基于单片机的光控自动窗帘控制新版专业系统设计项目说明指导书.docx
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1、计算机控制技术课程设计说明书光感自动窗帘控制系统学生姓名: 张 静 学号: 学 院: 专 业: 电气工程及其自动化 指导老师: 1月摘要伴随生活水平提升,智能家居越来越被大家关注。智能窗帘也伴随科技发展悄然兴起,它不仅含有窗帘优雅美观特点,而且还能提供智能化服务,使家居生活愈加舒适、温馨和贴心。本文设计是基于单片机控制系统智能窗帘。它含有光感、红外遥控、温度显示、定时等功效。该窗帘能够依据外界光亮程度来控制窗帘开启,从而达成调整室内光线,同时还提供按键来控制窗帘关合。为了方便用户使用,增设定时模块,用户可依据本身需要对某段时间,设置窗帘开启程度。当定时结束,窗帘自动切换到光感模式实现对室内光线
2、控制。同时,还增设温度显示,使用户能够了解温度情况。关键词:智能窗帘:红外遥控;光感控制;单片机目 录第1章 绪论11.1 设计背景和意义11.2 本设计内容11.3 存在关键问题21.3.1 光感功效实现21.3.2 遥控功效实现2第2章 总体方案设计42.1 主控制系统CPU42.2 窗帘结构安装及电机选择62.2.1 窗帘结构安装62.2.2 步进电机选择62.3 硬件总体方案72.3.1方案设计说明82.3.2方案选择说明83.1 光电传感器信号采集模块设计103.3 实施单元模块设计17第4章 系统软件设计234.1 程序步骤234.2 程序设计245课程设计体会26参考文件27附录
3、 硬件电路图28第1章 绪论1.1 设计背景和意义二十一世纪是信息化世纪,多种电信和互联网新技术推进了人类文明巨大进步。利用优异计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将和家居生活相关多种子系统,有机地结合在一起,经过统筹管理,让家居生活愈加舒适、安全、有效。在现代社会,对室内设计而言,窗帘不仅含有遮光作用,更有美化功效,它不仅能够协调居室色彩搭配,而且能够柔化空间造型线条,营造温馨惬意环境。伴随高新技术及电子器件发展,光控、温控及遥控窗帘应运而生,给大家生活带来了很多方便。单片机控制自动窗帘控制系统,既能处理天天手动拉开和关上窗帘不便,又显示出了生活档次,同时还能够依据光线明暗来自动控制窗帘
4、开关,以调整室内光线,更深入地满足了大家享受要求。同时,遥控和定时组合控制,能够让大家在需要时段内,方便、快捷使用。自动控制窗帘系统推广和应用含相关键现实意义,它改变了大家生活方法,单片机控制自动窗帘控制系统含有丰富智能化功效,为家庭用户营造一个高效、舒适、便利居住环境,给大家日常生活带来了极大地方便。自动控制窗帘系统又牵扯一大批产业,单片机控制自动控制窗帘产品面向家庭用户,其应用市场是庞大,发展前景也是宽广,必将吸引大批各类企业介入,从而牵动一大批产业发展。1.2 本设计内容关键设计内容:窗帘结构设计、窗帘安装布局设计、控制系统软件设计和硬件选择。窗帘结构设计:在现代审美观念中,大家往往追求
5、整体美观,同时窗帘作为整体家居环境一部分,它结构和尺寸大小有一定限制。为了满足大家对美追求,在设计过程中采取硬度高、质量轻铝合金材料来制作窗帘整体框架。窗帘安装布局设计:窗帘光感模块依靠两个光感模块和三个限位开关来实现。对于不一样尺寸窗帘,可依据实际情况改变限位开关距离来实现控制。控制系统软件设计:智能窗帘智能化表现在其本身光控部分,当大家在室内休息、工作时候,因为外界光线强度改变,可能给在室内大家造成不适,而光控刚好处理了这一缺点。只要事先设置好光感强度,程序就可依据这个光线改变而实现窗帘开合,从而改变室内光线强度,给大家一个舒适、温馨环境。系统定时部分可提供任何状态下12个小时定时功效,在
