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江苏技术师范学院毕业论文
基于单片机的智能窗帘控制系统设计
摘要
在现代的社会中，人们对生活环境很重视，智能家居对人们的生活产生了极其重要的影响。
本文将研究一种基于单片机的智能窗帘控制系统。
在此设计系统中，以STC89C52单片机作为电路的主控部分，语音识别芯片和光敏电阻作为信号输入部分，加以按键控制和液晶显示，从而实现电动窗帘的智能控制。
硬件电路是由语音识别模块、按键模块、系统总控制模块、光控模块、步进电机驱动模块和液晶显示模块等相关电路组成。
通过软件调试实现窗帘的手动控制、半自动控制、自动控制等功能。
最后经过硬件和软件的整体联调实现了语音控制、手动控制、光照控制窗帘的开关等基本功能。
从而使窗帘达到智能的效果，在市场上有较好的应用前景。
关键词
智能窗帘,步进电机,单片机STC89C52,语音识别
DesignofcontrolsystemforintelligentcurtainbasedonMCU
Abstract
Inmodernsociety,people'slivingenvironmentisveryimportant,smarthomeforpeople'sliveshaveaveryimportantimpact.Thispaperwillresearchakindofintelligentcurtaincontrolsystembasedonsinglechipmicrocomputer.Inthisdesignsystem,STC89C52microcontrollerasthemastercontrolpartofthecircuit,speechrecognitionchipandphotosensitiveresistanceasasignalinputpart,bekeyboardcontrolandLCDdisplay,inordertoachieveintelligentcontrolelectriccurtain.Hardwarecircuitismadeupofthespeechrecognitionmodule,keysmodule,systemcontrolmodule,opticalmodule,steppermotordrivermoduleandLCDmodulecircuit.Throughthesoftwaretorealizethecurtainofthemanualcontrol,semi-automaticcontrol,automaticcontrolandotherfunctions.Atlast,thebasicfunctionsofvoicecontrol,manualcontrol,lightcontrolcurtainswitchandotherbasicfunctionsarerealizedthroughthewholecombinationofhardwareandsoftware.Sothatthecurtainachievedtheeffectofintelligence,hasgoodapplicationprospectinthemarket.
Keywords
intelligentcurtain，steppingmotor，MCUSTC89C52，speechrecognition
目录
摘要 I
Abstract II
前言 3
1课题研究的背景及意义 3
2课题研究的内容及章节安排 3
3课题难点 4
4课题的设计任务和要求 4
5本章小结 4
第一章方案论证及总体设计 5
1.1光电传感器的方案选择和论证 5
1.2按键模块的方案选择 5
