光感自動窗簾控制系統(tǒng)計算機控制技術(shù)課程設(shè)計

1、 計算機控制技術(shù)課程設(shè)計計算機控制技術(shù)課 程 設(shè) 計成績評定表設(shè)計課題 光感自動窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)院名稱 ： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級 ： 學(xué)生姓名 ： 學(xué) 號 ： 指導(dǎo)教師 ： 設(shè)計地點 ： 31-503 設(shè)計時間 ： 2012-06-112012-06-15 指導(dǎo)教師意見：成績: 簽名： 年 月 日計算機控制技術(shù)課 程 設(shè) 計課程設(shè)計名稱： 光感自動窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè) 班 級 ： 學(xué) 生 姓 名 ： 學(xué) 號 ： 指 導(dǎo) 教 師 ： 課程設(shè)計地點： 31-503 課程設(shè)計時間： 2012-06-112012-06-15 計算機控制技術(shù) 課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名 專業(yè)班級學(xué)號題 目光感自動

2、窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計課題性質(zhì)工程設(shè)計課題來源自擬指導(dǎo)教師主要內(nèi)容（參數(shù)）利用89c51單片機設(shè)計光感自動窗簾控制系統(tǒng)，實現(xiàn)以下功能：1能夠手動控制窗簾的開與關(guān)；2能夠設(shè)定時間來打開或關(guān)閉窗簾；3系統(tǒng)能根據(jù)亮度的不同來控制窗簾打開程度的大小；4用戶能通過鍵盤電路設(shè)定開關(guān)時間，并及時顯示在數(shù)碼管顯示器上；任務(wù)要求（進度）第1天：熟悉課程設(shè)計任務(wù)及要求，查閱技術(shù)資料，確定設(shè)計方案。第2天：按照確定的方案設(shè)計單元電路。要求畫出單元電路圖，元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù)，各單元電路的設(shè)計要有詳細(xì)論述。第3天：畫各部分流程圖，進行軟件設(shè)計，編寫程序。第4-5天：撰寫課程設(shè)計報告。要求內(nèi)容完整、圖表清晰、語言流暢、

3、格式規(guī)范、方案合理、設(shè)計正確。主要參考資料1 楊家成單片機原理與應(yīng)用及c51程序設(shè)計北京：清華大學(xué)出版社，20072 夏路易 石宗義protel 99se電路原理圖與電路板設(shè)計教程北京：北京希望電子出版社，20043 朱玉璽計算機控制技術(shù)北京：電子工業(yè)出版社，20104 鄧興成單片機原理與實踐指導(dǎo)北京：機械工業(yè)出版社，20105 瞿貴榮.電動窗簾紅外遙控電路.家庭電子,20056 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社,2009.審查意見系（教研室）主任簽字： 年 月 日 目 錄1 概述11.1 研究背景11.2 設(shè)計思想及基本功能12 總體方案設(shè)計22.1 方案選取22.2 系統(tǒng)框圖5

4、2.3 總體方案設(shè)計53 硬件電路設(shè)計63.1 電源電路設(shè)計63.2 晶振電路73.3 復(fù)位電路83.4 時鐘電路93.5 鍵盤電路113.6 顯示電路113.7 a/d轉(zhuǎn)換電路143.8 光敏傳感器153.9 步進電機174 系統(tǒng)軟件設(shè)計194.1 主程序軟件設(shè)計194.2 鍵盤程序設(shè)計204.3 定時程序設(shè)計224.4 步進電機程序設(shè)計235總結(jié)25參考文獻26附錄 系統(tǒng)原理圖26271 概述1.1 研究背景伴隨著信息化時代的到來，人們的生活速度以及對生活質(zhì)量的追求也在大幅提高。智能化的產(chǎn)品設(shè)計在改變?nèi)藗児ぷ鞣绞脚c生活習(xí)慣的同時，讓人們對生活質(zhì)量的提升提出了更高的要求，方便、舒適成了人們所

