【基于单片机的智能窗帘设计（论文）6700字】

基于单片机的智能窗帘设计目录TOC\o"1-2"\h\u4601摘要： 14599引言 1251641.系统总体结构设计 2264541.1系统设计分析 23321.2工作原理及思路 3221702.硬件系统设计 4209392.1主控电路 42132.2光强水位采集电路 571862.3光敏检测电路 5293752.4雨滴检测模块 6207972.5显示电路 6151362.6驱动电路 798722.7红外遥控电路 8320972.8按键控制电路 9123493.系统的软件设计 10106753.1程序设计 1080403.2系统程序流程图 1039554.仿真与调试 1296015.结束语 14摘要：随着科技发展，同时人们对生活质量的要求不断提高，智能化、自动化、个性化等，不知不觉逐渐走进了人们的日常生活，智能化的发展推动了智能窗帘在日常生活中的使用，本设计是以STC89C52单片机为主控芯片[1]，旨在设计一款可检测雨滴的智能窗帘，首先采用红外传感器对光照、外部天气两个信号进行采集，同时通过对单片机的控制、步进电机的进一步调节对整个窗帘系统进行控制，本设计具有手动和自动两个功能，这两个功能可以利用按键进行实现，也可利用红外遥控进行操作控制。本设计的显示系统的利用的是LCD1602液晶显示屏，通过对上述各部分的操作实现对本次智能窗帘设计系统的研究。关键词：单片机；智能窗帘；LCD1602液晶显示屏引言目前人们所使用的窗帘多为传统窗帘，没有加入智能化的因素，传统窗帘在使用过程中也难免会有一些不方便，比如人们在天气比较好时想要打开窗帘给房间通风，但有时因为出门忘记关窗帘，当下雨时就容易让雨水弄进房间，造成不必要的困扰，为解决这一问题，因此需要一款具有智能化、可以检测雨滴的窗帘，这样当人们开着窗帘外出突遇下雨天气时，该智能窗帘可以自动关闭，本设计在可以使用按键控制外，还可以利用遥控进行手动或自动控制，为人们的日常生活提供方便。本次设计主要考虑到现在所使用的传统窗帘所不便利的开关现状，而研究的一款具有智能化，可在雨天或者光线较暗的情况下自动关闭的智能窗帘。本次研究的智能窗帘主要特点在于：可以检测雨滴和光线强弱程度，它操作简单，具有红外遥控控制功能，也可以使用按键进行开或关。当在自动模式下时，只需要打开本系统的按键开关，或者利用红外遥控进行自动模式选择，窗帘即可根据当前环境，实现自动打开或关闭的功能。同时窗帘在自动模式下，能实现晴雨天气的识别及自动完成窗帘开关的功能。本设计是为了解决在下雨时，窗帘不能够及时关闭，从而导致房间进入雨水而被淋湿;或者在光线比较暗的环境下时，普通窗帘不能及时自动关闭，以至于给人们生活带来的不必要的麻烦，在本设计中雨滴传感器或光照强度传感器可以对当下环境进行检测，雨滴传感器检测到当前为下雨天时，或光照强度传感器检测到当前的光照强度较弱时，窗帘能自动关闭，从而解决人们开关窗不方便的问题。目前人们普遍使用的都是传统窗帘，而传统窗帘一般只能实现人们手动开关的功能，这为人们带来了极大的不便，本设计旨在解决传统窗帘不可实现雨滴检测和自动开关功能的问题，本智能窗帘系统可以通过雨滴传感器进行检测当下的天气情况，此次研究的目的是为了达到当雨滴传感器检测到当前为下雨天气时，当窗帘在自动模式下时，窗帘可以实现自动关闭的目的；或者当前光照强度较弱时，窗帘也会实现自动关闭的功能，与此同时，本智能窗帘设计系统也可以利用红外遥控实现对手动或自动模式的选择，以及控制窗帘开或关的功能，即通过红外遥控器对系统进行手动或自动模式的选择，以使得窗帘根据所处环境进行开关运动，本智能窗帘设计系统的实用性价值高，深受人们喜欢。系统总体结构设计1.1系统设计分析本设计主要包括控制模块、光照强度检测模块、按键模块、液滴检测模块、驱动模块和显示模块六部分，其中以控制模块作为核心部分[2]。其系统设计框图如图1所示。