課程設計所采用的系統結構圖如圖所示 光敏傳感信號校正A D轉換 89C51單片機 顯示模塊鍵盤模塊步進電機 驅動 圖 2 2 系統組成結構圖 根據光照來開閉窗簾主要原理是用光敏電阻采集外界的光強度 從光傳感器 采集的信號利用信號校正電路放大 濾波后輸入到A D轉換器 由于A D轉換器件 的轉換需要一定時間 一旦在這段時間內信號發生變化 轉換結果將會出現偏差 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 2 所以在轉換期間要應該采用采樣保持電路 傳入的信號由89C51單片機來控制 并且做出響應 以實現電機的正轉 反轉與停止 顯示模塊是用來顯示自動窗簾 控制器的各種狀態 鍵盤作為輸入設備 通過不同按鍵來控制單片機進行各種運 轉狀態 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 3 第 3 章 硬件設計 3 1 電源電路設計 單片機正常工作電壓為 5V 因此設計的電源電路主要是提供單片機工作電壓 圖 3 1 a 是為單片機提供電壓的電源電路 在這個電路中采用了三端集成穩壓 器 LM7805 可以輸出 5V 的直流電壓以供給單片機 圖 3 1 a 電源電路 三端集成穩壓器 LM7805 總共有三條引腳 分別是輸入端 接地端和輸出 端 用 LM78 LM79 系列三端穩壓器來組成穩壓電源所需的外圍元件極少 電路 內部還有過流 過熱及調整管的保護電路 使用起來可靠 方便 其內部結構圖 如圖 3 1 b 所示 圖 3 1 b LM7805 內部示意圖 3 2 系統控制器單片機的選擇 自單片機誕生以來的 40 年中 單片機已有 70 多個系列 500 多個機種 如 今單片機廠商眾多 生產的單片機產品性能各異 種類繁多 以 Inter 美國英特 爾 公司的 MCS 51 系列產品為例 其一般可以分為普通型和增強型 他們的結構 基本相同 其主要的差別在于存儲器的不同 如 89C51 是以 FlashROM 為存儲器 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 4 為了符合系統的要求 本課程設計選用 89C51 作為微機控制核心 其特點如下 面向控制的 8 位 CPU 一個片內震蕩器和時鐘產生電路 振蕩頻率為 0 24MHz 片內 4kbFlashROM 程序存儲器 128B 的片內數據存儲器 可尋址 64KB 的片外程 序存儲器和片外數據存儲器控制電路 2 個 16 位定時 計數器 4 個并行 I O 口 共 32 條可單獨編程的 I O 線 5 個中斷源和 2 個中斷優先級 一個全雙工的異步 串行口等 AT89C51 單片機是低功耗 高性能的 CMOS 8 位單片機 片上帶有 8K8K FlashFlash 存儲器 且允許在器改寫或用編程器編程 89C51 單片機上有 40 個引腳如圖所示 其主要參數有 1 4K 字節可編程閃爍存儲器 2 全靜態工作 0Hz 24MHz 3 128 8 位內部 RAM 4 32 可編程 I O 線 5 兩個 16 位定時器 計數器 6 5 個中斷源 7 低功耗的閑置和掉電模式 8 片內振蕩器和時鐘電路 圖 3 2 89C51 單片機引腳圖 3 3 光敏電阻的選擇與設計 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 5 窗簾自動控制器的光控功能是可以根據光照的強弱來自動控制窗簾的開閉的 因此需要用到光照傳感元器件 本設計采用了型號為 GL3526 的光敏電阻 其參 數為最大電壓 100 VDC 最大功率 50 mW 環境溫度 30 到 70 光譜峰 值 540 nm 到 10 nm 高電阻 20K 低電阻 1M 圖 3 3 光敏電阻與單片機的連接圖 3 4 驅動電路設計 本次課設中我們所選用的驅動電機為 JL 48E500 520 步進電機 下圖為步 進電機運行原理圖 JL 48E500 520 是供電源為 12V 的 4 相 5 線的步進電機 而且是減速步進電機 減速比為 30 1 步進角為 5 625 30 度 如果需要旋轉一 圈 那么需 360 30 5 625 的脈沖信號 該步進電機的耗電流為 200mA 左右 圖 3 4 步進電機原理圖 用 ULN2003 驅動 驅動端口為 P1 0 A P1 1 B P1 2 C P1 3 C 正轉 次序 AB 組 BC 組 CD 組 DA 組 即一個脈沖 正轉 5 625 度 反轉次序 AB 組 