5、追求的生活方式，在現(xiàn)代家庭生活環(huán)境中，居家環(huán)境早已不僅僅局限在物理空間上，人們更為關(guān)注的是一個安全、方便、舒適的環(huán)境。智能化的電子產(chǎn)品以及設(shè)計將以前的被動靜止物體轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兡軌蚍奖悴倏氐墓ぞ?，這些產(chǎn)品具有提供全方位的信息交換的功能，不僅能夠優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們合理的安排時間，增強居家環(huán)境的安全性，甚至還可以為各種能源費用節(jié)約資金。在智能化產(chǎn)品中，單片機的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，單片機以它體積小、質(zhì)量輕、耗電省、可靠性高、價格低等優(yōu)點，開始不斷發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、航天航空領(lǐng)域、工業(yè)專用設(shè)備的管理及過程控制等領(lǐng)域，在很多的大中型的電氣設(shè)備以及小型的電子產(chǎn)品中也用到了

6、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，窗簾自動控制系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)窗簾的劣勢，它可以根據(jù)外界光照強度的不同而自動開閉窗簾，也可以根據(jù)人們設(shè)定的時間來控制窗簾。該系統(tǒng)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(zhuǎn)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(qū)動模塊控制著步進電機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)窗簾的來回移動。本設(shè)計正是把利用at89c51 單片機的優(yōu)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(shè)備提供了良好的基礎(chǔ)。此外，對該系統(tǒng)進行擴展，比如可以加上防火，防盜，甚至室內(nèi)煤氣濃度監(jiān)測等功能，會使該系統(tǒng)更具有實用性，而且也完善了系統(tǒng)

7、。1.2 設(shè)計思想及基本功能該系統(tǒng)具有一般的窗簾控制系統(tǒng)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(shè)計根據(jù)需求還設(shè)計了可以根據(jù)光照強度和設(shè)定時間自動開閉窗簾的功能，在選取設(shè)計方案和采用元器件方面，該系統(tǒng)本著簡單實用經(jīng)濟的思想，盡量簡化電路設(shè)計，用最簡單的電路布線和選用最經(jīng)濟實用的器件來達(dá)到設(shè)計要求。光感自動窗簾控制系統(tǒng)具有以下幾個基本功能：（1）手動控制：該功能是根據(jù)用戶的需求通過按鍵進行窗簾的開關(guān)，此功能可以使窗簾處于開閉的任何一種狀態(tài)；（2）自動控制：系統(tǒng)可以通過感光器采集室內(nèi)光照強度，根據(jù)亮度的不同而自動控制窗簾的打開程度；（4）時間控制：此功能是根據(jù)用戶設(shè)定的時

8、間在特定的時間點一次性開關(guān)窗簾。2 總體方案設(shè)計2.1 方案選取 單片機在各種電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，很多的電子產(chǎn)品利用單片機所取得的便利得到了人們的好評，針對單片機控制的自動窗簾控制系統(tǒng)的智能化要求，實現(xiàn)其自動控制的方案有兩種： 方案（一）系統(tǒng)的傳動機構(gòu)使用直流電機，窗簾只有兩個簡單的狀態(tài)：完全打開和完全關(guān)閉； 方案（二）系統(tǒng)的傳動機構(gòu)使用更精確靈敏的步進電機，使得窗簾從關(guān)閉到完全打開之間有6個不同的等級。這二個方案都是基于單片機控制的，光線感應(yīng)以及數(shù)碼管顯示，不同的設(shè)計部分在于傳動機構(gòu)和窗簾的設(shè)計形式的選取上。方案（一）的窗簾由于只有完全開與完全關(guān)兩種狀態(tài)，所以窗簾本身設(shè)計不需要太

9、復(fù)雜，采用普通的卷簾即可。關(guān)閉時，電機旋轉(zhuǎn)全部放下卷簾；打開時，電機將卷簾全部卷起。方案（二）的窗簾從完全關(guān)閉到完全打開按打開程度有05共六個等級，窗簾設(shè)計成類似百葉窗的形式，通過步進電機可以精確控制每個葉片的旋轉(zhuǎn)角度，從而控制開關(guān)程度的大小。當(dāng)葉片與窗戶面平行時，窗簾完全關(guān)閉；當(dāng)葉片與窗戶面垂直時，窗簾完全打開。下面圖2.1所示是方案（一）的效果圖；圖2.2是方案（二）的效果圖：圖2.1 方案（一）卷簾效果圖圖2.2 方案（二）百葉窗式效果圖鑒于方案一這種卷簾現(xiàn)在市場上已經(jīng)發(fā)展很好，沒有太多繼續(xù)研究的價值，并且其窗簾控制過于單一，而且不如方案二的百葉窗式的窗簾美觀。圖2.3所示是百葉窗關(guān)閉打

