单片机控制光感自动窗帘课程设计.doc
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1、摘 要本文首先介绍了智能家居的基本知识及其应用前景,进而阐明了开发作为智能家居中一个很重要部分感光自动窗帘的意义。随后着重介绍了开发单片机控制的红外线遥控窗帘系统所用到的集成芯片STC89C52、光感传感器、继电器、步进电机等硬件的结构原理。目 录第1章.绪言11.1课题背景11.3课题的研究工作2第2章.单片机简介42.1单片机的发展42.2单片机的特点52.3单片机的应用5第3 章.系统设计63.1系统方案确定63.2核心芯片结构原理介绍73.2.1 中央控制器STC89C52RC73.3硬件电路原理设计183.3.6光控测光电路213.3.7电机执行电路213.3.8窗帘框架构造设计22
2、3.4软件设计23第4章.调试30第5章.总 结32第6章.致 谢33参考文献34附录:35原理图:35源程序:3622第1章.绪言本章阐述了单片机控制的感光自动窗帘系统的市场价值、研究背景、国内外的现状、以及发展方向,明确指出了单片机控制的感光自动窗帘系统所面临的问题及一些解决方案。1.1课题背景生活在提高,时代在进步,人类在向文明迈进,不同的时代对居住空间、环境有不同的要求,这是社会的必然潮流1。单片机控制的自动窗帘遥控系统,既能解决每天手拉开和关上窗帘的不便,又显示出了生活的档次,同时还可以根据光线的明暗来自动控制窗帘的开关,以调节室内的光线,更进一步地满足了人们的享受要求。所以该产品能
3、形成大规模生产,很快会普及全国市场,产生巨大的经济效益;另外,除了广大市民住宅使用外,该遥控窗帘器还可以广泛应用于别墅、公寓、宾馆、饭店、写字楼、歌舞厅、影剧院、会议厅、银行、学校、医院等各种公共场所,因此该产品具有广阔的市场前景。遥控自动窗帘系统在我国还刚刚兴起,但其发展前景广阔,推广和应用自动窗帘系统具有重要的现实意义。其一,改变人们的生活方式。单片机控制的遥控自动窗帘系统具有丰富的智能化功能,为家庭用户营造一个高效、舒适、便利、环保的居住环境。单片机控制的遥控自动窗帘只用一个多功能遥控器就能控制和监测住房的窗帘开关问题,给人们日上生活带来极大的方便。这些都将改变人们传统的生活方式,并提高
4、了人们的生活质量。其二、牵动一大批产业。单片机控制的遥控自动窗帘产品面向家庭用户,其应用市场是庞大的,发展前景也是广阔的,必将吸引大批有远见的各类企业介入,从而牵动一大批产业的发展。这里最先受益的应该是房地产业,单片机控制的遥控自动窗帘不仅是一个很好的概念与“卖点”,同时也是直接提升住宅档次的一个条件,这将会给房地产商带来新的利润空间。在家居集成化、网络化的趋势下,家居集成也成为一种潮流,许多更专业的、美观的、智能化的家居集成产品相继出现。其三,开拓一个崭新的市场。遥控自动窗帘系统牵动了许多的行业,它将不仅仅是目前的IT系统集成商或建筑弱电工程总包商的市场,而且是专业公司和智能化装饰公司的市场
5、。1.3课题的研究工作智能家居系统是一个大的社会系统工程,我们应当加快我国智能家居标准化进程。自动窗帘系统作为智能家居中一个很重要的部分,需要在我国智能家居这一领域,建立起一个具有中国特色的新兴、健康的产业链。让自动窗帘系统在我国并不是远在天边,而是近在眼前。现有的电动窗帘机的控制方式有固定式开关控制、遥控、光控、声控等,其中以前两种形式居多。就实用程度和经济角度来说,用固定式开关控制方式较好,这是因为窗帘的开闭不像电视机等家电产品开闭得那样频繁,每天开闭的次数不多,因此安装在固定的地方使用也相当方便,如把开关装在床头柜等电器综合控制系统中,睡在床上就能控制窗帘的开闭。利用触摸开关,实现全自动
6、断电,既安全又节能,但最重要的一点就是没有实现完全的自动化,没的摆脱对人的依赖作用。而采用遥控控制时,需要候机电源,不可能完全断电而且增加遥控功能,也增加了成本,售价也相应提高。窗帘机的控制方式大体上有三种:声控、光控、时控,声控和遥控属于半自动类;而光控虽属全自动式,但因光敏器件的灵敏度,冬夏等不同季节的光照度的不同,以及人们对起闭窗帘在时间上的要求不同,而难以实施和普及。因此,时控式的全自动窗帘机便成了专业以及业余电子设计人员的热门课题。根据以上自动窗帘有些不能实现完全的自动化;有些虽然实现了完全的自动化,但结构复杂,性能不够稳定;有些虽然实现了完全的自动化,且性能还可以,但价格昂贵不适合
7、普通消费者使用。所以我想利用价格相对便宜的红外线遥控发射芯片、单片机作为主要控制器件,来完成该系统的设计。该系统主要有如下几方面的特点:(1)发射红外线的发射装置采用一般彩色电视机的遥控器,这样既方便又实惠,可谓一物两用。(2)时间控制开关窗帘。通过对DS1302芯片的设定,让用户可以随自己的生活习惯方便的自动开关窗帘,无需手动。(3)采用红外遥控方式,不会干扰其它电器的正常工作,也不会影响邻近的无线设备。超距离遥控,可达89m。(4)另一种控制方式为手动控制方式,防止停电后采用手动控制。(5)美观。以往的遥控电动窗帘都是向一边拉或向上拉,而本设计为向两边打开,随个人的爱好可以控制其大小。(6