1.3语音识别模块的选择方案 5
1.4显示模块的选择方案和论证 6
1.5步进电机驱动芯片的选取 6
1.6系统的各部分功能实现 6
1.7系统的总体设计思路 7
1.8本章小结 7
第二章系统硬件设计 8
2.1主控模块及相关电路 8
2.1.1STC89C52单片机的介绍 8
2.1.2晶振电路 9
2.1.3复位电路 10
2.1.4电源电路 10
2.2按键模块 11
2.3光控模块 11
2.4语音识别模块 12
2.5步进电机驱动模块 13
2.6显示模块 14
2.7本章小结 14
第三章系统软件设计 15
3.1软件设计总体说明 15
3.2按键程序设计 16
3.3光控模块程序 17
3.4语音识别模块程序 18
3.5步进电机驱动软件设计 19
3.6显示模块程序 20
3.7本章小结 21
第四章调试与仿真 22
4.1Proteus软件概述 22
4.2智能窗帘控制系统PROTEUS仿真 22
4.3调试的注意事项 23
4.4系统联调 23
结束语 27
附录 28
附录1：
电路原理图及实物图 28
附录2：
源程序 29
附录3：
元器件清单 39
参考文献（References） 40
第3页共40页
江苏技术师范学院毕业论文
前言
1课题研究的背景及意义
科学技术的不断创新和提高，电子产品的种类越来越丰富且发展速度也非常惊人。
原有的模拟产品正在慢慢地转化为数字产品，这还远远不够。
人们更加看重的是产品能够根据用户不同层次的需求进行工作，体现出产品的人性化。
近年来，由于物联网技术、微电子技术和计算机控制技术的迅速发展，因此出现了智能家居系统。
跟普通的对比，它具有很大的优势。
最主要的就是实现多方位的信息交流功能，提高人们的生活质量。
智能家居不仅具备传统的居住功能，还使现代建筑和家电设备更加的智能化。
从此家庭内部环境与外面世界信息交换变得更加方便、安全和畅通，增强人们居家生活的舒适性，节省家庭的日常开支。
由于智能家居控制系统具有性能稳定、功能灵活、工作效率高、扩展容易等特点，人们开始普遍接受和应用其智能产品。
当今社会经济不断向前发展，科技正在进步。
人们的生活质量得到提高，消费需求正发生巨大的变化。
家用电器开始逐渐普及，但是智能化程度不够高。
再说中国城镇化进程正在加快推进，到处都在搞房地产建设。
现在的大型建筑是越来越多，窗户是这些建筑当中不可缺少的一环，其中落地窗已成为趋势，落地窗不仅采光好，还体现了这家人高大上的生活品味。
在这种趋势下，传统的窗帘操作不方便，需要手动拉开，这不仅耗费时间，还浪费力气。
特别是现在的很多家庭使用落地窗，窗帘大而笨重，已经无法满足普通大众的正常需要。
到了冬天，天气比较冷。
早晨九点钟左右太阳出来，人们想要享受阳光的味道却不愿意起床手动打开窗帘,所以人们怎样做不用起床就可以把窗帘打开呢?
因此，智能窗帘已成为如今社会设计人才的主要研究方面。
本文主要针对单片机具备稳定性好、功耗低、体积小、大容量、价格便宜和集成度高等特点设计智能窗帘。
在此次系统设计中，利用各个模块接口标准协议与单片机进行连接，然后将光敏电阻等传感器采集来的信号输送到51单片机中进行数据处理，处理后的数据送到步进电机执行模块，同时在LCD显示屏中显示出来。
单片机在实际应用中从本质上颠覆了传统的控制系统设计思路和设计方法。
用软件技术代替硬件的控制技术将成为时代的主流，现在可以用单片机通过编译软件程序来实现功能的运行，不用再向从前那样一定由模拟电路或数字电路来满足大部分功能的实现。
2课题研究的内容及章节安排
本课题研究的是如何对智能窗帘控制系统进行总体的设计，此系统设计的主要依据是用户对智能窗帘控制系统功能的要求。
声控、光控、定时控制和遥控是智能窗帘的主要四种控制方式。
光控归类于全自动类；声控和遥控归类于半自动。
