【基于单片机的智能窗帘控制系统设计与实现8700字（论文）】

引言1.1研究背景及意义进入21世纪，人类进入了一个全新的、信息化、智能化的时代。互联网通讯、人脸识别、数码家电等科技，已经悄然进入了我们的私人空间。利用这些科技开发的智能化产品，可以改变人们的生活方式，提高人们的生活品质[1]，但是，仍有很大的发展空间。经过调查，目前市场上大多数的窗帘都是手工制作的。比如在那些有着巨大落地窗的豪华私人别墅、高级宾馆里，常规窗帘的缺陷就会显露无疑。原因是，这种窗帘又大又重，而且开关起来更费时费力[2]。目前的家庭智能窗帘，尽管可以通过远程控制实现自动化，但其存在的不足之处：造价普遍较高；功能单一，难于智能化管理[3]；当多个窗帘同时使用时，一台红外遥控器可同时对多台窗帘进行批量操作，无法对单个窗帘进行有效的控制；用户群比较分散，很难推广[4]；无法遥控，无法让用户省心，使用方便等。本文旨在解决以上问题，以单片机为核心，实现自动控制、定时控制、远程控制、按键控制等功能。该系统的硬件主要包括单片机AT89C52、DS1302时钟芯片、光敏传感器等。通过Protues软件对系统进行了模拟试验。与传统的百叶窗相比，本论文所提出的智能窗帘控制系统具有价格合理、操作方便、管理方便等特点。智能窗帘将以其卓越的性能，为广大家庭带来舒适、便捷、绿色的智能家居。1.2国内外研究综述1.2.1国外研究综述20世纪末，大量的家用电器和半自动化操作的电器出现了。随着智能冰箱、智能电视、智能洗衣机、家用电器、家用电器等多种家用电器设备的集成，电子住宅的概念应运而生。从那时起，电子幕布逐渐进入了人们的视线。经过多年的实践和使用，美国，澳大利亚，英国等国家，智能窗帘已经被大量采用。美国的研究人员SunT和LiJ在2014年发明了一种新型的高效的倒挂窗帘，它可以通过吸收阳光的角度来调节窗帘的上升和下降。在系统的设计中，数据的存储、分析、输出都是通过上位机来实现的，而下位机则通过光电传感器来实现。其节能效果主要体现在其外部材料是一种可聚集光能的太阳能面板，能够吸收日光辐射到幕布上所产生的能量，并将其转换成电能，并将其储存于锂电池中。本系统采用了太阳能转换技术，实现了对整个系统的电力供应，达到了节能的目的[5]。澳洲科学家于2010年研制成功了一种智能温控窗帘系统，该系统包括DSl8B20数码温度传感器。通过对户外环境的实时监测，可以将室内的温度变化信息发送到手机应用程序中，由使用者自行决定是否打开窗帘，从而达到对窗帘的自动控制[6]。由日本的HanD和ChenX设计的一款由2017年的光控式检测节能型智能窗帘系统，它在窗框和内部的窗帘之间装有一个光电传感器。本系统采用舒适家居的设计理念，仅当灯光合适时，它就会自行打开。在光照达到某一程度后，可自动关闭窗帘。同时，它还通过对半导体的光进行加热，把户外的阳光通过智能窗帘的辐射转换成电能储存起来，还可以实现不需要充电就可以自动升降窗帘的功能[7]。英国的设计人员在2013年对WK6900-24ss的语音芯片进行了一项智能百叶窗的设计。该产品在材料选用上有许多亮点，采用高透光性、高强度的聚碳酸酯薄板，并与铝熔点相结合，在高温环境下采用铝箔设计，可将太阳光线中的大多数光线反射出去。再通过调整和降低光照，让房间始终处于合适的温度和亮度，但使用者还是能清晰地看到外界的情况[8]。2018年，为了降低高层建筑的总重量，采用AT89C52单片机为核心，信号产生和处理部分由风压力传感器和放大器组成，LCD12864屏幕是幕布的显示部。采用空气压力传感器探测玻璃幕墙，采用仿真DSP实现仿真数据的转换，并采用通讯软件实现远程控制[9]。