毕业设计（论文）-基于单片机的智能窗帘控制系统设计.doc

本科毕业设计（论文）基于单片机的智能窗帘控制系统设计全套设计加扣3012250582 燕 山 大 学2015年6月本科毕业设计（论文）基于单片机的智能窗帘控制系统设计学 院：里仁学院 专 业：通信工程 答辩 日期：2015年6月23日 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：里仁学院 系级教学单位：电子与通信工程系 学号 专 业班 级2011级通信1班题目题目名称基于单片机的智能家居系统设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1. 搜集、查阅有关智能家居系统的资料，了解现有智能家居技术；2. 自行设计智能家居系统；给出系统总体设计方案及软硬件设计方案；3. 搭硬件，硬件调试，编写软件，调试程序；4. 软硬件联调，性能分析。基本要求1. 查资料，了解智能家居系统的现状，原理；2. 给出自己的设计方案，完成系统总体方案设计，包括硬件原理框图和软件设计方案；3. 设计出并绘制具体的硬件电路图；4. 搭硬件电路并调试通过；编写软件并通过调试；5. 软硬件联调通过，给出系统的性能指标。参考资料1 有关智能家居系统的资料文献2 单片机原理3 单片机接口技术周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查资料，了解智能家居系统的现状，功能原理及参数，总体方案设计硬件设计，搭电路调试硬件调试，软件编程，调试软硬件联调写论文，答辩摘要摘要随着社会经济的高速发展，物质条件的不断提高，人们对家的要求早已不仅仅只局限于物理空间的范畴，而更为注重的是一个便捷、舒适、惬意的居家环境。窗帘作为每个家庭的生活必需品，自然也需要满足人们更加便捷的要求。但传统的窗帘必须每天手动开关，也是挺麻烦的，特别是一些别墅、复式套房等的大窗帘，又重又长，开关很不方便，因此设计一款智能窗帘控制系统很有实际使用价值。本设计是基于单片机的智能窗帘控制系统，在论文中首先给出了系统的原理框图，然后在此基础上绘制了硬件原理图，搭建了硬件电路。系统硬件电路以STC12C5A60S2单片机和SC2262/SC2272编解码芯片为核心，应用光敏电阻来智能识别光线，用两个继电器的不同吸合组合来控制直流电机的正反转，同时用LED指示灯加以状态指示。系统设计完成后进行了软硬件联调，结果表明：系统的设计实现了既定的目标，具有手动和自动两种控制方式，手动模式下，可利用遥控器控制窗帘的开合；自动模式下能智能识别光线完成对窗帘的控制。关键词智能家居；光线感应；单片机；窗帘I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractWith the development of social economy, and the improvement of material conditions, the requirements of the family has long been confined to the physical space, and more pay attention to is a convenient, comfortable environment that occupy the home. The curtain as the necessities of every family, nature need to satisfy the requirement of people more convenient. But traditional curtains must manually switch, every day is also very trouble. Especially some villas and other big curtain, which are long and heavy, that switch is not very convenient. So designing an intelligent curtain controlling system has great practical value.This intelligent curtain control system is based on microcontroller. Firstly, giving the principle diagram of the system, and then on the basis of drawing the principle diagram, I made the hardware circuit. In the system hardware circuit, STC12C5A60S2 microcontroller and SC2262 / SC2272 codec chip are the core of the