自動啟閉光控窗簾

PAGEPAGE2PAGE12015??????????????????????????????????????????、??????????????????????????????????2015?11????????????????????????????????????????????2015?11?????：???(?)??????????目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 11引言 11.1課題背景 11.2國內外概況 11.3課題的研究工作 22核心芯片結構原理介紹 32.1STC89C52單片機 32.2時鐘芯片——DS1302 72.3液晶顯示器LCD1602 92.4ULN2003簡介 113硬件部分系統(tǒng)設計 113.1電源部分硬件電路設計 113.2顯示部分硬件電路設計 123.3時鐘部分硬件電路設計 133.4光控電路測光部分電路設計 143.5電機驅動部分電路設計 153.6電機控制部分的設計 154系統(tǒng)軟件設計-LCD1602顯示程序 18參考文獻 20謝辭 22德州學院機電工程系2012屆自動化專業(yè)畢業(yè)論文（設計）PAGE14自動啟閉光控窗簾摘要：本文首先介紹了智能家居的基本知識及其應用前景，進而闡明自動啟閉光控窗簾的意義。隨后介紹了開發(fā)單片機控制的自動啟閉光控窗簾系統(tǒng)所用到的集成芯片等硬件的結構原理?；趯φ麄€系統(tǒng)的硬件電路的設計進及分析，分別給出了電源電路、時鐘DS1302電路、紅外線接收電路、電機控制電路、顯示電路，并對相應電路設計進行了相關的闡述。隨后講述了軟件的編寫思路分別寫出了紅外線解碼程序、時鐘芯片DS1302控制程序、LCD液晶顯示程序的編寫思路。關鍵詞：光控；窗簾；單片機；步進電機1引言1.1課題背景單片機控制的自動啟閉窗簾控制系統(tǒng)，既能解決每天手拉開和關上窗簾的不便，又顯示出了生活的檔次，同時還可以根據(jù)光線的明暗來自動控制窗簾的開關，以調節(jié)室內的光線，更進一步地滿足了人們的享受要求。除了廣大市民住宅使用外，該遙控窗簾器還可以廣泛應用于別墅、公寓、賓館、飯店、寫字樓、歌舞廳、影劇院、會議廳、銀行、學校、醫(yī)院等各種公共場所，因此該產品具有廣闊的市場前景。自動啟閉光控窗簾系統(tǒng)在我國還剛剛興起，但其發(fā)展前景廣闊，推廣和應用自動窗簾系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。1.2國內外概況在歐美等發(fā)達國家，電動窗簾已廣泛應用。在10年前，電動窗簾就已經進入我國，可一直沒有大的推廣，這兩年，隨著電控技術的不斷提高及價格的不斷下降，電動窗簾熱才又卷土重來。據(jù)了解，全國共有170多種電動窗簾器獲得了國家專利，但就其技術本身而言，還是大同小異，但售價卻有很大差別，貴的要數(shù)千元，便宜的只要500塊。盡管自動啟閉光控窗簾系統(tǒng)在國內是一個新興的行業(yè)，但是，它也正以不可抵擋之勢迅速崛起。自動啟閉光控窗簾系統(tǒng)走進中國以來，在短短四年的時間里，自動啟閉光控窗簾系統(tǒng)生產商由最初的幾家公司增加到如今的百余家企業(yè)。目前，我國自動啟閉光控窗簾系統(tǒng)生產廠商、分銷商、集成商與裝飾公司都形成了相當規(guī)模，不少國內知名企業(yè)紛紛涉足遙控自動窗簾系統(tǒng)行業(yè)，如青島海爾、清華同方、TCL等，并涌現(xiàn)出一些較具影響力的智能家居專業(yè)廠商，如上海索博智能電子有限公司、北京九州易居科技有限公司、天津瑞朗智能家居電子科技有限公司、深圳市正星特科技有限公司等。自動窗簾產品已開始走進中國的家庭。具報道，我國2004年售出商品房1.9億m2,如果每20m2需要一套窗簾架產品，僅此一項就可以年新增窗簾架產品近千萬套加上。年新增窗簾架產品市場需求將不低于2000萬套。如果單片機控制的遙控自動窗簾，銷售占市場的5%左右，就可實現(xiàn)年產值上億元。1.3課題的研究分析及其特點現(xiàn)有的電動窗簾機的控制方式有固定式開關控制、遙控、光控、聲控等，其中以前兩種形式居多。就實用程度和經濟角度來說，用固定式開關控制方式較好，這是因為窗簾的開閉不像電視機等家電產品開閉得那樣頻繁，每天開閉的次數(shù)不多，因此安裝在固定的地方使用也相當方便，如把開關裝在床頭柜等電器綜合控制系統(tǒng)中，睡在床上就能控制窗簾的開閉。利用觸摸開關，實現(xiàn)全自動斷電，既安全又節(jié)能，但最重要的一點就是沒有實現(xiàn)完全的自動化，沒的擺脫對人的依賴作用。而采用遙控控制時，需要候機電源，不可能完全斷電而且增加遙控功能，也增加了成本，售價也相應提高。