1.2.2国内研究综述中国的智能家庭，最初的发展被称为“智慧住宅”，这个时期的“智能住宅”还处于“概念”阶段，还没有形成成熟的技术和市场。十多年前，国内有一些企业和厂家在做智能窗帘，但因为技术水平的落后，普通人的生活水平和生活水平都很低，所以智能窗帘的普及并没有得到很好的普及[10]。随着科技的进步，科技的应用越来越广泛。人们的思想越来越开放，对生活质量的要求也越来越高。在一些发达的一线城市，很多家庭正在逐渐采用智能窗帘。智能幕墙的开发，也是国内科研工作者不断探索和挖掘的结果。小米公司于2016年研发出一款Amara智能窗帘，这款产品在智能家庭中掀起了一股热潮。与其他一般的电动窗帘相比，这款产品最大的优势在于能够与小米手机进行连接，但是使用者也必须要有Aqaba的智能插座，才能让Aqaba智能窗帘发挥作用。使用者设定切换时间、WIFI无线遥控、红外线感应器完成此产品的自动控制，或由Aqaba马达与语音助手进行沟通，使其打开或关闭[11]。2012年，孙利新、王阿川、东北农业大学的学生对智能窗帘进行了研究。利用手势识别技术，构建了一套智能窗帘系统。此款幕布采用电脑视觉OpenCV库处理，以捕捉身体动作的运动方向，系统分析、处理后，自动开启或关闭[12]。本系统具有很强的人机互动性，操作简便，可以随意调节帘子的开启和关闭。目前，国内市场上已经有了智能窗帘，它可以实现对灯光探测和远程控制的第三方语音系统的监控。不过，买一套更全面的智能窗帘控制系统的成本更高，只有少数家庭才能负担得起。从一定程度上讲，它限制了智能窗帘的开发。所以，迫切需要研制一种低成本，方便，智能的基于MCU的智能窗帘控制系统。1.3本文主要研究内容本课题的设计目标是透过全面的研究成果，对电动窗帘控制技术在实际中的应用和应用状况进行分析，以便为电动窗帘控制系统的设计提供依据。该系统以步进电动机为执行元件，光电敏感元件为传感元件，以AT89C52为控制核心，通过对键盘及显示器进行辅助，从而完成了多种智能产品。本次智能幕墙系统的设计共分六个环节：第一部分绪论主要介绍了国内外设计目标的发展状况、研究意义以及论文的主要章节。第二部分是整体设计，给出了整个电气窗帘控制系统的总体方案构想和实施。第三部分的硬件设计选择AT89C52单片机，主要完成了复位、功率、时钟、步进电机的键盘/显示器等一系列的电路。第四部分是对各个模块的设计过程进行了详细的阐述。第五部分采用Protues软件进行模拟模拟试验。第六节对设计中存在的问题进行了总结。

2总体方案设计2.1需求分析随着人民生活水平的不断提高，人们对绿色、健康、高品质的追求越来越高，越来越多的家庭开始使用智能窗帘。但是从现在的发展情况来看，智能窗帘仍有很大的发展空间。世界各地的科研工作者，都还在进行着对智能窗帘的研究和试验，将智能窗帘的控制技术运用到极致，让人们看到智能窗帘的自动控制和管理。该系统采用光照检测、定时驱动和人工调节三种方式实现。本系统应具备：采用按键式控制开关，可实现自动控制；该系统能够在强光或暗光条件下，将户外照明亮度与使用者设置的上限和下限进行对比，从而实现照明探测的自动开启和关闭；根据使用者的要求，在不同的时间打开和关闭窗帘，使百叶窗的开闭。2.2系统总体结构图2-1显示了智能窗帘控制系统的基本框架：光电传感器光电传感器信号调理电路A/D转换器AT89C51单片机显示部件键盘步进电机图2-1智能窗帘控制系统总体结构框图智能幕布是一种类似于光电的滤光片，它能够探测室内和室外的光线强度，通过滤波处理电路对输出的信号进行滤波、放大、滤波、调节，然后再通过A/D变换器进行A/D变换，A/D变换器需要一段时间才能完成，在这个过程中，如果信号的幅度和频率改变，就会对变换结果造成影响，因此在变换的时候要采用取样保持电路。