精品基于单片机的自动窗帘系统毕业论文.docx
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精品基于单片机的自动窗帘系统毕业论文
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基于单片机的自动窗帘系统设计
摘要
目前，家庭居住环境的采光及避光问题主要采用的是手动开闭窗帘，手动开闭不仅费力而且很多方面不够人性化，会对用户造成一定的困扰，本文设计的自动窗帘控制系统可以解决这些问题。
本文主要阐述了自动窗帘控制的设计过程。
以AT89C51单片机为控制核心，以光敏电阻和雨滴传感器为传感器件，以步进电机为执行器件。
在设计的同时对单片机的理论基础和外围扩展知识进行了比较全面准备。
硬件采用分块的模式，对整个系统的电路设计进行分析，分别给出了系统整体框图、显示电路、检测电路、系统总控制模块、等相关电路；随后说明系统软件的编写过程，同样采用的是分块的模式，且每一个模块都给出了相应的流程图。
本设计利用单片机实现了半自动控制、自动控制、定时控制的相互转换，智能的控制窗帘的动作。
通过调试，时钟控制、手动开关窗帘、自动开关窗帘等控制方面的设计基本达到了预期效果。
具有较强的实用价值。
关键词：
单片机，自动窗帘，步进电机，自动控制。
Systemdesignbasedonsinglechipmicrocomputerautomaticcurtain
Abstract
Now，accordingtotherequirementsoflivingenvironments.Thispaperdescribestheprocessofintelligentcurtaincontroller.ThisdesignusesAT89C51microcontrollerasthecontrol，introducemicrocontroller-basedopticalcurtaincurtainsystem，themainstructuralprincipleofthe.Inthedesignformonolithicintegratedcircuits，andperipheraltoexpandthebasicthetheoriesofknowledgewasfairlycomprehensivepreparation.Blockthemodelofoftheentiresystemtoanalyzetheoverallblockdiagramofthesystemaregiven，displaycircuit，photoelectricswitchcircuit，systemcontrolmodule，powerconversioncircuits，protectioncircuitsandotherrelatedcircuit；thendescribesthesoftwarethepreparationprocess，butalsobythesub-blockpattern，witheachmoduletodrawacorrespondingflowchart.
Inthispaper，usetheAT89C51microcontroller，accordingtotheirdifferentmodes，toachievesemi-automaticcontrol，automaticcontrol，timingcontroloftheconversionandintelligentmotioncontrolcurtains.Debuggingbysimulation，clockcontrol，manualswitchcurtains，thecurtainsautomaticallyswitchthebasicdesignofsuchcontroltoachievethedesiredeffect，withastrongpracticalvalue.
Keywords：
SCM、intelligentcurtain、steppingmotor、automaticcontrol.
