基于單片機設計的智能窗簾控制系統

楊 方，莊雄雄

（遵義師范學院物理與電子科學學院，貴州遵義 563006）

0 引言

現代社會生活中人們越來越追求高質量、高品質的生活.隨著國家對城市建設力度的不斷加大，城市建設的步伐越來越快，一棟棟建筑拔地而起.隨著21 世紀這個智能化時代的發展，也帶動著窗簾業的發展，智能窗簾作為窗簾業中的新興產業，其發展空間是巨大的.

窗簾作為現代家庭生活、辦公大樓、酒店、不可缺少的實用產品，其制作業也在快速發展，基本的窗簾軌道方式分為手拉式和滑輪式，只有在一些高檔辦公室或別墅區才會使用電動遙控軌道.但其銷售價格相當昂貴，不能全面普及到人們的日常生活中.而本設計使用了單片機最小系統，在制造上價格是低廉的，而且具有使用、安裝方便和外形美觀等優越特點，完全能夠普及到普通家庭.

1 設計要求

1.1 研究目標

本設計是以單片機為控制處理器的窗簾控制系統.首先由紅外線遙控器遠程控制步進電機，通過對控制電機的正反轉完成對窗簾控制；其次在設計中加入光敏電阻，通過光敏電阻對外界光照強弱的感應形成有用信息發送給控制中心，由單片機控制中心對信息處理，做出相應的反應.最終通過這個產品的設計，實現家用窗簾的現代化和智能化.

1.2 設計任務

本設計是讓窗簾系統分為兩種工作模式：第一種為自動模式，主要通過設定開關時間控制窗簾和光控傳感器模塊感應光強來實現窗簾的開關；第二種為手動模式，通過紅外接收發送模塊和外部按鍵電路來實現步進電機的控制，同時顯示屏能正常地顯示日期及時間.

2 模塊制作

在設計中，對于硬件主要設計四個模塊和蜂鳴器報警電路、光感應電路、獨立按鍵電路，四個模塊分別是單片機最小系統模塊、步進電機模塊、顯示模塊和控制模塊[1].其工作原理是手動控制紅外線遙控裝置產生信號，光敏電阻感應外界光強產生信號，單片機接收信號并處理信號，單片機發出指令作用于步進電機，當手動按壓四個獨立按鍵，則LCD1602液晶顯示器顯示主要的信息，同時也能改變對窗簾控制的模式.通過上述設計最終來完成整個設計需要實現的功能.模塊原理流程框圖如圖1所示.

圖1 原理流程框圖

2.1 單片機模塊

在設計中采用STC 89C52RC 型號單片機，覆銅板腐蝕的PCB 板、發光二極管、電阻、微動按鍵開關6 mm×6 mm×5 mm、DC005 型5.5×2.5 頭長13 mm 電源插頭、晶體振蕩器12 Hz，來制作整個單片機模塊.

在設計中采用STC 89C52RC作為控制系統中心，因為STC 89C52RC 不僅具有其他單片機具備的功能，而且有功耗低、高速、抗干擾能力強等特點，能提供兩種模式的時鐘/機器周期，分別是6 個和12個時鐘/機器周期，同時它共有3個16位定時/計數器，定時器T0、定時器T1、定時器T2，并且其價格低廉，符合設計的需求.

2.1.1 模塊的設計

整個模塊的設計，把STC 89C52RC 單片機焊接在覆銅板的正中心，振蕩電路焊接在單片機旁邊，連接單片機的XTA 1 和XTA 2 端口[2]，復位電路設計在電路板的右下側，這樣的排版使電路板能得到充分的利用，使的電路看上去更加的清晰[3].單片機模塊的電路設計原理圖如圖2所示.

圖2 單片機電路設計圖

2.1.2 單片機模塊的功能

單片機模塊作為窗簾控制系統的控制中心，其主要功能是控制設計中的其他功能模塊，同時設計中的復位電路用于使整個系統回到初始狀態.單片機接收到的信號經過單片機轉換成有用電信號來控制步進電機轉動，實現紅外線遙控、光感智能化控制，最終使產品成型以用于實際生活中.

2.2 步進電機模塊設計

我們采用28BY-J48 步進電機和基于ULN200 3APG 的驅動電路，來完成整個模塊的制作.在整個步進電機模塊中，單片機發出電信號經過基于ULN2003APG 的驅動電路，來實現對電機正轉與反轉的控制，使步進電機轉動并帶動與窗簾相連接的傳送帶，從而實現窗簾的移動,完成窗簾自由的開關.

