单片机课程设计报告.docx
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单片机课程设计报告
河南理工大学
《单片机应用与仿真训练》设计报告
基于单片机的遥控窗帘设计
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2011年6月27日
【摘要】
本设计是设计一款基于单片机的遥控窗帘，其中的单片机是遥控控制的核心，用于接收处理遥控信号，通过对一台直流电机的正反转控制，模拟实现对窗帘开、合的控制。
此系统具有无线控制与手动控制两种方式，以保证一种控制方式出现问题，可以及时使用另一种控制方式对单片机进行控制。
本报告简要介绍了基于单片机技术的遥控窗帘的设计原理，并根据系统的基本原理制作出了实物模型。
本控制系统主要由以下几个模块组成：
无线信号发射模块、无线信号接收模块、电机驱动模块、电机运行转数检测模块以及单片机控制模块。
其中无线信号发射模块的控制核心是编码芯片PT2262，配套使用的是以解码芯片PT2272为核心的无线信号接收模块，这两组模块配合将对电机控制的正反转控制信息转变为单片机可以识别的二进制代码，通过与单片机内部的程序配合实现对窗帘正反停运行状况的无线遥控控制；电机驱动模块是以L298N芯片以及光耦芯片TLP521-4为核心的功率驱动电路；电机运行转数检测模块是根据霍尔元件对磁钢磁场变化而发出电压脉冲信号的原理做成的；单片机控制模块的核心组成元件是AT89S52芯片，配以单片机的最小系统电路，作为无线遥控窗帘系统的总的控制模块。
此外系统可以实现电机运行状态的显示，比如当电机正转是某对应信号灯亮等。
关键词：
单片机技术；无线遥控；自动窗帘；位置检测；
目录
1概述4
1.1课题背景以及课题研究的意义4
1.2课题的研究工作4
1.3课题研究中存在的困难5
2系统总体方案及硬件设计5
2.1系统总体设计方案5
2.2核心器件简介6
2.2.1AT89S52简介6
2.2.2L298N电机控制芯片简介7
2.2.3315MPT2262/PT2272简介8
2.2.4霍尔传感器简介8
2.3硬件设计8
2.3.1电源电路8
2.3.2复位电路与时钟电路9
2.3.3直流电机控制电路10
2.3.4霍尔检测电路11
3软件设计11
3.1直流电机正转程序设计12
3.2直流电机反转程序设计12
3.3单片机待机程序设计13
4Proteus软件仿真14
5课程设计体会15
参考文献16
附1：
源程序代码17
附2：
系统原理图19
1概述
1.1课题背景以及课题研究的意义
随着人民生活水平的不断提高，人民对于生活的质量和舒适度的要求也在不断提高，人们在日常生活的同时在不断寻求各种更便捷的生活方式。
传统的生活方式已经远远不能满足人们对随心所欲的生活的要求，而智能家居的出现则满足了人们在家庭生活上要求生活资料符合人性化、控制实现智能化、简便化的需求。
本课题就是在智能家居作为一个新的概念，并正在逐步进入人民的生活的大环境中进行的，是具有极强的实用价值的。
通过单片机实现对窗帘的自动控制属于智能家居的一部分，所以这个课题设计是具有很鲜明的时代意义的。
同时社会经济的进步带动社会科学的长足发展，这也在无形中改变着人民的生活环境，进而逐渐改变着人民的生活习惯。
尤其是在各种科学都迅速发展的今天，宽大窗户的办公和生活建筑是人民生活的追求，这种建筑不仅结构美观，而且采光良好。
但是，窗户的高度或者宽度超过4米以后手拉窗帘却比较困难。
而现在的放地产商几乎却都没有为用户考虑这个问题，使一些高档住宅反而带来了生活上的不便，解决这个问题的方法是使用窗帘机。
本课题就是针对窗帘机的设计与开发，由于手动控制不能满足人民对生活舒适的要求，所以考虑进行遥控控制，也即是操作者通过遥控按键对窗帘进行远距离控制。
这样，使用起来更为方便，并可以为人民的生活提供适当的便利，为人民的工作与生活创造一个良好舒适的环境。
更主要的是本设计系统可以进行其他外围模块的扩展，比如安装温度检测模块、光强检测模块等，就可以实现窗帘的完全自动控制，而无需人工参与，真正实现了智能家居。
遥控自动窗帘系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用自动窗帘系统具有重要的现实意义。
其一，改变人们的生活方式。
单片机控制的遥控自动窗帘系统具有丰富的智能化功能，为家庭用户营造一个高效、舒适、便利、环保的居住环境。