窗簾機的控制方式大體上有三種：聲控、光控、時控，聲控和遙控屬于半自動類；而光控雖屬全自動式，但因光敏器件的靈敏度，冬夏等不同季節(jié)的光照度的不同，以及人們對起閉窗簾在時間上的要求不同，而難以實施和普及[8]。因此，時控式的全自動窗簾機便成了專業(yè)以及業(yè)余電子設計人員的熱門課題。根據(jù)以上自動窗簾有些不能實現(xiàn)完全的自動化；有些雖然實現(xiàn)了完全的自動化，但結構復雜，性能不夠穩(wěn)定；有些雖然實現(xiàn)了完全的自動化，且性能還可以，但價格昂貴不適合普通消費者使用。所以我想利用價格相對便宜的紅外線遙控發(fā)射芯片、時鐘芯片、單片機作為主要控制器件，來完成該系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)主要有如下幾方面的特點：（1）發(fā)射紅外線的發(fā)射裝置采用一般彩色電視機的遙控器，這樣既方便又實惠。（2）時間控制開關窗簾。通過對DS1302芯片的設定，讓用戶可以隨自己的生活習慣方便的自動開關窗簾，無需手動。（3）采用紅外遙控方式，不會干擾其它電器的正常工作，也不會影響鄰近的無線設備。超距離遙控，可達8～9m。（4）能根據(jù)光照的強度來自動調整窗簾打開的程度。（5）美觀。以往的遙控電動窗簾都是向一邊拉或向上拉，而本設計用的窗簾為百葉窗。（6）體積小、結構簡單、靈敏度高、抗干擾性強、經濟實用、工作可靠。1.4總體方案設計圖時鐘部分時鐘部分紅外部分光敏部分STC89C52電源部分步進電機圖1總體方案圖2核心芯片結構原理介紹2.1STC89C52單片機2.1.1STC89C52的特點STC89C52RC具有以下幾個特點：STC89C52RC與MCS-51系列的單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容；片內有4k字節(jié)在線可重復編程快擦寫程序存儲器；32位雙向輸入輸出線；兩個十六位定時器/計數(shù)器；五個中斷源,兩級中斷優(yōu)先級；一個全雙工的異步串行口；2.1.2STC89C52的主要引腳功能1P0口是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線口，因為只有該口能直接用于對外部存儲器。讀/寫操作。P0口也用以輸出外部存儲器的低8位地圖1址。由于是分時輸出,應在外部加鎖存器將此地址數(shù)據(jù)鎖存，地址鎖存,信號用ALE。P1口是專門供用戶使用的I/O口,是準雙向口。P2口是從系統(tǒng)擴展時作高8位地址線用。不擴展外部存儲器時,P2口也可以作為用I/O口線使用,P2口也是準雙向口。P3口是雙功能口,該口的每一位均可獨立地定義為第一I/O功能或第二I/O功能。作為第一功能使用時操作同P1口。P3口的第二功能如表1所示[9]。端口引腳各個功能P3.0RXD（串行口輸入端）P3.1TXD（串行口輸出端）P3.2(外部中斷0請求輸入端，低電平有效)P3.3(外部中斷1請求輸入端，低電平有效)P3.4T0（定時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端）P3.5T1（定時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端）P3.6(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸入端,低電平有效)P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸入端，低電平有效）表1P3口第二功能2.1.3STC89C52的時鐘電路和復位電路（1）時鐘產生電路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和XTAL2：片內振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調電容。在石英晶體的兩個管腳加交變電場時，它將會產生一定頻率的機械變形，而這種機械振動又會產生交變電場。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STC89C52RC片內的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。如圖2。圖2時鐘電路（2）單片機復位電路圖3為單片機復位電路。單片機在開機時都需要復位，以便中央處理CPU以及其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機的復位后是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的RST引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖（2個機器周期）以上的高電平，單片機便可實現(xiàn)初始化狀態(tài)復位。