基于單片機的智能電動百葉窗設計

李 陽，高 鍵，蘇永剛

（1.江蘇科技大學 江蘇 鎮江212003；2.常州信息職業技術學院 江蘇 常州213164）

基于單片機的智能電動百葉窗設計

李 陽1，高 鍵1，蘇永剛2

（1.江蘇科技大學 江蘇 鎮江212003；2.常州信息職業技術學院 江蘇 常州213164）

隨著社會的進步和人們生活水平的不斷改善，人們對居住舒適度的要求越來越高，其中一項就是對遮陽和通風的需求。百葉窗作為一種普遍的遮陽設施，可通過調整葉片角度來控制室內太陽的熱量，減少系統冷負荷，從而達到節能的目的。本論文主要闡述了以單片機控制技術為核心，系統主要由單片機主控模塊，無線接收模塊，LED數碼管顯示模塊，電機驅動模塊，電源模塊和百葉窗窗體結構組成。其中系統采用了2.4G模塊接受無線數據，并將數據傳送到STC15F2K16S2單片機進行解碼，然后輸出到單片機主控模塊從而達到驅動電機轉動進而對百葉窗進行控制。

伺服電機；直流減速電機；單片機；2.4G模塊；百葉窗；無線遙控

近年來，由于電子技術的發展，使得窗戶的自動開關或者遙控開閉能夠在生活中得到應用，從而使得傳統的住宅窗戶結構正在發生深刻的變化。“電動百葉窗”通過使用電機帶動葉片升降代替傳統百葉簾手拉的傳動方式，具有突破性的創新，使其在操作過程中更加簡便和隨心所欲。由鋁材、木材或PVC等材料制作而成的百葉具有自動翻轉功能，能夠更加精確的調節室內的自然采光程度，根據室內用戶的需要來調節光線的取入，實現最好的視覺舒適度［1］。電動百葉窗可以有效的阻隔紫外線及陽光直射，防止“溫室效應”的產生，因而有利于整個樓宇的保溫隔熱效果，有利于節能［2］。它采用進口220 V交流管狀電機，電機噪音小，旋鈕式行程調試，行程控制精確、可靠等優點。

1 方案的設計

無線的選取：可以采用紅外遙控和2.4G無線遙控。由于紅外［3］的指向性比較強，當用戶使用紅外［4］進行遙控時，需要對準每個百葉窗，使用特別的不方便。2.4G無線遙控［5］發射無線信號不具有指向性，對著房間任意一角度都可以對百葉窗進行遙控，使用更為方便，所以本文采用2.4G無線遙控對百葉窗進行控制［6］。

直流減速電機的選取：由于直流減速電機的體積小，力矩大，價格低廉，只需要控制百葉窗升降，不需要更高級的電機，這樣可以降低生產成本。

伺服電機的選取：伺服電機是控制百葉窗的合閉的。當每按下一次合閉按鈕時，STC15F2K16S2給伺服電機發送一信號，伺服電機轉動一角度即百葉轉動一角度，直到正轉到終點，百葉窗也完全打開［7］。

2 電路設計圖

2.1 主電路的設計

主電路的設計如圖1所示。

電路設計運用了升壓電路、穩壓電路、2.4G模塊、8051單片機［8］（STC15F2K16S2）、伺服電機、直流減速電機、H橋以及運放等。由于電池的電壓不足，使用升壓電路將3V電壓升至5V，給STC單片機供電。穩壓電路將2.4G模塊的電壓穩定在3V。2.4G模塊具有地址編碼功能，將臥室里的各個百葉窗進行編號，方便遙控器對百葉窗進行遙控。SW-DIP4是編碼開關，編碼開關有16種，分別是0000、0001、0010……1111。STC15F2K16S2里面有內置主板AT24C02（2K位串行CMOSE2PROM），可以存儲主板地址。下面的電路是控制百葉的升降，當ENA、ENB分別為高電平、低電平時，直流減速電機正轉即百葉窗上升；當ENA、ENB分別為低電平、高電平時，直流減速電機反轉即百葉窗下降。當ENA、ENB同時是高電平和低電平時，由于三極管的特性，H橋不導通，從而電路不能正常的運行。由于直流減速電機中含有線圈，當有電流通過時，線圈會產生反電動勢，將三極管擊穿，所以在H橋中添加了二極管。伺服電機直接由STC15F2K16S2控制。STC15F2K60S2系列單片機是STC生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機［9］，是高速/高可靠/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，采用STC第八代加密技術，無法解密，指令代碼完全兼容傳統的8051，但速度快8-12倍。內部集成高精度R/C時鐘（±0.3%），±1%溫飄（-40～+85℃），常溫下溫飄±0.6%（-20～+60℃），ISP編程時5～35MHz寬范圍可設置，可徹底省掉外部昂貴的晶振［10］和外部復位電路（內部已集成高可靠復位電路，ISP編程時8級復位門檻電壓可選）。3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D轉換（30萬次/秒），內置2 k字節大容量SRAM，2組超高速異步串行通信端口（UART1/UART2，可在5組管腳之間進行切換，分時復用可作5組串口使用），1組高速同步串行通信端口SPI，針對多串口通信/電機控制/強干擾場合。

