【基于單片機的智能窗簾設計（論文）6700字】

基于單片機的智能窗簾設計目錄TOC\o"1-2"\h\u4601摘要： 14599引言 1251641.系統(tǒng)總體結構設計 2264541.1系統(tǒng)設計分析 23321.2工作原理及思路 3221702.硬件系統(tǒng)設計 4209392.1主控電路 42132.2光強水位采集電路 571862.3光敏檢測電路 5293752.4雨滴檢測模塊 6207972.5顯示電路 6151362.6驅動電路 798722.7紅外遙控電路 8320972.8按鍵控制電路 9123493.系統(tǒng)的軟件設計 10106753.1程序設計 1080403.2系統(tǒng)程序流程圖 1039554.仿真與調試 1296015.結束語 14摘要：隨著科技發(fā)展，同時人們對生活質量的要求不斷提高，智能化、自動化、個性化等，不知不覺逐漸走進了人們的日常生活，智能化的發(fā)展推動了智能窗簾在日常生活中的使用，本設計是以STC89C52單片機為主控芯片[1]，旨在設計一款可檢測雨滴的智能窗簾，首先采用紅外傳感器對光照、外部天氣兩個信號進行采集，同時通過對單片機的控制、步進電機的進一步調節(jié)對整個窗簾系統(tǒng)進行控制，本設計具有手動和自動兩個功能，這兩個功能可以利用按鍵進行實現(xiàn)，也可利用紅外遙控進行操作控制。本設計的顯示系統(tǒng)的利用的是LCD1602液晶顯示屏，通過對上述各部分的操作實現(xiàn)對本次智能窗簾設計系統(tǒng)的研究。關鍵詞：單片機；智能窗簾；LCD1602液晶顯示屏引言目前人們所使用的窗簾多為傳統(tǒng)窗簾，沒有加入智能化的因素，傳統(tǒng)窗簾在使用過程中也難免會有一些不方便，比如人們在天氣比較好時想要打開窗簾給房間通風，但有時因為出門忘記關窗簾，當下雨時就容易讓雨水弄進房間，造成不必要的困擾，為解決這一問題，因此需要一款具有智能化、可以檢測雨滴的窗簾，這樣當人們開著窗簾外出突遇下雨天氣時，該智能窗簾可以自動關閉，本設計在可以使用按鍵控制外，還可以利用遙控進行手動或自動控制，為人們的日常生活提供方便。本次設計主要考慮到現(xiàn)在所使用的傳統(tǒng)窗簾所不便利的開關現(xiàn)狀，而研究的一款具有智能化，可在雨天或者光線較暗的情況下自動關閉的智能窗簾。本次研究的智能窗簾主要特點在于：可以檢測雨滴和光線強弱程度，它操作簡單，具有紅外遙控控制功能，也可以使用按鍵進行開或關。當在自動模式下時，只需要打開本系統(tǒng)的按鍵開關，或者利用紅外遙控進行自動模式選擇，窗簾即可根據(jù)當前環(huán)境，實現(xiàn)自動打開或關閉的功能。同時窗簾在自動模式下，能實現(xiàn)晴雨天氣的識別及自動完成窗簾開關的功能。本設計是為了解決在下雨時，窗簾不能夠及時關閉，從而導致房間進入雨水而被淋濕;或者在光線比較暗的環(huán)境下時，普通窗簾不能及時自動關閉，以至于給人們生活帶來的不必要的麻煩，在本設計中雨滴傳感器或光照強度傳感器可以對當下環(huán)境進行檢測，雨滴傳感器檢測到當前為下雨天時，或光照強度傳感器檢測到當前的光照強度較弱時，窗簾能自動關閉，從而解決人們開關窗不方便的問題。