6、定时结束后,系统自动恢复到光感模式,同时用户也可在未到时间情况下重新开启光感模式。本系统还可提供温度时时检测,时刻提醒用户注意温度改变。1.3 存在关键问题1.3.1 光感功效实现光感部分关键可分成光感检测和光感实施两部分。光感检测依靠是光敏电阻使用。光敏电阻可分成暗电流和亮电流两部分。暗电流:光敏电阻在室温条件下,全暗(无光照射)后经过一定时间测量电阻值,称为暗电阻,此时在给定电压下流过电流。亮电流:光敏电阻在某一光照下阻值,称为该光照下亮电阻,此时流过电流。光敏电阻暗电阻越大,而亮电阻越小则性能越好。也就是说,暗电流越小,光电流越大,这么光敏电阻灵敏度越高。实用光敏电阻暗电阻往往超出1M,
7、甚至高达100M,而亮电阻则在几k以下,暗电阻和亮电阻之比在102106之间,可见光敏电阻灵敏度很高。而本设计中在光感电路加入一个滑动电阻,用户可依据当地光线实际情况来改变光感元件对光线敏感程度,从而达成完美控制目标。光感实施部分关键包含一个直流电机和三个限位开关来实现。当光敏电阻判定光线强度改变时,电机按对应方向转动。以光线程度变强为例,电机向窗帘关合方向运动,当绕绳碰到某一限位开关时,电机停止转动。再进入另一光敏电阻判定,假如还是超出设定位置,电机继续以同方向转动,碰到行程开关停止。1.3.2 遥控功效实现遥控器使用方便,功效多。现在已广泛应用在电视机、VCD、DVD、空调等多种家用电器中
8、,且价格廉价,市场上很轻易买到。假如能将遥控器上很多按键解码出来,用作单片机系统输入,则处理了常规矩阵键盘线路板过大、布线复杂、占用IO口过多弊病。而且经过使用遥控器,操作时可实现人和设备分离,从而愈加方便使用。红外线是一个波长为950nm光,超出人类可视光谱范围,所以是不可见。这也是我们用它来做遥控原因之一,另一个原因就是红外线很轻易人工生成,成本低廉。即使人眼不能直接看到红外线,不过经过摄像机或数码相机,我们就能在图片里看到它们。不幸是我们周围有很多红外源。太阳是最大红外源,其它比如灯泡,蜡烛,中央加热系统,甚至是我们身体全部是红外源。实际上,只要是发烧物体,就会发射红外线。所以我们必需采
9、取部分方法来预防我们控制信号受到干扰,采取调制能够使我们控制信号免受干扰。经过调制,我们把红外线以特殊频率发射,然后红外接收设施以相同频率来接收,从而避免干扰。第2章 总体方案设计2.1 主控制系统CPU单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功效芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括讲:一块芯片就成了一台计算机。它体积小、质量轻、价格廉价、为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。现在,单片机在民用和工业测 控领域得到最广泛应用。彩电,冰箱,空调,录像机,VCD,遥 控器,游戏机,电饭煲等无处不见单片机影子,单片机早已深深地溶入
10、我们每个人生活之中。单片机能大大地提升这些产品智能性,易用性及节能性等关键性能指标,给我们生活带来舒适和方便同时,在工农业生产 上也极大地提升了生产效率和产品质量。 目前中国外单片机发展现实状况良好,我们依据单片机技术优异性和稳定性制订了以下多个方案:方案一:STC单片机STC企业单片机关键是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快812倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好,抗干扰强. 其中,STC企业推出了了STC89系列单片机,增加了大量新功效,提升了51性能,是MCS51家族中佼佼者。STC89系列单片机是MCS-51系列单片机
11、派生产品。它们在指令系统、硬件结构和片内资源上和标准8052单片机完全兼容,DIP40封装系列和8051为pin-to-pin兼容。STC89系列单片机高速(最高时钟频率90MHz),低功耗,在系统/在应用可编程(ISP,IAP),不占用户资源。方案二:MOTOROLA单片机 MOTOROLA是世界上最大单片机厂商。品种全、选择余地大、新产品多是其特点,在8位机方面有68HC05和生级产品68HC08,68HC05有30多个系列,200多个品种,产量已超出20亿片。8位增强型单片机68HC11也有30多个品种,年产量在1亿片以上。生级产品有68HC12。16位机68HC16也有十多个品种。32
