基于单片机的自动窗帘控制系统软件设计【优秀机械机电毕业设计论文】【A6262】
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基于
单片机
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机电
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毕业设计
论文
a6262
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文档包括:
说明书一份，36页，13400字左右。
任务书一份。
开题报告一份。
外文翻译一份。
PPT一份。
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1 西安文理学院机械电子工程系 本科毕业设计（论文） 题 目 基于单片机的自动窗帘 控制系统软件设计 专业班级 08 机械（ 2）班 学 号 08102080234 学生姓名 黄松柏 指导教师 杨学存 设计所在单位 西安文理学院 2012 年 5 月 2 基于单片机的自动窗帘控制系统软件设计 摘要： 单片机控制的自动窗帘控制系统，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和温度的变化来自动控制窗帘的开闭，以调节室内的光线，更进一步地满足了人们的享受要求。本文采用容易实现、方便操、贴近实用的设计理念，以 片机为控制核心，并采用包括光强控制及温度控制和手动控制等在内的多个控制源来控制窗帘的启闭。这里介绍了基于单片机技术的自动控制窗帘的设计原理， 以流程图方式对本系统的光强控制、温度控制及电机控制的软件设计进行了较为详细的介绍，并制作出了实物模型。该系统主要由基于 温度检测模块、基于三极管驱动数码管的显示模块、基于 机驱动模块和基于光敏电阻的光敏检测模块组成。 关键词：自动窗帘、单片机、 3 of by of by of it of to of to to at of to to is in is as of is to of of on of CU is in of by is is of on 298N on 1 目录 第一章 绪论 . 1 题的目的与意义 . 1 课题在国内外的研究状况及发展趋势 . 1 课题主要设计内容 . 2 第二章 系统整体方案设计 . 3 片机硬件系统设计的基本原则 . 3 片机软件系统设计的基本原则 . 3 统整体设计方案框图 . 4 章小结 . 4 第三章 系统硬件设计 . 5 统主要模块结构 . 5 片机最小系统模块设计 . 5 片机的选择 . 5 片机简介 . 5 度检测模块 . 7 示模块 . 8 照采集模块 . 8 机控制模块 . 8 统硬件原理图 . 9 第四章 系统软件设计 . 11 序结构分析 . 11 程序的设计 . 12 编语言与 C 语言 . 13 子程序设计 . 13 强检测及转换子程序 . 13 度检测程序 . 15 位 码管显示子程序 . 16 机驱动子程序 . 17 第五章 系统 真与 设计 . 19 件介绍 . 19 真 . 19 第六章 片机的烧制 . 21 目录 2 件简介 . 21 片机烧写程序 . 22 第七章 总结 . 25 致谢 . 26 参考文献 . 27 附录 . 28 附录一 系统硬件原理图 . 28 附录二 程序 . 29 附录三 外文翻译 . 错误 !未定义书签。 目录 3 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 1 页 第一章 绪论 本章综述了本课题选题的目的和意义以及目前的研究现状和发展趋势，并提出本文的主要设计内容。 题的目的与意义 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控制系统，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和温度的变化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。 课题在国内外的研究状况及发展趋势 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。 目前国内的 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。 目前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 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。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 2 页 课题主要设计内容 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。这一个来回的过程就达到了自动光控窗帘的效果了。并且可以通过对温度的检测进行微调，当温度大于某一值或小于某一值时，控制电机实现窗帘的闭合。另外 在自动控制的基础上添加了手动控制，可以再自动与手动两种模式进行切换满足人们的生活需求。具体内容如下： 和组员商讨硬件部分的设计方案，主要包括温度检测模块，光强检测模块，温度显示模块，电机驱动模块。 根据硬件方案制定软件主程序流程图。 编写相应的软件程序，进行软件调试。 进行系统软、硬件结合进行整机调试，实现自动控制窗帘的目的。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 3 页 第二章 系统整体方案设计 根据设计要求，本章概括的介绍了应用系统运行的整体方案，阐述了硬件电路的设计原则以及软件程序的编写方案，是其他各模块 开始设计前的重要准备工作。 片机硬件系统设计的基本原则 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如 I/O、定时器 /计数器、中断系统等，不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、 A/D、D/A 转换器等，要设计合适的接口电路 4。系统的扩展和配置应遵循以下原则： 1、尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统标准化、模块 化打下良好的基础。 2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求。但 要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到高的性能价格比，这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素。因为系统在设计完成后，主要的成本便集中在硬件方面，当然也成为产品争取市场关键因素之一。 