电动百叶窗设计与实现

编号： 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计(论文)说明书题 目： 电动遥控百叶窗的设计与实现 系 别： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 朱帅力 学 号： 0853200133 指导教师： 郝卫东 职 称： 副教授 题 目 类 型 ： 理 论 研 究 实 验 研 究 工 程 设 计 工 程 技 术 研 究 软 件 开 发 应 用 研 究2012 年 5 月 26 日I 摘 要随着生活质量的提高人们对居住环境要求越来越高，应用于改善室内光线的百叶窗也得到很大的发展逐渐趋向于自动化。本论文主要阐述了以单片机控制技术为核心，系统主要由单片机主控模块，红外线接收模块，LED 数码管显示模块，步进电机驱动模块，电源模块和百叶窗窗体结构组成；其中系统采用了 HX1838 红外接收头采集红外线脉冲然后将数据传给 STC12C2052 红外接收单片机解码，解码后的数据输送到 52 单片机主控模块从而达到驱动步进电机转动进而控制百叶窗卷帘的开合的目的。电动遥控百叶窗可以用红外线在 10 米内使电机 5 级速度的调速，可以快捷、方便的实现开合，在不同的室内场合具有广泛的实用空间。关键词：红外接收；步进电机；单片机；正反转；调速；百叶窗II AbstractWith the improvement of life quality people what living environment asks is more and more high, applied to improve the indoor light blinds also got a lot of development tend to automation. This thesis mainly states the single-chip microcomputer control technology as the core, system mainly by the single chip microcomputer control module, infrared receiver module, LED digital display module tube, stepping motor driver module, power supply module and the shutters form structure; Among them, the system adopted HX1838 infrared sensor acquisition infrared pulse and then will STC12C2052 infrared data to receive microcontroller decoding, decoding of data transmission to 52 single chip microcomputer control module so as to drive stepping motor rotation and then control of the purpose of opening the shutters shutter. Electrical control shutter can use infrared within 10 meters make motor level 5 speed control and speed regulation, can be quick, convenient realize close, in different indoor occasions has extensive practical space. Keywords: infrared receiver；stepping motor；scm；positive inversion；Adjust speed；Window shadesIII 目 录引言 11 任务要求与总体设计方案 11.1 设计任务要求11.2 总体设计方案 11.2.1 硬件设计方案 11.2.2 软件设计方案 32 系统硬件电路设计 42.1 红外线发射接收模块42.1.1 红外线发射码的分析 42.1.2 HX1838 内部结构及工作原理42.1.3 HX1838 硬件接口电路62.1.4 红外线解码电路及解码原理 62.2 单片机主控模块72.2.1 单片机方案选择 72.2.2 STC89C52 芯片功能 82.2.3 单片机主控电路设计 92.3 LED 数码管显示电路设计分析 102.3.1 数码管驱动方案的选择102.3.2 数码管驱动电路设计102.4 电源电路设计分析 102.5 步进电机驱动电路分析 112.5.1 步进电机选型与技术指标 112.5.2 步进电机工作原理与特性112.5.3 步进电机的驱动方案选择122.5.4 步进电机驱动电路原理图分析 122.6 百叶窗的机械结构 132.6.1 百叶窗的工作原理132.6.2 百叶窗机械结构设计133 系统软件设计 133.1 主程序流程设计 13IV 3.2 执行功能模块 143.2.1 红外线接收模块 143.2.2 LED 数 码管显示模块 163.2.3 步进电机驱动模块 174 系统调试 184.1 硬件电路调试 184.2 软件程序调试 195 结论 19谢辞 21参考文献 22附录 23V 1引言生活在提高，时代在进步，人类在向文明迈进，不同的时代对居住空间、环境有不同的要求，这是社会的必然潮流。单片机控制的自动窗帘遥控系统，既能解决每天手拉开和关上窗帘的不便，又显示出了生活的档次，同时还可以根据光线的明暗来自动控制窗帘的开关，以调节室内的光线，更进一步地满足了人们的享受要求。有的电动窗帘机的控制方式有固定式开关控制、遥控、光控、声控等，其中以前两种形式居多。就实用程度和经济角度来说，用固定式开关控制方式较好，这是因为窗帘的开闭不像电视机等家电产品开闭得那样频繁，每天开闭的次数不多，因此安装在固定的地方使用也相当方便，如把开关装在床头柜等电器综合控制系统中，睡在床上就能控制窗帘的开闭。利用触摸开关，实现全自动断电，既安全又节能，但最重要的一点就是没有实现完全的自动化，没的摆脱对人的依赖作用。