毕业设计（论文）-基于AVR单片机的智能遥控窗帘系统设计.doc

基于AVR单片机的智能遥控窗帘系统设计学 院（系）： . 专 业： . 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： . 评 阅 教 师： 完 成 日 期： .基于AVR单片机的智能遥控窗帘系统设计摘 要本论文主要对利用AVR单片机ATmega16设计一种智能遥控窗帘系统设计的问题进行了研究。针对智能遥控窗帘系统的功能要求，本设计以ATmega16单片机为核心器件。其主要模块有单片机控制系统，电机驱动模块，光敏检测模块，红外线收发模块，显示模块和电源模块。利用光敏二极管检测光照强度的变化，单片机通过电机驱动模块控制着电机的正反转实现窗帘的来回移动，由遥控器控制选择工作模式，构成一个只能遥控窗帘控制系统。其中，光敏控制模块由光敏二极管和NE555定时器构成，电机驱动模块采用ULN2003实现电机的驱动，而红外线收发模块由红外遥控器和红外线一体化接受头构成，电源模块实现给整个系统供+5V的电源。经过程序编制，制作电路板和调试，基本达到了我们所期望的系统功能。本文设计具有硬件结构简单、操作方便、功能实用和在智能家居等领域应用前景广泛等的特点。关键词：AVR单片机；智能；红外线遥控；光敏电阻- I -基于AVR单片机的智能遥控窗帘系统设计AbstractIn this paper, Key Words：Write Criterion；Typeset Format；Graduation Project (Thesis)- III -目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 问题的提出11.2 国内外研究现状11.3 本文主要工作12 智能遥控窗帘的基本原理42.1 AVR单片机ATmega16简介42.2 驱动芯片ULN2003原理52.3 红外线接收的基本原理73 智能遥控窗帘的设计7 3.1 整体设计框架8 3.2 单元电路设计10 3.2.1 电机驱动电路的设计13 3.2.2 红外线接收发电路的设计13 3.3.3 光线采集电路的设计13 3.4.4 电源及像是模块电路的设计13 3.3 工作过程14 3.4 特 点15 4 关于智能遥控窗帘的仿真与实现16 4.1 仿真环境17 4.2 仿真过程分析17结 论17参考文献18附 录19致 谢21基于AVR单片机的智能遥控窗帘系统设计1 绪 论1.1 问题的提出生活在提高,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。所以该产品能形成大规模生产,很快会普及全国市场,产生巨大的经济效益；另外，除了广大市民住宅使用外,该遥控窗帘器还可以广泛应用于别墅、公寓、宾馆、饭店、写字楼、歌舞厅、影剧院、会议厅、银行、学校、医院等各种公共场所,因此该产品具有广阔的市场前景。遥控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。单片机控制的遥控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。单片机控制的遥控自动窗帘只用一个多功能遥控器就能控制和监测住房的窗帘开关问题，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,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。其三,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。1.2 国内外研究现状在欧美等发达国家,电动窗帘已广泛应用。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。尽管遥控自动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。遥控自动窗帘系统走进中国以来,在短短四年的时间里,遥控自动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,其行业发展之迅速是目前国内任何其它行业所无法比拟的。目前,我国遥控自动窗帘系统生产厂商、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。随着自动窗帘热潮在世界范围内的日渐兴起，随着中国电子技术的飞速发展、人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用,自动窗帘已经成为未来家居装饰潮流发展的最新方向,在不久的将来,没有自动窗帘系统的住宅肯定不合潮流。从目前的发展趋势来看,在未来的20年时间里,自动窗帘行业将成为中国的主流行业之一,其市场的发展前景是非常广阔的。1.3 本文主要工作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。本文主要工作是：(1) 通过查阅文献，对智能遥控窗帘技术进行综述；(2) 提出一种智能遥控窗帘系统的设计方案；(3) 对智能遥控窗帘设计方案进行仿真和实现；(4) 整理完成设计说明书。2 智能遥控窗帘的基本原理2.1 AVR单片机ATmega16简介单片机是本设计的核心部分，主要担任驱动电机、处理光感信号和驱动LED闪烁等作用，由于本设计无需做大量的运算和控制，采用一个8位的MCU即可，常用的单片机有51系列、PIC系列和AVR系列等。考虑到AVR的mega16单片机集成功能强大，运算速度快，价格低廉，性价比高，故优选之。作品的电机部分和旋转显示部分各需要一片单片机，其中电机部分不做过多的要求，选用常规40引脚M16单片机即可，而对于旋转显示部分，为了降低电机的功率，要求模块体积尽量小、轻，故选择44引脚贴片M16。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。 ATmega16 有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application Flash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。通过将8 位RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。2.2 驱动芯片ULN2003简介2.2.1 ULN2003的概述ULN2003是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16见封装，NPN晶体管矩阵，最大驱动电压为50V、电流为500mA、输入电压为5V，适用于TTL、COMS电路等达林顿管组成的驱动电路。它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约为1V，而集电极与发射极的最高反向耐压VCEO(BR)约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2k的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，但每个单元驱动电流最大可达350mA。下面有引用电路图，9脚可以悬空。比如1脚输入，16脚输出，负载可以接在VCC与16脚之间，不用9脚。