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智能窗帘控制系统的设计研究
2018-07-05 10:13:24 来源：
基于单片机的智能窗帘控制系统的设计
摘 要
目前，家庭居住环境的采光及避光问题主要采用的是手动开闭窗帘，手动开闭不仅费力而且很多方面不够人性化，会对用户造成一定的困扰，本文设计的智能窗帘控制系统可以解决这些问题。
本文主要阐述了智能窗帘控制器的设计过程。本设计采用STC89C52单片机为控制核心，介绍了基于单片机的智能窗帘控制系统，主要从硬件结构原理及软件编程方面进行讲解。硬件采用分块的模式，对整个系统的电路设计进行分析，分别给出了系统整体结构框图、光照传感电路、温度检测电路、系统主控模块电路、电源转换电路、步进电机控制电路、键盘显示电路以及时钟模块电路等相关电路；随后讲述了软件的编写过程，也是采用了分块的模式，主要包括软件主程序设计，步进电机程序设计，显示程序设计，键盘程序设计以及定时程序设计，每一模块都画出了相应的流程图。本设计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*终实现了利用光照强度以及设置时间来控制窗帘自动开闭的仿真。此外本设计还实现了室内温度检测的功能。
关键词：单片机，智能窗帘，定时控制
DESIGN OF INTELLIGENT CURTAIN CONTROL SYSTEM BASED ON MCU
ABSTRACT
At present, the family living environment of lighting and light avoidance problem mainly adopts is manually open and close the curtains, manual opening and closing is not only laborious and many not human, will cause some trouble for users. In this paper, the design of the intelligent curtain control system can solve these problems.
This paper mainly expounds the design process of the intelligent curtain controller. This design uses STC89C52 microcontroller as the core, introduces the intelligent curtain control system based on MCU, mainly from the hardware structure and software programming aspects of the explanation. Hardware using block model, carries on the analysis to the circuit design of the whole system are given, the system overall structure diagram, light sensing circuit, temperature detection circuit, system main control module circuit, power conversion circuit, stepper motor control circuit, keyboard and display circuit and clock circuit module circuit. Subsequently introduces the software of the writing process, but also uses a block mode, including software, the main program design, program design of stepping motor, showing design program, keyboard program design and program timing design, each module draw flow chart. This design focuses on the design process, hardware selection and software debugging of the curtain automatic control system.
Through the system, the simulation of the automatic blind opening and closing of the curtain is realized by the illumination intensity and the setting time. In addition, the design of indoor temperature detection function.
Key words: MCU, intelligent curtain, timing control目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
*章 绪论 1
1.1 研究的目的及意义 1
1.2 智能窗帘的国内外研究现状 2
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 2
1.3 主要研究内容及章节安排 2
1.3.1 主要研究内容 2
1.3.2 章节安排 3
第二章 总体设计方案 4
2.1 方案选取 4
2.2 系统总体设计与工作原理 5
第三章 硬件设计 6
3.1 STC89C52单片机及相关电路 6
3.1.1 STC89C52单片机概述 6
