基于單片機(jī)的光控自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

1、機(jī)電工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)說說明明書書 設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)題目: : 基于單片機(jī)的光控自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（專升本）機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（專升本）10011001 班班 1 目錄 1.1. 背景意義背景意義 .3 1.11.1 光控自動(dòng)窗簾系統(tǒng)的背景、意義光控自動(dòng)窗簾系統(tǒng)的背景、意義.3 1.21.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .4 2.2.方案論述方案論述 .8 2.12.1 方案設(shè)計(jì)說明方案設(shè)計(jì)說明 .8 2.22.2 方案選擇說明方案選擇說明 .8 3.3.硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) .10 3 3. .1 1 光光電電傳傳感感器器信信

2、號(hào)號(hào)采采集集模模塊塊設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) .10 3 3. .2 2 單單片片機(jī)機(jī)信信號(hào)號(hào)處處理理模模塊塊設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) .14 3 3. .3 3 執(zhí)執(zhí)行行單單元元模模塊塊設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) .18 4.4.軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) .24 4 4. .1 1 程程序序流流程程 .24 4 4. .2 2 程程序序設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) .25 5.5. 總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì) .27 PROTELPROTEL 總電路圖總電路圖相對(duì)濕度: 90MAX;安裝位置:軸水平或垂直安裝 繞組直流電阻(20)3010 繞組電感 32mH20 定位轉(zhuǎn)矩 11.8mN.m REF 保持轉(zhuǎn)矩 210mN.m(I=0.4A) 最大空載起動(dòng)頻率 2000pps 最大

3、空載運(yùn)行頻率 3000pps 溫升(兩相同時(shí)通以額定 電壓 12V) 80 K； 步距角精度1.80.09 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 38g.cm2 重量 0.20Kg REF 軸向間隙0.08mm 徑向間隙0.02mm 軸伸徑向圖跳動(dòng)0.025mm 23 安裝配合面垂直度0.03mm 安裝配合面同心度0.05mm 電機(jī)定子鐵芯與接線端子間冷態(tài)絕緣電阻應(yīng)大于 100M(用 DC500V 兆歐表測(cè)量)； 3.3.3 執(zhí)行單元模塊電路連接 （1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接 本文主要采用 L298，通過單片機(jī)的 I/O 輸入改變芯片控制端的電平，改變繞組脈沖信號(hào)的 順序即可對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。 L298 的輸入引腳與單片機(jī)的

4、P1.0P1.3 口分別相連，IN1IN4 引腳從單片機(jī)輸入控制電平， 控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，OUT1OUT4 分別接步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)相線，ENA、 ENB 接控制使能端 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)、停。當(dāng) ENA、 ENB 同時(shí)接高電平時(shí) L298 芯片是工作的，即使能端有效， 控制 IN1IN4 引腳電平的頻率即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。芯片的輸出引腳分別接 2 個(gè)續(xù)流二極 管，起到保護(hù)電路作用。芯片的 VCC 和 VSS 引腳與地必須連接 100nF 電容器，圖中 0.1F 和 100F 電容并聯(lián)即為 100nf。 對(duì)本自動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還必須滿足用戶想要窗簾停的某一位置停下來的需求，為此設(shè)計(jì)了步進(jìn) 電機(jī)停

5、止開關(guān)，為簡(jiǎn)化程序，更加利用 L298 芯片本身的功能，本文采用了一個(gè)單刀雙擲開關(guān) SW1，開關(guān)一端接使能端 ENA、 ENB，另兩端一段接+5V 的電源，為芯片使能端提供高電平， 另外一端接地，限制使能端的使用，當(dāng)開關(guān)接到地時(shí)，兩個(gè)使能端接地，L298 芯片不再起作用， 電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，由此達(dá)到停止的目的。 電機(jī)控制窗簾的兩個(gè)極限位置-窗簾的兩端，要能使電機(jī)停下來，這一問題的解決有兩 種方案，一種是計(jì)算步進(jìn)電機(jī)在窗簾開合長(zhǎng)度中所要轉(zhuǎn)的圈數(shù)，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)本身的步長(zhǎng)計(jì)算電 機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，寫入程序里進(jìn)行控制，還有一種是利用行程開關(guān)進(jìn)行控制，當(dāng)窗簾走到極限位置時(shí)會(huì)碰 到行程開關(guān)，使行程開關(guān)閉合，這里的行程開

