自定控制窗帘毕业设计.docx

摘 要摘 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，本文设计的自动窗帘控制系统可以解决这些问题。本文主要阐述了自动窗帘控制的设计过程。以AT89C52单片机为控制核心，以光敏电阻和温度传感器为传感器件，以步进电机为执行器件。在设计的同时对单片机的理论基础和外围扩展知识进行了比较全面准备。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框图、显示电路、检测电路、系统总控制模块、等相关电路；随后说明系统软件的编写过程，同样采用的是分块的模式，且每一个模块都给出了相应的流程图。本设计利用单片机实现了半自动控制、自动控制、定时控制的相互转换，智能的控制窗帘的动作。通过调试，手动开关窗帘、自动开关窗帘等控制方面的设计基本达到了预期效果。具有较强的实用价值。关键词：单片机；自动窗帘；步进电机；自动控制IAbstractAbstractNow，according to the requirements of living environments. This paper describes the process of intelligent curtain controller. This design uses AT89C52 microcontroller as the control，introduce microcontroller-based optical curtain curtain system，the main structural principle of the hardware and software programming to explain.In the design for monolithic integrated circuits，and peripheral to expand the basic the theories of knowledge was fairly comprehensive preparation.Block the model of hardware used，the circuit design of the entire system to analyze the overall block diagram of the system are given，display circuit，photoelectric switch circuit，system control module，power conversion circuits，protection circuits and other related circuit；then describes the software the preparation process，but also by the sub-block pattern，with each module to draw a corresponding flow chart.In this paper，use the AT89C52 microcontroller，according to their different modes，to achieve semi-automatic control，automatic control，timing control of the conversion and intelligent motion control curtains. Debugging by simulation，clock control，manual switch curtains，the curtains automatically switch the basic design of such control to achieve the desired effect，with a strong practical value.Key words：SCM；intelligent curtain；stepping motor；automatic controlIII1目 录目 录摘 要IAbstractIII1 绪论- 1 -1.1课题的研究背景和历史意义- 1 -1.2自动窗帘的发展现状及应用- 2 -1.3研究内容- 4 -2 总体设计- 5 -2.1拟定的几种方案- 5 -2.2总体方案设计- 7 -2.2.1系统基本功能- 7 -2.2.2系统总体结构设计- 8 -3 窗帘布料的选择- 9 -4 