毕业设计-自动启闭光控窗帘

I 1 1 11.3课题的研究分析及其特点 1 2第二章核心芯片结构原理介绍 4 4 6 8 8 第三章硬件部分系统设计 3.2显示部分硬件电路设计 3.3时钟部分硬件电路设计 3.4红外接收部分硬件电路设计 3.5光控电路测光部分电路设计 3.6电机驱动部分电路设计 第四章系统软件设计 4.1红外线解码的设计 4.3遥控控制部分 结论与体会 主要参考材料 11.1课题背景单片机控制的自动启闭窗帘控制系统，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。除了广大市民住宅使用外，该遥控窗帘器还可以广泛应用于别墅、公寓、宾馆、饭店、写字楼、歌舞厅、影剧院、会议厅、银行、学校、医院等各种公共场所，因此该产品具有广阔的市场前景。自动启闭光控窗帘系统在我国还在欧美等发达国家，电动窗帘已广泛应用。在10年前，电动窗帘就已经进入我国，可一直没有大的推广，这两年，随着电控技术的不断提高及价格的不断下降，电动窗帘热才又卷土重来。据了解，全国共有170多种电动窗帘器获得了国家专利，但就其技术本身而言，还是大同小异，但售价却有很大差别，贵的要数千元，便宜的只要500块。尽管自动启闭光控窗帘系统在国内是一个新兴的行业，但是，它也正以不可抵挡之势迅速崛起。自动启闭光控窗帘系统走进中国以来，在短短四年的时间里，自动启闭光控窗帘系统生产商由最初的几家公司增加到如今的百余家生产厂商、分销商、集成商与装饰公司都形成了相当规模控自动窗帘系统行业，如青岛海尔、清华同方、TCL等，并涌现出一些较具影响力的智能家居专业厂商，如上海索博智能电子有限公司、北京九州易居科技有限公司、天津瑞朗智能家居电子科技有限公司、深圳市正星特科技有限公司等。自动窗帘产品已开始走进中国的家庭。具报道，我国2004年售出商品房1.9亿m²,如果每20m²需要一套窗帘架产品，仅此一项就可以年新增窗帘架产品近千万套加上。年新增窗帘架产品市场需求将不低于2000万套。如果单片机控制的遥控自动窗帘，销售占市场的5%左右，就可实现年产值上亿元。1.3课题的研究分析及其特点现有的电动窗帘机的控制方式有固定式开关控制、遥控、光控、声控等，其中以前两2种形式居多。就实用程度和经济角度来说，用固定式开关控制方式较好，这是因为窗帘的开闭不像电视机等家电产品开闭得那样频繁，每天开闭的次数不多，因此安装在固定的地方使用也相当方便，如把开关装在床头柜等电器综合控制系统中，睡在床上就能控制窗帘的开闭。利用触摸开关，实现全自动断电，既安全又节能，但最重要的一点就是没有实现完全的自动化，没的摆脱对人的依赖作用。而采用遥控控制时，需要候机电源，不可能完窗帘机的控制方式大体上有三种：声控、光控、时控，声控和遥控属于半自动类；而光控虽属全自动式，但因光敏器件的灵敏度，冬夏等不同季节的光照度的不同，以及人们对起闭窗帘在时间上的要求不同，而难以实施和普及8。因此，时控式的全自动窗帘机便成了专业以及业余电子设计人员的热门课题。根据以上自动窗帘有些不能实现完全的自动化；有些虽然实现了完全的自动化，但结构复杂，性能不够稳定；有些虽然实现了完全的的红外线遥控发射芯片、时钟芯片、单片机作为主要控制器件，来完成该系统的设计。该(1)发射红外线的发射装置采用一般彩色电视机的遥控器，这样既方便又实惠。(2)时间控制开关窗帘。通过对DS1302芯片的设定，让用户可以随自己的生活习惯方便(3)采用红外遥控方式，不会干扰其它电器的正常工作，也不会影响邻近的无线设备。超距离遥控，可达8～9m。(4)能根据光照的强度来自动调整窗帘打开的程度。(5)美观。以往的遥控电动窗帘都是向一边拉或向上拉，而本设计用的窗帘为百叶窗。(6)体积小、结构简单、灵敏度高、抗干扰性强、经济实用、工作可靠。324第二章核心芯片结构原理介绍2.1.1STC89C52的特点线可重复编程快擦写程序存储器；32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器；五读/写操作。PO口也用以输出外部存储器的低8位地图1址。由于是分时输出，应在为第一功能使用时操作同P1口。P3口的第二功能如表2.1所示。5端口引脚各个功能RXD(串行口输入端)TXD(串行口输出端)INTO(外部中断0请求输入端，低电平有效)INT1(外部中断1请求输入端，低电平有效)T0(定时器/计数器0计数脉冲输入端)T1(定时器/计数器1计数脉冲输入端)WR(外部数据存储器写选通信号输入端，低电平有效)RD(外部数据存储器读选通信号输入端，低电平有效)2.1.3STC89C52的时钟电路和复位电路(1)时钟产生电路本电路选用的电容为30pF,晶振频率为12MHz,振荡周期=1/12μs,机器周期Sm=1μs,指令周期=1～4μs。XTAL1和XTAL2:片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。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。