基于单片机的光控自动窗帘控制系统设计说明书毕业设计

机电工程学院毕 业 设 计 说 明 书设计题目: 基于单片机的光控自动窗帘控制系统设计 专业班级：机械设计制造及其自动化（专升本）1001 班 1目录1. 背景意义 .31.1 光控自动窗帘系统的背景、意义 .31.2 国内外研究现状 .42.方案论述 .82.1 方案设计说明 .82.2 方案选择说明 .83.硬件设计 .103.1 光 电 传 感 器 信 号 采 集 模 块 设 计 .103.2 单 片 机 信 号 处 理 模 块 设 计 .143.3 执 行 单 元 模 块 设 计 .184.软件设计 .244.1 程 序 流 程 .244.2 程 序 设 计 .255. 总体设计 .27PROTEL 总电路图&PROTUES 仿真图 .286结论 .307. 致谢 .30参考资料 .3121. 背景意义1.1 光控自动窗帘系统的背景、意义随着生活的提高，时代的进步，人们对居住空间、周围环境有了更高的要求，这是社会的必然潮流。单片机控制的自动窗帘系统，既能解决每天手拉开和关上窗帘的不便，又显示出了生活的便捷和档次，对室内设计而言，窗帘不仅具有遮光作用，更有美化功能，它不仅可以协调居室的色彩搭配，而且能够柔化空间造型的线条，营造温馨惬意的环境 1，同时还可以根据光线的明暗来自动控制窗帘开光，以调节室内光线，更进一步地满足了人们的享受要求，随着高新技术及电子器件的发展，光控、温控及遥控窗帘应运而生，给人们的生活带来了很多方便。同时，也为人们的生活环境以及智能家居的实现提供了依据，为此，研究与设计智能窗帘控制系统具有深远的现实意义 2 ，所以产品如能形成大规模生产，必能很快普及国内市场，产生巨大的经济效益，另外，除了广大市民住宅使用外，该遥控窗帘器还可广泛用于别墅、公寓、宾馆、饭店、歌舞厅、写字楼、银行、歌剧院、会议厅、学校、医院等各种公用场所，因此该产品具有广阔的市场前景。光感自动窗帘系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用自动窗帘系统具有重要的现实意义。其一，改变人们的生活方式。单片机控制的光感自动窗帘系统具有丰富的智能化功能，为家庭用户营造一个环保、高效、便利、舒适的居住环境。单片机控制的光感自动窗帘用三个按钮和环境光控制窗帘的开和关，解决人们手动开关窗帘问题，给人们日上生活带来极大的方便。这些都将改变人们传统的生活方式，并提高了人们的生活质量。其二，开拓一个崭新的市场。遥控自动窗帘系统牵动了许多的行业，它将不仅仅是目前的 IT 系统集成商或建筑弱电工程总包商的市场，而且是专业公司和智能化装饰公司的市场。其三、牵动一大批产业。单片机控制的遥控自动窗帘产品面向家庭用户，其应用市场是庞大的，发展前景也是广阔的，必将吸引大批有远见的各类企业介入，从而牵动一大批产业的发展。这里最先受益的应该是房地产业，单片机控制的遥控自动窗帘不仅是一个很好的概念与“卖点” ，同时也是直接提升住宅档次的一个条件，这将会给房地产商带来新的利润空间。在家居集成化、网络化的趋势下，家居集成也成为一种潮流，许多更专业的、美观的、智能化的家居集成产品相继出现。现在很多厂家生产的自动窗帘（含门帘）控制系统，都是由主机（以微电脑芯片为核心组成的智能控制中心） 、各种传感器（红外线传感器、风雨信号传感器等、温度传感器、烟雾传感器等） 、各种报警终端（警灯、警笛、电话报警器、接警指挥中心等） 、遥控器以及一系列机械传3动装置组成的一种具有智能化、人性化、网络化的高科技产品。本文讲述了用单片机结合软件来采集光强并控制步进电机转动从而控制窗帘开、闭。1.2 国内外研究现状1.2.1 光电传感器通过光电传感器采集数据(光强度)，反映出光信号变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等特点，且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。本设计通过检测光线的强弱，并根据光线的强弱自动将窗帘打开和关闭，实现了自动控制的功能，极大地方便了人们的日常生活，并在生活中得到了广泛的应用。光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。光敏电阻又称光导管,为纯电阻元件,其工作原理是基于光电导效应。无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流(暗电流)很小,当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值(亮电阻)急剧减小,电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。它在光线的作用下其阻值往往小。在黑暗的环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值越低。入射光消失后，光敏电阻的阻值逐渐恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。一般暗电流越大、亮电阻越小,光敏电阻的灵敏度越高。光敏电阻的暗电阻的阻值一般在 M 数量级,亮电阻在几千欧以下。