机械部分的设计与选型- 11 -4.1步进电机的选型- 11 -4.1.1计算负载力矩- 11 -4.1.2计算电机轴上的加速力矩- 12 -4.1.3确定步进电机最大静力矩- 13 -4.2转轴的设计- 14 -4.3 联轴器的选型计算- 15 -4.4 安装板设计- 16 -4.5左右安装座- 17 -5控制部分设计- 19 -5.1系统硬件分析设计- 19 -5.1.1系统硬件总设计- 19 -5.2单片机选型- 20 -5.3控制电路设计- 22 -5.3.1晶振电路- 23 -5.3.2复位电路- 24 -5.4检测电路设计- 25 -5.4.1光敏传感器- 25 -5.4.2温度传感器- 26 -5.5 执行电路设计- 27 -5.6键盘/显示接口电路- 28 -6 系统软件设计- 31 -6.1系统软件总设计- 31 -6.2系统软件子程序设计- 32 -7 测试和调试- 33 -7.1 硬件调试- 33 -7.1.1 步进电机- 33 -7.1.2 液晶显示器- 34 -7.2软件调试- 35 -8 总结与展望- 39 -8.1总结- 39 -8.2展望- 40 -致 谢- 41 -参考文献- 43 -附录A- 45 -VII1 绪论1 绪论1.1课题的研究背景和历史意义机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。 机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。 人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。 人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。像智能家居，互联网+等。新型科技的成果越来越贴近我们普通人的生活。“互联网+”是创新2.0下的互联网发展的新业态，是知识社会创新2.0推动下的互联网形态演进及其催生的经济社会发展新形态。“互联网+”是互联网思维的进一步实践成果，推动经济形态不断地发生演变，从而带动社会经济实体的生命力，为改革、创新、发展提供广阔的网络平台。智能家居的概念已经越来越被大家所了解和接受，所谓智能家居就是指以家为平台，兼备建筑、自动化，智能化于一体的高效、舒适、安全、便利的家居环境。它的目标是通过网络等信息通信技术手段实现对家居电器等的智能控制，使其能够按照人们的设定工作运行，而不论距离的远近。另外全自动的光控窗帘有以下优点：其一，改变人们的生活方式。单片机控制的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高效、舒适、便利、环保的居住环境。其二、牵动一大批产业。单片机控制的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。其三，开拓一个崭新的市场。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。因此，全自动的光控窗帘机的普及那是大势所趋。 自动窗帘是带有一定自我反应、调节、控制功能的窗帘。如根据室内环境状况自动调光线强度。使得达到室内人体适应的光线亮度而不至于对人眼睛的伤害为了解决这些生活中碰到的实际问题，自动窗帘设计便应运而生。1.2自动窗帘的发展现状及应用目前，国外已大量应用机器人技术，机器人自动化生产线成套装备已成为自动化成套装备的主流以及未来自动化生产线的发展方向。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、控制技术的迅猛发张，生活现代化得以实现，居住环境向舒适化、安全化发展。家居智能化在这种形势下应运而生。本次设计是基于单片机控制技术的随光线强弱来自动控制型自动窗帘。每个人对坏境室内光线强弱适应能力不同，室内主人可根据自己的需求自行调节所适应的最佳光线强度，连接电源并选择控制类型（自动控制/手动控制）。选择自动控制时，自动窗帘由室内光线强度的变化，而经由相关器件接收、处理、控制信号，达到自行调节窗帘的开合程度，从而使光线的强弱程度达到主人所预先设定的值范围。选择手动控制时，由于室内主人在黑夜白天的特殊需求而自行来控制窗帘的开合（例如在晚上、睡觉等时候，根据主人的需要是要求把窗帘闭合，而不影响睡眠质量，但是根据预先设定和程序设定，智能型窗帘是会依设定值打开窗帘的，所以需要手动控制来关闭窗帘）。在欧美等发达国家自动窗帘技术已经非常成熟而且被广泛使用。在2010年前自动窗帘已经进入我国，但一直没有大的推广，这两年随着电控技术的不断进步和自动窗帘售价的不断降低，自动窗帘热才又卷土重来。