STC89C52RC單片機的RST引腳是復位信號的輸入端。圖3復位電路2.3時鐘芯片——DS1302DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時,具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。2.3.1DS1302簡介DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復位/片選線，通過把RST輸入驅動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯,允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化,允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送,I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc>2.0V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)。SCLK為時鐘輸入端。下圖5為DS1302的引腳功能圖：圖5DS1302引腳功能圖2.5液晶顯示器LCD16021602液晶每行可顯示16個字符，一共可以顯示兩行。1602液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼。2.5.1LCD1602的RAM地址映射控制器內部帶有80B的RAM緩沖區(qū)，對應關系如圖7所示圖71602LCD內部RAM顯示地址當我們向00～0F、40～4F地址中的任一處寫顯示數(shù)據(jù)是，液晶都可以立即顯示出來，當寫到10～27、50～67地址是，必須通過移屏指令將它們移入可顯示區(qū)域方可正常顯示[5]。2.6ULN2003簡介ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陣列，由7個硅NPN達林頓管組成。該電路的特點如下：ULN2003的每一對達林頓管都串聯(lián)一個2.7kΩ的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和COMS電路直接連接。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適用于各類要求高速大功率驅動的系統(tǒng)ULN2003經常在以下電路中試用：(1)顯示驅動；(2)繼電器驅動；(3)照明燈驅動；(4)電磁閥驅動；(5)伺服電動機、步進電機驅動等電路中。ULN2003的每一對達林頓管都串聯(lián)一個2.7kΩ的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和COMS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。3硬件部分系統(tǒng)設計3.1電源部分硬件電路設計通過一帶有整流電路的12V變壓器外接市電（220V）后，輸入直流12V電壓。左邊兩個是12伏的電源濾波電容，一般大電容旁邊并聯(lián)一個小電容的目的是降低高頻內阻，因為大的電解電容一般采用卷繞工藝制造，所以等效電感較大，小電容可以提供一個小內阻的高頻通道，降低電源全頻帶內阻。同時經過3端集成穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓后輸出+5V電壓VCC,為訊響電路、紅外接收電路、顯示電路提供電源，5V電源經過二極管D9、限流阻R20=5K后，為單片機及DS1302提供VDD電壓。[3]如圖8示。圖8電源電路圖3.2顯示部分硬件電路設計顯示電路設計采用的是液晶LCD1602來顯示實時時間、調開窗簾時間、關窗簾時間等內容。P0口作為數(shù)據(jù)口連接LCD1602的7～14口，來傳輸數(shù)據(jù)及指令，由于P0口帶負載能力差，故需接上拉電阻。P1.0接LCD1602的4腳RS（數(shù)據(jù)/命令選擇端），P1.1接LCD1602的5腳R/W（讀寫選擇端），P1.2接LCD1602的6腳E（使能信號）。電位器W1用來調節(jié)LCD1602的亮度。如圖9示。圖9顯示電路3.3時鐘部分硬件電路設計DS1302主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關閉充電功能。采用普通32768Hz晶振，開窗簾時間，關窗簾時間都保存在DS1302自帶的RAM中，不需要單獨的EEPROM。DS1302在第一次加電后，須進行初始化操作，初始化后就可以按正常方法調整時間及升降窗簾時間[6]。電路連接圖如圖10所示。