智能窗帘控制系统设计报告

嵌入式系统设计大赛嵌入式系统设计大赛 智能窗帘控制系统智能窗帘控制系统 Intelligent curtain control system 设设 计计 报报 告告 参赛学校 参赛学校 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 作作 者 者 XXXXXXXX 指导教师 指导教师 XXXXXX 1 摘要摘要 随着科技的发展 智能家居已逐渐进入人们的生活中 本设计介绍基于随着科技的发展 智能家居已逐渐进入人们的生活中 本设计介绍基于 STC89C52STC89C52 单片单片 机控制的智能窗帘系统 它采用了红外遥控技术 实现在室内任何地方 只要轻按遥控器 机控制的智能窗帘系统 它采用了红外遥控技术 实现在室内任何地方 只要轻按遥控器 窗帘就会随心所欲的打开或关闭 为了使窗帘系统更加智能化 在设计中还加入了光控和窗帘就会随心所欲的打开或关闭 为了使窗帘系统更加智能化 在设计中还加入了光控和 自动定时控制 可以根据光强或用户定时 开启或关闭窗帘 让该设计更加人性化 自动定时控制 可以根据光强或用户定时 开启或关闭窗帘 让该设计更加人性化 关键词 智能窗帘 光控 单片机关键词 智能窗帘 光控 单片机 Abstract With the development of technology intelligent domestic living has been gradually coming into life Describes the design of intelligent control based on single chip curtain system which uses an infrared remote control technology anywhere in the room as long as the touch of the remote control curtain will open or close the arbitrary To make the system more intelligent curtain also joined in the design of light control and automatic timing control based on light intensity or the user time and open or close the curtains so the design is more humane Key Words Smart Home Light Control MCU 2 目录目录 摘要摘要 1 第一章第一章 绪论绪论 3 1 1 智能家居概述及发展 3 1 2 本课题的内容和目标 3 第二章第二章 系统总体设计系统总体设计 4 2 1 智能窗帘系统的功能特点 4 2 1 1 遥控控制 4 2 1 2 定时控制 4 2 1 3 光感控制 4 2 2 系统总结构图 5 2 3 系统平台 5 第三章第三章 智能窗帘系统硬件部分智能窗帘系统硬件部分 6 3 1 步进电机硬件部分 6 3 2 串口 RS232 硬件部分 7 3 3 定时模块硬件部分 8 3 4 液晶显示模块硬件部分 9 3 5 光敏模块硬件部分 11 3 6 温度传感器硬件部分 11 第四章第四章 系统关键功能模块的软件设计系统关键功能模块的软件设计 13 4 1 步进电机 13 4 2 红外遥控部分 13 4 3 串口 RS232 部分 14 4 4 光敏感应模块 15 4 5 温度感应模块 15 第五章第五章 功能与指标功能与指标 17 5 1 系统功能和指标 17 第六章第六章 本设计特色本设计特色 18 第七章第七章 结论与展望结论与展望 19 参考文献参考文献 20 3 第一章第一章 绪论绪论 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 控制技术的迅猛发展与提高 促使家庭实现了生活现代化 居 住环境舒适化 这些高科技已经影响到人们生活的方方面面 改变了人们的生 活习惯 提高了人们的生活质量 智能家居在这种形势下应运而生 1 1 智能窗帘概述及发展智能窗帘概述及发展 在现代生活中 窗帘再不仅仅只起到遮挡光线的简单的作用 它在整体家 居中的装饰作用越来越突出 据调查发现 居民因迁入新居而购买窗帘布艺产 品平均每单花费在 4000 元以上 