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窗户窗帘智能化控制应用设计

2018-03-23 35页 doc 259KB 24阅读

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窗户窗帘智能化控制应用设计窗户窗帘智能化控制应用设计 本 科 生 毕 业 设 计(论 文) 论文题目 : 窗户窗帘智能化控制系统应用 姓名 : 学号 : 班级 : 1121401班 年级 : 2011级 专业 : 电子科学与技术 学 院 : 机械与电子工程学院 指导教师 : 完成时间 : 2015年 05 月30日 作 者 声 明 本人以信誉郑重声明:所呈交的学位毕业设计,论文,~是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的~没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出~不包...
窗户窗帘智能化控制应用设计
窗户窗帘智能化控制应用设计 本 科 生 毕 业 设 计(论 文) 论文题目 : 窗户窗帘智能化控制系统应用 姓名 : 学号 : 班级 : 1121401班 年级 : 2011级 专业 : 电子科学与技术 学 院 : 机械与电子工程学院 指导教师 : 完成时间 : 2015年 05 月30日 作 者 声 明 本人以信誉郑重声明:所呈交的学位毕业设计,论文,~是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的~没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术和其他侵权行为。文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出~不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本设计,论文,的研究做出重要贡献的个人和集体~均已在文中以明确方式标明。本毕业设计,论文,引起的法律结果完全由本人承担。 本毕业设计,论文,成果归东华理工大学所有。 特此声明。 毕业设计,论文,作者,签字,: 签字日期: 年 月 日 本人声明:该学位论文是本人指导学生完成的研究成果~已经审阅过论文的全部内容~并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。 学位论文指导教师签名: 年 月 日 窗户窗帘智能化控制系统 贺文浩 The window curtain intelligent control system application Hewenhao 2015年 05 月30 东华理工大学毕业设计 摘 要 本文开篇介绍了智能家居的现状与前景,进而阐明了作为智能家居中一个很重要部分——智能自动化窗帘的重要性,之后介绍了开发单片机的控智能控制系统设计所用到的集成芯片AT89S52、ULN2003芯片、红外线发射接收器、储存器等硬件的结构原理。本文利用分块的模式,对整个系统的各部分硬件电路设计进行分析介绍,分别给出了系统总体框图、电源电路、时钟DS1302电路、红外线接收电路、电机控制电路、显示电路,雨天传感器电路、光敏传感电路,报警电路等并对相应电路设计进行了相关的阐述。通过各种验证将硬件搭建完成,利用软件仿真。通过仿真调试,时钟,手动开关窗帘,自动开关窗帘等控制方面的设计上基本达到了预期的。当然,该系统在一些细节的设计上还需要不断的完善和改进。 关键词 :时钟芯片; 智能控制; 红外线;AT89S52;传感器 I 东华理工大学毕业设计 ABSTRACT This paper first introduced the basic knowledge of the smart home and its application prospect, thus illustrating the development as wisdom can household a very important part of the curtain, automatic infrared remote control significance. Then mainly introduces development single-chip microcomputer control system of infrared remote control curtain use AT89C52 integrated chips, DS1302 chip, infrared emission receiver and the structure of the hardware principle. In this article, the block model, the whole system hardware circuit design is analyzed, and the system are respectively the overall frame, power supply circuit, the clock DS1302 circuit, infrared receiver circuits, motor control circuit, show circuit, rain sensor circuit, and to the corresponding circuit design and the correlation of exposition. Then the writing of the ideas about software, is also the separate block of models, including the decoding process, Write the