单片机控制的遥控自动窗帘只用一个多功能遥控器就能控制和监测住房的窗帘开关问题，给人们日上生活带来极大的方便。
这些都将改变人们传统的生活方式，并提高了人们的生活质量。
其二、牵动一大批产业。
单片机控制的遥控自动窗帘产品面向家庭用户，其应用市场是庞大的，发展前景也是广阔的，必将吸引大批有远见的各类企业介入，从而牵动一大批产业的发展。
这里最先受益的应该是房地产业，单片机控制的遥控自动窗帘不仅是一个很好的概念与“卖点”，同时也是直接提升住宅档次的一个条件，这将会给房地产商带来新的利润空间。
在家居集成化、网络化的趋势下，家居集成也成为一种潮流，许多更专业的、美观的、智能化的家居集成产品相继出现。
其三，开拓一个崭新的市场。
遥控自动窗帘系统牵动了许多的行业，它将不仅仅是目前的IT系统集成商或建筑弱电工程总包商的市场，而且是专业公司和智能化装饰公司的市场。
1.2课题的研究工作
智能家居系统是一个庞大的社会系统工程，我国应当加快智能家居标准化进程。
自动窗帘系统作为智能家居中一个组成部分，应该在智能家居这一行业领域，建立起一个具有中国特色的新兴、健康的产业链。
使智能家居成为人民生活不能离开的一部分。
现有的电动窗帘机的控制方式有固定式开关控制、遥控、光控、声控等，其中以前两种形式居多。
就实用程度和经济角度来说，用固定式开关控制方式较好，这是因为窗帘的开闭不像电视机等家电产品开闭得那样频繁，每天开闭的次数不多，因此安装在固定的地方使用也相当方便，如把开关装在床头柜等电器综合控制系统中，睡在床上就能控制窗帘的开闭。
利用触摸开关，实现全自动断电，既安全又节能，但最重要的一点就是没有实现自动化，不能摆脱对人的依赖作用。
而采用遥控控制时，需要候机电源，不可能完全断电而且增加遥控功能，也增加了成本，售价也相应提高。
窗帘机的控制方式大体上有三种：
声控、光控、时控，声控和遥控属于半自动类；而光控虽属全自动式，但因光敏器件的灵敏度，冬夏等不同季节的光照度的不同，以及人们对起闭窗帘在时间上的要求不同，而不便实施和普及。
因此，时控式的全自动窗帘机便成了专业以及业余电子设计人员的热门课题。
根据以上自动窗帘有些不能实现完全的自动化；有些虽然实现了完全的自动化，但结构复杂，性能不够稳定；有些虽然实现了完全的自动化，且性能还可以，但价格昂贵不适合普通消费者使用。
所以作者准备利用价格相对便宜的无线编码解码芯片、单片机作为主要控制器件，来完成自动窗帘系统的设计。
该系统主要有如下几方面的特点：
（1）发射无线电磁波的发射装置采用通常意义上的遥控器，这样既方便又实惠，可谓一物两用；
（2）对电机转数的准确监控，可以实现窗帘在开闭时准确定位，不卷帘、无空隙；
（3）采用高精度的无线电磁波遥控控制，方便快捷，干扰少，控制灵敏；
（4）另一种控制方式为手动控制方式，防止无线设备故障而影响人民的日常生活；
（5）体积小、结构简单、灵敏度高、抗干扰性强、经济实用、工作可靠。
1.3课题研究中存在的困难
每一个课题在研究过程中都需要考虑很多因素，不仅要考虑研究课题的实用价值，还要求系统开销经济节省，符合人民的消费能力要求，因此在系统设计时为了统筹兼顾各个因素，所以在课题研究中存在以下几个困难：
系统的高性能要求与系统经济性要求相矛盾。
因为单片机控制遥控窗帘系统属于弱电控制领域，因此在控制过程中就为了防止外部干扰就要引进一些其他辅助设备，这在无形中就增加了系统开发成本，致使系统经济性不高。
同时由于要控制电机设备，一般的电机都存在噪声，而从增加人民生活的舒适程度出发，这些噪声是不允许的，但消除噪声就需要引入外在设备或采用高性能电机，经济性不好；
单片机系统需要5V低压供电，需要额外附加整流装置，增加了系统成本，同时也增加了系统故障的几率。
如何实现遥控窗帘电源直接接入是一项很棘手的问题；
由于本系统所示用的控制信号采用无线遥控控制，使用的是无线电磁波作为载波媒介，而人民的生活环境中又不可避免地存在电磁干扰，如何消除电磁干扰也是本系统设计的一个难点。
2系统总体方案及硬件设计
2.1系统总体设计方案
本系统主要由以下几个模块组成：
无线信号发射模块、无线信号接收模块、电机驱动模块、电机运行转数检测模块以及单片机控制模块。
这些模块中单片机控制模块是控制核心，是完成接收处理控制信号以及接收处理反馈信号的中枢。
各个模块的具体功能介绍如下：