通过单片机对变换后的信号进行控制，完成电动机的工作和停机。该显示组件用于显示各类电子窗帘控制系统的状态。键盘是控制MCU各项参数的主要输入装置[13]。2.3单片机选择目前，51系列和STM系列的单片机广泛使用，但是STM系列的结构相对复杂，而且学习费用也很高。而51系列单片机则相对来说比较简单，通过在大学期间的学习，以及网络上大量的资讯，可以减少学习费用。51系列微控制器尽管性能不佳，但其功能足以作为本系统的核心，并且由于其成本低、程序简单，故采用51系列微处理器，并选择STC89C52。接下来，就是关于芯片的一些细节了。STC89C52是一种低电压高性能的CMOS8位单片机，芯片内含有8K的可重复擦写FlashROM,256bytes的RAM，该设备由ATMEL公司的高密度非易失性存储器制造，与MCS-51标准的MCS-51指令系统兼容，芯片内置8位通用CPU和Flash存储器。

3系统硬件设计3.1硬件总体设计本设计具有普通窗帘控制器最基础的功能，即通过电子按键控制窗帘的开启和关闭，同时，本设计还根据需要，根据不同的光线和时间，可以自动调节窗帘的开启和关闭[14]。该控制电路的硬件部分，包括：外围控制电路、A/D变换、信号调理、键盘/显示接口、步进电机控制、检测电路等。本系统采用微处理器外围电路，为各个模块提供5V供电及时钟模块；通过对模拟信号的检测，再进行调制，再进行A/D变换，最后输出到MCU。单片机P2端口对步进电动机的操作进行控制，由此实现了窗帘的升降。显示器和键盘使人机交互更加方便。由上述模块构成的电子窗帘控制系统的整体电路。3.2单片机相关电路设计3.2.1晶振电路c在电路中使用的晶振就是石英晶体振子。石英晶体振荡器在频率上表现出很好的稳定性，并且能够抵抗外部的干扰，因此它被用于制造参考频率。该电路的频率精确度由参考频率控制。该电路还能产生一种脉冲电流，将脉冲信号发送给单片机。晶振电路C2、C3的典型值一般都是30PF，在此，电容的功能是起振，便于晶体振荡，在15~33PF之间。晶振的数值也可以为24M，晶振的数值愈高，则单片机的运算速度愈快。晶体振荡频率一般为1.2-12兆赫。随着晶体频率的提高，系统的时钟频率和微处理器的工作效率也相应提高。但是，操作速度需要更高的内存和更高的PCB工艺，也就是说，需要更小的寄生电容。为了减小寄生电容，使振荡器工作稳定可靠。89C52石英晶体的振荡频率为12MHz。3.2.2复位电路重置是用10uF极性电容器C1和10K电阻器R3组成的单片机初始化操作。由于电容电压不能发生突变，所以RESET在电源加电后会产生高电平，而高电平的持续时间取决于电路的RC值。当RESET的高电平超过2个机械循环时，通常51MCU会被重置，因此RC的合适的数值可以确保可靠的重置。3.2.3电源电路单片机工作时，需用5V的电源，可直接由5VUSB供电，手机充电器，电脑USB接口，移动电源等。3.2.4最小系统电路STC89C52的最小电路主要包括三部分：晶振电路、复位电路、供电电路。图3-1显示了MCU最小系统的电路原理：图3-1单片机最小系统3.2.4时钟电路此模块使用DS1302时钟芯片，利用32768Hz的时钟晶体振荡产生的震动频率，可以保证时钟芯片的定时功能。通过DS1302给出的系统时间与使用者的输入时间进行比较，在系统时间与设定时间一致的情况下，由单片机发送指令给步进马达驱动，以控制窗帘的开闭。