目前人們普遍使用的都是傳統(tǒng)窗簾，而傳統(tǒng)窗簾一般只能實現(xiàn)人們手動開關的功能，這為人們帶來了極大的不便，本設計旨在解決傳統(tǒng)窗簾不可實現(xiàn)雨滴檢測和自動開關功能的問題，本智能窗簾系統(tǒng)可以通過雨滴傳感器進行檢測當下的天氣情況，此次研究的目的是為了達到當雨滴傳感器檢測到當前為下雨天氣時，當窗簾在自動模式下時，窗簾可以實現(xiàn)自動關閉的目的；或者當前光照強度較弱時，窗簾也會實現(xiàn)自動關閉的功能，與此同時，本智能窗簾設計系統(tǒng)也可以利用紅外遙控實現(xiàn)對手動或自動模式的選擇，以及控制窗簾開或關的功能，即通過紅外遙控器對系統(tǒng)進行手動或自動模式的選擇，以使得窗簾根據(jù)所處環(huán)境進行開關運動，本智能窗簾設計系統(tǒng)的實用性價值高，深受人們喜歡。系統(tǒng)總體結構設計1.1系統(tǒng)設計分析本設計主要包括控制模塊、光照強度檢測模塊、按鍵模塊、液滴檢測模塊、驅動模塊和顯示模塊六部分，其中以控制模塊作為核心部分[2]。其系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)設計框圖本設計的控制模塊為STC89C52單片機[3]，此模塊即為本系統(tǒng)設計的核心模塊，在此核心模塊控制下可使整個智能窗簾系統(tǒng)得以控制；本設計的驅動模塊由LN298電機、28BYJ48四相八拍電機兩部分組成，這可以實現(xiàn)對電流的放大，以及對窗簾開關的控制；以獨立按鍵作為本設計的按鍵模塊，實現(xiàn)了對不同功能進行單獨控制的作用；以光照強度傳感器和雨滴傳感器建立了光強檢測和液滴檢測兩個模塊；本設計的顯示模塊是由LCD1602液晶顯示屏構成的，本模塊可以直觀的顯示系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)。1.2工作原理及思路此智能窗簾系統(tǒng)是利用C語言來實現(xiàn)。STC89C52單片機作為硬件系統(tǒng)的主控核心，旨在控制系統(tǒng)中的其他模塊，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行。一開始，進行手動打開電源之后，系統(tǒng)中的每個狀態(tài)都是通過程序設定的自動狀態(tài)來設置的。當雨滴傳感器或光照強度傳感器感受到外面下雨時，或者在當下光線較暗時，傳感器會把當前所檢測到的數(shù)據(jù)傳送給單片機，單片機能夠第一時間對所接收到的數(shù)據(jù)進行一定的分析處理，然后在把相應數(shù)據(jù)傳送出去，從而會實現(xiàn)對窗簾開和關的控制，例如，當此時為雨水天氣時，雨滴傳感器可以接收到外界下雨的信號，從而實現(xiàn)窗簾的關閉；為了實現(xiàn)驅動模塊的功率放大，本設計利用了電機可以實現(xiàn)正反轉的特點，從而利用電機對整個窗簾系統(tǒng)進行開關狀態(tài)的控制；按下按鍵的開關，當選擇在手動模式下工作時，可按下按鍵控制窗簾的開或關；本系統(tǒng)設計中的濕度、光線的強弱程度、窗簾的開關狀態(tài)在顯示模塊中呈現(xiàn)；除此之外，當此時光線強度比較弱時，窗簾也會自動關閉。我們還可以通過遙控對窗簾進行自動或手動模式的選擇，進而實現(xiàn)對窗簾開關的控制。通過主控核心AT89C52單片機，可以實現(xiàn)上述功能，為人們的生活提供便利。硬件系統(tǒng)設計本設計共有以下幾個部分，它們分別是STC89C52單片機、液滴檢查模塊、光強檢測模塊、電機驅動模塊、開關模塊、顯示模塊[4]，其中以STC89C52作為主控核心，本設計的光線強度檢測模塊和雨滴檢測模塊的作用分別是：檢測當前環(huán)境下光線的亮暗程度，以及是否為下雨天氣。