《基于单片机的智能窗帘设计》10000字

基于单片机的智能窗帘设计TOC\o"1-2"\h\u23910引言 126625第1章绪论 397881.1研究背景和意义 3318261.2国内外发展状况 317731.3本设计研究的主要内容 4171401.4本章小结 413322第2章系统硬件方案选择 518422.1硬件方案的选择 563182.2系统总体方案 622582.3本章小结 714926第3章系统硬件电路设计 843723.1单片机系统 8144033.2液晶显示电路设计 9114053.3时钟电路设计 10117003.4A/D转换电路设计 1180783.5步进电机驱动电路设计 1214083.6独立按键电路的设计 1338013.7红外接收模块电路设计 14143803.8本章小结 1518252第4章系统软件设计 16100014.1系统主要函数的介绍 1653794.2本章小结 2217757第5章设计测试与运行 2381735.1软件测试与运行 23324675.2硬件测试与运行 23169095.3本章小结 265520结论 26引言当代社会是信息化的世代,各种通信技术的进步和互联网的高速发展,大幅度地推动了人类社会的发展,使人们的日常生活更加便利、快捷。此时,传统家居已经无法满足人们日益增长的科技需求了,例如遥控电视到机顶盒的过渡,就是人们开始不满足于电视只能收看各大电视台节目,也想在电视上获取网络节目的愿望反馈之后的结果。而智能家居控制系统正是基于大家希望收放、开关家居更方便这一需求的产物。设计并且将家居智能化实现是可以让人们生活更加简单快捷的一种系统设计。使用了现代前卫的计算机网络技术,合理正确的布线技术,将和智能化家居相关的一些系统绑定,合理统筹分布,让人们的生活更加安全,更加舒适安逸,简单快捷。与传统家具相比,智能家居具有和前者一样的外观和居住功能,能让人舒服放松,更是将原本被动静止的家居架构,转化为更智能更方便操作控制的工具,提供了更加快捷便利的信息交流交换方式,帮助人们优化了日常生活方式,有效节省了人们的琐碎时间,与此同时,因为智能控制化,也保障了人们在手动操作时可能遭遇的安全问题,各种定时和自动控制的实现也省去了一定的水电费。而智能窗帘的设计作为智能家居中的比较有代表性的系统，在设计该系统时，针对各种需要检测的变量，利用不同的接口标准，还有微控制单元(MicrocontrollerUnit，MCU)进行核心控制连接，对外界的信息反馈进行数据处理，实时监测监控，进行处理。而采用单片机实现该设计，具有处理快、更灵活、更简单快捷的特点。同时，单片机可以更好地统筹各个模块协调工作运行，极大的提高了作品的可使用性和利用率。本次设计使用的是以STC89C52为控制核心实现的设计，利用了其优点，顺利完成了本设计需要实现的功能，包括能够定时，根据光暗，和红外遥控接收来调整窗帘的放下和收回。

第1章绪论1.1研究背景和意义通信技术,计算机网络高速发展,带来的是社会信息化的加快,人们在生活中会越来越依靠于信息科技化手段,科技正在逐渐转变人们的生活习惯和生活方法。与此同时,过去的家居生活已经跟不上人们对现代科技生活的需求REF_Ref21980\r\h[1]。这对于之前的家居市场来说面临着严峻的挑战,如果不能够适应现在的时代发展,那么终有一天会被现代市场所淘汰。而家居智能化的设计和实现正是顺应这一时代变化的产品REF_Ref2967\r\h[2]。如上所述，智能家居是现代化的产物，那么本设计中所涉及到的功能基本都是智能家居中比较具有代表性的，比如智能窗帘的控制和信息检测，就是智能家居设计中需要考虑到的中心功能，如果能将该作品实现并推广，那也会推动对智能家居更多设计的实现以及对其市场的拓展。1.2国内外发展状况家居智能这一概念最先是由美国发展出来的，在后续中陆续由加拿大、欧洲和东南亚等一类科技发展水平比较高，经济水平稍微领先的国家陆续提出的。