光感自动窗帘控制系统计算机控制技术课程设计.docx
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光感自动窗帘控制系统计算机控制技术课程设计
计算机控制技术
课程设计
成绩评定表
设计课题光感自动窗帘控制系统设计
学院名称：
电气工程学院
专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
设计地点：
31-503
设计时间：
2012-06-11～2012-06-15
指导教师意见：
成绩:
签名：
年月日
计算机控制技术
课程设计
课程设计名称：
光感自动窗帘控制系统设计
专业班级：
学生姓名：
学号：
指导教师：
课程设计地点：
31-503
课程设计时间：
2012-06-11～2012-06-15
计算机控制技术课程设计任务书
学生姓名
专业班级
学号
题目
光感自动窗帘控制系统设计
课题性质
工程设计
课题来源
自拟
指导教师
主要内容
（参数）
利用89C51单片机设计光感自动窗帘控制系统，实现以下功能：
1．能够手动控制窗帘的开与关；
2．能够设定时间来打开或关闭窗帘；
3．系统能根据亮度的不同来控制窗帘打开程度的大小；
4．用户能通过键盘电路设定开关时间，并及时显示在数码管显示器上；
任务要求
（进度）
第1天：
熟悉课程设计任务及要求，查阅技术资料，确定设计方案。
第2天：
按照确定的方案设计单元电路。
要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。
第3天：
画各部分流程图，进行软件设计，编写程序。
第4-5天：
撰写课程设计报告。
要求内容完整、图表清晰、语言流畅、格式规范、方案合理、设计正确。
主要参考
资料
[1]杨家成．单片机原理与应用及C51程序设计．北京：
清华大学出版社，2007
[2]夏路易石宗义．Protel99se电路原理图与电路板设计教程．北京：
北京希望电子出版社，2004
[3]朱玉玺．计算机控制技术．北京：
电子工业出版社，2010
[4]邓兴成．单片机原理与实践指导．北京：
机械工业出版社，2010
[5]瞿贵荣.电动窗帘红外遥控电路.家庭电子,2005
[6]阎石.数字电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2009.
审查意见
系（教研室）主任签字：
年月日
1概述
1.1研究背景
伴随着信息化时代的到来，人们的生活速度以及对生活质量的追求也在大幅提高。
智能化的产品设计在改变人们工作方式与生活习惯的同时，让人们对生活质量的提升提出了更高的要求，方便、舒适成了人们所追求的生活方式，在现代家庭生活环境中，居家环境早已不仅仅局限在物理空间上，人们更为关注的是一个安全、方便、舒适的环境。
智能化的电子产品以及设计将以前的被动静止物体转变为人们能够方便操控的工具，这些产品具有提供全方位的信息交换的功能，不仅能够优化人们的生活方式，帮助人们合理的安排时间，增强居家环境的安全性，甚至还可以为各种能源费用节约资金。
在智能化产品中，单片机的应用已经越来越广泛，单片机以它体积小、质量轻、耗电省、可靠性高、价格低等优点，开始不断发展，并广泛应用于仪器仪表、家用电器、医疗设备、航天航空领域、工业专用设备的管理及过程控制等领域，在很多的大中型的电气设备以及小型的电子产品中也用到了单片机进行控制。
针对人们对智能化的需求以及对舒适生活的追求，窗帘自动控制系统改变了传统窗帘的劣势，它可以根据外界光照强度的不同而自动开闭窗帘，也可以根据人们设定的时间来控制窗帘。
该系统利用光敏电阻检测光照强度的变化，并且将光敏检测模块的电阻变化转化为电压变化，然后将电压变化的信号送单片机，单片机通过电机驱动模块控制着步进电机的正反转实现窗帘的来回移动。
本设计正是把利用AT89C51单片机的优点以及简单实用性，顺利的完成了对智能控制的要求，并且为智能化的家居设备提供了良好的基础。
此外，对该系统进行扩展，比如可以加上防火，防盗，甚至室内煤气浓度监测等功能，会使该系统更具有实用性，而且也完善了系统。
1.2设计思想及基本功能
该系统具有一般的窗帘控制系统的最基本的功能，即通过电动按钮来开闭窗帘，在此基本功能的前提下，本设计根据需求还设计了可以根据光照强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，该系统本着简单实用经济的思想，尽量简化电路设计，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要求。
光感自动窗帘控制系统具有以下几个基本功能：
（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，此功能可以使窗帘处于开闭的任何一种状态；
（2）自动控制：
系统可以通过感光器采集室内光照强度，根据亮度的不同而自动控制窗帘的打开程度；
（4）时间控制：
此功能是根据用户设定的时间在特定的时间点一次性开关窗帘。
2总体方案设计
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得到了人们的好评，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）系统的传动机构使用直流电机，窗帘只有两个简单的状态：
完全打开和完全关闭；
方案
（二）系统的传动机构使用更精确灵敏的步进电机，使得窗帘从关闭到完全打开之间有6个不同的等级。
这二个方案都是基于单片机控制的，光线感应以及数码管显示，不同的设计部分在于传动机构和窗帘的设计形式的选取上。
方案
（一）的窗帘由于只有完全开与完全关两种状态，所以窗帘本身设计不需要太复杂，采用普通的卷帘即可。
关闭时，电机旋转全部放下卷帘；打开时，电机将卷帘全部卷起。
方案
（二）的窗帘从完全关闭到完全打开按打开程度有0～5共六个等级，窗帘设计成类似百叶窗的形式，通过步进电机可以精确控制每个叶片的旋转角度，从而控制开关程度的大小。
