电子电路设计大赛基于ardunio的智能光控窗帘系统.doc

编号 D-26

南京航空航天大学

电子电路设计大赛
作品报告书

基于ATMega328P单片机的
智能窗帘控制系统

二〇一六年十一月

第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告

基于ATMega328P单片机的智能窗帘控制系统

摘 要小三号黑体，居中，摘要与题目前空一行。

本课题的研究目的是开发出基于ATMega328P单片机的智能窗帘控制系统，以常见的百叶窗为硬件平台，采用28BYJ48四相五线步进电机与ULN2003集成达林顿管驱动阵列进行驱动。通过光敏传感器采集光强度，经由采样/保持电路、AD转换电路输出数字量，与预设参量比较，单片机输出信号控制电机的正、反转以达到开闭窗帘的目的。同时使用矩阵键盘实现手动开闭窗帘以及设置开闭系数的功能。 300字左右，小四宋体，首行缩进2个字符，摘要正文1.5倍行距

关键词：关键词为小三黑体，居行首。
ATMega328P，百叶窗，智能窗帘

Intelligent curtain control system based on
single-chip ATMega328P

Abstract小三新罗马字体，居中，与题目空一行

The purpose of this project is to develop an intelligent control system based on ATMega328P microcontroller, with commonly-seen shutters as hardware platform, using 28BYJ48 four phase five wire stepper motor integrated with ULN2003 Darlington arrays as driver section. With the collection of light intensity by photosensitive sensor, followed by sampling / holding circuit, AD conversion circuit, the system will give a digital output. Next, the signal will compare with preset parameters, and use the positive and the negative output signal to control the motor in order to achieve the purpose of opening and closing the curtains. At the same time using the matrix keyboard to achieve manual open and close of curtains and set the function of opening and closing coefficient.
Key Words小三新罗马字体，居行首。
： intelligent control system, ATMega328P，shutters

目 录三号黑体，居中。目录前空一行

摘 要目录中的内容用小四宋体，1.5倍行距
ⅰ
Abstract ⅱ摘要至目录用小写罗马数字编写页码，具体页码格式参照本模板

一、引 言 1从正文开始用阿拉伯数字编写页码

1.1 课题背景 1
1.2 课题的研究工作 1
二、电路与程序及机械结构设计 2
2.1作品总体框架设计 2
2.2硬件选择 3
2.3驱动电路设计 3
2.4控制程序设计 4
2.5机械结构设计 6
三、理论分析与计算 7
四、电路图及有关设计文件 7
五、元件清单 9
六、总结与展望 9
致谢 10

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一、引 言
1.1 课题背景
智能家居（英文：smart home, home automation）是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、 安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。
智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州哈特佛市的City Place Building时，才出现了首栋的智能型建筑,从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。智能家居在中国起步较晚，至今经历了十几年的时间，研究仍在不断深入。可见，智能家居市场前景巨大。家居智能化也已经成为了一种发展趋势。
而智能窗帘是智能化家居中最为基础却也十分重要的一个组成部分。在欧美等发达国家，电动窗帘已经广泛使用。虽然电动窗帘早已进入我国，但却一直没有大的推广，这两年，随着电控技术的不断发展和智能家居理念的不断普及，电动窗帘热又卷土重来。据了解，全国共有200多种电动窗帘获得了国家专利，但究其技术而言，大同小异。并且，大多只停留在用按键控制窗帘开关或升降的状态。

1.2课题的研究工作
本课题研究内容——窗帘自动控制装置即是智能家居的一个很小的组成部分。本课题旨在实现的是窗帘自动控制装置。不同于一般的布艺窗帘，本课题选择以传统的百叶窗作为雏形。
主要考量如下：1. 实现效果：百叶窗的遮光效果可调，通过控制布艺窗帘的开合程度来控制进光量会导致室内亮度不均匀；2.经济因素：相比与布艺窗帘，百叶窗成本更低，经济实惠且局部出现问题后易于更换；3.设计风格：符合家居中简约、大方的现代设计风格。
课题目标与实现方法：装置通过感知周围环境的光强自动改变叶片的旋转角度，控制进光量，以实现室内光强的稳定, 使室内的亮度保持在一个舒适的程度。同时也通过手动键盘控制窗帘，以满足用户主观上的需求。例如，在夜间，用户需要关闭窗帘，此时就可以切换到手动操作模式，关闭窗帘。本产品可实行自由的自动手动切换，有良好的实用性。
二、电路与程序及机械结构设计
2.1 作品总体框架设计
光敏传感器

采样保持电路

时钟信号
A/D转换

单片机控制电路

外部驱动电路

机械装置

2.2 硬件选择
基于ATMega328P单片机的Arduino UNO单片机系统是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境，是一款非常成熟的硬件开发平台。
Arduino具有以下优点：
·简单清晰
Arduino IDE基于processing IDE开发。对于初学者来说，极易掌握，同时有着足够的灵活性。Arduino语言基于wiring语言开发，是对 avr-gcc库的二次封装，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后，你也可以快速的进行开发。
·开放性
Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。
·发展迅速
Arduino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。Arduino简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现，更快的完成自己的项目开发，大大节约了学习的成本，缩短了开发的周期。

2.3 驱动电路设计
功率电子电路大多要求具有大电流输出能力,以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。
本课题中，驱动电路部分运用的是ULN2003系列的ULN2003D。
ULN2003电路主要用于如下领域：
●伺服电机;
●步进电机;
●电磁阀;
●可控照明灯。

2.4 程序控制设计
主函数：

系统上电
电机
红外遥控

光控模式

进入自动光控模式后，通过外部中断使系统复位从而进入手动控制模式

光控模式：

Loop

读传感器

延时

Break
阈值

极限位置
‘

极限位置

正转

反转
’