在现代一些经济比较发达的国家里，例如现在的中国、美国等都已经开始普及并且有了一定的应用市场雏形。这种设计主要是以方便家庭为主旨，围绕其进行综合考虑设计并改造的，智能家居的控制系统主要是以无线网络、混合光纤同轴电缆（HybridFiberCoaxial,HFC）等一些复杂的传输网络作为物理平台，最后构建出一个可以使用并且最优化实现设计的系统，例如1998年在新加坡展示的‘未来之家’概念，就是围绕着家庭安全、节省水电资源、联系外界等功能做出统筹整合之后的产物。但是到现在，智能家居的设计更倾向于便利人民的生活，例如国内几大知名厂商，华为和小米等都有推出智能家居计划，并且一定程度实现了设计将之推广到了市场上，这些设计都更偏向于服务于人们的休闲生活，像是可以自动扫描灰尘并清理干净的智能化扫地机器人，又或者是可以通过语音助手遥控的无线音乐播放器。这些功能性强大的设计使得人们能够更好的享受自己的休闲时光。因为家居智能化有着非常光明的前景，还有没被开发的一大片市场，以及尚未挖掘的功能和资源，尽管国内外时尚真正启动尚且还需要一定时间，但是现在对于智能家居市场的争夺也是空前激烈的，多数的厂商仍然相信‘山那边遍地是金’。国际商业机器公司（InationalBusinessMachinesCorporation,IBM）的迈克尔·凯洛斯克先生曾经说过：“对于家居智能化这个市场，这是IBM绝对不能够忽略的一个机会”REF_Ref8058\r\h[3]。1.3本设计研究的主要内容本设计的主要研究的是，如何让智能窗帘检测模块采集外界的环境信息变化，反馈到控制核心，经过内部信息数据处理之后做出设定好的判断。例如，根据预设的范围。在低于一定的光照值或高于一定的光照值进行的关闭或者打开窗帘的操作；利用定时电路，在设定好的时间里打开或者关闭窗帘。由于该设计只是一个模型，所以在本设计中实物展示的部分会使用步进电机的转动来进行演示，其中，正转就代表打开，反之，则表示关闭。并且会用显示屏显示窗帘的开关状态。1.4本章小结在这一个章节中，是把智能家居在国内和国外的发展进行了一个简单的总结，对它的发展现状和未来也有了稍微具体的了解，从早期人们对智能生活、智能家居这一具体课题的设想和猜测，以及最初目的和现在发展状况及目的也进行了查阅了解，开拓了人的眼界。

第2章系统硬件方案选择2.1硬件方案的选择本章节是着重介绍了通过不断的对比和选择，选择出最后要使用的硬件。然后在各个方面的计算和比较之下，选择出最适合的硬件。2.1.1主控芯片的选择最先需要讨论的是主控芯片的选择问题，对于本设计总给能给出以下三种方案：方案一：STC89C52，这种芯片属于能够使用的最基础的芯片，拥有性能优秀的微处理器，还有能够高存储量的在线编程存储器，该芯片的优势是相比很多过去的单片机芯片，它拥有更多的功能，因为内部不同的存储器，所以在它进行储存时，可以直接使用内部的，而不是像其他的一些芯片，还需要借用外部的存储器。此芯片，具有使用方便简单，可以在线读写程序进行下载，以及该芯片的成本花费低，是不错的抉择。方案二：MSP430，可以实现混合信号的处理，具有非常多的功能，他可以处理非常多线路的模拟电路，将不同的信号准确处理REF_Ref9185\r\h[4]。但是这款芯片的开发难度和上手难度比较高，价格也比方案一的芯片价格昂贵。而如果要推广向市场，则需要采取价格更优势的芯片，所以这个芯片不宜采用，当做弃案处理。方案三：PIC16F877A，该芯片属于刚被开发的新产品，虽然可以反复擦除程序，功能性强，但是这个产品使用起来成本很高，上手难度也比较大，所以不适合在这个产品里使用推广REF_Ref10334\r\h[5]。综合各方面的考虑，方案一这种芯片作为控制本设计的核心，无论是性能方面还是便利性方面都最为合适。在最后，决定将这种方案作为本设计的最终选择。2.1.2显示器件的选择方案一：使用LED数码管，这种方法最大的好处是价格便宜，显示也会清晰很多，但是本设计所需要显示的变量比较多，所以需要安插很多的数码管，要求非常多的接口，占用较多的的芯片管脚，所以不作考虑。