12、位单片机683XX系列也有几十个品种。多年来,以PowerPC、Coldfire、M.CORE等为CPU,将DSP未为辅助模块集成单片机也纷纷推出,现在仍是单片机首选牌品。MOTOROLA单片机特点之一是在一样速度下所用时钟频率较Intel类单片机低得多,所以使得高频噪声低、抗干扰能力强,更适适用于工控领域及恶劣环境。MOTOROLA8位单片机过去策略是以掩膜为主,最近推出OTP计划以适应单片机发展趋势,在32位机上,M.CORE在性能和功耗方面全部胜过ARM7。方案三:Scenix单片机 Scenix单片机I/O模块有新意。I/O模块集成和组合技术是单片机技术不可缺乏关键方面。除传统I/O功
13、效模块如并行I/O、URT、SPI、I2C、A/D、PWM、PLL、DTMF等,新I/O模块不停出现,如USB,CAN、J1850,最具代表性是MOTOROLA32位单片机,它集成了包含多种通信协议在内I/O模块,而Scenix单片机在I/O模块处理上引入虚拟I/O新概念。Scenix采取了RISC结构CPU,使CPU最高工作频率达50MHz。运算速度靠近50MIPS。有了强有力CPU,多种I/O功效便能够用软件措施模拟。单片机封装采取20/28引脚。企业提供多种I/O库函数,用于实现多种I/O模块功效。这些用软件完成模块包含多路UART、多个A/D、PWM、SPI、DTMF、FSK、LCD驱
14、动等,这些全部是通常见硬件实现起来也相当复杂模块。综合比较三个方案,方案一工具好用,DEMO易搞,成本偏低,所以此次选择是AT89C52单片机。这是一个低功耗、高性能CMOS8位微控制器,含有8K 在系统可编程Flash 存放器。使用Atmel企业高密度非易失性存放器技术制造,和工业80C52 产品指令和引脚完全兼容。同时含有8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向量2级中止结构,全双工串行口,片内晶振立即钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU
15、停止工作,许可RAM、定时器/计数器、串口、中止继续工作。掉电保护方法下,RAM内容被保留,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中止或硬件复位为止。 图2.1 89C52图2.2 窗帘结构安装及电机选择2.2.1 窗帘结构安装家居窗帘不仅要美观,而且得低噪音,高稳定性。所以采取在滑线上缚有一或二只永磁体,和之相对应有一或二只吊环是磁性材料制成,滑线上缚有永磁体,在封闭帘杆内腔运行,而吊环全部套在帘杆外周或嵌进下部开缝内,永磁体用磁力透过帘杆牵引吊环,这种新型电动窗帘滑线不外露,不会蒙尘和缠绕,能够电动手拉兼容。 图2.2 窗帘结构示意图2.2.2 步进电机选择步进电机是一个将电脉冲转化
16、为角位移实施机构。通俗一点讲:当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定方向转动一个固定角度。经过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达成正确定位目标;同时也能够经过控制脉冲频率来控制电机转动速度和加速度,从而达成调速目标。现在,比较常见步进电动机包含反应式步进电动机(VR)、永磁式步进电动机(PM)、混合式步进电动机(HB)等。步进电动机和一般电动机区分关键就在于其脉冲驱动形式,所以,步进电动机多和现代数字控制技术相结合。但步进电动机在控制精度、速度改变范围、低速性能方面全部不如传统闭环控制直流伺服电动机;所以关键应用在精度要求不是尤其高场所。步进电机关键应用在数控机床制造领域,因为