3.1.2 晶振电路 7
3.1.3 复位电路 9
3.1.4 电源电路设计 9
3.2 时钟模块电路 11
3.2.1 DS1302性能简介 11
3.2.2 DS1302接口电路设计 12
3.3 键盘显示电路 13
3.3.1 键盘电路 13
3.3.2 显示电路 14
3.4 光敏传感器电路 16
3.5 步进电机控制电路 18
3.6 温度检测电路 20
第四章 软件设计 22
4.1 软件主程序设计 22
4.2 软件子程序设计 23
4.2.1 步进电机程序设计 23
4.2.2 显示程序设计 24
4.2.3 键盘程序设计 25
4.2.4 定时程序设计 25
第五章 系统仿真与总结 27
5.1 Proteus软件简介 27
5.2 仿真过程与结果 27
第六章 总结 34
参考文献 36
致谢 38
附录A：系统设计原理图 49
附录B：系统设计仿真图 50
附录C：程序清单 52
*章 绪论
1.1 研究的目的及意义
21世纪是科技飞速发展的时代，随着国民经济的发展和科学技术水平的提高，特别是计算机技术，通信技术，网络技术，控制技术的迅猛发展，生活现代化得以实现，居住环境向舒适化，安全化发展，智能家居也随之应运而生。由于我国的科技刚刚发展起来，各种科技产品还明显的落后于发达国家，人民的生活也刚刚开始富裕起来，许多智能系统也刚刚在我国兴起。但是，发展前景却广阔。这种系统可以为我们营造出高效、舒适、便捷的居住环境。并且它可以牵动一大批产业[1]。如此广泛的应用，他的前景也必将非常广阔。随着科学技术的飞速发展，人们的生活观念也在渐渐的发生转变。各种家电也在发生着变化。由于单片机技术和计算机技术的的不断成熟，家电越来越智能化。窗帘也不例外，在欧美等发达国家，智能窗帘系统已广泛应用。智能窗帘在国内算是高端前沿产业，市场广阔，有推广和应用的意义，在发达的欧美市场智能窗帘已经并不新鲜，已经广泛运用于平常百姓家中，所以有必要在国内推广。
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，相对于传统的窗帘，智能窗帘更能满足人们对于生活品质的追求[2]。在一年四季中，随着不同的季节、气候，人们对于窗帘打开与闭合的需求是不同的；在每一天中，随着天气的变化及时间段的不同，人们对于窗帘打开与闭合的需求也是不一致的。这也就为智能窗帘系统的研发提供了市场价值[3]。随着信息、自动化和通信等技术的不断进步，智能窗帘控制系统在家居、大型会议室等领域得到了广泛的使用，*大限度地满足人们对窗帘开度的各种需求。尤其在智能家居领域克服传统的窗帘的许多缺点，为人们提供了更方便、快捷、舒适安全的生活环境，提供了人类的生活质量[4]。
智能窗帘控制系统的控制方式大体上有三种：光控，时控，遥控。遥控属于半自动类；而光控属于全自动式，但因光敏器件的灵敏度，以及不同季节的光照度的不同，以及人们对于窗帘开闭在时间上的要求不同，而难以实施和普及。因此，设计一款价格低廉，结构简单，灵敏度高，抗干扰能力强[5]，实现时间控制、手动控制功能为一体的智能窗帘，具有十分重要的意义。
1.2 智能窗帘的国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
在欧美等发达国家，电动窗帘已广泛应用。在十多年前，电动窗帘就已经进入我国，可一直没有大的推广，这两年，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。在此后短短几年时间里，生产商由*初的几家增加到如今的百余家，发展十分迅速。据查我国目前共有170多种电动窗帘获得国家专利，其技术大同小异，但售价在五百到数千元居多，共同缺点是价格高、灵活性不强，而且自动化程度不高。尽管遥控自动窗帘系统在国内是一个新兴的行业，但是，它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，在短短四年时间里，自动窗帘系统生产商由*初的几家公司增加到如今的百余家，其行业发展迅速是目前国内任何其他行业所无法比拟的。
1.2.2国内研究现状
目前，我国遥控自动窗帘系统生产厂商、分销商、集成商已形成相当规模，不少国内*企业纷纷涉足遥控自动窗帘系统行业，如青岛海尔、清华同方、TCL等，并涌现出一些较具影响力的智能家居*厂商，如上海索博智能电子有限公司、北京九州易居科技有限公司、天津瑞朗智能家居电子科技有限公司、深圳市正星特科技有限公司等。在应用范围拓展方面，除了写字楼、酒店、演播厅、教学楼等大型公共场所外，自动窗帘产品还走进了普通家庭，展示了巨大的应用潜力。
随着自动窗帘热潮在世界范围内兴起、电子技术的飞速发展以及人们生活水平的不断提高，电动窗帘的自动化程度不断提高，从目前的发展趋势来看，在未来的20年时间里，自动窗帘行业将成为中国的主流行业之一，其市场的发展前景是非常广阔的。
1.3 主要研究内容及章节安排
1.3.1 主要研究内容
根据自动窗帘的发展现状来规划其智能功能，从而对窗帘进行智能控制，设计的电动窗帘控制系统主要实现以下几大功能：1）手动控制：该功能使电动窗帘具有手动正转、手动反转和手动停止的功能，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）半自动手动控制：半自动手动控制是在需要关闭和打开窗帘的时候，只需要人工按一下“正转”或“反转”按键后，窗帘到位自动停止。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。此功能可以使窗帘通过按键一次性开闭窗帘。3）光照控制：系统可以根据用户设定的光照强度值通过感光器采集光照自动开光窗帘。4）时间控制：此功能是根据用户设定的时间一次性开关窗帘，并显示当前温度。
其中采用步进电机为执行原件，通过单片机对驱动芯片输出不同的高、低电平来控制电机的正、反转，完成窗帘的开、关动作[6]；以光敏电阻，温度传感器作为传感原件，光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。窗帘在光照控制模式下，当光强高于所设定的标准值时，窗帘会自动关闭，反之，当光强低于该标准值时，窗帘将自动打开[7]。温度传感器用来检测当前温度，并显示当前温度值。89C52单片机作为控制芯片，辅助键盘和显示，实现自动窗帘的多项智能功能[8]。