且不乏一次花费在 2 万元以上者 因此 以迁 入新居或装修后进行家用纺织品消费为特征的消费需求增长 成为家用纺织品 消费的主流 明显地表现为刚性需求的增长 另外 随着人们对居住环境的要 求不断地提高 智能化的家居产品在人们的生活中将会逐渐被认识和采纳 智 能窗帘也正以其强大的人性化功能 惊人的发展速度以及巨大的市场前景崭露 头角 然而 纵观目前国内智能窗帘市场 一方面 它的价格只有少数的人能承 受的起 离普通大众相去甚远 而这过高的价格制约了它的发展 另一方面 智能窗帘的智能化程度还不高 有的甚至只有遥控功能也称作是智能窗帘 因 此智能窗帘市场良莠不齐 针对这种现象 本设计通过创新 给窗帘增加了定时控制和光感控制 让 窗帘显得更加智能化 在成本方面 采用一些价格相对便宜的器件 来实现这 个复杂的系统 因此本设计具有很强的现实意义 1 2 本课题的内容和目标本课题的内容和目标 本课题抓住 智能家居 这一理念 在设计中力求人性化的智能控制 给 用户带来最佳的体验 本设计以单片机为控制核心 一方面以接收遥控器发来 的红外线 手动控制窗帘 另一方面 采用了光敏元件和温度传感器 根据光 强温度的变化 实现对窗帘的智能化控制 同时 本设计还增加了另一种控制 4 模式 自动定时控制 可以给窗帘设定开关时间 让用户拥有更好的体验 第二章第二章系统总体设计系统总体设计 通过分析功能 本设计的系统模块如图 2 1 所示 智能窗帘控制系统的各个模块 遥控模块温度控制 模块 定时控制 模块 光敏控制 模块 电机控制 模块 2 1 智能窗帘系统的功能特点智能窗帘系统的功能特点 本智能窗帘系统的具有以下几个功能特点 2 1 1 遥控控制遥控控制 作为一款智能型的窗帘 它仍然具有原始的按键控制功能 可以通过遥 控按键来控制窗帘的开启和关闭 2 1 2 定时控制定时控制 定时控制是窗帘稍微具有智能化的一个体现 通过设定窗帘开启和关闭 的时间间隔 可以让窗帘在某个时间自动开启或关闭 2 1 3 光感控制光感控制 光感控制可以说是最能体现本设计智能化的一个地方 通过光敏和温度 传感器 实时监测外界的光感和温度 从来让窗帘根据设定的值 自动开 启或者关闭 图图 2 1 系统各部分模块系统各部分模块 5 2 2 系统总体结构图系统总体结构图 系统总体结构图如图 2 2 所示 系统主控制器采用两块 STC89C52 型号单片机来实现对输入信号的采集 显示以及对窗 帘设备的控制 主控制器 1 主要完成遥控红外信号的接收 对电机的控制 以及对窗帘设 置定时开启或关闭 主控制器 2 主要完成温度和光照强度的采集 然后通过 RS232 串口传 送给主控制器 1 主控制器 1 对接收到的温度和光照强度数据进行处理 控制电机动作 从而实现对窗帘的控制 另外 主控制器 2 还将采集到的温度和光照强度在 1602 LCD 液晶 显示器上显示出来 以上系统中用到的各个元件的型号 单片机的型号是 STC89C52 步进电机 M35SP 7N LCD 液晶显示器 1602 温度传 感器 DS18B20 2 3 系统平台系统平台 按 键 控 制 模 块 单片机 STC89C5 2 1 1 单片机 STC89C 52 2 电机模块1602LCD 显示模块 串口 RS232 光敏感应模块 温度感应模块 窗帘 定时模块 图图 2 2 系统设计系统设计 6 操作系统平台 Windows XP 编程软件 Keil uVision3 烧录软件 PZ ISP 以及 STC ISP 第三章第三章 智能窗帘系统硬件智能窗帘系统硬件部分部分 3 1 步进电机硬件部分步进电机硬件部分 步进电机采用的型号为 M35SP 7NP 其基本结构由转子和转轴构成 如图 3 1 图图 3 1 步进电机的基本结构步进电机的基本结构 它的控制电路图如图 3 2 所示 图图 3 2 步进电机控制电路图步进电机控制电路图 步进电机的转动是通过软件来实现的 每次给步进电机一个值 让它步进 7 一个角度 这样它就可以连续不停的转动 从而带动窗帘的开关 具体实现流 程将在软件设计部分给出 3 2 串口串口 RS232 硬件部分硬件部分 UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter 也可称为通用异步串行 口 这是微控制器里常用的通信方式 RS 232C 是一种串行口的通信接口 在 RS 232C 里 传输的准位提升 使传输距离增加 抗噪声能力提高 它是微型 计算机常见的接口 串行式数据传输里 有单工及双工之分 