decoding process of infrared ray respectively, the clock chip DS1302 control procedures, LCD display program, remote control of control program writing ideas, each module are draw the charts, looks at a glance. the simulation results debugging, clock, the switch curtain, automatic switch control aspects such as the curtain on the design of basic the expected purpose is reached. Of course, this system in some of the detail of the design also need to have been the perfect and improve. Key words :Clock chip; intelligent control; infrared; AT89S52; sensor II 东华理工大学毕业设计 目 录 摘 要 ................................................................................................................................I ABSTRACT ....................................................................................................................... II 目 录 .............................................................................................................................. III 1 绪论 ............................................................................................................................... 1 1.1课题背景 .............................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状及存在的问题 ............................................................................ 1 1.3 本课题研究的内容和目标 ..................................................................................... 2 2 硬件系统设计与功能实现................................................................................................ 3 2.1系统简介 .............................................................................................................. 3 2.2系统设计框图 ....................................................................................................... 3 2.3系统模块功能介绍 ................................................................................................ 4 2.3.1 单片机AT89S52 ......................................................................................... 4 2.3.2时钟电路模块 ............................................................................................. 5 2.3.4 存储器件AT24C02 .................................................................................... 10 2.3.5红外线接收模块 ....................................................................................... 11 2.3.6显示模块 .................................................................................................. 12 2.3.7电机驱动模块 ........................................................................................... 