智能光控窗帘设计

长春理工大学课程设计第1页共14页长春理工大学课程设计设计课题：智能光控窗帘的设计院系名称：生物医学工程班级：1008112学生姓名：孙鹏鹏学号：29指导老师：黄丹飞长春理工大学课程设计第2页共14页智能窗帘系统设计摘要本文描述了智能遥控窗帘系统的设计和工作原理，给出了智能遥控窗帘系统的硬件原理图、软件流程图。用单片机实现窗帘控制，为传统的手拉式或滑轮式窗帘应用模式转轨到新的红外模式和光敏电阻模式以及按键模式提供了具体解决方案，也为窗帘的智能化发展提供了新的思路。本文的主要研究使用价格相对便宜的红外线遥控发射芯片、和光敏电阻模块和按键开关来实现对智能窗帘的半自动和全自动的控制；关键词：自动窗帘系统；红外线遥控；光敏电阻模块；H桥式电机驱动电路；单片机最小系统TheDesignofIntelligentCurtainSystemAbstractThispaperdescribestheintelligentremotecontrolcurtainsystemdesignandworkingprinciple,presentstheintelligentremotecontrolcurtainsystemhardwarediagram,thesoftwareflowchart.WithMCUcurtainscontrol,forthetraditionaltypeorpulleytypecurtainapplicationmodetransitiontothenewinfraredpatternandphotosensitiveresistancemodeandkeymodelprovidesspecificsolutions,aswellasthecurtainintelligentdevelopmentprovidesanewtrainofthought.Themainresearchworkwasasfollows:theusedoftherelativelycheappriceoftheinfraredremotecontroltransmittingchip,andphotosensitiveresistancemoduleandakeyswitchtoachievetheintelligentcurtainsemi-automaticandfullyautomaticcontrol;Keywords:automaticcurtainsystem;infraredremotecontrol;thephotosensitiveresistormodule;Hbridgemotordrivecircuit;thesmallestsingle-chipsystem第3页共14页一绪论1.1设计目的自动定时来实现窗帘的定时张开与关闭，早上定点拉开窗帘，同时起到早上提醒业主起床的作用，给人营造温馨与舒适的环境。实现一键控制功能，可以一键将窗帘拉开或关闭。1.2设计任务1)室外光强高于30KLX时，该电路自动控制电机使窗帘拉开。2)设置两个手动按钮，一个控制窗帘向两边张开，一个控制窗帘向中间闭合，此时的操作不受光的控制。1.3研究思路和方法定时开关要实现双定时，则其主要的技术在与将不同强度的光信号转化为不同值的电信号，同时对电信号进行取样，再使用一个专业的窗口比较器LM393对电压值进行分段，来实现双定时；一键控制在于的是简洁方便，同时为了降低成本，加强实用性，课题选用红外控制和按键控制两种键控制方式来实现对窗帘的一键控制功能；在执行机构方面，为了降低成本和维护实物的美观性，课题采用了一个直流电机，采用三脚架结构固定安放电机，通过对绳索在电机凹槽的缠绕方式的不同，来实现窗帘的左右开合。二项目总体方案设计2.1系统原理框图系统原理框图如图1所示：电源主控制器红外遥控模块传感器驱动模块执行机构图1系统原理框图第4页共14页2.2工作原理首先这款智能电动窗帘属于智能家居的一个分模块，因此电源供电以室内交流电220V最为合适，因为课题使用了以单片机为主控芯片的控制器和12V直流减速电机，所以整个模块需要12V、5V两种直流电源；5V电源为主控制器电源，12V电源为MOS管H桥驱动电路电源；主控制器选用了以单片机为主控芯片的最小控制系统，使用了软硬件结合的方式来实现整个窗帘的智能化；红外控制课题选用了市场上比较实用SM0038系列的红外模块来实现；定时模块课题采用了以可见光光敏电阻器为传感器，通过传感器检测光的强弱来确定相对应的电压值；驱动电路选用了以MOS为核心的H桥式驱动电路来驱动电机正反转，三系统硬件设计3.1单元电路工作原理和实现功能:3.1.1电源指示灯模块：利用发光二极管作为电源指示灯，批示电源是否接通。电路原理图如右图所示：发光二极管的压降Uon约为1.8V,通过二极管的电流I=(Vcc-Uon)/R5≈0.63mA；图2电源指示灯图第5页共14页3.1.2220伏交流电转12伏直流电模块：图3220V交流电转12V直流原理图课题选择了一个220---12V的变压器，得到一个12V的交流电，再通过由4个N4007整流二极管组成的H桥整流电路和一个50V—1000uF的极性电容来得到一个直流12V电源;J1排针口为220伏交流电输入口，T1为220伏到12伏的变压器，四个整流二极管N4007型号的组成的整流器，C2为是整流滤波电容；为了减小元件误差，课题使用了7812和7805三端稳压芯片来得到12V、5V的直流电源。