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1、 题目 自动窗帘控制系统 年 月 日摘 要自动控制属于电子及信息科学的一个重要分支，并且在现代家居中有着较好的目前发展前景。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，可能对用户造成一定的困扰，窗帘控制系统可以解决这些问题。本文综述了自动窗帘控制系统的设计与制作过程，介绍了设计制作一个完整的窗帘控制系统需要做的理论分析以及其制作过程。自动窗帘控制系统核心采用的是单片机AT89C51，其次利用了光照传感器、键盘显示接口电路以及信号调理电路等外围电路，整个系统在各模块的配合下可实现半自动控制、自动控制、定时控制等功能。该设计在理论层面上，用程
2、序语言驱动各模块工作，实现系统的内在联系，在应用层面上则采用Protel软件进行原理图设计。自动窗帘控制系统的构成主要由光照传感电路、系统主控模块电路、电源转换电路、电机控制电路、键盘以及显示电路等组成，重点讨论了窗帘自动控制系统的设计过程、硬件选用和软件调试等问题，通过本系统可实现利用光照强度以及设置时间来控制窗帘自动开闭。关键字：单片机，自动控制，AT89C51，Protel ABSTRACT Electronics and automatic control is an important branch of information science, and they now have
3、a better prospect. Now, According to the requirements of living environments, this design made full use of the SCM controlling system of AT89C51,followed by the sensor, keyboard and display interface circuit and the signal conditioning circuit.Based on the different controlling mode, we realize to c
4、ontrol the curtain machine by mutual transformation of semiautomatic and automatic controlling and infrared remoter. Focusing on the curtain during automatic control system design, hardware and software debugging process and other issues, the system can be realized through the illumination intensity
5、 in accordancecontrol the curtains down.KEY WORDS:SCM, automatic control, AT89C51, Protel 目录前 言1第1章 绪论21.1 课题研究背景及意义21.2 基本内容安排21.3 设计思想及基本功能3第2章 总体电路设计及其原理说明42.1 方案选取42.2 系统总体结构设计5 2.2.1系统基本功能5 2.2.2系统总体结构设计6第3章 硬件分析与设计73.1电源电路设计73.2 89C51单片机及相关电路83.2.189C51单片机概述83.2.2晶振电路83.2.3复位电路93.2.4时钟电路103.2.
6、5键盘电路123.2.6 显示电路133.2.7 AD转换电路153.2.8光敏传感器173.2.9 步进电机183.2.10信号校正电路19第4章 程序分析与设计214.1 主程序设计214.2 主要子程序设计22 4.2.1 键盘程序设计22 4.2.2定时程序设计24 4.2.3步进电机程序设计25总结26致谢27参考文献28附录一29附录二30前 言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。电子产品智能化速度的加快，也使人们的工作、生活和通讯的关系日益紧密。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
7、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
8、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
9、也完善了系统。第1章 绪论1.1 课题研究背景及意义21世纪是信息化的时代，知识与科技成为时代的潮流，在它们的推动下，智能化也因此得到了很大的发展，其作用在社会生活中日益得到彰显。智能控制系统主要利用计算机技术、网络通信技术、综合布线技术等现代化技术的有机结合而发挥作用。在通信技术、计算机技术、网络技术、智能控制技术的迅猛发展潮流下，家庭生活实现了现代化与智能化，居家环境也变得更加舒适与安全。智能化控制的工作原理自然离不开运算和控制单元，而该系统采用的主控器件AT89C51，正是运算与控制单元的集合体。系统的整体主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分由单片机扩展的外围电路以及各种实现单片机系统控
10、制功能的接口电路组成；软件部分主要由单片机系统实现其特定控制功能的各种程序组成。本设计中介绍了自动窗帘控制系统的硬件构成以及软件设计过程，以尽最大可能满足不同人对窗帘开闭的不同需求。同时，系统在针对人们一般需求的设计开发外，还提出多种解决方案，在考虑到经济性和简便性的前提下，可以供日后对控制系统的功能进行扩展。1.2 基本内容安排该设计通过分析电动窗帘的现状和人们对自动窗帘控制系统的功能的需求，从而对自动窗帘控制器进行总体的设计。系统的总体设计采用以步进电机作为单片机控制元件，执行窗帘开闭的主要任务；以光敏电阻作为检测元件，以提供单片机外界光照的变化；89C51单片机作为主控制芯片，控制着整个
11、系统的运行，此外，辅助以键盘和显示电路，在各个电路模块的配合下最终实现了自动窗帘控制系统的智能化要求。自动窗帘控制系统设计过程主要分为一下几个章节：（1）绪论：介绍目前国内外电动窗帘的发展现状和研究的目的和意义。（2）总体设计方案：概括自动窗帘控制系统的的总体设计方案选取以及硬件设计的总况。（3）硬件设计：采用89C51单片机作为控制核心，并且辅助以外围电路，其中包括电源电路，定时电路，步进电机控制电路，键盘/显示电路等一系列相关电路。（4）软件设计：介绍各个功能模块的的设计流程以及设计思路。（5）总结：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。1.3 设计思想及基本功能
