智能窗帘控制系统设计.docx

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智能窗帘控制系统设计

自动窗帘控制系统设计

摘要:

本文针对自动家居系统中的窗帘控制系统问题，设计了一款基于一片式的机器的自动窗帘控制系统。

系统基于一天中光线强弱和温度不断变化的特点，实现了一天中随着日照强度和温度的不同动态控制窗帘的打开与闭合。

此外，为使得自动窗帘系统更加人性化，在设计中加入了无线控制模板，从而实现自动窗帘系统的自动化控制。

本系统以STC89C52一片式的机器作为核心控制器，通过接收到环境光强度和温度，实现对窗帘的自动控制，同时，支持无线通信和电脑发送指令控制窗帘的功能。

本设计主要以51一片式的机器为主控单元进行硬件模板化设计，主要分为光照检测模板、节能显示模板、时钟模板、按键控制模板以及电机驱动模板。

根据设计要求，主要实现在周围光线暗时，自动窗帘自动拉开，在周围光线亮时，自动窗帘自动关闭，即为光控功能。

与此同时，还有手动模式下，自动窗帘可根据用户需求，实现开合或暂停。

此项设计可使得生活更便利，舒适，并且操作简单易懂，成本低，具有良好的市场拓展研发前景。

关键词：

自动家居；窗帘控制；一片式的机器；无线控制；自动化；光的敏感电阻；步进电机

StudyontheCuisineCultureofHotPot

Abstract:

Aimingatthecurtaincontrolsysteminsmarthomesystem,thispaperdesignsanintelligentcurtaincontrolsystembasedonsinglechipcomputer.Basedonthechangingcharacteristicsoflightintensityandtemperatureinaday,thesystemcandynamicallycontroltheopeningandclosingofcurtainswithdifferentsunshineintensityandtemperatureinaday.Inaddition,inordertomaketheintelligentcurtainsystemmorehumane,wirelesscontrolmoduleisaddedinthedesign,soastorealizetheintelligentcontroloftheintelligentcurtainsystem.ThissystemtakesSTC89C52asthecorecontroller,realizestheintelligentcontrolofcurtainbycollectingtheintensityandtemperatureofambientlight,andsupportsthefunctionofwirelesscommunicationandcomputersendinginstructionstocontrolcurtain.51single-chipmicrocomputerhasbeenusedtodesignthemaincontrolunittocarryoutthehardwaremodulardesign.Thecontrolsystemismainlydividedintoillumination

detectionmodule,节能displaymodule,clockmodule,keycontrolmoduleandmotordrivemodule.Accordingtothedesignrequirements,thesystemhasthelightcontrolfunctionwhenmeansthatthesmartcurtainsareautomaticallyopenedwhentheambientlightisdark,andthesmartcurtainsareautomaticallyclosedwhentheambientlightisbright.Atthesametime,smartcurtainscanbeopenedorclosedaccordingtouserneedsunderthemanualmode.Thisdesigncouldmakelifemoreconvenientandcomfortable,simpleoperations,easytounderstandandlowcost,andhaveagoodmarkettoexpandtheresearchanddevelopmentprospects.

keyword:

SmartHome;CurtainControl;SingleChipMicrocomputer;WirelessControl;Intelligent;Photosensitive;resistor

第1章引言

1.1课题的简介与意义

自动的做家居的一些行业做的越来越好。

自动的窗帘是自动家居系统的重要组成部分，渐渐的人们越来越关注它。

窗帘开关的操作和季节、天气、温度变化或工作时间不一致，对自动家居的窗帘控制提出了不同的要求。

因此，把合理的自动窗帘设计出来是非常重要的。

同时，伴随着物联网技术的发展，自动家具进入了每家每户，使每个家庭的家庭生活质量有所提高。

对于这个情况来说，我这篇文章是以自动窗帘为例子，在改善传统窗帘操作不便、功能单一的基础上，设计了一种低功耗、高自动、易于控制的自动窗帘系统，满足了我们对生活全自动话的要求。

