智能窗帘控制系统设计报告

嵌入式系统设计大赛智能窗帘控制系统Intelligent curtain control system 设 计 报 告参赛学校：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX作 者：XXXXXXXX指导教师：XXXXXX1摘要随着科技的发展，智能家居已逐渐进入人们的生活中。本设计介绍基于STC89C52单片机控制的智能窗帘系统，它采用了红外遥控技术，实现在室内任何地方，只要轻按遥控器，窗帘就会随心所欲的打开或关闭。为了使窗帘系统更加智能化，在设计中还加入了光控和自动定时控制，可以根据光强或用户定时，开启或关闭窗帘，让该设计更加人性化。关键词：智能窗帘、光控、单片机AbstractWith the development of technology, intelligent domestic living has been gradually coming into life. Describes the design of intelligent control based on single chip curtain system, which uses an infrared remote control technology, anywhere in the room, as long as the touch of the remote control, curtain will open or close the arbitrary. To make the system more intelligent curtain, also joined in the design of light control and automatic timing control, based on light intensity or the user time, and open or close the curtains, so the design is more humane.Key Words：Smart Home、Light Control、MCU目录摘要1第一章 绪论31.1 智能家居概述及发展31.2 本课题的内容和目标3 第二章 系统总体设计42.1 智能窗帘系统的功能特点42.1.1 遥控控制42.1.2 定时控制42.1.3 光感控制42.2 系统总结构图52.3 系统平台5第三章 智能窗帘系统硬件部分63.1 步进电机硬件部分63.2 串口RS232硬件部分73.3 定时模块硬件部分83.4 液晶显示模块硬件部分93.5 光敏模块硬件部分113.6 温度传感器硬件部分11第四章 系统关键功能模块的软件设计134.1 步进电机134.2 红外遥控部分134.3 串口RS232部分144.4 光敏感应模块154.5 温度感应模块15第五章 功能与指标175.1 系统功能和指标17第六章 本设计特色18第七章 结论与展望19参考文献2020第一章 绪论随着国民经济的发展和科学技术水平的提高，特别是计算机技术，通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们的生活习惯，提高了人们的生活质量，智能家居在这种形势下应运而生。1.1 智能窗帘概述及发展在现代生活中，窗帘再不仅仅只起到遮挡光线的简单的作用。它在整体家居中的装饰作用越来越突出。据调查发现，居民因迁入新居而购买窗帘布艺产品平均每单花费在4000元以上，且不乏一次花费在2万元以上者。因此，以迁入新居或装修后进行家用纺织品消费为特征的消费需求增长，成为家用纺织品消费的主流，明显地表现为刚性需求的增长。另外，随着人们对居住环境的要求不断地提高，智能化的家居产品在人们的生活中将会逐渐被认识和采纳，智能窗帘也正以其强大的人性化功能、惊人的发展速度以及巨大的市场前景崭露头角。然而，纵观目前国内智能窗帘市场，一方面，它的价格只有少数的人能承受的起，离普通大众相去甚远，而这过高的价格制约了它的发展。另一方面，智能窗帘的智能化程度还不高，有的甚至只有遥控功能也称作是智能窗帘，因此智能窗帘市场良莠不齐。