circuit. The photosensitive resistance is applied to intelligent identification, and two relays to control DC motor .System design is completed the software and hardware alignment, the results show that the design of the system achieve the established goals, has two kinds of control mode. The manual mode can use the remote controlling the opening and closing of the curtain. Automatic mode can switch the curtains according to the light changing. KeywordsSmart home; Light induction; Microcontroller; CurtainIII 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 智能窗帘系统国内外研究现状21.3 智能窗帘系统的发展趋势21.4 本设计的主要工作及章节安排2第2章 系统硬件设计52.1 系统设计原则及总体方案52.1.1 系统设计原则52.1.2 系统总体方案52.2 单片机最小系统模块设计62.2.1 STC12C5A60S2单片机简介62.2.2 单片机最小系统电路设计72.3 电机驱动电路设计102.4 遥控电路设计112.4.1 遥控方式的选择112.4.2 编解码电路设计122.4.3 无线电信号收发模块152.5 窗帘自动控制电路设计172.5.1 光敏电阻及其特性172.5.2 光线检测电路192.5.3 限位和状态指示202.6 本章小结21第3章 软硬件仿真及系统实现223.1 软件开发概述223.1.1 编程语言的选择223.1.2 单片机软件编程环境223.2 程序设计243.2.1 模式切换程序253.2.2 自动模式程序253.2.3 手动模式程序263.3 Proteus软件仿真273.4 硬件制作与调试283.4.1 主控板制作283.4.2 遥控器制作293.4.3 软硬件联调303.5 系统运行结果313.5.1 自动模式运行结果313.5.2 手动模式运行结果323.6 本章小结33结论34参考文献36致谢38附录140附录246附录352附录458III第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景智能家居的起源可以追溯到1984年，世界首幢智能建筑“城市广场(City Place)”在美国的出现，标示着人类的智能家居时代的来临。智能家居的概念在欧美等发达国家迅速的发展和普及1。最近这几年，一些我们所熟知的国内外知名企业也纷纷宣布涉足智能家居行业，连被称为有改变世界能力的苹果公司也在2014年发布HomeKit智能家居平台。在国内，2014年年末小米公司斥资12.66亿元入股美的集团，宣布共同打造智能家电，奇虎360公司也宣布投入百亿资金与格力集团合作，试图打造共融共生的完善的智能家居生态圈。虽然在中国市场上智能家居还远没有普及，但是从那些被我们所熟知的互联网巨头都纷纷涉及智能家居领域不难看出，智能家居在我国有着巨大的发展潜力。现如今，全国房地产事业仍在发展，现在每个小区从整体上来讲已经实现了部分的智能化，比如小区车辆控制、楼宇对讲等。如果再配合智能家居的装饰，我国的房地产事业必定会再次迎来发展的契机。同时这也昭示着智能家居在我国的发展有着巨大的潜能2。与此同时，全球三大家电展之一的中国家电博览会(AWE)2015年3月11-14日在上海成功举办。与之前相比，“未来家智慧家庭概念馆”首次出现在家博会的展台，它提供了各种各样的智能家居成品以及概念产品，让用户亲身体验未来的智能生活。由以上资料可以看出，国内智能家居行业已经起步并发展到了一定的阶段。并且随着人们生活水平的日益提高，人们对家的要求早已经不只是简单的物理空间的范畴，人们更为注重的是一个舒适、便捷、惬意的居住环境。窗帘作为每个家庭居家生活的必需品，自然也不能例外3。窗帘的基本功能无非也就是遮阳挡尘以及保护主人隐私等，但是我们传统印象中的窗帘每天都需要亲自动手去开关，一天最少两次相当的麻烦，而且也不能彰显生活的档次，特别是像大型别墅、酒店、会议室等的窗帘又重又长，开关很不方便。于是最近这几年，能遥控的电动窗帘开始兴起并得到发展4，较为广泛的被一些高级公寓、智能大厦所接受。但它也只是节省了人力仍然需要手动去控制。于是本设计采用遥控、光控方式实现智能化的窗帘控制系统，正符合现在智能家居的发展方向，具有非常广阔的市场前景。1.2 智能窗帘系统国内外研究现状智能窗帘最先出现的是电动窗帘，它可以用按键或是遥控器实现窗帘的开合或升降，不再需要动手5。