而采用遥控控制时，需要候机电源，不可能完全断电而且增加遥控功能，也增加了成本，售价也相应提高。窗帘机的控制方式大体上有三种：声控、光控、时控，声控和遥控属于半自动类；而光控虽属全自动式，但因光敏器件的灵敏度，冬夏等不同季节的光照度的不同，以及人们对起闭窗帘在时间上的要求不同，而难以实施和普及。因此，时控式的全自动窗帘机便成了专业以及业余电子设计人员的热门课题。根据以上自动窗帘有些不能实现完全的自动化；有些虽然实现了完全的自动化，但结构复杂，性能不够稳定；有些虽然实现了完全的自动化，且性能还可以，但价格昂贵不适合普通消费者使用。所以我想利用价格相对便宜的红外线遥控发射芯片、单片机作为主要控制器件，来完成该系统的设计。1 任务要求与总体设计方案1.1 设计任务要求本设计利用 AT89S52 单片机进行系统控制，通过红外线反射接收各种代码指令利用 C 语言编程完成步进电机不同速度的控制。系统以遥控器上不同按键的数据来确定系统的显示模式，电机正反转和电机转速快中慢最终实现百叶窗的卷帘的三种速度的开合。1.2 总体设计方案1.2.1 硬件设计方案本系统为百叶窗电动开合任务，通过红外发射接收数据单片机解码程序，只要程序指令正确单片机控制驱动芯片驱动电机实现百叶窗卷帘开合。本设计是基于单片机 AT89S52 控制为核心，由红外线反射接收模块，复位电路，晶体振荡电路，电机驱动电路，显示模块，电源设计电路和百叶窗窗体机械结构组成。系统原理框图如图 1-1 所示。2STC89C52电源电路红外线接收电路数码管显示电路步进电机驱动电路百叶窗卷帘机械结构红外遥控按键图 1-1 系统原理框图（1）遥控方式方案的设计方案一：无线遥控是利用无线信号在空气中传播可根据无线电波的频率来遥控可穿透一定的障碍物，它的特点是无方向性、可以不面对面控制、距离远、容易受电磁干扰。方案二:红外线遥控属于光传波是利用红外线来传播电信号，不能穿透障碍物，发射端和接受端必须对准，它的特点是有方向性、不能有阻碍、距离一般不超过 7 米、不受电磁干扰。硬件电路比较简单，更经济，调试方便。方案三:有线遥控具有通讯可靠、抗干扰能力强但其专线专用成本高、维护及更换难度高费用大、适应范围有限、寿命低耐用能力低、操作复杂。因此在遥控方式上选择方案二。（2）显示模块方案的设计方案一:数码管一般就是一个七段的八字，它的显示亮度高更适合在白天等强光条件下显示，使用的温度范围广，显示比较稳定，性价比高且驱动部分的软件简单但其耗电量大和显示内容单一。它不仅可以很好的显示出电机的正反转还可以直观显示出其速度。方案二:液晶显示器的驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁，其不仅可以很好的显示出电机的正反转还可以直观显示出其速度。但其驱动部分的软件复杂，有温度范围限制且因是反光式，在外界光线很明亮的情况下很容易看不清且价格也比较贵。方案三:发光二极管显示响应速度快、功耗小、体积小、使用寿命长、高亮3度低热量、设计电路比较简单且价格较便宜但其显示的分辨率低、显示内容单一不能显示出电机的速度。因此，在显示模块上选择方案一。（3）电机的选择方案设计方案一: 采用直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转；能满足生产自动化系统各种不同的特殊运行要求。直流电机的工作状态可分为两种：开环状态和闭环状态。直流电机工作在开环状态时，电路相对简单，但其定位性能比较差。直流电机工作的闭环状态时，其定位性能精确，但是相对开环状态又要增加很多检测器件，使用的元器件多，电路非常复杂。方案二:三相异步电动机启动时电流小对电网无冲击电流从而减小负载的机械冲击，启动电压及其上升斜率和启动时间可根据负载进行调节实现电平平稳启动,可实现电动机短路保护、缺相保护、过热保护、欠压保护，电动机在轻载或空载时输出电压随负载而变化实现节能运行但其硬件电路设计复杂，驱动软件部分复杂且成本高。方案三: 采用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、启停的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机一个脉冲信号， 电机则转过一个步距角。因此，步进电机具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能立即使步进电机启动或反转，而且步进电机的转换精度高，驱动电路简单，非常适合定位控制系统。因此，在电机的选择上选择方案三。（4）系统电源电路方案设计本系统电源是由 4 节 1.5V 电池串联形成的电源和 USB 电源构成，可驱动单片机最小系统运行和电机运行，能够输出固定直流电压 5V、6V。电路方便简单、性价比高。1.2.2 软件设计方案本系统软件设计采用的是 C 语言编程，运用 Keil uVision4 软件平台进行编程及编程查错，再通过编程器下载程序。对于硬件的模块设计方式，软件部分也采取分模块编程，再通过主程序调用子函数从而实现系统整个软件功能。使用模块化结构形式是为了使程序的编写、调试及控制变得更方便，也为了便于推广到其他过程控制对象。程序控制共有 4 部分子程序，分别为主程序、电机控制程序、接收和发送4子程序、数码管显示子程序。主程序在初始化完成后，依次循环执行上述子程序，分别实现其相应功能。2 系统硬件电路设计2.1 红外线发射接收模块2.1.1 红外线发射码的分析（1）红外线发射码的组成使用红外线接受头接受遥控器发射的红外线，再通过单片机解码，那就必须先了解红外线发射器所发射的红外线码的组成。一般的彩电、VCD 遥控器的编码，大概有以下两种编码格式。第一种格式为 1913、9012、1621 格式；第二种为 3010 格式。本系统遥控器使用的是第一种格式中得 1621 格式。格式 1621 中当按下遥控器上的某个按键时，遥控器将发射出一帧数据，帧数据的编码格式由三部分组成：引导码、客户码和数据码，见图 2-1 所示。图 2-1 1621 帧格式对于一个遥控器来说，每个按键所发射的帧数据的客户码总是一样的，有区别的只是数据码。其中 9012 和 1913、1621 格式的唯一区别就是引导码的高电平宽度不一样，9012 格式为 4.5ms，1913 和 1621 格式为 9ms。帧结