【正文】 來(lái)越強(qiáng)，各種傳感器都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，這給智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供極大方便。 6 智能窗簾控制裝置 系統(tǒng)的整體主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由單片機(jī)擴(kuò)展的外圍電路以及各種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制功能的接口電路組成；軟件部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其特定控制功能的各種程序組成。 本設(shè)計(jì)中介紹了智能窗簾控制裝置系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以及軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，以盡最大可能滿(mǎn)足不同人對(duì)窗簾開(kāi)閉的不同需求。同時(shí)，系統(tǒng)在針對(duì)人們一般需求的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)外，還提出多種解決方案，在考慮到經(jīng)濟(jì)性和簡(jiǎn)便性的前 提下，可以供日后對(duì)控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展。 基本內(nèi)容安排 該設(shè)計(jì)通過(guò)分析電動(dòng)窗簾的現(xiàn)狀和人們對(duì)自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)的功能的需求，從而對(duì)自動(dòng)窗簾控制器進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)采用以步進(jìn)電機(jī)作為單片機(jī)控制元件，執(zhí)行窗簾開(kāi)閉的主要任務(wù)；以光敏電阻作為檢測(cè)元件，以提供單片機(jī)外界光照的變化； 89C51單片機(jī)作為主控制芯片，控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，此外，輔助以鍵盤(pán)和顯示電路，在各個(gè)電路模塊的配合下最終實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)的智能化要求。 自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程主要分為以 下幾個(gè)章節(jié)： （ 1）緒論： 介紹設(shè)計(jì)目標(biāo) 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義目的，設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和本文的章節(jié)安排。 （ 2）總體設(shè)計(jì)方案： 給出了智能窗簾控制裝置的總體方案設(shè)想，智能項(xiàng)目，和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)規(guī)劃。 （ 3）硬件設(shè)計(jì)：選用 89C51單片機(jī)為核心的各種電路設(shè)計(jì)，包括復(fù)位電路，電源電路，時(shí)鐘電路，步進(jìn)電機(jī)控制電路，鍵盤(pán) /顯示電路等一系列相關(guān)電路。 （ 4）軟件設(shè)計(jì)：介紹各個(gè)功能模塊的的設(shè)計(jì)流程以及設(shè)計(jì)思路。 （ 5）總結(jié)：針對(duì)設(shè)計(jì)中的不足進(jìn)行再思考以及提出自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。 7 設(shè)計(jì)思想及基本功能 該系統(tǒng)具有一般的窗簾控制系統(tǒng)的最基 本的功能，即通過(guò)電動(dòng)按鈕來(lái)開(kāi)閉窗簾，在此基本功能的前提下，本設(shè)計(jì)根據(jù)需求還設(shè)計(jì)了可以根據(jù)光照強(qiáng)度和設(shè)定時(shí)間自動(dòng)開(kāi)閉窗簾的功能，在選取設(shè)計(jì)方案和采用元器件方面，該系統(tǒng)本著簡(jiǎn)單實(shí)用經(jīng)濟(jì)的思想，盡量簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，用最簡(jiǎn)單的電路布線和選用最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的器件來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)基本功能： （ 1）手動(dòng)控制：該功能是根據(jù)用戶(hù)的需求通過(guò)按鍵進(jìn)行窗簾的開(kāi)關(guān)，此功能可以使窗簾的開(kāi)閉處于任何一種狀態(tài)； （ 2）自動(dòng)控制：用戶(hù)可以通過(guò)按鍵一次性開(kāi)閉窗簾； （ 3）環(huán)境亮度控制：窗簾的關(guān)閉和開(kāi)啟通過(guò)環(huán)境亮度自動(dòng)完 成窗簾的開(kāi)啟或關(guān)閉操作控制， “ 天黑關(guān)閉，天亮打開(kāi) ” 具有智能管理，不產(chǎn)生誤動(dòng)作。 （ 4）時(shí)間自動(dòng)控制：根據(jù)設(shè)置輸入的開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)間，來(lái)控制窗簾的關(guān)閉和打開(kāi)。 