基于單片機(jī)的智能電動(dòng)百葉窗設(shè)計(jì)

李 陽(yáng)，高 鍵，蘇永剛

（1.江蘇科技大學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 常州213164）

基于單片機(jī)的智能電動(dòng)百葉窗設(shè)計(jì)

李 陽(yáng)1，高 鍵1，蘇永剛2

（1.江蘇科技大學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 常州213164）

隨著社會(huì)的進(jìn)步和人們生活水平的不斷改善，人們對(duì)居住舒適度的要求越來(lái)越高，其中一項(xiàng)就是對(duì)遮陽(yáng)和通風(fēng)的需求。百葉窗作為一種普遍的遮陽(yáng)設(shè)施，可通過(guò)調(diào)整葉片角度來(lái)控制室內(nèi)太陽(yáng)的熱量，減少系統(tǒng)冷負(fù)荷，從而達(dá)到節(jié)能的目的。本論文主要闡述了以單片機(jī)控制技術(shù)為核心，系統(tǒng)主要由單片機(jī)主控模塊，無(wú)線(xiàn)接收模塊，LED數(shù)碼管顯示模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電源模塊和百葉窗窗體結(jié)構(gòu)組成。其中系統(tǒng)采用了2.4G模塊接受無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到STC15F2K16S2單片機(jī)進(jìn)行解碼，然后輸出到單片機(jī)主控模塊從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而對(duì)百葉窗進(jìn)行控制。

伺服電機(jī)；直流減速電機(jī)；單片機(jī)；2.4G模塊；百葉窗；無(wú)線(xiàn)遙控

近年來(lái)，由于電子技術(shù)的發(fā)展，使得窗戶(hù)的自動(dòng)開(kāi)關(guān)或者遙控開(kāi)閉能夠在生活中得到應(yīng)用，從而使得傳統(tǒng)的住宅窗戶(hù)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生深刻的變化。“電動(dòng)百葉窗”通過(guò)使用電機(jī)帶動(dòng)葉片升降代替?zhèn)鹘y(tǒng)百葉簾手拉的傳動(dòng)方式，具有突破性的創(chuàng)新，使其在操作過(guò)程中更加簡(jiǎn)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(dòng)翻轉(zhuǎn)功能，能夠更加精確的調(diào)節(jié)室內(nèi)的自然采光程度，根據(jù)室內(nèi)用戶(hù)的需要來(lái)調(diào)節(jié)光線(xiàn)的取入，實(shí)現(xiàn)最好的視覺(jué)舒適度［1］。電動(dòng)百葉窗可以有效的阻隔紫外線(xiàn)及陽(yáng)光直射，防止“溫室效應(yīng)”的產(chǎn)生，因而有利于整個(gè)樓宇的保溫隔熱效果，有利于節(jié)能［2］。它采用進(jìn)口220 V交流管狀電機(jī)，電機(jī)噪音小，旋鈕式行程調(diào)試，行程控制精確、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1 方案的設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)的選取：可以采用紅外遙控和2.4G無(wú)線(xiàn)遙控。由于紅外［3］的指向性比較強(qiáng)，當(dāng)用戶(hù)使用紅外［4］進(jìn)行遙控時(shí)，需要對(duì)準(zhǔn)每個(gè)百葉窗，使用特別的不方便。2.4G無(wú)線(xiàn)遙控［5］發(fā)射無(wú)線(xiàn)信號(hào)不具有指向性，對(duì)著房間任意一角度都可以對(duì)百葉窗進(jìn)行遙控，使用更為方便，所以本文采用2.4G無(wú)線(xiàn)遙控對(duì)百葉窗進(jìn)行控制［6］。

直流減速電機(jī)的選取：由于直流減速電機(jī)的體積小，力矩大，價(jià)格低廉，只需要控制百葉窗升降，不需要更高級(jí)的電機(jī)，這樣可以降低生產(chǎn)成本。

伺服電機(jī)的選取：伺服電機(jī)是控制百葉窗的合閉的。當(dāng)每按下一次合閉按鈕時(shí)，STC15F2K16S2給伺服電機(jī)發(fā)送一信號(hào)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一角度即百葉轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，直到正轉(zhuǎn)到終點(diǎn)，百葉窗也完全打開(kāi)［7］。

2 電路設(shè)計(jì)圖

2.1 主電路的設(shè)計(jì)