6、關(guān)是接地和使能端的，開關(guān)閉合就是關(guān)閉使能端， 電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，分析比較這兩種方案，認(rèn)為后一種較為簡(jiǎn)便且使居室的嚴(yán)密性得到保證，因?yàn)槭?限于步進(jìn)電機(jī)本身的精確度和丟步失步現(xiàn)象，電機(jī)難免不會(huì)在某一時(shí)刻出現(xiàn)丟步，是窗簾在還沒 完全拉合的狀態(tài)下停止。 行程開關(guān)控制步進(jìn)電機(jī)極限位置停止：天亮?xí)r，光敏傳感器接受到高電平，依程序所設(shè)步進(jìn) 電機(jī)正轉(zhuǎn)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，窗簾以某一速度被慢慢拉開，走到極限位置時(shí)，窗簾碰到右端的行程開 關(guān) SW3，開關(guān)閉合使能端關(guān)閉，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)天暗時(shí)，光敏傳感器輸出低電平，電機(jī)要逆 時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了，窗簾打開，障礙物去除，開關(guān)斷開，使能端打開，電機(jī)反轉(zhuǎn)，同樣電機(jī)反轉(zhuǎn)碰到左 邊的行程開關(guān) S

7、W4 時(shí)，開關(guān)閉合，使能端關(guān)閉，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 24 鑒于上述考慮，我的設(shè)計(jì)電路圖如下所示： 圖 12 L298 控制電機(jī)電路 圖 13 行程開關(guān)電路部分 4 4 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 4 4. .1 1 程程序序流流程程 51 單片機(jī)的開發(fā)除了需要硬件的支持外，同樣離不開軟件。CPU 真正可執(zhí)行的是機(jī)器 碼，用匯編語言或 C 語言等高級(jí)語言編寫的源程序必須轉(zhuǎn)為機(jī)器碼才能被執(zhí)行，轉(zhuǎn)化方法有 25 手動(dòng)匯編和機(jī)器匯編兩種，前者已很少使用， 機(jī)器匯編是通過匯編軟件將源程序轉(zhuǎn)換為機(jī) 器碼的編譯方法。這種匯編軟件稱為編譯器， keil 是目前最流行的 51 單片機(jī)開發(fā)軟件， keil 提供了一個(gè)集成開發(fā)環(huán)

8、境 uVision,它包括編譯器、宏匯編、連接器、庫管理、和一個(gè)功 能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器。這樣，在開發(fā)應(yīng)用軟件的過程中，編輯、編譯、匯編、連接、調(diào)試等 各個(gè)階段都集中在一個(gè)環(huán)境中。先用編譯器編寫程序、接著調(diào)用編譯器進(jìn)行編譯，連接之后 即可直接運(yùn)行。這樣免去了過去先用編譯器進(jìn)行編譯，再退出編輯狀態(tài)進(jìn)行編譯，調(diào)試后又 要調(diào)用編譯器的反復(fù)過程。因此可以縮短開發(fā)周期。 因此我所選用的 軟件開發(fā)平臺(tái)為 Keil 軟件，用 C 語言編寫具體的程序代碼。主控程序 流程圖如圖 14 所示。 開始 數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī) 高電壓？ 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn) 到達(dá)頂部？ 是否 是 到達(dá)底部？ 停止 是 否否 光敏傳感器 ULN3330

9、 圖 14：主控程序流程圖 4 4. .2 2 程程序序設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) #include #define uchar unsigned char 26 #define uint unsigned int uchar code ffw=0 xfc,0 xf6,0 xf3,0 xf9 ; /2 相勵(lì)磁正轉(zhuǎn)表 uchar code rev=0 xf9,0 xf3,0 xf6,0 xfc ; /2 相勵(lì)磁反轉(zhuǎn)表 sbit k1=P30; /定義 K1 開關(guān) uint m=1; void delay(uint x) /延時(shí)函數(shù) uchar i; while(x-) /i=x 即延時(shí)約 x 毫秒 for(i=0

