光感自動窗簾控制系統(tǒng)設計課程設計

1、計算機控制技術課 程 設 計成績評定表設計課題 光感自動窗簾控制系統(tǒng)設計 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)

2、設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了

3、解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日 計算機控制技術 課程設計任務書學生姓名 專業(yè)班級 學號 題 目光感自動窗簾控制系統(tǒng)設計課題性質工程設計課題來源自擬指導教師 主要內容（參數(shù)）利用89c51單片機設計光感自動窗簾控制系統(tǒng)，實現(xiàn)以下功能：1能夠手動控制窗簾的開與關；2能夠設定時間來打開或關閉窗簾；3系統(tǒng)能根據(jù)

4、亮度的不同來控制窗簾打開程度的大??；4用戶能通過鍵盤電路設定開關時間，并及時顯示在數(shù)碼管顯示器上；任務要求（進度）第1天：熟悉課程設計任務及要求，查閱技術資料，確定設計方案。第2天：按照確定的方案設計單元電路。要求畫出單元電路圖，元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù)，各單元電路的設計要有詳細論述。第3天：畫各部分流程圖，進行軟件設計，編寫程序。第4-5天：撰寫課程設計報告。要求內容完整、圖表清晰、語言流暢、格式規(guī)范、方案合理、設計正確。主要參考資料1 楊家成單片機原理與應用及c51程序設計北京：清華大學出版社，20072 夏路易 石宗義protel 99se電路原理圖與電路板設計教程北京：北京希望電子出

5、版社，20043 朱玉璽計算機控制技術北京：電子工業(yè)出版社，20104 鄧興成單片機原理與實踐指導北京：機械工業(yè)出版社，20105 瞿貴榮.電動窗簾紅外遙控電路.家庭電子,20056 閻石.數(shù)字電子技術基礎.北京:高等教育出版社,2009.審查意見系（教研室）主任簽字： 年 月 日 目 錄1 概述41.1 研究背景41.2 設計思想及基本功能42 總體方案設計52.1 方案選取52.2 系統(tǒng)框圖82.3 總體方案設計83 硬件電路設計93.1 電源電路設計93.2 晶振電路103.3 復位電路113.4 時鐘電路123.5 鍵盤電路143.6 顯示電路143.7 a/d轉換電路173.8 光敏

6、傳感器183.9 步進電機204 系統(tǒng)軟件設計224.1 主程序軟件設計224.2 鍵盤程序設計234.3 定時程序設計254.4 步進電機程序設計265總結28參考文獻29附錄 系統(tǒng)原理圖291 概述1.1 研究背景伴隨著信息化時代的到來，人們的生活速度以及對生活質量的追求也在大幅提高。智能化的產品設計在改變人們工作方式與生活習慣的同時，讓人們對生活質量的提升提出了更高的要求，方便、舒適成了人們所追求的生活方式，在現(xiàn)代家庭生活環(huán)境中，居家環(huán)境早已不僅僅局限在物理空間上，人們更為關注的是一個安全、方便、舒適的環(huán)境。智能化的電子產品以及設計將以前的被動靜止物體轉變?yōu)槿藗兡軌蚍奖悴倏氐墓ぞ?，這些產

7、品具有提供全方位的信息交換的功能，不僅能夠優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們合理的安排時間，增強居家環(huán)境的安全性，甚至還可以為各種能源費用節(jié)約資金。在智能化產品中，單片機的應用已經越來越廣泛，單片機以它體積小、質量輕、耗電省、可靠性高、價格低等優(yōu)點，開始不斷發(fā)展，并廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)療設備、航天航空領域、工業(yè)專用設備的管理及過程控制等領域，在很多的大中型的電氣設備以及小型的電子產品中也用到了單片機進行控制。針對人們對智能化的需求以及對舒適生活的追求，窗簾自動控制系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)窗簾的劣勢，它可以根據(jù)外界光照強度的不同而自動開閉窗簾，也可以根據(jù)人們設定的時間來控制窗簾。該系統(tǒng)利用光敏電阻檢

