感光升降窗簾電氣控制系統設計

孫 偉，包西平，張 斐，陳 里，荊 瑩

（徐州工業職業技術學院，江蘇徐州 221140）

0 引言

高科技、智能化隨處可見，讓生活越來越便捷、舒適。而伴隨著21 世紀人類在智能控制算法和電子技術方面的突破，最初的基于模擬元件的電子家用電器逐漸被智能化家居所取代[1]。現如今許多新裝修的房子會選擇智能窗簾，而現在樓房又是近花園式設計，其中低樓層周圍會有來往人流車流，傳統窗簾收卷方式主要為左右移動式和上卷式，當打開窗戶時，窗戶的一側，比如左右移動式的左側或右側、上卷式的下側均處于暴露位置，來往人流、車流會觀察到室內情況，影響到室內的隱秘性。

另外，現有窗簾無法根據室外光線的強弱自動收卷調節，需要人工經常性操作，比如當太陽剛剛升起時，人工打開窗簾至一定的位置，但當太陽升起時，此時窗簾需要人工再次打開窗簾實現采光的完全，造成人工頻繁操作，因此采光和隱秘無法兼得，為使用者帶來很大苦惱。

本設計就是為了解決以上問題，具體涉及是一種智能的感光升降窗簾，其主要功能是感知窗外的光照強度然后進行判斷窗簾的打開和關閉。此過程不需要人為操作，由智能窗簾內部控制器進行控制。

智能感光升降窗簾其結構簡單，根據光線強弱實現遮光裝置從上到下的收卷，采光效果更好，并且隱秘性更好，適用于家庭、辦公室、賓館等場所使用。

1 智能窗簾總體方案研究與設計

1.1 感光升降窗簾的關鍵技術分析

在本次設計中，主要運用了傳感器技術、單片機技術、步進電機驅動技術等結合來達到讓智能窗簾自動化和智能化。根據室外光強度的狀況自動改變窗簾的開合，為室內帶來充足的光照。而且在未來的發展趨勢中，還能根據室內空氣濕度、溫度以及室外的環境狀況如下雨、起霧、陰天等，進行分析判斷來控制窗簾的各種功能。

1.2 設計的總體方案

主控為51系列單片機，通過硬件、軟件的設計來完成窗簾的控制要求。硬件主要是驅動部分也就是執行元件，選擇的驅動電機是步進電機因此還需要步進電機驅動器來驅動，通過步進電機的選擇來控制窗簾的打開和關閉。還有輸入部分主要有按鍵控制、遠程控制、光敏模塊、限位。使用軟件Keil 5、運用C語言進行軟件的編程來實現控制要求。通過實物調試完成所設計的功能。

圖1 智能窗簾控制裝置連接示意圖

智能窗簾控制裝置連接如圖1 所示，圖中控制器的作用主要是數據的接收、處理、發送；感光裝置是本設計的核心其作用是采集光照強度然后送給控制器進行處理；按鍵裝置和遙控裝置為整個系統的手動控制，采用了固定在窗簾下方位置的按鍵控制，和能夠遠程控制的遙控控制兩種方法相結合可以防止遙控裝置丟失時或沒電時窗簾無法進行手動控制。驅動電機是整個系統的執行裝置通過控制器進行控制主要是電機的正轉和反轉來帶動遮光裝置的升降。限位裝置的作用是保護窗簾防止電機運轉超程。

2 感光升降窗簾的硬件設計

2.1 硬件系統的基本組成

系統的硬件結構如圖2所示。使用的控制器是STC推出的新一代超強干擾/高速/低功耗的單片機STC89C52，控制的對象是步進電機，步進電機通過聯軸器與絲杠連接，來控制窗簾的打開和關閉。

控制方法是通過光敏模塊采集光照強度，判斷是否需要打開或者關閉窗簾，還有紅外遙控器和機械按鍵來控制電機的正轉、反轉、停止以達到窗簾的打開、關閉。

圖2 硬件結構

2.2 核心電路的設計

主要電路的設計包括電源電路和串口下載電路。圖3 所示為電源電路，控制器電源供電為USB 供電接口，供電接口是由連接線和Micro USB 母頭構成，主控芯片需要電源時可以直接使用安卓充電線連接在上位機USB 端口5 V 電壓上為其供電。在總體設計中還添加了供電控制開關、LED 顯示電源等。