14 2.4执行机构设计 ..................................................................................................... 16 2.4.1电源驱动电路 ........................................................................................... 16 2.4.3 数据A/D转换器....................................................................................... 16 2.4.4传感器电路 .............................................................................................. 17 2.4.5红外报警模块 ........................................................................................... 19 总 结 ............................................................................................................................. 21 致 谢 ............................................................................................................................. 22 参考文献.......................................................................................................................... 23 附录1 .............................................................................................................................. 24 东华理工大学毕业设计 1绪论 1.1课题背景 生活在不断地提高,在人类文明变得越来越完善不断进步的时代,在不同的时代对于环境有不同的要求,这是进步和人类发展的必然趋势的时代。使用智能遥控器滑动窗和窗帘控制系统微处理器控制,不仅解决日常手动打开和关闭窗户和窗帘的不便,同时生活也会闲的很有格调的样子,光线太强太弱的时候都会自动关窗,而下雨天的时候会自动把窗户窗帘关上,以调整房间的光线并且避免潮湿,进一步满足了人们享受生活的要求。在此基础上,让智能窗户窗帘可以形成规模化生产,并且普及到全国的话,那么他就会产生了一个巨大的经济效益;更重要的是,除了普通市民的住宅用地,窗户窗帘智能化控制系统也被广泛应用于其他各种公共场所,比如酒店,学校,工厂,写字楼等。正是这种广大的用户使得这款产品具有非常不错的发展前景。在我国,窗户窗帘智能化控制系统正处于初期发展中,所以说它的未来是不可想象的。未来市场形式一片良好。而且该产品对于生活有着很重要的意义。第一:改善人们的生活方式。基于单片机的窗户窗帘智能化控制系统具有强大的微处理器控制的智能功能,能够给用于带来非常舒适,方便的家居体验。在家里我们只需要一个遥控器便能控制窗户窗帘的开关,再也不需要自己走到跟前打开关闭,而且还能根据天气时间的变化自动开关,这给我们的生活带来了非常大的方便。我们的生活将不在局限,新式的生活体验将开启。第二:带动一大批产业的发展。大部分人都将是窗户窗帘智能化控制系统的用户,拥有如此广大的用户意味着他的市场是巨大的,那些有远大目光的企业势必会加入到这个产业中,形成一定的产业链,以此而带动一大批产业发展。首先最大的附属收益应该是房地产,该系统所拥有的智能化控制是一个先进科技的概念,也是一个非常好的“卖点”,这势必会成为众多房地产企业新的盈利点。目前,社会正处于高速发展时期,越来越向智能化网络化发展,因此在家居行业越来越要求产品的智能、美观、专业,智能家居也应声而生。其三:一个新兴市场将被开拓。智能窗帘控制系统,影响到很多行业,比如目前的IT系统集成商或弱电工程总建筑承包商,智能家居装饰公司。它的兴起将带动这些行业发展,催生出更多更先进智能的产品。 1.2 国内外研究现状及存在的问题 1 东华理工大学毕业设计 窗户窗帘智能化控制系统可分为自动和半自动。自动光控和雨控;半自动则有时控和遥控。通过光敏传感器还有湿敏传感器传输接收到的模拟信号。但因为灵敏度的问题,还有不同时间光强不同,不同天气湿度不同,用户在对于窗户窗帘智能化控制上会有不同的要求。在控制上加入了时控和遥控,这样会显得更加的人性化。有一部分智能窗户因为条件的限制,并不能完全达到自动化。然而那些能够达到完全自动化的窗户,无非都是结构很复杂,性能不够理想的。 有些虽然能够实现完全的自动化,而且性能也还行,但产品的造价昂贵,普通用户并不能接受。智能系统就已经进入我国已经有十年之久,可是并没有太大的发展,推广也不够。但是,窗户窗帘智能化控制系统已经在欧美等发达国家被广泛应用。智能系统就已经进入我国已经有十年之久,可是并没有太大的发展,推广也不够。近年来,由于电子技术的不断革新和成本的降低。在中国智能家居市场,窗户窗帘智能化控制正在高速发展。尽管该行业的发展在国内如同一个刚刚学会走路的孩子,但它将成为热门行业,因为它的发展空间非常广阔。在中国,那些有实力有眼光的企业家都加入到这个行业里,尽管那个时候智能窗户窗帘才进入中国市场。也正因为这样才使得最近几年中国智能家居行业发展空前的迅速。最近几年,智能窗户窗帘智能化已经形成具有很大的规模。,国内众多投资人进入这个行业,该行业已经形成了生产销售一体化。