计算机控制光感自动窗帘控制系统设计.doc

计算机控制技术课 程 设 计成绩评估表设计课题 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 ： 自动F0904 学生姓名 ： 学 号 ： 指导教师 ： 设计地点 ： 设计时间 ： 2023-06-112023-06-15 指导教师意见：成绩: 署名： 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 ： 自动F0904 学 生 姓 名 ： 学 号 ： 指 导 教 师 ： 课程设计地点： 课程设计时间： 2023-06-112023-06-15 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重要内容（参数）运用89C51单片机设计光感自动窗帘控制系统，实现以下功能：1可以手动控制窗帘的开与关；2可以设定期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限度的大小；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；任务规定（进度）第1天：熟悉课程设计任务及规定，查阅技术资料，拟定设计方案。第2天：按照拟定的方案设计单元电路。规定画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有具体论述。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。规定内容完整、图表清楚、语言流畅、格式规范、方案合理、设计对的。重要参考资料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，20232 夏路易 石宗义Protel 99se电路原理图与电路板设计教程北京：北京希望电子出版社，20233 朱玉玺计算机控制技术北京：电子工业出版社，20234 邓兴成单片机原理与实践指导北京：机械工业出版社，20235 瞿贵荣.电动窗帘红外遥控电路.家庭电子,20236 阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社,2023.审查意见系（教研室）主任签字： 年 月 日 目 录1 概述41.1 研究背景41.2 设计思想及基本功能42 总体方案设计52.1 方案选取52.2 系统框图82.3 总体方案设计83 硬件电路设计93.1 电源电路设计93.2 晶振电路103.3 复位电路113.4 时钟电路123.5 键盘电路143.6 显示电路143.7 A/D转换电路173.8 光敏传感器183.9 步进电机204 系统软件设计224.1 主程序软件设计224.2 键盘程序设计234.3 定期程序设计254.4 步进电机程序设计265总结28参考文献29附录 系统原理图291 概述1.1 研究背景随着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高提出了更高的规定，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可以方便操控的工具，这些产品具有提供全方位的信息互换的功能，不仅可以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，甚至还可认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。该系统运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。本设计正是把运用AT89C51 单片机的优点以及简朴实用性，顺利的完毕了对智能控制的规定，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，并且也完善了系统。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期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，该系统本着简朴实用经济的思想，尽量简化电路设计，用最简朴的电路布线和选用最经济实用的器件来达成设计规定。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在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限度；（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，很多的电子产品运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规定，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，窗帘只有两个简朴的状态：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，所以窗帘自身设计不需要太复杂，采用普通的卷帘即可。关闭时，电机旋转所有放下卷帘；打开时，电机将卷帘所有卷起。方案（二）的窗帘从完全关闭到完全打开按打开限度有05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，从而控制开关限度的大小。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，并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限度的打开，可以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规定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也许考虑系统的可扩展性。随着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，天天开关不仅不省力，并且还也许错过最佳光照时间，特别是大窗帘，比较重，并且长，在开闭时需要费很大力气才干开关窗帘，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运用按键控制，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期等开关窗帘，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限度。（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，通过输入的启动或关闭时间，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重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运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期间，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当采用采样保持电路。