由于红外线遥控是直线传播，无需频率的限定，发射端一定要对应接收端，他们中间不可以有障碍物挡著，也不可以斜对着被控对象。
而无线遥控是按照无线电波的频率来遥控的，它的信号在空气中传播，能够穿过某些障碍物。
但是其唯一的缺点就是容易受到其它频率无线电波的干扰，影响正常的工作。
基于以上因素的分析，这次设计不打算使用遥控来控制智能窗帘。
考虑到语音控制窗帘的产品并不常见，目前市场上还没有生产出来。
在本次设计中可以根据人们的语音识别来控制智能窗帘的关闭，人们通过发出语音识别指令，语音识别模块接受指令。
然后指令和关键字进行匹配，再将匹配的结果发送给单片机，单片机控制步进电机执行其相应的功能所以采用语音控制和光照强度控制的窗帘具有很好的发展前景。
在此次设计系统中，主要由按键模块、光敏电阻和运放组成的光控电路、单片机STC89C52控制系统、步进电机驱动电路、语音识别模块、和LCD显示等组成。
步进电机驱动模块主要是通过步进电机的正反转来模拟窗帘的开启或关闭。
光控模块就是利用光敏电阻的感光性实现窗帘自动的开和关。
语音识别模块采用的语言记忆功能，把“开窗”和“关窗”的指令事先编写入程序中，再将程序植入到模块中，当有人发出非特定人语音识别指令控制窗帘的开闭。
从此达到智能窗帘控制的功能要求。
智能窗帘控制系统章节安排如下：
（1）绪论：
讲述智能家居的研究背景及意义。
（2）整体设计方案选取和论证：
智能控制窗帘的总体方案框架以及各个模块的选择。
（3）硬件电路的描述：
详细叙述系统所用到的电路原理。
（4）软件程序的编写：
介绍所用的软件及设计流程。
（5）系统仿真及调试：
讲述系统所用的仿真软件和调试的整个过程。
（6）设计总结：
对本次设计做一个总结性的描述。
3课题难点
（1）光控电路的设计。
（2）怎样通过语音控制，实现智能窗帘的开/闭功能。
（3）如何实现步进电机的驱动问题。
（4）选用什么型号的传感器。
4课题的设计任务和要求
（1）根据要求完成对窗帘智能化控制的设计思路，
（2）根据要求完成根据阳光和声音控制窗帘动作的控制要求
（3）完成整个控制系统硬件电路原理图设计和软件设计，编程工作。
（4）完成软硬件联调工作，实现设计功能
5本章小结
本章主要讲述了智能窗帘的研究背景和在人们日常生活中的重要意义，以及当前窗帘的主要控制方式分别是遥控、时控、光控和声控。
在本次设计中确定自己想要往哪些方面研究智能窗帘的控制系统，实现什么样的功能。
还提出来在设计的过程中会遇到的问题，大概的想了一下怎么完成本次设计的任务。
第一章方案论证及总体设计
1.1光电传感器的方案选择和论证
由于白天和黑夜的光照强度不同则需要光电传感器自动开关窗帘，这是智能窗帘不可缺少的部分。
那么选择什么样光电传感器比较好呢？
通过自己查找资料，发现光电传感器主要有以下几种选择方案。
方案一：
采用光敏电阻作为光控模块，主要是利用光电感应效应原理工作的，在没有光线的地方，光敏电阻的阻值比较大，电流很小；当有光照较强时，其电阻值瞬间变小，电流增大。
为了使光敏电阻器吸收更多的光能，光敏电阻被制成薄片形状。
光敏电阻具有体积小、灵敏度高、稳定性好、质量轻等特点。
因此光敏电阻被用于很多光电控制系统，如路灯，照相机自动曝光装置，光电计数器等方面[5]。
方案二：
采用光敏二极管作为光控模块，主要是通过单向导电性工作的，光照特性比较好。
在没有光照时，反向电阻很大，反向电流比较小，二极管截止。
当受到光照时，PN结导通，电阻迅速变小，电流变大，二极管导通，电路工作。
但是它的能耗相对其它光电传感器而言比较高，容易引起发热等现象。
所以在本次设计中，不适合使用。
方案三：
采用光敏三极管作为光控模块，光敏三极管对电路中的电流有很大的放大作用。
但是光敏三极管的光照特性和灵敏度没有光敏二极管好，还容易受温度的影响。