针对传统窗帘控制手段单一、自动化程度低的缺点，在窗帘控制系统中加入了自动控制技术。

对外感受器接收到外面环境中的光的强弱的信号，并对信号进行处理，来确定窗帘是开着的还是关着的。

这个东西可以用再各种各样的公共场所。

就是在满足我们及基本生活的条件下，我们就有了更高的追求。

自动百叶窗这个东西的设计给我么带来了很大的方便，提高了生活水准。

这个东西还可以根据外面光线强度的不同来自动调节室内的光线亮度。

这进一步的满足了我们的娱乐需求。

近年来，随着人们对这中生活水准的高要求，自动家居使越来越流行了，系统也越来越优化了，渐渐的变成了以物联网为核心的一个全自动的高智能系统。

就是全自动的窗帘是全自动建筑的基础设施。

现在市面上的大多数的自动窗帘基本上都是采用红外线遥控技术，不能连接到物联网自动系统。

所以，设计了这样一款全自动的物联网控制的高科技的窗帘。

这是通过构建ZB无线网络，将现有的电幕集合到系统中。

然后，通过无线光对外感受器节点在线监测光强，实现窗帘开闭的自动控制。

这个系统还想到了人性化的一点，可以显示出现在的室内光线强度和窗帘的状态，并设置控制按钮，同时考虑到手动控制。

因此，结合计算机技术和对外感受器技术，设计一种能根据多媒体应用自动调节环境光的电动窗帘控制系统是十分必要的。

第2章系统工作原理

2.1对系统执行机构的控制和信息处理

该系统由一片式的机器主控模板、光的敏感电阻对外感受器模板、温度信息接收模板、无线收发模板、数字控制管道显示模板和节能指示灯组成。

无线控制：

该模板的作用就是通过系统来控制窗帘，控制窗帘开关。

自动窗帘控制系统，以照明和温度对外感受器检测到的信号为输入信号，模拟窗帘灯（节能指示灯）为信号输出执行装置，一片式的机器实现其控制。

硬件框图如图1所示。

在本设计中，对光强对外感受器的输出进行了仿真。

如果采用传统的89系列一片式的机器，需要增加A/D转换模板，芯片本身集成了A/D外围设备。

该芯片还集成了PCA模板，可以配置为捕获模式，方便地接收和解码红外遥控信号。

同时，对指令操作架构进行了优化，大大提高了操作速度，为以后的系统升级提供了更多的可能性。

光检测模板利用光电二极管（或光的敏感电阻）根据光的强度产生少量的载流子。

这些载流子将形成由反向电压驱动的反向饱和电流。

通过合理的电路设计，将电流转换电位应用于A/D检测的电压值，最终形成光强与A/D采样值的对应关系。

一般来说，它们是非线性的，需要修改。

该装置的另一个优点是通过调节反向电压值来控制输出电压的范围。

它可以很容易地适应不同参考电压的A/D设备。

在本设计中，主控芯片的A/D参考电压为+5V，因此该部分电路的反向电压也为+5V，红外遥控是目前应用最广泛的遥控方法。

这部分电路比较简单。

它的核心设备是hs0038红外接收器。

具体电路如图所示。

图2。

需要指出的是，对于stc12c5a32s2芯片，PCA模板可以在捕获模式下沿跳跃捕获并产生中断，同时记录时间间隔，非常适合红外接收机输出信号的输入。

2.2系统硬件方案选择

自动窗帘控制系统以STC89C52为主控芯片，利用光的敏感电阻接收到环境光强度，通过ADC0832将其转换成数字信息，然后用一片式的机器对环境光强度进行处理。

DS1302时钟芯片获取当前时间信息。

系统采用LCD1602实时显示光强、时间、日期和模式。

四个独立键可用于切换模式、设置时间、日期、光强限制、定时时间等。

系统还具有红外遥控功能。

同时，还有两个限位开关，防止窗帘电机翻转，损坏窗帘。

2.3系统硬件电路的设计

2.3.12.1STC89C52一片式的机器系统设计

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器。

它有8K系统可编程闪存。

它具有以下标准功能：

8K字节闪存、512字节RAM、32位I/O端口、看门狗定时器、内置4KBEEPROM、3个16位定时器/计数器、4个外面中断、7个矢量4级中断结构（与传统515矢量2级中断结构兼容）、全双工串行端口。

此外，STC89X52还可以将静态逻辑操作降低到0赫兹，支持两种软件选择节电模式。

在空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串行端口和中断继续工作。

在断电保护模式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，一片式的机器的所有工作停止，直到下一次中断或硬件复位。

