智能窗帘升降系统的设计.doc

本本科科毕毕业业论论文文 智能窗帘升降系统设计 专 业 名 称 电子信息科学与技术 申请学士学位所属学科 理学 指导教师姓名、职称 谭静芳 讲师 2010 年 5 月 1 日 摘要 I 摘要 随着电子技术和自动化技术的发展，人们对生活质量的要求越来越高。窗 帘的基本作用是保护业主的个人隐私以及遮阳挡尘等功能，但传统的窗帘您必须 手动去拉动，每天早开晚关也是挺麻烦的，于是智能窗帘在最近几年得到迅速发 展，并广泛应用于智能大厦、高级公寓、酒店和别墅等领域。在欧美等发达国家， 遥控窗帘已广泛应用。在 10 年前，遥控窗帘就已经进入我国，可一直没有得到 推广，这两年，随着电控技术的不断提高及价格的不断下降，遥控窗帘热才又卷 土重来。本文设计的智能窗帘升降系统是采 89C2051 单片机的最小系统设计，控 制一个 220V 的可逆、直流电动机控制窗帘的拉开和关闭。该系统可通过红外遥 控器对窗帘的开或关进行控制，并设两个手动开关，当遥控器失灵时，可通过手 动开关来控制窗帘的开和关。 关键词：关键词：关键词必须是摘要里的词关键词必须是摘要里的词 中文摘要的内容我又给你改了一下，你对应着把英文摘要改一下！中文摘要的内容我又给你改了一下，你对应着把英文摘要改一下！ ABSTRACT II ABSTRACT With the development of electronic technology and automatic technology, people have more and more high expectations for life quality. The home electric equipment products are in constant update too. Imitated it to the figure; From the discrete component to the integrated circuit; From ordinary to high performance , multi-functional type; By manual to control to infrared ray remote control, to intelligent to develop. Nothing more than the basic role of curtains to protect the owners privacy and sun block dust and other functions, but the traditional curtain you have to manually pull off a day early opening night is very troublesome, so electric curtain has developed rapidly in recent years and widely used in intelligent buildings, senior apartments, hotels and villas and other areas, as long as the remote control at the touch, curtains automatically open and close, very convenient. In Europe and the United States and other developed countries, electric curtain has been widely applied. 