AD 組 CD 組 CB 組 即一個脈沖 正轉 5 625 度 控制指令脈沖控制單元功率驅動電路單元步進電機 反饋與保護 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 6 圖 3 4 步進電機電路與單片機的連接 3 5 A D 轉換電路 A D 轉換的作用是進行模數轉換 把接收到的模擬信號轉換成數字信號輸出 ADC0809 的主要特性有 1 8 路輸入通道 8 位 A D 轉換器 即分辨率為 8 位 2 具有轉換起停控制端 3 轉換時間為 100 s 時鐘為 640kHz 時 130 s 時鐘 為 500kHz 時 4 模擬輸入電壓范圍 0 5V 不需零點和滿刻度校準 5 工作 溫度范圍為 40 85 攝氏度 6 低功耗 約 15mW ADC0809 芯片為 28 引腳的雙列直插式封裝 圖 3 5 A D 轉換器引腳圖 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 7 3 6 鍵盤的設計 在窗簾控制器設計中的鍵盤采用的是 4 4 矩陣鍵盤 這 16 個按鍵分別為 設定鍵主要是用來設定自動窗簾打開或者關閉的時間 0 9 數字鍵 其作用主要 是用于設定時間 復位鍵主要應用在程序出錯以及誤操作的時候使單片機復位 從而重新設定 反轉鍵是使步進電機反轉 控制窗簾關閉 正轉鍵是使步進電機 正轉 從而控制窗簾打開 停止鍵可以控制步進電機停止工作 窗簾控制器停止 運行 確定鍵主要是用于在時間設定完成后的確定輸入 圖 3 6 鍵盤接口電路 3 7 顯示電路的設計 顯示電路主要是用于顯示時間 采用 LED 數碼管進行顯示是因為 LED 數碼管 具有以下幾個優點 1 能在低電壓 小電流條件下驅動發光 能與 CMOS ITL 電路兼容 2 發光響應時間極短 0 1 s 高頻特性好 單色性好 亮度高 3 體積小 重量輕 抗沖擊性能好 本設計采用的是 4 位 LED 數碼管的串行驅動電路來達到顯示的目的 驅動器 采用 74LS164 由單片機 89C51 的 P3 0 和 P3 1 來控制 LED 數碼管的顯示 顯示 電路圖如 3 7 a 所示 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 8 圖 3 7 a 顯示電路圖 74LS164 是 8 位串行輸入 并行輸出的移位寄存器 其引腳圖如下圖 3 7 b 所示 圖 3 7 b 74SL164 引腳圖 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 9 3 8 時鐘電路的設計 DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能 低功耗的實時時鐘日歷芯片 附加 31 字節靜態 RAM 采用 SPI 三線接口與 CPU 進行同步通信 并可采用突發方 式一次傳送多個字節的時鐘信號和 RAM 數據 實時時鐘可提供秒 分 時 日 星期 月和年 一個月小于 31 天時可以自動調整 且具有閏年補償功能 工作 電壓寬達 2 5 5 5V 采用雙電源供電 主電源和備用電源 可設置備用電源充 電方式 需要強調的是 DS1302 需要使用 32 768KHz 的晶振 DS1302 采用雙電源供電 平時由 5V 電源供電 當 5V 掉電之后 由圖中 BT1 3V 備用電池 供電 如圖 串行時鐘 SCLK 接單片機 P3 6 時鐘數據的 I O 接 P3 3 E 接 P3 2 需要注意 X1 和 X2 兩端連接的晶振 Y1 該晶振頻率為 32 768KHz VCC2 1 X1 2 X2 3 GND 4 RST 5 I O 6 SCLK 7 VCC1 8 DS1302 5V Y2 C7 C8 BT1 C3 SCLK DATA RST 圖 3 11 時鐘電路電路圖 第 4 章 軟件設計 4 14 1 A DA D 轉換子程序設計轉換子程序設計 該流程圖首先要發送啟動信號到地址選擇處 由地址選擇字來判斷應答信號 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 10 是否正確 不正確則返回 若正確則繼續執行來發送轉換控制字 再次判斷應答 信號是否正確 如此執行三次 最終讀取轉換數據 并發送非應答信號 順序執 行發送結束信號 最終返回主程序 圖 4 1 A D 轉換流程圖 開始 發送啟動信號 發送地址選擇字 應答信號正確 發送控制字 應答信號是否正確 否 否 