电动窗帘技术早已经进入欧美等西方发达国家的千家万户，虽然早在10多年前，我国就出现了电动窗帘产品，但由于价格以及推广等方面的因素，一直没有得到普及。在最近这几年，随着电控技术水平的不断提高、成本的不断下降，电动窗帘热潮才又卷土重来6。电动窗帘有着各种各样的种类与形式，比如根据开合方式的不同有百叶、卷帘等。在国内外，各种各样的窗帘被设计并使用，而且随着智能技术的进步，智能家居概念日益被人们所接受，窗帘的功能也自然的越来越多。比如有的智能窗帘系统能够自动调节室内光线的强弱以及具有温湿度控制的功能，还有的窗帘加上幕帘红外报警装置，能和家庭报警器联动，给人们提供一个舒适、安全的居住环境。1.3 智能窗帘系统的发展趋势随着智能窗帘技术的逐步完善，窗帘的功能已经越来越多，现在已经有了光能窗帘、隔音窗帘、节能窗帘、隐身窗帘等7。按照当今社会的发展趋势，窗帘未来将会在节能、环保等一系列领域有很大的发展潜力。智能时代的到来，与日常生活相关的各种产品都是以科技智能为发展基础，所以从这种势头上来看，在未来的几十年内，智能窗帘必将为广大用户所普遍接受，智能窗帘行业有望成为中国家居市场的主流行业之一，其市场的发展前景是非常广阔的。1.4 本设计的主要工作及章节安排本次毕业设计的主要工作是设计一个基于STC12C5A60S2单片机的智能窗帘控制系统，绘制出相应的硬件原理图，编写程序，然后进行系统实现，其基本功能为：(1) 具有手动、自动两种控制模式(2) 自动模式下，利用光线感应模块来智能识别光线完成对窗帘的控制(3) 手动模式下，可利用遥控器来控制窗帘的开关，并且窗帘可以停在任意想要的位置(4) 窗帘开关到位自动检测并停止，防止因过卷而损毁电机本文各个章节的结构和内容如下：第一章对窗帘在现如今智能家居大背景下的状况做了概述，介绍了智能窗帘系统出现的背景、国内外的发展现状以及今后的趋势，还介绍了本次毕业设计的主要工作。第二章首先讨论了智能窗帘系统的设计原则，给出了基于单片机的总体系统框图，在此基础上绘制了硬件原理图，然后分单片机最小系统、直流电机驱动电路、遥控电路以及窗帘自动控制电路等作了详细的介绍。第三章主要介绍了程序的编写思路以及联合调试，给出了软件流程图并并每个部分做了详尽的阐述，讨论了软硬件联调中出现的问题并给出了相应的解决办法，对系统的运行结果作了详尽的分析。23 第2章 系统硬件设计第2章 系统硬件设计硬件设计是系统实现功能的载体，任何的功能都需要具体的硬件去执行，所以在硬件设计的时候，在保证能实现功能的情况下，电路的设计应该是越简单越好，这样既节约了制作成本，又使系统简便，有利于整个系统的稳定运行。2.1 系统设计原则及总体方案 2.1.1 系统设计原则 本次设计的智能窗帘控制系统应该具有可靠性高、使用便捷、性价比高等特点：(1) 可靠性高：任何一个系统要想得到应用都必须具有高度的可靠性。所以在本次的智能窗帘控制系统的设计中，设计每一部分时都要把系统的可靠性放在首位，包括使用可靠性高的元件，进行合理的布线与接地等。(2) 使用便捷：因为使用环境是在具体的每个家庭中，本次毕业设计的其中一个目的就是使居家环境变得更为舒适。所以系统的操作应该简练、方便，尽量简化人机交互接口，尽可能将操作内置，做到高度的自动化。(3) 性价比高：用单片机设计的系统一般都具有低功耗、小体积、性价比高、易用性强、易维护等特点8。在一般情况下，任何一个产品要想得到市场的广泛认可与接受，都必须要具有很高的性价比。因此在制作硬件系统的时候，要尽量精简优化硬件的设计与使用，如果可能，要尽量用程序的方法来代替具体的硬件去实现相应的功能，以减小硬件成本。2.1.2 系统总体方案 系统硬件总体方案的设计是综合考虑既定的任务与目标、理论上的可行性和硬件上的经济实用性下的综合产物。在设计时从系统实际的功能与需求出发，同时综合考虑了各种因素的情况9。设计出了本次的智能窗帘控制系统的总体系统框图，如图2-1所示。图2-1 硬件系统框图任何一个系统都会有一个核心部件，在本次智能窗帘控制系统的设计中STC12C5A60S2单片机最小系统就充当这个作用，它相当于这个系统的中枢，能够接收外部传感器及其他部件的信号，在经过自身的分析处理以后做出相应的指令，控制跟其连接的外围部件来完成相应的操作。在自动模式下，光线感应模块会智能感知环境光线是否超过设定的阈值，是单片机操作直流电机开关窗帘的基础。同时在窗帘的上下各设置一个限位开关，当窗帘开关到位以后能够自动停止并用LED指示灯指示当前的状态。整个系统还设置了遥控器，可利用遥控信号切换工作模式以及在手动下去操作窗帘的开关。2.2 单片机最小系统模块设计 2.2.1 STC12C5A60S2单片机简介 本系统采用STC12C5A60S2作为控制核心，该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051型单片机10。指令代码兼容传统的8051，但速度快8-12倍；内部集成MAX810专用复位电路11、两路PWM、8路高速10位A/D转换(250K/S)。