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STC89C52RC片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡，如图2.1所6(2)单片机复位电路图2.2为单片机复位电路。单片机在开机时都需要复位，以便中央处理CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位后是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲(2个机器周期)以上的高电平，单片机便可实现初始化状态复位。STC89C52RC单片机的RST引脚是复位信号的输入端。图2.2复位电路2.2红外线接收模块——TOSP1838近年来，随着信息技术的飞速发展，无线通信技术正在向各个领域渗透，特别是利用红外线进行通信无论从小型化、轻量化、还是从安全性等方面考虑，其可行性都比较高。红外数据通讯实际是利用红外线作为通讯载体，由红外发射器和红外接收器来完成信号的无线收发。在发射端，对发送的数字信号经适当的调制后，送入电光变换电路，驱动红外发光二极管发射红外光脉冲；在接收端，红外接收器对收到的红外信号进行光电变换，并进行解调后，恢复出原信号。在红外数据通讯中，红外接收器件的选择是红外数据通讯中至关重要2.2.1红外线一体化接收头TSOP1838系列是Temic公司推出的一体化红外线接收模块，集红外线接收、放大、解调于一体，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作；而体积只有普通三极管大小一样，适合各种红外线遥控和红外线数据传输，其传输距离大于4米。红外线接收模块TSOP1838系列的管脚分布如图2.3所示，1、2分别为电源和地，3为大范围工作电压：(3-6)V;遥控距离：大于4m。7321TSOP1838系列红外线模块接收器的受光面一侧为黑色环氧聚焦滤波透镜，此透镜消除了可见光对它的干扰，对于提高可靠性及滤除光噪声至关重要。模块内含红外线PIN接收管、前置放大器和解调器。当红外线发射器发出的信号经空间传送到TSOP1838系列模块时，模块内部PIN红外线接收管将红外光转换为电信号，该信号经前置放大、解调后由3脚输出与TTL电平兼容的电信号，该信号能直接送入到微控器等要求TTL电平信号输入的芯片中。2.2.2红外线发射码组成要使用红外线一体化接受头接受遥控器发射的红外线，再通过单片机解码，那就，必须先了解红外线发射器所发射的红外线码的组成。一般的彩电、VCD遥控器的编码采用的格式为1913、9012、1621格式；要识别一个遥控器的格式很简单，只要把遥控器拆开，看它所用的集成块型号就知SAA3010,其格式就是1621、3010格式。这种格式以1621为例，当按下遥控器上的某个按键时，遥控器将发射出一帧数据，帧数据的编码格式由三部分组成：引导码(Leadcode)、客户码(Customcode)和数据码(Datacode),对于一个遥控器来说，每个按键所发射的帧数据的客户码总是一样的，有区别的只是数据码。其中9012和1913、1621格式的唯一区别就是引导码的高电平宽度不一样，9012格式为4.5ms,1913和1621格式为9ms。帧结构中的客户码和数据码各有两个字节，第一个字节和第二个字节互为按位取反，其中客户码的高4位与低4位又互为按位取反。‘0’码由0.56ms高电平和0.565ms低电平组合而成、‘1’码由0.56ms高电平和1.69ms低电平组合而成。码元的高电平信号采用38kHz矩形波(载波)调制发射，载波占空比(Duty)为1/3,低电平无信号发射。8可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V~2.3.1DS1302简介源，外接32.768kHz晶振。RST是复图2.4DS1302引脚功能图2.4.1ADC0809的内部逻辑结构模数转换部分主要由ADC0809芯片负责，读入模拟信号的管脚我们选用的是INO,输出数字信号是D0~D7,与单片机相连接ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以9换器和一个三态输出锁存器组成。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A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为1EOCALEOED6CLKD5VREF+DQGNDVREF- 23456789 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0-5V,若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A,B,C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控单片机输出转换得到的数据。OE=1,输出转换得到的数据；OE=0,输出数据线呈高提供，通常使用频率为500KHZ,VREF(十),VREF(一)为参考电压输入。2.5液晶显示器LCD16021602液晶每行可显示16个字符，一共可以显示两行。