最大工作频率为35MHz，可选6T/12T，STC89C52一片式的机器完整的最小系统电路图如图2所示。

2.3.22.2LCD1602液晶显示电路设计

LCD1602液晶又称LCD1602字符液晶。

是一种点阵液晶模板，专门用于显示字母、数字、符号等，LCD1602液晶模板采用HD44780控制器。

HD44780具有简单、强大的指令集，可以实现字符移动和闪烁的功能。

HD44780控制器由两个8位寄存器、指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标记（BF）、显示编号RAM（DDRAM）、字符发生器ROMA（CGOROM）、字符发生器RAM（CGRAM）、地址计数组成。

RAM（AC）。

在使用中，D0-D7与51一片式的机器的PC机相连进行数据传输，V0口与可调电位器相连。

当调节电位计连接到V0的电压时，显示器的清晰度也会发生变化。

因此，在实际应用中，使用电位器代替固定电阻是为了方便地进行调节，以便在不同的电压情况下使用。

.具体的LCD1602电路图如图3所示。

2.3.32.3DS1302时钟电路设计

DS1302是美国达拉斯公司开发的时钟芯片。

它可以是年、月、日、周、小时、分钟和秒。

具有闰年补偿功能，高性能，低功耗的功能。

DS1302采用三线制接口CPU实现信息同步，可通过突发模式一次传输多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS130有一个31*8RAM内存，用于临时存储数据。

DS1302的工作电压范围为2.5V至5.5V，具有主/备用电源双插脚，可为备用电源充电。

由于DS1302的数据插脚是双向通信，51一片式的机器的插脚属于弱上拉。

如果不增加10k的上拉电阻，则通信不成功，而RST和SCLK是单向的，没有上拉，也可以增加。

在这种设计中，所有三个端口都增加了10千个上拉电阻。

具体电路图如图4所示。

2.3.4ADC0832电路设计

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0～5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。

ADC0832与一片式的机器的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。

但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效,并与一片式的机器的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。

目前，电动窗帘主要采用直流电机及交流电机两种方式进行驱动，交流电机扭矩大，噪声也大，可以通过220V市电直接供电，虽然可以省去电源适配器，但使用过程中也比较危险；直流电机虽然扭矩比较小，并且需要适配器供电，但是启动平稳、噪音小、转速稳定，同时也相对安全。

综合以上考虑，在本设计中使用24V直流电机。

驱动芯片采用L298N，该芯片是一种双H桥电机驱动芯片，其中每个H桥可以提供2A的电流，功率部分的供电电压范围是2.5~48V，逻辑部分5V供电，驱动电路如图3所示。

2.3.52.5步进电机原理构造

步进电机是将电脉冲转换成角位移的执行机构。

一般来说，当步进驱动器接收到脉冲信号时，它驱动步进电机在设定的方向上旋转一个固定的角度（即步进角）。

通过控制脉冲个数来控制角位移，达到精确定位的目的。

同时，通过控制脉冲的频率来控制电机的转速和加速度，达到调速的目的。

步进电机28BYJ48四相八拍电机，工作电压：

DC5V~DC12V，当步进电机施加一系列连续控制脉冲时，可以连续旋转。

每个脉冲信号对应于步进电机单相或两相绕组的电流状态变化，该变化对应于转子的某个角度（步进角）。

当通电状态的变化完成一个循环时，转子旋转一个节距。

四相步进电机可以在不同的通电模式下工作。

常用的通电方式有单四拍（单相绕组通电）：

A-B-C-D-A。

双四拍（两相绕组通电）：

AB-BC-CD-DA-AB。

八张照片：

A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A……该系统需要5V直流电源供电，通常情况下，多媒体控制器本身就是5V供电，可直接用多媒体控制器电源给该系统供电。

若出现电压不匹配的情况则需要设计独立的电源模板，本系统在测试时直接从多媒体控制器中取电，因此并没有设计单独的电源模板电路。

2.3.6ULN2003硬件设计

ULN2003是一种高压、大电流复合晶体管阵列。

它由七个硅NPN复合晶体管组成。

主要用于机器、自动仪表、PLC、数字输出卡等一体式控制电路中。

它可以直接驱动继续接收电器和其他负载。

本设计采用ULN2003驱动步进电机。

本设计将一台机器的P1.0-P1.3的插脚分别连接到ULN2003的R1-R4上，输出Q1-Q4连接到28BYJ-48步进电机的四线：

蓝、粉、黄、橙，即ABCD四相。

ULN2003与一体机、步进电机的连接如图6所示。

2.3.6继续接收电器控制模板

中继控制电路用于无线控制。

当机器接收到自主控制电路的通断指令时，执行相应的操作来控制继续接收电器的开关，从而实现对设备的控制。

继续接收电器的控制结构如图11所示。

继续接收电器控制模板的硬件成本约为50元。

第3章系统设计

3.1系统软件部分设计

voidmain（）是该程序最主要的入口函数，在该函数的开头一般都是先对一片式的机器和那个外围的小机器进行初始化一下，初始化完成后进入下一个阶段，循环程序就会不断地进行工作直至达到实验的目的。