其中诞生了一批具有相当大影响力的公司。如:TCL、格力、正星特科技有限公司等。智能家居产品渐渐的被中国用户接受。根据相关报道,2014年,商品房销售面积120649万平方米,如果每15平方米需要一套智能窗帘,那每年产品供应就需要千万套以上。根据用户量,每年将增加几千万套,那么它的年销售额将达到上亿元。因此利益是巨大的。 随着时代进步,智能家居已经被广泛用于全球人民住宅,在全球与中国电子产业的飞速发展时期,人们的物质生活不断提高,智能控制滑动窗户和窗帘已成为人们对于智能家居的首选。将来,智能家居将会遍及世界各地。以目前形势分析来看,在接下来很长的一段时间里,智能窗户窗帘行业将会被广大用户使用,该行业的未来无法估量。 1.3 本课题研究的内容和目标 本课题所选用的单片机是AT89S52,通过芯片驱动步进电机以控制窗户的开关。窗户智能化控制可以利用红外遥控控制窗户的开关;也可以利用按键设置定时开关控制窗户窗帘的开关,还可以根据户外的光照情况自动控制窗户窗帘的开闭,如果下雨天的话可以自动关窗;关于光控和雨控的参数可以自己通过按键设置,根据你设置的参数自动开关窗户。在这里越来越多的人考虑到安防,因此这里加入了防盗报警功能。利用红外线传感器接收红外信号,传递给单片机,控制 2 东华理工大学毕业设计 蜂鸣器响。更大的体现了它的功能强大。 2 硬件系统设计与功能实现 2.1系统简介 在此次实验中,我们采用的单片机是AT89S52,总硬件主要有显示,传感器, 红外报警,电机驱动等主要部分。通过时钟电路提供脉冲信号。电机接收信号转 动,则控制窗户窗帘控制。传感器接收的信号通过AD转换器把信号处理通过单片 机控制。在显示模块中能够把接收的信号显示出来。 2.2系统设计框图 本次硬件设计选用了以下几个模块,如下图一 红 外 线 接 收 时钟电路模块 红外报警模块 单复位电路 片显示模块 机 存储器AT24C02 电机驱动模块 传 感 器 模 块 图一:系统整体框图 3 东华理工大学毕业设计 2.3系统模块功能介绍 2.3.1 单片机AT89S52 AT89S52是一种CMOS 8位单片机。它的工作电压最低只要3V,而频率最高可达24Hz。AT89S52有40个引脚,八位双向I/O端口有4个,分别记作P0、P1、P2、P3。31号引脚由高电位触发选用内部存储器;9号引脚接上复位电路;电源VCC使用+5V,接上40号引脚;20号接地。时钟信号放在18、19之间,一般选择12Hz,24Hz的晶振。 其主要性能 (1)与MCS-51单片机产品兼容 (2)(2)l8K字节在系统可编程Flash存储器 (3) 1000次擦写周期 33Hz (4)全静态操作:0Hz, (5)三级加密程序存储器 (6)三个16位定时器/计数器 (7)32个可编程I/O口线 l (8)八个中断源 (9)全双工UART串行通道 (10)低功耗空闲和掉电模式 (11)掉电后中断可唤醒 (12)看门狗定时器 (13)双数据指针 (14)掉电标识符 图二为AT89S52的最小系统。由振荡电路还有复位电路组成。提供时钟脉冲,还有达到复位功能。振荡电路连接18,19号引脚。复位电路接在9号引脚上。 4 东华理工大学毕业设计 U1AT89S52140P1.0VCC239P1.1P0.0 (AD0)338P1.2P0.1 (AD1)437P1.3P0.2 (AD2)536P1.4P0.3 (AD3)635P1.5P0.4 (AD4)734P1.6P0 .5 (AD5)833P1.7P0.6 (AD6)32P0.7 (AD7)10P3.0 (RXD)1121P3.1 (TXD)P2.01422P3.4(T0)P2.11223P3.2 (INT0)P2.224P2.31325P3.3 (INT1)P2.41526P3.5 (T1)P2.51627P3.6 (WR)P2.621C11728Y1P3.7 (RD)P2.730pF183012MHzXTAL2ALE/PROG29PSEN1931XTAL1EA/VPPC2C3VCC30pF922uFRST20GND S0 R1R2 10010K 图二: AT89S52芯片引角图 2.3.2时钟电路模块 时钟电路结构:内部振荡电路:由单片机内部的振荡电路,构成最小系统;外部方式:片外时钟电路。 (1)振荡时钟电路 时钟脉冲同步的时候CPU才能进行操作。晶振频率选取范围一般为 24MHz ,而片内振荡器的频率和它非常相似。反馈电容为20pF,100pF。12MHz, 一般选值是为 30pF,而本次设计则是选择这个值。而晶振频率设定为12HZ。 振荡周期=1/12us;机器周期S=1us;指令周期=1,4us;X1为输入,X2为输出。此反相放大器与反馈元件构成振荡器如图。并联振荡电路的组成:陶瓷振荡器、C5、C6连接在反馈回路中。电容大小一般会影响振荡频率及其稳定性,因此在选值的时候特别注意。当我们实际用到石英晶体时,电容最好设定在30pF?10pF如果我们选择的是陶瓷谐振器的话,电容一般定在40pF?10pF。用户也可以采用外部时钟。X1连接外部时钟脉冲。X2则悬空。本次设计对于外部时钟信号的通电时间与通电周期之比没有着重要求。因为当外部时钟信号通过触发器后即成为了内部时钟信号。而高电平和低电平的持续时间都有严格规定的。本次实验电容选用的是22pF。如图四。 5 东华理工大学毕业设计 图三: 振荡时钟电路图 (2)外界时钟电路 美国 Dallas 公司生产的DS1302芯片具有以下优点; (1) 以串行方式与单片机进行数据传送; (2) 提供实时时间信息且能自动调整; (3) 没有主电源时也能保持时钟连续运行; (4) 片内有31个字节静态RAM用来存储数据; (5) 引脚少、体积小、价格便宜; 但是任何事物有优点便有缺点。程序难写,时序要求很严格,常常会使人难以下手。本次设计使用它,一下将对它进行分析。图四为DS1302的时钟引脚图。 