当叶片与窗户面平行时，窗帘完全关闭；当叶片与窗户面垂直时，窗帘完全打开。
下面图2.1所示是方案
（一）的效果图；图2.2是方案
（二）的效果图：
图2.1方案
（一）卷帘效果图
图2.2方案
（二）百叶窗式效果图
鉴于方案一这种卷帘现在市场上已经发展很好，没有太多继续研究的价值，并且其窗帘控制过于单一，而且不如方案二的百叶窗式的窗帘美观。
图2.3所示是百叶窗关闭打开的原理图，图2.4是步进电机驱动百叶窗各叶片的物理截面图，其根据光照强度的大小有不同程度的打开，能够更精确的满足用户的需求，所以本设计选择方案二。
图2.3百叶窗原理图
图2.4步进电机与百叶窗叶片连接截面图
2.2系统框图
方案
（二）的系统框图如图2.5。
图2.5系统框图
2.3总体方案设计
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。
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受到家庭的关注。
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，电动窗帘便由此产生。
现有的电动窗帘基本上都可以利用按键控制，自动开关闭窗帘，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，具体有以下几大功能：
（1）手动控制状态：
此功能使自动窗帘控制系统具有手动拉开、关闭的功能，方便用户控制。
（2）亮度自动控制：
此功能是根据室内光照强度的大小，来决定百叶窗每个叶片的旋转角度从而控制窗帘打开的大小程度。
（3）时间自动控制：
此功能根据用户需要，设定需要开闭窗帘的时间，通过输入的开启或关闭时间，控制窗帘开关。
光感自动窗帘控制系统设计的总体框图如图2.6所示。
图2.6电动窗帘控制器结构框图
根据光照来开闭窗帘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A/D转换器，由于A/D转换器件的转换需要一定时间，一旦在这段时间内信号发生变化，转换结果将会出现偏差，所以在转换期间要应该采用采样保持电路。
传入的信号由89C51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单片机进行各种运转状态。
3硬件电路设计
3.1电源电路设计
单片机正常工作电压为5V，因此设计的电源电路主要是提供单片机工作电压。
图3.1是为单片机提供电压的电源电路。
在这个电路中采用了三端集成稳压器LM7805，可以输出5V的直流电压以供给单片机。
图3.1电源电路图
3.2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的能力，所以，石英晶体震荡器是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，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。
图3.2是单片机的晶振电路。
片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。
片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～24MHz之间选取。
C1、C2是反馈电容，其值在20pF～100pF之间选取，典型值为30pF。
本电路选用的电容为30pF，晶振频率为12MHz。
振荡周期＝
；
机器周期
指令周期＝
。
XTAL1接外部晶体的一个引脚，XTAL2接外晶体的另一端。
在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。
采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振。
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，上述物理现象称为压电效应。
一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。
但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。
这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。
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MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。
通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。
电容C1和C2可以帮助起振，典型值为30pF，调节它们可以达到微调fOSC的目的。
图3.2单片机晶振电路图
3.3复位电路
复位电路的主要功能是使单片机进行初始化，在初始化的过程中需要在复位引脚上加大于2个机器周期的高电平。
复位后的单片机地址初始化为0000H，然后继续从0000H单元开始执行程序。
在复位电路中提供复位信号，等到系统电源稳定后，再撤销复位信号。
但是为了在复位按键稳定的前提下，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防在按键过程中引起的抖动而影响复位。
图3.3所示的RC复位电路可以实现上述基本功能。
图3.3复位电路图
3.4时钟电路
DS12887芯片和AT89C5l单片机的接口电路如图3.4所示。
图3.4时钟电路图
其中DS12887的模式通过选择脚MOT接地来确定，DS12887的中断输出端IQR和89C51的外部中断INT0接口相联，R/W接口与单片机89C51的RD/WR接口相连；而DS12887的AS端口和单片机89C51的AIE端直接相联。
DS12887的SQW端与单片机89C51的TO端相连。
