基于单片机的智能多功能窗户的设计.docx
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基于单片机的智能多功能窗户的设计
毕业设计（论文）
课题名称基于单片机的智能多功能窗户的设计
学生姓名
学号
系、年级专业信息工程系﹑07级电子科学与技术专业
指导教师
职称
2011年5月28日
摘要
随着高新技术及电子器件的发展，光控窗帘应运而生，给人们的生活带来了很多方便。
同时，也为人们的生活环境以及智能家居的实现提供了依据，为此，研究与设计光控智能窗帘控制系统具有深远的现实意义。
本电路根据生活环境需要，采用AT89C51单片机控制系统，利用P3口的特殊功能与P1口的空闲模式和掉电模式，根据其不同控制模式，实现半自动控制、自动控制、定时控制的相互转换控制窗帘机。
该设计包括光电开关电路、系统主控模块、电源转换电路、保护电路等组成，可实现窗帘自动升降。
关键词：
AT89C51；单片机；定时控制；光电开关；步进电机
Abstract
Withthedevelopmentofhigh-techandelectronicdevices,lightcontrol,temperaturecontrolandremotecontrolcurtainscameintobeing,tobringalotofpeople'sliveseasy.Atthesametime,butalsoforpeople'slivingenvironmentandtherealizationofsmarthomeprovidesthebasisforthis,researchanddesignintelligentcontrolsystemcurtainprofoundpracticalsignificance
Accordingtotherequirementsofofficeandlivingenvironment,thisdesignmadeuseoftheSCM（SingleChipMicyoco）controllingsystemofAT89C51,thespecialfunctionatP3,theidlenessmodeandlose-electricmodeatP1.Basedonthedifferentcontrollingmode,werealizetocontrolthecurtainmachinebymutualtransformationofsemiautomaticandautomaticcontrollingandinfraredremoter.Thisdesignismadeupofinfraredremotecircuit,systematiccontrollingmode,electricalsourcetransformation,protectivecircuit,etc.Itcanreachtheachievementofautomaticallyrisingandfallingofthecurtain.
Keywords:
AT89C51；SCM；timingcontrol；photoelectricswitch；steppingmotor
第1章绪论
1.1课题背景
生活在提高,时代在进步,人类在向文明迈进,不同的时代对居住空间、环境有不同的要求,这是社会的必然潮流。
单片机控制的自动窗帘遥控系统[1],既能解决每天手拉开和关上窗帘的不便,又显示出了生活的档次,同时还可以根据光线的明暗来自动控制窗帘的开关,以调节室内的光线,更进一步地满足了人们的享受要求。
所以该产品能形成大规模生产,很快会普及全国市场,产生巨大的经济效益；另外，除了广大市民住宅使用外,该遥控窗帘器还可以广泛应用于别墅、公寓、宾馆、饭店、写字楼、歌舞厅、影剧院、会议厅、银行、学校、医院等各种公共场所,因此该产品具有广阔的市场前景。
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国内外概况
在欧美等发达国家,电动窗帘已广泛应用。
在10年前,电动窗帘就已经进入我国,可一直没有大的推广,这两年,随着电控技术的不断提高及价格的不断下降,电动窗帘热才又卷土重来。
据了解,全国共有170多种电动窗帘器获得了国家专利,但就其技术本身而言,还是大同小异,但售价却有很大差别,贵的要数千元,便宜的只要500块。
尽管遥控自动窗帘系统在国内是一个新兴的行业,但是,它也正以不可抵挡之势迅速崛起。
遥控自动窗帘系统走进中国以来,在短短四年的时间里,遥控自动窗帘系统生产商由最初的几家公司增加到如今的百余家企业,其行业发展之迅速是目前国内任何其它行业所无法比拟的。
目前,我国遥控自动窗帘系统生产厂商、分销商、集成商与装饰公司都形成了相当规模,不少国内知名企业纷纷涉足遥控自动窗帘系统行业,如青岛海尔、清华同方、TCL等,并涌现出一些较具影响力的智能家居专业厂商,如上海索博智能电子有限公司、北京九州易居科技有限公司、天津瑞朗智能家居电子科技有限公司、深圳市正星特科技有限公司等。
自动窗帘产品已开始走进中国的家庭。
具报道,我国2004年售出商品房1.9亿,如果每20平方需要一套窗帘架产品,仅此一项就可以年新增窗帘架产品近千万套加上。
年新增窗帘架产品市场需求将不低于2000万套。
如果单片机控制的遥控自动窗帘,销售占市场的5%左右,就可实现年产值上亿元。
随着自动窗帘热潮在世界范围内的日渐兴起，随着中国电子技术的飞速发展、人们生活水平的不断提高以及智能电子技术在生活中的广泛应用,自动窗帘已经成为未来家居装饰潮流发展的最新方向,在不久的将来,没有自动窗帘系统的住宅肯定不合潮流。
从目前的发展趋势来看,在未来的20年时间里,自动窗帘行业将成为中国的主流行业之一,其市场的发展前景是非常广阔的。
1.3课题的研究工作
智能家居系统是一个大的社会系统工程，我们应当加快我国智能家居标准化进程。
自动窗帘系统作为智能家居中一个很重要的部分,需要在我国智能家居这一领域,建立起一个具有中国特色的新兴、健康的产业链。
让自动窗帘系统在我国并不是远在天边，而是近在眼前。