STC12C5A60S2系列单片机的主要特点如下：(1) 8051单片机的增强型号，操作指令与传统的8051单片机完美兼容(2) 工作电压为5.5V-3.3V(即5V单片机)(3) 频率范围：0-35MHZ(4) 用户应用程序空间：8K/16K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节(5) 片上集成1280字节RAM(6) 通用I/O口(36/40/44个)，复位后为：准双向口/弱上拉(相当于普通8051传统I/O口)；可设置成四种模式：推挽/强上拉，准双向口/弱上拉，仅为输入/高阻，开漏；每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA.(7) 不需要特定的下载器与仿真硬件设备，可以直接通过RXD、TXD两个引脚与单片机通信，从而完成相应的程序下载工作，并且下载速度非常快(8) 当晶振小于12M的时候，因为其内部集成了专门的复位电路，所以复位引脚可以直接接地(9) 外部掉电检测电路：在P4.6口有一个低电压门槛比较器。5V单片机为1.32V，误差为+/-5%(10) 该系列单片机有模数转换功能，最多可以提供8路转换，每路的精度能达到10位(11) 内部集成两个计时器，可分别由T0、T1的溢出中断来输出相应的时钟信号(12) 工作温度范围：-40-+85(工业级)/0-75(商业级)(13) 封装：PDIP-40、LQFP-44、LQFP-482.2.2 单片机最小系统电路设计 本次设计的单片机最小系统由电源电路、复位电路、时钟电路三部分组成。其中单片机的复位操作就是要使单片机的各个部件都处于我们所确定的初始值，这样才能按照人们的意愿去执行程序。同时除了这种正常的开机初始化以外，有时候单片机可能因为执行程序出错或者因为受到外界的干扰而内部进入混乱的状态，为了使单片机恢复正常，这时候也需要进行初始化操作。STC12C5A60S2的外部复位方法一共有两种，分别是上电开机时自动复位、具有手动复位功能的组合复位。(1) 上电复位电路：上电自动复位的原理就是给单片机的复位引脚一个大于两倍机器周期的高电平信号(2) 上电复位与手动复位组合电路：手动复位就是指人为的给单片机的RESET复位引脚持续的高电平信号。通常是在RESET引脚和Vcc间加入一个按键，当这个按键被按下时，Vcc的+5V高电平就会直接作用到复位引脚上，人工按下按键的时间最短也会达到数十毫秒，完全能满足复位对时间的要求，在本次设计中，我采用的就是这样的组合电路。同时单片机之所以能正常工作，系统时钟也非常重要。单片机做出的任何一个动作，都是按照时钟的节奏，按部就班的进行的。从这点也可以看出，时钟频率在单片机系统中发挥着重要的作用，它的性能直接决定系统运行速度，只有系统时钟稳定的工作整个单片机系统才能可靠的运行。由电源电路、复位电路、时钟电路构成的单片机最小系统共同组成了单片机正常工作的前提条件，电路图如图2-2所示。 图2-2 单片机最小系统电路时钟电路中的两个电容C2、C3起着减小杂波干扰、稳定系统时钟频率的作用，虽然单片机系统对于两个电容的具体数值没有太严格的要求，但是振荡器能否稳定的工作直接受电容的影响。所以在本设计中，为了避免出错，C2、C3我都选用了硬件设计中比较常见的典型数值30pF。同时在焊接的时候，为了尽可能减小寄生电容带来的影响，晶振和附带的两个电容要尽可能安装的靠近单片机芯片12。2.3 电机驱动电路设计 在本次设计中采用两个继电器来控制直流电机的正反转，因为要应用到智能家居的大环境中，用这样的驱动方式的好处是可以适应负载的广泛性，便于日后对功能的扩展，比如加上跟窗帘联动的红外报警装置等。同时因为继电器直接连接在了单片机的I/O口上，单片机刚开始工作时I/O口为高电平，为了避免开机一瞬间三极管导通，所以在此部分设计的时候采用了PNP型三极管，利用两个继电器的吸合状态控制直流电机的旋转方向，带动窗帘的开合，电路如图2-3所示。图2-3 电机驱动电路下面以电机正转为例作以解释，当P3.0引脚输出低电平信号时，PNP型三极管Q5导通，继电器线圈得电吸合，使得公共端与常开端连通，此时直流电机左端接电源，右端接地，电机正转。继电器之所以会吸合，是因为线圈中有电流流过产生了磁场。所以当控制继电器的电压消失以后，就相当于电感线圈断开了，因此根据楞次定律可知在其两端会产生一个电压很高的与原极性相反的感生电动势，这可能会击穿电路中的其他器件。所以为了避免这种现象，我在继电器内部线圈的两端并联了一个二极管，极性安装的与原电路中电源方向相反，这样就可以达到既不影响原来电路的工作状态又可以释放掉感生的电动势的效果。2.4 遥控电路设计 2.4.1 遥控方式的选择 红外遥控器如图2-4所示，是利用光谱中波长介于微波与可见光之间的电磁波信号来传送信息完成遥控的设备。红外线遥控器的特定之一就是要求有非常强的指向性。因此在使用的时候，发送接收必须在一条直线上。其无法穿透墙壁等阻隔，所以在不同的房间可以使用相同的遥控器而不至于引起干扰，同时红外线遥控电路比较简单，但是有效遥控距离比较短，一般都只有10米左右。