1.3.2 章节安排
智能窗帘控制系统设计过程主要分为以下几个章节：
（1） 绪论：介绍选题意义，目前国内外研究现状，主要研究内容及章节安排。
（2） 总体设计方案：介绍智能窗帘控制系统的总体设计方案的选取以及硬件设计的总体概况。
（3） 硬件设计：智能窗帘控制系统以89C51单片机为核心，系统的硬件部分包括:89C52，晶振电路，复位电路，时钟电路，键盘电路，显示电路，A\D转换电路，光敏传感器，步进电机，温度模块等。
（4） 软件设计：介绍各个功能模块的设计流程以及设计思路。智能窗帘控制系统的程序分析与设计:包括主程序设计，键盘程序设计，定时程序设计，步进电机程序设计，显示程序设计等。
（5）系统仿真与总结：对智能窗帘控制系统进行结果仿真，分析总结设计过程。
第二章 总体设计方案
智能窗帘控制系统总体设计方案是确定能够满足设计要求的总体方案的环节。本章从系统功能需求出发，规划并确定了系统的总体结构，并在此基础上考虑了系统的可扩展性及可实现性。
2.1 方案选取
单片机在各种电子产品中的应用已经越来越广泛，很多的电子产品利用单片机所取得的便利性得到了人们的好评，针对单片机控制的自动窗帘控制系统的智能化要求，实现其自动控制的方案有两种：
方案（一）基于温度检测以及声控检测器件的自动控制。
方案（二）基于光照强度器件以及时钟模块的自动控制。
这二个方案都是基于单片机控制的，采用步进电机控制以及液晶显示，不同的设计部分在于检测器件的选取上。
方案（一）的系统框图如图2.1：
图2.1 方案（一）系统框图
方案（一）与方案（二）的区别主要在于检测器件的应用，方案（一）采用温度采集和声音检测元件，通过设定的温度来控制窗帘的开闭，以减少光照对室内的温度影响，利用声音控制虽然方便性有所提高，但是其误差较大。方案（二）采用的时钟模块以及光照采集元件，通过设定光照值来控制窗帘的开闭，以实现白天开窗帘，晚上关窗帘的功能，利用设定的时间来控制窗帘的开闭，实用性更强。综合考虑以上因素，系统设计采用方案（二）。
方案（二）的系统框图如图2.2：
图2.2 方案（二）系统框图
2.2 系统总体设计与工作原理
智能窗帘控制系统的总体结构框图如图2.3所示
图2.3 智能窗帘控制系统的总体结构框图
由光敏传感器来探测外界的光强，从传感器出来的信号输入到A/D转换器。转换后的信号由单片机控制电机，来实现电机的运行与停止。温度模块用来采集温度，并且将采集到的温度通过显示模块显示。显示部件用来显示电动窗帘控制器的各种状态信息。键盘是主要的输入设备，控制单片机的各种参量。[9]电源模块用来提供单片机所需电压。
第三章 硬件设计
3.1 STC89C52单片机及相关电路
在总体硬件包括单片机外围电路，电源模块、按键模块、LCD1602液晶显示模块、步进电机驱动模块、DS1302时钟模块、AD模数转换模块、光照检测模块和温度检测模块组成。单片机外围电路提供各模块所需的5V电源。信号检测后的是模拟信号，经过A/D转换后输出数字信号给单片机。单片机的P2口控制步进电机的运行从而控制窗帘的升降。显示和键盘让人机交换变得更容易。
3.1.1 STC89C52单片机概述
单片机是将中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM或EPROM）、定时器芯片和一些输入/输出接口电路集成在一个芯片上的微控制器。89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。[10]它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统。
STC89C52主要参数有： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 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，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。*高运作频率35MHz，6T/12T可选。
89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理(作位处理时，合128个位，相应位地址为OOH～7FH)，使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了*的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理(包括前面所有的位功能)，只需用一条位操作指令即可。
51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。作乘法时，只需一条指令就行了，即MUL AB(两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中)。很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。
在51系列中，还有一条二进制一十进制调整指令DA，能将二进制变为BCD码，这对于十进制的计量十分方便。而在其他的单片机中，则也需调用专用的子程序才行。STC89C52单片机的引脚排列如图3.1所示。
3.1.2 晶振电路
电路中的晶振即石英晶体震荡器。由于石英晶体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。
晶振电路中的电容C1和C2的典型值通常选择为30μF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。[10]晶体振荡频率的范围通常在1.2~12MHz。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，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。89C52常选择振荡频率12MHz的石英晶体。