据了解全国共有170多家窗帘生产厂家获得了国家专利，但就其技术本身而言，还是大同小异，但售价却相差甚远。在10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。据了解，全国共有170多种电动窗帘器获得了国家专利，但就其技术本身而言，还是大同小异，但售价却有很大差别，贵的要数千元，便宜的只要500块。尽管自动启闭光控窗帘系统在国内是一个新兴的行业，但是，它也正以不可抵挡之势迅速崛起。自动启闭光控窗帘系统走进中国以来，在短短四年的时间里，自动启闭光控窗帘系统生产商由最初的几家公司增加到如今的百余家企业。目前，我国自动启闭光控窗帘系统生产厂商、分销商、集成商与装饰公司都形成了相当规模，不少国内知名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专业厂商，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。自动窗帘产品已开始走进中国的家庭。具报道，我国2004年售出商品房1.9亿m,如果每20 m需要一套窗帘架产品，仅此一项就可以年新增窗帘架产品近千万套加上。年新增窗帘架产品市场需求将不低于2000万套。如果单片机控制的遥控自动窗帘，销售占市场的5%左右，就可实现年产值上亿元。在国内，我们常用的窗帘轨道都是钢丝绳手拉式或滑轨式，只有一站部分高收入的家庭采用的是电动遥控轨道，这些轨道主要是由台湾和广东等地所产，价格相当昂贵。在国内智能窗行业起步晚，经验和技术上无法满足国内市场的需求，因此现在在国内只有一部分高端生活的消费者走在技术的前沿。但是从国内家电巨头及网络巨子的纷纷出手试水智能家居市场以及许多国际大企业对国内智能家居厂家并购案可以看出，中国智能家居市场潜在着巨大商机。全国房地产业蓬勃发展，小区智能化已成为一项基本要求，再配上智能家居，“全智能”的概念必然给房地产业带来新的卖点和活力，因此“全智能”是二十一世纪房产开发商力推的主题，这也意味着，我国智能家居产业迎来发展契机。国内的自动窗帘产品按控制方式分大体上有三种：声控、光控、时控，声控和遥控属于半自动类；而光控属全自动式。目前国内在遥控和声控方面技术比较成熟而完全自动化的光控型，因结构复杂，性能不够稳定或者说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而没有被广泛的使用。国外概况，在欧美等发达国家，智能化的电动窗帘已广泛应用。1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。在欧美等发达国家，电动窗帘已广泛应用。电动窗帘产品不但实现了电动化，还能通过红外线、无线电遥控或定时控制实现自动化，而且可运用阳光、温度、风等电子感应器，实现产品的智能化操作，降低了人们的劳动强度，延长了窗帘产品的使用寿命。根据美国该行业之专业顾问公司PARKS的统计资料显示：1995年，美国一个家庭要安装家庭自动化设备的平均费用在7000至9000美元之间。1995年美国家庭已使用先进家庭自动化设备的比率为0.33，看来市场真正启动尚需时日。预计这五年内，家庭自动化的市场年平均增长率为8。PARKS公司的资料亦显示：到2004年，家庭网络市场总额可达57亿美元。据国际专家预测，到2000年底国际智能家居的产品销售额可达24亿美元1.3研究内容本课题设计的自动窗帘主要通过周围环境的光照变化来控制电压变化，从而控制直流电机的正转和反转。当周围光照降低到某一数值时，电机开始正转，数秒后停止。此时电机处于停止状态。当周围光照上升到某一数值时，电机开始反转，数秒后停止。手动控制：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；温度传感器控制：传感器将温度显示在显示屏幕中供用户参考。- 3 -2 总体设计2 总体设计2.1拟定的几种方案首先拟定几个方案，分析各个方案的优缺点，通过对比来选出最好的为本次设计的首选方案。方案一：卷帘式自动窗帘该自动窗帘通过卷帘升降控制室内光线强度，控制系统通过单片机控制系统控制直流电机，从而带动窗帘自动的上升和下降的系统，并且能够通过光电传感器感应到环境光度以及亮度的强弱，反馈信号给单片机，然后单片机控制系统就会根据光电传感器反馈的信号改变自动窗帘颜色的系统，其结构布局图如图2.1所示。图2.1 卷帘式效果图卷帘式窗帘的优缺点：品质上乘的卷帘窗帘可以集遮阳、隔音、安全、便利等于一体。