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基于 单片机 智能 窗帘 系统 设计

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基于单片机的智能窗帘系统设计DESIGN OF INTELLIGENT CURTAIN SYSTEM BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER 摘要智能化已经逐渐走入社会大众的生活中了。而智能家居这一新型概念也随着智能化的发展进入人们的视线。相比传统家居，智能家居可以自动控制家电设备来完成某种控制任务或者实现某个预设目标。而在目前的家庭生活中，室内光线的强弱主要是通过开闭窗帘来实现的，但传统窗帘都必须手动操控，耗时耗力，十分不便，且与当下智能化发展的潮流不相符。针对上述传统窗帘所存在的问题，本文根据市面上已有的智能窗帘加以改进，设计出智能化功能更多更强大的智能窗帘。本论文所设计的智能窗帘可以通过检测装置来感应家庭环境中的温湿度以及室外光线，以单片机为核心控制，输出信号控制步进电机正反转，从而完成窗帘的升降。除了上述功能外，本智能窗帘还可以手动开闭窗帘，遥控开闭窗帘和定时开闭窗帘。关键词 单片机；智能窗帘；步进电机IIAbstractIn todays society, intelligent development is very fast, and in our daily life, therefore, there are many intelligent products. And the new concept of smart home has also entered the peoples eyes with the development of intelligence. Compared to traditional home furnishing, smart home can automatically control home appliances to accomplish some control tasks or achieve a preset goal. In the family life, the indoor light intensity is mainly achieved through the opening and closing of the curtain, but the traditional curtain must be manually operated, time-consuming, very inconvenient, and the current development trend of intelligent.In view of the problems existing in the traditional curtain, to the existing intelligent curtain on the market to improve, and design more intelligent, more powerful intelligent curtain.Mechanical intelligence has been popularized all over the world, and the application of smart home has been widely mentioned in our daily life Intelligent curtain designed in this paper can detect the induction device to family environment temperature and humidity of outdoor light, the single-chip microcomputer as the core control, the output signal control stepper motor, so as to complete the lifting of the curtain. In addition to the above functions, the intelligent curtain can also manually open and close the curtain, remote control,open and close curtains, and regularly open and close curtains.Keywords single chip microcomputer intelligent curtain stepping motor目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 系统设计背景和意义11.2 主要研究内容12 总体设计说明22.1 智能窗帘系统简介32.2 系统基本功能32.3 系统功能方框图32.4 