圖1 百葉窗的電路設計圖

2.2 遙控器的設計

遙控器的設計如圖2所示。

圖2 遙控器的電路設計圖

發射數據時，首先將NRF24L01［11］配置為發射模式，接著把接收節點地址TX_ADDR和有效數據TX_PLD按照時序由SPI口寫入NRF24L01緩存區，TX_PLD必須在CSN為低時連續寫入，而TX_ADDR在發射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發射數據；若自動應答開啟，那么NRF24L01在發射數據后立即進入接收模式，接收應答信號（自動應答接收地址應該與接收節點地址TX_ADDR一致）。如果收到應答，則認為此次通信成功，TX_DS置高，同時TX_PLD從TX FIFO中清除；若未收到應答，則自動重新發射該數據（自動重發已開啟），若重發次數（ARC）達到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數據保留以便在次重發；MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，產生中斷，通知MCU。最后發射成功時，若CE為低則NRF24L01進入空閑模式1；若發送堆棧中有數據且CE為高，則進入下一次發射；若發送堆棧中無數據且CE為高，則進入空閑模式2。

接收數據時，首先將NRF24L01［12］配置為接收模式，接著延遲130μs進入接收狀態等待數據的到來。當接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數據包存儲在RX？FIFO中，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，產生中斷，通知MCU去取數據。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發射狀態回傳應答信號。最后接收成功時，若CE變低，則NRF24L01進入空閑模式1。

3 流程圖

3.1 遙控器的流程圖

遙控器的流程圖如圖3所示。

Key1表示地址加“1”，Key2表示地址減“1”；key3表示葉片合上，key4表示葉片打開；Key5表示葉片上升，Key6表示葉片下降。其實百葉窗的地址是0000，當按下一個按鈕時，系統會繼續判斷是按下的哪個按鈕，然后NRF24L01發送相應的信號，并且顯示屏上的數據發生相應的變化，重復循環。

3.2 主電路的流程圖

主電路流程圖如圖4所示。

圖3 遙控器的流程圖

圖4 主電路的流程圖

手動按鈕：當按下Key1、Key2、Key3、Key4時STC15 F2K16 S2的25、26、27、28管腳導通，經過處理向ENA、ENB、Pin電路發送信號。Key1、Key2表示百葉的升降。當ENA、ENB分別為1、0時，Q3導通，H橋中Q4、Q2導通，電流經過Q2、直流電機、Q4、R10，返回到地，電機正轉；當ENA、ENB分別為0、1時，Q6導通，H橋中Q1、Q5導通，電流經過Q1、直流電機、Q5、R10，返回到地，電機反轉；當ENA、ENB同時為1、0時，由于是Q1、Q2或者Q4、Q5導通，無法形成回路，電機無法工作。測出R10兩端的電壓，經過跟隨器放大器將電壓放大兩倍與2/3Vcc比較。當V5大于V6輸出1，電流過載，將信號發送給STC15F2K16S2單片機［13］，單片機重新給ENA、ENB發送相同信號，電機停止工作；當V5小于V6，電機正常工作。Key3、Key4表示百葉合閉。按下按鈕，STC15F2K16S2向伺服電機發送脈沖信號，信號周期為20ms。當脈沖信號的高電平時間為1.5ms時，電機進行調零；當脈沖信號的高電平時間為1.3ms時，電機正轉；當脈沖信號的高電平時間為1.7ms時，電機反轉。

無線模式：按下遙控按鈕，STC89C52導通并作出相應的信號發射給NRF24L01［14］，NRF24L01通過無線模式發送到2.4G模塊中［15］，2.4G模塊接收到信號，將信號處理后發送給STC，通過STC控制伺服電機和直流減速電機。

4 結束語

文中介紹的是一種基于NRF24L01的無線收發器的電動百葉窗的轉動，通過無線遙控器對百葉窗進行調控。房間里窗戶很多，所以需要進行編號（即對每一個窗戶進行地址編碼）。由于2.4G模塊具有地址編碼功能，將窗戶進行編號，方便編碼開關進行讀取。通過STC15F2K16S2控制直流減速電機和伺服電機的轉動，從而控制百葉窗的升降與合閉。

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Design of smart electric blinds based on SCM

LIYang1，GAO Jian1，SU Yong-gang2
（1.Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；2.Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China）

With the progress of society and the continuous improvementof living standard，more and more high standard of living com fort is required，for example the demand for shading and ventilation.Shutter，as a kind of common shading facilities indoor，could be controlled by adjusting the blade Angle of the sun's heat，reducing the cooling load of the system to achieve the goal of energy saving.The single-chip computer control technology ismainly expounded as the core，and the system is mainly composed of single chip microcomputer control module，the wireless receiving module，LED digital tube display module，motor drivemodule，powermodule and shutter form structure.In this system a 2.4Gmodule is used to acceptwireless data，and send data to STC15F2K16S2 microcontroller decoding.Then it output to the single-chip microcomputer control module，to drive themotor to rotate thatcontrols the shutter.

servomotor；DC gearmotor；single chipmicrocomputer；2.4Gmodule；shutters；wireless remote control

TN99

A

1674－6236（2016）20-0167-04

2015-11-04 稿件編號：201511041

李 陽（1991—），男，江蘇泰州人，碩士研究生。研究方向：智能控制。