10 years ago, the electric curtain had entered China, could have been no major promotion, the last two years, with electronic control technology continues to improve and prices continue to drop, the electric curtain heat until they come back. It is understood, there were more than 170 kinds of electric curtain device obtained national patent.It adopt minimum system , 89C2051 of MCU design , control one 220V reversible changing speed the motor control to draw back and shut off the curtain. Key words: infrared ray launcher signal code；infrared ray receiver signal code；Remote control；Intelligence； Serial mouth 目录 III 目录 1.1.引言引言.1 1.1 电路设计简介 .1 1.2 电路设计原理.1 1.2 智能窗帘系统的特点.2 1.4 电路设计的理论、实践意义 .2 2.2. 单位电路设计单位电路设计.2 2.1 单片机简介和接口技术 .2 2.2 红外线遥控电路模板.4 2.2.1 红外线遥控发射器 .4 2.2.2 红外线接收电路 .5 2.3 窗帘控制原理 .6 2.3.1 窗帘控制原理图 .7 2.3.2 工作原理解说 .7 2.3.3 遥控器按键功能 .10 3.3. 系统软件设计系统软件设计.11 4 4 . .设计结论设计结论.14 4.1 设计总结.13 4.2 设计心得 .13 参考文献参考文献.14 致致 谢谢.15 泰山学院本科毕业论文 1 引 言 伴随着住房条件的不断改善，尤其是近几年随着房地产业的繁荣，中高档 住宅越来越多，人们对住宅环境的要求日益提高。而家居智能化系统的应用能够 为人们在生活的诸多方面提供极大的舒适空间。而作为智能家居系统中必不可少 的智能窗帘升降系统已为人们逐步了解并接受。它涵盖了安防、报警、检测、控 制等功能，使普通窗帘升级为智能窗帘。使楼宇、居家立显高贵、豪华气派。已 深受政府部门、广大房地产开发商、装饰工程商、设计单位、业主用户等的喜爱 与重视，成为人们生活中不可或缺的居家智能新宠！ 当今，计算机技术带来了科研和生产的许多重大飞跃，微型计算机的应用 已渗透到生产、生活的各个方面。其中单片机问世不久，然而体积小、廉价、功 能强，其销售额每年近 80%的速度增长。它的性能不断提高，适用范围越来越宽， 在计算机应用领域已占有日益重要的地位1。 近几年来，随着科学技术的发展和人民生活水平的日益提高，城市建设步伐 的加快，一栋栋居民楼、写字楼、宾馆拔地而起。进入寻常百姓的家用电器品种 与数量愈来愈多，这些家用电器有的能减轻人们的家务、有的能丰富人们的文娱 生活，有的则能提高人们的生活质量 为了进一步满足人们高水准生活的需要，家用电器产品性能也在不断地更新 换代，从始初的晶体管、到电子管；由模拟到数字；由分立元件到集成电路；从 普通向高性能、多功能型；由手动控制向红外线遥控、向智能化发展。与此同时， 窗帘作为装修业不可缺少的一部分，也日益火爆起来，目前，常用的窗帘轨道都 是钢丝绳手拉式或滑轮式，只有一部分高收入的家庭采用是电动遥控轨道。但价 格相当昂贵，不能普及，所以设计的目标就是实现功能全、造价省，能够进入大 众生活，一款使用微电脑管理的、红外遥控器控制的多功能窗帘，控制器符合当 今的发展趋势。该窗帘控制器采用 89C2051 单片机的最小系统设计，控制一个 220V 的可逆、直流电动机控制窗帘的拉开和关闭。 窗帘控制器可以使用红外遥控器进行远程手动开、手动关和手动停控制； 泰山学院本科毕业论文 2 可以执行事先输入的开启时间和关闭时间进行时间控制；还可以根据室外环境亮 度实现环境亮度光控。三种工作方式可以方便地进行选择，当选择时间控制的方 案时，数码管还能显示当时小时和分钟时间，不过时间数据只能顺序显示，显示 一遍后，略等片刻再显示下一遍时间。另外、电机拉动窗帘的工作的时间长度， 电机工作的时候是否有鸣响提示，以及光控状态下环境亮度的控制参数的调整等 等都可以通过遥控器进行设置。 