1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文控制器内部带有80B的RAM缓冲区，对应关系如图2.6所示当我们向00～0F、40～4F地址中的任一处写显示数据是，液晶都可以立即显示出来，当写到10～27、50～67地址是，必须通过移屏指令将它们移入可显示区域方可正常显示。2.6ULN2003简介ULN2003是高耐压、大电流达林顿阵列，由7个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下：ULN2003的每一对达林顿管都串联一个2.7kΩ的基极电阻，在5V的工作电压下它电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，适用于各类要求高速大功率驱动的系统ULN2003经常在以下电路中试用：(1)显示驱动；(2)继电器驱动；(3)照明灯驱动；(4)电磁阀驱动；(5)伺服电动机、步进电机驱动等电路中。ULN2003的每一对达林顿管都串联一个2.7kΩ的基极电阻，在5V的工作电压下它能ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。第三章硬件部分系统设计3.1电源部分硬件电路设计通过一带有整流电路的12V变压器外接市电(220V)后，输入直流12V电压。左边两个是12伏的电源滤波电容，一般大电容旁边并联一个小电容的目的是降低高频内阻，因为大的电解电容一般采用卷绕工艺制造，所以等效电感较大，小电容可以提供一个小内阻的高频通道，降低电源全频带内阻。同时经过3端集成稳压器LM7805稳压后输出+5V电R20=5K后，为单片机及DS1302提供VDD电压，如图3.1所示。厂厂3.2显示部分硬件电路设计显示电路设计采用的是液品LCD1602来显示实时时间、调开窗帘时间、关窗帘时间等PO口作为数据口连接LCD1602的7～14口，来传输数据及指令，由于PO口带负载能的5脚R/W(读写选择端),P1.2接LCD1602的6脚E(使能信号)。电位器W1用来调节LCD1602的亮度，如图3.2所示。图3.2显示电路3.3时钟部分硬件电路设计÷1234763图3.3DS1302接线图3.4红外接收部分硬件电路设计红外线接收电路使用一个集成红外接收器，型号是TSOP1838,静态时输出端输出高电平，当接收到红外信号后，按红外信号的数据波形输出负脉冲数据信号。红外信号输出到单片机的P3.2,该口对应的第二功能是外部中断0(INTO),利用该口的第二功能，一旦中断功能的目的，既减轻了单片机的工作负担，又保证接收到的红外信号的完整性。3.5光控电路测光部分电路设计的转换结束信号EOC连接到P3.0;输出允许信号OE连接到P3.1;时钟信号CLK连接到P1.3,到P1.4;D0~D7分别接到单片机P2.0~P2.7;VREF(+)和VREF(一)分别连接到+5V电源经A/D转换后的数字信号，在此设置P2.0～P2.7为输入端口。对信号分析处理后，处理系统需对电机控制装置发出控制指令，在此设置P3.4-P3.7为输出端口。当单片机的P2.0～P2.7端口接收到输入信号后，接下来要做的是号采集装置中，采用了分压电路型式，将光信号转换为电压信号，然后经过A/D转换变成的转动角度。我们采用的是分级调速，把这个区域分成4个区域，每个区域对应转动角度NT3 2019oP2E8123465图3.5ADC0809和光敏电阻电路图电机驱动部分主要由达林顿驱动ULN2003芯片实现。接口，输出部分选用13～16引脚，8引脚接地，9引脚所示为连接步进电机的电源，电机驱动电路连接图如图3.6所示。4698序-市市eA2Y6YA5A3Y5E123456345123236711图3.6电机控制部分电路设计更顺利的完成自动启闭光控窗帘的设计。3.7.1步进电机简述3.7.2步进电机驱动原理步进电机有三线式、五线式、六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动。若每旋转一圈以20个励磁信号来计算，则每个励磁信号前进18°,其旋转角度与步进电机的励磁方式可分为全步励磁及半步励磁，其中全部励磁又有1相励磁及2相励磁之分，而半步励磁又称1～2相励磁。本次设计采用的是2想励磁法。2相励磁法：在每一瞬间会有两个线圈同时导通。因其转巨大，振动小，故为目前使用最多的励磁方式，每送一励磁信号可走18°。其励磁顺序如表3.1所示，若励磁信号反ABCDABCD11100300112011041001电动机的负载转矩与速度成反比，速度越快负载转矩越小，但速度快至其极限时，步进电机即不在运转。所以在每走一步后，程序必须延时一段时间，以对转速加以限制。3.7.3步进电机的选择步进电机有步距角(涉及相数)、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：电动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，即每个当量电动机应走多少角度(包括减速)。