10、開的原理圖，圖2.4是步進電機驅(qū)動百葉窗各葉片的物理截面圖，其根據(jù)光照強度的大小有不同程度的打開，能夠更精確的滿足用戶的需求，所以本設(shè)計選擇方案二。圖2.3 百葉窗原理圖圖2.4 步進電機與百葉窗葉片連接截面圖2.2 系統(tǒng)框圖方案（二）的系統(tǒng)框圖如圖2.5。圖2.5 系統(tǒng)框圖2.3 總體方案設(shè)計自動窗簾控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計是基于滿足設(shè)計要求的前提并且根據(jù)理論上的可實現(xiàn)性和硬件上的經(jīng)濟實用性，而進行設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。本章從人們對系統(tǒng)功能需求出發(fā)，在綜合考慮各種因素的情況下，設(shè)計出自動控制系統(tǒng)的總體構(gòu)架，并且在基本功能需求的基礎(chǔ)上盡可能考慮系統(tǒng)的可擴展性。伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高

11、，人們對生活舒適性的追求越來越強烈，而窗簾在每個家庭生活是必備的，其基本功能是保護住戶的隱私以及遮蔽陽光等?；谶@些作用窗簾的便利性自然也受到家庭的關(guān)注。但傳統(tǒng)的窗簾絕大部分是用手去開關(guān)，每天開關(guān)不僅不省力，而且還可能錯過最佳光照時間，尤其是大窗簾，比較重，而且長，在開閉時需要費很大力氣才能開關(guān)窗簾，特別不方便；針對這種現(xiàn)象，電動窗簾便由此產(chǎn)生?，F(xiàn)有的電動窗簾基本上都可以利用按鍵控制，自動開關(guān)閉窗簾，雖然省了力氣，但是有些方面的設(shè)計還是不夠人性化。對此，本控制系統(tǒng)提出可以根據(jù)光照以及定時等開關(guān)窗簾，具體有以下幾大功能：（1）手動控制狀態(tài)：此功能使自動窗簾控制系統(tǒng)具有手動拉開、關(guān)閉的功能，方便用

12、戶控制。（2）亮度自動控制：此功能是根據(jù)室內(nèi)光照強度的大小，來決定百葉窗每個葉片的旋轉(zhuǎn)角度從而控制窗簾打開的大小程度。（3）時間自動控制：此功能根據(jù)用戶需要，設(shè)定需要開閉窗簾的時間，通過輸入的開啟或關(guān)閉時間，控制窗簾開關(guān)。光感自動窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計的總體框圖如圖2.6所示。圖2.6 電動窗簾控制器結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)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(zhuǎn)換器，由于a/d轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換需要一定時間，一旦在這段時間內(nèi)信號發(fā)生變化，轉(zhuǎn)換結(jié)果將會出現(xiàn)偏差，所以在轉(zhuǎn)換期間要應(yīng)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

13、響應(yīng)，以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止。顯示模塊是用來顯示自動窗簾控制器的各種狀態(tài)。鍵盤作為輸入設(shè)備，通過不同按鍵來控制單片機進行各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)。3 硬件電路設(shè)計3.1 電源電路設(shè)計單片機正常工作電壓為5v，因此設(shè)計的電源電路主要是提供單片機工作電壓。圖3.1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(wěn)壓器lm7805，可以輸出5v的直流電壓以供給單片機。圖3.1 電源電路圖3.2 晶振電路電路中的晶振即石英晶體震蕩器。由于石英晶體震蕩器具有非常好的頻率穩(wěn)定性和抗外界干擾的能力，所以，石英晶體震蕩器是用來產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率的。通過基準(zhǔn)頻率來控制電路中的頻率的準(zhǔn)確性。同時，它還可以產(chǎn)生振蕩電流

14、，向單片機發(fā)出時鐘信號。圖3.2是單片機的晶振電路。片內(nèi)電路與片外器件就構(gòu)成一個時鐘產(chǎn)生電路，cpu的所有操作均在時鐘脈沖同步下進行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在1.2mhz24mhz之間選取。c1、c2是反饋電容，其值在20pf100pf之間選取，典型值為30pf。本電路選用的電容為30pf，晶振頻率為12mhz。振蕩周期； 機器周期 指令周期。xtal1接外部晶體的一個引腳，xtal2接外晶體的另一端。在單片機內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對hmos單片機，該引腳接外部振。在石英晶體的兩個管腳加交變電場時，它將會產(chǎn)生一定頻率的機械變形，而這種