方案二：LCD1602显示屏。这个选择在本设计需要的显示功能上表现非常优异，它可以做到显示各种各样的字符，包括各种自定义的符号。该显示屏使用起来简单，而且性能优异，且价格较低。所以采用该方案REF_Ref10791\r\h[6]。方案三:LCD12864显示屏；这种方法的好处是不需要自我定义中文库，储存量大，分辨率高，模块灵活，接口方式简单，但是对于其显示空间来说是一种浪费，而且该型号的显示屏价格昂贵，不适用在本次的设计当中，所以作为废弃的方案。综合上面几种方案，不管是出于价格又或是功能性方面考虑，又或者是和本设计的适配性的角度来说，方案二都是最适合本设计的。2.1.3时钟器件的选择方案一：单片机内部定时器。如果选择这种方法，那么就会有一个很大的弊端，就是一旦断电，那么数据会清0而不会从断电前继续计时。而且这个定时器的精确度是有限的，短暂计时还能够保证误差值在一定范围之内，但是时间一但变长，精确度就会出现问题。方案二：DS1302芯片，这种芯片拥有比较多的功能，而且有自带的计时功能，甚至可以对闰年进行补偿。综上所述，最终决定使用第二种方案来实现设计。2.1.4步进电机驱动的选择方案一：L298驱动步进电机。这种芯片并不适用于本次设计，因为它需要高电压并且大电流来驱动，这种方案更适合用于直流电机，而不适合用在这种小型设计上。方案二：ULN2003芯片。这种芯片的优势是耐压能力比较强，输出的时候可以高负载电流，并且运行使用电流让步进电机工作更加方便。综上所述，在出于价格和性能方面的考虑之后，决定采用方案二的芯片。2.2系统总体方案在整个系统设计中的总控模块采用的是STC89C52系列单片机；感知模块则是布置了光照强度传感器；总控模块连接着五个主要模块，分别是负责显示状态和时间的显示模块，将光强信息转换为数字信息的A/D转换模块，接收红外信号的红外接收模块，负责切换模式和控制变量加减的独立按键模块以及负责电机转动的驱动电路模块；在其中，光敏电阻负责的是采集当前环境的光强信息，然后把采集到的信息反馈到转换模块，通过转换模块的处理把采集到的的信息转化为数字信息递送主控芯片，根据情况做出对应的处理；而驱动模块负责的则是根据主控芯片的选择，控制电机的状态，正转模拟的是窗帘的打开，反转则模拟的是窗帘的反转。本设计采用的具体方案图如图2.1所示：

图2.1系统方案2.3本章小结在本章节中，对于芯片和硬件方面的选择有了更详细的了解，除了平时经常会使用的硬件外，原来还有更多可能性可以选择，这些选择未必是最好的，却也是各有优点，拓宽了眼界。最后，对系统方案进行了综合性的总结，也对怎么焊电路、如何排线有了更进一步的规划。

第3章系统硬件电路设计本章节的重点是介绍电路中不同模块的各种用法，描述其依靠什么工作，在本次设计中的作用是什么。3.1单片机系统单片机最小系统，简单来说就是在使用最简便的组成元器件的基础上，让各种不同功能不同作用的器件组合起来，最终实现单片机系统的工作。首先是电源，这个自是不必多做介绍，是驱动单片机运作的能量来源。其次是晶振电路，在这里出于性能和所用频率越高、消耗越大的方面考虑，在下面的线路图中采用了Y1型号的晶振，由于Y1所并联的C1、C2两个电容也会对上述问题产生影响，所以将C1、2设定等于30PF来进行平衡。图3.1就是对晶振电路经过上述分析所绘制的原理图：图3.1晶振电路最后要介绍的就是复位电路，复位电路主要是由两部分构成的，这两部分一个是上电自动复位电路，另一个则是使用开关复位电路。图3.2就是复位电路的原理图。图3.2复位电路综上所述，就能基本概括出一个完整的51最小系统模型，完整的最小系统原理图如图3.3所示：图3.3STC89C52单片机最小系统3.2液晶显示电路设计3.2.1液晶显示屏简介LCD1602，作为一种点阵型显示屏，它不但可以显示各种各样的字符，而且还可以完成字符的移动，或者是字符的闪烁。3.2.2液晶显示屏的工作原理在本次设计所要用到的液晶显示屏总共是11条指令，单片机可以将上述指令发送到显示屏，完成一些指定功能，像是清屏等功能。