图2-4 红外线遥控器实物图无线电遥控器如图2-5所示，是利用电磁波去传送相应的遥控信号的。一般的无线电遥控器都是将编码完毕的信号加载到高频载波中发射出去，然后在接收端再解调出相应的遥控信号从而完成相应的操作。它的特点是遥控距离非常远，基本上不受墙壁等阻隔，无方向性，这样在使用的时候就可以在任意角度操作，所以无线电遥控器广泛应用在车库门、防盗报警器等各种领域。图2-5 无线电遥控器实物图综合红外线遥控器及无线电遥控器的特点，考虑到设计的初衷就是为了使居家环境更加便捷、舒适与惬意，所以我选择了用无线电遥控器，这样用户就不必刻意的对准去操作，可以实现在家中的任意位置都随心所欲的去控制窗帘。2.4.2 编解码电路设计 SC2262/SC2272是根据互补金属氧化物半导体工艺制作而成的，具有使用方便、性价比高等优点的通用型的编解码电路。它的地址编码管脚最多可以有12位，并且都可以设置成高、低电平和悬空这三种状态。三种状态的随意搭配可提供531441个不同的通信方式。SC22662/SC2272引脚说明如表2-1、表2-2所示。SC2262编码芯片在最多状态可以提供6位的数据引脚，由地址码和数据码构成的字码由编码芯片的第17脚输出，这个信号再经过高频调制就成了无线遥控信号。解码芯片SC2272在接收到字码信号后，它的地址码经过连续两次比较核对后，VT脚输出高电平，与此同时相应的数据引脚也同样输出高电平信号13。要想实现SC2262/SC2272编解码芯片的配套使用，那么两个芯片的地址码必须设置的完全一致，例如将编码芯片的第1脚和第2脚接地，其余地址端接高电平，那么解码芯片只需做出同样的电路连接方式就能实现配对接收。当编解码芯片的地址引脚接的电平状态相同的时候，接收端D0-D3引脚会有锁定输出，同时解码芯片第17脚也会有高电平确认信号。表2-1 SC2262引脚说明名称管脚管脚说明A0-A111-8、10-13 可设置为高电平、低电平、悬空、用于地址编码D0-D57-8、10-13 数据输入端，有高电平信号时发出编码VccVssTEOSC1OSC2Dou电源正端(+)电源负端(-) 使能端，低电平有效，用于启动芯片工作 振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率 振荡电阻振荡器输出端 输出高电平的编码表2-2 SC2272引脚说明名称管脚管脚说明A0-A111-8、10-13用于设置地址，必须与编码芯片对应D0-D57-8、10-13 地址或数据管脚，当作为数据管脚时，只有在地址码与2262一致，数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平，否则输出为低电平VccVssDINOSC1OSC2V电源正端(+)电源负端(-) 字码数据输入端 振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率 振荡电阻振荡器输出端解码有效确认2.4.2.1 遥控编码电路 遥控器的设计以SC2262编码芯片作为核心，电路如图2-6所示。作为整个智能窗帘控制系统的遥控部分，遥控器必然要满足小型化、简单化的要求，因此此部分采用12V电池供电，方便手持操作，满足用户更便捷化的要求，使得居家环境变得更加惬意。遥控器一共设置了3个按键，分别是模式切换键、手动开窗帘键以及手动关窗帘键。图2-6 遥控编码及发射电路遥控器的三个按键分别对应SC2262编码芯片的D1、D2、D3三个引脚，以此来完成对信号的编码。与此同时，因为要用到电池供电，所以必须考虑电池的耐用性问题。在此的解决办法是利用按钮开关本身电路的连通特点，同时控制对应的数据输入端和芯片的电源，这样就可以只在发射高频信号的瞬间接通电源，平时芯片不通电，这样就保证了电池的耐用度，延长了其使用寿命。2.4.2.2 主机解码电路 这部分电路图主要应用了SC2272-M4解码芯片，同时配合高频接收模块和三极管，电路如图2-7所示。图2-7 接收解码电路当SC2272-M4检测到连续两次接收到相同的字码时，下面以D1端为例，其余原理相同，解码芯片会在相应的数据引脚D1端输出高电平信号。然后D1引脚通过限流电阻连接在了NPN型三极管Q1的基极上，当SC2272芯片没有收到遥控信号时，D1引脚为低电平，三极管Q1不导通，P1.3引脚被上拉电阻R20上拉到高电平；当解码芯片接收到遥控信号时，D1输出高电平使得三极管Q1的集电极与发射级导通，原来被上拉电阻拉高的P1.3变为低电平。这样的电平转变很容易的被单片机检测识别以执行相应的程序，这样就完成了遥控信号的接收解码工作。同时在本次设计中，为达到编解码匹配互通的目的，SC2262/SC2272的地址端全部悬空，两个振荡电阻也采用了典型值，分别为4.7M和820K电阻。2.4.3 无线电信号收发模块 2.4.3.1 315M无线电发射模块 信号发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度非常高，环境温度在-25-+85之间变化时，频率漂移仅为3ppm/度14。