2.2.2 ULN2003的作用ULN2003是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中，可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2003是高耐压、大电流达林顿阵列，由7个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下：ULN2003的每一对达林顿管都串联一个2.7k的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和COMS电路直接连接。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适用于各类要求高速大功率驱动的系统。2.2.2 ULN2003引脚图及功能ULN2003是高耐压、大电流、内部由7个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片，其引脚图如图2 所示。图2 ULN2003引脚图ULN2003的封装采用DIP16或SOP16。ULN2003可以驱动7个继电器，具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管，使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿对管还可并联使用以达到更高的输出电流能力。2.3 红外线接收的基本原理红外数据通讯实际是利用红外线作为通讯载体,由红外发射器和红外接收器来完成信号的无线收发。在发射端,对发送的数字信号经适当的调制后,送入电光变换电路,驱动红外发光二极管发射红外光脉冲;在接收端,红外接收器对收到的红外信号进行光电变换,并进行解调后,恢复出原信号。在红外数据通讯中,红外接收器件的选择是红外数据通讯中至关重要的因素。2.3.1 红外线一体化接受头TSOP18xx系列是Temic公司新近推出的一体化红外线接收模块,集红外线接收、放大、解调于一体,不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作；而体积只有普通三极管大小一样，适合各种红外线遥控和红外线数据传输,其传输距离大于4米。红外线接收模块TSOP18xx系列的管脚分布如图1.2所示，1、2分别为电源和地,3为信号输出端,其输出电平和TTL电平兼容。TSOP18xx系列的特性如下：多种接收频率可供选择:30KHz、33KHz、36KHz、36.7K Hz、38KHz、40KHz、56KHz；大范围工作电压:(3-6) V；工作电流:3mA；遥控距离:大于4m.内置金属保护装置；综合限幅电路功能；多种主要传输码；智能自动增益控制 (AGC)。TSOP18 xx系列红外线模块接收器的受光面一侧为黑色环氧聚焦滤波透镜，此透镜消除了可见光对它的干扰,对于提高可靠性及滤除光噪声至关重要。模块内含红外线 PIN接收管、前置放大器和解调器。当红外线发射器发出的信号经空间传送到 TSOP18 xx系列模块时,模块内部 PIN红外线接收管将红外光转换为电信号,该信号经前置放大、解调后由 3脚输出与 TTL电平兼容的电信号,该信号能直接送入到微控器等要求 TTL电平信号输入的芯片中。2.3.2 红外线发射码组成要使用红外线一体化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（Format）。第一种格式为1913、9012、1621格式；第二种为3010格式。其中尤以第一种格式用得最多。要识别一个遥控器的格式很简单,只要把遥控器拆开,看它所用的集成块型号就知道,比如uPD1621、SAA3010,其格式就是1621、3010格式。下面分别具体说明这两种编码格式。第一种格式以1621为例,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（Lead code）、客户码(Custom code)和数据码（Data code）， 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。帧结构中的客户码和数据码各有两个字节,第一个字节和第二个字节互为按位取反,其中客户码的高4 位与低4位又互为按位取反。0码由0.56ms高电平和0.565ms低电平组合而成、1码由0.56ms高电平和1.69ms低电平组合而成。码元的高电平信号采用38kHz矩形波(载波)调制发射，载波占空比(Duty)为1/3，低电平无信号发射。第二种格式3010与第一种格式截然不同,它是以信号脉冲的上升沿和下降沿来分别表示1码和0码的。每一帧由起始位(Start bit)、扩展位(Enlarged bit)、翻转位(Toggle bit)、系统位(System bit)和数据位(Data bit)组成。2.4 光敏电阻的基本原理光线采集部分采用光敏电阻感光，通过测量它的电压来判断光的强弱。采用光敏电阻主要原因是，它的用途很广泛，而且容易购买，它的分类也有很多种，所以我们要先了解一下它的结构及其原理，才能选择好我们这次设计所需要的型号，下面介绍光敏电阻的基本情况。光敏电阻器的简介：光敏电阻器属半导体光敏器件，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、草坪灯、验钞机、石英钟、音乐杯、礼品盒、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。光敏电阻器是一种对光敏感的元件，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示， 电路符号：光敏电阻的结构： 图3光敏电阻的结构1-光导层; 2-玻璃窗口; 3-金属外壳; 4-电极;5-陶瓷基座; 6-黑色绝缘玻璃; 7-电阻引线。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，结构见下图。 图4 金属封装的硫化镉光敏电阻结构图 常用的光敏电阻器有MG41MG45系列，它们的额定功率均在200mW以下。3 智能遥控窗帘的设计3.1 封皮按照首页格式制作封面。3.2 正文毕业设计说明书（论文报告）应使用标准A4纸单面打印，总页数一般不超过35页。4 关于智能遥控窗帘系统的仿真与实现4.1 设计说明书（论文）毕业设计说明书（论文）应独立装订成册，内容包括：4.2 外文翻译每名学生在毕业设计（论文）期间，应完成不少于1万印刷符的外文翻译，译文不4.3 装订规范要求毕业设计（论文）按如下顺序装订：结 论本次毕业设计的主要内容是关于基于AVR单片机的智能遥控窗帘的设计。给出了各个模块的硬件电路设计，同时也介绍了软件设计。本文主要做的工作有：(1) 在阅读大量相关资料尤其是在互联网资源后，对基于单片机的智能遥控窗帘设计的国内外现有技术进行了综述。(2) 论文分析了步进电机控制盒红外线遥控的基本原理，(3) 针对设计电路，编写了单片机程序，对设计方案进行了仿真和实现。(4) 完成了设计报告。通过本次毕业设计，设计出了一种基于AVR单片机的智能遥控窗帘系统。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。本课题的研究虽然取得了一定的收获，但在很多方面还有待于进一步的改进和完善。参 考 文 献1 张家生. 王忠石.电机原理与拖动基础M.北京：北京邮电大学出版社,2006.2 金如鳞. 电机拖动与控制基础 M.上海：上海交通大学出版社,2002. 3 刘文彦等. 现代测试系统 M. 长沙： 国防科技大学出版社 1995.4 Richard H.Barbett, Sarah Cox, Larry OCull. Embedded C Programm