它一般分为手动和自动两种，如果需要还能与手动锁配合使用，只要你在里面上了锁，帘子便很难从外面打开;和布帘不同，如果卷帘与窗户的连接处处理得好，便可以起到很好的隔音效果。虽然不能做到百分之百隔音，也能解决不少问题;从遮阳的角度看，卷帘没有厚重的布帘效果好。但如果是使用了PVC材质的卷帘，其防紫外线的效果同样很好。一般情况下，卷帘比较适合用在卧室，尤其是孩子的房间。因为，卷帘的图案比较活跃，也不容易被孩子拉扯坏。方案二：百叶窗式自动窗帘窗帘设计成类似百叶窗的形式，通过步进电机可以精确控制每个叶片的旋转角度，从而控制开关程度的大小。当叶片与窗户面平行时，窗帘完全关闭；当叶片与窗户面垂直时，窗帘完全打开。效果图如2.2和2.3所示。图2.2 百叶式效果图图2.3 步进电机与百叶窗叶片连接截面图百叶窗帘优缺点：设计上与传统的窗帘设计有较大的区别，百叶窗帘可以自由控制室内的光线，良好的隔热性能，可以使得室内温度更加舒适，降低空调的使用率，提高能源效率，达到节能的效果。室内的光线一般可以通过窗帘来控制，这种百叶窗帘设计正好可以改变传统窗帘厚重，不透风的情况，在自由调节光线的同时还可以消除了室内电脑或电视屏幕上的眩光，提高了人的视觉舒适度。方案选取：鉴于方案一这种卷帘式结构简单，稳定故障率低。于第二种百叶式造价低廉等优点，我们选择方案一作为我们这次设计的方案。2.2总体方案设计自动窗帘控制系统总体方案设计是基于满足设计要求的前提并且根据理论上的可实现性和硬件上的经济实用性，而进行设计的重要环节。本章从人们对系统功能需求出发，在综合考虑各种因素的情况下，设计出自动控制系统的总体构架，并且在基本功能需求的基础上尽可能考虑系统的可扩展性。如图2.4所示。2.4 自动窗帘设计图2.2.1系统基本功能本控制系统提出可以根据光照以开关窗帘，具体有以下几大功能：（1）手动控制：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）光敏控制：根据光的强弱，实现窗帘的自动开关；（3）温度传感器控制：传感器将温度显示在显示屏幕中供用户参考。2.2.2系统总体结构设计自动窗帘控制系统设计的总体框图如图 2.5所示图2.5自动窗帘控制结构框图通过传感器采集的信号利用信号校正电路放大，滤波后输入到A/D转换器，传入的信号是由单片机来控制，并且做出响应，以实现电机的正转、反转与停止。显示模块是用来显示时间以及自动窗帘控制器的各种状态。键盘作为输入设备，通过不同按键来控制显示模块的显示内容和控制单片机的各种运转状态。- 9 -3 窗帘布料的选择3 窗帘布料的选择作为家饰中的一个重要部分，窗帘能很轻巧地改变室内的色调及风格，给家一个全新的感觉,甚至成为美化居室、调节心情的艺术品。倘若把窗户比做居室的眼睛,那么窗帘则是窗户的灵魂，若一间居室能因为窗户而明朗，一扇窗户也能因为窗帘而生动。简简单单一副窗帘，功能却不少，不但可以保护隐私，调节光线和室内温度，还可以用厚重、绒类布料的窗帘来吸收噪声，在一定程度上起到遮声防噪的效果。时至今日，窗帘更不可或缺地成为了家居装饰的一个要素。从功能认识窗帘保护私隐：利用光线、装饰墙面、吸音降噪等。窗帘布根据其面料、工艺不同可分为：印花布、染色布、色织布、提花布等。印花布：在素色胚布上用转移或园网的方式印上色彩、图案称其为染色布。其特点：色彩艳丽，图案丰富、细腻。染色布：在白色胚布上染上单一的颜色称其为染色布。其特点：素雅、自然。色织布：根据图案需要，先把纱布分类染色，再经交织构成色彩图案称其为色织布。其特点：色牢度强，色织纹路鲜明，立体感强。提花印布：把提花和印花两种工艺结合在一起称其为提花色布。多功能窗帘布是采用纳米功能助剂对丝、麻、棉等纺织成品进行纳米技术处理，使适合制作窗帘的花色布具有阻燃、隔热、隔音、抗菌、防霉、防水、防油、防污、防尘、防静电、耐磨等功能，集合了多种功能的布加工的窗帘，使用后始终不沾灰尘，免除了经常洗涤窗帘的烦恼，增强了布的隔热保温功能，属低碳节能型窗帘，市场上叫法很多，有的称抗菌窗帘，有的称防静电窗帘，有的称阻燃窗帘，名称繁多，因其具有的功能较多，且是通过窗帘布发挥功能，确切的名称应该是多功能窗帘布。卷帘窗帘要具有遮挡阳光辐射，阻挡热量，降低室内温度、节室内光线照度、防止眩光等基本功能，所以在选取卷帘窗帘的面料就显得十分的重要。随着面料行业的发展，更多的遮光面料涌入了市场。现在的人们对于面料的要求也是随之提高，但是同时对于卷帘窗的装饰性也是看的很重。本设计选用阳光卷帘面料，面料由玻璃纤维或聚酯纤维覆裹PVC涂层编织而成，具有微孔状结构，玻璃纤维更稳定，生产的工艺较为复杂。面料的稳定性很好，可以长期的使用，尺寸不容易被拉伸，在经过了长年累月的日晒的时候也不容易变形。