8、測光照強度的變化，并且將光敏檢測模塊的電阻變化轉化為電壓變化，然后將電壓變化的信號送單片機，單片機通過電機驅動模塊控制著步進電機的正反轉實現(xiàn)窗簾的來回移動。本設計正是把利用at89c51 單片機的優(yōu)點以及簡單實用性，順利的完成了對智能控制的要求，并且為智能化的家居設備提供了良好的基礎。此外，對該系統(tǒng)進行擴展，比如可以加上防火，防盜，甚至室內煤氣濃度監(jiān)測等功能，會使該系統(tǒng)更具有實用性，而且也完善了系統(tǒng)。1.2 設計思想及基本功能該系統(tǒng)具有一般的窗簾控制系統(tǒng)的最基本的功能，即通過電動按鈕來開閉窗簾，在此基本功能的前提下，本設計根據(jù)需求還設計了可以根據(jù)光照強度和設定時間自動開閉窗簾的功能，在選取設計

9、方案和采用元器件方面，該系統(tǒng)本著簡單實用經濟的思想，盡量簡化電路設計，用最簡單的電路布線和選用最經濟實用的器件來達到設計要求。光感自動窗簾控制系統(tǒng)具有以下幾個基本功能：（1）手動控制：該功能是根據(jù)用戶的需求通過按鍵進行窗簾的開關，此功能可以使窗簾處于開閉的任何一種狀態(tài)；（2）自動控制：系統(tǒng)可以通過感光器采集室內光照強度，根據(jù)亮度的不同而自動控制窗簾的打開程度；（4）時間控制：此功能是根據(jù)用戶設定的時間在特定的時間點一次性開關窗簾。2 總體方案設計2.1 方案選取 單片機在各種電子產品中的應用已經越來越廣泛，很多的電子產品利用單片機所取得的便利得到了人們的好評，針對單片機控制的自動窗簾控制系統(tǒng)的

10、智能化要求，實現(xiàn)其自動控制的方案有兩種： 方案（一）系統(tǒng)的傳動機構使用直流電機，窗簾只有兩個簡單的狀態(tài)：完全打開和完全關閉； 方案（二）系統(tǒng)的傳動機構使用更精確靈敏的步進電機，使得窗簾從關閉到完全打開之間有6個不同的等級。這二個方案都是基于單片機控制的，光線感應以及數(shù)碼管顯示，不同的設計部分在于傳動機構和窗簾的設計形式的選取上。方案（一）的窗簾由于只有完全開與完全關兩種狀態(tài)，所以窗簾本身設計不需要太復雜，采用普通的卷簾即可。關閉時，電機旋轉全部放下卷簾；打開時，電機將卷簾全部卷起。方案（二）的窗簾從完全關閉到完全打開按打開程度有05共六個等級，窗簾設計成類似百葉窗的形式，通過步進電機可以精確控

11、制每個葉片的旋轉角度，從而控制開關程度的大小。當葉片與窗戶面平行時，窗簾完全關閉；當葉片與窗戶面垂直時，窗簾完全打開。下面圖2.1所示是方案（一）的效果圖；圖2.2是方案（二）的效果圖：圖2.1 方案（一）卷簾效果圖圖2.2 方案（二）百葉窗式效果圖鑒于方案一這種卷簾現(xiàn)在市場上已經發(fā)展很好，沒有太多繼續(xù)研究的價值，并且其窗簾控制過于單一，而且不如方案二的百葉窗式的窗簾美觀。圖2.3所示是百葉窗關閉打開的原理圖，圖2.4是步進電機驅動百葉窗各葉片的物理截面圖，其根據(jù)光照強度的大小有不同程度的打開，能夠更精確的滿足用戶的需求，所以本設計選擇方案二。圖2.3 百葉窗原理圖圖2.4 步進電機與百葉窗葉

