一種基于單片機控制的智能電動窗簾系統的設計

郝建峰 任國鳳

摘要：為了給人們提供舒適便捷的生活，文章采用AT89C51 為核心器件設計了智能電動窗簾系統，該系統的硬件部分利用光敏傳感器采集信號輸入到單片機，由單片機分析信號實現對電機驅動電路的控制;軟件部分采用C語言進行編程，與硬件部分共同完成窗簾拉合的目標。另外，根據用戶生活習慣、天氣情況等因素，文章設計了選控開關，用戶可任意選擇光控或手控方式實現對窗簾驅動電路的控制。

關鍵詞：智能窗簾;電機;單片機

中圖分類號：TN710.1? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）17-0117-03

智能窗簾控制系統在家居、大型會議室等領域得到了廣泛的應用，滿足了人們對窗簾系統的各種需求，有效地克服了傳統手拉式或滑輪式窗簾的缺點，為人們提供了更加舒適、方便、快捷的生活環境，提高了人類的生活水平。通過光線亮暗采集來控制窗簾的開合，早上拉開窗簾，同時起到提醒用戶起床的作用，給人們營造溫馨舒適的生活環境。同時根據業主的特定要求增加了手動鍵控功能，可以通過按鍵的狀態實現窗簾的拉開與關閉[1-2]。

1 系統硬件設計

1.1 系統整體結構圖

1.2 控制單元

主控制器原理圖如圖2所示。

用軟件控制單片機引腳的高低電平，利用P0端口控制MOS管H橋實現電機的正、反轉;當主控制器的P0-6端口和P0-7端口分別輸出高、低電平時，電機正向旋轉，窗簾開啟;當主控制器的P0-6端、P0-7端口輸出分別為低、高電平時，電機反向旋轉，窗簾閉合;當主控制器的P0-6端、P0-7端均輸出高電平時，電機停止運轉，窗簾維持原態[3]。

晶振為11.0592M，P0-6和P0-7為高低電平輸出端口;P2-2、P2-3是光敏模塊的外接按鍵控制端，P2-2是光敏電阻傳感器模塊電壓輸入端。

1.3 光敏電阻傳感器模塊

本文選擇TYL系列光敏電阻，該電阻是依據半導體的光電效應原理——入射光阻值強弱發生改變制作的電阻器[4]。該模塊由LM393比較器、電阻、光敏電阻和滑動變阻器等元件組成，其電路連接如圖3所示。其電路原理是根據滑動變阻器和光敏電阻阻值的變化來控制電位器2、3號引腳電位的變化，從而使1號引腳輸出不同的電位。R6的阻值隨著光線變弱而增大，并與電阻R7實現分壓，造成LM393的3號引腳壓值低于2號引腳，使得1號引腳輸出高電平。

在系統中，光敏電阻模塊1引腳輸出的信號傳輸到89C51，控制系統收到光明暗程度數據。當電壓比較器LM393的1端為高電平時，光線強;1端為低電平時，光線弱。單片機采集到光線強弱信息后，控制電機帶動窗簾的開關轉動。

1.4 手動控制模塊

智能窗簾控制部分除了能夠實現光敏控制功能之外，還可以實現其第二功能，即手動控制;用戶只需通過手動控制模塊上的開/關按鈕就可以控制電機的轉向來實現窗簾的開/關，并且能夠隨時實現暫停。進而，窗簾軌道上配以位置檢測器，當窗簾開合到位后自動切斷電源，達到保護控制電路的目的[5-6]。在設計中需根據窗簾的長度，計算電機轉動的圈數，然后精確設定軟件程序電機轉動的延時時間。

手動控制模塊電路設計原理圖如圖4所示：

單片機P2-7端接開關K7，K7為手控選擇按鍵;當K7按鍵按下時，主控制器AT89C51的P2-7端口選通，手控功能啟動。

當K1按下K2斷開時，P20為低電平，控制電機正轉，窗簾拉開。當K2按下K1斷開時，P21為低電平，控制電機反轉，窗簾關閉。

1.5 H橋MOS管驅動電機電路模塊

電路原理圖如圖5所示[7-9]。

本文將4個MOS管組合成H形的4條腿，電機是H中的橫杠。本設計中選用MOS管，而不采用普通的三極管，是因為普通的三極管有一定的導通電阻，當電路中流過大電流時器件會迅速升溫，倘若不及時散熱，三極管可能被燒毀[8]。而MOS管的工作原理與三極管不一樣，其導通電阻阻值低，可以承受更大的電流，另外MOS管內置反向二極管，因而采用MOS管連接H橋電路不僅可以增加電路功率，而且簡化了電路的設計。使用MOS管搭建H橋，高位電路使用P溝道管; Q1和Q2采用絕緣柵型N溝道耗盡型場效應管，型號為IRF9540;Q3和Q4采用絕緣柵型P溝道耗盡型場效應管，型號為IRF540。