窗簾的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止功能可由單片機(jī)輸出電平來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)。環(huán)境亮度的控制通過(guò)光敏二極管和運(yùn)放組成的電路來(lái)控制單片機(jī)輸出電平繼而控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。時(shí)間自動(dòng)控制可以由定時(shí)器來(lái)控制。 第 2 章 總體電路設(shè)計(jì)及其原理說(shuō)明 系統(tǒng)基本功能 伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高 ，人們對(duì)生活舒適性的追求越來(lái)越強(qiáng)烈，而窗簾在每個(gè)家庭生 活是必備的，其基本功能是保護(hù)住戶(hù)的隱私以及遮蔽陽(yáng)光等?；谶@些作用窗簾的便利性自然也受到家庭的關(guān)注。但傳統(tǒng)的窗簾絕大部分是用手去開(kāi)關(guān)，每天開(kāi)關(guān)不僅不省力，而且還可能錯(cuò)過(guò)最佳光照時(shí)間，尤其是大窗簾，比較重，而且長(zhǎng)，在開(kāi)閉時(shí)需要費(fèi)很大力氣才能開(kāi)關(guān)窗簾，特別不方便；針對(duì)這種現(xiàn)象，電動(dòng)窗簾便由此產(chǎn)生?，F(xiàn)有的電動(dòng)窗簾基本上都可以利用按鍵控制，自動(dòng)開(kāi)關(guān)閉窗簾，雖然省了力氣，但是有些方面的設(shè)計(jì)還是不8 夠人性化。對(duì)此，本控制系統(tǒng)提出可以根據(jù)光照以及定時(shí)等開(kāi)關(guān)窗簾，具體 有以下幾大功能： （ 1）手動(dòng)控制狀態(tài)：此功能使自動(dòng)窗簾控制系 統(tǒng)具有手動(dòng)拉開(kāi)、關(guān)閉和停止功能。（ 2）半自動(dòng)控制狀態(tài)：此功能是在要打開(kāi)或者關(guān)閉窗簾的時(shí)候，通過(guò) “ 開(kāi) ” 或 “ 關(guān) ” 按鍵，窗簾在電機(jī)的帶動(dòng)下可以自動(dòng)開(kāi)閉。（ 3）亮度自動(dòng)控制：此功能是利用設(shè)定的光照強(qiáng)度自動(dòng)完成窗簾的打開(kāi)或者關(guān)閉，真正實(shí)現(xiàn)黑天關(guān)閉，白天打開(kāi)的功能。（ 4）時(shí)間自動(dòng)控制：此功能根據(jù)用戶(hù)需要，設(shè)定需要開(kāi)閉窗簾的時(shí)間，通過(guò)輸入的開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)間，控制窗簾開(kāi)關(guān)。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)的好壞決定整個(gè)方案的成功與否，所以在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，在實(shí)現(xiàn)功能的情況下電路設(shè)計(jì)越簡(jiǎn)單越好，這樣才能保證這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。下圖是 智能窗簾控制裝置 設(shè)計(jì)的總體框圖如圖 所示。 圖 電動(dòng)窗簾控制器結(jié)構(gòu)框圖 本智能窗簾控制裝置以 89C51為主控芯片，通過(guò)其靈活的輸入 /輸出口設(shè)置，由光電傳感器 檢測(cè) 外界的光強(qiáng)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的放大，濾波調(diào)理后輸入到 A/D轉(zhuǎn)換器， A/D轉(zhuǎn)換器件完成一個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程需要一定時(shí)間，如果在這段時(shí)間內(nèi)信號(hào)的幅度發(fā)生變化，轉(zhuǎn)換結(jié)果將會(huì)受到影響，所以其間要用到采樣保持電路。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)由單片機(jī)控制器，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行與停止。顯示模塊主要用來(lái)顯示智能 窗簾控 制裝置 的各種狀態(tài)信息。 鍵盤(pán)模塊主要 作用是通過(guò)按鍵向單片機(jī)輸入指令，其中主要包括設(shè)定時(shí)間，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而控制 窗簾的 開(kāi)與關(guān)。 光敏傳感 信號(hào)校正 A/D 轉(zhuǎn)換 89C51 顯示模塊 鍵盤(pán)模塊 步進(jìn)電機(jī) 9 第 3 章 硬件分析與設(shè)計(jì) 電源電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)電源 電路 單片機(jī)工作需要使用 5V 電壓，因此需要給單片機(jī)設(shè)計(jì)電源電路。圖 是單片機(jī)的電源電路。它采用 LM2576 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路將電動(dòng)機(jī)電源 +12V 直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?+5V 的直流電壓為單片機(jī)供電。 圖 LM2576 中文資料 LM2576 系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路的主要特性如下： ●最大輸出 電流： 3A。 ●最高輸入電壓： LM2576 為 40V， LM2576HV 為 60V。 ●輸出電壓： 、 5V、 12V、 15V 和 ADJ(可調(diào) )等可選 。 ●震蕩 頻率： 52kHz。 ●轉(zhuǎn)換效率： 75%～ 88%(不同電壓輸出時(shí)的效率不同 )。 ●控制方式： PWM。 ●工作溫度范圍： 40℃ ～ +125℃ ●工作模式：低功耗 /正常兩種模式可外部控制 。 ●工作模式控制： TTL 電平兼容 。 ●所需外部元件：僅四個(gè) (不可調(diào) )或六個(gè) (可調(diào) )。 ●器件保護(hù)：熱關(guān)斷及電流限制 。 10 LM2576 的內(nèi)部框圖如圖 所示，該框圖的引 腳定義對(duì)應(yīng)于五腳 TO220 封裝形式。 圖 LM2576 內(nèi)部包含 52kHz 振蕩器、 基準(zhǔn)穩(wěn)壓電路、熱關(guān)斷電路、電流限制電路、放大器、比較器及內(nèi)部穩(wěn)壓電路等。為了產(chǎn)生不同的輸出電壓， 通常將比較器的負(fù)端接基準(zhǔn)電壓 ()，正端接分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，這樣可根據(jù)輸出電壓的不同選定不同的阻值，其中 R1=1kΩ (可調(diào) ADJ 時(shí)開(kāi)路 )， R2 分別為 kΩ()、 kΩ (5V)、 kΩ (12V)、 kΩ (15V)和 0(ADJ)，上述電阻依據(jù)型號(hào)不同已在芯片內(nèi)部做 了精確調(diào)整，因而無(wú)需使用者考慮。將輸出電壓分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出同內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓值 進(jìn)行比較，若電壓有偏差，則可用放大器控制內(nèi)部振蕩器的輸出占空比，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。 由圖 及 LM2576 系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路的特性可以看出，以 LM2576 為核心的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源完全可以取代三端穩(wěn)壓器件構(gòu)成的 MCU 穩(wěn)壓電源。 LM2576 系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成電路 來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái) 更 可靠、 更 方便。 外形圖 11 圖 步進(jìn)電 機(jī)電源 電路 本設(shè)計(jì)采用 12V 直流電壓為步進(jìn)電機(jī)供電，因此需要給步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)電源電路。圖 是步進(jìn)電機(jī)的電源電路。 由于該電路在應(yīng)用中比較常見(jiàn)，所以在此不做任何解析。 12 圖 89C51 單片機(jī)及相關(guān)電路 單片機(jī)的全稱(chēng)是單片微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microputer）。為了使用方便，它把組成計(jì)算機(jī)的主要功能部件：中央處理器（ CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）、程序存儲(chǔ)器（ ROM、 EPROM、 E2PROM 或 FLASH）、定時(shí) /計(jì)數(shù)器和各種輸入 /輸出接口電路 等都集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成了一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。與通用的計(jì)算機(jī)不同，單片機(jī)的指令功能是按照工業(yè)控制的要求設(shè)計(jì)，因此它又被稱(chēng)為微控制器（ Microcontroller）。 MCS51 系列 [1]單片機(jī)是美國(guó) Intel 公司于 1980 年推出的一種 8 位單片機(jī)系列。該系列的基本型產(chǎn)品是 805 8031 和 8751。這 3 種產(chǎn)品之間的區(qū)別只是在片內(nèi)程序存儲(chǔ)器方面。 8051 的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ ROM）是掩膜型的，即在制造芯片時(shí)已將應(yīng)用程序固化進(jìn)去； 8031 片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器； 8751 內(nèi)部包含有用作程序存儲(chǔ)器 4KB 的 EPROM。由于 8051 的編程需要制造商的支持， 而 8751 的價(jià)格昂貴，因此 8031 獲得了更為廣泛的使用。 MCS51 系列單片機(jī)優(yōu)異的性能 /價(jià)格比使得它從面世以來(lái)就獲得用戶(hù)的認(rèn)可。 Intel 公司把這種單片機(jī)的內(nèi)核，即 8051 內(nèi)核，以出售或互換專(zhuān)利的方式授權(quán)給一些公司，如 Atmel、 Philips、 ADI 等。這些公司的這類(lèi)產(chǎn)品也被稱(chēng)為13 8051 兼容芯片，這些 8051 兼容芯片在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了許多特性。本文應(yīng)用電路中采用了 Atmel 公司的 AT89S51 芯片，它與 MCS51 單片機(jī)指令兼容，同時(shí)它的內(nèi)部包含用作程序存儲(chǔ)器 4KB 的基于 FLASH 技術(shù)的只讀存儲(chǔ)器。