延时

2.5机械结构设计
本课题打算采用百叶窗的形式，来实现窗帘的机械结构。由于制作时间和展示场地的限制，故制作微缩结构示意。
在步进电机上，通过笔芯卡扣扣住电机，并用胶水粘住。用大小符合的碳纤维杆作为传动杆。穿过支架上的小孔，并在另一端套入十字型模型。模型十字上有一排小孔。在制作两个相同的模型。将他们从上到下依次等距离装在支架上，并用一根传动杆，固定住十字型支架，来实现他们的互相传动。

机械结构实物图

三、理论分析和计算
28BYJ48减速步进电机在无细分时的步距角为5.625/64度，即无细分时4096步转一圈。本作品只需将叶片旋转90度即可，并通过电机的正传反转来控制。90/（5.625/64）=1024，在90度的范围内有1024个区间。将光照的电压0到5伏分成1024个区间，与Arduino内部集成的10位AD转换器正好对应，即每个区间对应的步数1步，所以相邻区间光照变化即使电机走1步。步进电机驱动器的所收到信号频率的大小决定了步进电机运动的快慢，而频率由软件所产生的高低电平的周期来控制，高低电平的周期通过改变定时器初值和延时时间来改变。

四、电路图及有关设计文件

Arduino与步进电机连接图
Arduino与光敏传感器连接图

Arduino与LCD液晶连接图

Arduino与红外接收器连接

五、 元件清单
Arduino单片机
1个
DHT11温湿度传感器
1个
光敏传感器
1个
28BYJ48步进电机
1个
ULN2003D驱动芯片
1个
LCD1602液晶
1个
万能板
1块
面包板
1块
导线
若干
10K电位器
2个
38K红外接收器
1个
红外遥控器
1个

六、总结与展望
自动化的智能家居，这是现在家装的追求方向。小组成员从初期选题到查阅资料到方案讨论再到之后的硬件软件编程、机械结构实现，完成了对窗帘自动控制装置的研究过程，并完成了预期的功能。本次课题是将专业课理论知识付诸于实物开发的一次较为成功的尝试，小组成员真正体会到“技术孕育产品”的强大魅力。尽管研究过程困难重重，经历了技术和心理上的双重考验。实际和理论构想出现差异、理论计算和实际实现情况不符、采样保持器不能正常工作……诸多的困难没有让大家放弃，在不断的钻研和坚持中，一个个难关终于被克服。
通过本次电子电路设计竞赛的磨炼，大家感受到的远不只做出成品后的喜悦。看到科学技术的无尽生命力在我们自己的手中迸发，我们期待未来可以做出更多的科创产品，即使不能成为最出色的科学家，也要为祖国的科技发展贡献自己的一份力量。

致 谢小三黑体，居中，段前空一行。

首先感谢大赛组委会及老师们，给了我们团队这一次参加比赛、锻炼自己的机会，感谢赛方为我们提供了这样一个广阔的平台，让我们有机会展示自己。然后要感谢学校、感谢电工电子实验室，为我们提供了足以我们团队大可施为的实验场地，给我们提供了必要的实验仪器，如果不是这样一个开放的、充裕的实践条件，我想我们也不可能有机会完成这样一次比赛。最后，我们一定要感谢我们自己、感谢我们团队里每一位成员，是我们用无数的努力、无数的精力、无数的汗水换来了这一次比赛完整的结束，换来了我们一起成长。感谢所有那些为我们提供了帮助的老师和同学们！
总的来说，我们组员合作的作品完成了窗帘自动控制装置的基本要求，并会在后期完善其功能，如遥控，湿度检测等并改善其不足。通过这次电赛，我们集思广益，尽其所学，克服种种难题，完成了作品。我们对所做的表示满意，并由衷的感谢电赛给了我们升华知识，锻炼能力的机会。目 录
第一章 总论 1
一、项目概况 1
二、项目提出的理由与过程 6
三、项目建设的必要性 8
四、项目的可行性 12
第二章 市场预测 15
一、市场分析 15
二、市场预测 16
三、产品市场竞争力分析 19
第三章 建设规模与产品方案 22
一、建设规模 22
二、产品方案 22
三、质量标准 22
第四章 项目建设地点 25
一、项目建设地点选择 25
二、项目建设地条件 25
第五章 技术方案、设备方案和工程方案 28
一、技术方案 28
二、产品特点 30
三、主要设备方案 32
四、工程方案 32
第六章 原材料与原料供应 35
一、原料来源及运输方式 35
二、燃料供应与运输方式 35
第七章 总图布置、运输、总体布局与公用辅助工程 37
一、总图布置 37
二、 运输 38
三、总体布局 38
四、公用辅助工程 39
第八章 节能、节水与安全措施 44
一、主要依据及标准 44
二、节能 44
三、节水 45
四、消防与安全 45
第九章 环境影响与评价 47
一、法规依据 47
二、项目建设对环境影响 48
三、环境保护措施 48
四、环境影响评价 49
第十章 项目组织管理与运行 50
一、项目建设期管理 50
二、项目运行期组织管理 52
第十一章 项目实施进度 55
第十二章 投资估算和资金筹措 56
一、投资估算 56
二、资金筹措 58
第十三章 财务评价与效益分析 61
一、项目财务评价 61
二、财务评价结论 65
三、社会效益 68
四、生态效益 68
第十四章 风险分析 70
一、主要风险分析识别 70
二、风险程度分析及防范风险的措施 70
第十五章 招标方案 72
一、招标范围 72
二、招标组织形式 72
三、招标方式 72
第十六章 结论与建议 74
一、可行性研究结论 74
二、建议 75
附 件 77
一、附表 77
二、附件 77
三、附图 77