8、)体积小、结构简单、灵敏度高、抗干扰性强、经济实用、工作可靠。第2章.单片机简介单片微型计算机简称单片机,又称为嵌入式微控制器(Embedded microcontroller)。常用英文字母的缩写MCU表示单片机,它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳以大规模集成电路为主组成的微型计算机,它的诞生是计算机发展史上一个新的里程碑。单片机比
9、专用处理器更适合应用于嵌入式系统,因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机,复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作!单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和,甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了I/O设
10、备。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块,比如CPU,内存,并行总线,还有和硬盘作用相同的存储器件,不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多,不过价钱也是低的,一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影!.它主要是作为控制部分的核心部件。2.1单片机的发展单片机从诞生至今已经经历了4个发展阶段,分别是:第一阶段(19741976年
11、):单片机初级阶段。因工艺限制,此阶段的单片机采用双片的形式而且功能比较简单。例如仙童公司生产的F8单片机,只包括了 8位CPU,64个字节的RAM,和两个并行口,需要加一块具有1KB ROM、定时器/计数器和两个并行口的3851芯片才能组成一台完整的计算机。第二阶段(19761978年):低性能单片机阶段。此阶段的单片机已成为一台完整的计算机,但内部资源不够丰富,以Intel公司生产的MCS-48系列为代表,片内集成了8位CPU、8位定时器/计数器、RAM和ROM等,但无串行口,中断系统也比较简单,片内RAM和ROM容量较小且寻址范围不大于4KB。第三阶段(19781982):高性能单片机阶
12、段。此阶段的单片机内部资源丰富,以Intel公司生产的MCS-51系列为代表,片内集成了8位CPU、16位定时器/计数器、串行I/O口、多级中断系统、RAM和ROM等,片内RAM和ROM容量加大,寻址范围可达64KB。有的型号内部还带有A/D转换器。第四阶段(1982):8位单片机得巩固发展及16位、32位单片机推出阶段。16位单片机以Intel公司生产得MCS-96系列为代表,在片内带有多通道A/D转换器和高速输入/输出(HSI/HSO)部件,中断处理和实时处理能力很强。目前单片机的品种众多,其中性能优良的8位单片机在今后若干年内仍然将是工业检测、控制应用领域中的主角。2.2单片机的特点(1
13、)小巧灵活、成本低、易于产品化。能利用它方便地组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表,很容易满足仪器设备既智能又微型化的要求。(2)可靠性高、适用的温度范围宽。单片机芯片一般是按工业测控要求设计的,能适应各种恶劣的环境。这一点是其他机种无法比拟的。(3) 易扩展、控制能力强。通过单片机本身或扩展可以方便地构成各种规模地应用系统及多机和分布式计算机控制系统。(4) 指令系统相对简单,较易掌握,且指令中又较丰富地逻辑控制功能指令,能较方便地直接操作外部输入输出设备。由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等独特优点,已成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种,具有广泛的发展前景。
14、单片机技术的应用,使得许多领域的技术水平和自动化程度大大提高,可以说,当今世界正面临着一场以单片机(微电脑)技术为标志的新技术革命。2.3单片机的应用可以说,二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过,这种电脑,通常是指个人计算机,简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机,大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器)。顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。因为它体积小,通常都藏在被控机械的“肚子”里。现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航