图3.1 STC89C52单片机引脚排列图
图3.2是单片机的晶振电路。其中，XTAL1接外部晶体的一个引脚，XTAL2接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。电容C1和C2可以帮助起振，调节它们可以达到微调fOSC的目的。
图3.2 晶振电路
3.1.3 复位电路
复位是单片机的初始化操作，只需要给89C52的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟震荡周期）的高电压就可以使89C52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）或者操作错误使系统处于锁死状态时，也需要复位键使RST引脚为高电平，使89C52摆脱“跑飞”或者“死锁”状态而重新启动。复位电路图如图3.3所示。
3.1.4 电源电路设计
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3.4是单片机的电源电路。它采用LM7805三端集成稳压器，可输出+5V的直流电压供电。
三端集成稳压器LM7805，总共有三条引脚，分别是输入端、接地端和输出端。用LM78\LM79系列三端稳压器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路，使用起来可靠、方便。其内部结构图如图3.5所示。
图3.3 复位电路
图3.4 单片机电源电路
图3.5 LM7805内部示意图
3.2 时钟模块电路
本设计需要窗帘在给定的时间自动开和关，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DS1302实时时钟芯片来完成这项功能。
3.2.1 DS1302性能简介
DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM ，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、周、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：（1）RES 复位（2）I/O 数据线（3）SCLK串行时钟。时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW。
DS1302 是由DS1202 改进而来增加了以下的特性：双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1 为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。
下面将主要的性能指标作一综合：
（1） 实时时钟具有能计算2100 年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的能力，还有闰年调整的能力。
（2）31 8 位暂存数据存储RAM。
（3）串行 I/O 口方式使得管脚数量*少。
（4）宽范围工作电压2.0 5.5V。
（5）工作电流 2.0V 时,小于300nA。
（6）读/写时钟或RAM 数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式。
（7）8 脚DIP 封装或可选的8 脚SOIC 封装根据表面装配。
（8）简单 3 线接口。
（9）与 TTL 兼容Vcc=5V。
（10）可选工业级温度范围-40 +85。
（11）双电源管用于主电源和备份电源供应。
DS1302的外部引脚功能说明如图3.6所示。各引脚的功能为：⑴.VCC1:主电源。⑵.VCC2：备份电源。当VCC2>VCC1+0.2V时，由VCC2向DS1302供电；当VCC2
图3.6 DS1302外部引脚分配图
3.2.2 DS1302接口电路设计
DS1302时钟芯片和STC89C52单片机的接口电路如图3.7所示。DS1302与单片机的连接仅需要3条线：CE引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚，VCC2为备用电源，X1与X2外接一个32.768kHZ晶振，为芯片提供计时脉冲。
图3.7 DS1302与单片机的接口电路
3.3 键盘显示电路
3.3.1 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，控制窗帘的开关等等功能，是人工控制单片机的主要手段。
本设计中的键盘采用了五个按键。S2键为自动手动切换键。S3键为退出键，S4键为参数减/手动关，S5键为参数加/手动开，S6为设置键。
S2键可以在手动、自动状态切换。S6键为设置键，按下S6键有三种选项，可分别按S4-,S5+来设定窗帘的开启时间，关闭时间，定时开关窗帘时间以及光线值。按键接口电路如图3.8所示：
图3.8 键盘电路
3.3.2 显示电路
显示部分则主要用于显示、设置时间，以及显示温度。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通用器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机与人的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。本设计中采用的是液晶显示器作为输出器件的。
在单片机系统中应用液晶显示器作为输出有以下几个优点：
（1） 显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
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