图1系统设计框图本设计的控制模块为STC89C52单片机[3]，此模块即为本系统设计的核心模块，在此核心模块控制下可使整个智能窗帘系统得以控制；本设计的驱动模块由LN298电机、28BYJ48四相八拍电机两部分组成，这可以实现对电流的放大，以及对窗帘开关的控制；以独立按键作为本设计的按键模块，实现了对不同功能进行单独控制的作用；以光照强度传感器和雨滴传感器建立了光强检测和液滴检测两个模块；本设计的显示模块是由LCD1602液晶显示屏构成的，本模块可以直观的显示系统所需数据。1.2工作原理及思路此智能窗帘系统是利用C语言来实现。STC89C52单片机作为硬件系统的主控核心，旨在控制系统中的其他模块，从而实现系统的正常运行。一开始，进行手动打开电源之后，系统中的每个状态都是通过程序设定的自动状态来设置的。当雨滴传感器或光照强度传感器感受到外面下雨时，或者在当下光线较暗时，传感器会把当前所检测到的数据传送给单片机，单片机能够第一时间对所接收到的数据进行一定的分析处理，然后在把相应数据传送出去，从而会实现对窗帘开和关的控制，例如，当此时为雨水天气时，雨滴传感器可以接收到外界下雨的信号，从而实现窗帘的关闭；为了实现驱动模块的功率放大，本设计利用了电机可以实现正反转的特点，从而利用电机对整个窗帘系统进行开关状态的控制；按下按键的开关，当选择在手动模式下工作时，可按下按键控制窗帘的开或关；本系统设计中的湿度、光线的强弱程度、窗帘的开关状态在显示模块中呈现；除此之外，当此时光线强度比较弱时，窗帘也会自动关闭。我们还可以通过遥控对窗帘进行自动或手动模式的选择，进而实现对窗帘开关的控制。通过主控核心AT89C52单片机，可以实现上述功能，为人们的生活提供便利。硬件系统设计本设计共有以下几个部分，它们分别是STC89C52单片机、液滴检查模块、光强检测模块、电机驱动模块、开关模块、显示模块[4]，其中以STC89C52作为主控核心，本设计的光线强度检测模块和雨滴检测模块的作用分别是：检测当前环境下光线的亮暗程度，以及是否为下雨天气。用来实现功率放大的电机驱动模块，可以使电机发生正反转[5]，进而带动窗帘的开与关；按键模块中的开关模块是在选择手动模式时，控制窗帘开关状态的模块；湿度、光线强弱程度、窗帘的开与关等状态内容是由显示模块所呈现。本智能窗帘设计系统的整体电路图，如图2所示。图2系统整体电路图2.1主控电路本设计通过STC89C52单片机实现对该系统其他各个模块的控制。STC89C52是一款由CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、可编程并行I/O口、可编程全双工串行口、振荡器和时钟、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器等基本功能部件组成的微控制器[6]。STC89C52工作原理如图3所示。图3STC89C52单片机工作原理图光强水位采集电路本设计主要通过LM393比较器实现对掉电雨滴传感器或光敏的比较，从而输出高低电平来进行判断当前是否下雨和光线是否处于较暗状态。该窗帘是否开启是通过当前的光线强度和是否下雨判断的，其中LM393工作原理如图4所示。图4LM393工作原理图2.3光敏检测电路光敏检测电路分为接收部分和发射部分。光敏检测电路作为对当前环境下光照强度的电路在本设计中发挥一定的作用。在本设计中利用光敏电阻采集光照量，利用了光敏电阻随光照增强而阻值降低，反之随光照强度的减小阻值增加的工作原理，实现了对光线强弱程度的采集，本设计所使用的光敏电阻，其工作原理图，如图5所示。在本设计中，光敏电阻是为了实现和光敏电阻的阻值相匹配，在光敏电阻光强与阻值成反比的原理下，经图4LM393比较电路变换后，使输出电压成为很小的电压信号，当在光照强度很小的情况下，经过图4比较电路的变换后，使得输出信号的电压接近于电源电压—3.3V。LM393比较器与输出后的电压信号进行比较，如果大于3.3V，则说明光线较弱，此时输出高电平给单片机。