圖10DS1302接線圖3.4光控電路測光部分電路設計光控測光電路部分由光敏電阻DG、電阻R1和可變電阻RV1，運算放大器LM393組成。光敏電阻是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱改變的電阻；入射光強，電阻值減小，流入LM393的電流量增大，LM393的輸出相應的數(shù)字量，入射光減弱，電阻值增大，流入LM393的電流減小，LM393輸出相應的數(shù)字量，LM393的轉換結束信號管腳連接到P3.0；輸出允許信號管腳連接到P3.1；時鐘信號CLK連接到P1.3，由單片機軟件編程實現(xiàn)16分頻，滿足CLK信號低于640kHz的要求；START與ALE均連接到P1.4；D0~D7分別接到單片機P2.0~P2.7；VREF（+）和VREF（-）分別連接到+5V電源和GND；ADDA、ADDB、ADDC均連接到GND。單片機處理系統(tǒng)接收的信號是由信號采集裝置經LM393處理后的數(shù)字信號，在此設置P2.0～P2.7為輸入端口。對信號分析處理后，處理系統(tǒng)需對電機控制裝置發(fā)出控制指令，在此設置P3.4-P3.7為輸出端口。當單片機的P2.0～P2.7端口接收到輸入信號后，接下來要做的是對信號的分析。在信號采集裝置中，采用了分壓電路型式，將光信號轉換為電壓信號，然后經過LM393處理后輸出電壓信號。圖12：LM393和光敏電阻電路圖3.5電機驅動部分電路設計電機驅動部分主要由達林頓驅動ULN2003芯片實現(xiàn)。ULN2003所用的是單片機的P3.4~P3.7接口，輸出部分選用13~16引腳，8引腳接地，9引腳所示為連接步進電機的電源。電機驅動電路連接圖圖13所示。圖13電機控制部分電路設計3.6電機控制部分的設計此部分主要是對控制指令的執(zhí)行。單片機根據(jù)讀入的數(shù)據(jù)通過驅動器對電機進行驅動，調節(jié)電機轉動的角度。下面介紹一下步進電機及其控制原理，了解步進電機使我們能更順利的完成自動啟閉光控窗簾的設計。3.6.1步進電機簡述步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電動機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率的脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電動機加一個脈沖信號，電動機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變得非常簡單。步進電機實際上是一種單相或多相同步電動機。單相步進電機由單路電脈沖驅動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅動。多相步進電機的多相方波脈沖驅動，在經功率放大后分別送入步進電機各相繞組。正常情況下，步進電機轉過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定脈沖時，電動機的轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系，不受電壓波動和負載變化的影響。由于步進電機能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微處理器控制。3.6.2步進電機驅動原理步進電機有三線式、五線式、六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電流來驅動。若每旋轉一圈以20個勵磁信號來計算，則每個勵磁信號前進18°，其旋轉角度與脈沖數(shù)成正比，正、反轉可由脈沖順序來控制。步進電機的勵磁方式可分為全步勵磁及半步勵磁，其中全部勵磁又有1相勵磁及2相勵磁之分，而半步勵磁又稱1~2相勵磁。本次設計采用的是2想勵磁法。2相勵磁法：在每一瞬間會有兩個線圈同時導通。因其轉巨大，振動小，故為目前使用最多的勵磁方式，每送一勵磁信號可走18°。其勵磁順序如表2所示，若勵磁信號反向傳送，則步進電機反轉。STEPABCDSTEPABCD11100300112011041001表2正轉勵磁順序電動機的負載轉矩與速度成反比，速度越快負載轉矩越小，但速度快至其極限時，步進電機即不在運轉。所以在每走一步后，程序必須延時一段時間，以對轉速加以限制[10]。3.6.3步進電機的選擇步進電機有步距角（涉及相數(shù)）、靜轉矩及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。(1)步距角的選擇：電動機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，即每個當量電動機應走多少角度（包括減速）。電動機的步距角應等于或小于此角度。