是 發動啟動信號 發送地址控制字 應答信號是否正確 讀取轉換數據 發送非應答信號 發送結束信號 返回主程序 否 是 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 11 4 2 電機驅動程序設計電機驅動程序設計 此流程圖首先由電機脈沖分配函數來確定電機是正轉還是反轉 從而來決定 數組是加 1 還是減 1 若大于最大節拍則令節拍為 0 否則直接調轉到最小節拍 若小于最小節拍則順序執行到把數據輸出到電機接口再執行延時程序 否則直接 跳轉到延時程序 最后返回 整個程序結束 圖 4 2 電機驅動流程圖 4 3 時鐘電路程序設計時鐘電路程序設計 電機脈沖分配函數 正轉 數組相位置減1數組相位置加1 大于最大節拍 節拍等于0 小于最小節拍 輸出數據到電機接口 延時 Y N N 返回 Y Y N 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 12 該程序主要實現對 DS1302 寫保護 充電 對年 月 日 時 分 秒等寄 存器的讀寫操作 首先程序初始化 緊接著寫入時鐘初值 此時時鐘開始進入計 時階段 由硬件讀出數據并返回 整個程序結束 圖 4 3 時鐘電路流程圖 開始 初始化 寫入時鐘初值 開始計時 讀取數據 返回 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 13 4 4 系統分析 本系統能實現基本的家用自動窗簾使用 可以實現外界光強時窗簾打開 光 弱時是自動關閉 但若綜合考慮天氣和時間因素 系統還存在一些不足之處 如 外界陰天等其他干擾因素會使窗簾不能正常打開 所以還需加入定時系統 當光 敏電阻失效時窗簾不能自動開合 所以還需加入紅外遙控系統 使人們可以通過 遙控器控制窗簾的打開與關閉 通過相關資料我們可以知道電機的工作狀態還可通過相關資料我們可以知道電機的工作狀態還可 通過數碼管顯示出來 程序的編寫很簡單 通過不同數字表示相應工作狀態 與通過數碼管顯示出來 程序的編寫很簡單 通過不同數字表示相應工作狀態 與 此同時 還可以通過鳴響提示電路提示電機正在工作 以避免多次按下按鈕使單此同時 還可以通過鳴響提示電路提示電機正在工作 以避免多次按下按鈕使單 片機進行誤操作 造成死機 片機進行誤操作 造成死機 基于單片機的智能遙控窗簾的設計 在實時性要求 較低的測控與采集系統的應用中具有很好的發展前景和應用價值 在國內外 自 動調光窗簾成為人們家居生活的首選布置 第 5 章 課程設計總結 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 14 本次設計器地介紹了自動窗簾控制器的硬件電路設計以及軟件設計 在總體 方案設計中以光敏電阻作為傳送信號的傳感器 用步進電機作為信號輸出的執行 元件 89C51 單片機作為主要的控制元器件 并且應用了按鍵以及和顯示電路 應用 89C51 單片機的優勢減少了硬件的復雜性 光敏電阻接收外界光照信號 經 過 A D 轉換后 傳送給單片機一個電信號 單片機經過處理后 控制步進電機做 出相應的動作 以控制窗簾的開閉 在實現一般應用的基礎上 又添加了定時元 器件電路 使窗簾的自動化性能得到進一步提升 光敏電阻的良好感光性以及步 進電機的結構簡單 控制方便的優點使窗簾控制開關更加穩定 本次畢業設計的整個研究與設計過程包括選題 設計以及完善等 首先 在 選題方面查閱了很多與題目有關的資料和課題并且制定設計方案 進行設計的總 體規劃 然后將這些方案落實到設計環節中 其次 在制定的方案基礎上運用所 學的知識對硬件以及軟件進行設計 并用相關軟件進行仿真設計 最后 對設計 內容進一步修繕 以求達到最佳設計結果 雖然設計內容完成了基本的功能 但 是其中還是存在一定欠缺 比如在設計中沒有考慮到窗簾工作方式的顯示以及沒 有添加類似紅外遙控的設計等 此次設計過程中 在完成設計任務之外也讓我器性地認識和全面地掌握了單 片機相關技術 從本次畢業設計中我更加深刻地認識到理念來源于實際的含義 在和同學以及老師的就相關問題的互相討論交流中 我認識到自己的很多不足 但在這些不足中我又學到了很多知識 使我的綜合應用能力有了很大提高 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 15 參考文獻參考文獻 1 何希才 薛永毅 傳感器及其應用實例 M 北京 機械工業出版社 2004 2 2 瞿貴榮 電動窗簾紅外遙控電路 J 家庭電子 2005 