DS1302时钟模块的电路结构见图3-2，其中SCLK是用来输出脉冲信号的，BT1是一个内置的备用电源，时钟芯片把时间信息一个比特地输入到单片机。图3-2时钟电路3.3步进电机电路设计步进脉冲马达的控制电路系统的工作原理是：步进式脉冲电源分配器，步进驱动控制电路，步进电动机等多个主要部件的结合。图3-3中显示了步进马达的控制系统。图3-4中显示了驱动电路。脉冲控制脉冲控制功率驱动电路步进电机负载脉冲信号图3-3步进电机控制系统方框图图3-4驱动电路3.4键盘电路设计键盘是一种防止人接触到MCU的重要工具。从系统监控软件的设计来看，只扫描一个键盘是远远不够的，而且还存在着很多问题，如果不解决的话，很可能会造成键盘的故障。在实际应用中，最常用的是单片机和矩阵键盘。每个按键都有自己的特点，单个按键的硬件电路工作起来比较简单，程序设计也比较简单，通常用于一些不需要太多硬件电路的电路；与单独的按键相比，矩阵按键在硬件上要复杂许多，计算起来也比较麻烦，但是在节约端口资源方面却有很大的优势，所以更适用于多键电路。该方案使用的按键数目不多，仅有5个键，即“模式切换”和“设置”。设置时间”，“设置阈值”，“减”，“加”，因此采用了与键盘无关的操作方法。在图3-5中显示了键之间的相互连接:图3-5强度采集电路3.5显示电路设计本系统选用液晶显示器602作为显示模块，用以显示屏幕的状况和其他的信息，LCDl602内置了基本的控制命令，比如，通过使用LCDl602的屏幕，可以发出清屏的命令。LCD160显示屏能够显示网络时间，通过Agent通过智能云协议包，通过光敏电阻获得外部光照的百分比，窗帘的样式，当前的打开和关闭情况。LCD1602电路的设计见图3-6。图3-6LCD1602电路3.6光电传感器设计选择GL3526型感光电阻器，采用光控制的原理，白天的时候，窗帘会自动开启，晚上的时候会自动关上。该比较电路是由一个运放构成的，在同向输入端通过两个电阻分压获得一个电压值，作为参考电压，而在相反的输入端使用一个感光电阻器来获取外界的光，利用感光电阻器在黑暗中发光时的电阻很低，从而决定逆向输入的电压值。然后将二者进行比较和比较，然后输入到MCUP0端口，由MCU来控制电机的正反方向。达到了白天窗帘自动开启，晚上窗帘自动关掉的自动控制功能。该智能窗帘具有光控自动切换的功能，它要求对周围光线的强弱进行测量，从而实现对窗帘的开关量的计算。利用感光电阻器获取光强的方法，利用ADC0832将光信号转换成数字信号，然后发送到微处理器进行处理。图3-7强度采集电路3.7信号调理电路设计3.7.1放大滤波电路设计由于这种传感器会发出非常微弱的模拟信号，因此要用一个模拟放大器来放大它，使之达到A/D变换器所需的输入信号，因此，必须选用合适的放大器。由于滤波器的检测和接收到的滤波器信号经常含有各种类型的干扰，所以必须使用滤波器来消除这些干扰。综合以上因素，低通滤波器的应用。3.7.2A/D转换电路设计A/D变换的功能是将接收端接收的模拟信号转化为模拟信号。在A/D转换时，首先要决定A/D转换的位数，本设计采用8位A/D转换器ADC0832,A/D转换误差的大小决定了A/D转换的位数，而A/D转换误差的大小取决于整个测量控制系统的测量控制的范围和精度。