开孔均匀，可提供不同的开孔率满足不同的遮阳要求。编织方法多样，提供平纹、斜纹、不规则纹等不同的织理效果，斜纹可提供双面不同颜色的效果。不同的颜色，达到不同的透视和装饰效果。助燃等级高，能满足高楼和公共建筑的较高的防火安全标准。适合一般的公共场所，能与周围的良好环境自然融合。如下图3.1所示：图3.1阳光卷帘面料4 机械部分的设计与选型4 机械部分的设计与选型4.1步进电机的选型步进电机作为执行原件是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。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(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以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。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。4.1.1计算负载力矩电机轴上的负载力矩一般由三部分组成，其一是由转轴转动负载力矩；其二是由转轴摩擦力产生的摩擦负载力矩；其三是由转轴的预紧而产生的附加负载力矩。每种负载力矩的计算方法不同。（1）转动负载力矩的计算：TC=FaL2i=14.6 Nm ( 41 )式中：TC转动负载力矩，Nm；Fa转向负载力，N；L电机每转一圈，窗帘移动的距离，m；传动系统总效率，取0.90；（2） 摩擦负载力矩的计算：Tu=Fa0L2i=3.56 Nm ( 42 )式中：Tu摩擦负载力矩，Nm；Fa0在不转动状态下，转轴的轴向负载力，N；（3）转轴预紧而产生的附加负载力矩T(Nm)的计算：Tf=FPL02i1-02=0.34 Nm ( 43)式中：FP转轴预紧力，N；L0转轴链接窗帘的基本导程，m；0转轴的效率，取0.98；（4）折算到电机轴上的负载力矩的计算：空载时：TKJ=Tu+Tf=3.9Nm ( 44 )转动时：TGJ=TC+Tf=18.16Nm ( 45 )4.1.2计算电机轴上的加速力矩Iap=29.8nmax680980taJm+Jd=5.27 Nm ( 46 )式中：Iap电机轴上的加速力矩，你Nmnmax转轴最快速度运动是电机的最高转速，r/min；Jm为电机的转动惯量，kgcm2；Jd转轴折算到电机轴上的负载惯量，kgcm2；计算折算到电机轴上的加速力矩：该加速力矩Ta就是电机轴上所需的加速力矩。一般有二种情况，一是窗帘移动部件空载快速启动时，系统所需要的空载启动加速力矩Tq，二是窗帘转轴转动状态下进给速度突然变化时，系统所需要的切削时的加速力矩Tt。（1）空载启动加速力矩的计算：Tq=Tap+TKJ=Tap+Tu+Tf=11.41 Nm ( 47 )式中：Tq空载启动加速力矩，Nm；（2）转轴转动时的加速度力矩Tt=Tat+TGJ=Tat+Te+Tf=8.74Nm ( 48 )式中：Tt转轴转动时的加速度力矩，Nm；4.1.3确定步进电机最大静力矩(1)最大静力矩 Ts的确定：步进电机最大静力矩 Ts的确定分三步进行。第一 根据由式计算所得的进给传动系统的空载启动力矩 TP和表 1所示的关系 , 计算系统空载启动时所需的步进电机的最大静力矩 Ts1。如表4-1所示。表4-1系统空载启动力矩TP与所需的步进电机的最大静力矩Ts1的关系步进电机的相数334455运行排数3648510TP/ Ts10.50.8660.7070.8090.9510.866第二 根据由式计算所得的进给传动系统在转动状态下的负载力矩T1，采用下式计算系统在切削状态下，所需的步进电机的最大静力矩 T2。T2=T10.30.5 ( 49 )根据T1和T2中的较大者选取为步进电机的最大静力矩，并要求TsmaxT1,T2。T2= 14.6 Nm，T1=3.9 Nm。所以TS=T2=14.6 Nm。根据以上的条件选用步进电机FL110BYG3A210型电机，电机参数如表4-2所示。表4-2电机参数电机型号最大静力矩(Nm)额定电流(A)相阻抗（ohms）相感抗（mH）长度（mm）重量（kg）FL110BYG3A210205.82.32.72108步进电机FL110BYG3A210型电机，当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或者两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）电机如图4.1所示。