用來實現(xiàn)功率放大的電機驅動模塊，可以使電機發(fā)生正反轉[5]，進而帶動窗簾的開與關；按鍵模塊中的開關模塊是在選擇手動模式時，控制窗簾開關狀態(tài)的模塊；濕度、光線強弱程度、窗簾的開與關等狀態(tài)內容是由顯示模塊所呈現(xiàn)。本智能窗簾設計系統(tǒng)的整體電路圖，如圖2所示。圖2系統(tǒng)整體電路圖2.1主控電路本設計通過STC89C52單片機實現(xiàn)對該系統(tǒng)其他各個模塊的控制。STC89C52是一款由CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、可編程并行I/O口、可編程全雙工串行口、振蕩器和時鐘、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器等基本功能部件組成的微控制器[6]。STC89C52工作原理如圖3所示。圖3STC89C52單片機工作原理圖光強水位采集電路本設計主要通過LM393比較器實現(xiàn)對掉電雨滴傳感器或光敏的比較，從而輸出高低電平來進行判斷當前是否下雨和光線是否處于較暗狀態(tài)。該窗簾是否開啟是通過當前的光線強度和是否下雨判斷的，其中LM393工作原理如圖4所示。圖4LM393工作原理圖2.3光敏檢測電路光敏檢測電路分為接收部分和發(fā)射部分。光敏檢測電路作為對當前環(huán)境下光照強度的電路在本設計中發(fā)揮一定的作用。在本設計中利用光敏電阻采集光照量，利用了光敏電阻隨光照增強而阻值降低，反之隨光照強度的減小阻值增加的工作原理，實現(xiàn)了對光線強弱程度的采集，本設計所使用的光敏電阻，其工作原理圖，如圖5所示。在本設計中，光敏電阻是為了實現(xiàn)和光敏電阻的阻值相匹配，在光敏電阻光強與阻值成反比的原理下，經(jīng)圖4LM393比較電路變換后，使輸出電壓成為很小的電壓信號，當在光照強度很小的情況下，經(jīng)過圖4比較電路的變換后，使得輸出信號的電壓接近于電源電壓—3.3V。LM393比較器與輸出后的電壓信號進行比較，如果大于3.3V，則說明光線較弱，此時輸出高電平給單片機。圖5光敏電阻2.4雨滴檢測模塊檢測當前環(huán)境是否下雨，通過雨滴傳感器對水位信息進行采集，然后通過LM393比較器進行判斷。當有雨水低落到傳感器上水位傳感器就會產(chǎn)生液壓，傳感器根據(jù)不同的雨滴覆蓋面積大小產(chǎn)生不同到液壓信號，然后和LM393電壓比較器進行電壓比較；當雨滴傳感器檢測到雨水時，LM393比較器則會輸出較低的電平，此時單片機會判斷是否為下雨天氣。此外，光線采集的工作原理與雨滴檢測的原理是一樣的。本智能窗簾設計系統(tǒng)是對窗簾狀態(tài)的實時采集，當白天光線較亮時，在自動模式下，實現(xiàn)自動開啟的功能，晚上光線較暗時實現(xiàn)自動關閉的功能。其原理圖如圖6所示。圖6雨滴傳感器2.5顯示電路本智能窗簾系統(tǒng)設計選用LCD1602液晶顯示屏作為顯示電路。在設計中選用LCD1602液晶顯示屏的原因是：它是一種能夠顯示兩行每行16個字符的字符型工業(yè)液晶[7]，控制簡單，成本較低。LCD1602液晶顯示屏運用在本設計中主要顯示窗簾當前所選模式，窗簾的開關狀態(tài)信息。LCD1602液晶顯示屏的工作原理圖，如圖7所示。圖7LCD1602液晶顯示電路2.6驅動電路本設計選用的是電壓為5V的四相八拍型電機作為步進電機，其型號是28BYJ48型，其中窗簾的開關是由步進電機的正反轉的變化來進行控制的，電機可以在連續(xù)不斷的脈沖下實現(xiàn)連續(xù)轉動，因為STC89C52單片機的I/O口太小，無法驅動步進電機工作，因而要連接一個LN298電機驅動芯片，實現(xiàn)電流的放大作用。