无线信号发射模块的控制核心是编码芯片PT2262，配套使用的是以解码芯片PT2272为核心的无线信号接收模块，这两组模块配合将对电机控制的正反转控制信息转变为单片机可以识别的二进制代码，通过与单片机内部的程序配合实现对窗帘正反停运行状况的无线遥控控制；
电机驱动模块是以L298N芯片以及光耦芯片TLP521-4为核心的功率驱动电路；
电机运行转数检测模块是根据霍尔元件对磁钢磁场变化而发出电压脉冲信号的原理做成的,作为系统控制通道的反馈量，用于检测电机的运行状况；
单片机控制模块的核心组成元件是AT89S52芯片，配以单片机的最小系统电路，作为无线遥控窗帘系统的总的控制模块。
在实际控制过程中信号的流通通道如下：
用户控制欲望
无线收发装置
单片机控制单元
电机驱动
反馈检测
单片机控制单元
电机驱动
根据控制系统的信号流通过程可以画出系统的结构图，如图1所示。
从图1所示的系统框图可以看出单片机模块是系统的核心模块。
同时系统配有一套手动控制方式，与无线控制方式是并列的，所以这里就不在赘述。
2.2核心器件简介
本系统所使用的核心器件如下：
AT89S52单片机、L298N电机控制芯片、无线信号收发芯片为315MPT2262/PT2272、霍尔传感器。
2.2.1AT89S52简介
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
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级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
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停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
2.2.2L298N电机控制芯片简介
L298N为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片（DualFull-BridgeDriver），内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号,可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号，
但在本驱动电路中用L297来提供时序信号，节省了单片机IO端口的使用。
L298N之接脚如图9所示，Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个步进电机；input1~input4输入控制电位来控制电机的正反转；Enable则控制电机停转。
L298N的引脚图如图2
图2L298N引脚图
L298对直流电机控制的逻辑真值表如下表1
表1
输入
输出
Ven=H
C=H；D=L
正转
C=L；D=H
反转
C=D
制动
Ven=L
C=※；D=※
没有输出，电机不工作
2.2.3315MPT2262/PT2272简介
PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平）,任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。
PT2262/PT2272的基本工作原理：
编码芯片PT2262发出的编码信号由：
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。
当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。
PT2262的引脚图见下图3所示
图3PT2262外部管脚图
2.2.4霍尔传感器简介
霍尔传感器是用于测试霍尔效应的，霍尔传感器只有三个引脚：
电源Vcc，地GND，信号输出端。
只要在连好电源和接地端就能在信号端检测到电压信号。
2.3硬件设计
2.3.1电源电路
电源电路通过一带有整流电路的12V变压器外接市电（220V）后，输入直流12V电压。
左边两个是12伏的电源滤波电容，一般大电容旁边并联一个小电容的目的是降低高频内阻，因为大的电解电容一般采用卷绕工艺制造，所以等效电感较大，小电容可以提供一个小内阻的高频通道，降低电源全频带内阻。