声表谐振器具有非常高的频率稳定性，其稳定度仅次于晶体。鉴于这些特点，这种发射模块特别适合应用在调制编码信号中，用于无线电遥控领域，其主要技术指标为：(1) 通讯方式：调幅AM(2) 工作频率：315MHZ(3) 频率稳定度：75KHZ(4) 发射功率：500毫瓦(5) 静态电流：0.1微安(6) 发射电流：2-10毫安(7) 工作电压：直流3-12V从上述指标可以看出，该无线电发射部分的电压非常宽。发射模块的工作频率基本不受其工作电压的影响，而且当发射电压改变的时候，接收端不需要做电压以及参数的调整仍能稳定的通信。当工作的5V的情况下，在没有外界干扰的比较理想环境下能传输大概20米左右，此时功率比较小，不适用日常的使用环境。当供电电压逐渐增大的时候，传输距离会比较明显的增加。当增加到12V的时候，该模块达到最理想的工作范围，通信距离比较远，日常所用一般都工作在此范围。当供电电压超过芯片的最佳工作电压以后，最远的发射距离基本不再提高。发射模块本身不带编码的功能，它只是把SC2262编码芯片的制作好的编码信号加载到高频载波上并发射出去，同时为了节省遥控器上电池的电能，高频发射模块只在发射的一瞬间通电并发射，也就是说高频发射电路是否工作完全受编码芯片17脚的控制，即相当于控制其完成了幅度调制。同时，在具体的使用发射模块的时候，按照技术手册上的要求，要安装在电路板的一侧，而且需要竖起来安装，这样就可以在最大程度上避免电路分布参数的影响。2.4.3.2 315M超再生接收模块 接收模块的主要技术指标为：(1) 通讯方式：调幅AM(2) 工作频率：315MHZ/433MHZ(3) 频率稳定度：200KHZ(4) 接收灵敏度：-95DBM(5) 静态电流：0.3毫安(6) 工作电流：0.15-0.3毫安(7) 工作电压：3-5.5V(8) 输出方式：TTL电平此接收模块本身不带解码电路，因此在使用的时候它只是将信号接收下来，不做任何辨别，然后由SC2272去进行比对接收到的地址码是否与自身设定的一致，若一致，再进行接下来的解码操作。同时为了避免分布参数的影响，同发射模块一样，接收模块也需要竖起来安装，无线电发射、接收模块的实物图如图2-8所示。图2-8 无线电发射与接收模块实物图这种电路的优点在于：(1) 天线在这个模块中的作用只是增加了接收距离，接收模块自带选频电路，因而不必依靠四分之一波长天线的选频作用。如果是短距离通信，把天线去掉也能接收到信号。(2) 它的输出信号非常的稳定，不会像其他接收方式那样在没有信号的时候会输出很大的噪声。 (3) 整个模块具有高度的一致性，基本上不会泄露高频信号而对周围其它器件造成干扰。同时在模块的背部还预设了良好的屏蔽，也基本不会受到外界无用信号的干扰。2.5 窗帘自动控制电路设计 本次设计的智能窗帘控制系统具有的功能之一就是在光线暗的时候自动闭合窗帘，光线亮的时候自动打开窗帘，省去人的手工控制，实现窗帘开合的自动化，那么这个功能就是建立在以光敏电阻为基础的智能光线识别感知上的。2.5.1 光敏电阻及其特性 2.5.1.1 光敏电阻的功能与结构 光敏电阻是一种由光电导材料制作而成的特殊形式的电阻。它在电路中的作用就是检测光照强度的变化，当照射在其上的光线变强的时候，其阻值就会变小，电路中电流增大。同时当照射在其上的光线变暗的时候，阻值就会变大，电路中电流减小。它在电路中的接法与普通电阻没有任何差别，只是有感光的特殊属性。图2-9 光敏电阻的电路符号及蛇形结构光敏电阻在使用时呈现出一定的电路特性：当光敏电阻受到光照射后，在其内部会产生光生载流子。而电路中的电流就是因为这些载流子做定向运动生成的。而且光电材料的长度在一定程度上影响着光敏电阻的特性。所以一般都将其受光的表面做成弯曲盘旋如蛇一样的状态，电极做成梳状电极，如图2-9所示。这样做就可以达到在总体面积尽可能小的情况下还可以呈现很大的受光面积。从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度15。2.5.1.2 光敏电阻的光谱特性 光敏电阻在电路中的特性，并不是在任何情况下都能产生的。因为它要求照射的光的能量要大于制作光敏电阻的材料的最小原子能级差。而光敏电阻所表现出来的光谱特性就是说入射光的波长和其感光灵敏度之间的关系，如图2-10所示。图2-10 光敏电阻的光谱特性曲线光敏电阻按照材料可以分为：本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。由于后者可以按照设计者的思路去响应光谱特性，因此目前市场上所采用的基本上都是后面这种工艺的光敏电阻。其光谱特性和最佳的工作波长范围可以分为三类：一类是紫外光敏感型光敏电阻，如硫化镉和硒化镉等。另一类是可见光敏感型光敏电阻，如硫化铊等。还有一类是红外光敏感型光敏电阻，如硫化铅等。常见的光敏电阻有硫化镉光敏电阻、硫化铅光敏电阻、碲镉汞系列光敏电阻等。因为人眼的感光程度跟硫化镉光敏电阻的非常相似，所以一些用于可见光检测的设备一般都应用硫化镉光敏电阻。