图四 :DS1302引脚图 6 东华理工大学毕业设计 引脚 符 号 描 述 引脚 符 号 描 述 1 Vcc2 5 RST 备用电源引复位引脚 脚 2 X1 6 I/O 晶振引脚 输入/输出 引脚 3 X2 7 SCLK 晶振引脚 串行时钟输 入引脚 4 GND 8 Vcc1 隐藏引脚 主电源引 脚 一:DS1302引脚功能 DS1302串行实时时钟芯片主要有5个部分: (1)移位寄存器 (2)控制逻辑 (3)振荡器 (4)实时时钟 (5)31个字节RAM 数据传送前为了初始化数据必须做到以下两点:RST为高电平。提供地址和命令信息的8位字节装入位移寄存器。 DS1302的数据传输:对DS1302进行数据传送时,我们是有要求的。首字节必须是命令字节。格式如图五 。其个位数实现的功能如下表: 位 数 功 能 最高位 7 必须为逻辑1,为逻辑0则禁止写DS1302 6 为逻辑 0 时指定传送时钟/日历数据,逻辑1指定传 送RAM 数据 1~5 指定进行输入或输出的特定寄存器的地址 最低位 0 为逻辑0时指定时进行写操作(输入);逻辑1 指定进行读操作(输出) 表二:各位数功能 7 东华理工大学毕业设计 7 6 5 4 3 2 1 0 RAM RD A4 A3 A2 A1 A0 1 CK WR 图五 :位置功能 控制字节是由低到高传输。当控制字指令输入后,也就是接下来的SCLK时钟的上升沿时,数据被写入DS1302。数据输入从最低位开始。同样,在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿,读出DS1302的数据,读出的数据也是从最低位到最高位。数据读写时如图六 图六:数据读写 该芯片通过IIC总线传输数据。IIC总线是一种两线式串行总线。它主要就是用来连接微控制器及其外围设备。 其优点:简单性,有效性;占用空间很小,降低了成本;能以最大传输速率支持40个组件;支持多控; 2.3.3 复位电路模块 当单片机开机时,CPU和其他部件要处于初始状态。因此需要让单片机复位, 8 东华理工大学毕业设计 以便能在初始状态工作。这个时候我们通常都是通过外部电路实现复位。。当时钟电路开始运作后,复位引脚上产生的高电平持续两个机器周期以上则实现复位功能。单片机的RST叫接复位电路,为输入端。单片机系统的复位方式有:手动按钮复位和上电复位, 1手动按钮复位 手动按钮复位:需要通过手动的方式去给富为输入端也就是RST接通一个高点平。为了实现这个功能一般会在正电源VCC和RST端之间连接按键,通过按键控制高电平的加入。如图所示。按键按下时,线路接通,高电平接通RST复位端。复位电路如图七所示。复位时间要求很短,所以设置按键完全能够完成实验,并不会出现无法复位的情况。 图七:复位电路 2 上电复位 如图七所示,RST接上电容C7再接高电平Vcc,下接一个电阻R2接地即构成了上复位电路。在这里可以把外接电阻R2去掉。在RST端内部有一个下拉电阻。因此只要将外界电容C7设置为10uF即可。通电时,RST端能获得一个暂时的高电平信号,此信号是复位电路通过C7给的。Vcc对电容有一个充电的过程,在这个过程中高电平信号会逐渐回落。当电容充电时间越长,高电平持续时间越长。只有当高电平持续时间足够时,系统才能更稳定的复位。在这个时间内不能得到有效的复位,那么CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。上电时,电容充电,电容电流过大短路,RST端为高电平,自动复位。当电容达到电源电压时,电容开路,RST端降为低电平,程序开始运行。这时因为内部电路的存在,这个电压不会损害器件。 9 东华理工大学毕业设计 2.3.4 存储器件AT24C02 AT24C02特点: (1)一个2K位串行CMOSE2PROM。 (2)内部含有256个8位字节。 (3)功耗低。 (4)有一个16字节页写缓冲器。 (5)该器件通过 IIC 总线接口进行操作。 (6)有一个专门的写保护功能。 其引脚图如下: 图八:AT24C02引脚图 功能描述: AT24C02支持IIC总线。发送器:将数据传送到总线的器件;接收器:从总线接收数据的器件;数据传送由主器件控制。而主从器件可以作发送器也可以作为接收器。但是主器件控制传送数据时,可以将最多8个器件连接到总线上,所以通常还是选择主器件控制。AT24C02各管脚功能如下表二所示: 管脚名称 功能 A0、A1、A2 器件地址选择 SDA 串行数据/地址 SCL 串行时钟 WP 写保护 VDD +1.8V-6V工作电压 VSS 隐藏 表二: AT24C02管脚功能 10 东华理工大学毕业设计 SCL串行时钟:用于产生器件所有数据发送或接收的时钟。这是一个输入管脚。 SDA 串行数据/地址:用于器件数据的发送接收。他是一个开漏输出管脚。 A0、A1、A2 器件地址输入端:这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址,当这些脚悬空时默认值为0。当使用 AT24C02时最大可级联8个器件。如果只有一个 AT24 C02被总线寻址,这三个地址输入脚( A0、 A1、 A2)可悬空或连接到 Vss,如果只有一个 AT24 C02被总线寻址这三个地址输入脚( A0、 A1、 A2)必须连接到 Vss。 A0、A1、A2 器件地址输入端:这些脚悬空时默认值是“0”。他们适用于器件级联时设置器件地址。AT24C02时最大可级联8个器件。当只有一个AT24C02被总线寻址,A0、A1、A2可悬空或者连接到VSS。 WP 写保护:当WP连接VCC时,内容被写保护,只能读。当WP连接到VSS或悬空,器件进行正常的读写操作。 2.3.5红外线接收模块 在此模块中,我们对于红外线接收电路的选择需要考虑其简便和集成一体化。因此我们选择了HS0038型号的红外线接收器。当其处于静态时,输出端输出高电平。当其接收红外信号后,那么它会根据红外信号的数据波形来输出相对应的负脉冲数据信号。如图所示:P3.3口的功能是外部中断。