基于单片机的光控自动窗帘控制系统设计说明书1

1、 机电工程学院机电工程学院 毕毕业业设设计计说说明明书书 设计题目设计题目: : 基于单片机的光控自动窗帘控制系统设计 学生姓名：学生姓名： 彭华云彭华云 学学 号：号： 201028050130201028050130 专业班级：专业班级：机械设计制造及其自动化（专升本）机械设计制造及其自动化（专升本）10011001 班班 指导教师：指导教师： 颜丙生颜丙生 年年 月月 日日 1 目录 1.1. 背景意义背景意义 .3 1.11.1 光控自动窗帘系统的背景、意义光控自动窗帘系统的背景、意义.3 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 .4 2.2.方案论述方案论述 .8 2.12.1

2、方案设计说明方案设计说明 .8 2.22.2 方案选择说明方案选择说明 .8 3.3.硬件设计硬件设计 .10 3 3. .1 1 光光电电传传感感器器信信 号号采采集集模模块块设设计计 .10 3 3. .2 2 单单片片机机信信号号处处理理模模块块设设计计 .14 3 3. .3 3 执执行行单单元元模模块块设设计计 .18 4.4.软件设计软件设计 .24 4 4. .1 1 程程序序流流程程 .24 4 4. .2 2 程程序序设设计计 .25 5.5. 总体设计总体设计 .27 PROTELPROTEL 总电路图总电路图相对湿度: 90MAX;安装位置:轴水平或垂直安装 绕组直流电阻

3、(20)3010 绕组电感 32mH20 定位转矩 11.8mN.m REF 保持转矩 210mN.m(I=0.4A) 最大空载起动频率 2000pps 最大空载运行频率 3000pps 温升(两相同时通以额定 电压 12V) 80 K； 步距角精度1.80.09 转动惯量 38g.cm2 重量 0.20Kg REF 轴向间隙0.08mm 径向间隙0.02mm 轴伸径向图跳动0.025mm 安装配合面垂直度0.03mm 安装配合面同心度0.05mm 电机定子铁芯与接线端子间冷态绝缘电阻应大于 100M(用 DC500V 兆欧表测量)； 23 3.3.3 执行单元模块电路连接 （1）电机驱动电路

4、连接 本文主要采用 L298，通过单片机的 I/O 输入改变芯片控制端的电平，改变绕组脉冲信号的 顺序即可对电机实现正反转。 L298 的输入引脚与单片机的 P1.0P1.3 口分别相连，IN1IN4 引脚从单片机输入控制电平， 控制步进电机的正反转，OUT1OUT4 分别接步进电机的四个相线，ENA、 ENB 接控制使能端 控制步进电机的转、停。当 ENA、 ENB 同时接高电平时 L298 芯片是工作的，即使能端有效， 控制 IN1IN4 引脚电平的频率即可控制步进电机的转速。芯片的输出引脚分别接 2 个续流二极 管，起到保护电路作用。芯片的 VCC 和 VSS 引脚与地必须连接 100n

5、F 电容器，图中 0.1F 和 100F 电容并联即为 100nf。 对本自动系统的设计还必须满足用户想要窗帘停的某一位置停下来的需求，为此设计了步进 电机停止开关，为简化程序，更加利用 L298 芯片本身的功能，本文采用了一个单刀双掷开关 SW1，开关一端接使能端 ENA、 ENB，另两端一段接+5V 的电源，为芯片使能端提供高电平， 另外一端接地，限制使能端的使用，当开关接到地时，两个使能端接地，L298 芯片不再起作用， 电机停止运动，由此达到停止的目的。 电机控制窗帘的两个极限位置-窗帘的两端，要能使电机停下来，这一问题的解决有两 种方案，一种是计算步进电机在窗帘开合长度中所要转的圈数

6、，根据步进电机本身的步长计算电 机转数，写入程序里进行控制，还有一种是利用行程开关进行控制，当窗帘走到极限位置时会碰 到行程开关，使行程开关闭合，这里的行程开关是接地和使能端的，开关闭合就是关闭使能端， 电机停止转动，分析比较这两种方案，认为后一种较为简便且使居室的严密性得到保证，因为受 限于步进电机本身的精确度和丢步失步现象，电机难免不会在某一时刻出现丢步，是窗帘在还没 完全拉合的状态下停止。 行程开关控制步进电机极限位置停止：天亮时，光敏传感器接受到高电平，依程序所设步进 电机正转，顺时针转动，窗帘以某一速度被慢慢拉开，走到极限位置时，窗帘碰到右端的行程开 关 SW3，开关闭合使能端关闭，