针对这种现象，本设计通过创新，给窗帘增加了定时控制和光感控制，让窗帘显得更加智能化。在成本方面，采用一些价格相对便宜的器件，来实现这个复杂的系统。因此本设计具有很强的现实意义。1.2 本课题的内容和目标本课题抓住“智能家居”这一理念，在设计中力求人性化的智能控制，给用户带来最佳的体验。本设计以单片机为控制核心，一方面以接收遥控器发来的红外线，手动控制窗帘，另一方面，采用了光敏元件和温度传感器，根据光强温度的变化，实现对窗帘的智能化控制。同时，本设计还增加了另一种控制模式自动定时控制，可以给窗帘设定开关时间，让用户拥有更好的体验。第二章 系统总体设计通过分析功能，本设计的系统模块如图2-1所示:图2-1系统各部分模块智能窗帘控制系统的各个模块遥控模块温度控制模块定时控制模块光敏控制模块电机控制模块2.1 智能窗帘系统的功能特点本智能窗帘系统的具有以下几个功能特点：2.1.1 遥控控制作为一款智能型的窗帘，它仍然具有原始的按键控制功能，可以通过遥控按键来控制窗帘的开启和关闭。2.1.2 定时控制定时控制是窗帘稍微具有智能化的一个体现。通过设定窗帘开启和关闭的时间间隔，可以让窗帘在某个时间自动开启或关闭。2.1.3 光感控制光感控制可以说是最能体现本设计智能化的一个地方，通过光敏和温度传感器，实时监测外界的光感和温度，从来让窗帘根据设定的值，自动开启或者关闭。2.2 系统总体结构图系统总体结构图如图2.2所示： 按键控制模块单片机STC89C52(1)(1)单片机STC89C52 (2)电机模块1602LCD显示模块串口RS232光敏感应模块温度感应模块窗帘定时模块图2-2系统设计系统主控制器采用两块STC89C52型号单片机来实现对输入信号的采集、显示以及对窗帘设备的控制，主控制器1主要完成遥控红外信号的接收，对电机的控制，以及对窗帘设置定时开启或关闭。主控制器2主要完成温度和光照强度的采集，然后通过RS232串口传送给主控制器1，主控制器1对接收到的温度和光照强度数据进行处理，控制电机动作，从而实现对窗帘的控制。另外，主控制器2还将采集到的温度和光照强度在1602 LCD液晶显示器上显示出来。以上系统中用到的各个元件的型号：单片机的型号是STC89C52、步进电机：M35SP -7N、LCD液晶显示器：1602、温度传感器：DS18B202.3系统平台操作系统平台：Windows XP；编程软件：Keil uVision3；烧录软件：PZ-ISP以及STC-ISP。 第三章 智能窗帘系统硬件部分3.1 步进电机硬件部分步进电机采用的型号为M35SP-7NP，其基本结构由转子和转轴构成，如图3-1：图3-1: 步进电机的基本结构它的控制电路图如图3-2所示。图3-2: 步进电机控制电路图步进电机的转动是通过软件来实现的，每次给步进电机一个值，让它步进一个角度，这样它就可以连续不停的转动，从而带动窗帘的开关。具体实现流程将在软件设计部分给出。3.2 串口RS232硬件部分UART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter)，也可称为通用异步串行口 ，这是微控制器里常用的通信方式。RS-232C是一种串行口的通信接口，在RS-232C里，传输的准位提升，使传输距离增加、抗噪声能力提高，它是微型计算机常见的接口。串行式数据传输里，有单工及双工之分，单工就是一条线只能有一种用途，例如输出线就只能发送数据、输入线就只能接收数据。而双工就是在同一条在线，可接收数据，也可发送数据。 通常在传输数据之前，先要解决两个单片机的速率匹配问题。通常以每秒传输多少位(bit per second，简称bps)表示串行式数据传输的速率，若每个传输单元为1 bit时，又称为波特率(baud rate)。 