图4.1 步进电机FL110BYG3A210型电机4.2转轴的设计一般住宅建筑中，窗的高度为2米，窗台高度约为0.9米，窗顶距离楼面高度约为2.6米。若是窗台高度低于0.8米时要注意采取防护措施。窗户的宽度通常由0.6米开始，一般常见的窗宽1.5米，所有本设计采用高2.5米，宽为1.2米的窗口做为配置窗户。轴是组成精密机械的重要零件之一。一切作为回转运动的零件，都必须在轴上才能传递运动和动力。本设计所使用的轴，承受的负荷比较小，制造精度不高，要求材料具有较高的机械强度和良好的加工性能。T=TWr9550000pn0.2d3t ( 410 )式中： T扭转切应力，MPa；T轴所受的扭矩，Nmm Wr轴的抗扭截面系数，mm3;n轴的转速，r/min;p轴传递的功率，kW；d计算截面处轴的直径，mm；t许用扭转切应力，MPa;轴的直径dAo3pn ( 411 )查机械设计（第九版），表15-3.对于空心轴，侧：dAO3Pn(1-4) ( 412 )式中，=d1d,及空心轴的内径d1与外径d之比，通常取=o.5因此，材料选用Q235A，（Q235普通碳素结构钢又称作A3钢。普通碳素结构钢普板是一种钢材的材质），传动轴外径d=30mm，内径d1=mm，热处理为对轴进行调质处理。此转轴大致图形如图4.2所示。图4.2 转轴图4.3 联轴器的选型计算根据公式Tca=kAT ( 413 )式中：T公称转矩，Nm;kA工作情况系数:根据计算转矩Tca及所选的联轴器类型，按照TcaT的条件由联轴器标准中选定联轴器型号。式中T为该型号联轴器的许用转矩。输入轴的最小直径为安装联轴器的直径d，为了使所选的轴直径d与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩Tca=kAT，查机械设计（第九版）表17-3，由于转矩变化很小，故取KA=1.3，则Tca=kAT=1.3*408.24=14.6Nmm ( 414 )查联轴器选型手册表4-1，选膜片型弹性联轴器其工称转矩为55Nm，而电动机轴的直径为20mm,转轴直径为25mm,所以联轴器的孔径不能太小。取d1=20mm.d2=25mm。联轴器型号为KL3-C56-1925WP，如图2.9所示。载荷计算T=9.55106PN =14.6Nm ( 415 )已知KA=1.3 Tca=kAT=18.9Nm ( 416)膜片型弹性联轴器其工称转矩为25Nm，许用转速为6000r/min。特点：高灵敏度，高扭矩刚性，零回转间隙，顺时针和逆时针回转特性完全相同，不锈钢膜片补偿径向、角向和轴向偏差。利用夹紧螺丝固定。如图4-3所示：图4-3膜片型弹性联轴器 4.4 安装板设计安装板是自动窗帘整体结构与墙面进行固定，以保证自动窗帘处于平稳的状态进行工作。我选用材料Q235A，（Q235普通碳素结构钢又称作A3钢。普通碳素结构钢普板是一种钢材的材质）厚度10mm。并用4个直径为12mm的孔，用4个M12的六角头全螺纹螺栓：螺栓 GB/T5783 M1280。如下图4.4所示：图4.4 安装板4.5左右安装座左右两个安装座将联轴器，转轴和步进电机等主要工作部件于安装板相连，固定在窗户上面。安装座材料也选用Q235A。其中右安装座是固定电机和自身固定在安装板，中间的孔链接电机与联轴器。右安装座如下图4.5所示；左安装座自身与安装板链接，在通过中间孔与滚动轴承过盈配合链接，轴承链接在转轴左侧并固定。左安装座如下图4.6所示；滚动轴承选用常见深沟球轴承。查机械设计课程设计，表15-1。选用滚动轴承 6005 GB/T 276。图4-5 右安装座图4.6 左安装座- 19 -5 控制部分设计5控制部分设计5.1系统硬件分析设计总体硬件包括单片机外围电路、A/D转换电路，信号调理电路、检测电路、键盘/显示接口电路、步进电机控制电路等模块。单片机外围电路提供各种模块所需的5V电源和时钟模块；信号检测后是模拟信号，经过调理放大进入A/D转换后输出数字信号给单片机。5.1.1系统硬件总设计自动窗帘控制系统设计的总体框图如图5.1所示：图5.1自动窗帘控制系统设计总体框图根据光照和温度来开闭窗帘的主要原理是用光敏电阻采集外界的光强度，从光传感器采集的信号利用信号校正电路放大，滤波后输入到A/D转换器，由于A/D转换器件的转换需要一定时间，一旦在短时间内信号发生变化，转换结果将会出现偏差，所以在转换期应该采用采样保持电路。传入的信号是由AT89C52单片机来控制，并且做出响应，以实现电机的正转、反转与停止。显示模块是用来显示时间以及自动窗帘控制器的各种状态。键盘作为输入设备，通过不同按键来控制显示模块的显示内容和控制单片机的各种运转状态。