電機驅動芯片的OUT1234端口分別連接步進電機到A+、A-、B+、B-電機驅動LN298連接單片機的P20-P23[8]。步進電機驅動模塊工作原理圖如圖8所示。圖8電機驅動模塊工作原理圖LN298電機驅動芯片，是一種可以驅動兩個直流電機的，電壓高且電流大的雙全橋式驅動器。步進電機的引腳具有以下功能：首先VSS、VS是電源模塊引腳，其次系統(tǒng)的使能端為ENA\ENB，本設計中所需的電源電壓與VSS均為5V，VS接9V電源，使能端在低電平的狀態(tài)下禁止數(shù)據(jù)輸入，ENA輸入低電平會使電機得到控制，ENA輸入高電平時，會在點平一高一低的狀態(tài)下導致電機發(fā)生正反轉變化，由此可知在低電平時電機停止工作，在高電平時會有剎停情況發(fā)生。除此之外，本設計的輸入端分別為：IN1~IN4,輸出端分別為OUT1~OUT4；D1~D8對二極管進行保護，如果電機停止工作的同時伴隨有反響尖端電勢產(chǎn)生，那么這時直流電機便把直流電能轉化為機械能。2.7紅外遙控電路本次設計在可以使用獨立按鍵實現(xiàn)對窗簾開與關的同時，也可使用紅外發(fā)射遙控對窗簾系統(tǒng)進行控制，使本智能窗簾設計系統(tǒng)實現(xiàn)開關功能，其工作原理即當按下紅外遙控器后，會有一段特殊到波長發(fā)出，然后被紅外探頭所接受，接收到的信息會傳給單片機，然后單片機對這些信號進行處理后會發(fā)出指令[9]，從而實現(xiàn)對窗簾系統(tǒng)的控制。其工作原理圖如圖9所示。圖9紅外遙控器工作原理圖本設計中的紅外遙控使用的是紅外發(fā)光二極管，它以紅外光作為載體，將按鍵信息傳送給單片機的設備，紅外光是相對于可見光人眼不可見的光，其波長范圍要大于可見光。紅外遙控分為紅外發(fā)射端和紅外接收端兩部分，其具體工原理如下。2.7.1紅外發(fā)射端本設計所使用的紅外遙控發(fā)射端是由指令鍵、驅動電路、發(fā)射電路、調制電路等及部分構成。當按下指令鍵時會有指令經(jīng)過處理產(chǎn)生所需的指令編碼信號，指令編碼信號首先對載波進行調制，然后再由驅動電路對其功率進行放大，而后由發(fā)射電路進行向外發(fā)射信號，這些信號經(jīng)過一系列調制后得到指令編碼信號。2.7.2紅外接收端在本設計中紅外遙控的紅外接收端由以下幾個電路模塊組成，它們分別是：調制電路、放大電路、指令譯碼電路、驅動電路、接收電路和執(zhí)行電路[10]。如圖10，圖11所示，即為紅外遙控的封裝和原理圖。圖10MYS-1838封裝圖11MYS-1818電路原理圖2.8按鍵控制電路本設計除了可以利用紅外遙控器控制窗簾狀態(tài)選擇和開關功能外，還可以采用按鍵的方式實現(xiàn)模式選擇和開關的功能，利用按鍵實現(xiàn)該設計功能的前提是采用了三個獨立按鍵，在本設計中利用了獨立按鍵直接用I/O口線構成單獨按鍵電路的特點進行按鍵的選擇控制，這可以實現(xiàn)每個不同按鍵按下時所對應的功能的實現(xiàn)，本設計所使用的三個獨立按鍵，其功能和順序依次分別為K1模式選擇開關，K2開狀態(tài)實現(xiàn)開關，K3關狀態(tài)實現(xiàn)開關[11]。獨立按鍵工作原理圖如圖12所示。圖12按鍵工作原理圖系統(tǒng)的軟件設計3.1程序設計本設計以keilC51作為開發(fā)環(huán)境，其中keilC51作為程序設計具有很多的優(yōu)點，keilC51編程的程序可讀性比較好，編寫的程序效率高且容易修改，很多固定程序可以直接使用，除此之外，keilC51還可以移動并植入其他程序。