DS12887的高位地址由端口P2．7来片选，DS12887的高8位地址设定为7FH，低8位由芯片内部各单元的地址来定。
DS12887内部由振荡电路，分频电路，周期中断/方波选择电路，14字节时钟和控制单元，114字节用户非易失RAM，十进制/二进制累加器，总线接口电路，电源开关写保护单元和内部锂电池等部分组成。
DS12887引脚分配如图所示：
Vcc：
直流电源+5V电压。
当5V电压在正常范围内时，数据可读写；当Vcc低于4.25V,读写被禁止，计时功能仍继续；当Vcc下降到3V以下时，RAM和计时器供电被切换到内部锂电池。
MOT（模式选择）：
MOT引脚接到Vcc时，选择MOTOROLA时序，当接到GND时，选择Intel时序。
SQW（方波信号输出）：
SQW引脚能从实时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可通过对寄存器A编程改变。
AD0-AD7（双向地址/数据复用线）：
总线接口，可与Motorola微机系列和Intel微机系列接口。
AS（地址选通输入）：
用于实现信号分离，在AD/ALE的下降沿把地址锁入DS12887。
DS（数据选通或读输入）：
DS/RD引脚有两种操作模式，取决于MOT引脚的电平，当使用Motorola时序时，DS是一正脉冲，出现在总线周期的后段，称为数据选通；在读周期，DS指示DS12887驱动双向总线的时刻；在写周期，DS的后沿使DS12887锁存写数据。
选择Intel时序时，DS称作（RD），RD与典型存贮器的允许信号（OE）的定义相同。
R/W（读/写输入）：
R/W引脚也有两种操作模式。
选Motorola时序时，R/W是低电平信号时，指示当前周期是读或写周期，DS为高电平时，R/W高电平指示读周期，R/W信号一低电平信号，称为WR。
在此模式下，R/W引脚与通用RAM的写允许信号（WE）的含义相同。
CS（片选输入）：
在访问DS12887的总线周期内，片选信号必须保持为低。
IRQ（中断申请输入）：
低电平有效，可作微处理的中断输入。
没有中断的条件满足时，IRQ处于高阻态。
IRQ线是漏极开路输入，要求外接上接电阻。
RESET（复位输出）：
当该脚保持低电平时间大于200ms，保证DS12887有效复位。
3.5键盘电路
键盘在由单片机控制的窗帘自动控制系统中的主要作用是通过按键向单片机输入指令，其中主要包括设定时间，控制窗帘的开关等等功能，是人工控制单片机的主要手段。
在窗帘控制系统设计中的键盘采用的是4×4矩阵键盘。
这16个按键分别为：
设定键主要是用来设定自动窗帘打开或者关闭的时间；0-9数字键，其作用主要是用于设定时间；复位键主要应用在程序出错以及误操作的时候使单片机复位，从而重新设定；反转键是使步进电机反转，控制窗帘关闭；正转键是使步进电机正转，从而控制窗帘打开；停止键可以控制步进电机停止工作，窗帘控制器停止运行；确定键主要是用于在时间设定完成后的确定输入。
由于按键比较多，单独设置按键会增加总体设计的复杂性，而且为了减少所占用的端口，可以将按键组成一个矩阵，如图3.5所示。
图3.5键盘接口电路
3.6显示电路
显示电路主要是用于显示时间。
采用LED数码管进行显示是因为LED数码管具有以下几个优点：
（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。
（2）发光响应时间极短（<0.1μs），高频特性好，单色性好，亮度高。
（3）体积小，重量轻，抗冲击性能好。
数码管有共阴极和共阳极两种类型，其公共端主要进行位控制，笔画端则是进行字符控制，数码管有静态显示和动态显示两种方法，说明如下：
（1）静态显示驱动：
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O进行驱动，或者使用如BCD码二—十进位器进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O来驱动，要知道一个89C51单片机可用的I/O才32个。
故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。
（2）动态显示驱动：
数码管动态显示是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a、b、c、d、e、f、g、dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。
本设计采用的是4位LED数码管的串行驱动电路来达到显示的目的。
驱动器采用74LS164，由单片机89C51的P3.0和P3.1来控制LED数码管的显示。
显示电路图如3.6所示。
图3.6显示电路
74LS164是8位串行输入，并行输出的移位寄存器。
其引脚及各个引脚的作用如下图3.7所示：
符号
引脚
说明
DSA
1
数据输入
DSB
1
数据输入
Q0~Q3
3~6
输出
GND
7
地（0V）
CP
8
时钟输入（低电平到高电平边沿触发）
/MR
9
中央复位输入（低电平有效）
Q4~Q7
10~13
输出
VCC
14
正电源
图3.774LS164引脚及说明
3.7A/D转换电路
A/D转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。
在选择A/D转换时，先要确定A/D转换精度、转换速度以及转换位数等，A/D转换的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关，在自定窗帘控制系统中采用了8位A/D转换器ADC0809。
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。
8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存用译码电路，其转换时间为100μs左右。
ADC0809的主要特性有：
（1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