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完全的自动化,没的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,而难以实施和普及。
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[2]。
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。
所以我想利用价格相对便宜的红外线遥控发射芯片、单片机作为主要控制器件,来完成该系统的设计。
该系统主要有如下几方面的特点:
（1）通过光照的强度对窗帘的控制。
（2）时间控制开关窗帘。
通过对DS1302芯片的设定,让用户可以随自己的生活习惯方便的自动开关窗帘,无需手动。
（3）另一种控制方式为手动控制方式,防止停电后采用手动控制。
（4）美观，以往的遥控电动窗帘都是向一边拉或向上拉,而本设计为向两边打开,随个人的爱好可以控制其大小。
（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。
第2章方案设计与论证
2.1设计思路
根据本设计的要求，构思如下：
（1）按键选择工作状态，自动、手动、定时功能。
（2）LCD液晶显示输状态，但是只是输出显示符号012。
（3）用光敏电阻模拟光的强度，窗帘关时光敏电阻阻值小，打开时光敏电阻阻值大。
（4）窗帘上有真实时钟。
软件的设计主要包括按键键盘的读取、单片机扫描分析程序、判断程序和处理程序。
2.2系统方案一
由光电传感器来探测外界的光强，从传感器出来的信号经过信号调理电路的放大，滤波调理后输入到A/D转换器，A/D转换器件完成一个转换过程需要一定时间，如果在这段时间内信号的幅度发生变化，转换结果将会受到影响，所以期间要用到采样保持电路。
转换后的信号由单片机控制器，来实现电机的运行与停止。
显示部件用来显示电动窗帘控制器的各种状态信息。
按键是主要的输入设备，控制单片机的各种参量，如图2.1方案一原理框图所示。
图2.1方案一的原理框图
2.3系统方案二
该窗帘控制器采用STC89C52单片机的最小系统设计，控制一个220v的可逆、变速电动机控制窗帘的拉开和关闭。
窗帘控制器可以使用红外遥控器进行远程手动开、手动关和手动停控制；还可以根据室外环境亮度实现环境亮度光控。
以及光控状态下环境亮度的控制参数的调整等等都可以通过遥控器进行设置。
该红外遥控窗帘可谓是一款多功能的窗帘控制器窗帘控制器原理图。
如图2.2方案二原理框图所示。
图2.2方案二的原理框图
2.4方案论证
考虑到红外线不易仿真，而光照强度可以用光敏电阻来代替，这样与单片机联用有较大的活动空间，不但能实现所要求的功能，而且能在很大的程度上扩展功能及方便地对系统进行升级，实现基本的按键控制功能，感光强度以及定时开关窗帘的功能。
所以我们采用方案一。
第3章硬件电路设计
单片微型计算机简称单片机[3]，又称为嵌入式微控制器（Embeddedmicrocontroller）。
常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳以大规模集成电路为主组成的微型计算机，它的诞生是计算机发展史上一个新的里程碑。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影，它主要是作为控制部分的核心部件。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CM微处理器，俗称单片机。
它是美国ATMEL公司的低电压，高性能CMOS8位单片机。
89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的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单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。
3.1AT89C51单片机硬件结构
AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的八位CMOS单片机，片内有一个4KB的FLASH可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgramma-
bleandErasableReadOnlyMemory），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC—51兼容。
片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，片内的存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程。
因此，AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用于各种控制领域。
3.1.1主要特性
（1）与MCS-51产品指令系统兼容；
（2）4K字节可编程闪烁存储器；
（3）寿命：
1000写/擦循环；
（4）数据保留时间：
10年；
（5）全静态工作：
0Hz-24Hz；
（6）三级程序存储器锁定；
（7）128*8位内部RAM；
（8）32可编程I/O线；
（9）两个16位定时器/计数器；
（10）6个中断源；
（11）可编程串行通道；
（12）低功耗的闲置和掉电模式；
（13）片内振荡器和时钟电路；
另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到零并提供两种软件的省电方式-空闲方式和掉电方式。
在空闲方式中，CPU停止工作。
在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下次硬件复位为止。
3.1.2管脚说明
AT89C2051的接口线包括：
P0、P1、P2、P3共四个八位口。
（1）P0口是三态双向口,通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