當P0-6和P0-7分別輸入高、低電平時，Q1和Q4管導通，Q2和Q3管截止，電機正向旋轉。當P0-6和P0-7分別輸入低、高電平時，Q2和Q3管導通，Q1和Q4管截止，電機反向旋轉。

2 系統軟件設計

2.1 各個單元的設計思路和實現功能

（1）實現智能窗簾系統的自動開合功能

在軟件程序的設計中，光控程序實現的功能：當P0-6端口賦值高電平，P0-7端口賦值低電平時，正轉指示燈LED1亮，電機正轉;當P0-6端口賦值低電平，P0-7端口賦值高電平時，反轉指示燈LED2亮，電機反轉。

（2）實現智能窗簾系統的按鍵控制功能

利用單片機的低電平有效理論實現按鍵控制窗簾開合;軟件系統的主程序部分嵌套手控子程序和光控子程序，先檢測手控按鍵是否按下，如果按下則執行該程序;如果未按下則執行主程序中的光控程序。通過軟件編程來控制芯片AT89C51引腳的狀態，P0口輸出高低不同電平，以達到控制電機的目的。

（3）實現對光敏電阻采集的信號采樣濾波及數值處理

利用Keil C編寫采樣和中值濾波程序，實現光檢測窗簾自動開合。

（4）實現電機的正反向旋轉

在驅動模塊中采用H橋式驅動電機電路，四個MOS管和二極管連接H橋式電路具有單向導電的特點;利用主控制器51芯片加載的程序來控制引腳P0.6和P0.7引腳的高低電位差，從而控制驅動電路。

（5）主控制器電路設計

在主控制器電路設計方面，51芯片中加載的主程序需將光控程序和手控程序合理地進行調用，首先檢測手控按鍵，如果按下則調用手控子程序，如果未按下則執行主程序中的光控程序。

2.2 軟件程序框圖

軟件程序主要實現智能光控、手動控制兩大功能，首先選擇控制電路的方式，即手控或光控;如果手控按鍵按下則判斷控制電機轉向按鈕，從而控制電機相應地轉動;如果手動模式未開啟，則執行光控模式，即天亮，窗簾自動拉開;天黑，窗簾自動關閉。手控和光控功能需在窗簾拉開時開限位未啟動，否則程序結束運行，電路復位;同理，窗簾關閉時關限位未啟動。智能電動窗簾軟件程序框圖如圖6所示。

3 總結

本文基本完成了窗簾系統的光控和手控兩大功能，達到了設計要求。在選材方面，采用ULN2003驅動步進電機，有效地控制了電機轉動圈數，提高了控制系統的精確度;在軟件設計方面，采用了模塊化的編程思想，縮短了程序的運行周期，提高系統的運行速度。該窗簾控制器在智能家居及大型場所方面應用前景更為廣泛。

參考文獻：

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[2]? 李洋.單片機技術在智能家居中的應用與發展[J]. 數碼設計（上），2019（5）：1.

[3]? 李曉微，孟芳宇，郭卓然，等.基于開源軟硬件的智能家居邊緣計算系統設計[J].科技與創新，2019（8）：150-152.

[4]? 申斌，張桂青，汪明，等.基于物聯網的智能家居設計與實現[J].自動化與儀表，2013，28（2）：6-10.

[5]? 楊亞讓.基于AT89C51的窗簾控制系統設計[J].科技通報，2012，28（6）：43-46.

[6]? 孫勤.基于單片機的光控窗簾設計[J].微型機與應用，2012，31（16）：32-34，37.

[7]? 孫健.智能家居電動窗簾的設計與實現[J].機械工程與自動化，2012（2）：133-135.

[8] 孫勇，楊文月，趙宇新.自動窗簾控制系統設計[J].微型機與應用，2010，29（13）：15-17.

[9] Han D M，Lim J H.Design and implementation of smart home energy management systems based on zigbee[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2010，56（3）：1417-1425.

收稿日期：2022-01-16

基金項目：山西省虛擬仿真實驗教學項目（X2020048）;山西省教學改革研究項目（J2021572，J2021588）;忻州師范學院學術帶頭人資助項目

作者簡介：郝建峰（1974—），男，忻州市公安局道路交通安全教育中心工程師，主要從事交通安全設施設備及交警應急預警系統機械電子工程技術研究;任國鳳（1979—）女，忻州師范學院電子系教授，博士研究生，主要從事通信信號處理的研究工作。