同时经过3端集成稳压器LM7805稳压后输出+5V电压VCC,为讯响电路、红外接收电路、显示电路提供电源，5V电源经过二极管D5、限流电阻R1=5K后，为单片机及DS1302提供VDD电压，BATTERY是直流供电电源，电压为3V～3.6V,在本电路中为了节省成本，使用两节5号可充电电池，C6和C7是单片机电源滤波电容。
平时交流电正常的情况下，VDD电源为单片机及DS1302供电的同时，也为电池浮充电，大大延长了电池的使用寿命，当交流电停电的时候，电池为单片机及DS1302供电，单片机及DS1302在掉电状态下维持时钟的正常。
在控制器设置成手动控制时，单片机除执行任务外，均处于睡眠状态，遥控器信号的到来，单片机从睡眠中唤醒，恢复正常工作，所以手动状态下当交流停电时，电池的耗电电流更小。
电源电路见图4所示
图4直流电源电路
2.3.2复位电路与时钟电路
单片机需要外加时钟电路为内部程序提供时序。
单片机内部具有一个构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入与输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路。
本系统的时钟电路如图5所示。
图5单片机的外部时钟电路
在图5中电容的大小均为30pF，晶振的大小为12MHZ。
为了保证单片机的可控运行，需要给单片机加复位电路，一般情况下，单片机的复位电路有以下几项功能：
1）上电复位可以对内部寄存器进行复位，否则寄存器状态未知；
2）同步内、外部时钟信号。
防止频率不稳及晶振停振；
3）有些高级芯片，不先复位根本部工作；
4）有复位引脚的芯片必须加复位，这是电子设计的基本要求；
5）在电路上电时候或电压波动不稳定的时候，当给单片机上电那一瞬间，电压有在几微秒内（有的是几毫秒内）不是直接跳变到5V的而是一个直线上升的阶段，这时候，单片机不能正常工作，需要复位电路给它延时以等到电压稳定；
6）由于单片机在工作过程中可能会受到各种干扰因素，所以不排除单片机出错的可能，当单片机的程序“跑飞”时可以通过复位电路是单片机恢复正常的运行状态；
单片机的复位电路主要有以下几种方式：
上电复位方式、外部脉冲复位方式、上电+按钮复位方式以及软件复位等。
本系统为了实现方便，使用硬件复位方式，即采用按钮电平复位的方式，见图6所示。
图6单片机按钮电平复位电路
图6的复位电路直接接单片机得RST管脚，为单片机提供复位电平。
2.3.3直流电机控制电路
直流电机控制芯片采用芯片L298N控制，如2.2.2中所述L298N是直流电机的专用驱动芯片，它不仅可以让直流电机进行恒速运行，同时也可以通过其给ENA与ENB输送PWM波以实现对电机转速的调节。
本系统L298N芯片与光耦TLP521-4芯片配合使用，构成直流电机的驱动电路。
直流电机的驱动电路如图7所示。
图7直流电机驱动电路
在图7中单片机的控制信号从驱动电路的控制信号输入端1、2、3、4输入，通过光耦有效传输给L298N的控制信号输入端IN1、IN2、IN3、IN4，进而通过芯片的内部逻辑控制电机的正反转。
电机的输入取自L298N的OUT1、OUT2、OUT3、OUT4管脚，在电机与芯片之间有一个二极管续流桥，目的是为了防止当电机突然反转或停止是电机内部线圈所残余的能量反送给芯片，而造成烧坏芯片的事故。
2.3.4霍尔检测电路
霍尔检测电路用于对电机转数进行检测。
本电路是运用霍尔元件可以产生霍尔效应的基本原理而构建的。
霍尔元件可以产生霍尔效应，霍尔效应是指当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。
霍尔元件在外部电磁场发生持续变化时就可以产生高低电平脉冲，此脉冲信号可以作为电机的反馈信号传送给单片机，单片机可以根据内部的设定监控电机的转速与转数，进而实现窗帘的自动定位功能。
外部连续变化的磁场是由安装在电机转轴上的磁钢随电机轴转动引起的。
单片机对接收到的脉冲信号进行统计进而可以测算出电机的转速，再根据电机轴所连转盘的直径就可以测知随轴链条所移动的距离。
霍尔检测电路如图8所示。
图8霍尔测速电路
图8所示的霍尔电路基本介绍：
在电源输入端并联电容C2用来滤去电源尖峰波，使霍尔元件稳定工作；HG是霍尔元件，电路中使用CS3020，这里改用U18，早霍尔元件的输出端（引脚3）与地并联电容C3滤去波形尖峰，再连接一个上拉电阻R2,然后将其接入运算放大器LM324的引脚3，用LM324构成一个电压比较器，将霍尔元件的输出电压与电位器RP1上的电压进行比较得出稳定的高低电平信号给单片机读取；C4用于波形整形，以保证获得良好的数字信号。