主電路的設(shè)計(jì)如圖1所示。

電路設(shè)計(jì)運(yùn)用了升壓電路、穩(wěn)壓電路、2.4G模塊、8051單片機(jī)［8］（STC15F2K16S2）、伺服電機(jī)、直流減速電機(jī)、H橋以及運(yùn)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(jī)供電。穩(wěn)壓電路將2.4G模塊的電壓穩(wěn)定在3V。2.4G模塊具有地址編碼功能，將臥室里的各個(gè)百葉窗進(jìn)行編號(hào)，方便遙控器對(duì)百葉窗進(jìn)行遙控。SW-DIP4是編碼開(kāi)關(guān)，編碼開(kāi)關(guān)有16種，分別是0000、0001、0010……1111。STC15F2K16S2里面有內(nèi)置主板AT24C02（2K位串行CMOSE2PROM），可以存儲(chǔ)主板地址。下面的電路是控制百葉的升降，當(dāng)ENA、ENB分別為高電平、低電平時(shí)，直流減速電機(jī)正轉(zhuǎn)即百葉窗上升；當(dāng)ENA、ENB分別為低電平、高電平時(shí)，直流減速電機(jī)反轉(zhuǎn)即百葉窗下降。當(dāng)ENA、ENB同時(shí)是高電平和低電平時(shí)，由于三極管的特性，H橋不導(dǎo)通，從而電路不能正常的運(yùn)行。由于直流減速電機(jī)中含有線(xiàn)圈，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，將三極管擊穿，所以在H橋中添加了二極管。伺服電機(jī)直接由STC15F2K16S2控制。STC15F2K60S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)［9］，是高速/高可靠/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，采用STC第八代加密技術(shù)，無(wú)法解密，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘（±0.3%），±1%溫飄（-40～+85℃），常溫下溫飄±0.6%（-20～+60℃），ISP編程時(shí)5～35MHz寬范圍可設(shè)置，可徹底省掉外部昂貴的晶振［10］和外部復(fù)位電路（內(nèi)部已集成高可靠復(fù)位電路，ISP編程時(shí)8級(jí)復(fù)位門(mén)檻電壓可選）。3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（30萬(wàn)次/秒），內(nèi)置2 k字節(jié)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(jìn)行切換，分時(shí)復(fù)用可作5組串口使用），1組高速同步串行通信端口SPI，針對(duì)多串口通信/電機(jī)控制/強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

圖1 百葉窗的電路設(shè)計(jì)圖

2.2 遙控器的設(shè)計(jì)

遙控器的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 遙控器的電路設(shè)計(jì)圖

發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將NRF24L01［11］配置為發(fā)射模式，接著把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫(xiě)入NRF24L01緩存區(qū)，TX_PLD必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫(xiě)入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫(xiě)入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù)；若自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，那么NRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)（自動(dòng)應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR一致）。如果收到應(yīng)答，則認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從TX FIFO中清除；若未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)（自動(dòng)重發(fā)已開(kāi)啟），若重發(fā)次數(shù)（ARC）達(dá)到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中數(shù)據(jù)保留以便在次重發(fā)；MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。最后發(fā)射成功時(shí)，若CE為低則NRF24L01進(jìn)入空閑模式1；若發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入下一次發(fā)射；若發(fā)送堆棧中無(wú)數(shù)據(jù)且CE為高，則進(jìn)入空閑模式2。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先將NRF24L01［12］配置為接收模式，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來(lái)。當(dāng)接收方檢測(cè)到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在RX？FIFO中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。最后接收成功時(shí)，若CE變低，則NRF24L01進(jìn)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(kāi)；Key5表示葉片上升，Key6表示葉片下降。其實(shí)百葉窗的地址是0000，當(dāng)按下一個(gè)按鈕時(shí)，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)判斷是按下的哪個(gè)按鈕，然后NRF24L01發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)，并且顯示屏上的數(shù)據(jù)發(fā)生相應(yīng)的變化，重復(fù)循環(huán)。

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(dòng)按鈕：當(dāng)按下Key1、Key2、Key3、Key4時(shí)STC15 F2K16 S2的25、26、27、28管腳導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)處理向ENA、ENB、Pin電路發(fā)送信號(hào)。Key1、Key2表示百葉的升降。當(dāng)ENA、ENB分別為1、0時(shí)，Q3導(dǎo)通，H橋中Q4、Q2導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)Q2、直流電機(jī)、Q4、R10，返回到地，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)ENA、ENB分別為0、1時(shí)，Q6導(dǎo)通，H橋中Q1、Q5導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)Q1、直流電機(jī)、Q5、R10，返回到地，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)ENA、ENB同時(shí)為1、0時(shí)，由于是Q1、Q2或者Q4、Q5導(dǎo)通，無(wú)法形成回路，電機(jī)無(wú)法工作。測(cè)出R10兩端的電壓，經(jīng)過(guò)跟隨器放大器將電壓放大兩倍與2/3Vcc比較。當(dāng)V5大于V6輸出1，電流過(guò)載，將信號(hào)發(fā)送給STC15F2K16S2單片機(jī)［13］，單片機(jī)重新給ENA、ENB發(fā)送相同信號(hào)，電機(jī)停止工作；當(dāng)V5小于V6，電機(jī)正常工作。Key3、Key4表示百葉合閉。按下按鈕，STC15F2K16S2向伺服電機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)，信號(hào)周期為20ms。當(dāng)脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間為1.5ms時(shí)，電機(jī)進(jìn)行調(diào)零；當(dāng)脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間為1.3ms時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間為1.7ms時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

無(wú)線(xiàn)模式：按下遙控按鈕，STC89C52導(dǎo)通并作出相應(yīng)的信號(hào)發(fā)射給NRF24L01［14］，NRF24L01通過(guò)無(wú)線(xiàn)模式發(fā)送到2.4G模塊中［15］，2.4G模塊接收到信號(hào)，將信號(hào)處理后發(fā)送給STC，通過(guò)STC控制伺服電機(jī)和直流減速電機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹的是一種基于NRF24L01的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的電動(dòng)百葉窗的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)遙控器對(duì)百葉窗進(jìn)行調(diào)控。房間里窗戶(hù)很多，所以需要進(jìn)行編號(hào)（即對(duì)每一個(gè)窗戶(hù)進(jìn)行地址編碼）。由于2.4G模塊具有地址編碼功能，將窗戶(hù)進(jìn)行編號(hào)，方便編碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行讀取。通過(guò)STC15F2K16S2控制直流減速電機(jī)和伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(hào)：201511041

李 陽(yáng)（1991—），男，江蘇泰州人，碩士研究生。研究方向：智能控制。