本設計中程序的編寫是利用的之前學過的C語言進行代碼的編寫，程序包括發(fā)送、接收和執(zhí)行三部分。整個系統(tǒng)最核心的部分為系統(tǒng)控制軟件，該部分為本設計所需功能的實現(xiàn)提供了技術性支持。本設計以C語言為程序的編寫提供方便，C語言具有的特點是編譯方式較為簡單，更多的是傾向于低級的存儲器的處理。即使C語言能夠提供許多的低級處理功能，然而C語言還具有保持平臺跳躍的特征，C語言是一種比較常用的運行程序設計語言，為程序的編寫提供了方便。本智能窗簾設計的軟件設計流程主要是依據(jù)當前所處環(huán)境下窗簾所選擇的模式、電機的驅動、以及比較器的比較去判斷窗簾所需狀態(tài)，在紅外遙控模式和按鍵模式下均可選擇自動模式，選用自動模式時可以及時達到窗簾的開與關的目的，以減少在光線較弱時或者下雨時，窗簾不能及時關閉而為人們的生活造成不必要的困擾的問題的發(fā)生。3.2系統(tǒng)程序流程圖首先將LN298步進電機進行初始化、紅外遙控進行初始化操作，讓LM393對雨水和光線強弱程度進行比較，本設計中的LCD1602液晶顯示屏顯示當前環(huán)境下的窗簾狀態(tài)和模式信息，當系統(tǒng)上電后，首先進行紅外遙控模式或按鍵模式的選擇，如選擇紅外遙控模式，當在紅外遙控模式下選擇自動模式時，此時雨滴傳感器和光照強度傳感器會自動捕捉當前所處環(huán)境，如為雨水天氣或者當前處于較暗環(huán)境下時，窗簾會自動關閉。如果選擇按鍵模式，在按鍵模式下也可進行自動或者手動模式的選擇，當在自動模式時，工作原理同紅外模式相同，即當當前光線較暗或者為下雨天時，光照強度傳感器和雨滴傳感器會接收到當前環(huán)境下的信號，然后把信號傳送給單片機，單片機會將信號處理后實現(xiàn)對本智能窗簾的自動關閉。當選擇手動模式時，可自由選擇窗簾的開關狀態(tài)，紅外遙控模式下也可選擇手動開關窗簾的模式選擇。本智能窗簾系統(tǒng)設計的程序流程圖，如圖13所示。圖13系統(tǒng)程序流程圖入口入口初始化LCD1602不檢測寫入數(shù)據(jù)檢測忙信號獲得現(xiàn)實RAM地址延時延時返回否是圖14液晶顯示程序流程圖首先，連接電源打開總開關，LN298驅動步進電機初始化，LM393比較判斷光線及雨水，紅外初始化，從而為系統(tǒng)的工作提供條件。當上述初始化功能完成可以通過顯示屏的顯示，可以通過選擇按鍵或者遙控進行手動或自動的模式選擇，當在手動模式下時我們可以利用開關按鍵或遙控器進行窗簾得分開關狀態(tài)，當選擇自動模式時窗簾會根據(jù)當前光線和雨水狀態(tài)進行窗簾的開關。顯示程序流程圖，如圖14所示。由LCD1602液晶顯示屏作為顯示模塊顯示當前模式與窗簾開關狀態(tài)的信息。本設計需要顯示溫度和濕度兩個狀態(tài)，此兩個狀態(tài)只需要兩行字顯示即可，所以在本設計中利用了LCD1602液晶顯示屏特點，選用其作為顯示電路模塊，本設計中利用LCD1602液晶顯示屏的原因是它的體積小，功耗低，顯示效果好的優(yōu)點可以幫助設計更好的完成。仿真與調試首先按照原理圖進行實物的焊接，在焊接完畢后檢查了各功能部件是否有正常電流通過和電壓存在，檢查電路焊接是否有誤，有無斷路或短路的現(xiàn)象存在，所編寫的程序能否正常運行，檢查電路焊接是否成功，在焊接的過程中是否有漏焊或者漏錫的部分，在檢查完后結合軟硬件進行了仿真及實物的演示操作，在演示過程中出現(xiàn)的程序和硬件問題一一解決。如圖15所示為系統(tǒng)仿真圖。圖15系統(tǒng)仿真圖如圖16所示為