1. 系统整体设计简介 1.11.1 电路功能简介 该电路可通过红外遥控器对窗帘的开或关进行控制，可通过遥控器将系统设 成自动状态，当家中多日无人时，系统将自动监测白天和晚上，晚上窗帘自动关 闭，并使照明灯亮两小时，白天窗帘自动拉开(表示家中有人)。设两个手动开关， 当遥控器失灵时，可通过手动开关来控制窗帘的开和关。 1.21.2 电路设计原理 电路可以由三种不同的方式来控制窗帘动作，主要通过不同的按键模式。在手 动模式下，有四个按键对其进行操作，可以控制电机的正反转，即可实现窗帘的开 关和自动/手动方式的转换；若处于自动状态下，用光敏电阻对外部环境进行采光， 通过单片机对电机进行控制，实现天亮窗帘自动打开，天黑窗帘自动关闭这一功能； 若采用遥控方式，则可以将键盘的功能转到遥控上，用遥控电路对其控制，对窗帘 的运动实现遥控的功能。 1.31.31.3 智能窗帘系统的特点智能窗帘系统的特点智能窗帘系统的特点 1、适用性：具有多种不同档的开启和关闭速度，不同的场合可选用不同的 速度。 断电时，可手动开启及关闭系统。 泰山学院本科毕业论文 3 2、安全性： 窗帘驱动设备装有可靠的安全设防保护装置，用户可放心使用。 3、兼容性：该系统备有手动、智能线控按钮、遥控器。当窗帘完全开启或 关闭时，驱动器能及时停止工作。发生新技术，直流电机技术作为一项高新技术 自问世以来，就受到社会各界的广泛关注，并以它自身的技术特点迅速改变了人 们对传统事物的看法。 4、智能化：系统定时控制器能预先在 24 小时内进行多次自动开启与关闭的 设置。如遇您外出，系统会按照您的习惯在每天同一时间自动开启及关闭窗帘， 确保安全。另外，通过系统专用遥控器及专用位置码接受器一并设定，该系统设 备能单独或同时控制不同的窗帘系统。 1.41.4 电路设计的理论、实践意义 用单片机实现窗帘控制，为传统的手拉式或滑轮式窗帘应用模式转轨到新的 红外遥控模式提供了具体解决方案，也为窗帘的智能化发展提供了新的思路。 2. 硬件电路设计 2.12.1 单片机简介单片机简介与接口技术与接口技术 89C2051 是由 ATMEL 公司推出的一种小型单片机，95 年出现在中国市场。 其主要特点为采用 Flash 存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与 MCS-51 完全兼容，且采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，可以很快被中国广大用户接受。其程序的 可擦写特性，使得开发与试验比较容易，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活 性高且价廉的方案。 89C2051 的特点：89C2051 有很宽的工作电源电压，可为 2.76V，当工作 泰山学院本科毕业论文 4 在 3V 时，电流相当于 6V 工作时的 1/4。89C2051 工作于 12Hz 时，动态电流为 5.5mA，空闲态为 1mA，掉电状态仅为 20nA。这样小的功耗很适合于电池供电 的小型控制系统。 AT89C51 具有以下几个特点： AT89C51 与 MCS-51 系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容； 片内有 4k 字节在线可重复编程快擦写程序存储器； 全静态工作，工作范围:0Hz24MHz； 三级程序存储器加密； 1288 位内部 RAM； 32 位双向输入输出线； 两个十六位定时器/计数器 五个中断源,两级中断优先级； 一个全双工的异步串行口； 间歇和掉电两种工作方式。 