7、电机停止转动。当天暗时，光敏传感器输出低电平，电机要逆 时针转动了，窗帘打开，障碍物去除，开关断开，使能端打开，电机反转，同样电机反转碰到左 边的行程开关 SW4 时，开关闭合，使能端关闭，电机停止转动。 鉴于上述考虑，我的设计电路图如下所示： 24 图 12 L298 控制电机电路 图 13 行程开关电路部分 4 4 软件设计软件设计 4 4. .1 1 程程序序流流程程 51 单片机的开发除了需要硬件的支持外，同样离不开软件。CPU 真正可执行的是机器 码，用汇编语言或 C 语言等高级语言编写的源程序必须转为机器码才能被执行，转化方法有 手动汇编和机器汇编两种，前者已很少使用，机器汇编是通

8、过汇编软件将源程序转换为机器 码的编译方法。这种汇编软件称为编译器， keil 是目前最流行的 51 单片机开发软件， keil 25 提供了一个集成开发环境 uVision,它包括编译器、宏汇编、连接器、库管理、和一个功 能 强大的仿真调试器。这样，在开发应用软件 的过程中，编辑、编译、汇编、连接、调试等各 个阶段都集中在一个环境中。先用编译器 编写程序、接着调用编译器进行编译，连接之后即 可直接运行。这样免去了过去先用编译器进行编译，再退出编辑状态进行编译，调试后又要 调用编译器的反复过程。因此可以缩短开发周期。 因此我所选用的 软件开发平台为 Keil 软件，用 C 语言编写具体的程序代

9、码。主控程序 流程图如图 14 所示。 开始 数字信号送入单片机 高电压？ 正转反转 到达顶部？ 是否 是 到达底部？ 停止 是 否否 光敏传感器 ULN3330 图 14：主控程序流程图 4 4. .2 2 程程序序设设计计 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar code ffw=0 xfc,0 xf6,0 xf3,0 xf9 ; /2 相励磁正转表 26 uchar code rev=0 xf9,0 xf3,0 xf6,0 xfc ; /2 相励磁反转表 sbit k1=P30; /定义 K

10、1 开关 uint m=1; void delay(uint x) /延时函数 uchar i; while(x-) /i=x 即延时约 x 毫秒 for(i=0;i60;i+); /*以下是步进电机正转函数 */ void setp_motor_ffw(uchar n) uchar i,j; for(i=0;i5*n;i+) /转 n 圈 for(j=0;j4;j+) P1=ffwj; /取正转数据 delay(250); /转一个角度停留的时间 ,可调节转速 /*以下是步进电机反转函数 */ void setp_motor_rev(uchar n) uchar i,j; for(i=0;i

11、5*n;i+) /转 n 圈 for(j=0;j4;j+) /if(k2=0) break; 27 P1=revj; /取反转数据 delay(250); /转一个角度停留的时间 ,可调节转速 /* 主程序 */ void main() while(m-)/电机转 m 圈 if(k1=1)/K1 送入高电平 delay(10); if(k1=1) setp_motor_ffw(3);/调用电机正转函数 else/K1 送入低电平 delay(10); setp_motor_rev(3); /调用电机反转函数 5.5. 总体设计总体设计 随着社会的发展，人们对生活追求，各式各样的窗帘出现。窗帘不

12、仅具有遮挡作用 ,还具 有美观性，给大家带来美的视觉享受。人们对居室的舒适度和自动化程度要求越开越高，为了满 足生活的需要，通过以往的人为的通过拉动使窗帘开与闭则就比较费事，也易损坏。因此，设计 一种能够控制居室窗帘的检测自动控制装置，能够在夜间关闭，白天打开，具有很强的实用性。 本文设计通过光电传感器采集数据 (光强 28 度)，反映出光信号变化，然后将光电元件光数字信号输送到单片机中。光电检测方法具有精度 高、反应快、非接触等特点，且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。该设计通过检 测光线的强弱，并根据光线的强弱自动将窗帘打开和关闭，实现了自动控制的功能，极大地方便 了人们的日常生

13、活，并在生活中得到了广泛的应用。 PROTEL 总电路图总电路图&PROTUES 仿真图仿真图 图 15 基于单片机的室内光线自动控制系统总体原理图 上图是我的设计完整原理图，本文主要光敏传感器 ULN3330，它是一个开关型的光电传感 器，直接输出数字信号，OUTPUT 端根据外部光照度的变化输出相应的数字信号-高电平或 低电平，ULN3330 的其他相应引脚分别接地或电源，然后把 OUTPUT 端接单片机的 P3.0 端口。 单片机本身包括复位电路和振荡电路，片内振荡电路：通常外接一个晶振，两个电容， 电 容值取值范围 1545pf,取值范围晶振值 024MHZ；复位电路：当振荡器运行时，