电动机的步距角应(2)静力矩的选择：静力矩的选择依据是电动机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接启动时(一般由低速)两种负载均要考虑，加速启动时主要考虑惯性负载，恒速运行时只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2～3倍，静力矩一旦选定，电动机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)。(3)电流的选择：静力矩相同的电动机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大。选择电动机一般应遵循以上步骤。本次设计选择的是M35SP-7NP四相五线永磁型步进电机。永磁型步进电机的特点为：1)大步距角，例如15°、22.5°、30°、45°、90°等；2)起动频率较低，通常为几十到几百Hz;3)控制功率小；4)在断电情况下有定位转矩；5)有强的内阻尼力矩。4.1红外线解码的设计该系统采用长虹彩电K11F型遥控器，产生的遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。该芯片的用户识别码固定高8位地址为OBFH,低8位地址为40H;后16位为8位操作码(功能遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。一组码本身的持续时间随它包含的二进制0和1的个数不同而不同，大约在45～63ms之间。当一个键按下超过36ms,振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲，这108ms发射代码由一个起始码(9ms),一个结果码(4.5ms),低8位地址码(9ms～18ms),高8位地址码(9ms～18ms),8位数据码(9ms～18ms)和这8位数据的反码(9ms～18ms)组成。如果键按解码的关键是如何识别0和1。从位的定义我们可以发现0、1均以0.56ms的低电平开始，不同的是高电平的宽度不同，0为0.56ms,1为1.68ms,所以必须根据高电平的宽度区别0和1。如果从0.56ms低电平过后，开始延时，0.56ms以后，若读到的电平为低，说明该位为0,反之则为1,为了可靠起见，延时必须比0.56ms长些，但又不能超过1.12ms,否则如果该位为0,读到的已是下一位的高电平，因此取(1.12ms+0.56ms)/2=0.84ms最为可靠，一般取0.84ms左右均可；根据码的格式，应该等待9ms的起始码和4.5ms的结果延时小于9ms(低电平)→等待高电平的到来→延时小于4.5ms(高电平)→等待下一次高电平的到来→延时0.84ms左右→读区P3.2脚电平值→再等待下一次高电平的到来→延时0.84ms左右→读取P3.2脚电平值，依次取得32位代码，前16位为识别码，后18位既为8位数据码和8位数据反码。集体流程框图见图4.1。识别码正确Y与实际键值(10个)比跳4.2LCD1602显示程序写指令：输入：RS=L,R/W=L,D0—D7=指令码，E=高脉冲；输出：D0—D7=数据。LCD1602的一般初始化(复位)过程：延时15mS,写指令38H(不检测忙信号);延时5mS,写指令38H(不检测忙信号);延时5mS,写指令38H(不检测忙信号，以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号);写指令38H:显示模式设置；写指令08H:显示关闭；写指令01H:显示清屏；写指令06H:显示光标移动设置；写指令0CH:显示开及光标设置。1602流程图如下：否是4.3遥控控制部分遥控控制部分就是根据遥控器发送的编码来执行需要的任务，其中包括：开窗帘、关窗帘、停止移动(把窗帘设置成半开状态)、调节实时时间，(按一下此键，再按加、减键即可使实时时间增加一或减小一)、调节开窗帘时间、调节关窗帘时间、时间增加、时间减小、开/关自动开关帘、开/关自动关窗帘。具体实施措施为：1)接收到的红外线码值为10H,转入执行stop子程序，此时P3.4～P3.7四个引脚都将被置为高电平，控制电机ULN2003的四个控制端都处于截止状态，电机不执行任何动作既窗帘停止不动。2)接受到的红外线值为16H,转入执行OPEN子程序，电机正转，延时一段时间也就是窗帘全部打开的时候，电机停止运动。3)接收到的红外线值为44H,转入执行CLOSE子程序，电机反转，延时一段时间也就是窗帘全部被关上的时候，电机停止运动。4)接收到的红外线值为OCH,就使01H取反，开始01H应该为0,取反后01H变为1如果此时再按加一或是减一键，系统便会转入执行STIME子程序，使实时时间加一或是减一后放入DS1302的RAM中，如果再次按到OCH这个键，那么01H取反被设置为0,按加或5)接受到的红外线值为46H、47H的时候与第四基本上相同，不同之出就是46H为调6)接受到的红外线值为49H时，为开/关自动开窗帘，中断程序将把03H取反，03H开始应该为0,取反后变为1,系统在去读取DS1302实时时间的时候如果发现03H为1就会把读得的实时时间与开窗帘的定时时间想比较，相等就会执行开窗帘子程序；如果再次按到该键，