因为光敏电阻器的应用范围广、性能相对较好、体积小、价格便宜等特点。
所以本次设计选用光敏电阻作为光电传感器。
1.2按键模块的方案选择
方案一：
矩阵键盘电路连接复杂，但节省了很多I/O口，提高了端口的利用率。
软件编程比较难，适合按键使用量大的场合。
方案二：
独立键盘电路相对简单，每个按键只占用一个I/O口，编写程序简单。
独立按键具有体积小、装配方便、价格便宜等特点。
适用于比较少的场合。
但按键数量多时，需要占用多个输入或输出端口。
由于独立键盘价钱便宜，需要的数量比较少，所以本系统采用方案二
1.3语音识别模块的选择方案
方案一：
特定人语音识别仅考虑对于专人的话音进行识别。
识别性能好，在寂静的状态下大于96％。
设计模块化，可独立使用，也可配合其他控制模块工作。
但此语音识别系统不适用于人们灵活的说话方式。
方案二：
非特定人语音识别的语音与人无关，通常要用大量不同人的语音数据库对识别系统进行识别。
非特定人语音识别可以单独解决语音识别问题，不用外接任何辅助的芯片，也不用使用者提前准备录音工作。
因为非特定语音识别简单、方便、灵活且实用性强等特点，所以选择方案二。
1.4显示模块的选择方案和论证
方案一：
八个发光二极管组成LED数码管的显示。
这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。
我们看到的字样是电压被加到数码管特定段上显示出来的。
据我所知，一个发光二极管的管压降为2.0V左右，电流在20mA以内。
共阳极数码管是将发光二极管的阳极和电源正极连接起来，共阴极数码管就是将发光二极管的阴极和电源负极连接在一起。
LED对电流很敏感，容易受温度的影响。
它的管压降的发散性比较大，因此它对工作环境要求比较高。
LED只有工作在恒定电流值下才能保证数码管具有清晰均匀的亮度显示。
发光效率拌随着长时间的使用LED数码管而下降。
方案二：
LCD内部自带显示芯片，使用其物理特性改变其电压来显示文字、数字和图形。
LCD液晶显示器可以直接驱动集成度高的电路，它具有稳定性好、显示清晰等特点，让人看了一目了然。
由于LCD液晶显示质量高、接口简单、便于操作、功耗低等特点。
显示模块则选择LCD液晶显示。
1.5步进电机驱动芯片的选取
方案一：
SGS公司生产的L298N电机驱动芯片，可以在电压43V左右工作，电流正常工作相比。
它采用的是H桥驱动，能够从线圈正反两个方向通电。
L298N可以直接控制电机运行，不需要外接辅助电路，能够通过电源调节输出电压。
它既能同时驱动两台直流减速电机，也能驱使一台二相或四相的步进电机工作。
但是工作时间长容易发热。
方案二：
Uln2003芯片是由七个PNP达林顿晶体管组成的非门电路。
输入和输出电流状态相反。
它能在电流500mA、电压50V的情况下正常工作。
应用范围比较广，在各种控制电路中常用作继电器的驱动芯片。
基于成本，结构简单的特点，本设计采用的是Uln2003。
1.6系统的各部分功能实现
（1）语音控制：
当人们发出“开窗”的语音指令时，实现步进电机正转（电机逆时针转动），模拟窗帘打开。
当人们发出“关窗”的语音指令，步进电机反转（电机顺时针转动），模拟窗帘关闭。
（2）环境亮度控制：
光敏电阻根据白天和晚上的外界环境亮度程度不同工作。
夜晚光照强度比较暗，电机顺时针转动（反转），模拟窗帘关闭。
这是本次光控模块设计运行的初始状态。
白天光照强度比较强，电机逆时针转动（正转），模拟窗帘关闭。
实物演示时，为了不产生误动作，需要强电源来演示白天的工作状态。
到了夏天，夜晚时间变短，白天时间变长，一般六点钟左右天就亮了，特别是对于上班族来说，有时晚上工作很晚，天亮不想打开窗帘，可以调节电位器，使光敏电阻的阻值变大。
只有早晨八九点钟当太阳光很强时，窗帘就自动打开。