12、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。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，此功能可以使窗帘的开闭处于任何一种状态；（2）自动控制：用户可以通过按键一次性开闭窗帘；（3）光照控制：系统可以根据用户设定的光照强度值通过感光器采集光照自动开光窗帘；（4）时间控制：此功能是根据用户设定
13、的时间一次性开关窗帘。第2章 总体电路设计及其原理说明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，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）基于光照强度器件的自动控制 这二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，不同的设计部分在于检测器件的选取上。方案（一）的系统框图如图2.1： 声控检测 键盘模块 液晶模块电源模块 89C51 温度检测 图2.1 方案（一）的原理框图方案（二）的系统框图如图2.2。 时钟模块
14、 键盘模块 显示模块电源模块 89C51 光照检测 图2.2 方案（二）的原理框图 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元件，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。综合考虑以上因素，系统设计采用方案（二）。2.2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
15、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
16、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、关闭和停止功能。（2）半自动控制状态：此功能是在要打开或者关闭窗帘的时候，通过“开”或“关”按键，窗帘在电机的带动下可以自动开闭。（3）亮度自动控制：此功能是利用设定的光照强度自动完成窗帘的打开或者关闭，真正实现黑天关闭，白天打开的功能。（4）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。2.2.2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2.3所示。光敏传感 信号校正A/D转换89C51显示模块键盘模块步进电机图2.3 电动窗帘控制器结构框图根据
17、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。第3章 硬件分析与设计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
18、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 电源电路图三端集成稳压器LM7805，总共有三条引脚，分别是输入端、接地端和输出端。用LM78LM79系列三端稳压器来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。其内部结构图如图3.2所示。 图3.2 LM7805内部示意图3.2 89C51单片机及相关电路3.2.1 89C51单片机概述单片机是将中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM或EPROM）、定时器芯片和一些输入/输出接口电路集成在一个芯片上的微控制器。AT89C51单片机是低功耗、高性能的
19、CMOS 8位单片机，片上带有8K Flash 存储器，且允许在系统改写或用编程器编程。其主要参数有：（1）4K字节可编程闪烁存储器 （2）全静态工作：0Hz-24MHz （3）128*8位内部RAM （4）32可编程I/O线 （5）两个16位定时器/计数器 （6）5个中断源 （7）低功耗的闲置和掉电模式 （8）片内振荡器和时钟电路3.2.2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3.3是单片机的晶振电路
20、。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1.2MHz24MHz之间选取。C1、C2是反馈电容，其值在20pF100pF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
21、。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3.3 单片机晶振电路图3.2.3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
22、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3.4所示的 RC 复位电路可以实现上述基本功能。图3.4 复位电路图3.2.4时钟电路DS12887芯片和AT89C5l单片机的接口电路如图3.5所示。 图3.5 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 ，
23、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P27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.
24、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
25、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
26、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。3.2.5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44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
27、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3.6所示。 图3.6 键盘接口电路3.2.6 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(.若确认按下20ms，得到有效键值等待弹起 2. 若不是按下20ms直接结束处理（ret）。 b.若不相同则将标志清零结束处理（ret）。 （2）若不是首次按下：将键值暂存起来，标志置位结束处理。 如果无键值，则判断是否有键值已被确认 （1）若有键已被确认：判断按键是否首次抬起 a.若首次抬起：判断抬起延时时间（20ms）是否到达 1.若延时到则将标志处理结束处理。 2.若延时未到直接结束处理（ret）。