10、;i60;i+); /*以下是步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)函數(shù) */ void setp_motor_ffw(uchar n) uchar i,j; for(i=0;i5*n;i+) /轉(zhuǎn) n 圈 for(j=0;j4;j+) P1=ffwj; /取正轉(zhuǎn)數(shù)據(jù) delay(250); /轉(zhuǎn)一個(gè)角度停留的時(shí)間 ,可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 /*以下是步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)函數(shù) */ void setp_motor_rev(uchar n) uchar i,j; for(i=0;i5*n;i+) /轉(zhuǎn) n 圈 for(j=0;j4;j+) 27 /if(k2=0) break; P1=revj; /取反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù) delay(250); /轉(zhuǎn)一

11、個(gè)角度停留的時(shí)間 ,可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 /* 主程序 */ void main() while(m-)/電機(jī)轉(zhuǎn) m 圈 if(k1=1)/K1 送入高電平 delay(10); if(k1=1) setp_motor_ffw(3);/調(diào)用電機(jī)正轉(zhuǎn)函數(shù) else/K1 送入低電平 delay(10); setp_motor_rev(3); /調(diào)用電機(jī)反轉(zhuǎn)函數(shù) 5.5. 總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì) 隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)生活追求，各式各樣的窗簾出現(xiàn)。窗簾不僅具有遮擋作用 ,還具 有美觀性，給大家?guī)砻赖囊曈X享受。人們對(duì)居室的舒適度和自動(dòng)化程度要求越開越高，為了滿 足生活的需要，通過以往的人為的通過拉動(dòng)使窗簾開與閉則

12、就比較費(fèi)事，也易損壞。因此，設(shè)計(jì) 28 一種能夠控制居室窗簾的檢測(cè)自動(dòng)控制裝置，能夠在夜間關(guān)閉，白天打開，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。 本文設(shè)計(jì)通過光電傳感器采集數(shù)據(jù) (光強(qiáng)度)，反映出光信號(hào)變化，然后將光電元件光數(shù)字 信號(hào)輸送到單片機(jī)中。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等特點(diǎn)，且可測(cè)參數(shù)多，傳感 器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣。該設(shè)計(jì)通過檢測(cè)光線的強(qiáng)弱，并根據(jù)光線的強(qiáng)弱自動(dòng)將窗簾打開 和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制的功能，極大地方便了人們的日常生活，并在生活中得到了廣泛的應(yīng)用。 PROTEL 總電路圖總電路圖&PROTUES 仿真圖仿真圖 圖 15 基于單片機(jī)的室內(nèi)光線自動(dòng)控制系統(tǒng)總體原理圖 上圖是我的設(shè)計(jì)

13、完整原理圖，本文主要光敏傳感器 ULN3330，它是一個(gè)開關(guān)型的光電傳感 器，直接輸出數(shù)字信號(hào)，OUTPUT 端根據(jù)外部光照度的變化輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)-高電平或 低電平，ULN3330 的其他相應(yīng)引腳分別接地或電源，然后把 OUTPUT 端接單片機(jī)的 P3.0 端口。 單片機(jī)本身包括復(fù)位電路和振蕩電路，片內(nèi)振蕩電路：通常外接一個(gè)晶振，兩個(gè)電容， 電 容值取值范圍 1545pf,取值范圍晶振值 024MHZ；復(fù)位電路：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出 現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平使單片機(jī)復(fù)位，一般在此引腳與 VSS 之間接一個(gè)下拉電阻，與 VCC 引腳之間接一個(gè)電容； 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)芯片采用 L29

14、8，通過單片機(jī)的 I/O 輸入改變芯片控制端的電平，改變繞組脈 沖信號(hào)的順序即可對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。L298 的輸入引腳與單片機(jī)的 P1.0P1.3 口分別相連， 29 IN1IN4 引腳從單片機(jī)輸入控制電平，控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，OUT1OUT4 分別接步進(jìn)電機(jī)的 四個(gè)相線，ENA、 ENB 接控制使能端控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)、停。當(dāng) ENA、 ENB 同時(shí)接高電平時(shí) L298 芯片是工作的，即使能端有效，控制 IN1IN4 引腳電平的頻率即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 芯片的輸出引腳分別接 2 個(gè)續(xù)流二極管，起到保護(hù)電路作用。芯片的 VCC 和 VSS 引腳與地必 須連接 100nF 電容器，圖中 0.