波特率的设置见图3-3：fOSC波特率611.059212161100xf9-0x57-0xee-0x3f3000xfd-0x8f0xfb-0x800xfb-0x1e0xf9-0x7d6000xfe-0xc80xfd-0xc00xfd-0x8f0xfc-0xbf12000xff-0x640xfe-0xe00xfe-0xc80xfe-0x5f24000xff-0xb20xff-0x700xff-0x640xff-0x3048000xff-0xd90xff-0xb80xff-0xb20xff-0x989600-0xff-0xdc0xff-0xd90xff-0xcc19200-0xff-0xee-0xff-0xe638400-0xff-0xf7 0xff-0xf376800-0xff-0xfa- 图3-3: 波特率设置表在8052里，若要通过串行口发送数据，只要把8位数据放入串行缓冲器(SBUF)即可，8052就会帮我们把这些数据，一位一位送出去。同理，接收数据时，数据先被收集在串行缓冲器里，当8位数据到齐(串行缓冲器满了)，8052就会中断，将数据提走。 串行口也存在四种工作方式，它的设置是通过SCON控制寄存器的SCON.7和SCON.6来实现的。具体设置见图3-4：图3-4: 串口工作方式的设置本设计单片机（1）和单片机（2）所选用的波特率为4800，工作方式为方式1。3.3 定时模块硬件部分智能窗帘的定时功能采用的是89C52内部的定时器，其工作方式有以下四种。方 式位数计数范围其它功能Mode 013 位08191Mode 116 位065535Mode 28 位0255具有自动加载功能Mode 38 位0255图3-5：89C52定时器的工作模式具体工作方式的设置是通过TMOD方式寄存器来实现的。TMOD方式寄存器的高4位（TMOD.7TMOD.4）用以设置Timer1的工作方式，而低4位（TMOD.3TMOD.0）用以设置Timer0的工作方式。以低4位为例，GATE位为定时器的门控开关，用以决定其启动方式。若GATE=0，则只要TR0=1,即可启动Timer0，称为内部启动或软件启动；若GATE，则必须先将TR0位设置为1，再等待引脚为高电平，才能启动Timer0，称为外部启动或硬件启动。C/位为定时器/计数器切换开关，若C/=0，则Timer0为内部定时器，用以计数由fosc/12产生的脉冲；若C/=1，则Timer0即为外部计数器，用以计数由T0引脚输入的脉冲。M1及M0这两位可设置工作方式。具体工作方式的见图3-6：图3-6定时模块的设置本设计采用的是定时器0的方式2。3.4 液晶显示模块硬件部分LCD为液晶显示面板，由于LCD的控制需要专用的驱动电路，且LCD面板的接线需要特殊的技巧，加上LCD面板的结构比较脆弱，通常不会单独使用。LCD的内部结构为：图3-7 HD44780 LCM内部结构输入输出缓冲器为LCM的大门，所有的数据与控制信号都必须通过本单元才得以进出LCM。指令寄存器为一个8位寄存器，其功能是存放微处理器所送人的LCM指令，DDRAM或CGRAM的地址。当我们要将数据输入到DDRAM或CGRAM时，首先将数据放入数据寄存器，再把指令与DDRAM或CGRAM的地址放入本寄存器，即可将该数据输入到DDRAM或CGRAM。同样读取数据也是。指令译码器的功能是将指令寄存器里的指令译码，以获得所要操作的DDRAM或CGRAM的地址。数据寄存器连接LCM内部数据总线。地址计数器连接LCM内部地址总线，DDRAM或CGRAM的操作都需要通过本寄存器所提供的地址来寻址。忙碌标志用以表示LCM当时的状态，若BF=1，则表示LCM处于忙碌状态，无法接收外部指令或数据；若BF=0，则可接收外部指令或数据。数据显示存储器映射所要显示的数据。串行/并行数据转换器的功能是将从CGRAM或CGROM所取出的并行显示数据转换成串行数据，以提供驱动电路推动LCD面板。时序产生电路的功能是产生LCM所需的时钟脉冲。偏压产生电路的功能是提供驱动LCD面板所需的偏压。公共端驱动电路的功能是提供LCD面板公共端的扫描信号。3.5 光敏模块硬件部分采用光敏电阻对光照进行采集，并将所采集的电压模拟信号量传入AD转换芯片PCF855916，在52单片机上利用模拟 IIC总线协议，读取AD芯片所转换过来的数字信号量，再将数字量经过函数转换来得到光照度。光敏模块的内部结构如图3-8所示：图3-8光敏模块的内部结构3.6 温度感应模块硬件部分温度的采集是利用DS18B20温度传感器。