（2）具有转换起停控制端。
（3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）
（4）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。
（5）工作温度范围为-40～＋85摄氏度
（6）低功耗，约15mW。
ADC0809与单片机89C51的连接示意图如图3.8所示，其中74LS373为锁存器，当三态允许控制端OE为低电平时，O0-O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，O0-O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
图3.8ADC0809与单片机连接示意图
3.8光敏传感器
电动窗帘要根据光照的情况而自动开关窗帘，因而需要使用到光电传感器。
这里使用光敏电阻。
光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光导管，他是基于半导体光电效应工作的。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可以加直流偏压，也可以加交流电压。
当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值急剧减少，因此电路中电流迅速增加。
光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区。
而且体积小、重量轻、性能稳定。
因此在自动化技术中得到广泛的应用。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。
当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。
根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
紫外光敏电阻器：
对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。
红外光敏电阻器：
主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。
锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。
可见光光敏电阻器：
包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。
主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。
这里选用Ф3系列的GL3526。
其亮电阻在10～20KΩ,暗电阻为1MΩ.
光敏电阻连接如图3.9所示。
图3.9光敏传感器
在模拟信号采集过程中，难免会碰到采集信号过于微弱，难以接收到，此时必须采用一个信号放大电路对信号进行一定倍数的放大才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，并且放大器还不能产生干扰信号，因此必须选择一种符合要求的放大器。
此外，进行信号采集时，采集到的信号不仅是有用的信号，还有很多干扰信号，应该选用具有频率选择作用的滤波器，这样可以比较有效地滤除噪声和分离各种不同信号,在本设计中采用了低通滤波器。
积分运算电路具有低通特性，而通带放大倍数取决于电阻组成的负反馈网络，故在积分运算电路中电容上并联一个电阻，得到反相输入一阶低通滤波电路，该电路具有放大和滤波功能。
3.9步进电机
步进电机为一种数字伺服执行元件，具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点，广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。
为了实现步进电机的简易运动控制，一般以单片机作为控制系统的微处理器，通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机的速度和位置定位控制。
单片机在本次试验中对步进电机的控制从而达到对转角和位移的控制的方法。
本次设计采用两个型号为130HZ308-450的三相反应式步进电机对旋转角度和位移进行控制，该步进电机力矩大、耐负载冲击、精度高。
其步距角为1.2°，即
=1.2°，即本次设计的测控系统对回转台转角的控制精度可以达到1.2°。
步进电机的驱动电路是根据控制信号工作的。
而本次测控系统是以单片机位控制中心的，下面将介绍步进电机控制系统。
步进电机控制系统主要由脉冲分配器，功率驱动电路，步进电机几部分构成的。
步进电机控制系统的方框图如图3.10所示：
图3.10步进电机控制系统方框图
单片机输出步进脉冲后，再由脉冲分配电路按事先确定的顺序控制各相的通断。
本设计由软件完成脉冲分配工作，不仅使线路简化，成本下降，而且可根据应用系统的需要，灵活地改变步进电机的控制方案。
软件控制脉冲将在软件设计部分说明。
如图3.11所示，是步进电机控制系统的电路图。
步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，采用光电耦合器将单片机与步机电机隔离可以避免单片机与步进电机功率回路的共地干扰，防止强功率的干扰信号反串进主控系统。
此外，万一驱动电路发生故障，也不致让功放中较高的电压串入单片机而使其损坏。
图3.11步进电机控制系统电路图
步进电机的驱动电路有很多种，但最为常见的就是用单电压驱动，双电压驱动，斩波驱动，细分驱动等。
但电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。
它最大的特点是结构简单，工作效率低。
而且它的外接电阻要消耗
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