AT89C2051的结构图： 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:19-Jul-2007Sheet of File:D:protel991.DDBDrawn By: RES 1 RXD 2 TXD 3 X2 4 X1 5 INT0 6 INT1 7 T0 8 T1 9 GND 10 P3.7 11 P1.0 12 P1.1 13 P1.2 14 P1.3 15 P1.4 16 P1.5 17 P1.6 18 P1.7 19 VCC 20 AT89C2051 图 1 AT89C2051 单片机引脚 引脚功能说明： RST：复位输入 VCC：电源电压 RXD：串行输入口 TXD：串行输出口 泰山学院本科毕业论文 5 X1：振荡器的输入端 X2：振荡器的输出端 INT0*：外部中断 0 INT1*：外部中断 1 T0：定时器/计数器 0 外部输入 T1：定时器/计数器 1 外部输入 P1 口是一组 8 位双向 I/O 口 P3.7 双向 I/O 口 2.22.2 红外线遥控电路模块红外线遥控电路模块 2.2.12.2.1 遥控发射器遥控发射器 工作原理：图 2 为红外线发射电路原理图，K0 至 K7 为遥控按钮，单片机 P3.4 端口控制红外线的发射。T1 作为发射时间控制器，T0 作为红外线发射频率 控制器。当有按键按下时，控制软件启动定时器 T0、T1， T0 定时溢出，中断程 序使 P3.4 端口状态反转一次，写入定时器的初值不同，在输出端口就可得到不 同的发射频率。T1 定时溢出，中断程序关闭 T0 定时器，停止红外线发射。软件 设计参数为：T1 定时时间为 100ms，K0 至 K7 按钮所对应的红外线发射频率分别 为 300、600、900、1200、1500、1800、2100、2400 Hz。 图 2 红外线发射电路原理图 2.2.2 红外线接收电路红外线接收电路 泰山学院本科毕业论文 6 电路原理： 本电路见图 3，主要由红外接收头和 IC4069 组成的红外控制开 关电路。红外接收头静态时输出高电平。当收到遥控发射器送来的红外脉冲信号 时，接收头的第 3 脚输出低电平（脉冲信号） 。经 ICa 整形、放大、倒相而得到 负脉冲信号，再由 D5、C4、R3 检波，延时送至 ICb（达到反相器的阈值电压） ， 致使 ICb 输出低电平，然后 C4 端电压经 R3 放电，使 ICb 输入端低于反相器的阈 值电压，ICb 输出端恢复高电平。这样，每按动一次红外发射器，在 C6 输出端就 得到一个负脉冲信号，去触发由 ICc 和 ICd 组成的双稳态电路，促使双稳态电路 翻转，输出 H 或 L 电平，通过 R8 控制单向可控硅的导通或截止。 图 3 红外接收电路 2.3窗帘控制原理 本文介绍一款使用微电脑管理的、红外遥控器控制的多功能窗帘控制器。 该窗帘控制器采用 89C2051 单片机的最小系统设计，控制一个 220V 的可逆、变 速电动机控制窗帘的拉开和关闭。 窗帘控制器可以使用红外遥控器进行远程手动开、手动关和手动停控制； 可以执行事先输入的开启时间和关闭时间进行时间控制；还可以根据室外环境亮 度实现环境亮度光控。三种工作方式可以方便地进行选择，当选择时间控制的方 泰山学院本科毕业论文 7 案时，数码管还能显示当时小时和分钟时间，不过时间数据只能顺序显示，显示 一遍后，略等片刻再显示下一遍时间。另外、电机拉动窗帘的工作的时间长度， 电机工作的时候是否有鸣响提示，以及光控状态下环境亮度的控制参数的调整等 等都可以通过遥控器进行设置。 2.3.12.3.1 窗帘控制器原理图窗帘控制器原理图 红外遥控窗帘控制器电路原理图如图 4 所示。 图 4 控制器电路原理图 2.3.22.3.2 工作原理解说工作原理解说 电路分为 8 个部分，分别是电源部分、显示部分、鸣响提示部分、红外线 接收部分、数据储存部分、光控电路测光部分、电机控制执行部分、单片机主 控器件部分。 电源部分通过外接插座输入交流 12V 或者直流 13-14V 电压，交流电经过整 流滤波后，输出电压为 12V 的 VDD，为控制继电器提供工作电压。同时经过 3 泰山学院本科毕业论文 8 端集成稳压器 IC2 稳压后输出 5V 电压 VBB,为讯响电路、红外接收电路、显示 电路提供电源，5V 电源经过二极管 D4、限流电阻 R18 后，为单片机提供 VCC 电 压，E1 是直流供电电源，电压为 3V3.6V,在本电路中为了节省成本，使用两 节 5 号普通电池，C6 和 C7 是单片机电源滤波电容。