14、在此引脚上出 现 2 个机器周期以上的高电平使单片机复位，一般在此引脚与 VSS 之间接一个下拉电阻，与 VCC 引脚之间接一个电容； 驱动步进电机芯片采用 L298，通过单片机的 I/O 输入改变芯片控制端的电平，改变绕组脉 冲信号的顺序即可对电机实现正反转。L298 的输入引脚与单片机的 P1.0P1.3 口分别相连， IN1IN4 引脚从单片机输入控制电平，控制步进电机的正反转，OUT1OUT4 分别接步进电机的 四个相线，ENA、 ENB 接控制使能端控制步进电机的转、停。当 ENA、 ENB 同时接高电平时 29 L298 芯片是工作的，即使能端有效，控制 IN1IN4 引脚电平的频

15、率即可控制步进电机的转速。 芯片的输出引脚分别接 2 个续流二极管，起到保护电路作用。芯片的 VCC 和 VSS 引脚与地必 须连接 100nF 电容器，图中 0.1F 和 100F 电容并联即为 100nf。 对本自动系统的设计还必须满足用户想要窗帘停的某一位置停下来的需求，为此设计了步进 电机停止开关，为简化程序，更加利用 L298 芯片本身的功能，本文采用了一个单刀双掷开关 SW1，开关一端接使能端 ENA、 ENB，另两端一段接+5V 的电源，为芯片使能端提供高电平， 另外一端接地，限制使能端的使用，当开关接到地时，两个使能端接地，L298 芯片不再起作用， 电机停止运动，由此达到停止

16、的目的。 行程开关控制步进电机极限位置停止：天亮时，光敏传感器接受到高电平，依程序所设步进 电机正转，顺时针转动，窗帘以某一速度被慢慢拉开，走到极限位置时，窗帘碰到右端的行程开 关 SW3，开关闭合使能端关闭，电机停止转动。当天暗时，光敏传感器输出低电平，电机要逆 时针转动了，窗帘打开，障碍物去除，开关断开，使能端打开，电机反转，同样电机反转碰到左 边的行程开关 SW4 时，开关闭合，使能端关闭，电机停止转动。 图 16 基于单片机的室内自动光线控制仿真图 5.2 主要元器件清单：主要元器件清单： 器件名称器件数量 AT89C52 微控制器1 片 电机驱动芯片 L2981 片 42BYG 型号

17、步进电机1 个 电阻、电容、按键、肖特基二极管等若干 表 8 主要元器件清 单 30 6 6结论结论 我经过将近四个月的努力，终于完成了基于单片机的室内自动光线系统的设计，虽然有部分 功能尚未实现，但总体上完成了一个从硬件到软件完整的设计的流程。 论文设计的核心控制器选用 AT89C52 单片机，光线采集选用光电传感器 ULN3330。它输出 单片机能读入数字信号，然后由 L298 驱动芯片驱动步进电机转动，调节其转动角度。电机选用 比较容易进行角度调节的步进电机，单片机与步进电机之间的连接采用 L298 驱动器，它是一种 两相和四相步进电机专用驱动芯片。 该系统经过多次改进，参考了现在实际电

18、路通用的做法，在现有技术的状态下各项指标已经 达到技术要求，但由于自身水平有限，电路中还有些技术方面还可以进一步加强。如电路可以进 一步调试其精确度和灵敏度，通过多只光敏电阻更加准确的控制窗帘升降。通过此次毕业设计， 使我进一步熟悉 MCS-51 单片机和步进电机的工作原理及应用，对于 C51 程序设计的编写也较 熟练了，锻炼了独立思考与勤快耐心的能力。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学 交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同 样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力 的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充 分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不不足之处，但是在 设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，将使我终身受益。 7.7. 致谢致谢 在此要感谢我的指导老师颜丙生老师对我悉心的指导，感谢老师们给我的帮助。颜老师在整 个系统设计的过程中给了我很大的帮助，在论文任务制定时，他不仅肯定了我们项目的大方向， 而且又帮我具体分析设计的各个模块，这在我对室内自动光线控制这个具体目标的设计时起到了 不可估量的作用，受能力限制，在论文提纲制定时，我的思路不是很