基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能窗簾控制系統(tǒng)

楊 方，莊雄雄

（遵義師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州遵義 563006）

0 引言

現(xiàn)代社會(huì)生活中人們?cè)絹?lái)越追求高質(zhì)量、高品質(zhì)的生活.隨著國(guó)家對(duì)城市建設(shè)力度的不斷加大，城市建設(shè)的步伐越來(lái)越快，一棟棟建筑拔地而起.隨著21 世紀(jì)這個(gè)智能化時(shí)代的發(fā)展，也帶動(dòng)著窗簾業(yè)的發(fā)展，智能窗簾作為窗簾業(yè)中的新興產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展空間是巨大的.

窗簾作為現(xiàn)代家庭生活、辦公大樓、酒店、不可缺少的實(shí)用產(chǎn)品，其制作業(yè)也在快速發(fā)展，基本的窗簾軌道方式分為手拉式和滑輪式，只有在一些高檔辦公室或別墅區(qū)才會(huì)使用電動(dòng)遙控軌道.但其銷售價(jià)格相當(dāng)昂貴，不能全面普及到人們的日常生活中.而本設(shè)計(jì)使用了單片機(jī)最小系統(tǒng)，在制造上價(jià)格是低廉的，而且具有使用、安裝方便和外形美觀等優(yōu)越特點(diǎn)，完全能夠普及到普通家庭.

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 研究目標(biāo)

本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為控制處理器的窗簾控制系統(tǒng).首先由紅外線遙控器遠(yuǎn)程控制步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)對(duì)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)完成對(duì)窗簾控制；其次在設(shè)計(jì)中加入光敏電阻，通過(guò)光敏電阻對(duì)外界光照強(qiáng)弱的感應(yīng)形成有用信息發(fā)送給控制中心，由單片機(jī)控制中心對(duì)信息處理，做出相應(yīng)的反應(yīng).最終通過(guò)這個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)家用窗簾的現(xiàn)代化和智能化.

1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)

本設(shè)計(jì)是讓窗簾系統(tǒng)分為兩種工作模式：第一種為自動(dòng)模式，主要通過(guò)設(shè)定開關(guān)時(shí)間控制窗簾和光控傳感器模塊感應(yīng)光強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)窗簾的開關(guān)；第二種為手動(dòng)模式，通過(guò)紅外接收發(fā)送模塊和外部按鍵電路來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的控制，同時(shí)顯示屏能正常地顯示日期及時(shí)間.

2 模塊制作

在設(shè)計(jì)中，對(duì)于硬件主要設(shè)計(jì)四個(gè)模塊和蜂鳴器報(bào)警電路、光感應(yīng)電路、獨(dú)立按鍵電路，四個(gè)模塊分別是單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、顯示模塊和控制模塊[1].其工作原理是手動(dòng)控制紅外線遙控裝置產(chǎn)生信號(hào)，光敏電阻感應(yīng)外界光強(qiáng)產(chǎn)生信號(hào)，單片機(jī)接收信號(hào)并處理信號(hào)，單片機(jī)發(fā)出指令作用于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)手動(dòng)按壓四個(gè)獨(dú)立按鍵，則LCD1602液晶顯示器顯示主要的信息，同時(shí)也能改變對(duì)窗簾控制的模式.通過(guò)上述設(shè)計(jì)最終來(lái)完成整個(gè)設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能.模塊原理流程框圖如圖1所示.

圖1 原理流程框圖

2.1 單片機(jī)模塊

在設(shè)計(jì)中采用STC 89C52RC 型號(hào)單片機(jī)，覆銅板腐蝕的PCB 板、發(fā)光二極管、電阻、微動(dòng)按鍵開關(guān)6 mm×6 mm×5 mm、DC005 型5.5×2.5 頭長(zhǎng)13 mm 電源插頭、晶體振蕩器12 Hz，來(lái)制作整個(gè)單片機(jī)模塊.

在設(shè)計(jì)中采用STC 89C52RC作為控制系統(tǒng)中心，因?yàn)镾TC 89C52RC 不僅具有其他單片機(jī)具備的功能，而且有功耗低、高速、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能提供兩種模式的時(shí)鐘/機(jī)器周期，分別是6 個(gè)和12個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，同時(shí)它共有3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，定時(shí)器T0、定時(shí)器T1、定時(shí)器T2，并且其價(jià)格低廉，符合設(shè)計(jì)的需求.