15、1F 和 100F 電容并聯(lián)即為 100nf。 對(duì)本自動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還必須滿足用戶想要窗簾停的某一位置停下來的需求，為此設(shè)計(jì)了步進(jìn) 電機(jī)停止開關(guān)，為簡(jiǎn)化程序，更加利用 L298 芯片本身的功能，本文采用了一個(gè)單刀雙擲開關(guān) SW1，開關(guān)一端接使能端 ENA、 ENB，另兩端一段接+5V 的電源，為芯片使能端提供高電平， 另外一端接地，限制使能端的使用，當(dāng)開關(guān)接到地時(shí)，兩個(gè)使能端接地，L298 芯片不再起作用， 電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，由此達(dá)到停止的目的。 行程開關(guān)控制步進(jìn)電機(jī)極限位置停止：天亮?xí)r，光敏傳感器接受到高電平，依程序所設(shè)步進(jìn) 電機(jī)正轉(zhuǎn)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，窗簾以某一速度被慢慢拉開，走到極限位置時(shí)，窗簾碰到

16、右端的行程開 關(guān) SW3，開關(guān)閉合使能端關(guān)閉，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)天暗時(shí)，光敏傳感器輸出低電平，電機(jī)要逆 時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)了，窗簾打開，障礙物去除，開關(guān)斷開，使能端打開，電機(jī)反轉(zhuǎn)，同樣電機(jī)反轉(zhuǎn)碰到左 邊的行程開關(guān) SW4 時(shí)，開關(guān)閉合，使能端關(guān)閉，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 16 基于單片機(jī)的室內(nèi)自動(dòng)光線控制仿真圖 5.2 主要元器件清單：主要元器件清單： 器件名稱器件數(shù)量 AT89C52 微控制器1 片 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L2981 片 30 42BYG 型號(hào)步進(jìn)電機(jī)1 個(gè) 電阻、電容、按鍵、肖特基二極管等若干 表 8 主要元器件清單 6 6結(jié)論結(jié)論 我經(jīng)過將近四個(gè)月的努力，終于完成了基于單片機(jī)的室內(nèi)自動(dòng)光線系統(tǒng)的

17、設(shè)計(jì)，雖然有部分 功能尚未實(shí)現(xiàn)，但總體上完成了一個(gè)從硬件到軟件完整的設(shè)計(jì)的流程。 論文設(shè)計(jì)的核心控制器選用 AT89C52 單片機(jī)，光線采集選用光電傳感器 ULN3330。它輸出 單片機(jī)能讀入數(shù)字信號(hào)，然后由 L298 驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)動(dòng)角度。電機(jī)選用 比較容易進(jìn)行角度調(diào)節(jié)的步進(jìn)電機(jī)，單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)之間的連接采用 L298 驅(qū)動(dòng)器，它是一種 兩相和四相步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片。 該系統(tǒng)經(jīng)過多次改進(jìn)，參考了現(xiàn)在實(shí)際電路通用的做法，在現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)下各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng) 達(dá)到技術(shù)要求，但由于自身水平有限，電路中還有些技術(shù)方面還可以進(jìn)一步加強(qiáng)。如電路可以進(jìn) 一步調(diào)試其精確度和靈敏度，通過多只

18、光敏電阻更加準(zhǔn)確的控制窗簾升降。通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)， 使我進(jìn)一步熟悉 MCS-51 單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的工作原理及應(yīng)用，對(duì)于 C51 程序設(shè)計(jì)的編寫也較 熟練了，鍛煉了獨(dú)立思考與勤快耐心的能力。在設(shè)計(jì)過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué) 交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同 樣巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力 的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充 分體會(huì)到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不不足之處，但是在 設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，將使我終身受益。 7.7. 致謝致謝 在此要感謝我的指導(dǎo)老師顏丙生老師對(duì)我悉心的指導(dǎo)，感謝老師們給我的幫助。顏老師在整 個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中給了我很大的幫助，在論文任務(wù)制定時(shí)，他不僅肯定了我們項(xiàng)目的大方向， 而且又幫我具體分析設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊，這在我對(duì)室內(nèi)自動(dòng)光線控制這個(gè)具體目標(biāo)的設(shè)計(jì)時(shí)起到了 不可估量的作用，受能力限制，在論文提綱制定時(shí)，我的思路不是很清晰，經(jīng)過老師