12、片連接截面圖2.2 系統(tǒng)框圖方案（二）的系統(tǒng)框圖如圖2.5。圖2.5 系統(tǒng)框圖2.3 總體方案設計自動窗簾控制系統(tǒng)總體方案設計是基于滿足設計要求的前提并且根據(jù)理論上的可實現(xiàn)性和硬件上的經濟實用性，而進行設計的重要環(huán)節(jié)。本章從人們對系統(tǒng)功能需求出發(fā)，在綜合考慮各種因素的情況下，設計出自動控制系統(tǒng)的總體構架，并且在基本功能需求的基礎上盡可能考慮系統(tǒng)的可擴展性。伴隨著科學技術的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，人們對生活舒適性的追求越來越強烈，而窗簾在每個家庭生活是必備的，其基本功能是保護住戶的隱私以及遮蔽陽光等?；谶@些作用窗簾的便利性自然也受到家庭的關注。但傳統(tǒng)的窗簾絕大部分是用手去開關，每天開關不

13、僅不省力，而且還可能錯過最佳光照時間，尤其是大窗簾，比較重，而且長，在開閉時需要費很大力氣才能開關窗簾，特別不方便；針對這種現(xiàn)象，電動窗簾便由此產生?，F(xiàn)有的電動窗簾基本上都可以利用按鍵控制，自動開關閉窗簾，雖然省了力氣，但是有些方面的設計還是不夠人性化。對此，本控制系統(tǒng)提出可以根據(jù)光照以及定時等開關窗簾，具體有以下幾大功能：（1）手動控制狀態(tài)：此功能使自動窗簾控制系統(tǒng)具有手動拉開、關閉的功能，方便用戶控制。（2）亮度自動控制：此功能是根據(jù)室內光照強度的大小，來決定百葉窗每個葉片的旋轉角度從而控制窗簾打開的大小程度。（3）時間自動控制：此功能根據(jù)用戶需要，設定需要開閉窗簾的時間，通過輸入的開啟或

14、關閉時間，控制窗簾開關。光感自動窗簾控制系統(tǒng)設計的總體框圖如圖2.6所示。圖2.6 電動窗簾控制器結構框圖根據(jù)光照來開閉窗簾主要原理是用光敏電阻采集外界的光強度，從光傳感器采集的信號利用信號校正電路放大，濾波后輸入到a/d轉換器，由于a/d轉換器件的轉換需要一定時間，一旦在這段時間內信號發(fā)生變化，轉換結果將會出現(xiàn)偏差，所以在轉換期間要應該采用采樣保持電路。傳入的信號由89c51單片機來控制，并且做出響應，以實現(xiàn)電機的正轉、反轉與停止。顯示模塊是用來顯示自動窗簾控制器的各種狀態(tài)。鍵盤作為輸入設備，通過不同按鍵來控制單片機進行各種運轉狀態(tài)。3 硬件電路設計3.1 電源電路設計單片機正常工作電壓為5

15、v，因此設計的電源電路主要是提供單片機工作電壓。圖3.1是為單片機提供電壓的電源電路。在這個電路中采用了三端集成穩(wěn)壓器lm7805，可以輸出5v的直流電壓以供給單片機。圖3.1 電源電路圖3.2 晶振電路電路中的晶振即石英晶體震蕩器。由于石英晶體震蕩器具有非常好的頻率穩(wěn)定性和抗外界干擾的能力，所以，石英晶體震蕩器是用來產生基準頻率的。通過基準頻率來控制電路中的頻率的準確性。同時，它還可以產生振蕩電流，向單片機發(fā)出時鐘信號。圖3.2是單片機的晶振電路。片內電路與片外器件就構成一個時鐘產生電路，cpu的所有操作均在時鐘脈沖同步下進行。片內振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在1.2mhz24m

16、hz之間選取。c1、c2是反饋電容，其值在20pf100pf之間選取，典型值為30pf。本電路選用的電容為30pf，晶振頻率為12mhz。振蕩周期； 機器周期 指令周期。xtal1接外部晶體的一個引腳，xtal2接外晶體的另一端。在單片機內部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對hmos單片機，該引腳接外部振。在石英晶體的兩個管腳加交變電場時，它將會產生一定頻率的機械變形，而這種機械振動又會產生交變電場，上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應。一般情況下，無論是機械振動的振幅，還是交變電場的振幅都非常小。但是，當交變電場的頻率為某一特定值時，振幅驟然增大，產生共振，稱之為壓電振蕩。這一特