显示屏显示的时候有两种选择，第一种是使用内部的字符库，第二种是如果要使用内部字符库没有的字符，就需要自己编写，然后用和第一种一样的方法调用。具体的读写操作所需要的引脚电平如表3.1所示：表3.1显示屏操作指令对应的引脚电平在上述表3-1中，E在其中的意义为使能端；RS则是寄存器的选择。当RS端等于H时；则说明此时使用的是数据寄存器。RS端等于L时，则说明此时使用的是指令寄存器。R/W表示的是信号线，在信号线等于H时，系统便会执行读操作；在信号线等于L的时候便会运行写操作。在遇到需用使用的情况时，就可以把D0-D7端口连接到本次设计所用单片机的P0端口，这样就能更方便于数据传输。具体的LCD1602原理图如图3.4所示：图3.4LCD1602电路图3.3时钟电路设计3.3.1时钟电路简介在本设计中选择的是以DS1302芯片为核心的时钟电路。这是一种在消耗上很低并且在表现方面性能十分优异的芯片，选择这种芯片不仅可以对简单日常的时间单位进行计时计数，而且还拥有自带的可以补偿闰年的特殊功能REF_Ref25872\r\h[7]。3.3.2时钟电路工作原理将VCC2作为主电源，VCC1作为备用的。时钟电路的运行就会由这两者中间较高的那一方负责供电。举个例子，在主电源高于备用的0.2V的时候，这时候就会由前者供电；反之，则由备用的供电。X1，X2都被设定为振荡源。RST则被定为复位或者是片选线，如果要让所有的数据传送都开始运行，那么就需要将它的输入设为高电平。与此同时，它还有额外的两种功能，功能之一是让它和数据逻辑接通，这个时候，就可以让地址又或者是命令序列进入移位寄存器；功能之二是，它可以被用来停止单字节又或者多字节的数据传输。当它在高电平运行之时，全部的数据传输就会被恢复到最开始的状态，就会允许对该电路的核心芯片进行操作。反之的话，则会被终止。在供电运行之后，在电源供电超过2V之前，它必须要维持着低电平。只有在把SCLK也变成低电平之后，他才能够被拉高电平REF_Ref13698\r\h[8]。在本设计中所要使用到的时钟芯片，它共有十二个寄存器，与日历或者时间相关的有一半多，在对它进行某种操作的时候，都会将数据位转换成BCD码的形式来方便存储。当使用该芯片的时候，因为，它的数据管脚的通信方式是双向的，但是因为本设计中应用的单片机管脚属于弱上拉，所以必须要在其中添加上上拉电阻，否则就会因为端口电平翻转，导致最后的通信发生失败。而在下图3.5中，5和7移交都是单向的，添不添加都可取，这里的设计采取添加的方式。具体时钟电路原理图如图3.5所示：图3.5时钟电路图3.4A/D转换电路设计3.4.1A/D转换电路的简介在本次设计中，是以ADC0832为该电路的核心。这种芯片可以转换一般的模拟量，这种芯片的好处是转化的速度快并且转化稳定、性能强。3.4.2A/D转换电路工作原理当该电路核心芯片不在工作状态时，CS保持着高电平，在这时核心芯片被禁用，另外几个端口的电平可设置成任意选择。当要进行转换时，必须要让CS这一端口始终保持着低电平，一直到结束本次的转换为止。在这个时候芯片会开始转换工作，与此同时，核心处理器也会朝着CLK端口输送时钟脉冲。需要让DI端口在第一次脉冲下沉之前一直保持着高电平，用这种方式来表示起始信号，在接下来的两个下沉前端口则应该输入两位数据，这个用于选择通道功能。在这之后，该端口的输入电平就没了作用，这之后，DI/DO就会开始利用数据输出DO端口来读取转换数据REF_Ref13962\r\h[9]。本设计所用到的时钟芯片与本设计的单片机的连接口总共用到了4条数据线，分别是下图3.6中的1、5、6和7接口。但是由于5和6的端口在通信的时候，并不会同时生效，并且他们和本次设计的单片机连接口为双向，所以在本设计中会将上述的两个端口并联在一起应用到本设计之中。