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重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的直流电压以供应单片机。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1.2MHz24MHz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。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，调节它们可以达成微调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重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，再撤消复位信号。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消复位信号，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接地来拟定，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引脚分派如图所示： 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,读写被严禁，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，可作微解决的中断输入。没有中断的条件满足时，IRQ处在高阻态。IRQ线是漏极开路输入，规定外接上接电阻。 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重要作用是通过按键向单片机输入指令，其中重要涉及设定期间，控制窗帘的开关等等功能，是人工控制单片机的重要手段。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：设定键重要是用来设定自动窗帘打开或者关闭的时间；0-9数字键，其作用重要是用于设定期间；复位键重要应用在程序犯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，窗帘控制器停止运营；拟定键重要是用于在时间设定完毕后的拟定输入。由于按键比较多，单独设立按键会增长总体设计的复杂性，并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 显示电路显示电路重要是用于显示时间。采用LED数码管进行显示是由于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直接结束解决（ret）。 b.若不相同则将标志清零结束解决（ret）。 （2）若不是初次按下：将键值暂存起来，标志置位结束解决。假如无键值，则判断是否有键值已被确认（1）若有键已被确认：判断按键是否初次抬起 a.若初次抬起：判断抬起延时时间（20ms）是否到达 1.若延时到则将标志解决结束解决。 2.若延时未到直接结束解决（ret）。 b.若非初次抬起：直接结束解决（ret）。（2）若没有键被确认：直接结束解决（ret）。4.3 定期程序设计定期程序的重要作用是在用户设定的时间后可以使单片机收到一个中断信号，从而发出相应的指令，控制窗帘的开关。时钟芯片发出50ms的信号给单片机后，计数器开始工作，计数器记到20，则时间即为1秒，秒单元加1，当秒单元计数到60，分单元加1，此时秒单元清零。当时单元计数到24，时单元清零。图4.3是定期程序流程图。图4.3 定期程序流程图4.4 步进电机程序设计步进电机是操控窗帘开闭的重要执行器件，其设计重要是按照单片机指令以及按键指令进行正转或者反转。图4.4是步进电机程序流程图。图4.4 步进电机程序流程图 步进电机程序设计的重要任务是：（1）判断旋转方向；（2）按顺序传送控制脉冲；（3）判断所规定的控制步数是否传送完毕。对于三相单三拍的设计，其控制方式模型如下： 步 序 控 制 位工作状态控制模型P.7P.6P.5P.4P.3P.2C相P.1B相P.0A相 100000001A01H 200000010B02H 300000100C04H 总之，只要按一定的顺序改变 P1.0P1.2 三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。而对于节拍比较多的控制程序，通常采用循环程序进行设计。5总结通过一周的资料查找和设计，我已完毕了计算机控制的课程设计。本文设计了光感电动窗帘控制器的智能系统，介绍了电动窗帘控制器的硬件电路设计到软件设计的一系列环节。本设计采用步进电机作为执行元件，以光敏电阻作为检测元件，89C51单片机作为控制芯片，辅助键盘和显示，实现了电动窗帘控制器的多项智能项目。纵观整个设计系统，单片机使用了常用的AT89C51单片机，从而使整个控制芯片了如指掌。熟悉的控制芯片设计起来也是得心应手。所用芯片简朴实用，减少了开发和硬件开销。传感器部分使用光敏电阻，可以连续性的检测外界光强变化，通过电桥电路后的信号进入比较器，可以得出一个信号，此信号通过放大，A/D转换后进入单片机，通过单片机的脉冲信号进而控制步进电机的运营。本设计的步进电机可以很好的执行单片机的命令。步进电机为一种数字伺服执行元件，具有结构简朴、运营可靠、控制方便、控制性能好等优点。使得窗帘的开关更加的准确，稳定。设计的时钟电路配合单片机的定期功能，加上光电传感器的检测光强很好的解决了自动控制这项功能。同时，由于设计的时间和能力有限，尚有许多功能和技术没有充足研究，也许存在不合理的地方。另一方面，显示功能中还没有显示电动窗帘控制器的工作方式。控制器固定，没有蓝牙和红外控制功能。但是，一个完整的课程设计过程，让我掌握了单片机系统和电子操作软件等方面的知识，特别是熟悉了用protel画电路原理图和用visio画程序流程图。这使我在动手能力方面有很大的提高，也给此后更成功、完善的设计打下坚实的基础。参考文献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，20232 夏路易 石宗义Protel 99se电路原理图与电路板设计教程北京：北京希望电子出版社，20233 朱玉玺计算机控制技术北京：电子工业出版社，20234 邓兴成单片机原理与实践指导北京：机械工业出版社，20235 瞿贵荣.电动窗帘红外遥控电路.家庭电子,20236 阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社,2023.附录 系统原理图