17、定頻率就是石英晶體的固有頻率，也稱諧振頻率。石英晶振起振后要能在xtal2線上輸出一個3v左右的正弦波，以便使mcs-51片內的osc電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。通常，osc的輸出時鐘頻率fosc為0.5mhz-16mhz，典型值為12mhz或者11.0592mhz。電容c1和c2可以幫助起振，典型值為30pf，調節(jié)它們可以達到微調fosc的目的。圖3.2 單片機晶振電路圖3.3 復位電路復位電路的主要功能是使單片機進行初始化，在初始化的過程中需要在復位引腳上加大于2個機器周期的高電平。復位后的單片機地址初始化為0000h，然后繼續(xù)從0000h單元開始執(zhí)行程序。在復位電路中提供復位信號，等

18、到系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，再撤銷復位信號。但是為了在復位按鍵穩(wěn)定的前提下，電源穩(wěn)定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防在按鍵過程中引起的抖動而影響復位。圖3.3所示的 rc 復位電路可以實現(xiàn)上述基本功能。圖3.3 復位電路圖3.4 時鐘電路ds12887芯片和at89c5l單片機的接口電路如圖3.4所示。 圖3.4 時鐘電路圖其中ds12887的模式通過選擇腳mot接地來確定，ds12887的中斷輸出端iqr和89c51的外部中斷int0接口相聯(lián) ，r/w 接口與單片機89c51的rd/wr接口相連；而ds12887的as端口和單片機89c51的aie端直接相聯(lián)。ds12887的sqw端與單片機89

19、c51的to端相連。ds12887的高位地址由端口p27來片選，ds12887的高8位地址設定為7fh，低8位由芯片內部各單元的地址來定。ds12887內部由振蕩電路，分頻電路，周期中斷/方波選擇電路，14字節(jié)時鐘和控制單元，114字節(jié)用戶非易失ram，十進制/二進制累加器，總線接口電路，電源開關寫保護單元和內部鋰電池等部分組成。ds12887引腳分配如圖所示： vcc：直流電源+5v電壓。當5v電壓在正常范圍內時，數(shù)據(jù)可讀寫；當vcc低于4.25v,讀寫被禁止，計時功能仍繼續(xù)；當vcc下降到3v以下時，ram和計時器供電被切換到內部鋰電池。 mot（模式選擇）：mot引腳接到vcc時，選擇m

20、otorola時序，當接到gnd時，選擇intel時序。 sqw（方波信號輸出）：sqw引腳能從實時鐘內部15級分頻器的13個抽頭中選擇一個作為輸出信號，其輸出頻率可通過對寄存器a編程改變。 ad0-ad7（雙向地址/數(shù)據(jù)復用線）：總線接口，可與motorola微機系列和intel微機系列接口。 as（地址選通輸入）：用于實現(xiàn)信號分離，在ad/ale的下降沿把地址鎖入ds12887。 ds（數(shù)據(jù)選通或讀輸入）：ds/rd引腳有兩種操作模式，取決于mot引腳的電平，當使用motorola時序時，ds是一正脈沖，出現(xiàn)在總線周期的后段，稱為數(shù)據(jù)選通；在讀周期，ds指示ds12887驅動雙向總線的時刻

21、；在寫周期，ds的后沿使ds12887鎖存寫數(shù)據(jù)。選擇intel時序時，ds稱作（rd），rd與典型存貯器的允許信號（oe）的定義相同。 r/w（讀/寫輸入）：r/w引腳也有兩種操作模式。選motorola時序時，r/w是低電平信號時，指示當前周期是讀或寫周期，ds為高電平時，r/w高電平指示讀周期，r/w信號一低電平信號，稱為wr。在此模式下，r/w引腳與通用ram的寫允許信號（we）的含義相同。 cs（片選輸入）：在訪問ds12887的總線周期內，片選信號必須保持為低。 irq（中斷申請輸入）：低電平有效，可作微處理的中斷輸入。沒有中斷的條件滿足時，irq處于高阻態(tài)。irq線是漏極開路輸入