在本次设计中我也采用了硫化镉光敏电阻。2.5.1.3 光敏电阻的温度特性 光敏电阻在使用的时候是会受环境温度的影响，研究表明随着温度的改变，其光谱特性与亮电阻、暗电阻等都会发生相应的改变。图2-11为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性，可以明显的看出当温度上升的情况下，它的灵敏度会相应的降低。因此，它要在恒温、低温的条件下使用。根据这个例子可以看出，在应用光敏电阻时必须考虑温度的影响，但是对于可见光的光敏电阻，其温度影响会相对小一些，因此在本设计中没有对光敏电阻采取特殊的恒温措施。图2-11 硫化铅光敏电阻的温度特性2.5.1.4 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性就指把光敏电阻接在具体的电路中的时候，电路的电流随着照射光强变化的现象。虽然由不同材料制成的电阻它们的曲线各不相同，但是无一例外地都表现出非线性的特点。以硫化镉光敏电阻为例，光照特性如图2-12所示，即在光照非常弱的情况下，光敏电阻呈现出来的阻值很大。随着光照强度的不断增强，阻值会逐步减小。但是这个过程呈现出非线性的特点，因此也就决定了光敏电阻在电路中只能做定性的光线识别，并不能给出具体的光照强度的参数。图2-12 硫化镉光敏电阻的光照特性2.5.2 光线检测电路 以光敏电阻为核心的环境光线自动检测电路如图2-13所示。在这个电路设计中，光线检测就是利用了光敏电阻呈现出来的阻值随光强变化的特性，从而相应的引起三极管在导通与截止之间的状态转换，单片机检测识别后就能执行相应的程序。图2-13 光线自动检测电路当光线低与设定的阈值的时候暗电阻很大，NPN型三极管Q6的基极电压变低，致使Q6截止，此时发射级被R11下拉电阻拉成低电平，相应的P1.0检测到低电平；当环境光线由弱变强的时候，其阻值会减小，相应的电流增加，当光线超过设定的阈值后会致使三极管Q6导通，发射级被电源拉高，P1.0检测到高电平，因此单片机就可以通过检测P1.0的高低电平的变化来完成对夜晚与白天的检测与识别。同时为了适应不同环境、不同用户的使用习惯，配合可调电位器R10可以完成光临界值的调节，当R10的阻值减小时，系统的光临界值像光强强的方向移动。2.5.3 限位和状态指示 无论是什么样的窗帘系统，首先都要做到美观、简洁、大方，所以在本次的设计中我只用了三个LED指示灯来做简单的状态指示。分别为指示自动模式、手动模式的模式指示灯；电机正转指示灯；电机反转指示灯，这样既能做到简便又能使人一目了然的知晓系统的工作状态。在设计中还设置了上下两个限位开关，分别安装在窗帘的顶端和底端，使窗帘开关到位后能够自动停止并用LED指示灯闪烁加以状态指示，防止因过卷而损毁电机，具体电路如图2-14所示。图2-14 限位和状态指示电路2.6 本章小结 本章首先讨论了硬件系统的设计原则，给出了硬件设计的总体框图，然后在此基础上绘制了硬件原理图，进一步对硬件系统分单片机最小系统、电机驱动电路、遥控电路以及窗帘自动控制电路等部分做出了详细的介绍与工作流程的阐述。第3章 软硬件仿真及系统实现第3章 软硬件仿真及系统实现软件是一个系统的灵魂之所在，它能使设计好的硬件按照预定的设计完成一系列的动作，最终实现特定的功能，软件程序编写的好坏直接影响着设定的目标能否实现。3.1 软件开发概述 3.1.1 编程语言的选择 对于操作方式匹配MCS51系列的单片机而言，其编程语言比较常用的有C语言和汇编语言。C语言是一种具有体系结构的高级语言。C语言在硬件的结构上只需要对单片机储存器、I/O口等硬件的结构清楚其功能就可以，对于不同的寄存器各采用什么寻址方式，存储什么类型的数据等等一系列的技术细节问题都可以放心的交给软件去安排。C语言程序在某种程度上来讲它对硬件的依赖程度不强，一般都只需要做简单的延时时间的修改就能在不同单片机之间使用。同时还有一个特点就是程序可以划分为不同的子函数，可读性非常强。而且C语言还提供了很多常用的预置的库函数，供用户使用。C语言作为一种便捷、容易掌握的语言在各种行业都得到了广泛的应用，是目前单片机编程中用的最多的语言之一。汇编语言同样在单片机编程中有着很重要的地位，由它编写的程序对硬件的控制相当的灵活。汇编语言对硬件的控制能力极强，而且还能控制其它高级语言无法控制的软硬件细节，但是它的编程较为复位，不容易理解，需要对硬件的结构及功能有相当深入的理解。鉴于两种语言的各自特点，再加上自己平时对C语言相对来说接触的更多，所以在本次毕业设计中采用了C语言进行编程。3.1.2 单片机软件编程环境 Keil C51是美国Keil Software公司设计的专门用于单片机C语言程序的开发环境。Keil为用户提供了包括C编译器、链接器、宏汇编、库管理以及一个功能非常强大的仿真调试器等在内的一个完整的开发环境，并且通过一个集成开发环境(Vision)把这些部分组合在了一起，Keil C51软件界面如图3-1所示。图3-1 Keil C51软件界面C51工具包的整体结构如图3-2所示。