2.1.1 模塊的設(shè)計(jì)

整個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，把STC 89C52RC 單片機(jī)焊接在覆銅板的正中心，振蕩電路焊接在單片機(jī)旁邊，連接單片機(jī)的XTA 1 和XTA 2 端口[2]，復(fù)位電路設(shè)計(jì)在電路板的右下側(cè)，這樣的排版使電路板能得到充分的利用，使的電路看上去更加的清晰[3].單片機(jī)模塊的電路設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示.

圖2 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)圖

2.1.2 單片機(jī)模塊的功能

單片機(jī)模塊作為窗簾控制系統(tǒng)的控制中心，其主要功能是控制設(shè)計(jì)中的其他功能模塊，同時(shí)設(shè)計(jì)中的復(fù)位電路用于使整個(gè)系統(tǒng)回到初始狀態(tài).單片機(jī)接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)轉(zhuǎn)換成有用電信號(hào)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)紅外線遙控、光感智能化控制，最終使產(chǎn)品成型以用于實(shí)際生活中.

2.2 步進(jìn)電機(jī)模塊設(shè)計(jì)

我們采用28BY-J48 步進(jìn)電機(jī)和基于ULN200 3APG 的驅(qū)動(dòng)電路，來(lái)完成整個(gè)模塊的制作.在整個(gè)步進(jìn)電機(jī)模塊中，單片機(jī)發(fā)出電信號(hào)經(jīng)過(guò)基于ULN2003APG 的驅(qū)動(dòng)電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的控制，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)與窗簾相連接的傳送帶，從而實(shí)現(xiàn)窗簾的移動(dòng),完成窗簾自由的開關(guān).

2.2.1 28BY-J48 的選用

采用28BY-J48型號(hào)的電機(jī)是因?yàn)槠湓陬~定工作電壓(5～12 V)之間具有較寬的選擇面，我們選取5 V 的工作電壓，其重量輕大約只有40 g，在絕緣等級(jí)、絕緣介電強(qiáng)度等方面都具有很好的特性.電機(jī)在高溫下依然能正常地轉(zhuǎn)動(dòng)，具有急速停止和瞬間啟動(dòng)功能，在低速時(shí)能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，但速度在超過(guò)某一特定速度后就無(wú)法正常轉(zhuǎn)動(dòng)，并且發(fā)出嘯叫聲.電機(jī)的正反轉(zhuǎn)我們可以通過(guò)改變脈沖信號(hào)的順序來(lái)實(shí)現(xiàn)，電機(jī)的運(yùn)行方式為四相四拍，能滿足設(shè)計(jì)的需求.[4]

2.2.2 驅(qū)動(dòng)電路制作

驅(qū)動(dòng)電路采用ULN2003AP、LED、電阻、電容、電源接口、導(dǎo)線若干制作而成，設(shè)計(jì)中把驅(qū)動(dòng)電路放在整體電路板的右上側(cè)，在電路中采用四個(gè)保護(hù)電阻保護(hù)整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，四個(gè)LED 燈作為指示燈，指示步進(jìn)電機(jī)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)；在驅(qū)動(dòng)電路中，單片機(jī)P20—P23 端口連接ULN2003A 的IN4—IN1，OUT（1—4）四個(gè)端口連接LED燈，整體電路在設(shè)計(jì)上以簡(jiǎn)潔為主.[5]

2.2.3 驅(qū)動(dòng)電路原理

選用ULN2003AP 驅(qū)動(dòng)電機(jī)，是因?yàn)閁LN2003 AP 的工作電壓和工作電流大，灌電流可達(dá)500 mA,使得驅(qū)動(dòng)電路不會(huì)輕易損壞，這既利于我們的設(shè)計(jì)研究，同時(shí)也能降低我們?cè)O(shè)計(jì)成本.驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示.

圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.3 控制模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中具有的無(wú)線遙控功能，在這里我們選取制作好的紅外線裝置，接收頭為HX1838 型，用NEC編碼和紅外杜邦線，來(lái)實(shí)現(xiàn)其無(wú)線遙控功能.

2.3.1 紅外線裝置特性

因?yàn)榧t外線裝置采用的是制作好的，其主要由發(fā)射端和接收端組成.此紅外線裝置運(yùn)用專用的集成電路芯片進(jìn)行專業(yè)的編碼和解碼，其發(fā)射端由矩陣鍵盤、LED 紅外發(fā)送器、編碼調(diào)制組成，接收端由光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)和解碼電路組成，選用其紅外線裝置是因?yàn)槠涫褂脧V泛，具有體積小、功耗低、強(qiáng)功能、價(jià)格低廉等優(yōu)越特點(diǎn)[6].