5.2单片机选型单片机自70年代问世以来都以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，通过广泛的应用领域拉动得到了蓬勃发展，单片机功能也日渐完善。由于单片机的应用，使许多领域的技术水平和自动化程度都大大提高，可以不夸张的说当今世界正在经受着一场以单片机技术为标志的新技术革命浪潮冲击。主要的单片机类型如下：（1）MCS-51系列单片机MCS-51系列单片机主要指Intel公司生产的以51位内核的单片机芯片，具有8位CPU、4K字节的ROM、128字节的RAM、同时可扩展外部64K字节RAM和ROM、两个16位的定时器、四个8位并行I/O口、一个全双工串行I/O口、21字节专用寄存器、五个中断源、片内自带振荡器、片内单总线等功能部件。（2）AT89C52单片机AT89C52是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能的CMOS 8位微处理器，俗称为单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用了ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，和工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在了单个芯片中，ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器，外形及引脚的排列如图5-2所示：图5.2 AT89C52单片机外形及引脚排列AT89C52单片机主要的特性如下：（1） 和MCS-51产品指令系统完全兼容；（2） 4K字节在线编程Flash存储器，1000次擦写周期；（3） 工作电压范围4.05.5V ；（4） 全静态工作模式：033MHz ；（5） 三级程序存储器锁l内部RAM1288字节；（6） 三十二个可编程I/O口线l两个16位定时/计数器；（7） 六个中断源；（8） 全双工串行UART通道；（9） 低功耗空闲和掉电模式；（10） 中断可从空闲模式唤醒系统；（11） 看门狗（WDT）和双数据指针；（12） 掉电标识和快速编程的特性；（13） 具有掉电状态下中断恢复功能；（14） 灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）；因为AT89C52单片机片内有4K字节的在线编程Flash存储器，而且可以擦写1000次，具有掉电模式，而且具有掉电状态下中断恢复功能，对设计开发非常实用。所以选用AT89C52单片机作为自动窗帘系统的控制单片机。针对单片机控制的自动窗帘控制系统的自动化要求，实现其自动控制的方案： 方案基于温度检测以及声控检测器件的自动控制。系统框图如图5.3所示。图5.3方案的原理框图这方案都是基于单片机控制的，采用电机控制以及液晶显示器，不同的设计部分在于检测器件的选取上。通过光照来控制窗帘的开闭，以减少光照对室内的温度影响，且手动控制不容易出现误差。综合考虑以上因素，系统设计采用方案。5.3控制电路设计52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。52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20H2FH，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OOH7FH)，使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，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。52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52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。AT89C52单片机的引脚排列如图5.4所示：图5.4 AT89C52单片机的引脚排列图5.3.1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能力，所以，石英晶体震荡器的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，它还可以产生震荡电流，向单片机发出时钟信号。电路中的电容C1和C2的典型值通常选择为30F左右，该电容的大小会影响震荡电路频率的高低、震荡器的稳定性和奇珍的快速性。