4系统软件设计4.1主程序软件设计主程序组成了一个无限循环，主要实现了单片机的初始化、断开、菜单的初始化、键盘的扫描、马达的运转、定时等。图4-1显示了主要程序的流程图。YYYYNYYNYN关中断设置堆栈积复位，初始化显示键码分析数码键处理设定时间开始时间电机工作电机停止设定键有键操作?命令键?到点了?电机控制键工作完成?N图4-1主程序流程图启动一个中断主机，首先开启一个新的主中断，然后在该主中断上重置一个中断，然后再进行初始化，使中断寄存器的运行变得简单，并对堆叠中的中断进行初始化；接着，再一次对一个键进行中断查询，并进行对应于一个栈的中断操作。若未设置定时按键，可直接设置停机时间，并自行启动马达；当时间一到，进针马达就会自动启动对应的计时器，当所有工作时间一过，电动机就会自动停止运行。如果是一个按钮，可以自动控制马达，那么就可以直接完成马达的某些动作。如果两者都不存在，那么将会使用一次重起装载按钮来更好地实现单个重起装载按钮。4.2步进电机程序设计步进马达的程序流程见图4-2。YYNYN传送正转的脉冲序列是正转吗传送正转的脉冲序传送步数是否完毕？传送步数是否完毕？开始返回图4-2步进电机程序流程图4.3显示程序设计在显示程序开始前，首先要决定要显示在哪里，例如第一排第四栏。坐标确定完毕，就可以开始显示了。液晶显示是一个地进行。比如“123”这个数字，第一个数字是“1”，第二个是“2”，第三个是“3”。同样的，如果是字符串的话。每一次出现一组字符或一组数字，只要在一开始就完成一次定位，然后每一次出现一次，液晶就会自动切换到下一次。在图4-3中示出了显示程序的流程图。图4-3显示程序流程图4.4键盘程序设计在开关和关机的时候，按键的触头都会出现轻微的抖动，这个时候触头的逻辑运算电压不稳定，如果不能及时地进行适当的抖动，那么以后的触头就会出现抖动，造成两个按键之间的代码出现错误，或者是重复的代码。为了避免出现抖动，我们在软件设计中引入了延迟处理技术。在确定键关闭后均延迟5ms，然后按下按键后12ms即可消除键盘的抖动。接着按键代码解析，完成对应的模块，显示完成后再返回。在图4-4中显示了按键托盘程序。NNYNY开始返回有按键闭合？调用显示子程序延时6ms2次调用显示子程序延时12ms键码分析执行相应的模块显示有按键闭合？图4-4键盘程序流程图4.5定时程序设计其主要作用是通过单片机在一定时间内接收到中断信号，进而实现对窗帘开关的控制。时钟向单片机发送50ms的信号，计数器开始计数，当计数器计数到20，一秒后，1单位数字增加1，单位数字达到60，单位数字增加1，单位时间为0。在单位到达24的时候，时间单位为0。标记1天的时间表，将它们的数值放在指定的单位中。图4-5为时间函数的流程图。YYNYNYNY开始现场保护，重置初值，启动下一个50ms50ms，计数器加1计数器=20？秒单元加1，50ms计数器清零，秒写入秒个位和秒十位时单元加1，分单元清零，时写入时各位和时十位分单元加1，秒单元清零，分写入分个位和分十位秒单元=60？时单元清零时单元=24？分单元=60？结束图4-5定时功能流程图

5Proteus调试与仿真Proteus是英国实验室研发的一款具有电路分析和模拟功能的软件，它是一个真正的电子产品。另外，模拟集成电路、DCU、MCU、应用控制和其它嵌入式控制系统都可以通过该软件进行系统的设计和工程模拟。在调试电路的各个方面，我们不但能够实现多种新的调试功能，包括全速、单步、断点调试等，而且还配有各种仿真信号和虚拟电源，方便用户在调试过程中进行各种调试。它还为其它相关的软件设计提供了功能上的支持，例如：KeilC51uVision4,MPLAB，它可以方便地编译、安装、调试、调试；还可以提供PCB板的设计和调试功能，并可以同时导出相应的电路结构图。利用Proteus的电子设计工具就等于建立了一个电子设计与分析的平台。5.1总体仿真思路首先，按照事先绘制的电路图，在proteus中寻找对应的组件，然后按照电路图，依次寻找所需的组件，并将其放在适当的位置；再按照电路图上的线路，按顺序把各部件进行接合，以保证各部件的接合不到位；最后将该软件写入到MCU进行模拟与调试，以发现存在的问题，并对其进行改进。