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    发布时间:2019-10-09 来源:www.coat35.com  作者:博硕论文辅导网

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    电气自动化技术专业范文:基于单片机的智能窗帘控制系统设计

    专业:电子自动化技术  学号:xxxxxxxx  姓名:xxx

    指导教师:xxx

    摘 要:智能窗帘作为智能家居的一个重要部分,其智能化的程度直接影响人们的日常生活水平。文章以STC89C52单片机为主控制核心芯片,研究和设计带红外遥控、自定义时间控制、光照强度控制、手动控制功能的智能窗帘控制系统,实现窗帘的自动和半自动开合。文章以汇编语言为源程序进行软件设计,通过Protues软件进行硬件设计与仿真,并最终完成智能窗帘的模型制作。

    关键词:智能窗帘;单片机;红外遥控;光照强度控制;自定义时间控制;手动控制;LCD1602显示;直流电机;汇编语言;按键;Protues仿真

    1  绪论

    1.1  智能窗帘研究的意义

    智能窗帘[1-6]作为智能家居[22-23]的重要组成部分,与人们的日常生活息息相关。其智能化程度直接影响人们的生活水平。近年来随着物联网[7-8]技术的迅速发展,智能家居成为家庭信息化和社会信息化发展的重要组成部分。智能家居控制系统[9-10]的应用让人们在家中就能享受到更安全、更舒适、更方便、更高效的生活。而在现代家居中,窗帘具有良好装饰、采光、通风、防尘、挡雨等作用,是家居生活必不可少的重要组成部分,智能窗帘控制系统的设计思想也就在这种形势下应运而生。

    目前,常用的窗帘轨道都是拉绳轨道或滑轨式,当窗户面积大、窗户高或安装厚重的窗布时,采用手动或者拉绳都比较费力、费时,效率低下,并且容易导致帘布损坏。智能窗帘控制系统具备丰富的智能化控制功能,这些智慧化的功能更加人性化,比如温控功能、光控功能、遥控功能、预警功能等不需要人为操作就可以根据外界环境的变化自动控制窗帘的启闭。研究开发这些智能化的功能都将为家庭营造一个高效、舒适、温馨、安全、便捷的居住环境,进而改善和提高人们的生活质量。

     

        在国外发达国家智能窗帘已经相当普及,而在国内中低收入的家庭中仍使用着传统的手拉式窗帘,高收入家庭也仅有一部分采用电动窗帘。造成这种情况的原因不仅是智能窗帘高昂的价格(如果一副窗帘配两个电机,电机为400元左右,轨道80元一米,如果一个窗户3米宽,则装自动窗帘的成本大概是:2*(400+3*80)=1280元,遥控另算一般40元左右,总成本在1400—1700之间),开发、设计水平与国外相比也还存在一定的差距。因此,研发和设计价格低且智能化的窗帘对人们的生活质量、经济以及电子技术的发展都具有非常重要的意义。

    1.2  智能窗帘的研究现状

    窗帘的发展大致包括四个阶段:原始窗帘阶段、无滑动固定式窗帘阶段、手拉或滑轨式窗帘阶段、智能窗帘阶段。

    国内窗帘的研究已经进入智能窗帘的研究阶段。但研究还并不深入,许多领域都需要进一步探索与拓展,功能和稳定性还需要进一步完善。国内智能窗帘的研究已经实现了多功能性,譬如单控、群控[11];光控[12-14]、雨控[15]、遥控(红外遥控)[16-17]等等,对于高端产品的开发已经进入智能家居阶段,即智能窗帘作为智能家居研究的一部分,与其它家居电器一起利用无线网络技术或者蓝牙技术通过远程终端进行控制,最常见的远程终端包括计算机和手机。国外对窗帘的研究也处于智能窗帘的研究阶段,其技术相比于国内更加成熟,但就智能窗帘的发展而言,还有许多技术和功能需要进一步研究和开发。

    智能窗帘的研究不仅可以改善人们的生活质量,为用户提供一个舒适、安全、便捷的生活环境,同时也能为一些企业带来新的发展机遇。譬如为房地产业带来新的购房概念与卖点,促进电子技术、物联网技术产业的进一步发展。随着智能家居的发展,智能窗帘必将逐渐代替普通窗帘,甚至走在智能家居的前列。以目前智能窗帘的应用趋势与智能家居的应用相比,也的确如此。因此,智能窗帘具有良好的发展潜力与发展趋势。