（3）手动控制：
该功能使智能窗帘打开或关闭。
并增加功能状态指示，电机正转，液晶LCD显示为“1”，电机反转，显示为“2”，电机停止，显示为“0”。
1.7系统的总体设计思路
根据任务和实际要求，该系统总体方案是由语音识别模块、光敏电阻和运放组成的光控电路、STC89C52单片机控制系统、按键模块、步进电机驱动模块，LCD显示等有关电路组成。
整个设计结构图如图1.1所示，本控制系统是由单片机通过软件程序来实现智能控制。
图1.1系统总体设计原理框图
1.8本章小结
本章分析了各个模块电路的选择方案并进行论证，比较它们的优缺点，进而选取最佳设计方案。
根据用户的功能需求，进行具体分析，阐述如何实现窗帘的智能化并且设计系统的整体框架。
第二章系统硬件设计
2.1主控模块及相关电路
2.1.1STC89C52单片机的介绍
STC89C52单片机是由深圳宏晶公司代理销售的一款MCU，它的生产商是美国ATMEL公司。
一个芯片由8位CPU构成，片内含4kbytes的可反复擦写的FlashROM和128bytes的RAM，2个16位定时计数器。
其管脚图如图3.1所示。
程序状态字PSW、存储器RAM和ROM、累加器、并行I/O接口P0~P3、地址指示DPTR、寄存器B、定时器/计数器以及时钟电路和复位电路等这些功能部件由内部总线联接在一起，组成单片机[3]。
图2.1STC89C52单片机结构图
VCC引脚：
接5V电源供电。
GND引脚：
接地端
XTAL1：
接外部晶体的一个引脚，此引脚接入外部时钟信号。
XTAL2：
接外部晶体的另一个引脚，外部时钟信号由此引脚接入。
RST引脚：
复位输入端。
VCC失电后，此引脚可接备用电源，保持内部RAM中的数据。
P0口：
常用作地址和数据总线口。
P1端口：
供用户编程的输入或输出口。
P2口：
作为扩展系统的高8位地址总线口，也可以当I/O口使用。
P3口：
内部带8个上拉电阻的双向I/O口，具备两种功能。
作为第一种使用时，与P1口相同。
P3口第二种功能见表2.1.
表2.1P3端口的特殊功能
ALE/PROG引脚：
锁存P0的低8位地址，输入EPROM编程脉冲。
EA/VPP：
当/EA使能端保持低电平时，单片机只访问外部存储器。
当/EA端保持高电平时，单片机拜访内部程序存储器。
PSEN引脚：
读写外部程序存储器信号。
2.1.2晶振电路
如图3.2所示，这就是时钟电路图。
电路程序正常工作要在规定的时间内完成，否则就无法和单片机进行联系。
单片机内所有的位操作的时间是以时钟电路为基准的。
内部振荡和外部振荡是时钟电路的两种形式。
本设计就采用这种外接晶振的方法，这种方式是把存在的时钟信号引入单片机中，从而使内部时钟和外部信号联系到一起。
晶振电路通常选用12MHz的晶振。
单片机正常工作离不开它提供稳定的计时信号。
一般情况下，时钟频率和单片机的运行速度成正比。
电容C1、C2起到稳定震荡频率的作用。
电容范围在20-40pF之间，这里连接的是30pF的电容。
图2.2晶振电路
2.1.3复位电路
复位操作使单片机回到初始化状态，对于单片机而言，复位是不可或缺的。
如果没有复位电路，当程序运行错误或者使用者操作不当导致系统处于锁死状态时，单片机系统就会瘫痪。
这就是人们常说的“跑飞”或者“死锁”现象。
只需要给单片机STC89C52至少五毫秒的高电平时，单片机就会自动完成复位操作。
复位操作通常分为两种形式：
上电复位、开关复位。
上电复位是接通电源后，自动完成复位动作。
开关复位是在电源接通时，单片机正在工作的时候，突然发生死机状态，手动按动按钮开关操作使单片机复位并进行初始化工作。
复位电路图如图2.3所示。
图2.3复位电路
2.1.4电源电路
干电池具有价格便宜，方便使用等特点。