目录
摘要I
AbstractIII
第1章绪论-1-
1.1研究目的和意义-1-
1.2国内外发展状况-2-
1.3课题的目的任务和要求-2-
第2章系统方案论证-5-
2.1方案选取-5-
2.2总体设计方案-8-
2.2.1系统基本功能-8-
2.2.3系统总体结构设计-9-
第3章系统硬件分析设计-11-
3.1系统硬件总设计-11-
3.2各单元电路设计-12-
3.2.1控制电路设计-12-
3.2.2检测电路设计-16-
3.2.3执行电路设计-18-
3.2.4键盘显示接口电路-21-
第4章系统软件设计-27-
4.1系统软件总设计-27-
4.2系统软件子程序设计-28-
4.2.1步进电机程序设计-28-
4.2.2键盘程序设计-29-
4.2.3定时程序设计-31-
第5章测试和调试-33-
5.1硬件调试-33-
5.1.128BYJ-48步进电机：
-33-
5.1.21602液晶显示器-35-
5.1.3DS1302时钟芯片-36-
5.1.4LM双电压比较器集成电路-37-
5.2软件调试-38-
5.3系统联调-38-
总结-43-
参考文献-45-
致谢-47-
附录-49-
第1章绪论
1.1研究目的和意义
21世纪是科技飞速发展的时代，单片机的应用也随之越来越广泛。
在这样高速发展的环境下，各种新型产品犹如雨后春笋，单片机的作用也越发重要单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种IO口和中断系统、定时器计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。
从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。
单片机具有高集成度、高可靠性，控制功能强，低电压、低功耗，优异的性价比。
由于这些优良的特性，单片机广泛的应用到工业控制，智能家电，汽车电子，楼宇自动化，医疗器械。
日常生活中，验钞机、门禁系统、电子监控、变频空调等也使用到了单片机。
在材料科学、工业技术、计算机技术的发展与进步的带动下，电路系统向着高度集成的方向发展。
CPU的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展。
其告诉的发展可以用日新月异来形容。
其中单片机的重要性越来越越突出，在控制系统中的应用越来越普遍。
要进行单片机系统的设计首先，要有一定的基础知识；第二，需要具有一定的软件设计能力，能够根据设计的要求，写出所需程序；第三，要灵活的把知识综合运用。
另外，单片机也经常应用到一些小系统的设计。
本系统就是依靠AT89C51单片机的优点顺利设计出来的。
随着科技的发展，人们生活水平不断提高，使得人们对于居住的空间的环境有了更高的要求，人们希望居住空间更加的舒适、便捷。
这是人类发展的必然规律。
科技把人们的生活变的更加智能化，使人们生活的更加舒适、便捷。
人们的生活离不开窗帘，它保护了人们的隐私。
对于现代的建筑，对于窗帘的要求也越来越高，既能解决每天手动开关的麻烦，又能显示出生活的档次，所以窗帘自动系统会越来越普及。
并且可以广泛的应用到普通住宅、宾馆饭店、写字楼等各种场所，因此自动窗帘系统有着广阔的市场前景，因此研究这方面的产品也显得更加的重要。
由于我国的科技刚刚发展起来，各种科技产品还明显的落后于发达国家，人民的生活也刚刚开始富裕起来，许多智能系统也刚刚在我国兴起。
但是，发展前景却广阔。
这种系统可以为我们营造出高效、舒适、便捷的居住环境。
并且它可以牵动一大批产业。
如此广泛的应用，他的前景也必将非常广阔。
随着科学技术的飞速发展，人们的生活观念也在渐渐的发生转变。
各种家电也在发生着变化。
由于单片机技术和计算机技术的的不断成熟，家电越来越智能化。
窗帘也不例外，在欧美等发达国家，智能窗帘系统已广泛应用。
智能窗帘在国内算是高端前沿产业，市场广阔，有推广和应用的意义，在发达的欧美市场智能窗帘已经并不新鲜，已经广泛运用于平常百姓家中，所以有必要在国内推广。
1.2国内外发展状况
随着科学技术的飞速发展，人们的生活观念也在渐渐的发生转变。
各种家电也在发生着变化。
由于单片机技术和计算机技术的的不断成熟，家电越来越智能化。
窗帘也不例外，在欧美等发达国家，电动智能窗帘已广泛应用。
自动窗帘在国内算是高端前沿产业，市场广阔，有推广和应用的意义，在发达的欧美市场智能窗帘已经并不新鲜，已经广泛运用于平常百姓家中。
本设计通过分析自动窗帘的发展和现状来规划其智能功能，从而对窗帘进行智能控制。
采用步进电机为执行原件，以光敏电阻和雨滴传感器作为传感原件，AT89C51单片机作为控制芯片，辅助键盘和显示，实现自动窗帘的多项智能项目。
自动窗帘控制系统设计过程主要分为以下几个章节：
（1）绪论：
介绍目前国内自动窗帘的发展现状和研究的目的和意义。
总体设计方案：
给出智能窗帘系统的总体方案设想，智能项目，和设计结构规划。
（2）硬件设计：