    1.3  本文涉及的基于单片机智能窗帘控制系统的概述

    1.3.1  基于单片机智能窗帘控制系统的组成

    本系统主要组成部分包括:单片机、红外遥控模块、定时控制模块、光控模块、LCD液晶显示模块、电机驱动、按键操作等部分,其总体框架见图1。

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    1. 单片机模块

      这是系统的核心处理器,它能接受红外遥控模块、定时控制模块、光控模块以及按键操作传来的信息,对信息进行检测和处理,并将处理后的信息传送至LCD1602进行实时显示[18]

    1. 红外遥控模块

      该模块由另一块单片机芯片、按键和红外线发射电路组成,发射红外信号传送给主控制单片机,进而控制电机的转动。

    1. 定时控制模块

      该模块的主要功能是通过用户自定义设定固定的时间来控制电机的正传与反转,进而达到定时控制窗帘的打开和关闭。

    1. 光控模块

      该模块主要负责光照强度的采集,并将转换后的光照信息传送给单片机,当光照过强时控制窗帘关闭,当光照过弱时控制窗帘打开。

    1. 按键操作模块

      按键由红外遥控模块的按键和主控制单片机部分的按键组成,主控制部分的按键用于正常时钟走时以及自定义时间的设定。

    1. LCD液晶显示

      该模块的功能主要是显示年、月、日、时、分、秒。

    1. 电机驱动模块

      该模块主要完成电机驱动功能。根据单片机传送的控制信号,变动输出电平,控制电机转向,从而实现窗帘的开合。

    1.3.2  本文所研究的主要内容

    本文主要研究的内容包括:

    1. 窗帘控制系统的硬件设计。主要介绍窗帘控制系统所选取的硬件及其功能和详细参数。采用STC89C52单片机为主控制中心。此外,还介绍了红外遥控模块、自定义时间控制模块、光照信息采集模块、LCD液晶显示模块、按键操作模块、窗帘驱动模块的硬件设计
    2. 红外遥控技术。系统功能的一部分是通过红外遥控板发射红外信号,通过红外信号的收发以及主控制单片机对接收的红外信号进行处理,来控制电机的转动。本系统未采用现成的红外发射芯片,而是利用另一块单片机(STC89C52)自行设计红外发射电路,因此,设计好红外发射模块,并按照预先规定的协议进行通信,才能够实现电机的转动,窗帘的开闭。
    3. 定时控制技术。系统拟用时钟芯片与单片机相结合以实现用户对时间的随意设定,对日期的任意调整。
    4. LCD液晶显示。液晶显示屏主要显示日期及具体的时间,进行自定义时间设定时,显示用户将要设定的开闭窗帘时间。之后再回到正常时间的走时。进行时间模式调整时,将显示用户将要调整的日期和时间。
    5. 软件设计。本文采用汇编语言进行软件设计。汇编语言具有目标代码简短、占用内存少、执行速度快的特点,它是高效的程序设计语言。系统需要处理红外信号、光照信号、按键操作等传来的各类信息,需要控制电机的转动以及LCD液晶的显示,如何做好软件设计是系统实现的关键。
    6. 进行窗帘模型制作,对系统进行调试。

    2  系统硬件电路设计

    2.1  系统总体设计

    本系统以窗帘为模型,通过单片机控制电机的转动,进而控制窗帘的开闭。系统采用两个直流电机,通过电机驱动分别控制左右窗帘的收缩。系统的默认控制模式为自定义时间控制模式,当有红外遥控信号或者光控信号要求时,系统转向新的要求模式进行工作。窗帘主控部分搭载有51单片机最小系统、红外接收电路、定时模块、光照传感模块、按键模块、LCD显示模块、电机驱动模块。副控制部分为红外发射模块,由单片机(STC89C52)最小系统、按键、红外发射电路组成。整个系统分为四种工作模式:

    1. 红外遥控模式

      该模式下,用户可通过按下红外发射模块的按键来发射红外信号,红外接收芯片接收到信号之后对信号进行处理,并将处理后的信息传递给主控制器,主控制器进一步分析处理信息后作用于电机驱动模块,最终控制电机的运行。

    1. 自定义时间模式

      系统的默认控制模式为自定义时间控制模式,用户可以根据自己的喜好设定打开或者关闭窗帘的时间,这两个时间的设定彼此独立,互不影响。即用户设定好开窗帘时间后可以继续设定关窗帘时间,时间可以重复多次设定。另外该模式下还增加了附加功能,即时间日期的显示和调整功能,设计人性化。

    1. 光控模式

      处于此模式下,系统可以根据外界光照的强弱自动打开或者关闭窗帘,使室内在无人为操作的情况下也能保持良好的采光效果。

    1. 手动模式

      在停电或者设备出现故障的情况下,用户可以通过传统的手拉式行为对窗帘进行操作。

      总体方案设计如图2。

       

       

                                                  

                                                     

                                                                                          

       

       

       

       

       

       

    2.2  电源模块

    窗帘控制系统中需要供电的模块有:单片机最小系统模块、红外信号发射模块、自定义时间控制模块、光照采集模块、LCD液晶显示模块、电机及电机驱动模块。电机驱动模块需要使用双电源供电(5V、9V),单片机及其它模块需要5V直流电压,本系统采用单相桥式整流电路。此电源电路通过单相桥式整流电路和稳压电源芯片7805、7809,把交流220V电压整流为5V和9V直流电压。220V的交流电压通过变压器,将电压降低,然后通过单相桥整流电路将交流电能转换成直流电能,图中的电容起滤波作用,最后通过稳压芯片输出稳定的直流电源,具体电路如图3。

     

     

     

    2.3  电机及电机驱动模块

    2.3.1  电机模块

    窗帘的运动是靠直流电机的转动来实现的,因此,控制直流电机的转动方向就能控制窗帘的打开与闭合。

    直流电机的工作原理:直流电机中固定有环状的永磁体,电流通过电机转子上的线圈就产生洛伦兹力,洛伦兹力带动电机旋转。当电机转子上的线圈平行于磁场时,若此时电机继续转动,其受到的磁场方向将发生改变,此时因为转换片与转子末端的电刷交替接触,从而线圈上的电流方向也发生改变,线圈上的电流方向与磁场方向同时发生改变,产生的洛伦兹力方向却不发生改变,从而电机能保持同一转动方向不发生改变。因此,只要改变流入电机的直流电流的方向,就能改变电机的转向。

    设计采用的是微型直流电机,其额定电压为3V~ 9V,空载时转速为6800 ~16800转/分,额定电流250 ~ 420mA。直流电机具体参数如表1。

     

    表1  直流电机参数

    属性

     

    参数

     

    工作电压

    DC 3V

    DC 6V

    DC 9V

    工作电流

    2500mA

    350mA

    420mA

    空载速度

    6800rmp

    11000rmp

    16800rmp

    负载速度

    20rmp

    147rmp

    170rmp

    重量

    63g

    外形尺寸

    30.5mm*24.2mm*12mm

    噪声

    <65db

     

    2.3.2  电机驱动模块L298N[19-20]

    电机驱动模块使用电机驱动芯片L298N,L298N是双全桥电机驱动芯片,可以驱动46V、2A以下的电机,内部含2个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器,能接收标准TTL逻辑准位信号,且可以直接透过电源来调节输出电压。芯片内部包含4信道逻辑驱动电路,可同时驱动1个4相或2个二相电机,该芯片可直接由单片机的IO端口提供模拟时序信号。由于电机正常工作时对电源的干扰很大,只用一组电源供电会影响单片机的正常工作。所以使用该芯片时要接双电源。一组5V电源给单片机和控制电路供电,另一组5V、9V电源分别供给L298N的+Vss、+Vs(分别是L298N的9、4引脚)。电机驱动芯片L298N如图4。

     

     

     

     

    产品参数见表2所示

    表2  L298N的运行参数

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    参数

    符号

    测试环境

    最小值

    典型值

    最大值

    单位

    驱动电源电压

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