17、其不需要A/D转换,能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移,所以一直被认为是最理想数控机床实施元件。 型 号峰值堵转最大空载转数(r/min)转矩(N.m) 电流( A) 电 压(V)功率(W)GW31ZY-63 7.5 1.5 12 18 63表2.3 直流电机参数本设计采取是12V来直流电机驱动,计算转数和扭矩以下:按上表参数计算电机在9V下扭矩,N=最大空载转数(运行电压峰值电压)=63(912)=47.25r/minM=峰值堵转扭矩(运行电压峰值电压)=7.5(912)=5.625N.m 在9V状态下,电机产生5.625扭矩足以带动绕绳转动。 2.3 硬件总体方案硬件设计好坏决定整个方案
18、成功是否,所以在硬件设计时,在实现功效情况下电路设计越简单越好,这么才能确保这个系统稳定运行。本文采取单片机AT89C52作为系统关键控制器件,经过光电传感器采集数据(数字信号),经单片机依据接收到信号来控制步进电机转动方向及步数,并依据光线改变自动调整窗帘开度。2.3.1方案设计说明考虑到自动窗帘成本和巨大市场空间,本文提出一个方案,应用光控原理工作,光亮在一定程度窗帘自动打开,光线变暗窗帘自动关闭,实现光控电动自动窗帘设计,成本低,环境保护且方便使用。实现框图图2.4所表示:光敏电阻采集光强电路单片机 驱动电机芯片步进电机正反转控制窗帘开闭图2.4 本设计实现方框图该系统含有抗干扰能力强、
19、结构简单、性能稳定,成本低廉,利于推广等特点,能够满足智能家居需求,含有良好市场应用前景.2.3.2方案选择说明论文设计关键控制器选择是AT89C52单片机,光线采集选择光电传感器ULN3330。它输出单片机能读入数字信号,然后由L293D驱动芯片驱动步进电机转动,调整其转动角度。电机选择比较轻易进行角度调整步进电机,单片机和步进电机之间连接采取L293D驱动器,它是一个两相和四相步进电机专用驱动芯片。2.3.3 硬件方案选择说明硬件电路绘图平台为PROTEL软件, 所用元器件在其上绘出,比如AT89C52微控制器、电机驱动芯片L293D、42BYG系列步进电机、电阻、电容、按键、肖特基二极管
20、、转换开关等。逻辑框图图2.5所表示。图2.5 系统硬件电路设计光检测模块 选择集成光电传感器ULN3330,当器件顶部受到大于50 Lx4光照时就输出高电平,负载上没有电流;当光照不足45 Lx时,器件就输出低电平,负载上有电流经过。单片机模块选择MCS-51单片机系列,AT89C52单片机。步进电机驱动模块选择步进电机专用驱动芯片L293D,采取L293D,经过单片机I/O输入改变芯片控制端电平,即能够对电机进行正、反转、停止操作。 步进电机选择步进电机步距角选择1.8度/步(四相电机)。2.4 软件方案设计说明(主控程序步骤图)软件开发平台为Keil软件,用C语言编写具体程序代码。主控程
21、序步骤图图2.6所表示。图2.6 主控程序步骤图第3章 硬件电路设计3.1 光电传感器信号采集模块设计3.1.1 光电传感器ULN3330介绍光电传感器按输出信号有开关型和模拟型, 开关型用于转速测量、 模拟开关、 位置开关等;模拟型用于光电式位移计、 光电比色计等。 光电检测必需含有光源、 被测物和光电元件。ULN3330是美国摩托罗拉企业生产集成光电传感器。 它是一个新奇光电开关, 将光敏二极管、 低电平放大器、 电平探测器、 输出功率驱动器和稳压电路等五部分全部集成在了一块11.8(mmmm)硅片上, 形成一个含有驱动能力光敏功率器件。 该器件可用于众多使用光敏器件场所, 使光敏器件应用
22、变得更简单、 可靠。光敏二极管光敏区域约为1.11.1(mmmm),峰值波长为880 nm。 当ULN3330受到光照时,会产生微安数量级光电流。低电平放大器是一个低噪声小电流放大器,能对微安级光电流进行放大、电平位移,最终输出可供电平探测器进行判别电平。 电平探测器是由施密特电路组成,它含有约20“滞后”特征。 输出功率驱动器是NPN中功率晶体管,最大可经过100 mA电流,能够直接驱动多种负载。 稳压电路可确保当电压在415 V范围内改变时电路也能稳定地工作。ULN3330接上电源和负载后, 不需要其它元件就能工作。当器件顶部受到大于50 Lx光照时, 就输出高电平,负载上没有电流;当光照
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