接收頭HX1838接收距離達(dá)22 m，接收角度正負(fù)45°，工作頻率是38 Khz，設(shè)計(jì)小巧，抗電磁能力強(qiáng)，靈敏度高，穩(wěn)定性好，并且低電平有效，抗干擾能力強(qiáng)，在強(qiáng)光下能正常工作.[7]

2.3.2 電路的原理設(shè)計(jì)

在遙控模塊設(shè)計(jì)中，由紅外線裝置器產(chǎn)生信號(hào)并發(fā)送信號(hào)，HX1838 接收頭接收信號(hào)并發(fā)送給單片機(jī)處理中心，經(jīng)過(guò)信號(hào)的處理單片機(jī)做出相應(yīng)有用信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成最終無(wú)線遙控開關(guān)窗簾設(shè)計(jì).紅外線連接原理如圖4所示.

圖4 紅外線連接原理圖

2.3.3 控制模塊功能

在本設(shè)計(jì)中，紅外線遙控功能用來(lái)控制窗簾的開與關(guān)，方便人們的使用，增加了實(shí)用性.

2.4 顯示模塊制作

在設(shè)計(jì)中顯示模塊，采用LCD1602顯示屏，時(shí)鐘芯片SD1302，微動(dòng)按鍵開關(guān)6 mm×6 mm×5mm，電烙鐵、松香、焊錫絲、鐵絲若干等完成模塊的制作.

2.4.1 DS1302和LCD1602的選用

在此次設(shè)計(jì)中，選用LCD1602 液晶顯示屏幕，因?yàn)槠湓陲@示數(shù)字和字符上具有優(yōu)越性，其帶有的背光模式能在黑暗中便于觀察，其5 V 工作電壓和2.0 mA 的工作電流符合我們的設(shè)計(jì)要求.

選用5 V 的工作電壓的DS1302 型號(hào)時(shí)鐘芯片，使其與單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的串口連接通信，能提供秒、分、時(shí)、日、日期、月、年的信息，并且每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整.[8]

2.4.2 電路的連接

在顯示模塊設(shè)計(jì)中，單片機(jī)的P10—P12 連接的LCD1602，時(shí)鐘芯片I/O 口與P26 口連接，RST與P27 口連接[9]，設(shè)計(jì)中把顯示器放于單片機(jī)左側(cè)，把時(shí)鐘電路放于顯示模塊左側(cè).這樣我們?cè)陔娐泛附訒r(shí)能清晰地分辨每一條電路，同時(shí)使整個(gè)設(shè)計(jì)電路看起來(lái)更加的清晰，可合理的安排電路的位置以節(jié)約電路板的占用面積，使整個(gè)設(shè)計(jì)更具有廉價(jià)性.顯示屏與時(shí)鐘芯片連接原理如圖5所示.

圖5 顯示屏與時(shí)鐘芯片原理圖

在電路中我們加入四個(gè)獨(dú)立按鍵，這四個(gè)按鍵主要用于顯示屏?xí)r間的調(diào)整和改變控制模塊是手動(dòng)模式還是智能化自動(dòng)模式.獨(dú)立按鍵連接如圖6所示.

圖6 獨(dú)立按鍵連接圖

2.4.3 顯示模塊的功能

顯示模塊的制作主要用于顯示當(dāng)天的日期、溫度、天氣情況，以便于人們?cè)陔x開家時(shí)選擇是否要打開窗簾.

2.4.4 蜂鳴器

蜂鳴器電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的報(bào)警電路，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)發(fā)生故障沒(méi)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出警示鳴叫聲，單片機(jī)P24口連接蜂鳴器電路[10].蜂鳴器原理如圖7所示.

圖7 蜂鳴器原理圖

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)電路分析和實(shí)踐研究，硬件之間電路的焊接，光敏傳感器的光強(qiáng)參數(shù)的邏輯電平的比較與調(diào)節(jié)，紅外遙控程序、定時(shí)程序的調(diào)試等等，還有許多需要進(jìn)一步研究，優(yōu)化其性能.如沒(méi)有解決限位開關(guān)對(duì)窗簾的強(qiáng)制停止功能等問(wèn)題.