一種基于STC89C51的光控窗簾系統設計

萬 飛，楊延寧，李小敏，馬玉昆，曹新亮

（延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安716000）

一種基于STC89C51的光控窗簾系統設計

萬 飛，楊延寧，李小敏，馬玉昆，曹新亮

（延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安716000）

為了實現窗簾的自動啟閉，方便人們的日常生活，采用光敏電阻為信號采集元件，單片機STC89C51為主控模塊，將采集元件獲得的光信號經STC89C51處理后，通過ULN2003芯片驅動步進電機來實現窗簾的自動啟閉。給出了系統的原理圖，搭建了電路，樣機測試結果表明，基于STC89C51的光控窗簾系統操作簡便、系統運行穩定，可廣泛應用在家居、賓館、醫院以及智能農業、工業生產等領域。

STC89C51；窗簾；自動控制；光敏電阻

隨著電子計算機技術的蓬勃發展，引領了更高層次的自動控制技術在生產、生活、管理、軍事等不同領域的應用，把自控技術運用于家居生活中，會使生活更加人性化，便捷化，智能化；電動窗簾就是一種典型應用。作為家居必備，電動窗簾在歐美國家已經屢見不鮮。十多年以前，電動窗簾就進入了我國市場，但是由于成本較高、功能不完善而未能普及。所以我們設計了一種具有自動和手動控制的電動窗簾系統，利用單片機控制運行，光敏電阻采集光照信號，控制功能齊全，具有手動自動兩種模式，切換方便，成本低廉，使得窗戶能夠靈活啟閉，極大的方便了人們的生活。

1 方案設計

系統以STC89C51單片機為控制器件，通過光電傳感器采集光照強度，使用電壓比較器比較后輸出單片機可讀的數字信號[1]，然后由符合TTL標準的步進電機驅動芯片ULN2003驅動5 V步進電機轉動控制步進電機的轉動方向及步數，根據光線的變化自動調整窗簾的啟閉。本設計在光線充足時窗簾自動打開，光線變暗時窗簾自動關閉，不僅使用方便，而且節能環保[2]。其工作原理如圖1所示。

2 硬件設計

本設計硬件部分包括光信號采集模塊、主控模塊、按鍵模塊、指示燈模塊和執行模塊。

圖1 系統原理框圖

2.1 光信號采集模塊

完成光控自動窗簾系統的設計，光照采集部分是必不可少的模塊。通常所說的采集光照，是指采集光照強度，即照度[3]。被光線照射在表面上的照度定義為照射在單位面積上的光通量。其工作原理是將光照強度值轉換為電壓值。市場上的光電傳感器琳瑯滿目，如光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管等。本次光控窗簾的設計采用的是光敏電阻，它是一個純粹的電阻器件。無光照時，電阻可達10 kΩ，有光照的情況下，電阻為0．3 kΩ。受外界干擾影響較小[4]。本系統光信號采集電路圖如圖2所示。

圖2 光信號采集電路圖

2.2 單片機信號處理模塊

系統的設計選用了宏晶公司的STC89C51單片機作為主控芯片。STC89C51共有40個引腳，其中引腳20接地，引腳40接電源[5]。系統的設計主控模塊與其余各模塊電路相連接，是構成整個電路系統的關鍵。為了使用方便，引腳1～3接按鍵，引腳36～39接發光二極管，引腳21～24接步進電機驅動電路，引腳17則是連接光照強度測量電路，而引腳9和引腳18、19分別連接復位電路與晶振電路，組成單片機最小系統[6]。

2.3 鍵盤按鍵模塊

系統設計有3路獨立的輸入按鍵，按鍵直接接入到單片機的 P1．0、P1．1、P1．2 口。1 號按鍵作為自動與手動模式切換按鍵，切換為自動模式時，系統可根據光敏電阻檢測到的光強來控制開關窗簾；而切換到手動模式時，引腳2和3連接的按鍵則發揮其作用，分別控制其手動窗簾的開關。

2.4 指示燈模塊設計

系統指示燈模塊設計中，發光二極管LED作為指示器件，用燈的點亮和熄滅或是色彩的轉變來說明系統的某個模塊的工作狀況。在該系統指示燈模塊設計中，考慮到電壓過大，所以每個燈都接電阻分壓，四個指示燈分別說明窗簾關閉、窗簾打開、手動模式、自動模式的4種狀態。按鍵每次按下，則對應相應的燈點亮或熄滅，來起到指示系統工作狀況的作用。其中，燈1、3同時點亮，則說明窗簾自動打開；燈1、4同時點亮，則說明窗簾自動關閉；燈2、3同時點亮，則說明窗簾手動打開；燈2、4同時點亮，則說明窗簾手動關閉[7]。