暗电阻与亮电阻之比一般在 102106 之间。在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。光敏电阻在一定的电压范围内,其 I-U 曲线为直线 5。光敏电阻的光照特性用于描述光照强度和光电流 I 之间的关系,绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的。光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用,即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度 6。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性,亦称光谱响应。光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化,不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数(ms 数量级 ),因而它们的频率特性也就各不相同。1.2.2 单片机单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，4通常是指个人计算机，简称 PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型” ，如智能型洗衣机等。目前，单片机在民用和工业测 控领域得到最广泛的应用。彩电，冰箱，空调，录像机，VCD，遥 控器，游戏机，电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深 地溶入我们每个人的生活之中。 单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产 上也极大地提高了生产效率和产品质量。 单片机按用途大体上可分为两大类： 1-通用型单片机 2-专用型单片机，专用型单片机是指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好， 不能再修改的单片机。例如电子表里的单片机就是其中的一种。 其生产成本很低。通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。小到家用电器仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。当前国内外单片机的发展现状良好，技术比较先进和稳定的有以下十几种：1.Motorola 单片机: Motorola 是世界上最大的单片机厂商,品种全,选择余地大,新产品多,在 8 位机方面有 68HC05和升级产品 68HC08,68HC05 有 30 多个系列 200 多个品种,产量超过 20 亿片. 16 位单片机68HC16 也有十多个品种.32 位单片机 683XX 系列也有几十个品种。2.Microchip 单片机: Microchip 单片机是市场份额增长最快的单片机.他的主要产品是 16C 系列 8 位单片机,CPU采用 RISC 结构,仅 33 条指令 ,运行速度快,且以低价位著称。 3.Scenix 单片机: Scenix 单片机的 I/O 模块最有创意.I/O 模块的集成与组合技术是单片机技术不可缺少的重要方面. Scenix 单片机在 I/O 模块的处理上引入了虚拟 I/O 的概念. Scenix 单片机采用了 RISC 结构的 CPU,使 CPU 最高工作频率达 50MHz.运算速度接近 50MIPS. 4.NEC 单片机: NEC 单片机自成体系,以 8 位机 78K 系列产量最高 ,也有 16 位,32 位单片机.16 位单片机5采用内部倍频技术,以降低外时钟频率. 5.东芝单片机: 东芝单片机从 4 位到 64 位,门类齐全.4 位机在家电领域仍有较大市场.8 位机主要有 870 系列,90 系列等.该类单片机允许使用慢模式,CPU 内部多组寄存器的使用,使得中断响应与处理更加快捷. 6.富士通单片机: 富士通也有 8 位,16 位和 32 位单片机,但是 8 位机使用的是 16 位的 CPU 内核.也就是说 8 位机与 16 位机指令相同,使得开发比较容易.8 位机有名是 MB8900 系列,16 位机有 MB90 系列. 7.Epson 单片机: Epson 公司以擅长制造液晶显示器著称,故 Epson 单片机主要为该公司生产的 LCD 配套.其单片机的 LCD 驱动做的特别好.在低电压,低功耗方面也很有特色. 8.8051 单片机 最早有 Intel 公司推出 8051/31 类单片机,也是世界上使用量最大的几种单片机之一.目前,8051 类单片机主要有 Philips,三星,华帮等公司接手 .这些公司在保持与 8051 单片机兼容基础改善了 8051 的许多特点.提高了速度,降低了时钟频率,放宽了电源电压的动态范围,降低了产品价格. 9.Zilog 单片机: Z8 单片机是该公司的产品,采用多累加器结构,有较强中断处理能力 .产品为 OTP 型,Z8 单片机的开发工具可以说是物美价廉. 