平时交流电正常的情况下， 5V 电源为单片机供电的同时，也为电池充电，大大延长了电池的使用寿命，当 交流电停电的时候，电池仅为单片机供电，单片机在掉电状态下维持时钟的正 常走时，VBB 供电被 D4 隔断。在控制器设置成手动控制时，单片机除执行任务 外，均处于睡眠状态，遥控器信号的到来，单片机从睡眠中唤醒，恢复正常工 作，所以手动状态下当交流停电时，电池的耗电电流更小。 显示电路使用一个 0.56 英寸的共阳高亮度数码管，限流电阻取用 1 1.5K。 鸣响电路由单片机的 P1.0 兼用，除驱动数码管的数点之外，兼用音频信号 输出，音频信号通过 R20、C10 输入到三极管 V6 的基极上，三极管驱动发声器 发声。二极管 D3 用来提供 C10 的放电回路，保证交流信号的正常耦合。发声器 发出的声音有单片机软件来实现和控制，不同的情况下发出不同音调、不同时 间长度的鸣响来，也可以编制乐音声音发声。 红外线接收电路使用一个集成红外接收器，型号是 PIC-12043，在这里输 入端的信号直接送入单片机的 P3.2 口。静态时输出端输出高电平，当接收到红 外信号后，按红外信号的数据波形输出负脉冲数据信号。红外信号输出到单片 机的 P3.2 ，该口对应的第二功能是外部中断 0 (INT0)，利用该口的第二功能， 一旦红外线信号到来，P3.2 被拉低，单片机中止当前的工作转移到接收、处理 红外信号。开启中断功能的目的，既减轻了单片机的工作负担，又保证接收到 的红外信号的完整性，同时在手动工作状态下，单片机进入睡眠后，利用外部 中断功能完成对单片机的唤醒。 光控电路有 GM1、C5、V3 组成，利用了单片机的 P3.4 和 P3.5 完成对环境 亮度的测试工作。GM1 可以使用光敏电阻或者光敏二极管，本电路中使用光敏 二极管。C3 和 GM1 组成 RC 充放电回路，P3.4 处于高电平的时候，P3.4 的高电 泰山学院本科毕业论文 9 压用过 GM1 的正向电阻向 C3 充电，当 P3.4 被单片机拉低后，C3 通过光敏元件 放电，光敏二极管工作在反向电压状态下，此时环境亮度决定了光敏二极管的 光阻值，光阻值大，C3 放电速度慢，反之放电速度快。适当控制 P3.4 的拉低 脉冲宽度，使得 C3 放电工作在线性比较好的一个工作段上。P3.5 用来检测 C3 在 P3.4 拉低期间放电的电压状态，当 C3 电压下降到 1/2VCC 以下后，P3.5 测 得数据“0”，反之测得数据“1”，为了减小 P3.5 对 C3 充放电的影响，C3 充 放电电压通过三极管 V3 组成的射极输出器连接到 P3.5 上，射极输出器的高输 入阻抗减小了 P3.5 对 RC 充放电电路的影响。 电机执行部分完全受单片机的控制，通过单片机的 P3.0 和 P3.1 完成。单 片机复位状态下 P3.0 和 P3.1 输出高电平，三极管 V1、V2，V4、V5 截止，两个 继电器 J1、J2 释放状态，方向可逆的电动机因无电源供电而停止。当 P3.0 或 者 P3.1 其中有一个被拉低后，两个继电器便会有一个导通，例如 P3.0 拉低后 V1 导通、V4 导通，J1 吸合，电机得电转动，当只有 P3.1 拉低后，电机则反方 向转动，实现了窗帘的拉开和关闭。 两个继电器的工作状态受单片机控制，在同一个时间内两个继电器仅能有 一个吸合。即便是在电机工作期间，操作了反向转动按键，单片机也是先释放 当前工作的继电器，并延时一段时间后再吸合另外一个继电器，防止了电机正 反工作线圈同时通电的冒险。 单片机是本电路中的核心器件，担负整个电路的管理。电路中使用 P1 口的 8 个 I/O 口分别驱动数码管的 7 个笔划和数点。这样做的目的是 AT89C2051 用 于本电路中，其 I/O 口比较富裕，这样的驱动显示节省一个显示驱动电路，同 时显示的数字和字符完全通过软件编写的，可以编写更多的字符。所以数码管 除显示 09 数字外，还可以显示软件编辑的任意字符，数点用来指示工作状态 和不同的设置状态。单片机的复位脚使用 C1、R14 组成上电复位电路，K1 是手 动复位按键。 泰山学院本科毕业论文 10 书点控制脚兼用鸣响信号输出端，输出的音频信号通过 R20、C10 输入到 V6 的基极，放大后推动发声器 Y1 发声。