具体的核心A/D转换电路原理图如图3.6所示：图3.6A/D转换电路图3.4.3A/D转化电路在本设计中的应用在本次设计中，A/D转换电路主要应用在光照检测电路中，A/D转换电路负责检测光敏电阻反馈的信息，然后将信息转化为数字量传给单片机，因为电压属于模拟量而单片机无法直接读取REF_Ref29438\r\h[10]。在本次设计中光强检测短路的原理图如图3.7所示：图3.7光强检测电路图3.5步进电机驱动电路设计3.5.1步进电机简介这种机构，可以把接收到的电脉冲转换成电机转过的角度展示出来。通俗的说，就是在它的驱动器接受到信号的时候，那就会驱动它朝着设计中需要它转动的方向转动固定的角度。在同时，也可以通过限制这种信号的数量来限制转过多大的角度。并且，还可以用改变脉冲频率的方法，从而改变它的速度和加速度REF_Ref27740\r\h[11]。本次设计中使用的电机型号是28BYJ48型号的电机，这种型号的电机是隶属于以四相八拍形式来运行的一类电机REF_Ref14495\r\h[9]。在要控制的时候，要按照一定的顺序传输控制脉冲。而驱动它的芯片则采用的是ULN2003REF_Ref29670\r\h[12]。3.5.2步进电机驱动电路设计如3.5.1中所说，已经选定好了驱动芯片。在原理图设计上把单片机的P1.0到P1.3的引脚接到驱动芯片的1到4接口上，输出端13-16接口连接到步进电机的1到4四个接口上。其中蓝粉黄橙四条线分别代表DCBA四相REF_Ref28007\r\h[13]。具体和单片机以及本设计所用电机连接的原理图如图3.8所示：图3.8步进电机驱动电路图3.6独立按键电路的设计因为设计中需要实现的功能较多，所以还增加了按键电路，靠它来实现对本次设计的各种功能控制和与核心芯片的交互。该电路的两个端口其中一个端口连接着核心控制单片机的输入输出口，而另外一个端口则是接着地端。之所以做这样的设计，是因为在按键没被使用的时候，与单片机连接的端口默认悬空，一直保持高电平，在使用的时候电平就会被拉低，这样，单片机只需要间隔很短地检测输入输出口是否出现低电平，就可以根据这个来判断是否电路中按键是否被按下。但是这种方法会产生抖动波纹，所以就必须要在接下来的编程中加入较短的延时消抖REF_Ref28556\r\hREF_Ref28556\r\h[14]。在本设计中，因为需要实现三种模式的切换以及不同模式下变量的设置，所以总共加入了四个按键来实现。四个按键的功能分别为：第一个设置按键：按下进入设置。第二个设置按键：在相应的选择模式下，给要设置的变量值增加一个。第三个设置按键：在相应的模式下，要设置的变量值减少一个。第四个设置按键：该按键会分成两种情况，第一种情况是，已经进入了设置界面，在这种情况下，会退出该界面并且保留设置；第二种情况是，会进行模式的切换。因为在本设计中所用的按键是金属解除的方式，所以需要在程序中加入一个短延时来消除它产生的抖动波纹的影响。本次设计中用到的独立按键电路原理图如图3.9所示：图3.9独立按键电路3.7红外接收模块电路设计3.7.1红外接收头简介在本设计中，通过红外遥控器控制电机的功能，需要靠红外一体接收头来实现。这种接头是把相关的电路集合在了一个元器件之中。在这个设计中所用的型号为HX1838。该型号的接收头发挥作用的整体运作过程是，最开始是由红外监测二极管负责查找检测附近的红外信号，然后将检测接收到的的信号传递出去，该信号依次经过放大器和限幅器以及带通滤波器，在经过上述的元器件之后，在一开始收到的信号此时会被转化为负载波，最后再经过解调电路和积分控制电路，传输进入一个比较器，而这时，比较器就会将不同的高低电平输出，使用这种方式将信号的波形还原成最开始的样子REF_Ref28739\r\h[15]。在本设计之中，将其连接至本设计所用单片机的3.2引脚上，该引脚同时也是负责外部中断输入的，这样连接，在接收到外部红外信号的时候，就可以立刻响应进入解码阶段。如上文所说。本设计用到的单片机是弱上拉的，这里就必须添加一个上拉电阻。