圖3 USB供電接口電路圖

圖4所示為USB轉TTL的電路圖，也是串口下載電路。串口下載電路使用的芯片是CH340T轉接芯片進行軟件燒錄的功能實現，CH340T是一個USB總線的轉接芯片，可以實現USB轉串口、USB轉IrDA紅外或者USB轉打印口，CH340T芯片支持5 V 電源電壓或者3.3 V 電源電壓。當輸入外部的3.3 V 電源時與CH340T 芯片相連接的其他電路的工作電壓不能超過3.3 V[2]。本設計采用DC 5 V供電，需要在V3引腳外接容量為4700 PF 的電源退耦電容，VCC 引腳則是需要輸人外部5 V電源。

圖4 USB轉TTL的電路圖

2.3 功能模塊的設計

光敏模塊的選擇，本設計選擇光強度傳感器BH1750FVI[3]為光敏模塊。光強度傳感器BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器；采集范圍：1～65535 lx；最小誤差變動在±20%。其重要參數如表1所示。

表1 重要參數

紅外控制模塊的設計方法是使用紅外遙控器向紅外接收頭發送數據，經過單片機處理后送給執行元件達到控制。紅外發送部分是紅外遙控器，其上有很多的按鍵，設計使用的共有3 個按鍵，分別是開關鍵、←鍵、→鍵，開關鍵是停止、←鍵是打開窗簾、→鍵是關閉窗簾。選擇的紅外接收頭型號為VS1838B，它是一種幾乎能夠接收市面上所有紅外遙控器信號的紅外接收頭，紅外接收頭的3個引腳，3引腳是接VCC、2 引腳接地、1 引腳與單片機的p32 相連接。如圖5 所示。另外，還增加了矩陣按鍵設計進行近距離控制窗簾。

圖5 紅外接收頭電路原理圖

2.4 步進電機驅動模塊的設計

本設計按照需求選用了上海步科自動化有限公司生產的型號為Kinco 3M458 的步進電機驅動器，它是一款細分型[4]高性能步進電機驅動器。步進電機[5]是一種將電脈沖轉化為角位移的執行器。用脈沖來達到角位移，達到控制步進電機的轉速和方法。其工作方式可分為功率式和伺服式，功率式電機輸出轉矩較大，適合使用在大負載場合，伺服式的步進電機輸出轉矩小，只能使用在較小負載場合[6]。

設計采用的是三相六線步進電機3S57Q-04079 驅動模塊作為驅動源，利用絲杠和皮帶進行控制窗戶的拉開與閉合。為增強主控的驅動能力還需加裝步進電機驅動器Kinco 3M458。為了安全還需要在窗簾的兩端按裝限位開關以達到保護作用。

驅動器使用的是共陽接線方式，如圖6 所示。因為是三相六線步進電機，所以接法為綠色電線、黃色電線接W 端口；藍色電線、白色電線接V 端口；紅色電線、銀白色電線接U端口。

圖6 步進電機與驅動器連接方式圖

3 感光升降窗簾的軟件設計

3.1 感光升降窗簾系統的開發環境

本文智能窗簾的開發環境為μVision5[7]，它是美國Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機C 語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（μVision）將這些部分組合在一起，兼容Cortex-M3 內核架構，具有工程管理，源代碼編輯、模擬仿真等功能[8]。

3.2 軟件開發和程序運行流程

程序總流程圖設計如圖7所示

圖7 程序總流程圖

3.3 核心電路軟件設計

圖8 核心電路組成圖

在核心電路中主要介紹的是串口電路，其余電路不需要進行軟件的設計。圖8所示為核心電路組成框圖。串口電路的使用需要上位機必須先安裝所需要的驅動和stc-isp-15xx-v6.86 D 程序燒錄軟件，才能將編譯好的程序通過串口電路寫進STC89C52芯片中。

3.4 外圍功能電路設計

外圍功能電路設計如圖9所示。

圖9 外圍功能電路框圖

3.5 主程序的編寫

主程序編寫如圖10所示。

圖10 主程序截圖

4 結束語

本文研究的重點是智能窗簾的控制部分，機械部分只有少許介紹。通過硬件設計和軟件設計成功地完成感光升降窗簾的控制，能夠實現根據光強度的變化通過控制器進行控制窗簾的打開和關閉，還擁有紅外遠程遙控和按鍵控制兩種控制的方法。

智能窗簾的功能不止這些，還有更多的功能等待著人們的研究與開發，只有深入研究才能發現和設計出更好的東西并制作出來為人們服務，給人們帶來便利、舒適的生活。