P0口也用以输出外部存储器的低8位地图1址。
由于是分时输出,故应在外部加锁存器将此地址数据锁存,地址锁存,信号用ALE。
（2）P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。
（3）P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。
不扩展外部存储器时,P2口也可以作为用户I/O口线使用,P2口也是准双向口。
（4）P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。
VCC（40）：
供电电压，其工作电压为5V。
GND（20）：
接地。
P0端口（P0.0-P0.7）：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1端口（P1.0-P1.7）：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2端口（P2.0-P2.7）：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3端口（P3.0-P3.7）：
P3口管脚是一个带有内部上拉电阻的8位的双向I/O端口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3.1所示。
复位RST（9）：
复位输入。
在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。
复位后P3.0-P3.7口均置1，引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。
当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。
复位操作不会对内部RAM有所影响[4]。
表3.1功能接口表
ALE/PROG（30）：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN（29）：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
EA/VPP（31）：
当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-
FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1（19）：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2（18）：
来自反向振荡器的输出。
3.1.3硬件电路总图
硬件总电路如图3.1所示：
图3.1硬件电路总图
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[5]。
电路中的电容C1和C2的典型值通常选择为30PF左右，该电容的大小会影响振荡电路频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶体振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，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作。
89C51常选择振荡频率12MHz的石英晶体。
图3.2晶振电路
3.3时钟电路
本设计需要窗帘在给定的时间自动开和关，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。
这里使用DS1302实时时钟芯片来完成这项功能。
DS1302是DALLAS公司生产的实时日历时钟芯片，其主要功能包括非易失性时日历时钟、报警器、百年历、可编程中断、方波发生器和114字节的非易失静态RAM。
使用DS1302时应注意以下几点：
Vcc正常情况下为5V，当Vcc降至4.25V时，所有的输入被忽略，输出为高阻状态，Vcc降至3V时，外部电源被关断，内部锂电池为实时时钟和RAM供电，在断电情况下，时钟继续运行，其中的数据可保存十年以上不会丢失。
DS1302有两种工作时序，即MOTOROLA和INTEL时序，由MOT引脚的电平指定，当MOT引脚为高电平时选择MOTOROLA时序，当MOT引脚为低电平时选择INTEL时序，图中选为INTEL时序，这时芯片的DS引脚接系统的读信号R/D，R/W引脚接系统的写信号W/R。
AS引脚用于分离数据地址总线AD7-AD0上的地址和数据信息，连接到MCU的ALE引脚。
RESET引脚的信号对日历时钟和RAM没有影响，但它影响DS1302的命令和状态寄存器的内容，在图中直接将RESET连至Vcc，这样可以保证DS1302在进入或退出电源失效状态时，其工作状态不受RESET引脚的影响。
DS1302有一个可编程输出方波引脚SQW，从该引脚可以输出频率为2Hz-256Hz的方波，在系统中正是利用此引脚输出周期为125MS的方波，作为MCU外部中断INT0的中断源实现周期性中断，每当中断发生时，MCU读一二次输入口，检查电表是否转过一圈，在整点时还要采一次三相电流和电压。
除此之外，DS12887内部还有128字节的RAM的单元,如图3.3时钟电路所示。
图3.3时钟电路
3.4步进电机电路
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[6]。
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3.4所示：
图3.4步进电机控制系统方框图
3.5传感器电路
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[7]，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
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