具体和单片机的引脚连接原理图如图3.10所示：图3.10红外一体接收头与单片机的连接电路图3.7.2红外接收模块的解码原理这种编码的格式总共两个标准，分别是NEC和PHILIPS标准，本设计中应用到的是第一种。在每次按下操控指令时，红外遥控器都会发送一帧，这种数据信号一共是包括了32位不同的码，在这些不同种类的码之间就囊括了数据码以及和它相反的反码。在接收到数据就可以利用这一特殊的关系来判断数据是否接收到了正确的数据REF_Ref28984\r\h[16]。3.8本章小结在本章节中，详细介绍了本次设计中所用到的各个元器件的详细作用以及连接情况，还有一些元器件的规格选择设计和处理数据以及运作方式，与此同时，还对部分多用芯片根据对应的芯片手册对电压规格、引脚的定义等进行了简单介绍。在经过原理图的绘制之后，经过简单的运行和实验确认了目前硬件布线和排版的合理性和可行性，最终达成了最后的成品，在这一阶段对于各个硬件的选择有了更深刻的理解，是一次难能可贵的经历。

第4章系统软件设计4.1系统主要函数的介绍4.1.1主函数的设计主函数voidmain()作为一个程序的入口，是构建出一个可以使用的函数最重要的一环。而在具体使用的时，则会根据功能分成不同模块单独写函数进行封装，在遇到需要使用的情况，就可以直接在主函数中调用需要的函数，这样就不会导致程序整体过于杂乱。具体主函数流程图如图4.1所示：图4.1主函数流程图4.1.2LCD1602显示函数的设计这种液晶显示屏开始的时候需要需要输入显示位置的地址，然后将数据按顺序的进行写入就行。在下述的函数流程图中，在流程图4.2中的变量x和y他们的意义都是表示的液晶屏上显示位置的地址坐标，而*s这一指针则表示的是在程序中需要调用显示的某一个字符数组REF_Ref30117\r\h[17]。显示函数流程图如图4.2所示：图4.2显示子函数流程图4.1.3读时函数的设计图4.3读时函数流程图本设计中主要使用到了年月日秒分和星期计时器。当给计时器的秒寄存一个数值时，计时器就可以从这个数开始秒累加，并可自动进位。在怎么对读时函数进行编程上，只需要按照核心芯片的数据手册操作即可。具体读时函数流程图如上图4.3所示。4.1.4步进电机控制函数的设计步进电机的控制在上一章节已经介绍过了。该程序流程图中的正转流程图如图4.4所示，相反的转动情况如图4.5所示REF_Ref30551\r\h[18]：图4.4步进电机正转函数流程图图4.5步进电机反转函数流程图4.1.5光强检测函数的设计光强检测电路主要用到两个函数，一个是以光强控制电机的函数，另一个则是A/D转换函数，A/D转换函数是通过核心芯片进行采集电压，在一开始先发送一个初始化的信号，然后再判断是哪一种的采集通道，在判断完成后控制核心就会发送一个下降沿以此来开始数据的读取，这个过程中采取高位在前面，低位在后的顺序，并且必须是串行传输，直到将数据都采集完毕之后，再将上述数据返回。具体A/D转换函数流程图如图4.6所示：图4.6A/D转换函数流程图而光强检测函数则是看光照强度所反映的数值，具体光照检测函数流程图如图4.7所示：图4.7A/D光强函数流程图4.2本章小结在本章节中，把各个模块系统如何运行操作做了一个总结，对设计的整体架构有了更清晰的了解和掌握。在不断地试错中，总结程序的错误和改进，也是一种不错的成长。

第5章设计测试与运行5.1软件测试与运行在这个设计中，使用Keil软件来实现编程的部分。并且生成程序文件。然后把上述文件一款叫做普中的软件下载到本设计所用单片机中。最后通过检测实物功能是否成功来检测程序是否合适于实物，或者是否能够良好的实现本设计所需的功能，在检测中不断地对程序进行修改和编撰，最终修改完善出一个好的程序REF_Ref30960\r\h[19]。经过最终测试，程序没有错误，可以正常使用，功能正常。5.2硬件测试与运行5.2.1实物图展示图5.1实物整体展示图在实物展示图5.1中，21/04/29显示的是当前的年、月、日，而21:57:31则显示的是当下的时间；显示屏显示SD的时候代表当