图5光敏电阻2.4雨滴检测模块检测当前环境是否下雨，通过雨滴传感器对水位信息进行采集，然后通过LM393比较器进行判断。当有雨水低落到传感器上水位传感器就会产生液压，传感器根据不同的雨滴覆盖面积大小产生不同到液压信号，然后和LM393电压比较器进行电压比较；当雨滴传感器检测到雨水时，LM393比较器则会输出较低的电平，此时单片机会判断是否为下雨天气。此外，光线采集的工作原理与雨滴检测的原理是一样的。本智能窗帘设计系统是对窗帘状态的实时采集，当白天光线较亮时，在自动模式下，实现自动开启的功能，晚上光线较暗时实现自动关闭的功能。其原理图如图6所示。图6雨滴传感器2.5显示电路本智能窗帘系统设计选用LCD1602液晶显示屏作为显示电路。在设计中选用LCD1602液晶显示屏的原因是：它是一种能够显示两行每行16个字符的字符型工业液晶[7]，控制简单，成本较低。LCD1602液晶显示屏运用在本设计中主要显示窗帘当前所选模式，窗帘的开关状态信息。LCD1602液晶显示屏的工作原理图，如图7所示。图7LCD1602液晶显示电路2.6驱动电路本设计选用的是电压为5V的四相八拍型电机作为步进电机，其型号是28BYJ48型，其中窗帘的开关是由步进电机的正反转的变化来进行控制的，电机可以在连续不断的脉冲下实现连续转动，因为STC89C52单片机的I/O口太小，无法驱动步进电机工作，因而要连接一个LN298电机驱动芯片，实现电流的放大作用。电机驱动芯片的OUT1234端口分别连接步进电机到A+、A-、B+、B-电机驱动LN298连接单片机的P20-P23[8]。步进电机驱动模块工作原理图如图8所示。图8电机驱动模块工作原理图LN298电机驱动芯片，是一种可以驱动两个直流电机的，电压高且电流大的双全桥式驱动器。步进电机的引脚具有以下功能：首先VSS、VS是电源模块引脚，其次系统的使能端为ENA\ENB，本设计中所需的电源电压与VSS均为5V，VS接9V电源，使能端在低电平的状态下禁止数据输入，ENA输入低电平会使电机得到控制，ENA输入高电平时，会在点平一高一低的状态下导致电机发生正反转变化，由此可知在低电平时电机停止工作，在高电平时会有刹停情况发生。除此之外，本设计的输入端分别为：IN1~IN4,输出端分别为OUT1~OUT4；D1~D8对二极管进行保护，如果电机停止工作的同时伴随有反响尖端电势产生，那么这时直流电机便把直流电能转化为机械能。2.7红外遥控电路本次设计在可以使用独立按键实现对窗帘开与关的同时，也可使用红外发射遥控对窗帘系统进行控制，使本智能窗帘设计系统实现开关功能，其工作原理即当按下红外遥控器后，会有一段特殊到波长发出，然后被红外探头所接受，接收到的信息会传给单片机，然后单片机对这些信号进行处理后会发出指令[9]，从而实现对窗帘系统的控制。其工作原理图如图9所示。图9红外遥控器工作原理图本设计中的红外遥控使用的是红外发光二极管，它以红外光作为载体，将按键信息传送给单片机的设备，红外光是相对于可见光人眼不可见的光，其波长范围要大于可见光。红外遥控分为红外发射端和红外接收端两部分，其具体工原理如下。2.7.1红外发射端本设计所使用的红外遥控发射端是由指令键、驱动电路、发射电路、调制电路等及部分构成。当按下指令键时会有指令经过处理产生所需的指令编码信号，指令编码信号首先对载波进行调制，然后再由驱动电路对其功率进行放大，而后由发射电路进行向外发射信号，这些信号经过一系列调制后得到指令编码信号。2.7.2红外接收端在本设计中红外遥控的红外接收端由以下几个电路模块组成，它们分别是：调制电路、放大电路、指令译码电路、驱动电路、接收电路和执行电路[10]。如图10，图11所示，即为红外遥控的封装和原理图。