15、機械振動又會產(chǎn)生交變電場，上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。一般情況下，無論是機械振動的振幅，還是交變電場的振幅都非常小。但是，當(dāng)交變電場的頻率為某一特定值時，振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩。這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率，也稱諧振頻率。石英晶振起振后要能在xtal2線上輸出一個3v左右的正弦波，以便使mcs-51片內(nèi)的osc電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。通常，osc的輸出時鐘頻率fosc為0.5mhz-16mhz，典型值為12mhz或者11.0592mhz。電容c1和c2可以幫助起振，典型值為30pf，調(diào)節(jié)它們可以達(dá)到微調(diào)fosc的目的。圖3.2 單片機晶振電路圖3.3 復(fù)位電路復(fù)位電

16、路的主要功能是使單片機進行初始化，在初始化的過程中需要在復(fù)位引腳上加大于2個機器周期的高電平。復(fù)位后的單片機地址初始化為0000h，然后繼續(xù)從0000h單元開始執(zhí)行程序。在復(fù)位電路中提供復(fù)位信號，等到系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，再撤銷復(fù)位信號。但是為了在復(fù)位按鍵穩(wěn)定的前提下，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防在按鍵過程中引起的抖動而影響復(fù)位。圖3.3所示的 rc 復(fù)位電路可以實現(xiàn)上述基本功能。圖3.3 復(fù)位電路圖3.4 時鐘電路ds12887芯片和at89c5l單片機的接口電路如圖3.4所示。 圖3.4 時鐘電路圖其中ds12887的模式通過選擇腳mot接地來確定，ds12887的中斷輸出端i

17、qr和89c51的外部中斷int0接口相聯(lián) ，r/w 接口與單片機89c51的rd/wr接口相連；而ds12887的as端口和單片機89c51的aie端直接相聯(lián)。ds12887的sqw端與單片機89c51的to端相連。ds12887的高位地址由端口p27來片選，ds12887的高8位地址設(shè)定為7fh，低8位由芯片內(nèi)部各單元的地址來定。ds12887內(nèi)部由振蕩電路，分頻電路，周期中斷/方波選擇電路，14字節(jié)時鐘和控制單元，114字節(jié)用戶非易失ram，十進制/二進制累加器，總線接口電路，電源開關(guān)寫保護單元和內(nèi)部鋰電池等部分組成。ds12887引腳分配如圖所示： vcc：直流電源+5v電壓。當(dāng)5v電

18、壓在正常范圍內(nèi)時，數(shù)據(jù)可讀寫；當(dāng)vcc低于4.25v,讀寫被禁止，計時功能仍繼續(xù)；當(dāng)vcc下降到3v以下時，ram和計時器供電被切換到內(nèi)部鋰電池。 mot（模式選擇）：mot引腳接到vcc時，選擇motorola時序，當(dāng)接到gnd時，選擇intel時序。 sqw（方波信號輸出）：sqw引腳能從實時鐘內(nèi)部15級分頻器的13個抽頭中選擇一個作為輸出信號，其輸出頻率可通過對寄存器a編程改變。 ad0-ad7（雙向地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線）：總線接口，可與motorola微機系列和intel微機系列接口。 as（地址選通輸入）：用于實現(xiàn)信號分離，在ad/ale的下降沿把地址鎖入ds12887。 ds（數(shù)據(jù)選通

19、或讀輸入）：ds/rd引腳有兩種操作模式，取決于mot引腳的電平，當(dāng)使用motorola時序時，ds是一正脈沖，出現(xiàn)在總線周期的后段，稱為數(shù)據(jù)選通；在讀周期，ds指示ds12887驅(qū)動雙向總線的時刻；在寫周期，ds的后沿使ds12887鎖存寫數(shù)據(jù)。選擇intel時序時，ds稱作（rd），rd與典型存貯器的允許信號（oe）的定義相同。 r/w（讀/寫輸入）：r/w引腳也有兩種操作模式。選motorola時序時，r/w是低電平信號時，指示當(dāng)前周期是讀或?qū)懼芷?，ds為高電平時，r/w高電平指示讀周期，r/w信號一低電平信號，稱為wr。在此模式下，r/w引腳與通用ram的寫允許信號（we）的含義相同。