电源电路采用干电池供电，每节干电池为1.5V，需要三节干电池串联进行供电给单片机。
由于还要供电给液晶显示屏LCD1602和语音识别模块，耗电量比较大，三节干电池是远远不够的，需要6节电池，才能使整个电路正常工作。
况且6节电池串联为7.5V，单片机工作为5V，需要加一个三端集成稳压器LM7805使其正常工作。
三端集成稳压器LM7805具有过流保护、过热保护、性能可靠、电路简单等特点，所以应用比较广。
其内部结构图如图2.4所示。
图2.4LM7805内部示意图
2.2按键模块
键盘在单片机控制系统中能实现向STC89C2输入数据，传送指令的功能，它是人为干扰主控系统的重要手段。
6个按键被用在这次毕设中。
其中K1为手动开窗按键，当按下K1键时，电机正转模拟窗帘打开。
K2为手动关窗按键，当按下K2键时，电机反转模拟窗帘关闭。
K3为停止按键，当模式为手动时，人们可以使用此键把窗帘打开或关闭一半。
K4和K5键分别是限位开关键，用来判断智能窗帘是否到达预定位置。
当窗帘接近顶端时，会触碰到开窗限位开关K4键使其闭合，当智能窗帘到达底端时，接触到开窗行程开关K5键，然后闭合。
当开关在弹簧的作用下恢复到常开状态时，表示窗帘离开限位开关。
K6是模式选择键，可以切换不同的工作模式。
键盘电路如图2.5所示。
图2.5按键模块电路
2.3光控模块
智能窗帘的光控功能是可以根据外界环境的光照强度来自动控制窗帘的开闭，因此需要用到光照传感元器件，选取型号为GL5516的光敏电阻作为光控模块。
光控电路如图2.6所示。
图2.6光敏电阻原理图
光敏电阻和运放组成了光控电路，有两个电阻在同向输入端分压得到一个基准电压值。
而反相输入端用一个光敏电阻采集外部环境的光照，利用其光线暗时电阻大，亮时电阻小的特点，来确定反向输入端的电压值。
再将两者的值进行对比，比较后的信号再送入单片机的P1口，从而通过主控系统来控制电机的正反转。
实现白天窗帘自动打开，晚上窗帘关闭这一智能控制的功能。
2.4语音识别模块
由ICRoute公司设计生产的LD3320是一种非特定人语音识别芯片。
精准度高的A/D和D/A接口被装在模块内部，不再要外接辅助的电路，根据编辑需要识别的关键语句就可以实现语音识别和人机交流功能。
[4]LD3320也不需要使用者提前训练和录音来完成语音识别功能，真正实现了单芯片的语音识别解决方案。
因此识别的准确率比较高，达到93%以上。
LD3320语音识别模块图如图2.7所示。
图2.7LD3320语音识别模块图
LD3320芯片的工作流程如图2.8。
首先对输入话筒的语音进行识别。
然后，与芯片的关键词列表中的语句进行对比，最终选出得分最高的关键词作为识别的结果进行输出。
图2.8LD3320模块原理框图
2.5步进电机驱动模块
步进电动机是一种把电脉冲转化为机械角位移的控制电机，常用作数字控制系统中的执行器件。
步进电机不可以直接接到直流或交流电源上，一定要使用专有的驱动器才能正常工作。
在简单的运动控制中，单片机作为控制系统的大脑，通过步进电机专用驱动芯片实现其速度可调和位置准确定位的控制。
步进电机在运行中具有性能稳定、精准度高、结构简单等特点，被普遍应用于各种自动化控制系统，特别是工厂自动化生产的流水线、智能仪表、机电一体化等方面。
如图3.9所示，步进电机控制系统是由脉冲控制器，功率驱动电路，电机等组成的。
图2.9步进电机控制系统方框图
本次设计采用型号为28BYJ-48型四相八拍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。
步进电机的工作电流较大，需要驱动芯片。
当然也能通过使
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