(2)靜力矩的選擇：靜力矩的選擇依據(jù)是電動機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載兩種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接啟動時（一般由低速）兩種負載均要考慮，加速啟動時主要考慮慣性負載，恒速運行時只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2~3倍，靜力矩一旦選定，電動機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。(3)電流的選擇：靜力矩相同的電動機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大。可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電動機的電流。選擇電動機一般應遵循以上步驟。本次設計選擇的是M35SP-7NP四相五線永磁型步進電機。永磁型步進電機的特點為：(1)大步距角，例如15°、22.5°、30°、45°、90°等。(2)起動頻率較低，通常為幾十到幾百Hz。(3)控制功率小。（4)在斷電情況下有定位轉矩。(5)有強的內阻尼力矩[12]。4系統(tǒng)軟件設計—LCD1602顯示程序寫指令：輸入：RS=L，R/W=L，D0—D7=指令碼，E=高脈沖；輸出：D0—D7=數(shù)據(jù)。寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，R/W=L，D0—D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖；輸出：無。LCD1602的一般初始化（復位）過程：延時15mS，寫指令38H（不檢測忙信號）；延時5mS，寫指令38H（不檢測忙信號）；延時5mS，寫指令38H（不檢測忙信號，以后每次寫指令、讀/寫數(shù)據(jù)操作均需要檢測忙信號）；寫指令38H：顯示模式設置；寫指令08H：顯示關閉；寫指令01H：顯示清屏；寫指令06H：顯示光標移動設置；寫指令0CH：顯示開及光標設置。1602流程圖如下：開始開始初始化單片機發(fā)寫命令液晶是否應答準備寫入數(shù)據(jù)執(zhí)行顯示命令清屏并光標復位否是圖151602流程圖參考文獻：[1]康華光.電子技術基礎數(shù)字部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2006(1):444～456[2]康華光.電子技術基礎模擬部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2006.(1):448～454[3]李宏，王崇武.現(xiàn)代電力電子技術基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，20008.(12):24～36[4]譚浩強.C程序設計（第三版)[M].北京：清華大學出版社，2005:96～104[5]劉錦波.張承慧.電機與拖動[M].北京：清華大學出版社，2006:55～67[6]郭天祥.新概念51單片機C語言編程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.(1):103～110[7]石珍.家庭裝飾設計與預算圖集[M].上海：上海科學技術出版社，2008.(2):54～60[8]王瑞杰.光控自動窗簾機[P].中國專利，95218893.7，1997(12):6～15[9]陳桂友，柴元斌.單片機應用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008(9):31～43[10]吳次男，劉為民.手控或光控自動窗簾裝置[P].1995(5):112～120[11]鄭毛祥.單片機應用基礎[M].第一版.北京：人民郵電出版社，2006(1):73～81[12]S.G,TzafestasandN.P.Papanikoloulous.IncrementalfuzzyexpertPIDcontrol.IEEETransInd,Electron,1993,vol,37,no5:1932-1398AutomaticOpen-closeLight-controlCurtainGeYubing(MechanicalandElectronicEngineeringDepartmentofDezhouUniversity,DezhouShandong,253023)Abstract:Thispaperfirstlyintroducesthebasicknowledgeofintelligenthomefurnishingandtheprospectofitsapplication,andillustratesthesignif