图3-2 C51工具包整体结构图其中Vision/Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试以及仿真等整个开发过程。编程时由C51及A51编译器将编写好的程序编译生成目标文件(.OBJ)，OBJ文件可以由LIB51创建生成库，同时还可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)，最后ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供下载到单片机的使用16。3.2 程序设计 程序结构主要分为三大部分：模式切换部分、自动模式部分以及手动模式部分，采用了模块化的方式，使得程序整体结构清晰、明了，总体程序流程图如图3-3所示。图3-3 总体程序流程图程序设计的思想是开机后默认为自动模式，利用光线检测模块自动识别光线是否超过阈值，若超过则表示此时为白天需要打开窗帘，直流电机反转打开窗帘，在打开窗帘的同时会检测打开限位是否闭合，若检测到此信号表示窗帘已经开到位，电机自动停转，当光强没有超过设定的阈值时，电机正转关闭窗帘，到位后自动停止；在执行自动模式的同时，系统还会检测是否有模式切换信号，若有则切换到手动模式。在手动下，窗帘只执行遥控信号的指令，有开信号则窗帘打开，关信号则关闭窗帘。3.2.1 模式切换程序 在具体的程序编写时，定义了一个变量change flag，当其值为1时进入手动模式，值为0时进入自动模式，初始化把change flag设定为0，即开机默认自动模式，同时当每次接收到模式切换信号后，程序都将change flag取反即可转换成另一种模式，这样就完成了手动、自动模式的切换工作，具体的程序流程图如图3-4所示。图3-4 模式切换流程图3.2.2 自动模式程序 当智能窗帘系统进入自动模式后，单片机会自动检测光线明暗程度以做出相应的操作，自动模式程序流程图如图3-5所示，下面以白天打开窗帘为例做以解释。当光线变强并越过设定的阈值的时候，单片机会先判断此时窗帘开限位是否闭合，若闭合则表示此时窗帘已经拉开，则不需要再次执行操作；若开限位没有闭合，那么就执行窗帘开指令，直流电机反转打开窗帘，当窗帘开到位后系统检测到有限位信号，则电机自动停转且反转指示灯闪烁3次以提醒操作已经完成。图3-5 自动模式流程图3.2.3 手动模式程序 图3-6 手动模式流程图当系统进入手动模式后，会等待遥控指令，若没有则不进行任何操作，只有在接收到相应的遥控指令后，才执行相应操作，手动模式软件流程图如图3-6所示，下面以手动关闭窗帘为例做以解释。当系统接收到关闭窗帘指令时，会首先判断此时关限位是否已经闭合，只有在没有闭合的情况下才会执行关窗帘操作，直流电机正转关闭窗帘，若此时再次按下关窗帘键，直流电机会停转即窗帘可以停在任意的位置，若没有再次按下关窗帘键，窗帘关到位后会自动停止且正转指示灯闪烁3次以示提醒。3.3 Proteus软件仿真 对于任何一个单片机系统来讲，其设计工作都必须包括硬件和软件两个部分。但是在电脑没有普及之前，设计流程都是先要制作出具体的硬件，然后再根据编好的软件去调试，若此时发现硬件有问题，则只能回头重做。但现在随着科技的不断进步，计算机产业高速发展，涌现出了很多的模拟仿真软件，其中Proteus便是其中比较优秀的一员。该软件和其他EDA软件相比，优点在于它能完善的仿真单片机芯片及其外围的一系列硬件电路，世界上比较主流的单片机芯片它都可以仿真，还可以直接在仿真时修改仿真图。同时辅以各种状态显示，就能清楚的了解到运行后系统的各种状态。再加上系统中的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计与仿真的开发环境17。在此次的设计中，我就利用了Proteus能仿真单片机系统的优点，在进行具体的焊接工作之前先在仿真软件中进行了系统仿真，这样就可以及时的发现并改正设计中的错误，并且极大的提高了单片机系统设计的效率18，仿真图如图3-7所示。在进入仿真环境后，单击软件左下角的运行按钮，单片机系统开始进入自动模式运行，在此时会通过光敏电阻感知光线强度并执行相应的操作，通过调整光敏电阻左侧的可以调整光线强度。因为在Proteus中无法进行遥控信号收发的操作19，所以在仿真时我用了三个按键来代替遥控信号，当按下模式切换键时模拟遥控的切换信号，系统会转入自动模式。进行了系统仿真后，让我及时发现并改正了原来设计中存在的错误，为接下来硬件的焊接工作指明了方向，打下了坚实的基础。图3-7 Proteus软件仿真图3.4 硬件制作与调试 3.4.1 主控板制作 因为采用的是万用板手工布线焊接，所以在焊接中每进行一步我都十分的小心，焊接每个器件前都是检查再检查。我先从单片机最小系统开始制作，因为这部分是整个系统的核心所在，之后的其它器件都要跟单片机相连，它的好坏直接决定了整个硬件制作的成败。虽然只有简单的几个元件，但我也不敢掉以轻心，在焊接之前我查了一些资料，了解到为了尽可能减小寄生电容带来的影响，晶振和附带的两个电容要尽可