智能采光窗簾

1、智能采光與室內(nèi)光線調(diào)節(jié)窗簾設(shè)計 吳飛翔 B12040721 摘要隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)快速開展，人們對生活質(zhì)量的要求越來高，他們已由溫飽問題轉(zhuǎn)向?qū)ι羁萍蓟蜁r代化的追求?；谶@一問題我設(shè)計了智能采光窗簾。該設(shè)計通過HT46Ru232為系統(tǒng)的主控芯片，完成各模塊的連接與控制。利用光敏電阻和霍爾傳感器完成檢測光強(qiáng)和角度的控制。采用無線控制模塊實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的無線控制。利用太陽能模塊實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電，實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用。并將相關(guān)信息用12864液晶屏顯示出來以實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)交流。本系統(tǒng)為用戶設(shè)置了3個檔位分別為睡眠檔，學(xué)習(xí)檔和生活檔，用戶可以根據(jù)自己的需求來選擇相應(yīng)的檔位，為用戶提供了理想的采光，彌補(bǔ)了

2、傳統(tǒng)窗簾的缺乏。將太陽能儲存起來進(jìn)行利用，緩解人類能源危機(jī)。本作品適應(yīng)了現(xiàn)代社會的需要，性價比高，易于產(chǎn)品化和市場化。關(guān)鍵詞：盛群單片機(jī) 智能化 環(huán)保 時代化1 前 言隨著社會的快速開展，人們也逐漸步入了快節(jié)奏的生活之中，與此同時，人們對生活的要求也越來越高。為了美化，現(xiàn)在住房的大局部墻壁都采用玻璃材料制作，造成居民家中的光照強(qiáng)度也不斷增強(qiáng)，給居民的日常生活帶來了一些不便。為了解決這些問題，我們自主設(shè)計了這個臥室智能采光窗簾，一方面根據(jù)用戶要求自動調(diào)節(jié)室內(nèi)光照強(qiáng)度，提供理想的采光，為用戶提供舒適的生活環(huán)境；另一方面將采集的太陽光轉(zhuǎn)化為電能存儲在蓄電池之中循環(huán)利用，為本系統(tǒng)電機(jī)供電，同時也可以用

3、來給 等小型移動電器充電。本作品具有功能完善、本錢低廉、使用方便等特點(diǎn)，有很強(qiáng)的實(shí)用性，易于產(chǎn)品化和市場化。并且充分利用太陽能，可以為家庭省去一筆可觀的電費(fèi)，又符合國家可持續(xù)開展的根本國策，具有廣泛的開展前景。2 工作原理及功能2.1工作原理總體描述本系統(tǒng)使用了單片機(jī)、傳感器等技術(shù)，通過HT46Ru232為系統(tǒng)的主控芯片，完成各模塊的連接與控制。系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題是檢測光強(qiáng)和步進(jìn)電機(jī)控制，首先利用光敏電阻感光，通過AD采集數(shù)據(jù)并將其傳送給單片機(jī)，通過單片機(jī)分析后與用戶設(shè)定的光照強(qiáng)度進(jìn)行比較，然后控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動光伏遮光板轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)角度可為180度，以調(diào)節(jié)至適宜的光照。當(dāng)進(jìn)光亮最強(qiáng)時仍無法到達(dá)相

4、應(yīng)的光強(qiáng)值時，停止電機(jī)轉(zhuǎn)動。并利用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度的控制。利用太陽能模塊將投射到太陽能電池板上的光能轉(zhuǎn)化成電能儲存在蓄電池中為本系統(tǒng)和家用電器供電，實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用。本系統(tǒng)設(shè)置了無線控制和溫度檢測以方便用戶，并將以上相關(guān)信息用12864液晶屏顯示出來以實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)交流。2.2 功能總體描述 由于太陽光的強(qiáng)度和太陽的位置每時每刻都在變化，傳統(tǒng)的百葉窗或窗簾雖然可以把陽光擋住，但會造成臥室內(nèi)采光缺乏，造成用戶不便。本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需要，提供強(qiáng)光，中強(qiáng)光和弱光三個檔位。當(dāng)用戶選擇相應(yīng)的檔位后，窗簾會根據(jù)用戶選擇的檔位自動調(diào)節(jié)遮光葉片的角度，調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，并隨著太陽的位置變化和強(qiáng)度變化而