10.Atmel 单片机: ATMEL 公司是世界上著名的高性能低功耗非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司，ATMEL 公司的单片机在自动化工业控制宇航设备仪器仪表和各种消费类产品中有着广泛的应用前景.另外 ATMAL 的增强型 51 系列单片机目前在市场上仍然十分流行,其中 AT89S51十分活跃. 11.TI 公司的 MSP430 系列单片机: MSP430 系列单片机是由 TI 公司开发的 16 位单片机。其突出特点是超低功耗，非常适合于各种功率要求低的场合。典型应用是流量计、智能仪表、医疗设备和保安系统等方面。由于其较高的性能价格比，应用已日趋广泛。 12.NS 单片机: 6COP8 单片机是美国国家半导体公司的产品,该公司以生产先进的模拟电路著称,能生产高水平的数字模拟混合电路.COP8 单片机内部集成了 16 位 A/D。 13.STC 单片机 : STC 单片机完全兼容 51 单片机,并有其独到之处,其抗干扰性强,加密性强,超低功耗,可以远程升级,内部有 MAX810 专用复位电路,价格也较便宜。14.三星单片机: 三星单片机有 KS51 和 KS57 系列 4 位单片机,KS86 和 KS88 系列 8 位单片机,KS17 系列 16 位单片机和 KS32 系列 32 位单片机。15.凌阳单片机: 中国台湾凌阳科技股份有限公司致力于 8 位和 16 位机的开发.。在系列芯片中相同的片内硬件功能模块具有相同的资源特点；不同型号的芯片只是对片内资源进行删减.其最大的特点就是超强抗干扰。16.华帮单片机: 华帮单片机属于 8051 类单片机,它们的 W78 系列与标准的 8051 兼容,W 77 系列为增强型 51,对8051 的时序做了改进.同样时钟下速度快了不少. 17. SST 单片机: 美国 SST 公司推出的 SST89 系列单片机为标准的 51 系列单片机，它与 8052 系列单片机兼容.提供系统在线编程(ISP 功能).内部 flash 擦写次数 1 万次以上,程序保存时间可达 100年.1.2.3 步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。目前，比较常用的步进电动机包括反应式步进电动机（VR） 、永磁式步进电动机（PM） 、混合式步进电动机（HB）等。步进电动机和普通电动机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，因此，步进电动机多和现代的数字控制技术相结合。但步进电动机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电动机；所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。步进电机主要应用在数控机床制造领域，由于其不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。7此外，步进电动机也存在许多缺陷；由于步进电机存在空载启动频率，所以步进电机可以低速正常运转，但若高于一定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸叫声；不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大，细分数越大精度越难控制；并且，步进电机低速转动时有较大的振动和噪声。赞同2.方案论述本文采用单片机 AT89C52 作为系统的核心控制器件，通过光电传感器采集数据（数字信号） ，经单片机根据接收到的信号来控制步进电机的转动方向及步数，并根据光线变化自动调整窗帘的开度。2.1 方案设计说明考虑到自动窗帘的成本和巨大的市场空间，本文提出一种方案，应用光控原理工作，光亮在一定程度窗帘自动打开，光线变暗窗帘自动关闭，实现光控电动自动窗帘的设计，成本低，环保且方便使用。实现框图如图 1 所示：光敏电阻采集光强电路单片机 驱动电机芯片步进电机正反转控制窗帘开闭图 1： 本 设计实现的方框图该系统具有抗干扰能力强、结构简单、性能稳定,成本低廉,利于推广等特点,能够满足智能家居需求,具有良好的市场应用前景.2.2 方案选择说明论文设计的核心控制器选用的是 AT89C52 单片机，光线采集选用光电传感器 ULN3330。它输出单片机能读入数字信号，然后由 L298 驱动芯片驱动步进电机转动，调节其转动角度。电机选用比较容易进行角度调节的步进电机，单片机与步进电机之间的连接采用 L298 驱动器，它是一种两相和四相步进电机专用驱动芯片。2.2.1 硬件方案选择说明硬件电路绘图平台为 PROTEL 软件， 所用元器件在其上绘出，例如 AT89C52 微控制器、电机驱动芯片 L298、42BYG 系列步进电机、电阻、电容、按键、肖特基二极管、转换开关等。逻辑框图如图 2 所示。8光电传感器步进电机 步进电机驱动器单片机图 2.系 统 硬 件 电 路 设 计光检测模块 1选用集成光电传感器 ULN3330，当器件顶部受到大于 50 Lx4的光照时就输出高电平，负载上没有电流；当光照不足 45 Lx 时，器件就