15、系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词“智能型”,如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品,不是电路太复杂,就是功能太简单且极易被仿制。究其原因,可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单
16、片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,第3 章.系统设计3.1系统方案确定这次设计题目为单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛,在很多的电子产品中也用到了红外控制。随着窗帘红外控制器应用范围的日益广泛和多样,各种适用于不同场合的窗帘控制器应运而生。实现这种控制目的的方案有3个。方案(一)自动控制系统。(采用A/D转换器)方案(二)模拟集成控制器自动控制系统。(采用V/F转换电路)这二个方案都是采用单片
17、机控制,液晶显示模块LCD显示。方案(一)的系统框图如图3-1:红外发送模块电源模块键盘模块液晶模块红外接收模块STC89C52图3-1 方案一的原理框图STC89C52是一款采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机,其主要性能特点有:(1)高性能、低功耗的8Byte微控制器,RISC精简指令集机构,指令功能强大,且多数为单周期指令,具有低功耗的闲置和掉电控制模式、5个中断源、两个16位定时器/计数器等功能。(2)片内集成4KB可编程闪烁存储器,可进行1000次以上写/擦循环操作,数据保留时间可达10年,支持三级程序存储器锁定。(3)
18、丰富强大的外部接口性能:32可编程I/O线,可编程串行通道,片内振荡器和时钟电路。 采用LG28显示模块41BH数码管,动态扫描,8550三极管位选驱动 , AT89C51微处理器P0口直接段选实现小时、分钟显示,具有显示亮度强、稳定性能好、显示误差少等优点。方案(二)的框图如图3-2:光照STC89C52单片机步进电机光电传感器图3-2 方案二的原理框图该窗帘控制器采用STC89C52单片机的最小系统设计,控制一个220v的可逆、变速电动机控制窗帘的拉开和关闭。窗帘控制器可以使用红外遥控器进行远程手动开、手动关和手动停控制;还可以根据室外环境亮度实现环境亮度光控。以及光控状态下环境亮度的控制
19、参数的调整等等都可以通过遥控器进行设置。 该红外遥控窗帘可谓是一款多功能的窗帘控制器窗帘控制器原理图。经过论证选择方案二。3.2核心芯片结构原理介绍为使基于单片机控制的红外线遥控系统在实际使用过程中方便快捷,并且具有较高的性能/价格比,所以对该系统的原器件作了精心挑选。按在实际工作中的作用,可分为以下几个部分:STC89C52RC单片机是整个电路的核心,它控制其它模块来完成各种复杂的操作; 3.2.1 中央控制器STC89C52RCSTC89C52RC是由宏晶公司推出的一种小型单片机,其主要特点为采用Flash存贮器技术,降低了制造成本,其软件、硬件与MCS-51完全兼容,且采用高密度非易失存
20、储器制造技术制造,将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,可以很快被中国广大用户接受。其程序的电可擦写特性,使得开发与试验比较容易,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.2.1.1 STC89C52RC的特点STC89C52RC有很宽的工作电源电压,可为2.76V,当工作在3V时,电流相当于6V工作时的1/4。STC89C52RC工作于12Hz时,动态电流为5.5mA,空闲态为1mA,掉电状态仅为20nA。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。STC89C52RC具有以下几个特点:STC89C52RC与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容;片内有4
21、k字节在线可重复编程快擦写程序存储器;全静态工作,工作范围:0Hz24MHz;三级程序存储器加密;1288位内部RAM;32位双向输入输出线;两个十六位定时器/计数器五个中断源,两级中断优先级;一个全双工的异步串行口;间歇和掉电两种工作方式超强抗干扰:高抗静电(ESD保护),轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰;宽电压,不怕电源抖动;宽温度范围,-4085;禁止ALE输出;;超低功耗: 1、掉电模式:典型功耗0.1A; 2、空闲模式:典型功耗2mA; 3、正常工作模式:典型功耗4mA-7mA; 4、掉电模式可由外部中断唤醒,适用于电池供电系统,如水表、气表、便携设备等.;3.2.1.2 STC89
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