单工就是一条线只能有一种用途 例如输出线就只能发送数据 输入线就只能接收数据 而双工就是在同一条在 线 可接收数据 也可发送数据 通常在传输数据之前 先要解决两个单片机的速率匹配问题 通常以每秒 传输多少位 bit per second 简称 bps 表示串行式数据传输的速率 若每个传输 单元为 1 bit 时 又称为波特率 baud rate 波特率的设置见图 3 3 fOSC 波特率 611 05921216 1100 xf9 0 x57 0 xee 0 x3f 3000 xfd 0 x8f0 xfb 0 x800 xfb 0 x1e0 xf9 0 x7d 6000 xfe 0 xc80 xfd 0 xc00 xfd 0 x8f0 xfc 0 xbf 12000 xff 0 x640 xfe 0 xe00 xfe 0 xc80 xfe 0 x5f 24000 xff 0 xb20 xff 0 x700 xff 0 x640 xff 0 x30 48000 xff 0 xd90 xff 0 xb80 xff 0 xb20 xff 0 x98 9600 0 xff 0 xdc0 xff 0 xd90 xff 0 xcc 19200 0 xff 0 xee 0 xff 0 xe6 38400 0 xff 0 xf7 0 xff 0 xf3 76800 0 xff 0 xfa 图图 3 3 波特率设置表波特率设置表 8 在 8052 里 若要通过串行口发送数据 只要把 8 位数据放入串行缓冲器 SBUF 即可 8052 就会帮我们把这些数据 一位一位送出去 同理 接收数据 时 数据先被收集在串行缓冲器里 当 8 位数据到齐 串行缓冲器满了 8052 就会中断 将数据提走 串行口也存在四种工作方式 它的设置是通过 SCON 控制寄存器的 SCON 7 和 SCON 6 来实现的 具体设置见图 3 4 图图 3 4 串口工作方式的设置串口工作方式的设置 本设计单片机 1 和单片机 2 所选用的波特率为 4800 工作方式为方 式 1 3 3 定时模块硬件部分定时模块硬件部分 智能窗帘的定时功能采用的是 89C52 内部的定时器 其工作方式有以下四种 方 式位数计数范围其它功能 Mode 013 位0 8191 Mode 116 位0 65535 Mode 28 位0 255具有自动加载功能 Mode 38 位0 255 9 图图 3 5 89C52 定时器的工作模式定时器的工作模式 具体工作方式的设置是通过 TMOD 方式寄存器来实现的 TMOD 方式寄存 器的高 4 位 TMOD 7 TMOD 4 用以设置 Timer1 的工作方式 而低 4 位 TMOD 3 TMOD 0 用以设置 Timer0 的工作方式 以低 4 位为例 GATE 位为 定时器的门控开关 用以决定其启动方式 若 GATE 0 则只要 TR0 1 即可启动 Timer0 称为内部启动或软件启动 若 GATE 则必须先将 TR0 位设置为 1 再等待Error 引脚为高电平 才能启动 Timer0 称为外部启动或硬件启动 C Error 位为定时器 计数器切换开关 若 C Error 0 则 Timer0 为内部定时器 用以计数由 fosc 12 产生的脉冲 若 C Error 1 则 Timer0 即为外部计数器 用 以计数由 T0 引脚输入的脉冲 M1 及 M0 这两位可设置工作方式 具体工作方 式的见图 3 6 图图 3 6 定时模块的设置定时模块的设置 本设计采用的是定时器 0 的方式 2 3 4 液晶显示模块硬件部分液晶显示模块硬件部分 LCD 为液晶显示面板 由于 LCD 的控制需要专用的驱动电路 且 LCD 面板 的接线需要特殊的技巧 加上 LCD 面板的结构比较脆弱 通常不会单独使用 LCD 的内部结构为 10 图图 3 7 HD44780 LCM 内部结构内部结构 输入输出缓冲器为 LCM 的大门 所有的数据与控制信号都必须通过本单元 才得以进出 LCM 指令寄存器为一个 8 位寄存器 其功能是存放微处理器所送人的 LCM 指令 DDRAM 或 CGRAM 的地址 当我们要将数据输入到 DDRAM 或 CGRAM 时 首先 将数据放入数据寄存器 再把指令与 DDRAM 或 CGRAM 的地址放入本寄存器 即可将该数据输入到 DDRAM 或 CGRAM 同样读取数据也是 指令译码器的功能是将指令寄存器里的指令译码 以获得所要操作的 DDRAM 或 CGRAM 的地址 