传动部分的选型计算43 硬件分析与设计53.1 单片机及相关电路设计63.1.1 89C51单片机63.1.2 单片机的电源电路设计83.1.3 晶振电路93.1.4 复位电路103.1.5 键盘电路113.1.6 显示电路123.2 A/D转换电路163.3 光敏传感器电路183.4 温度检测电路203.5 湿度传感电路223.6 红外控制电路233.7 步进电机电路233.8 声光报警器电路254 程序分析设计254.1 主程序设计264.2 主要子程序设计274.2.1 键盘程序设计274.2.2 定时程序设计284.2.3 步进电机程序设计29结论30致谢31参考文献32 V1 绪论1.1 系统设计背景和意义 当今社会是个科技飞速发展的时代，人们对于生活环境舒适性的追求也越来越高。而在日常生活中，家居无疑是占据着很重要的一个部分。随着们的生活与网络信息的联系日益紧密，社会信息化不断地改变着人们的生活习惯与工作方式，对传统的家庭生活方式产生了巨大的影响。在对生活家居的要求上，人们更青睐符合现代生活潮流的智能家居。因此，以家庭住宅为平台，将家庭中各种设备（空调，电视，窗帘，照明，音频，家电等）通过网络进行连接的智能家居因此产生。与普通传统家具相比，智能家居的功能更多更强，其自动化控制的方式可以为人们的家庭生活提供更加舒适的生活感受，优化人们的家庭生活。而智能窗帘是智能家居中应用比较广泛的一种家居。能够自我反应、自我调节、自我控制的智能窗帘是一种符合现代家庭智能家居的智能窗帘。智能窗帘能够根据室内环境状况来自动调节窗帘开闭，比如在室内光线强度太弱时打开窗帘，在室内温度低于外界温度时打开窗帘让外界光线照入室内从而解决这些生活中遇到的实际问题。1.2 主要研究内容本设计智能窗帘控制系统可以根据室内外的各种环境状况，比如室内外的光线强度、室内外温度、室内外湿度等环境因素以及能够根据遥控装置发出的信号和定时装置设定的时间等其他因素来自动或半自动控制窗帘的开启和关闭，甚至可以调节开闭程度。通过分析智能窗帘的现有状态和以后发展的形式，本设计科学合理地规划其功能，完善智能窗帘控制系统。本智能窗帘系统是将步进电机作为执行原件，作为检测元件的是温度传感器、湿度传感器和光电传感器，作为控制芯片的是AT89C51单片机，其他的模块还有辅助键盘，定时，遥控和显示等。本智能窗帘系统设计过程主要分为以下几个部分：（1）智能窗帘绪论：简要介绍当前国内智能窗帘系统的发展现状以及本设计的背景意义。（2）智能窗帘控制系统总体设计方案：提出智能窗帘系统的总体设计方案，规划设计智能窗帘中的各种智能功能和系统设计的结构。（3）智能窗帘控制系统硬件设计：本智能窗帘系统选用的单片机为AT89C51，并以此单片机为控制核心，其他需要设计的硬件包括：电源电路，复位电路，键盘/显示电路，检测电路，晶振电路和电机电路等。（4）智能窗帘控制系统软件设计：简要叙述智能窗帘系统中实现各项功能的设计流程以及各项功能的运行程序图。（5）智能窗帘系统总结：总结在设计本智能窗帘系统中出现的问题和错误，总结不足之处，认真思考，然后改进。2 总体设计说明2.1智能窗帘系统简介智能窗帘控制系统中电机的正转、反转和停止是通过单片机来控制的，从而带动窗帘上升和下降。智能窗帘是以单片机为核心的，通过单片机接收按键命令，定时时间，遥控信号和光电、温湿度信号，做出响应，发出输出信号如显示模块启动，电机执行动作等。2.2系统基本功能根据目前市场上的智能窗帘，本论文加以改进，设计出可以根据遥控装置，室内外光照，室内外温度，室内外湿度以及设定时间等条件开闭窗帘的智能系统。智能窗帘主要功能：（1）按键控制：智能窗帘系统根据用户手动按键控制窗帘的开闭，并且可以控制窗帘的打开程度；（2）红外遥控控制：用户通过遥控器发出远程红外信号，智能窗帘系统通过接受信号来开闭窗帘。（3）光照强度自动控制：智能窗帘通过光敏电阻采集室外光照强度与用户设定好的室内光照强度来控制窗帘的开启和关闭。（4）时间定时自动控制：用户事先设置好的时间，当到设定时间时智能窗帘自动开启或者关闭窗帘，实现定时控制。（5）温度传感自动控制：智能窗帘通过传感器采集用户设定的室内温度和室外温度来自动控制窗帘开闭。（6）湿度传感自动控制：智能窗帘通过用户设定的室内湿度和室外湿度来调节窗帘开闭2.3系统功能方框图如图2-1所示，即为本智能窗帘控制系统的系统方框图2.4传动部分的选型计算本智能窗帘的传动部分主要由步进电机、滚动轴承、滚珠丝杠等组成，其中由步进电机带动管状滚珠丝杠转动，从而使带有内螺纹的滚道移动小车位移，从而组成传动机构。一般的智能窗帘宽在3-10米之间，本设计中设窗户的宽度为5-5.5米，则可以设窗帘开闭过程中小车行走5米。而窗帘移动时间即窗帘从完全关闭到完全打开的时间设定为0.5分钟，则可以得出窗帘的移动速度为：而窗帘的移动速度即小车的移动速度，其与滚珠丝杠的导程和转速有关。滚珠丝杠的导程即丝杠旋转一圈，小车所走的距离。因为滚珠丝杠与步进电机通过滚动轴承连接，所以转速即步进电机的转速。因此可以得出：滚珠丝杠的导程也称螺距，中小型导程现货产品一般只有5、10，因此本设计中滚珠丝杠的导程选择10mm，精度选择C7较为合适。