LED便于观察，当比较器输出高电平时不亮，低电平时亮。
然后将比较的信号通过信号输出端传送给单片机。
3软件设计
程序的编写是该系统重要的部分，如果软件编写的科学就能体现出该系统功能的完整性、实用性、经济性。
高质量的软件设计是单片机高效工作的前提与根本，但是只有软件和硬件都正确，并且软件与硬件能够相互兼容、协调工作才能使系统工作达到我们想要的效果。
本系统的软件编程部分主要通过电机正转程序设计、电机反转程序设计以及单片机待机程序设计三部分进行介绍。
由于无线电磁波得发射与接收都是通过无线收发模块实现的，所以程序设计这部分对此功能也不再进行赘述。
3.1直流电机正转程序设计
本系统直流电机正转程序属于外部中断INT0的中断程序。
单片机在待机状态中等待中断的产生，一旦条件满足（用户发出电机正转运行信号），首先外部管脚向单片机申请中断，一旦单片机相应中断，就立即进入中断服务子程序中进行运行，以实现单片机的正转运行。
单片机正转运行程序的程序流图如图9所示。
图9系统正转程序流程图
3.2直流电机反转程序设计
本系统直流电机反转程序属于外部中断INT1的中断程序。
单片机在待机状态中等待中断的产生，一旦条件满足（用户发出电机正转运行信号），首先外部管脚向单片机申请中断，一旦单片机相应中断，就立即进入中断服务子程序中进行运行，以实现单片机的反转运行。
单片机反转运行程序的程序流图如图10所示。
图10系统反转程序流程图
3.3单片机待机程序设计
单片机除了工作在正反转运行状态中，其大部分时间都是工作在待机状态中的，本系统的待机工作状态可以认为是系统停止运行时的工作状态。
由于本系统从电机安全角度出发，不允许电机从一种正常工作状态直接切换为另一种正常运行状态，所以在电机正反转运行停止时都需要进出单片机的停止运行状态。
单片机的待机运行状态包括系统初始化运行、系统工作状况查询、待中断循环空运行状态。
待机运行状态的程序流图如图11所示。
图11单片机待机程序流程图
在上述流程图中P2.0为电机工作标志位，当P2.0为高电平时表示电机已准备好工作。
08H位是电机停止标志位，当电机停止时该位置1，则单片机需要进行初始化操作。
4Proteus软件仿真
在焊接完硬件电路并搭建好系统仿真模型后，就可以对系统进行部分和整体调试了，系统进行整体调试的目的就是查找系统结构以及软件设计中的漏洞，及时弥补过失，以使系统能够正常高效运行。
在Proteus中的软件仿真主要分为以下几个步骤：
1）系统模型的搭建
在Proteus的元件库中寻找所需要的核心芯片和外围设备元件，根据电路需要搭建模型电路。
如果在Proteus元件库中没有某一特定型号的元件则可以使用其他具有相似功能的元件进行替代，例如在Proteus元件库中没有AT89S52单片机，那么久可以直接使用AT89C51进行替代，但替代时一定要注意各不同元件之间的微小差异，在程序设计以及元件参数设定时需要将这方面因素考虑进去。
2）程序的调试
任何与单片机有关的仿真都要求有其特定的系统程序，所以在仿真之前还要编写系统程序，编写完成后，首先应该对程序进行调试，可以使用Proteus自身带的调试功能，也可以使用其他软件，比如Keil、Wave等，排除程序中的逻辑错误就可以在Proteus仿真图中进行软硬联调了。
3）系统仿真
在系统模型搭建成功且程序调试成功后，就可以使用Proteus软件对单片机系统进行仿真测试了。
首先将调试软件所生成的.HEX文件下载的仿真单片机中；然后根据预先的约定进行单片机系统功能的验证和调试，记录参数；最后就是调整阶段了，找出单片机仿真时与预先设想的功能的差异处，寻找产生差异的原因，最终消除差异。
这可能需要很长时间，这种情况下就要和同学合作共同查错，这样才能避免一个人思维定势的干扰。
5课程设计体会
“调试成功，硬件测试成功！
”
经过两周的努力，基于单片机的遥控窗帘控制系统终于设计完成了，过去一段时间的辛酸以及遇到难题时的郁闷一挥而散了，现在回味起来真有点小小的成就感。
经过这次课程设计得到的收获还是特别多的，它不仅让我了解了做一个单片机系统的各项工作流程，让我在这个过程中学到了很多过去不知道的东西以及课本上所不能讲述给你的东西，同时也让我深刻地认识到我对知识的理解程度以及掌握程度还是极其有限的。
生命是有限的，我们就应
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