5、變化，使臥室光線滿足用戶要求，并且收集太陽能以電能的形式儲存在蓄電池中循環(huán)利用。2.3 CPU HT46RU232的主要核心功能應(yīng)用智能采光窗簾采用28 SKDIP/SOP封裝的盛群MCU HT46RU232作為主控芯片，HT46RU232是8位高性能精簡指令集單片機(jī)，專門為需要A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)品而設(shè)計，例如傳感器信號輸入，它內(nèi)部提供了8通道12位分辨率A/D轉(zhuǎn)換；2通道4位PWM高頻載波輸出；I2C總線串行接口； 可編程分頻器PFD(Program Frequency D等，應(yīng)用方便。本作品中設(shè)計了一個以HT46RU232為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)板，然后在它根底上進(jìn)行外圍電路的擴(kuò)展。用到了此芯片的

6、如下功能：1) 一路A/D轉(zhuǎn)換的12位分辨率口； 2) 一個I/0作為模擬串口輸入，作為溫度傳感器的輸入口；3) 一個I/0 口作為液晶屏的串行輸出口，用來顯示用戶界面。 4) 使用2個定時器/計數(shù)器TMR0和TMR1，定時器1用來給電機(jī)提供脈沖，定時器0用來 檢測按鍵輸入、刷新液晶屏顯示，檢測霍爾傳感器的位置。5) 假設(shè)干個I/0口作為電機(jī)的控制口，按鍵，無線控制等。3 系統(tǒng)總體設(shè)計3.1系統(tǒng)總體設(shè)計思路根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能要求，采用圖1所示的方案。系統(tǒng)主要包括以HT46RU232為主控MCU為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)作為本作品的中央處理裝置；采用2596做穩(wěn)壓，配以各種保護(hù)電容，和線圈，穩(wěn)定輸出5

7、v恒定電壓，為各電路系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源；太陽能控制器包含充電和放電兩種狀態(tài)，只要輸入端電壓高于電池電壓，自動為電池充電，當(dāng)電池電壓大于7.5V時，停止充電，充電顯示等常亮；當(dāng)接入負(fù)載時，放電指示燈常亮，電池為外圍設(shè)備供電；內(nèi)部安有一個18B20溫度傳感器，測量室內(nèi)溫度。步進(jìn)電機(jī)用L298芯片控制，單片機(jī)為步進(jìn)電機(jī)提供脈沖，調(diào)控脈沖的寬度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速的快慢；光敏電阻接一個上拉電阻，才能正常工作，檢測光強(qiáng)，把值返回給單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的控制；最后把光照強(qiáng)度，室內(nèi)溫度，用戶設(shè)置的當(dāng)位，當(dāng)前控制狀態(tài)的通過12864液晶屏顯示出來，讓用戶可以直觀的使用本系統(tǒng)。3.2 硬件設(shè)計系統(tǒng)方塊本系統(tǒng)主

8、要由HT46RU232為主控MCU為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、外圍傳感器、L298N電機(jī)驅(qū)動電路、12864帶字庫液晶屏、步進(jìn)電機(jī)、太陽能電池板、太陽能控制器、無線控制模塊和主控底板組成。3.2.1 HT46RU232單片機(jī)最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)由HT46RU232單片機(jī)及復(fù)位電路、8M石英晶體振蕩電路構(gòu)成，本設(shè)計中將最小系統(tǒng)與四個按鍵、四個LED指示燈做成一塊中心板，并且將HT46RU232單片機(jī)所有引腳以功能模塊化的結(jié)構(gòu)引出形成引腳擴(kuò)展，并為步進(jìn)電機(jī)、無線模塊、12864液晶屏、光敏電阻模塊、2個霍爾傳感器模塊設(shè)置了專門的外圍插排，使用很方便，對應(yīng)的外圍設(shè)備只需按相應(yīng)的位置放好即可。本設(shè)計

9、巧妙、方便、實(shí)用、可靠。3.2.2 電源模塊對于一個系統(tǒng)來說，穩(wěn)定可靠的電源相當(dāng)于整個系統(tǒng)的心臟。是每個模塊能夠順利工作的前提。所以在這里我們選用8v Li電池供電，使用2596芯片配以電容和線圈對其進(jìn)行穩(wěn)壓，統(tǒng)一變?yōu)?v。5v是各模塊均能正常工作的標(biāo)準(zhǔn)電壓。這樣在對其他模塊供電時不必另外變壓。3.2.3檢測光強(qiáng)和溫度模塊當(dāng)不同的光照強(qiáng)度照到光敏電阻上時，電阻的阻值不同。如當(dāng)光線很弱時，光敏電阻的阻值可能到達(dá)好幾百千歐。當(dāng)光照很強(qiáng)時，光敏電阻的阻值很小，在500歐左右。Vout=R3/(R3+10)。輸出的電壓經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字量進(jìn)行比較。由于HT46RU232自帶了AD轉(zhuǎn)換的功能，無

