基于51单片机的智能窗帘控制系统设计与实现

项目编号___201111___江南大学物联网工程学院大学生创新训练计划结题报告项目名称基于51单片机的智能窗帘控制系统设计与实现项目负责人秦晶所学专业电气工程及其自动化所在学院物联网工程学院电话(手机)15052270915电子信箱[e-mail]项目起止年月2011/11-2012/05第一指导教师肖永松专业技术职务工程师电话(手机)18762804437电子信箱[e-mail]结题日期2012年5月1江南大学物联网工程学院创新训练计划项目结题验收表学院名称：物联网工程学院填写日期：2012年5月项目名称智能窗帘控制系统项目编号项目组成员姓名学号承担工作量（％）本人签字备注负责人秦晶070109010820成员1蔡楷倜070110010120成员2张佳斌070110022520成员3方新茂070110020420成员4乔勇070410051320指导教师姓名年龄职称联系电话（手机）指导教师1肖永松29工程师18762804437指导教师22一、研究成果简介控制系统的主要由核心芯片STC89C51、数模转换芯片PCF89C51、时钟芯片DS1302、步进电机驱动芯片ULN2003几部分构成。控制系统可实现光信号控制步进电机转向及转动圈数来达到控制窗帘开合状态的功能。窗帘开合状态分为五档，窗帘当前所处档位和当前时间均可以在液晶上显示出来。当前时间可以通过按键来设置。手动控制模式下可以通过按键选择窗帘预期的档位。自动模式需设定预设时间（默认为7:00-18:00），在预设时间内窗帘可处于光控状态，当光信号转换来的数字信号超过80时窗帘拉合，低于20时完全打开。3二、成果特色及创新点：1.光敏模块用来采集光信号，并抓换为电信号，灵敏度很高。模拟信号的输出值大，不需要放大电路，提高了信号的精确度2.控制：STC89C51对经AD转换后的电信号进行读取，并根据所读取数据对步进电机驱动电路进行控制以实现对电机转向和转速的控制。3.显示：1602液晶显示器采用串行输入，相比于数码管显示更加节省I/O口。且显示信息量更大，效率更高。4.时间设置：纽扣电池可以在方口USB不供电时继续供电，时钟电路保持运行，确保当前时间的准确性。5.电机：采用步进电机比直流电机更加容易控制转向和转动圈数，灵活可靠。三、成果形式及数量：■文献综述1份；□专利个；□调研报告份；□软件件；□设计作品份；□图纸1套；□实验记录份；□论文篇；□制作实物1件：□课件件；■心得体会1份；□其它。4大学生创新训练计划《基于AT89C51单片机的智能窗帘控制系统》成果精粹江南大学二○一二年五月5简介随着物联网概念的发展，智能家居的理念也渐渐渗透到我们的生活中，受此启发，我们想尝试着做一个智能窗帘的控制系统，希望可以通过光强和时间来控制窗帘的开合。恰好我们都进行了电路、模电数电的学习，也曾初步接触了单片机，我们想通过设计这个控制系统来加深我们对所学内容的理解和掌握，更加熟悉使用protel等专业软件。计划设计一个系统可以实现以下功能：在自动模式下，在设定的时间内，如早成6点至晚上8点，晚上8点至早晨6点，时间控制，可以避免室内开灯造成窗帘自动拉开。通过光强控制，在设定光照强度范围内，窗帘拉开，超过设定强度，如夏日中午，为避免房间被光直射造成温度过高，窗帘关闭。在手动模式下，通过按键来调整窗帘的开合状态。最终设计使用STC89C51单片机，STC89C51有512字节的数据存储空间，是AT89C51的两倍，并且带有4K字节的EEPROM存储空间，可以断电后保存资料，可以直接使用串口下载，而AT89C51需要专用下载器。控制系统可以实现对光信号的采集、转换、传输，并根据单片机接收到的信号，结合时钟电路的信号，对步进电机进行控制，通过控制步进电机转向及转动圈数，来实现对窗帘的打开及拉合控制。设计时对硬件进行了模块化分析，以STC89C51作为主控芯片，光信号采集使用光敏模块，数模转换主要使用PCF8591芯片，显示模块采用1602液晶显示器，时钟电路采用DS1302芯片，电机驱动器主要使用ULN2003。6控制器设计：构成模块主要功能：单片机控制系统：处理信号并控制电机运行。AD转换：将光敏模块输出的模拟信号转换为数字信号。光敏模块：采集光信号并转换为模拟信号。液晶模块：用于显示时间及控制模式。时钟电路：配合外部晶体实现振荡，为单片机提供运行时钟。按键：设置时间及选择模式。电机驱动：为步进电机提供足够大的驱动电流。复位：进行复位。电源：为系统运行进行供电。图1模块功能图7硬件设计单片机控制模块图2单片机控制模块电路原理图：STC89C51芯片共40引脚，1~8脚是通用I/O接口（p1.0~p1.7），9脚rst复位键，10、11脚RXD串口输入、TXD串口输出，12~19脚:p3接口(12,13脚INT0中断0、INT1中断1，14,15:计数脉冲T0T116,17:WR写控制RD读控制输出端),18,19脚:晶振谐振器，20脚接地线，21~28p2接口高8位地址总线29:psen片外rom选通端，单片机对片外rom操作时29脚(psen)输出低电平30:ALE/PROG地址锁存器31:EArom取指令控制器，电源+5V。