通过查阅滚珠丝杠的型号参数表，本设计选用FFZD3210-3型号。其参数见表2-1。表2-1 FFZD3210-3滚珠丝杠参数公称直径公称导程丝杠外径丝杠底径钢球直径循环圈数321032.527.37.1443滚珠丝杠的长度与窗帘的宽度相适应，且应该比小车位移的距离要长，所以选取值为5.2m。因此可以得出：所以得出滚珠丝杠的转速为1000r/min，即步进电机的转速为1000r/min。因为本智能窗帘中对滚动轴承并没有什么要求，所以选择外径适合的常用轴承即可。综上，通过参考国内滚动抽成尺寸表，本设计选用6406型号的深沟球滚动轴承。其参数见表2-2。表2-2 6406深沟球滚动轴承参数表型号内径外径宽度640632.572193 硬件分析与设计3.1 单片机及相关电路设计3.1.1 89C51单片机在我们的日常生活中，单片机应用范围十分广泛，其实质上就是一种集成电路芯片。它能够将多种处理器如CPU、RAM、ROM等和一些电路如A/D转换电路、显示电路等集成在一个芯片上，从而形成一个完整的微控制器。在这个微控制器的控制下，各个电路能有效，准确地完成设定的程序任务。如图3-1-1为AT89C51示意图，3-1-2为AT89C51实物图【1】。图3-1 AT89C51示意图图图3-2 AT89C51实物图AT89C51单片机是一种CMOS8位微处理器，该单片机的主要特点是低电压，高性能。AT89C51单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。AT89C51单片机的主要优点有【2】：1.单片机的内部从硬件到软件都拥有一套完整的系统来操作，即微处理器，且能将多功能CPU与闪烁存储器相组合安装在单个芯片中，方便高效；2.该单片机的器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术，能够和他MCS-51的指令集和输出管脚兼容，对于许多嵌入式控制系统系统来说是即灵活且便宜的一种选择；3.AT89C51单片机指令简单易懂，外围电路比较简单容易设计，硬件选择也方便，除此之外价格便宜，容易购买也是该单片机的一大优点。89C51主要参数如下：（1） 片内震荡器和时钟电路（2） 4K字节可编程闪烁存储器；（3） 128*8位内部RAM（4） 32可编程I/O线（5） 两个16位定时器/计数器（6） 5个中断源 （7） 全静态工作：0HZ-24MHZ（8） 低功耗闲置和掉电模式表3-1 89C51单片机引脚功能说明VCCGNDP0,P1,P2,P3RSTALE/PROG/PSENXTAL1,2供电电压接地输入/输出端口复位输入输入编程脉冲外部程序存储器的选通信号反向振荡器的输入输出3.1.2 单片机的电源电路设计单片机的正常工作电压为5V，而单片机的工作电压是由智能窗帘系统的电源电路所提供。单片机因为体积较小，结构较为简单，因此作为电源必须要求其构造简单【3】。LM7805稳压器构造简单方便，其构成单片机电源电路所需的外围元件少，能减少设计成本。除此之外其，LM78系列稳压器内部自带保护电路，能有效防止电路过流和过热，且该稳压器还有调整管的保护电路。综合考虑之下，本智能窗帘系统选取LM7805三端稳压器组成单片机的电源，输出5V的直流电压给AT89C51单片机。如图3-3，是单片机的电源电路。三端集成稳压器LM7805，总共有三条引脚，分别是输入端、接地端和输出端。用LM78LM79系列三端稳压器来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。LM7805稳压器的内部结构图如图3-4所示。图3-3电源电路图图3-4 LM7805内部示意图3.1.3 晶振电路本设计中晶振电路中的晶振即晶体震荡器。在单片机的运行过程中，单片机所需要的时钟频率都是晶体震荡器结合内部的电路所产生的。只有在这个基础上，单片机的一切指令才能够得到执行。本设计晶振选用石英晶体震荡器，产生基准频率来保证控制电路中频率的准确性。石英晶体震荡器拥有优秀的频率稳定性和强大的抗外界干扰力性能。除此之外，通过产生震荡电流，晶体震荡器能够将时钟信号输送给单片机。由于考虑到智能窗帘中系统定时模块的成本以及稳定性，本设计选择采用单片机的内部定时器即晶振电路来实现智能窗帘系统的定时控制【4】。单片机的时钟产生电路是由内电路与外器件组成的，在时钟脉冲同步下进行CPU的所有操作。因为单片机内晶振与振荡器所产生的频率接近，所以选取频率值在1.2MHz24MHz。由图3-1-5，可以得知反馈电容是C5、C6，电容的范围选取为20pF100pF之。综合考虑之后，本设计晶振电路的参数见表3-2表3-2晶振电路参数表电容晶振频率振荡周期机器周期指令周期30PF12MHZ1/12s1s14sXTAL1接外部晶体的一个引脚，XTAL2接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。电容C5和C6可以帮助起振，典型值为30pF，调节它们可以达到微调fOSC的目的。3.1.4 复位电路单片机系统在运行过程中，复位电路的存在不可或缺，其功能主要是初始化单片机，把单片机内的电路恢复初始状态。