10、需外加AD轉(zhuǎn)換芯片。圖4 檢測光強(qiáng)模塊3.2.4電機(jī)驅(qū)動模塊假設(shè)要使由光伏遮光板組成的窗簾能夠轉(zhuǎn)動起來，所以在這里我們采用了由L298以及相應(yīng)的支撐電路作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動模塊。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。其根本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-CD,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電

11、，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，那么電機(jī)就反轉(zhuǎn)。(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。圖1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動原理圖3.2.5無線控制模塊 無線模塊采用2262作為發(fā)送端的編碼芯片，接收端利用2272M4系列作為解碼芯片。2272的14腳作為接收頭的輸入端。1013腳為解碼后的輸出端，輸出TTL電平與HT46RU232芯片連接。當(dāng)發(fā)送端共有4個按鍵，分別為A，B，C，D。當(dāng)發(fā)送端有按鍵按下時，接收頭接收到相應(yīng)的無線信號，經(jīng)過解碼，1013腳對應(yīng)的引腳

12、輸出高電平。由于2272M4是非自鎖型的芯片，當(dāng)按鍵松開時，引腳的高電平變?yōu)榈碗娖?。這可樣就可以實(shí)現(xiàn)單個按鍵的重復(fù)操作。圖3 無線接收模塊圖2 無線發(fā)送模塊它的充電過程：只要輸入端的電壓大于電池電壓，控制器自動對電池充電，充電指示燈閃爍；當(dāng)電池充滿后8.4V，充電指示燈一直亮，此時控制器不對電池充電；當(dāng)電池用了一局部電后8.2V，控制器會再次給電池補(bǔ)充電能；當(dāng)輸入端電壓過低6V，充電指示燈不亮，表示沒有對電池充電。它的放電過程：感光點(diǎn)沒有光照時且當(dāng)鋰電池電壓到達(dá)7.0V以上時，半分鐘后，輸出端才能輸出電壓，并一直保持輸出，直到鋰電池電壓到達(dá)最低放電電壓6V，放電指示燈一直亮；當(dāng)鋰電池的電壓低于

13、最低放電電壓6V，放電指示燈滅；輸出端關(guān)閉輸出，保護(hù)蓄電池，直到鋰電池電壓再次到達(dá)7.0V。一旦感光點(diǎn)有光照，輸出端會延遲半分鐘后關(guān)閉輸出，并一直保持關(guān)閉狀態(tài)。3.2.6太陽能控制器太陽能控制器將投射到太陽能電池板上的光能轉(zhuǎn)化成電能儲存在蓄電池中，并為本系統(tǒng)和家用電器供電。它采用了智能電源管理芯片，采用脈沖充電，工作電流比較大，在常溫下，輸出端最大輸出電流8A，充電端最大電流可達(dá)5A，大局部電池的充電電流都是小于5A，可以滿足大局部電池的使用，而自己靜態(tài)功耗極小，電流小于6mA。帶蓄電池反接保護(hù)，如果蓄電池接反了，也不會燒壞它內(nèi)部的芯片。它帶有蓄電池放電保護(hù)功能，當(dāng)蓄電池的電量快用光的時候，控

14、制器會關(guān)閉蓄電池的輸出端，終止對負(fù)載供電，這樣可以保護(hù)蓄電池過放電，能延長蓄電池的使用壽命當(dāng)蓄電池因長時間沒陽光無法充電而嚴(yán)重低壓時，如果電壓低于5V時，一般控制器是無法工作的。但本控制器在超低電壓1V下仍能運(yùn)行，并在有陽光的時候啟動充電功能，對蓄電池進(jìn)行充電，直到充滿為止。這種充電功能是其它的同類中所沒有的。電池類型：可以用于8V以上的任意可充電電池，比方鉛酸蓄電池，鋰電池，鎳氫電池，鎳鎘電池等。充電端最大工作電流：5A蓄電池最大輸出電流：8A最大工作電壓：30V最小工作電壓：5.5V靜態(tài)功耗：小于6mA反向充電保護(hù)：有欠壓保護(hù)：有過充保護(hù)：有過放保護(hù)：有3.3主要的傳感元件介紹3.3.1光