在模拟时，首先对各子程序进行模拟，以解决问题，并逐一加以改善，以保证子程序的正确性。最后对集成程序进行模拟和调试，以保证各个部件的工作性能。5.2仿真中遇到的问题及解决办法在绘制模拟图时，有些部件很难找到，通常都是从相关的数据中找到这个部件的名字和位置，再从Proteus的相关元素库中寻找。另一个问题是，当某个部件的模拟比较困难时，可以用其它部件来代替，而不会影响到结果。比如：感光电阻器是可变电阻器，在模拟图中，可以用一种可变电阻器来替代，通过调整电阻器的阻值，就等于改变了照明的亮度，从而实现了对照明模组的模拟和调试。由于对Proteus的认识还很少，因此在模拟中存在着一定的缺陷。比如，对红外模组进行模拟，由于找不到适合的模拟调试方式，仅能在实际中进行调试。

总结本文着重论述了一种智能化窗帘软体控制装置的设计，包括从整体软硬件到软件控制装置的设计。该系列产品以光敏步进驱动马达做为驱动单元，以光电感应式马达驱动元件做为感光感应马达驱动元件做为感光感测马达驱动元件做为感光感测器来驱动元件，做为感光感测控制元件AT89C51软体做为自动控制处理晶片，协助控制键盘与触控萤幕的自动显示，并可完成多种应用功能的自动控制。本系统在设计时，以AT89C52为核心，使用的芯片结构简单、实用，降低了软件和硬件的共用；该传感器的某个部件使用了感光电阻器，它能够持续地探测到来自外部的不同的光的强度和频率的改变，然后由电桥的脉冲信号输入到比较器中，从而得到一个由高频放大、A/D变换后的信号，再由电桥输出的脉冲信号来控制步进电机的工作状况；步进马达能很好的完成对窗帘的起动指令，使得窗帘起动开关更加准确、稳定。该方案中的位置时钟工作电路与微处理器互相配合，均具备计时功能，配合光电传感器探测光强度，很好地完成了该位置自动控制的重要作用。由于现有的设计能力有限，或者对很多新的功能和技术都没有深入的研究，例如利用施密特电路来解决光电开关的迟滞问题，但其局限性也很大。其次，在显示功能中，电子窗帘监控的工作方式尚未被应用。这台仪器是固定的，没有蓝牙，也没有红外线监控。而且，他也没能成功地完成自己的设计，实在是太可惜了。不过，通过专业的毕业设计，我已经初步掌握了有关MCU和ECU的基本知识，特别是在实际工作中的应用，为以后的专业设计提供了更好的依据。参考文献：[1]尹绍杰,林鹏.基于WIFI的智能家居配电系统设计[J].通信科技,2018,35(05):136-137.[2]廖春萍.基于物联网技术的智能家居安防预警系统的设计与实现[D].电子科技大学,2018.[3]吕梦飞,张雪芹,贠金昊.基于PLC的自动窗帘控制系统设计[J].科技经济刊,2018,26(16):63-67.[4]宋宇超.基于单片机的智能家居监控系统的研究与设计[D].吉林大学,2018.[5]SunT,LiJ,SongWL.IntelligentTemperatureControlSystemDesignBasedonSingle-ChipMicrocomputer[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology,2014,21(3):91-94.[6]ZhangC,FengX,liL.Thekeytechnologiesofadistributedtemperaturemonitoringsystembasedon1-Wirebus[P].IntelligentControlan