2.5 執行單元模塊

執行單元模塊中，使用永磁式步進電機24BYJ-48-5 V，它的驅動方式是四相八拍式的，所以使用特別方便。它不僅具有齒輪減速、噪音特別低、運行也相對平穩，給一個5 V的電壓就可以驅動步進電機持續轉動下去，有利于單片機的開發和進一步使用。圖中ULN是可以驅動繼電器的集成達林頓管[8]。總體硬件電路圖如3所示。

3 軟件設計

本次編程選用keil作為開發環境，用C語言執行軟件編程[9]。在本設計中，啟動單片機，將光電傳感器初始化，光電傳感器將光信號轉換為電信號被單片機所識別，電信號的強度轉換為相應的電壓值，程序通過所測得電壓值的范圍來判斷電機的正反轉，電機啟動后，單片機設定適合的電機轉動時間，使得窗簾在剛好全部打開或關閉的時候電機自動關閉，從而達到窗簾的自動啟閉[10]。主控程序流程圖如圖4所示。

4 焊接與調試

圖3 總體硬件電路圖

圖4 主控程序流程圖

電路的調試過程包括軟件調試和硬件調試。軟件調試中將編輯好的程序輸入到Keil程序編譯器中，通過對程序編譯、運行，檢查程序是否有編輯錯誤[11]。若存在問題，可根據編譯運行結果的提示進行修改，排除錯誤。再將編譯運行好的程序燒入單片機中。打開系統開關，觸動按鍵，逐一檢查程序流程是否和預設方案一樣，若仍存在問題，可依據實際情況對程序進行相應修改，直至程序完全符合預設方案為止。硬件調試與軟件調試相比則較為簡單，用到的是萬用表和5 V的穩壓電源。電路焊接完成后，接上5 V電源，打開電路總開關，用萬用表的紅黑表筆分別測試電源接地、電源部分、單片機模塊以及ULN2003驅動模塊的電壓。經過焊接與調試，基于單片機的光控自動窗簾系統就全部完成。窗簾模型可分為兩部分，一部分是光信號采集模塊，另外一部分將主控模塊、按鍵模塊、指示燈模塊和執行單元模塊集成在同一面板上。電路連接完成后，電源部分接上5 V電壓，按下總開關后指示燈亮起，表明通電正常。在白天光照下，總開關按下，自動模式啟動，窗簾拉下，指示燈亮起；無光照情況下，自動模式啟動，窗簾拉起，指示燈熄滅，關閉指示燈亮起。切換為手動模式時，按手動自動切換鍵。需要窗簾拉起時，長按手動打開按鍵；需要窗簾拉下時，長按手動關閉按鍵；兩個過程都有對應的指示燈指示[12-14]。

5 結束語

智能光控窗簾系統選用STC89C51單片機，光線采集采用光電傳感器光敏電阻，它輸出單片機可以讀取的數字信號[15]，然后通過主開關和按鈕控制，采用ULN2003驅動芯片驅動步進電機轉動，調節其轉動角度，拉動窗簾。系統的按鍵控制部分有3個按鍵，一個是手動與自動互相轉換鍵，另外兩個則控制手動開關的閉合，滿足室內對光線的不同需求，使用起來比較方便。而電機選擇相對比較容易調整角度的5 V步進電機，ULN2003驅動模塊采用單片機與步進電機連接，它是一種四相八拍步進電機驅動芯片[16]。該系統經過多次改進，參考了實際電路通用的做法，在現有技術下各項指標已經達到預設要求。該電路的精確度和靈敏度可以進一步改善，可通過多個光敏電阻器從而增加光強信息的采集能力。智能光控窗簾系統的設計，不僅能應用在智能家居、酒店、醫院等地，而且在大棚蔬菜等領域，也會有廣泛的作用。

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The design of a light curtain system based on STC89C51

WAN Fei，YANG Yan-ning，LI Xiao-min，MA Yu-kun，CAO Xin-liang
（College of Physics and Electronic Information，Yan'an University，Yan'an 716000，China）

In order to realize the automatic opening and closing of the curtain and facilitate people's daily life，the photosensitive resistance is used as a light signal acquisition element，and STC89C51 is used as the main control module，after the optical signal acquired by the acquisition element is processed by STC89C51，the automatic opening and closing of the curtain can be realized by using the ULN2003 chip to drive the stepper motor.Moreover，the principle diagram of the system is given and the circuit is built respectively，the test results show that light curtain system based on STC89C51 has the advantages of simple operation，high reliability，and it can be widely used in home，hotel，hospital and intelligent agriculture，industrial production and other fields.

STC89C51； curtain； automatic control； photosensitive resistance

TN98

A

1674－6236（2017）17-0081-04

2016-10-16稿件編號：201610073

陜西省工業科技攻關項目（2016GY-138）；陜西省高水平大學建設專項資金(2015SXTS02)；延安大學引導項目（YD2016-02）；2016年陜西省大學生創新創業訓練計劃項目（1559，1569）

萬 飛（1993—），男，云南曲靖人。研究方向：通信技術。