当红外信号输出到该口,那么它会被拉低,单片机产生中断,停止当前工作去接受处理红外信号。这样一来,单片机的工作负担减小了,而且还使得接收到的红外信号保持了完整性。在手动工作状态时,单片机会进入休眠状态。这个时候我们需要利用外部中断去唤醒单片机工作。 HS0038红外接收装置:整个过程一体化,从信号的的接收放大检波到整形。输出的TTL信号能够被单片机接收识别。这在一定程度上使得接收电路和电路设计都简单化了,非常便捷。 此次设计中我们就使用了这一款红外接收装置。其优点如下: (1) 抗干扰能力强,功耗低,灵敏度高。 (2) 信号接收距离长。 (3) 能与COMS电路兼容。 该红外接收装置为直立侧面收光型。它的接收频率为38kHz周期为26us。有三个管脚如图九所示。 针对红外载波信号,我们需要进行调解放大和整形。而我们选择的HS0038 11 东华理工大学毕业设计 已经集成了这些功能。本次设计只需要考虑计算出红外编码脉冲时间。在计算红外编码脉冲时间时,通常我们会在中断程序中放入接收程序。当检测到红外信号就会立即进入中断程序,然后启动定时给红外信号延时时间进行定时。当计算识别出是起始位那么就会开始进行指令码的定时计算,要是不能识别到起始位那么就不能检测指令码,它会继续检测,直到检测到起始位的出现。当指令码全部接收完成之后,就可以根据指令码的命令执行相对应的动作。 尽管我们选择的红外线接收装置的抗干扰能力很强,但是由于窗户窗帘正对阳光,所以它们收到的光照时间还有光照强度都很强大,对于红外接收还是存在一定的干扰。在实验室我们还是要加强红外接收的抗干扰,也就是加强主机接收头的避光措施。在硬件上我们采取避光的措施相对的在软件上也有相对应的方法来达到抗干扰的效果。在软件中,我们通常设置接收红外编码信号延长时间的上限和下限来实现此功能。(图2-3-7)其接受电路图 图九:红外线接收电路 2.3.6显示模块 当今时代,人们对于科技信息产品的需求也来越高。因此这些产品做得越来越轻薄,短小,便捷,更适用于日常生活。当然,显示器产品也是不例外的。传统的显示器:映像显示器,显示板等因为体积庞大,耗电量过大而无法满足现在人们的需求。正是这个时候,液晶显示技术的出现完全符合新时代人们的要求。液晶显示技术的优点很多,比如:直角显示、耗电量低、体积小、零辐射等等。正是由于这些优点,液晶显示技术很快的就被广大用户所接受,因为它能带来更好更方便的视觉效果。 12 东华理工大学毕业设计 本设计采用的是LCD1602液晶显示屏。其基本结构呈平板形。主要组成部件:前后偏振片;前后玻璃片;封接边;液晶; LCD1602有两种,带背光,不带背光。它的基控制器为HD44780。而是否带背光并不影响应用。但是带背光有16脚接口,而不带背光只有14脚接口。在本次实验中我们采用的是14脚接口如图。 LCD1602采用标准的14脚(无背光)接口, 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 , ,,, 电源地 , ,, 数据 , ,,, 电源正极 , ,, 数据 , ,, 液晶显示偏,, ,, 数据 压 , ,, 数据,命令,, ,, 数据 选择 , ,,, 读,写选择 ,, ,, 数据 , , 使能信号 ,, ,, 数据 , ,, 数据 ,, ,, 数据 表三:各引脚功能 图十 其外表及引脚 图十:LCD显示器 13 东华理工大学毕业设计 Vee引脚需要接一个10k的变阻器,用来调节屏幕显示的亮度。E端使能端, 当由高电平变为低电平的时候,开始执行命令。 2.3.7电机驱动模块 ULN2003:高耐压、大电流复合晶体管阵列。其特点是:工作电压高;温度范 围宽;带负载能力强;电流增益高; ULN2003电路主要用于如下领域: 伺服电机; 步进电机; 电磁阀; 可控照明灯; ULN2003有16个引脚。 编号 功能 1~7 CPU脉冲输入端 8 接地 9 是内部7个续流二极管负极的公共端。 接电源 10~16 脉冲输出端 表四:各引脚功能 每个输入端都有一个相对应的输出端。当用于感性负载时,为了达到续流作用, 九号引脚需要接负载电源正极,以形成续续流回路。 项目 符号 数值 单位 Vi(max) 30 V 最大输入电压 Vo(max) 50 V 集电极-发射极电 压 Ib(MAX) 25 mA 最大基极输入电 流 Io 500 mA 输出电流 Ts 贮存温度 -65,150 ? Tj 175 结温 ? Td 300 引线耐焊接温度 ? 表五:2003的主要电气特性 14 东华理工大学毕业设计 ULN2003是一个非门电路。总共有7个单元,每个单元驱动电流最大可到350mA。 本次实验所采用的为步进电机。其是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制元步进电机件。通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制。步进电机是一种感应电机。将直流电变成分时供电,多时供电,步进电机可正常运行。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。由于技术的发展,对于步进电机的应用越来越广泛,要求也越来越高。 步进电机主要有种:反应式;永磁式;混合式;其工作原理:电流流过,产生磁场,带动转子同方向转动。当磁场方向改变,电机变向转动。每输入一个电脉冲就转动一步。本次实验采用的是直流步进电机,因为其受到一个脉冲信号才会转动一次,因此它没有积累误差。这也是选择它的原因。 其实早在上个世纪二十年代步进机就被使用了。随着时代发展步进机也越来越先进。其有很多优点:低成本,较好的位置精度和运动的重复性。优秀的起停和反转响应。可靠性高。有较宽的转速范围。(图十一)是ULN2003驱动步进电机的电路图 图十一:电机驱动电路 如图是窗户窗帘构架图。当窗户窗帘通过电机转动到指定位置时,触动复位开关,单片机复位。因此电机停止转动,窗户窗帘停止。 