20、 cs（片選輸入）：在訪問ds12887的總線周期內(nèi)，片選信號必須保持為低。 irq（中斷申請輸入）：低電平有效，可作微處理的中斷輸入。沒有中斷的條件滿足時，irq處于高阻態(tài)。irq線是漏極開路輸入，要求外接上接電阻。 reset（復(fù)位輸出）：當(dāng)該腳保持低電平時間大于200ms，保證ds12887有效復(fù)位。3.5 鍵盤電路 鍵盤在由單片機控制的窗簾自動控制系統(tǒng)中的主要作用是通過按鍵向單片機輸入指令，其中主要包括設(shè)定時間，控制窗簾的開關(guān)等等功能，是人工控制單片機的主要手段。在窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計中的鍵盤采用的是44矩陣鍵盤。這16個按鍵分別為：設(shè)定鍵主要是用來設(shè)定自動窗簾打開或者關(guān)閉的時間；0-9數(shù)

21、字鍵，其作用主要是用于設(shè)定時間；復(fù)位鍵主要應(yīng)用在程序出錯以及誤操作的時候使單片機復(fù)位，從而重新設(shè)定；反轉(zhuǎn)鍵是使步進電機反轉(zhuǎn)，控制窗簾關(guān)閉；正轉(zhuǎn)鍵是使步進電機正轉(zhuǎn)，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(shè)定完成后的確定輸入。由于按鍵比較多，單獨設(shè)置按鍵會增加總體設(shè)計的復(fù)雜性，而且為了減少所占用的端口，可以將按鍵組成一個矩陣，如圖3.5所示。圖3.5 鍵盤接口電路3.6 顯示電路顯示電路主要是用于顯示時間。采用led數(shù)碼管進行顯示是因為led數(shù)碼管具有以下幾個優(yōu)點：(1)能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與cmos、itl電路兼容。(2)發(fā)光

22、響應(yīng)時間極短(.若確認(rèn)按下20ms，得到有效鍵值等待彈起 2.若不是按下20ms直接結(jié)束處理（ret）。 b.若不相同則將標(biāo)志清零結(jié)束處理（ret）。 （2）若不是首次按下：將鍵值暫存起來，標(biāo)志置位結(jié)束處理。如果無鍵值，則判斷是否有鍵值已被確認(rèn)（1）若有鍵已被確認(rèn)：判斷按鍵是否首次抬起 a.若首次抬起：判斷抬起延時時間（20ms）是否到達(dá) 1.若延時到則將標(biāo)志處理結(jié)束處理。 2.若延時未到直接結(jié)束處理（ret）。 b.若非首次抬起：直接結(jié)束處理（ret）。（2）若沒有鍵被確認(rèn)：直接結(jié)束處理（ret）。4.3 定時程序設(shè)計定時程序的主要作用是在用戶設(shè)定的時間后能夠使單片機收到一個中斷信號，從而發(fā)

23、出相應(yīng)的指令，控制窗簾的開關(guān)。時鐘芯片發(fā)出50ms的信號給單片機后，計數(shù)器開始工作，計數(shù)器記到20，則時間即為1秒，秒單元加1，當(dāng)秒單元計數(shù)到60，分單元加1，此時秒單元清零。當(dāng)時單元計數(shù)到24，時單元清零。圖4.3是定時程序流程圖。圖4.3 定時程序流程圖4.4 步進電機程序設(shè)計步進電機是操控窗簾開閉的主要執(zhí)行器件，其設(shè)計主要是按照單片機指令以及按鍵指令進行正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。圖4.4是步進電機程序流程圖。圖4.4 步進電機程序流程圖步進電機程序設(shè)計的主要任務(wù)是：（1）判斷旋轉(zhuǎn)方向；（2）按順序傳送控制脈沖；（3）判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。對于三相單三拍的設(shè)計，其控制方式模型如下： 步 序 控 制 位工作狀態(tài)控制模型p.7p.6p.5p.4p.3p.2c相p.1b相p.0a相 100000001a01h 200000010b02h 300000100c04h 總之，只要按一定的順序改變 p1.0p1.2 三位通電的狀況，即可控制步進電機依選定的方向步進。而對于節(jié)拍比較多的控制程序，通常采用循環(huán)程序進行設(shè)計。5總結(jié)經(jīng)過一周的資料查找和設(shè)計，我已完成了計算機控制的課程設(shè)計。本文設(shè)計了光感電動窗簾控制器的智能系統(tǒng)，介紹了電動窗簾控制器的硬件電