选用AT89C51单片机为核心的各种电路设计，包括复位电路，电源电路，时钟电路，步进电机控制电路，传感器电路，键盘显示电路等一系列相关电路。
（3）软件设计：
主要介绍了各项功能的设计流程。
（4）总结与展望：
针对设计中的不足进行再思考以及提出自动窗帘控制系统功能的扩展，和对此设计发展前景的展望。
1.3课题的目的任务和要求
自动窗帘控制系统总体设计方案是确定能满足设计要求的总体方案环节。
本章从系统功能的需求出发，规划并确定系统的总体结构，并在次基础上考虑了系统的可扩展性以及可实现性。
该系统除了具有一般窗帘控制系统的最基本功能以外，还通过单片机的控制实现了根据光照强度，空气湿度和设定时间自动开闭窗帘的功能，在选取设计方案和采用元器件方面，该设计本着简单实用经济的思想，尽量使电路的设计简单化，用最简单的电路布线和选用最经济实用的器件来达到设计的需求。
智能窗帘主要有一下功能
（1）手动控制：
该功能是根据用户的需求通过按键进行窗帘的开关，此功能可以使窗帘的开闭处于任何一种状态；
（2）光敏控制：
根据光的强弱，实现窗帘的自动开关。
（3）雨滴传感器控制：
若传感器上有水滴，则窗帘自动关闭，水干后，自动开启。
（4）时间自动控制：
根据用户设置的时间来控制开启或者关闭窗帘。
第2章系统方案论证
2.1方案选取
单片机在各种电子产品中的应用已经越来越广泛，很多的电子产品利用单片机所取得的便利性得到了人们的好评，所以本设计采用的控制元器件选用单片机。
单片机的选择：
单片机自70年代问世以来都以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，通过广泛的应用领域拉动得到了蓬勃发展，单片机功能也日渐完善。
由于单片机的应用，使许多领域的技术水平和自动化程度都大大提高，可以不夸张的说当今世界正在经受着一场以单片机技术为标志的新技术革命浪潮冲击。
主要的单片机类型如下：
（1）MCS-51系列单片机
MCS-51系列单片机主要指Intel公司生产的以51位内核的单片机芯片，具有8位CPU、4K字节的ROM、128字节的RAM、同时可扩展外部64K字节RAM和ROM、两个16位的定时器、四个8位并行IO口、一个全双工串行IO口、21字节专用寄存器、五个中断源、片内自带振荡器、片内单总线等功能部件。
（2）AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能的CMOS8位微处理器，俗称为单片机。
AT89C2051单片机是一种带2K字节闪存，可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用了ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，和工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在了单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，而AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性较高且价廉的方案。
外形及引脚的排列如图2-1所示：
图2.1AT89C单片机外形及引脚排列
AT89C51单片机主要的特性如下：
（1）和MCS-51产品指令系统完全兼容
（2）4K字节在线编程Flash存储器，1000次擦写周期
（3）工作电压范围4.0～5.5V
（4）全静态工作模式：
0～33MHz
（5）三级程序存储器锁内部RAM128×8字节
（6）三十二个可编程IO口线两个16位定时计数器
（7）六个中断源
（8）全双工串行UART通道
（9）低功耗空闲和掉电模式
（10）中断可从空闲模式唤醒系统
（11）看门狗（WDT）和双数据指针
（12）掉电标识和快速编程的特性
（13）具有掉电状态下中断恢复功能
（14）灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）
因为AT89C51单片机片内有4K字节的在线编程Flash存储器，而且可以擦写1000次，具有掉电模式，而且具有掉电状态下中断恢复功能，对设计开发非常实用。
所以选用AT89C51单片机作为自动窗帘系统的控制单片机。
针对单片机控制的自动窗帘控制系统的智能化要求，实现其自动控制的方案有两种：
方案
（一）基于温度检测以及声控检测器件的自动控制
方案
（二）基于光照强度器件以及湿度检测器件的自动控制
方案
（一）的系统框图如图2.2所示：
图2.2方案
（一）的原理框图
方案
（二）的系统框图如图2.3所示：
图2.3方案
（二）的原理框图
这两个方案都是基于单片机控制的，采用步进电机控制以及液晶显示器，不同的设计部分在于检测器件的选取上。
方案
（一）与方案
（二）的区别主要在于检测器件的应用，方案