左边窗口窗帘 从动轮 电机主动 轮 微动开 关 右边窗口窗帘 图十二:窗户窗帘框架图 15 东华理工大学毕业设计 2.4执行机构设计 2.4.1电源驱动电路 在理论上此次设计选择了一个220---5V的变压器,得到一个5V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1000uF/25V的电容来得到一个直流5V电源; 单片机正常工作电压为5V,因此设计的电源电路主要是提供单片机工作电压。图十三是为单片机提供电压的电源电路。在这个电路中采用了三端集成稳压器LM7805,可以输出5V的直流电压以供给单片机。三端集成稳压器LM7805,总共有三条引脚,分别是输入端、接地端和输出端。用LM78\LM79系列三端稳压器来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便。 图十三 电源电路 2.4.3 数据A/D转换器 A/D转换器通过一定的电路将模拟量转变为数字量。把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。模拟量可以是电压、电流等也可以是湿度温度等。本次设计运用的型号是A/D转换器ADC0832。在A/D转换前,输入到转换器的输入信号是被处理过的,也就是经过传感器把物理量变成了电压信号。本次设计使用A/D转换器ADC0832。 如果说没有其他特殊情况 ADC0832 与单片机的接口应为4条数据线。他们分别是CS、CLK、DO、DI。然而在本设计中DO端与DI端在通信时并未同时有效。与单片机的接口是双向的。正是由于这些原因再设计之中我们是把D0端和DI端并连在一起使用。ADC0832没有工作:CS输入端需要是高电平,此时芯片禁用。 16 东华理工大学毕业设计 CLK和DO/DI的电平不作要求。如果需要进行A/D转换:那么之前CS端口的高电平需要变为低电平,芯片才能工作,直到最后完成整个转换。当置为低电平时芯片开始工作,处理器开始向CLK输入时钟脉冲,DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。当第一个时钟脉冲开始时DI端应该是为高电平,用来表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能 “1”时,只对CH1进行单通道转换。当2位数据为“0”、“0”时,将CH0作为正输入端IN+,CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时,将CH0作为负输入端IN-,CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3 个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用,此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7,随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0,一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据,即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据,到第19个脉冲时数据输出完成,也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片,直接将转换后的数据进行处理就可以了。图十四是A/D转换器和两个传感器的接线图。 图十四 A/D接线电路 2.4.4传感器电路 在整个设计中我们需要采用到传感器。预想的功能是光控和雨控,因此我们需要用到湿敏传感器和光敏传感器。通过接收户外的模拟信号控制窗户的开关。 如图所示M为湿敏探头。现实中是用黄铜片代替,在本设计中由于找不到相对应的元件所以用其他元件代替。当传感器接收到湿度信号时,三极管会获得一个偏执电流而达到饱和,使得发光二极管LED亮灯,进行报警。M会把检测到的 17 东华理工大学毕业设计 湿度信号转换成数字信号传给控制器。控制器通过这个信号对电机进行驱动,达到控制窗帘窗户的目的。在实验中,利用传感器模拟的方式代替传感器。湿敏传感器接收信号,改变阻值达到控制目的。因此我们可以采用变阻器代替它。 图十五: 湿敏传感器电路 光敏传感器:利用光敏元件将光信号接收转换为电信号。其中最简单的即为光敏电阻。能根据光线的不同输出电信号。我们这个实验选用的元件为光敏电阻。 其主要特性: (1) 光电流、亮电阻。当光敏电阻的外加电压达到一定值时,有光照射时,流 过的电流为光电流。 (2) 暗电流暗电阻。在一定外加电压下,没有受到光照时流过的电流为暗电流, 而外加电压和暗电流之比为暗电阻。 (3) 灵敏度。不受光照时的电阻与受光时电阻的相对变化值。 光敏电阻的工作原理根据光电导效应研制而成的。在半导体光敏材料两端装上电极引线,将其封装在带有透明窗的管壳内就成了光敏电阻。当光敏电阻受到光照射时,产生电子空穴对,使电阻变小。光照越强,光生电子空穴对就越多,阻值就越低。当光敏电阻两端加上电压后,流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。当光消失电阻恢复原值,电流也越小。光敏传感器如图: 18 东华理工大学毕业设计 图十六:光电传感器电路 传感器模块使用了一个10K的滑动变阻器来作为电阻控制器,代替传感器。入射光强,电阻减小,电压变大,窗帘打开;入射光弱,电阻增大,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,通过A/D转换器的A端口来实现对窗帘的开合控制;光敏电阻的控制状态如下 光照强度 光敏二极管电压v 窗帘开合状态 E<10KLX U>4.0 关闭 10KLX30KLX U<1.8 开 表五:光敏电阻控制状态 2.4.5红外报警模块 随着人们对智能家居要求的不断提高,那么窗户窗帘智能化控制应用系统应该与时俱进,因此还需要一些更实用的功能如防盗功能。 