在这个主要的程序里面需要注意的是不能放过多的代码，不然的话就读不出来了。

具体的代码基本上都是利用函数来进行安装的，然后在最主要的那个函数上下手脚，这样一来就方便我们的使用了。

系统软件在某个环境下编写完成。

整个系统的工作流程如下：

首先，系统在初始化完毕后，对系统的模式进行选择。

如果系统采用的手动模式，则通过开启或关闭按钮对窗帘进行开启和关闭；如果系统进入自动模式，光感应模板将实时检测室内光照强度，并与设定的阈值进行比较，从而实现窗帘的自动开启和关闭，直至室内的光照强度控制在阈值范围内；如果系统选择进入的是远程模式，则系统实时检测远程控制信号，如果有指令发出将根据指令的要求对窗帘进行开启和关闭操作。

为了保证窗帘关闭和开启的位置控制，三种模式均采用光电限位开关来检测开启和关闭是否到位，起到保护窗帘的目的。

自动窗帘系统有三种控制模式:

自感应控制模式、用户自定义控制模式以及远程终端控制模式。

通过接收光模板和时钟配置模板实现了自感应控制模式。

它通过感知光强变化将相应的信号传输给微处理器。

在与设定时间相匹配的情况下，控制电机的运动，实现窗帘的自动开启和关闭。

用户自定义主要通过按键和显示屏实现。

用户通过设置关键点和确认显示屏信息，单独定制窗帘动作。

通过以太网与微处理器之间的数据通信，实现远程终端控制模式。

在联网的情况下，用户向远端的微处理器发送命令。

微处理器通过以太网接收命令并执行相应的操作。

系统软件设计主要包括两部分：

ZB网络设备软件设计和AD监控软件设计，其中ZB网络设备只接收数据并执行命令。

自动控制机构为PAD。

监控软件在后台实现。

CC2530程序是在IAR嵌入式工作台集成开发环境下，通过修改Z-Stack的sampleapp程序而设计的。

在Linux系统的基础上，利用qt工具设计了PAD监控软件程序。

把系统功能和别的东西联合起来来说，系统的软件部分包括主要程序、外部程序、参数设置子程序以及开关投影仪两种状态下的光线调整子程序等构成。

需要注意的是，由于光线调整子程序的运行时间相对较长，因此按键不应在此时按下，当调整到位时也需要保持一定的按下时间直至响应；投影开关状态是通过变量media_flag的值判定的，该变量在进入外面中断0服务程序时被翻转（投影开关键接于外面中断0输入引脚），是否调整结束是通过变量adjust_done标识的，该变量由光线调整子程序执行结束后标识为“已调整结束”，在外面中断服务程序中标识为“未调整结束”，并且以上两个变量均可以通过按键设置，以纠正断电、未捕获到投影控制信号等情况造成的误判。

3.2系统硬件设计

本系统硬件设计主要包括主控制模板、光线接收到模板、用户设置模板、和下位机电机驱动模板四部分。

如图2所示，主控制模板采用STM32F107芯片。

系列基于专为要求高性能，低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。

STM32F107芯片集成了各种高性能工业标准接口。

在系统设计过程中，考虑到实用性以及可扩展性，故而选择STM32F107作为微处理器，其主要作用是控制整个系统的自动化动作以及相关信息的显示。

光线接收到模板选用光线对外感受器ISL29004.它是新一代光数字对外感受器，其内部集成了电流放大器、用于消除人为光闪烁的50HZ/60HZ抑制滤波器及16位ADC转换器。

它是-个能将光强转换为16位I2C总线格式的的标准数字输出信号器件。

，进而将信号导入到微处理器。

用户设置模板选用自动可编程的LCD触摸屏和ENC28J60以太网网络接口芯片。

自动可编程的LCD触摸屏是将对界面开发的过程简化，从而在设计过程中只需关系系统核心功能的实现就行。

利用它可以实现上位机界面的编导以及用户自定义模式相关信息的显示设定:

基于系统设计过程中开发的难度以及成本问题，故而在自动窗帘控制系统设计中选用DM9161以太网网络接口控制芯片来实现远程终端控制模式的接入。

电机驱动模板考虑到对窗帘的动作不需要太大的功率需求，故而选用低功率电机，主要作用是执行微处理器过来的命令，对窗布进行自动化开关或者闭合。

系统硬件设i计部分核心板生成的PCB如图3新示:

3.2.2红外测温模板

红外测温模板主要用于家庭生活中体温的快速测量，采用ZyTemp公司生产的TN901数字式红外温度对外感受器。

该型对外感受器工作电压为5V，测量范围为－33～220℃，测量精度±0．6K，视场D∶S=1∶1，发射率为0．95，响应时间1s。

红外测温是基于黑体辐射定律，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。

红外温度对外感受器将红外辐射强度转换为电信号，从而实现对物体表现的红外温度进行测量。

TN901采用SPI总线接口，在一个测量周期内完成环境温度和目标温度的测量，其数据格式如图7所示。

图7中，Item（4CH）为Tobj（目标温度）;（66H）为Tamb（环境温度）;MSB为8bitData最高有效位;LSB;8bitData最低有效位;Sum为Item+MSB+LSB

=Sum;CＲ（0DH）为数据结束位。

T=［Hex2Dec（MSB+LSB）］/16－273．15

（2）

红外测温模板硬件成本约200元。

3.2.3自动窗帘模板

自动窗帘模板主要实现对窗帘的四种控制:

①定时开关;②温度和光强共同控制开关;③手动开关;④语音控制。

自动窗帘结构如图8所示。

3.2.4定时开关

定时开关由用户在主控电路上设置时间，设置好的数据会存储在固定内存上。

当定时时间到来时，由主控电路向窗帘模板发送相应的开合指令。

3.2.5温度和光强控制开关

在此模式下，窗帘的开启和关闭由温度和照明强度控制。

室内光线较暗时窗帘打开，室内温度较高时窗帘关闭。

窗帘开关由DS18B20温度外部传感器和BH175光强度外部传感器接收的温度和光强度控制。

3.2.6手动开关

当用户不需要自动操作时，系统为用户提供红外遥控模式。

通过红外遥控，可手动开启和关闭窗帘。

红外遥控方式采用两个连续接收的电气控制电路，通过读取红外码，判断是开启还是关闭。

通过连续接收电器的控制电路，实现了窗帘电机的正反转和负反转。

3.2.7语音控制

在这种模式下，用户可以通过语音控制实现窗帘开关，在相同的条件下优先级最高。

自动窗帘模板的硬件成本约为600元。

3.2.8火灾监测模板

该模板基于空气质量检测模板，通过检测空气中二氧化碳和烟雾的浓度来判断是否存在火灾危险。

火灾监控模板的硬件成本约为50元。

3.2.9门窗防盗模板

当门窗防盗模板工作时，通过红外对管检测门窗是否打开，通过人体热释放外接受器判断是否有人。

当检测到门窗意外打开时，主控制电路通过判断地址码在主屏幕上显示开门信息。

3.3系统组网

自动窗帘系统的主要组成部分是由ZB无线网络节点及其相应的窗帘电机控制节点、路由节点和协调器组成的光线监控节点。

协调器连接嵌入式网关板，实现现场监控。

系统通电后，协调器自动建立ZB网络。

外部光传感器连接的终端节点构成光监控节点。

接收到的光值通过ZB网络传输给协调器。

协调器通过串行端口上传到PAD。

根据光量值进行合理分配，并将指令发回ZB网络中相应的窗帘电机控制节点和窗帘电机。

控制节点由驱动窗帘电机的终端节点组成，路由节点起路由搜索和中继信号的作用。

3.4ZB核心芯片

网络节点的核心处理器均为TI新一代系统（SOC）芯片CC2530，集成了高性能射频（RF）收发器和增强型8051控制器核心，支持TI提供的Z-StackTM网络协议栈。

由于CC2530的超低功耗，网络中的光监控节点、路由器和协调器只需电池即可长时间工作。

ZB是一种基于802.15.4标准的无线传输技术。

其工作频段为2.4GHz、915MHz和868MHz，其中2.4GHz可提供250kb/s（16通道）的传输速率。

ZB无线传输技术具有速度低、功耗低、成本低等特点。

传输距离在10到100米之间。

ZB无