第6页共14页3.1.37812稳十二伏稳压模块：图412V稳压模块原理图12V电源为MOS管H桥驱动电路电源；J3是从220伏交流电转12伏直流电模块的电压输出口，从7812的1号脚输入，2号脚接地，3号脚为12V稳压电源输出端口；C9电容为滤波电容；3.1.47805稳五伏稳压模块：图55V稳压模块原理图5V电源为主控制器电源；J3是从220伏交流电转12伏直流电模块的电压输出口，从7805的1号脚输入，2号脚接地，3号脚为5V稳压电源输出端口；C19电容为滤波电容；第7页共14页3.1.5主控制器：主控制器原理图如图6所示：图6控制器原理图用软件生成了PWM波，通过P0端口来驱动MOS管H桥驱动模块，让电机正转或者反转；当主控制器的P0.6端口输出为高电平，P0.7端口输出为低电平的时候，电机正转，窗帘拉开；当主控制器的P0.6端口输出为低电平，P0.7端口输出为高电平的时候，电机反转，窗帘闭合；当主控制器的P0.6端口输出为低电平，P0.7端口输出为低电平的时候，电机不转，窗帘保持原状态；第8页共14页表1电机状态与P0.6、P0.7口电平关系表晶振为11.0592M，P0.6和P0.7为PWM波输出端口，电机正转PWM波占空比为80%；P3.2、P3.3为外部中断按键，P2.1为光敏电阻电压输入端口；3.1.6光敏电阻传感器模块：图7光感模块原理图光敏电阻课题选用了TYL系列光敏电阻器，它是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换；根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器，紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器；课题选用了可见光光敏电阻器光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性；传感器模块使用了一个10K的滑动变阻器作为打压调节平衡器，入射光强，电阻减小，2号端口电压值变大，窗帘打开；入射光弱，电阻增大，2号端口电压值变小，窗帘闭合。然后通过一个LM393进行一个比较，确定两个阈值，使得LM393发出三种不同的高低电平组合信号电机状态P0.6P0.7反转01不转00正转10第9页共14页通过单片机的P2端口来实现对窗帘的开合控制；表2光强、光敏电阻电压及窗帘状态关系表3.1.7SM0038红外模块作为红外遥控装置：图8红外遥控模块原理图将红外的接收端安装在主控制器上，课题使用了发射端的五个按键作为整个智能窗帘系统的红外控制按键，来实现窗帘的开合，以及遥控与定时的相互转换；红外遥控模块采用了SM0038系列,其解调输出信号可以直接有微处理器解码，其主要特点是可靠性高，不易受环境干扰，并可以防止非控制信号的输出脉冲出现。可以连续进行数据发送。12345图9遥控器按钮图1号健为整个系统的电源总开关键，2号健是夜间模式键，打开2号健的时候，是在夜间状态，窗帘已经关闭，光敏电阻模块放置在靠向窗户一侧，当第二天天亮，室外光打达到设定的阈值时，夜间模式功能使得窗帘打开，提醒主人起床，当不需使用夜间模式时，可按下3号健，关闭夜间模式，当然使用其他的光照强度光敏电阻电压v窗帘开合状态E10KLXU》4.0关闭10KLXE30KLX1.8《U《4.0保持E30KLXU《1.8开第10页共14页三个遥控键也可以实现关闭夜间模式功能；4号健为窗帘打开键，5号健为窗帘关闭键；实现了红外遥控功能；表3红外遥控板按键对应键值级功能说明表键标号对应键值功能说明145H总开关246H夜间定时模式开启347H夜间定时模式关闭444H电机正转窗帘开启540H电机反转窗帘闭合3.1.8H桥MOS管驱动电机电路模块：图10电机驱动模块原理图4个MOS管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。之所以选用MOS管，而不选用双极型晶体管，是因为双极型晶体管本身有导通电阻，在通过大电流时会明显发热，如果没有散热措施会很容易烧毁。这样就会限制电路功率的增加。而MOS管由于结构和原理的不同，导通电阻远比普通三极管低，允许流过更大的电流，且MOS管都内置有反向二极管来保护管子本身，所以采用MOS管连接H桥不但效率可以提高，电路也可以简化，使用MOS管搭建H桥，高位电路使用P沟道管；低位使用N沟道管。Q1和Q2为绝缘栅型P沟道耗尽型场效应管，型号为IRF9540；Q3和Q4为绝缘栅型N沟道耗尽型场效应管，型号为IRF540；当P0.6输入为高电平P0.7输入为低电平时，Q1和Q4管导通，Q2和Q3管截止，电机正转；当P0.6输入为低电平P0.7输入为高电平时，Q1和Q4管截止，Q2和Q3管导通，电机反转。第11页共14页3.1.9电机：电机选用的是一个十二伏直流电机，转速为150转/分，功率为5W，价格为五十元，在本系统的电机选用中，性价比为相对最优。四系统软件设计4.1各个单元的设计思路和实现的功能（按摸块化设计）1）实现智能窗帘系统的定时自动开合功能：软件定时，使电机正反转的时间确定，防止电机正反转过度；2）实现智能窗帘系统的一键控制功能：a:依靠单片机的中断功能实现按键控制窗帘开合；软件设计外部中断程序来实现该功能；b:使用红外模块实现远程的按键控制窗帘开合：对购买的SM0038红外模块进行软件的红外解码，时期实现红外远程控制窗帘开合；3）对光敏电阻采集的电信号进行采样滤波以及数值处理：实用软件编写一个采样中值滤波程序实现光检测窗帘自动开合；4）电机能够实现正反转：在主控制器单片机内用程序生成一个PWM波，通过改变它的占空比来实现电机的正反转。第12页共14页4.2软件程序框图系统初始化NYYNN结束NY开始扫描夜间模式按键是否被按下扫描关窗遥控按键是否被按下判断光照强度对应电压是否达到阈值电压电机正转窗帘打开YN电机反转窗帘关闭扫描停止按键是否被按下YYYN电机不转扫描关窗遥控按键是否被按下扫描停止按键是否被按下电机不转扫描总开关是否按下图21软件程序框图第13页共14页五调试运行存在的问题及解决方法：（1）在电源模块，变压整流后的理论输出值为12V，但是实际的输出值为18V,原本只需要一个7805电源模块就可以实现整个系统的电源供应；解决方案：增加了一个7812模块专门为驱动模块供电；（2）课题开始制作的单片机最小系统主控板在调试的过程中，因为线路连接问题而达不到课题要求；解决方案：选择了成品的单片机开发板