因为在单片机运行的过程中，由于干扰，错误等外界因素的干扰而导致单片机的运算无法顺利继续进行如死机或者是产生错误的结果，所以这个时候就需要复位电路进行单片机的复位，重新运行单片机程序。在AT89C51单片机中，复位电路的设计如图3-1-5所示，通过接电容至VCC端，电阻接地，从而实现复位电路的功能。在该电路中，当系统单片机运行出现错误时，只需要闭合开关，在RST端发出高电平信号，即可实现复位【7】。 图3-5 复位电路及晶振电路图3.1.5键盘电路在智能窗帘系统中，用户向单片机输入指令（设定时间，窗帘开闭）是通过键盘来实现的，从而实现手动控制单片机。本智能窗帘系统键盘为了简化结构，降低成本，故选择非编码键盘。 因为按键较多，单独设置按键会导致占用端口过多，设计复杂化，因此本键盘采用非编码的独立式按键，采用的44矩阵键盘设计将按键设计组成矩阵如图3-1-6所示。键盘中16个键见表3-3表3-3 键盘16个功能介绍0-9数字键复位键正反转键停止键确定键设定键设定智能窗帘开闭时间程序出错时复位单片机控制电机正反转，控制窗帘开闭是电机停止工作，窗帘系统停止工作设定时间后的确定输入设定窗帘打开或关闭的时间图3-6 键盘接口电路3.1.6 显示电路本智能窗帘系统的显示电路的主要功能是显示时间和智能窗帘状态。针对这一设计要求，本设计综合考虑之后，选择选用LED数码管进行显示。因为LED数码管相对比其他的数码管拥有下列优点： (1) LED数码管的发光响应时间极短，拥有亮度高，单色性好，高频性好等特点； (2) LED数码管可以在电压电流过小的情况下依旧能够驱动发光； (3) LED数码管相比其他管件体积较小，重量较轻并且其拥有良好的抗冲击性能；(4) LED数码管能与CMOS、ITL电路相兼容。 数码管有两种类型:共阴性和共阳性。数码管的位控制通过公共端进行，而字符控制通过笔画端进行。数码管的显示方法也有两种：动态和静态。 （1）静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O埠来驱动，要知道一个89C51单片机可用的I/O埠才32个。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。（2）动态显示驱动：数码管动态显示是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp 的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。本智能窗帘控制系统设计为了达到显示的目的，选择4位LED数码管的串行驱动电路。LED数码管的显示由单片机89C51来控制，采用74LS164作为驱动器。74ls164 是高速硅门 CMOS 器件，与低功耗肖特基型 TTL (LSTTL) 器件的引脚兼容。74HC164、74HCT164 是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。时钟 (CP) 每次由低变高时，数据右移一位，输入到 Q0， Q0 是两个数据输入端（DSA和 DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位 (MR) 输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。 如图3-7，3-8，3-9，3-10，即74LS164逻辑符号图和功能图 图3-7 逻辑符号 图3-8 IEC逻辑符号图3-9 逻辑图 图3-10功能图 74LS164是8 位串行输入，并行输出的移位寄存器。如图3-11，表3-4，可得知74LS164的引脚以及各引脚的作用：图3-11 74LS164引脚图 表3-4 74LS164引脚说明符号引脚说明DSA1数据输入DSB1数据输入Q0Q336输出GND7地(OV)CP8时钟输入MR9中央复位输入Q4Q71013输出VCC14正电源3.2 A/D转换电路本智能窗帘系统中A/D转换电路的作用是将从电路中接收到的模拟信号转换成数字信号输出，其中的模数转换就是通过A/D转换电路。因此选择A/D转换之前，A/D转换精度、速度和位数等必须得先确定。基于这些要求，本设计在智能窗帘控制系统中选择了8位A/D转换器ADC0809。如图3-12，即ADC0809引脚图。图3-11 ADC0809引脚图ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100s左右。ADC0809的主要特性有：（1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 （2）具有转换起停控制端。 （3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时） （4）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 （5）工作温度范围为-4085摄氏度 （6）低功耗，约15mW。ADC0809芯片为28引脚的双列直插式封装，其信号引脚的功能说明如下：IN7IN0：模拟量输入通道。