数据寄存器连接 LCM 内部数据总线 地址计数器连接 LCM 内部地址总线 DDRAM 或 CGRAM 的操作都需要通过 本寄存器所提供的地址来寻址 忙碌标志用以表示 LCM 当时的状态 若 BF 1 则表示 LCM 处于忙碌状态 无法接收外部指令或数据 若 BF 0 则可接收外部指令或数据 11 数据显示存储器映射所要显示的数据 串行 并行数据转换器的功能是将从 CGRAM 或 CGROM 所取出的并行显示数 据转换成串行数据 以提供驱动电路推动 LCD 面板 时序产生电路的功能是产生 LCM 所需的时钟脉冲 偏压产生电路的功能是提供驱动 LCD 面板所需的偏压 公共端驱动电路的功能是提供 LCD 面板公共端的扫描信号 3 5 光敏模块硬件部分光敏模块硬件部分 采用光敏电阻对光照进行采集 并将所采集的电压模拟信号量传入 AD 转换 芯片 PCF 在 52 单片机上利用模拟 IIC 总线协议 读取 AD 芯片所转换过来的 数字信号量 再将数字量经过函数转换来得到光照度 光敏模块的内部结构如 图 3 8 所示 图图 3 8 光敏模块的内部结构光敏模块的内部结构 3 6 温度感应模块硬件部分温度感应模块硬件部分 温度的采集是利用 DS18B20 温度传感器 DS18B20 内部结构主要由四部分 组成 64 位光刻 ROM 温度传感器 非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL 配置 寄存器 DS18B20 控制方法是首先是启动 DS18B20 进行温度转换 然后读暂存 器的值 接下来写暂存器 将数据写入暂存器的 TH TL 字节 下一步把暂存器 的 TH TL 字节写到 E2RAM 中 重新调 E2RAM 后 最后启动 DS18B20 发送电源 供电方式的信号给主 CPU 温度传感器工作连接如图 3 9 所示 12 图图 3 9 温度传感器连接图温度传感器连接图 13 第四章第四章 系统关键功能模块的软件设计系统关键功能模块的软件设计 4 1 电机模块电机模块 每次给步进电机一个不同的值 让它转动一定的角度 电机转动拉动窗帘 开和关 其中电机的打开和关闭窗帘的状态为正转和反转 它们的变化值如下 表所示 反 转 0 xfe 0 xfc 0 xfd 0 xf9 0 xfb 0 xf3 0 xf7 0 xf6 正 转 0 xf6 0 xf7 0 xf3 0 xfb 0 xf9 0 xfd 0 xfc 0 xfe 电机正反转程序流程如图 4 1 所示 图图 4 1电机正反转程序流程图电机正反转程序流程图 4 2 遥控红外接收部分遥控红外接收部分 按下遥控按键红外接收产生中断 初始化中断判键值改变电机状态 图图 4 2红外接收程序流程图红外接收程序流程图 14 4 3 串口串口 RS232 部分部分 串口 RS232 用于两个单片机之间的通信 它是本设计成功的关键 串口 RS232 流程图为 初始化串口 取得数据放入 Buf 发送 Buf 中数据 初始化串口 调用接收中断函数 有接收中断时 2 串口接收流程图 1 串口发送流程图 图图 4 2串口串口 RS232 程序流程图程序流程图 4 4 光敏感应模块光敏感应模块 光敏感应模块是本设计智能化的一个体现 通过光敏传感器 不断接收外 界的光照强度 从而自动判定是否开启或者关闭窗帘 这一部分程序流程图为 15 N Y 初始化定时器 启动 IIC 总线 写入 AD 地址 读入数据地址 读出数据 停止 IIC 总线 定时到否 数据输出到 LCD 显示 图图 4 4光敏感应程序流程图光敏感应程序流程图 4 5 温度感应模块温度感应模块 为了使设计结果更准确 增加了温度感应模块 窗帘的开关不仅仅是参照 光照强度 而且也参照温度 这样通过多个参数来判定窗帘状态 结果更合理 温度感应模块的流程图为 16 N Y 初始化定时器 初始化 DS18B20 启动温度转换器 获得温度 定时到否 LCD 输出温度 图图 4 5温度感应程序流程图温度感应程序流程图 17 第五章第五章 功能与指标功能与指标 5 1 系统功能系统功能和指标和指标 本设计具有以下功能 光敏控制光敏控制 1 1 本系统提供了光敏智能控制功能 可以根据室外的光照强度自动开关窗 帘 给居室最佳的光照强度 定时控制定时控制 2 2 本设计也提供了定时控制功能 方便人们在任何时间段设定窗帘的开关 遥控控制遥控控制 3 3 虽然是智能窗帘 但也提供了遥控控制功能 让人们随心所欲的操作 手动控制手动控制 4 4 系统可以通