2 2 3 3 郭成林 智能遙控窗簾系統設計 J 山西電子技術 2006 6 32 33 4 胡漢才 單片機原理及其接口技術 M 北京 清華大學出版社 1996 1 5 吳愛萍 黃振興 基于 AT89S52 的智能窗簾群控系統 J 科技資訊 2007 8 6 梅麗鳳 王艷秋 單片機原理及接口技術 清華大學出版社 2011 12 7 陳伯時 阮毅 電力拖動自動控制系統 機械工業出版社 2012 1 8 中國工控網網頁 9 童詩白 華成英 模擬電子技術基礎 M 高等教育出版社 2003 10 胡漢才 單片機原理及接口技術 J 北京 清華大學出版社 2004 11 江思敏 胡榮 Protel 電路設計教程 J 北京 清華大學出版社 2002 12 李全利 遲榮強 單片機原理及接口技術 J 北京 高等教育出版社 2001 13 程學先 林珊 程傳慧 匯編語言程序設計 J 北京 機械工業出版社 2005 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 16 附錄 1 A D 轉換程序如下 ORG 00H LJMP START ORG 0BH LJMP T0X ORG 30H START MOV CH 0BCH MOV DPCNT 00H MOV R1 DPCNT MOV R7 5 MOV A 10 MOV R0 DPBUF LOP MOV R0 A INC R0 DJNZ R7 LOP MOV R0 00H INC R0 MOV R0 00H INC R0 MOV R0 00H MOV TMOD 01H MOV TH0 65536 4000 256 MOV TL0 65536 4000 MOD 256 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA WT CLR ST SETB ST CLR ST WAIT JNB EOC WAIT SETB OE 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 17 MOV GDATA P0 CLR OE MOV A GDATA MOV B 100 DIV AB MOV 33H A MOV A B MOV B 10 DIV AB MOV 34H A MOV 35H B SJMP WT T0X NOP MOV TH0 65536 4000 256 MOV TL0 65536 4000 MOD 256 MOV DPTR DPCD MOV A DPCNT ADD A DPBUF MOV R0 A MOV A R0 MOVC A A DPTR MOV P1 A MOV DPTR DPBT MOV A DPCNT MOVC A A DPTR MOV P2 A INC DPCNT MOV A DPCNT CJNE A 8 NEXT MOV DPCNT 00H NEXT RETI DPCD DB 3FH 06H 5BH 4FH 66H DB 6DH 7DH 07H 7FH 6FH 00H DPBT DB 0FEH 0FDH 0FBH 0F7H DB 0EFH 0DFH 0BFH 07FH 遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書 論文 18 END 2 電機驅動程序如下 JMP START ORG 0100H START MOV BUFF STEP 00H MOV P0 0fFh MOV P1 0ffh MOV P3 0ffh MOV P2 0ffH MOV A 00H MOV PSW 00H MOV IE 00H MOV SP 30H MAIN JNB SW1 CCW LP MOV DPTR TAB CW JMP LOOP CCW LP MOV DPTR TAB CCW LOOP MOV A BUFF STEP MOVC A A DPTR MOV P1 A INC BUFF STEP MOV A BUFF STEP CJNE A 04H MAIN MOV BUFF STEP 00H JMP MAIN DEL MOV R6 10 DEL0 MOV R7 200 DJNZ R7 DJNZ R6 DEL0 TAB CW DB 11110001B 11101001B 11100101B 11100011B TAB CCW DB 11110001B 11100011B 11100101B 11101001B END 3 時鐘電路程序如下 ORG 000