图10MYS-1838封装图11MYS-1818电路原理图2.8按键控制电路本设计除了可以利用红外遥控器控制窗帘状态选择和开关功能外，还可以采用按键的方式实现模式选择和开关的功能，利用按键实现该设计功能的前提是采用了三个独立按键，在本设计中利用了独立按键直接用I/O口线构成单独按键电路的特点进行按键的选择控制，这可以实现每个不同按键按下时所对应的功能的实现，本设计所使用的三个独立按键，其功能和顺序依次分别为K1模式选择开关，K2开状态实现开关，K3关状态实现开关[11]。独立按键工作原理图如图12所示。图12按键工作原理图系统的软件设计3.1程序设计本设计以keilC51作为开发环境，其中keilC51作为程序设计具有很多的优点，keilC51编程的程序可读性比较好，编写的程序效率高且容易修改，很多固定程序可以直接使用，除此之外，keilC51还可以移动并植入其他程序。本设计中程序的编写是利用的之前学过的C语言进行代码的编写，程序包括发送、接收和执行三部分。整个系统最核心的部分为系统控制软件，该部分为本设计所需功能的实现提供了技术性支持。本设计以C语言为程序的编写提供方便，C语言具有的特点是编译方式较为简单，更多的是倾向于低级的存储器的处理。即使C语言能够提供许多的低级处理功能，然而C语言还具有保持平台跳跃的特征，C语言是一种比较常用的运行程序设计语言，为程序的编写提供了方便。本智能窗帘设计的软件设计流程主要是依据当前所处环境下窗帘所选择的模式、电机的驱动、以及比较器的比较去判断窗帘所需状态，在红外遥控模式和按键模式下均可选择自动模式，选用自动模式时可以及时达到窗帘的开与关的目的，以减少在光线较弱时或者下雨时，窗帘不能及时关闭而为人们的生活造成不必要的困扰的问题的发生。3.2系统程序流程图首先将LN298步进电机进行初始化、红外遥控进行初始化操作，让LM393对雨水和光线强弱程度进行比较，本设计中的LCD1602液晶显示屏显示当前环境下的窗帘状态和模式信息，当系统上电后，首先进行红外遥控模式或按键模式的选择，如选择红外遥控模式，当在红外遥控模式下选择自动模式时，此时雨滴传感器和光照强度传感器会自动捕捉当前所处环境，如为雨水天气或者当前处于较暗环境下时，窗帘会自动关闭。如果选择按键模式，在按键模式下也可进行自动或者手动模式的选择，当在自动模式时，工作原理同红外模式相同，即当当前光线较暗或者为下雨天时，光照强度传感器和雨滴传感器会接收到当前环境下的信号，然后把信号传送给单片机，单片机会将信号处理后实现对本智能窗帘的自动关闭。当选择手动模式时，可自由选择窗帘的开关状态，红外遥控模式下也可选择手动开关窗帘的模式选择。本智能窗帘系统设计的程序流程图，如图13所示。图13系统程序流程图入口入口初始化LCD1602不检测写入数据检测忙信号获得现实RAM地址延时延时返回否是图14液晶显示程序流程图首先，连接电源打开总开关，LN298驱动步进电机初始化，LM393比较判断光线及雨水，红外初始化，从而为系统的工作提供条件。当上述初始化功能完成可以通过显示屏的显示，可以通过选择按键或者遥控进行手动或自动的模式选择，当在手动模式下时我们可以利用开关按键或遥控器进行窗帘得分开关状态，当选择自动模式时窗帘会根据当前光线和雨水状态进行窗帘的开关。显示程序流程图，如图14所示。由LCD1602液晶显示屏作为显示模块显示当前模式与窗帘开关状态的信息。本设计需要显示温度和湿度两个状态，此两个状态只需要两行字显示即可，所以在本设计中利用了LCD1602液晶显示屏特点，选用其作为显示电路模块，本设计中利用LCD1602液晶显示屏的原因是它的体积小，功耗低，显示效果好的优点可以帮助设计更好的完成。仿真与调试首先按照原理图进行实物的焊接，在焊接完毕后检查了各功能部件是否有正常电流通过和电压存在，检查电路焊接是否有误，有无断路或短路的现象存在，所编写的程序能否正常运行，检查电路焊接是否成功，在焊接的过程中是否有漏焊或者漏锡的部分，在检查完后结合软硬件进行了仿真及实物的演示操作，在演示过程中出现的程序和硬件问题一一解决。如图15所示为系统仿真图。图15系统仿真图如图16所示为