采用這款芯片既克服了采用 8031 需要添加外部程序存儲(chǔ)器導(dǎo)致電路復(fù)雜的缺點(diǎn)，又克服了采用 8751 導(dǎo)致電路制作成本高的缺點(diǎn)。 晶振電路 電路中的晶振即石英晶體震蕩器。由于石英晶體震蕩器具有非常好的頻率穩(wěn)定性和抗外界干擾的能力，所以，石英晶體震蕩器是用來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率的。通過(guò)基準(zhǔn)頻率來(lái)控制電路中的頻率的準(zhǔn)確性。 同時(shí)，它還可以產(chǎn)生振蕩電流，向單片機(jī)發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)。 圖 是單片機(jī)的晶振電路。電路中的電容 C1 和 C2 的典型值通常選擇為30PF 左右，該電容的大小會(huì)影 響振蕩電路頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體振蕩頻率的范圍通常在 ~12MHz。晶體的頻率越高，系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率越快，單片機(jī)的運(yùn)行速度越快。但反過(guò)來(lái)，運(yùn)行速度對(duì)于存儲(chǔ)器的速度要求就越高，對(duì)印刷電路板的工藝要求也就越高，即要求線間的寄生電容要小。晶體和電容應(yīng)該盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作。 89C51 常選擇振蕩頻率 12MHz 的石英晶體。 圖 單片機(jī)晶振電路圖 14 復(fù)位電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只需要給 89C51 的復(fù)位 引腳 RST 加上大于 2個(gè)機(jī)器周期（即 24 個(gè)時(shí)鐘振蕩周期）的高電平就可以使 89C51 復(fù)位。復(fù)位時(shí)，單片機(jī)初始化為 0000H，從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)程序運(yùn)行錯(cuò)誤（如程序跑飛）或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)時(shí)，也需要復(fù)位鍵使 RST腳為高電平，使 89C51 擺脫“跑飛”或“死鎖”狀態(tài)而重新啟動(dòng)。圖 是復(fù)位電路圖。 圖 復(fù)位電路圖 時(shí)鐘電路 本設(shè)計(jì)需要窗簾在給定的時(shí)間自動(dòng)開(kāi)和關(guān)，所以需要用到定時(shí)器，而為了保證單片機(jī)與外界時(shí)鐘一致，要用到一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí) 鐘電路。這里使用 DS12887 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片來(lái)完成這項(xiàng)功能。 DS12887 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘芯片，其主要功能包括非易失性時(shí)日歷時(shí)鐘、報(bào)警器、百年歷、可編程中斷、方波發(fā)生器和 114 字節(jié)的非易失靜態(tài) RAM。使用 DS12887 時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： Vcc 正常情況下為 5V，當(dāng) Vcc 降至 時(shí)，所有的輸入被忽略，輸出為高阻狀態(tài)， Vcc 降至 3V時(shí)，外部電源被關(guān)斷，內(nèi)部鋰電池為實(shí)時(shí)時(shí)鐘和 RAM 供電，在斷電情況下，時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行，其中的數(shù)據(jù)可保存十年以上不會(huì)丟失。 DS12887 有兩種工作時(shí)序，即 MOTOROLA 和 INTEL15 時(shí)序，由 MOT引腳的電平指定，當(dāng) MOT 引腳為高電平時(shí)選擇 MOTOROLA 時(shí)序，當(dāng)MOT 引腳為低電平時(shí)選擇 INTEL 時(shí)序，圖中選為 INTEL 時(shí)序，這時(shí)芯片的 DS 引腳接系統(tǒng)的讀信號(hào) /RD， R/W 引腳接系統(tǒng)的寫(xiě)信號(hào) /WR。 AS引腳用于分離數(shù)據(jù)地址總線 AD7AD0上的地址和數(shù)據(jù)信息，連接到 MCU 的 ALE 引腳。 RESET 引腳的信號(hào)對(duì)日歷時(shí)鐘和 RAM沒(méi)有影響，但它影響 DS12887 的命令和狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，在圖中直接將 RESET 連至 Vcc，這樣可以保證 DS12887 在進(jìn)入或退出電源失效狀態(tài)時(shí)，其工作 狀態(tài)不受 RESET引腳的影響。 DS12887有一個(gè)可編程輸出方波引腳 SQW，從該引腳可以輸出頻率為 2Hz256Hz 的方波，在系統(tǒng)中正是利用此引腳輸出周期為 125MS 的方波，作為 MCU 外部中斷 /INT0 的中斷源實(shí)現(xiàn)周期性中斷，每當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)， MCU 讀一二次輸入口，檢查電表是否轉(zhuǎn)過(guò)一圈，在整點(diǎn)時(shí)還要采一次三相電流和電壓。除此之外， DS12887 內(nèi)部還有 128 字節(jié)的 RAM 的單元，其中前 10個(gè)字節(jié)用于存放日歷時(shí)鐘信