ALE：地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START：转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。A、B、C：地址线（通道端口选择线），A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。CLK：时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号。EOC：转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0：数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高。 OE：输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc：+5V电源。 Vref：参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。表3-5为通道选择表。表3-5 通道选择表被选择的通道ABCIN0000IN1100IN2010IN3110IN4001IN5101IN6011IN7111如图3-12,即ADC0809连接示意图。74LS373为锁存器，当 OE 为低电平时，Q0-Q7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，Q0-Q7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 图3-12 ADC0809连接示意图3.3光敏传感器电路本智能窗帘控制系统中，光控模块是通过采集室内外光线来控制智能窗帘的开闭。光敏电阻又被称为光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料.其制作材料有种特性即在光照下，光敏电阻的阻值会减小。光敏电阻是一种半导体，其步进具有极高的灵敏度且不畏惧高温，高湿的环境。因此被广泛应用于社会生活中。由光敏电阻组成光控电路中，用运算放大器组成比较电路。将两个输入端（同相输入端，反向输入端）的测得的电压值比较转换成信号，经过A/D转换电路的转换通过P1接口转入AT89C51单片机。运算放大器的输入端电压值采用两个电阻分压进行采集基准电压，其在运算放大器同相输入端用两个电阻分压，得到的电压值作为基准电压，其反相输入端采用光敏电阻来测得电压值。AT89C51单片机接收信号并处理，发出输出命令控制步进电机正反转，控制智能窗帘的开闭。考虑到成本预算和结构简化，综合考虑之后，本设计采用GL3526光敏电阻【11】。光敏电阻的连接如图3-13所示。 图3-13 光敏电阻连接图在模拟信号采集过程中，有时会遇到接收不到信号的情况，这是因为信号十分微弱，A/D转换电路无法接收难免会碰到采集信号过于微弱，难以接收。基于这种情况，输入信号需要进行放大一定程度，满足A/D转换电路的信号接收要求，因此需要设计安装一个信号放大电路来放大输入信号。除此之外，信号采集时，需要采集的输入信号会伴有干扰信号，因此选用的信号放大器不仅要能放大输入信号，还必须能够过滤干扰信号，应当选用具有频率选择作用的滤波器。综合考虑成本和结构，本设计选用了低通滤波器，如图3-14所示。图3-14 放大滤波电路3.4 温度检测电路本设计中温度测控模块是采用温度传感器组成温度检测电路来采集室内的温度信号并与设定的温度相比较，从而输出命令控制窗帘开闭。DS18B20是美国Dallas公司设计生产的一款温度传感器，是世界上第一款支持“一线总线”的传感器。因为其体积小，适用电压的范围广，精度高以及价格便宜等特性，被广泛应用日常生活中。如图3-15和表3-6所示，为DS18B20温度传感器封装图和引脚图【15】。图3-15 DS18B20温度传感器封装图表3-6 DS18B20温度传感器引脚表 引脚 GND DQ VD 说明 地 单线运用的数据 输入/输出引脚可选的电源引脚DS18B20温度传感器的主要特性有：（1） DS18B20在安装使用中不需要外围元件；（2） 测温范围为-55125，在-10+85时精度为0.5；（3） 支持多点组网，可以多点测温；（4） 仅需一条口线实现微处理器和DS18B20双向通讯；（5） 适应电压范围更宽，为3.05.5V。DS18B20温度传感器的接线原理图如图3-16所示 图3-16 DS18B20接线原理图3.5湿度传感电路本设计中湿度监测用到的是湿度传感器，湿度检测通过湿敏元件来完成，湿敏元件主要包括电阻式的湿度传感器和电容式的湿度传感器。电阻式的湿敏传感器工作原理是利用感湿材料制成的薄膜通过对空气中水蒸气的吸附作用，从而引起自身元件电阻值和电阻率的变化。而电容式湿敏传感器则是采用高分子材料制成薄膜电容，一旦外部的环境湿度发生变化，湿敏电容的介电常数也会随之一起发生变化，从而引起电容值的变化。HS1101是电容式传感器，这种传感器的电容值会随着空气湿度的增加而增大，在控制电路中可以等效为一个电容元件。