（一）采用温度采集和声音检测原件，通过设定的温度来控制窗帘的开闭，以减少光照对室内的温度影响，利用声音控制虽然方便性有所提高，但是其误差较大。
方案
（二）采用的时钟模块实用性更强，且手动控制不容易出现误差。
综合考虑以上因素，系统设计采用方案
（二）。
2.2总体设计方案
自动窗帘控制系统总体方案设计是基于满足设计要求的前提并且根据理论上的可实现性和硬件上的经济实用性，而进行设计的重要环节。
本章从人们对系统功能需求出发，在综合考虑各种因素的情况下，设计出自动控制系统的总体构架，并且在基本功能需求的基础上尽可能考虑系统的可扩展性。
2.2.1系统基本功能
伴随着科学技术的发展和人民生活水平的日益提高，人们对生活舒适性的追求越来越强烈，而窗帘在每个家庭生活是必备的，其基本功能是保护住户的隐私以及遮蔽阳光等。
基于这些作用窗帘的便利性自然也收到家庭的关注。
但传统的窗帘绝大部分是用手去开关，每天开关不仅不省力，而且还可能错过最佳的光照时间，尤其是大窗帘，比较重，而且长，在开闭时需要费很大力气才能开关窗帘，特别不方便。
针对这种现象，自动窗帘遍由此产生。
现有的窗帘基本上都可以利用按键控制，自动开关窗帘，虽然省了力气，但是有些方面的设计还是不够人性化。
对此，本控制系统提出可以根据光照以及定时等开关窗帘，具体有一下几大功能：
（1）手动控制：
该功能是根据用户的需求通过按键进行窗帘的开关，此功能可以使窗帘的开闭处于任何一种状态；
（2）光敏控制：
根据光的强弱，实现窗帘的自动开关。
（3）雨滴传感器控制：
若传感器上有雨滴，则窗帘自动关闭，水干后，自动开启。
（4）时间自动控制：
根据用户设置的时间来控制开启或者关闭窗帘。
2.2.3系统总体结构设计
自动窗帘控制系统设计的总体框图如图2.4所示
图2.4智能窗帘控制结构框图
通过传感器采集的信号利用信号校正电路放大，滤波后输入到AD转换器，传入的信号是由AT89C51单片机来控制，并且做出响应，以实现电机的正转、反转与停止。
显示模块是用来显示时间以及自动窗帘控制器的各种状态。
键盘作为输入设备，通过不同按键来控制显示模块的显示内容和控制单片机的各种运转状态。
第3章系统硬件分析设计
总体硬件包括单片机外围电路、AD转换电路，信号调理电路、检测电路、键盘显示接口电路、步进电机控制电路等模块。
单片机外围电路提供各种模块所需的5V电源和时钟模块；信号检测后是模拟信号，经过调理放大进入AD转换后输出数字信号给单片机。
3.1系统硬件总设计
自动窗帘控制系统设计的总体框图如图3.1所示：
图3.1自动窗帘控制系统设计总体框图
根据光照和雨滴来开闭窗帘的主要原理是用光敏电阻采集外界的光强度，从光传感器采集的信号利用信号校正电路放大，滤波后输入到AD转换器，由于AD转换器件的转换需要一定时间，一旦在短时间内信号发生变化，转换结果将会出现偏差，所以在转换期应该采用采样保持电路。
传入的信号是由AT89C51单片机来控制，并且做出响应，以实现电机的正转、反转与停止。
显示模块是用来显示时间以及自动窗帘控制器的各种状态。
键盘作为输入设备，通过不同按键来控制显示模块的显示内容和控制单片机的各种运转状态。
3.2各单元电路设计
3.2.1控制电路设计
51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。
它的处理对象不是字或字节而是位。
它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。
虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。
51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理（作位处理时，合128个位，相应位地址为OOH
～7FH），使用极为灵活。
这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。
而实施这一处理（包括前面所有的位功能），只需用一条位操作指令即可。
51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。
八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。
而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。
作乘法时，只需一条指令就行了，即MuLAB（两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。
积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中）。
很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。
在51系列中，还有一条二进制一十进制调整指令DA，能将二进制变为BCD码，这对于十进制的计量十分方便。
而在其他的单片机中，则也需调用专用的子程序才行。