15、敏電阻介紹光敏電阻器是一種對光敏感的元件，它的電阻值能隨著外界光照強(qiáng)弱明暗變化而變化。 光敏電阻器在電路中用字母“R或“RL、“RG表示，圖1-25是其電路圖形符號。 一光敏電阻器的結(jié)構(gòu)、特性及應(yīng)用 1光敏電阻器的結(jié)構(gòu)與特性：光敏電阻器通常由光敏層、玻璃基片或樹脂防潮膜和電極等組成，如圖1-26所示。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感。它在無光照射時，呈高阻狀態(tài)；當(dāng)有光照射時，其電阻值迅速減小。 2光敏電阻器的應(yīng)用：光敏電阻器廣泛應(yīng)用于各種自動控制電路如自動照明燈控制電路、自動報警電路等、家用電器如電視機(jī)中的亮度自動調(diào)節(jié)，照相機(jī)中的自動曝光控制等及各種測量儀器

16、中。 圖1-27是光敏電阻器的應(yīng)用電路。 二光敏電阻器的種類 光敏電阻器可以根據(jù)光敏電阻器的制作材料和光譜特性來分類。 1按光敏電阻器的制作材料分類光敏電阻器按其制作材料的不同可分為多晶光敏電阻器和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘CdS光敏電阻器、硒化鎘(CdSe) 光敏電阻器、硫硫化鉛(PbS) 光敏電阻器、硒化鉛(PbSe) 光敏電阻器、銻化銦(InSb) 光敏電阻器等多種。 3.光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)：當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時，假設(shè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。為實(shí)現(xiàn)能級的躍

17、遷，入射光的能量必須大于光導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，即式中和入射光的頻率和波長。 一種光電導(dǎo)體，存在一個照射光的波長限C，只有波長小于C的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子在能級間的躍遷，從而使光電導(dǎo)體電導(dǎo)率增加。光敏電阻的結(jié)構(gòu)如以下圖。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的外表薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案，結(jié)構(gòu)見以下圖。3.3.2霍爾傳感器的介紹 霍爾傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)制作的半導(dǎo)體磁敏傳感器。半導(dǎo)體磁敏傳感器是指

18、電參數(shù)按一定規(guī)律隨磁性量變化的傳感器，常用的磁敏傳感器有霍爾傳感器和磁敏電阻傳感器。除此之外還有磁敏二極管、磁敏晶體管等。磁敏器件是利用磁場工作的，因此可以通過非接觸方式檢驗(yàn)，這種方式可以保證使用壽命長、可靠性高。利用磁場作為媒介可以檢測很多物理量，例如：位移、振動、力、轉(zhuǎn)速、加速度、流量、電流、電功率等。它不僅可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量，并且不從磁場中獲取能量。在很多情況下，可采用永久磁鐵來產(chǎn)生磁場，不需要附加能量，因此這一類傳感器獲得極為廣泛的應(yīng)用。1. 霍爾效應(yīng) 1879年霍爾發(fā)現(xiàn)，在通有電流的金屬板上加一均強(qiáng)磁場，當(dāng)電流方向與磁場方向垂直時，在與電流和磁場都垂直的金屬板的兩外表間出現(xiàn)電勢差，這

19、個現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，這個電勢差稱為霍爾電動勢，其成因可用帶電粒子在磁場中所受到的洛倫茲力來解釋。如圖3.11所示，將金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，當(dāng)有電流流過薄片時，電子受到洛倫茲力F的作用向一側(cè)偏移，電子向一側(cè)堆積形成電場，該電場對電子又產(chǎn)生電場力。電子積累越多，電場力越大。洛倫茲力的方向可用左手定那么判斷，它與電場力的方向恰好相反。當(dāng)兩個力到達(dá)動態(tài)平衡時，在薄片的AB方向建立穩(wěn)定電場，即霍爾電動勢。鼓勵電流越大，磁場越強(qiáng)，電子受到的洛侖茲力也越大，霍爾電動勢也就越高。其次，薄片的厚度、半導(dǎo)體材料中的電子濃度等因素對霍爾電動勢也有影響。霍爾電動勢mV的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 3.9式中： mV/(mAT)霍爾元件的靈敏度系數(shù)。霍爾電動勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)I或B的方向改變時，霍爾電動勢的方