本系统采用P0口及P1^0、P1^1、P1^2控制液晶显示，P1^3-P1^7口控制按键、P3^0、P3^1、P3^4口控制DS1302、P3^5、P3^6口控制PCF8591，P2^0-P2^3口控制ULN2003。光敏模块：功能：采集光信号并转换为模拟信号。说明：VCC外接3.3V-5V电压（可以直接与5v单片机和3.3v单片机相连）GND外接GNDDO小板数字量输出接口（0和1）AO小板模拟量输出接口图3光敏模块电路图本系统使用AO端作为AD转换模块的模拟信号输入。8模数转换模块：图4AD转换模块电路原理图功能：将光敏模块输出的模拟信号转换为数字信号，本系统采用第三通道（AIN3）说明：因为STC89C51芯片没有AD转换模块，故而采用PCF8591T芯片来实现AD与DA转换功能的，它有4路模拟输入，1路模拟输出，一个I2C-BUS接口，3个给硬件地址编程的脚。通过I2C总线与处理器通信，其价格低廉，接口简单，转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。其引脚定义如下：AIN0~AIN3：模拟输入（A/D转换）。AOUT：模拟输出（D/A转换）。A0-A2：硬件设备地址。GND：电源负极地。VREF：参考电压输入。EXT:振荡器输入时，内部/外部的切换开关。OSC:振荡器输入/输出。SCL:I2CBUS时钟输入。SDA:I2CBUS数据输入/输出。AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地。液晶显示模块：功能：用于显示时间及控制模式说明：此液晶为工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）图6液晶电路原理图9图5液晶实物图1602采用标准的16脚接口，其中:第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15～16脚：空脚按键模块：用于设置时间及选择模式图7按键电路原理图说明：P1.3：右P1.4：中P1.5：下P1.6：左P1.7：上10时钟电路图8时钟电路原理图说明：低功耗时钟芯片DS1302可以对年、月、日、时、分、秒进行计时DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需用到三个口线：1RES（复位)；2I/O（数据线)；3SCLK（串行时钟）。时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。步进电机驱动模块：用于驱动步进电机图9步进电机驱动电路说明：电机选用28BYJ-48型步进电机，电压5V，五线四相11图10步进电机原理图表1步进电机转动相序相顺序ABCD01100101102001131001相顺序从0到1称为一步，电机轴将转过18度，01234则称为通电一周，转轴将转过72度，若循环进行这种通电一周的操作，电机便连续的转动起来，而进行相反的通电顺序如4321将使电机同速反转。通电一周的周期越短，即驱动频率越高，则电机转速越快，但步进电机的转速也不可能太快，因为它每走一步需要一定的时间，若信号频率过高，可能导致电机失步，甚至只在原步颤动。电源模块：为系统供电图11电源模块原理图12复位模块图12复位电路原理图软件设计设计流程图：图13软件流程图13实物展示图14PCB板正面图15PCB板背面14项目心得通过这次历时半年的项目，我们都收获颇多。在所学专业知识上，我们都有了更深的理解和认识，能够把课本的知识同实际应用对应起来，学习的过程就充满了趣味，不那么枯燥。在最初的基础知识准备的过程中，我们翻阅了大量的资料，看视频教程，练习使用protel等软件，对进行项目所需要的只是做了系统的学习，这个过程中有许多的不解和困惑，大家相互交流，总结自己学习的收获，感觉很充实。半年的过程中，遇到过各种各样的难题，但是大家齐心协力，相互配合，虽然不是每次都能够顺利解决问题，有的时候会因为检查电路或程序的错误而花费大量的时间，但是我们能够从解决问题的过程中相互学习，彼此之间的合作也使得我们的进展不会停滞不前。每一次一起解决掉某个问题的时候，获得一定成就的时候我们都很受鼓舞。在分工及合作中的交流也很重要，每个人的思路和想法都让我们从不同的角度去思考。这次的项目合作让我们都受益匪浅。我们都非常高兴能够参加这次项目，这会是我们大学学习中非常有趣也很有收获的经历。附：proteus仿真图15表1硬件模块元件清单模块元件型号数量AD转换PCF85911个电阻1KΩ1个10KΩ2个滑变电阻器10KΩ1个电容1041个液晶模块液晶显示器16021个滑变电阻器10KΩ1个时钟电路DS13021个晶振327681个电阻10KΩ1个按键四脚按键5个单片机控制系统单片机STC89C511个晶振1105921个电容20PF2个LED2个电阻10KΩ2个复位四脚按键1个电解电容1uf1个电阻10KΩ1个电源LED（电源指示）1个纽扣电池1个电阻1KΩ1个方口USB1个六角按键1个电机驱动ULN20031个电容1041个