AT89C51单片机的引脚排列如图3.2所示：
图3.2AT89C51单片机的引脚排列图
晶振电路：
电路中的晶振即石英晶体震荡器。
由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰能力，所以，石英晶体震荡器的用来产生基准频率的。
通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。
同时，它还可以产生震荡电流，向单片机发出时钟信号。
电路中的电容C1和C2的典型值通常选择为30μF左右，该电容的大小会影响震荡电路频率的高低、震荡器的稳定性和奇珍的快速性。
晶体震荡频率的范围通常在1.2~12MHz。
晶体的频率越高，系统的时钟频率越快，单片机的运行速度越快。
但反过来，运行速度对于存储器的速度要求就越高，对印刷电路板的工艺要求也就越高，即要求线间的寄生电容要小。
晶体和电容应该尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定、可靠地工作。
89C51常选择震荡频率12MHz的石英晶体。
单片机晶振电路图如图3.3所示：
图3.3单片机晶振电路图
复位电路：
复位是单片机的初始化操作，只需要给89C51的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟震荡周期）的高电压就可以使89C51复位。
复位时，单片机初始化为0000H，从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行错误（如程序跑飞）或者操作错误使系统处于锁死状态时，也需要复位键使RST引脚为高电平，使89C51摆脱“跑飞”或者“死锁”状态而重新启动。
复位电路图如图3.4所示。
图3.4复位电路图
时钟电路：
本设计需要窗帘在给定的时间自动的开和关，所以需要用到定时器，而为了保证单片机与外界时钟一致，要用到一个实时时钟电路。
这里实用的是DS1302时钟芯片来完成这项功能。
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。
实时时钟日历电路提供秒、分、时、日、周、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。
时钟操作可通过AMPM指示决定采用24或12小时格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：
（1）RES复位
（2）IO数据线（3）SCLK串行时钟。
时钟RAM的读写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。
DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW
DS1302是由DS1202改进而来增加了以下的特性：
双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。
它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。
下面将主要的性能指标作一综合：
（1）实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的能力，还有闰年调整的能力。
（2）318位暂存数据存储RAM。
（3）串行IO口方式使得管脚数量最少。
（4）宽范围工作电压2.05.5V。
（5）工作电流2.0V时,小于300nA。
（6）读写时钟或RAM数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式。
（7）8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装根据表面装配。
（8）简单3线接口。
（9）与TTL兼容Vcc=5V。
（10）可选工业级温度范围-40+85。
（11）双电源管用于主电源和备份电源供应。
DS1302芯片和AT89C51单片机的接口电路如图3.5所示：
图3.5DS1302芯片和AT89C51单片机的接口电路图
3.2.2检测电路设计
自动窗帘要根据光照和是否有雨的情况而自动开关窗帘，因而需要用到光传感器和雨滴传感器。
光敏传感器：
在本设计中采用了光敏电阻，光敏电阻与碳膜电阻不同，它对光的变化非常敏感，再光的照射下，阻值会明显变小，所以叫他光导器件。
光敏电阻又称光导管，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。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏电阻属半导体光敏器件
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