22、，要求外接上接電阻。 reset（復位輸出）：當該腳保持低電平時間大于200ms，保證ds12887有效復位。3.5 鍵盤電路 鍵盤在由單片機控制的窗簾自動控制系統(tǒng)中的主要作用是通過按鍵向單片機輸入指令，其中主要包括設定時間，控制窗簾的開關等等功能，是人工控制單片機的主要手段。在窗簾控制系統(tǒng)設計中的鍵盤采用的是44矩陣鍵盤。這16個按鍵分別為：設定鍵主要是用來設定自動窗簾打開或者關閉的時間；0-9數(shù)字鍵，其作用主要是用于設定時間；復位鍵主要應用在程序出錯以及誤操作的時候使單片機復位，從而重新設定；反轉鍵是使步進電機反轉，控制窗簾關閉；正轉鍵是使步進電機正轉，從而控制窗簾打開；停止鍵可以控制步進

23、電機停止工作，窗簾控制器停止運行；確定鍵主要是用于在時間設定完成后的確定輸入。由于按鍵比較多，單獨設置按鍵會增加總體設計的復雜性，而且為了減少所占用的端口，可以將按鍵組成一個矩陣，如圖3.5所示。圖3.5 鍵盤接口電路3.6 顯示電路顯示電路主要是用于顯示時間。采用led數(shù)碼管進行顯示是因為led數(shù)碼管具有以下幾個優(yōu)點：(1)能在低電壓、小電流條件下驅動發(fā)光，能與cmos、itl電路兼容。(2)發(fā)光響應時間極短(.若確認按下20ms，得到有效鍵值等待彈起 2.若不是按下20ms直接結束處理（ret）。 b.若不相同則將標志清零結束處理（ret）。 （2）若不是首次按下：將鍵值暫存起來，標志置位

24、結束處理。如果無鍵值，則判斷是否有鍵值已被確認（1）若有鍵已被確認：判斷按鍵是否首次抬起 a.若首次抬起：判斷抬起延時時間（20ms）是否到達 1.若延時到則將標志處理結束處理。 2.若延時未到直接結束處理（ret）。 b.若非首次抬起：直接結束處理（ret）。（2）若沒有鍵被確認：直接結束處理（ret）。4.3 定時程序設計定時程序的主要作用是在用戶設定的時間后能夠使單片機收到一個中斷信號，從而發(fā)出相應的指令，控制窗簾的開關。時鐘芯片發(fā)出50ms的信號給單片機后，計數(shù)器開始工作，計數(shù)器記到20，則時間即為1秒，秒單元加1，當秒單元計數(shù)到60，分單元加1，此時秒單元清零。當時單元計數(shù)到24，時

25、單元清零。圖4.3是定時程序流程圖。圖4.3 定時程序流程圖4.4 步進電機程序設計步進電機是操控窗簾開閉的主要執(zhí)行器件，其設計主要是按照單片機指令以及按鍵指令進行正轉或者反轉。圖4.4是步進電機程序流程圖。圖4.4 步進電機程序流程圖 步進電機程序設計的主要任務是：（1）判斷旋轉方向；（2）按順序傳送控制脈沖；（3）判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。對于三相單三拍的設計，其控制方式模型如下： 步 序 控 制 位工作狀態(tài)控制模型p.7p.6p.5p.4p.3p.2c相p.1b相p.0a相 100000001a01h 200000010b02h 300000100c04h 總之，只要按一定的順序改變 p1.0p1.2 三位通電的狀況，即可控制步進電機依選定的方向步進。而對于節(jié)拍比較多的控制程序，通常采用循環(huán)程序進行設計。5總結經過一周的資料查找和設計，