本次设计采用红外线传感器连接蜂鸣器实现报警功能。该报警器能探测人体发出的红外线。当人进入该区域,感应到红外线,接收信号改变阻值,形成电位差,报警器响发出警报声。该报警器简单明了,适用于各场合。 19 东华理工大学毕业设计 红外线传感器包含:光学系统、检测元件。转换电路。其中光学系统有两类。其一,透射式;其二,反射式。根据工作原理的不同检测元件分为两种。光电检测和热敏检测。热敏元件一般用热敏电阻。热敏电阻感应到红外信号,表面温度会提高,此时电阻阻值改变。热敏电阻分为两种:正温度系数;负温度系数。因此当感受到红外信号时,阻值的变化是不一样的。热敏电阻把接收到的红外信号通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件。图为红外线传感器工作原理。 图十七:工作原理 如图为一个声音报警电路。由于设计的时候未能找到相对应的元件,所以采用其他元件代替。我们采用按键的方式模拟红外接收信号。当按键按下时,接通低电平,通过单片机传输到PNP管,形成电位差,报警器响。 图十八:报警电路 20 东华理工大学毕业设计 总 结 由于本课题是分开两个部分,因此本论文系统地介绍了窗户窗帘智能化控制系统应用设计的硬件电路。在本次实验中,利用光敏电阻和湿敏电阻传输信号的传感器,用步进电机作为信号输出的执行元件,主要控制芯片为AT89S52单片机,添加一个显示模块,显示当前数据,并且还有设置了按键可以手动控制。由于现在对于智能家居要求越来越高,因此加入了一个红外报警系统。AT89S52单片机简单方便实用,通过湿敏和光敏传感器接受信号,经过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号传送给单片机,经过单片机的处理来控制步进电机的转动,从而实现窗户窗帘的控制。红外报警器一红外传感器接受外界信号后传送给单片机,单片机输出低电平给蜂鸣器实现报警功能。在整个系统中,我们设定了一个定时系统。我们可以利用定时系统自动控制窗户窗帘的开闭。整个系统方便稳定,也很实用。而且结构简单。 整个论文的完成,不仅仅是完成了一个设计,更重要的是我们通过学习掌握了更多的单片机的相关技术。通过自己的实际操作明白了理论与实际相结合的重要性。同学老师互相帮助,相关的问题互相解决,互相学习,使我们懂得了很多很多。也深刻的意识到自己还有很多不足的地方。因此这个设计变得非常有意义。 21 东华理工大学毕业设计 致 谢 随着论文的完结,我的心情也算是如释重负。从2011年来到这个学校,到现在已经整整四年的时间里,发生了许许多多的事情。让我们慢慢成长,慢慢学习。在此特别感谢我得指导老师黄河老师的教导和关心。在论文的写作当中,黄河老师一直询问论文进程,并不断指出我们的错误,帮助我们修改论文,帮我们提供了明确的设计思路,帮助我们完善论文并且提高了论文的质量。导师认真严谨的治学态度、丰富的学术知识,尽心竭力的工作态度和随和亲近,学生感触良多,也使我终生受益。能有这么好的一个指导老师带着我们前行,实为我们的福气。 非常感谢我的同组黄一峰同学,当时选题的时候我们是同一个课题不同部分,因此资料共享。互相帮助。在这段艰辛的时光里充满了正能量。 另外,感谢四年里关心过我帮助过我的老师和同学们,特别是我可爱的室友们。四年的时光是用来回忆的。我们拥有共同的记忆,友情正是在这种环境下被锤炼的坚不可摧。这是我们的信念。我们共度了大学四年最好的时光。当我们彼此分散,离开学校,我们都将记住对方。永远记得我可爱的室友们。 到这里,论文也算是结束了。随着一切的完结,在这里由衷的感谢审阅答辩的评委们,谢谢你们无私地奉献。 22 东华理工大学毕业设计 参考文献 [1] 丁元杰.单片微机原理及应用[M].上海:机械工业出版社.2005 [2] 刘永安.基于ARM的智能家居控制系统[M].成都:西南交通大学,2009 [3] 胡汉才.单片机原理及其接口技术(M).北京:清华大学出版社,2010 [4] 浦灵敏,季爱明.基于STC89C52单片机智能窗户控制系统的设计[J].中国科技信息, 2011(10):150-151 [5] 周敬.基于单片机的窗帘智能控制系统设计[J].信息时代,2010(2):58-60 [6] 马泽文,陈碉玮,徐力.基于单片机的智能防雨帘控制系统[M].嘉兴:嘉兴学院机电工程学院,2011 [7] 林君.简易窗帘模拟控制系统[J].科技信息,2010(25):128-130 [8] 庄渊昭.实用智能窗帘机的设计[J].现代电子技术,2008(4):181-183 [9] 安森,崔文华,张彦航.微处理机[基于凌阳61单片机的智能窗帘控制系统设计][D].哈尔滨:安森, 2012 [10] 孙永,杨文月,赵宇新.自动窗帘控制系统设计[M].吉林:吉林市供电公司调度通信所,2010 [11] 程翔云.智能家居控制系统设计[M].山东:山东铝业职业学院,2011,6 [12] 陈曦.智能家居控制系统的设计与实现[M].江苏南京:南京航空航天机电学院,2003 [13] 钱云,郑舒予,秦雷.基于ATMEGA单片机智能窗帘控制系统的设计[J].微计算机信息, 2009(25):10-12 [14] 王春武,刘春玲,姜文龙,刘春影.[基于单片机的无线智能窗帘控制系统设计][R].广东深圳:深 圳大学,2010 [15] Markus kohler.Vision Based Remote Control in Intelligent Hone Environments[M].Informatik:University of Dortmund [16 ] Fabrice VillaumeLAAS du CNRS ,AIRBUS France . 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