D3 是 C10 的泄放电阻，保证交变信号 的正常耦合。 单片机的 P3.3 和 P3.7 口作为 IIC 储存器的总线，本电路使用 AT24C02 完成对设置状态和设置数据的储存17。 本电路中的硬件比较简单，其功能的实现主要由软件完成。 2.3.32.3.3 遥控器按键功能遥控器按键功能 遥控器面板示意图如图 5 所示。结合下面的软件流程说明按键功能的意义： 红外遥控按键的功能分为三部分，直接操作部分窗帘电机的正转、反转和停止 操作。设置部分输入定时打开窗帘的时间；定时关闭窗帘的时间；输入当时的 时间；开关整点报时功能；开关电机工作的时候声音提示功能；设置电机运行的 时间长度；选择定时、光控、手动控制的方式；查询现在预设工作状态和预设定 时时间以及光控级别等。第三部分是系统复位，不论在任何的工作状态下，总复 位操作能将窗帘控制器恢复到开始状态下23。 泰山学院本科毕业论文 11 3 456 7890 12 图 5 遥控器面板示意图 工作方式的选择是选择时控、光控和仅仅手动控制方式之一，在时控和光控 状态下，手动控制仍然有效，在手动状态下仅能手动遥控操作。手动状态下的单 片机非工作期间进入睡眠状态。 电机工作时间长度设置，是根据用户窗帘的长度不同，设置对应的电机一次 运行时间，保证在时控和光控状态下窗帘拉开或者关闭到位。 测试环境亮度是根据不同用户窗帘安装位置处的环境亮度不同，以及用户光 控拉开和光控关闭窗帘的环境亮度的要求不同，让用户自行选择环境亮度。 声音开关是开启或者关闭电机在运行的时候，鸣响器是否配合运行发出一种 “嘀嘀嘀嘀”的断续提示音，以便用户听觉感知窗帘的工作。 当工作在时控和光控状态下，并进行当时时间校正以后，内部的时钟开始走 时，而且时间数据在一个数码管上，按时分方法顺序显示当时时间的小时和分钟， 显示一遍之后，停止 1 秒钟，以便区分一个完整的时间显示完毕。在此时如果开 泰山学院本科毕业论文 12 启整点报时功能，一旦时钟到达整点，鸣响器发出声音报时，长声音表示 10 个 点，短促声音表示一个点。 3系统软件设计 程序总体结构设计思想: 从总的设计出发点来说，窗帘的设计方向是面向一般的家庭使用，所以从硬件 的选择到程序的设计都考虑开发的成本和系统的整体的性能，要求做到体积小、重 量轻、单一电源、低功耗、功能强、价格低廉、抗干扰能力强等特性。应用光控原 理工作，天亮窗帘自动打开，天黑窗帘自动关闭。由运放组成比较电路，同向输入 端有两个电阻分压得到一个电压值，作为基准电压进行比较，而反相输入端用一个 光敏电阻对外部环境的光线进行采集，利用光敏电阻暗时电阻大，亮时电阻小的特 点，来确定反向输入端的电压值。再两者进行比较，比较后的信号再送入单片机的 P3.0 口，从而通过继电器来控制电机的正反转，来实现天亮窗帘自动打开，天黑窗 帘自动关闭这一自动控制功能。 本系统采用单片机的汇编语言来进行程序设计。程序流程图如图 6 所示。 泰山学院本科毕业论文 13 图6 智能窗帘控制流程图 4 设计结论 4.1 设计总结 窗帘其基本的作用无非是保护业主的个人隐私以及遮阳挡尘等功能，但传统 的窗帘您必须手动去拉动，每天早开晚关也是挺麻烦的，特别是别墅或复式房的 大窗帘，比较重，而且长，需要很大的力量才能开关窗帘，很不方便；于是电动 泰山学院本科毕业论文 14 窗帘在最近几年得到迅速发展，并广泛应用于智能大厦、高级公寓、酒店和别墅 等领域，只要遥控器轻按一下，窗帘就自动开合（百叶窗可以自动旋转） ，非常 方便；采用智能电动窗帘控制系统还可以实现窗帘的定时开关，场景控制等高级 控制功能，真正让窗帘成为现代家居的一道亮丽风景线。 应用 Protel DXP、Multisim 等软件进行制图、仿真测试，得到了可靠的设 计结果。 电路中没有用到复杂的集成芯片，电路结构简单但是在运行的时候会提高可 靠性，符合设计的初衷。电路的元器件较少，用较小的电路板就可以组装完成， 在安装使用时不会占用太多空间，不会影响美观。 4.2 设计心得 将电路按功能划分为小单元来设计，使设计思路更加清晰，节省了大量的 时间。 在设计中初步了解了光控制电路的工作原理，学会了