晶体震荡频率的范围通常在1.212MHz。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，更好地保证震荡器稳定、可靠地工作。89C52常选择震荡频率12MHz的石英晶体。单片机晶振电路图如图5.5所示：图5.5 单片机晶振电路图5.3.2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5.6所示。图5.6 复位电路图5.4检测电路设计自动窗帘要根据光照和是否有雨的情况而自动开关窗帘，因而需要用到光传感器和温度传感器。5.4.1光敏传感器在本设计中采用了光敏电阻，光敏电阻与碳膜电阻不同，它对光的变化非常敏感，在光的照射下，阻值会明显变小，所以叫他光导器件。光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机、太阳能庭院灯、石英钟、迷你小夜灯、光声控开关、路灯自动开关以及各种光控玩具、光控灯饰、灯具等光自动开关控制领域。光敏电阻的结构简单，该电路中的光敏器件选用的LDR1。光敏传感器根据是否有无窗帘来，有无窗帘是由两个红外接近传感器来确定。然后将得到的两组电压值进行比较，比较后的信号后，将数字信号送入单片机，单片机处理后输出命令控制电机正转或者反转，以实现通过光照和窗帘的开关功能。如图5.7所示：图5.7 光敏传感器电路图5.4.2温度传感器温度传感器检测室内温度，并将信号传送给单片机的显示部分，给用户提供室内的温度。温度传感器选用。传感如图5.8所示：图5.8 温度传感器电路图5.5 执行电路设计本设计采用的步进电机是FL110BYG3A210型混合式步进电机。驱动方式如表5.1：表5-1步进电机驱动方式导线颜色123456785红+4橙3黄2粉红线接电源5V，橙色电线接PL3口，黄色电线接PL42口，粉色电线接PL5口，由于单片机接口信号不够大需要通过LM298。放大再连接到相应的电机接口。电机控制系统电路如图5.9所示：图5.9 进电机控制系统电路图5.6键盘/显示接口电路键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据，传送命令等功能，是将温度传感器传送到单片机上的信号显示出来。按键部分由三个按键，分别是P20，P21,P22。P20是自动和手动转换的按键，P21是电机正转来实现窗帘的开启，P22是将电机反转来实现窗帘关闭。按键接口电路如图5.10示：图5.10键盘接口电路图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。（2） 数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。（3） 体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多（4） 低功耗：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。（5） 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。本设计采用的液晶显示器为1602字符型液晶显示器。（6） 1602LCD主要技术参数：（7） 显示容量:162个字符；（8） 芯片工作电压:4.55.5V；（9） 工作电流:2.0mA(5.0V)；（10） 模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm。（11） 1602液晶显示器引脚接口说明：（12） 第1脚：VSS为地电源。（13） 第2脚：VDD接5V正电源。（14） 第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。（15） 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。（16） 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。（17） 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。（18） 第714脚：D0D7为8位双向数据线。（19） 第15脚：背光源正极。（20） 第16脚：背光源负极。（21） 1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44