3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实殃，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用 间。 4、系统中 的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用 片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分。 完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。例如强电与弱电之间的隔离措施，对电磁干扰的屏蔽，正确接地、高输人阻抗下的防止漏电等。 6、单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。 7、尽量朝“单片”方向设计硬件系统。 片 机软件系统设计的基本原则 1、 结构合理。程序应该采用结构模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充或完善，而且也有利于程序的后期修改和维护。 2、 操作性能好，使用方便，具备良好的人机界面。 3、 具有一定的保护措施和容错功能。系统应设计一定的检测程序，例如状态检测和诊断程序，以便系统发生故障时，便于查找故障部位。对于重要的参数要定时存储，以防止因掉电而丢失数据。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 4 页 4、 提高程序的执行速度，尽量减小占用系统的内存。 5、 给出必要的程序说明，便于后期程序维护。 统整体设计方案 框图 我们把系统的数据输入称为数据采集，系统的输出称为数据的分配。本设计的基本要求是能够采集温度信号并显示温度及采集光强信号，以便实现对电机的控制。由此可见其应具有以下几方面的功能：温度的检测、温度的显示、光强的检测及转换和控制电机的正反转。 本设计以自带 核心处理器，将温度检测输入的模拟量转换成数字信号，经单片机处理后输出显示在数码管上，并把检测出的光强转换成模拟电压信号从而控制直流电机的工作状态。此外，为了实现开关信号的直接输出，本系统还采用开关输入的方式控制单片机的工作， 进而控制直流电机的启停。系统的总体方案设计框图如图 示。 图 系统的总体方案设计框图 章小结 本章重点介绍了单片机硬件系统设计时需要注意的七个原则，以及软件编程时影响较大的五大准则，然后分析了系统所要实现的功能，进而设计出系统的整体方案。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 5 页 第三章 系统硬件设计 本章采用模块化设计的思想对系统硬件进行细化，介绍了系统硬件各个模块的工作原理、以及与单片机的接口电路。本次系统硬件部分主要包括 度检测及显示模块、光强检测模块以及 制模块。 统主要模块结构 根据系统运行的功能要求，系统硬件结构的主要模块如图 示。 图 统硬件结构图 片机最小系统模块设计 本文所涉及到的单片机的最小系统主要包括电源，时钟电路和复位电路。下面分别对这几部分的参数进行设计。 片机的选择 D/列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 单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快 8。内部集成 用复位电路 ,2 路 路高速 10 位A/D 转换 (250K/S),针对电机控制，强干扰场合。基于以上原因，该系统采用片机作为核心处理系统。 片机简介 D/列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 单片机，指令代码完全兼容传统西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 6 页 8051,但速度快 8。内部集成 用复位电路 ,2 路 路高速 10 位A/D 转换 (250K/S),针对电机控制，强干扰场合。 051 1T，单时钟 /机器周期，指令代码完全兼容传统 8051 列工作电压： 5V 单片机）列工作电压： 3V 单片机） 0 - 35当于普通 8051 的 0 420K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字节 。 280 字节 （ 36/40/44 个），复位后为：准双向 口 /弱上拉（普通 8051 传统 I/ 可设置成四种模式：准双向口 /弱上拉，推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开漏 每个 I/O 口驱动能力均可达到 20整个芯片最大不要超过 55. 系统可编程） /应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口（ 接下载用户程序，数秒即可完成一片 能 (D/内部 9. 看门狗 用复位电路（外部晶体 12M 以下时，复位脚可 直接 1 在 有一个低压门槛比较器 ； 5V 单片机为 差为 +/片机为 差为 +/部高精度晶体 /时钟，内部 R/C 振荡器 (温漂为 +/ +/内 ) 1 用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体 /时钟 ， 常温下内部 R/C 振荡器频率为： 片机为： 11片机为： 812精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实 际测试为准 个 16 位定时器 ， 两个与传统 8051 兼容的定时器 /计数器 ,16 位定时器 1，没有定时器 2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器 ， 再加上 2路 块可再实现 2 个 16 位定时器 14. 2 个时钟输出口，可由 溢出在 0 输出时钟，可由 1 输出时钟 ,传统的下降沿中断或低电平触发中断 ,并新增支持上升沿中断的 块， 式可由外部中断唤醒， 可通过寄存器设置到 , 也可通过寄存器设置到 路） /编程计数器阵列 ,2 路）也可用来当 2 路 D/A 使用也可西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 7 页 用来再实现 2 个定时器 ， 也可用来再实现 2 个外部中断 (上升沿中断 /下降沿中断均可分别或同时支持 ) 转换 , 10 位精度 8 路，转换速度可达 250K/S(每秒钟 25 万次 ) 由于 列是高速的 8051，可再用定时器或 件 实现多串口 19. 列有双串口，后缀有 志的才有双串口， 通过寄存器设置到 通过寄存器设置到 (工业级 ) / 0 - 75 (商业级 ) 口不够时，可用 2 到 3 根普通 I/O 口线外接 7465/595（均可级联）来扩展 I/O 口 ,还可用 A/D 做按键扫描来节省 I/用双 线通信，还多了串口。 度 检测模块 本设计温度采集选用了 度传感器，其特点如下： （ 1）在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 双向通讯。 （ 2）测温范围 55 125，固有测温分辨率 （ 3）支持多点组网功能，多个 以并联在唯一的三线上，最多只能并联 8 个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。 （ 4）工作电源 : 35V/ （ 5）在使用中不需要任何外围元件。 （ 6）测量结果以 912 位数字量方式串行传送。 温度检测模 块接线如图 图 度传感模块 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 8 页 示模块 4 位 码管有静态显示和动态显示两种结构。为了减少元器件及连线，本设计选用动态显示的 4 位一体的 码管。用单片机的某个 I/O 口送数码管的显示段码（字符数据），用另一 I/O 口的其中 4 位经过三极管驱动后分别作为 4 个数码管的显示控制信号，当三极管导通时候对应的数码管显示。数码管接线如图 示。 图 码管接线图 照采集模块 本设计 由光敏电阻和一个普通电阻串联构成分压电路，当周围环境的光照强度改变时光敏电阻阻值改变，从而改变了 输入电压。光强检测电路接线如图 图 强检测电路接线图 机控制模块 本设计采用 制电机的工作， 单片机 2 个输出端口连接 2 个输西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 9 页 入控制端， 片机收到输入信号后判断此时的电压值，如果小于某一数值，输出端 时为 1 和 0，信号送到正反转控制芯片 控制端 制电机正转，数秒后停止；如果大于某一数值，输出端变为 0 和 1，经制电机反转。电机驱动电路接线如图 示。 图 电机驱动电路接线图 统硬件原理图 根据各功能模块和单片机的接口电路画出系统整体硬件原理图，如 图 示。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 10 页 图 件电路接线图 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 11 页 第四章 系统软件设计 整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。从软件的功能不同可分为两大类：一是主程序，它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是子程序，它是用来完成各种实质性的功能如测量、计算、显示等。每一个子程序也就是一个小的功能执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行 模块进行功能定义和接口定义。各执行模块规划好后，就可以规划主程序了。首先要根据系统的总体功能选择一种最合适的主程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排主程序和各执行模块之间地调度关系。 序结构分析 主程序调用了 5 个子程序，分别是数码管显示程序、光强检测程序、光强转换程序、温度信号处理程序、 制程序。 光强检测程序：采集光强信号的程序。 温度信号处理程序：对温度芯片送过来的数据进行处理，进行判断和显示。 数码管显示程序：向数码的显示送数，控制系统的显示部分。 光强转换程序：把光强信号转换 为电压信号的程序。 制程序：控制 而控制直流电机正反转的程序。 程序结构如图 示。 图 序结构图 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 12 页 程序的设计 流程框图如图 示。 图 程序设计框图 主程序说明：电路由单片机系统最小系统，显示，温度检测，驱动电机电路，光强检测等模块组成。电源部分可以由下载线提供，也可由 据线提供，外加电压 5V。 根据设计要求系统先由 测温度并由数码管显示，判断温度是否小于30 C,不是则电机正转至窗帘闭合 ;与此同时由光敏电阻检测光强信号，当 温度小于30 C 时，当周围光照上升到某一数值时，电机开始正转至窗帘半闭合后停止。当周围光照上升到另一数值时，电机开始正转至窗帘闭合后停止。此时电机处于停止状态。当周围光照下降到某一数值时，电机开始反转，数秒后停止。这一个来回的西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 13 页 过程就达到了自动窗帘的效果了。 编语言与 C 语言 汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。其主要优点是占用资源少、程序执行效率高。但是不同的 汇编语言可能有所差异，所以不易移植。 而 C 语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言 的特点，并具备汇编语言的功能。 C 语言有功能丰富的库函数 ,运算速度快 ,编译效率高 ,有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。 C 语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。用 C 语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统 10。缺点是占用资源较多，执行效率没有汇编高。 对于目前普遍使用的 构的 8说，其内部 果使用 C 语 言编写，一条 C 语言指令编译后，会变成很多条机器码，很容易出现 间不够、堆栈溢出等问题。而汇编语言，一条指令就对应一个机器码，每一步执行什么动作都很清楚，并且程序大小和堆栈调用情况都容易控制，可以加深初学者对单片机各个功能模块的了解，调试起来也比较方便。因此，本次系统软件设计采用汇编语言，在星研集成环境软件下进行编程调试。 子程序设计 强检测及转换子程序 用光敏电阻和一个普通电阻构成分压电路，当光照强度改变时光敏电阻阻值改变，电压改变，从而改变输入电压的大小。由于我们选用的 片机自带 换窗口，因此不需要外接 换模块。接好电路后通过改变光照强度，测分压电阻上的电压是否变化，并记录光照最强时的电压值和光照最弱时的电压值，用于单片机程序中的判断。程序流程图如图 示。 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 14 页 图 强检测及转换流程图 换程序 d=; /调用 A/D 转换函数 ; /控制输出信号 ; i=0;i # #70 /温度上限，由于温度读取后放大 10 倍显示，所以 500 实际就是 50 度 #0 /50 减小 10 倍为 5 度 #00 /这 里 500 为电压值，转换时放大了 100 倍，所以实际为 5V #00 /这里 200 为电压值，转换时放大了 100 倍，所以实际为 2V 20; 21; T=; E=; 32; 33; 34=; 35=; 36=; 22; 23; 27; 26; 25; 24; = 0 /数码管代码 西安文理学院本科毕业设计（论文） 第 30 页 / 0 1 2
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