2.2.1 28BY-J48 的選用

采用28BY-J48型號的電機是因為其在額定工作電壓(5～12 V)之間具有較寬的選擇面，我們選取5 V 的工作電壓，其重量輕大約只有40 g，在絕緣等級、絕緣介電強度等方面都具有很好的特性.電機在高溫下依然能正常地轉動，具有急速停止和瞬間啟動功能，在低速時能正常轉動，但速度在超過某一特定速度后就無法正常轉動，并且發出嘯叫聲.電機的正反轉我們可以通過改變脈沖信號的順序來實現，電機的運行方式為四相四拍，能滿足設計的需求.[4]

2.2.2 驅動電路制作

驅動電路采用ULN2003AP、LED、電阻、電容、電源接口、導線若干制作而成，設計中把驅動電路放在整體電路板的右上側，在電路中采用四個保護電阻保護整個驅動電路，四個LED 燈作為指示燈，指示步進電機是否正常運轉；在驅動電路中，單片機P20—P23 端口連接ULN2003A 的IN4—IN1，OUT（1—4）四個端口連接LED燈，整體電路在設計上以簡潔為主.[5]

2.2.3 驅動電路原理

選用ULN2003AP 驅動電機，是因為ULN2003 AP 的工作電壓和工作電流大，灌電流可達500 mA,使得驅動電路不會輕易損壞，這既利于我們的設計研究，同時也能降低我們設計成本.驅動電路原理圖如圖3所示.

圖3 驅動電路原理圖

2.3 控制模塊設計

設計中具有的無線遙控功能，在這里我們選取制作好的紅外線裝置，接收頭為HX1838 型，用NEC編碼和紅外杜邦線，來實現其無線遙控功能.

2.3.1 紅外線裝置特性

因為紅外線裝置采用的是制作好的，其主要由發射端和接收端組成.此紅外線裝置運用專用的集成電路芯片進行專業的編碼和解碼，其發射端由矩陣鍵盤、LED 紅外發送器、編碼調制組成，接收端由光、電轉換放大器、解調和解碼電路組成，選用其紅外線裝置是因為其使用廣泛，具有體積小、功耗低、強功能、價格低廉等優越特點[6].

接收頭HX1838接收距離達22 m，接收角度正負45°，工作頻率是38 Khz，設計小巧，抗電磁能力強，靈敏度高，穩定性好，并且低電平有效，抗干擾能力強，在強光下能正常工作.[7]

2.3.2 電路的原理設計

在遙控模塊設計中，由紅外線裝置器產生信號并發送信號，HX1838 接收頭接收信號并發送給單片機處理中心，經過信號的處理單片機做出相應有用信號控制步進電機轉動，完成最終無線遙控開關窗簾設計.紅外線連接原理如圖4所示.

圖4 紅外線連接原理圖

2.3.3 控制模塊功能

在本設計中，紅外線遙控功能用來控制窗簾的開與關，方便人們的使用，增加了實用性.

2.4 顯示模塊制作

在設計中顯示模塊，采用LCD1602顯示屏，時鐘芯片SD1302，微動按鍵開關6 mm×6 mm×5mm，電烙鐵、松香、焊錫絲、鐵絲若干等完成模塊的制作.

2.4.1 DS1302和LCD1602的選用

在此次設計中，選用LCD1602 液晶顯示屏幕，因為其在顯示數字和字符上具有優越性，其帶有的背光模式能在黑暗中便于觀察，其5 V 工作電壓和2.0 mA 的工作電流符合我們的設計要求.

選用5 V 的工作電壓的DS1302 型號時鐘芯片，使其與單片機進行簡單的串口連接通信，能提供秒、分、時、日、日期、月、年的信息，并且每月的天數和閏年的天數可自動調整.[8]

2.4.2 電路的連接

在顯示模塊設計中，單片機的P10—P12 連接的LCD1602，時鐘芯片I/O 口與P26 口連接，RST與P27 口連接[9]，設計中把顯示器放于單片機左側，把時鐘電路放于顯示模塊左側.這樣我們在電路焊接時能清晰地分辨每一條電路，同時使整個設計電路看起來更加的清晰，可合理的安排電路的位置以節約電路板的占用面積，使整個設計更具有廉價性.顯示屏與時鐘芯片連接原理如圖5所示.

圖5 顯示屏與時鐘芯片原理圖

在電路中我們加入四個獨立按鍵，這四個按鍵主要用于顯示屏時間的調整和改變控制模塊是手動模式還是智能化自動模式.獨立按鍵連接如圖6所示.

圖6 獨立按鍵連接圖

2.4.3 顯示模塊的功能

顯示模塊的制作主要用于顯示當天的日期、溫度、天氣情況，以便于人們在離開家時選擇是否要打開窗簾.

2.4.4 蜂鳴器

蜂鳴器電路是一個簡單的報警電路，當步進電機發生故障沒法正常運轉時發出警示鳴叫聲，單片機P24口連接蜂鳴器電路[10].蜂鳴器原理如圖7所示.

圖7 蜂鳴器原理圖

3 結語

本設計通過電路分析和實踐研究，硬件之間電路的焊接，光敏傳感器的光強參數的邏輯電平的比較與調節，紅外遙控程序、定時程序的調試等等，還有許多需要進一步研究，優化其性能.如沒有解決限位開關對窗簾的強制停止功能等問題.