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20控制方法是首先是启动DS18B20进行温度转换，然后读暂存器的值，接下来写暂存器，将数据写入暂存器的TH、TL字节，下一步把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中，重新调E2RAM后，最后启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU。温度传感器工作连接如图3-9所示：图3-9温度传感器连接图第四章 系统关键功能模块的软件设计4.1 电机模块每次给步进电机一个不同的值，让它转动一定的角度，电机转动拉动窗帘开和关。其中电机的打开和关闭窗帘的状态为正转和反转，它们的变化值如下表所示：反转0xfe0xfc0xfd0xf90xfb0xf30xf70xf6正转0xf60xf70xf30xfb0xf90xfd0xfc0xfe电机正反转程序流程如图4-1所示：图4-1电机正反转程序流程图4.2 遥控红外接收部分按下遥控按键红外接收产生中断初始化中断判键值改变电机状态图4-2红外接收程序流程图4.3串口RS232部分串口RS232用于两个单片机之间的通信，它是本设计成功的关键，串口RS232流程图为：初始化串口取得数据放入Buf发送Buf中数据初始化串口调用接收中断函数有接收中断时(2)串口接收流程图(1)串口发送流程图图4-2串口RS232程序流程图4.4光敏感应模块光敏感应模块是本设计智能化的一个体现，通过光敏传感器，不断接收外界的光照强度，从而自动判定是否开启或者关闭窗帘，这一部分程序流程图为：NY初始化定时器启动IIC总线写入AD地址读入数据地址读出数据停止IIC总线定时到否？数据输出到LCD显示图4-4光敏感应程序流程图4.5温度感应模块为了使设计结果更准确，增加了温度感应模块，窗帘的开关不仅仅是参照光照强度，而且也参照温度，这样通过多个参数来判定窗帘状态，结果更合理。温度感应模块的流程图为：NY初始化定时器初始化DS18B20启动温度转换器获得温度定时到否？LCD输出温度图4-5温度感应程序流程图第五章 功能与指标5.1 系统功能和指标本设计具有以下功能：光敏控制本系统提供了光敏智能控制功能，可以根据室外的光照强度自动开关窗帘，给居室最佳的光照强度。定时控制本设计也提供了定时控制功能，方便人们在任何时间段设定窗帘的开关。遥控控制虽然是智能窗帘，但也提供了遥控控制功能，让人们随心所欲的操作。手动控制系统可以通过三个按钮来分别实现对窗帘的开、关和停的操作。智能窗帘系统的指标如下：电机工作电压：5V定时范围：全天24小时遥控距离：= 10m环境温度：-15 +50第六章 本设计特色作为一款智能窗帘的设计，本设计具有以下亮点：1. 多模式控制本设计提供了多种控制模式，以最大限度的满足人们的需求。我们提供了手动遥控控制，以及定时器设定时间自动控制，另外，本设计的最大的亮点是提供了光敏自动控制，可谓是真正地实现了智能化，这非常好的切合了“智能家居”的主题。2. 低成本、低功耗电机只需要5V电源就可以带动，对于这个追求高效节能的社会来说，这样的功耗还是让人很满意的。另外，低成本有利于将本设计商业化，在定价上可以占有很大的优势，让更多的人买得起，用得起。第七章 结论与展望科学技术的日新月日，计算机技术的发展普及，使智能小区在人们对美好生活的呼声中迅速崛起，从而导致智能家居得到迅猛的发展。相信在以人为本的理念指导下，各种功能更强大，智能化程度更高的产品将会源源不断的出现。低成本，低能耗，简单易操作，人性化和舒适化是未来智能家居的发展方向。本设计很大程度上实现了智能化操作，如用户只要开启光敏控制功能，就可以随心所欲的享受最佳的阳光照射，而不用担心过量的紫外线辐射，另外，定时控制也是本设计智能化的体现，开启定时功能同样可以让用户随开随关，总之，本设计最大限度给用户提供人性化的操作和居室舒适化的要求。当然，本设计还有一些值得完善的地方，比如增加声控功能、增加天气播报功能等等，让窗帘更加智能化，操作更加简单化，体验更加人性化。参考文献1) 例说51单片机(2010).张义和、王敏男等编著.人民邮电出版社2) MCS-51/52单片机原理与实践(2009).公茂法等编著.北京航空航天大学出版社3) 单片机原理及接口技术(2008).张毅刚、彭喜元编著.高等教育出版社