这种传感器具有全互换性，在标准环境状态下不需要去校正，有很强的稳定性和可靠性；可以实现全湿度的测量；这种传感器的响应速度快，精度特别高，受温度的影响极小；而且HS1101的电容值与相对湿度变化曲线接近线性关系【12】。HS1101电容式湿度传感器的性能特点如下：（1） 极好的线性输出；（2） 极高的测量精度，可达2%RH；（3） 工作电压和单片机等大多数元器件电压一致，为5VDC；（4） 完全的互换性，标准环境状态下无需校正；（5） 极短的响应时间，小于5s；（6） 全湿度范围测量，工作温度范围在-40+100HS1101电容式湿度传感器的外观如图3-17所示图3-17 HS1101电容式温度传感器外观图3.6 红外控制电路本设计中智能窗帘遥控功能是通过红外控制模块来实现的。红外控制分为红外发射和红外接收两个模块。（1） 红外发射本设计中红外发射模块的搭建是采用SC6121编码芯片为核心，构成一个红外遥控发射器。SC6121是一块用于红外遥控系统中的专用发射集成电路，采用CMOS工艺制造，可外接32个按键。遥控发射器发射发射出不同的码值至红外接收电路，接收电路再将信号送至AT89C51单片机,由单片机输出信号，控制电机转动，带动窗帘开闭。（2） 红外接收本设计中红外接收模块采用LFN0038红外接收头，LFN0038是一颗集成接收头，其内部集成了放大电路，接收电路，控制电路等。其有3个引脚输出（电源，接地和输出），方便使用。3.7步进电机电路步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。步进电动机的输入量是脉冲序列，输出量则为相应的增量位移或步进运动。正常运动情况下，它每转一周具有固定的步数；做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。如图3-18为步进电机运行原理图。 步进电机 图3-18 步进电机运行原理图在步进电机控制电路中，步进控制器的作用是把输入脉冲转换成环型脉冲，以控制步进电机的转向。在实际应用中由软件代替步进控制器，其优点是使线路简化，降低成本，可靠性提高。步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。1步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。 2静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸） 3电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）遵循以上步骤，通过查阅雷赛科技公司步进电机型号表，本设计选用42BYGH1.8型步进电机。参数见表3-7。表3-7 42BYGH1.8步进电机的参数电机型号电压V电流A电阻步距角最大静力矩N/cm引线转子转动惯量N/cm细步数42BYGH1.8500.8300.9/1.83.176682 42BYGH1.8型步进电机的特点如下：（1） 大步距角（2） 控制功率小（3） 在断电的情况下有定位转矩（4） 有强的内阻尼力矩（5） 启动频率较低步进电机驱动需要连接一个驱动器，本设计选择ULN2003驱动器。ULN2003是高耐压，大电流复合晶体管阵列，由7个硅NPN复合晶体馆组成。3.8声光报警电路本设计中的报警采用的是按键报警，当按下按键即输入报警信号。报警信号收入单片机，单片机经过分析处理，发出输出信号至声光报警输出电路，从而发出声光报警。如图3-19所示，为报警电路，图3-20为声光报警输出电路。图3-19 报警电路图3-20 声光报警输出电路考虑的设计的成本和结构简单，本设计选择YS-2100型号声光报警器。4 程序分析设计本智能窗帘系统程序设计由主程序和子程序组成，而子程序由以下几个部分组成：键盘部分，显示部分，电机部分，定时部分，红外部分等。4.1 主程序设计主程序的作用是使单片机初始化，并与各个子程序联系。主程序构成无限循环的，主要完成初始化单片机，开关中断，显示内容初始化，按键扫描，电机运行等功能。 主程序流程图如图4-1所示 主程序流程说明：本智能窗帘系统设计中主要有电源电路、显示电路、按键电路、A/D转换电路、步进电机控制电路等子电路，每一个电路均有一个相对应的子程序。主程序的作用是初始化寄存器和显示内容，接着进行是否按键操作，并对该操作进行分析和处理，通过分析处理，对于设定键，则设定时间，到了设定的时间后步进电机工作。对于控制键，执行窗帘开闭的工作。如果经过分析后都不是，采取复位的操作。初始化单片机YN设定键时间到？电机工作设定时间控制键分析按键?显示Y键处理N工作完成？YN图4-1主程序流程图4.2主要子程序设计4.2.1 键盘程序设计按键在进行操作时，闭合和断开时触点均会产生抖动，容易导致逻辑电平不稳定，引起单片机发生错误运行。因此，本设计采用软件延时方法。即单片机处理按键操作后都延时5ms，如果确定是按键后再延时12ms，这样基本可以避免键盘的抖动。延时处理之后再由单片分析键码，并执行相应的命令，显示并且返回。图4-2 键盘程序设计流程图按键设置采用了扫描法，要判断键盘中有无键按下时将全部