智能采光窗帘

智能采光与室内光线调节窗帘设计吴飞翔B12040721摘要随着科学技术和经济快速发展，人们对生活质量的要求越来高，他们已由温饱问题转向对生活科技化和时代化的追求。基于这一问题我设计了智能采光窗帘。该设计通过HT46Ru232为系统的主控芯片，完成各模块的连接与控制。利用光敏电阻和霍尔传感器完成检测光强和角度的控制。采用无线控制模块实现对系统的无线控制。利用太阳能模块实现蓄电池的充放电，实现能源的循环利用。并将相关信息用12864液晶屏显示出来以实现较好的人机交流。本系统为用户设置了3个档位分别为睡眠档，学习档和生活档，用户可以根据自己的需求来选择相应的档位，为用户提供了理想的采光，弥补了传统窗帘的不足。将太阳能储存起来进行利用，缓解人类能源危机。本作品适应了现代社会的需要，性价比高，易于产品化和市场化。关键词：盛群单片机智能化环保时代化1前言随着社会的快速发展，人们也逐渐步入了快节奏的生活之中，与此同时，人们对生活的要求也越来越高。为了美化，现在住房的大部分墙壁都采用玻璃材料制作，造成居民家中的光照强度也不断增强，给居民的日常生活带来了一些不便。为了解决这些问题，我们自主设计了这个卧室智能采光窗帘，一方面根据用户要求自动调节室内光照强度，提供理想的采光，为用户提供舒适的生活环境；另一方面将采集的太阳光转化为电能存储在蓄电池之中循环利用，为本系统电机供电，同时也可以用来给手机等小型移动电器充电。本作品具有功能完善、成本低廉、使用方便等特点，有很强的实用性，易于产品化和市场化。并且充分利用太阳能，可以为家庭省去一笔可观的电费，又符合国家可持续发展的基本国策，具有广泛的发展前景。2工作原理及功能2.1工作原理总体描述本系统使用了单片机、传感器等技术，通过HT46Ru232为系统的主控芯片，完成各模块的连接与控制。系统的关键技术问题是检测光强和步进电机控制，首先利用光敏电阻感光，通过AD采集数据并将其传送给单片机，通过单片机分析后与用户设定的光照强度进行比较，然后控制电机（正反转）带动光伏遮光板转动（旋转角度可为180度），以调节至合适的光照。当进光亮最强时仍无法到达相应的光强值时，停止电机转动。并利用霍尔传感器实现旋转角度的控制。利用太阳能模块将投射到太阳能电池板上的光能转化成电能储存在蓄电池中为本系统和家用电器供电，实现能源的循环利用。本系统设置了无线控制和温度检测以方便用户，并将以上相关信息用12864液晶屏显示出来以实现较好的人机交流。2.2功能总体描述由于太阳光的强度和太阳的位置每时每刻都在变化，传统的百叶窗或窗帘虽然可以把阳光挡住，但会造成卧室内采光不足，造成用户不便。本系统可以根据用户的需要，提供强光，中强光和弱光三个档位。当用户选择相应的档位后，窗帘会根据用户选择的档位自动调节遮光叶片的角度，调节光照强度，并随着太阳的位置变化和强度变化而变化，使卧室光线满足用户要求，并且收集太阳能以电能的形式储存在蓄电池中循环利用。2.3CPUHT46RU232的主要核心功能应用智能采光窗帘采用28SKDIP/SOP封装的盛群MCUHT46RU232作为主控芯片，HT46RU232是8位高性能精简指令集单片机，专门为需要A/D转换产品而设计，例如传感器信号输入，它内部提供了8通道12位分辨率A/D转换；2通道4位PWM高频载波输出；I2C总线串行接口；可编程分频器PFD(ProgramFrequencyD等，应用方便。本作品中设计了一个以HT46RU232为核心的单片机最小系统板，然后在它基础上进行外围电路的扩展。用到了此芯片的如下功能：1)一路A/D转换的12位分辨率口；2)一个I/0作为模拟串口输入，作为温度传感器的输入口；3)一个I/0口作为液晶屏的串行输出口，用来显示用户界面。4)使用2个定时器/计数器TMR0和TMR1，定时器1用来给电机提供脉冲，定时器0用来检测按键输入、刷新液晶屏显示，检测霍尔传感器的位置。5)若干个I/0口作为电机的控制口，按键，无线控制等。3系统总体设计3.1系统总体设计思路根据要实现的功能要求，采用图1所示的方案。系统主要包括以HT46RU232为主控MCU为核心的单片机最小系统作为本作品的中央处理装置；采用2596做稳压，配以各种保护电容，和线圈，稳定输出5v恒定电压，为各电路系统提供稳定的电源；太阳能控制器包含充电和放电两种状态，只要输入端电压高于电池电压，自动为电池充电，当电池电压大于7.5V时，停止充电，充电显示等常亮；当接入负载时，放电指示灯常亮，电池为外围设备供电；内部安有一个18B20温度传感器，测量室内温度。步进电机用L298芯片控制，单片机为步进电机提供脉冲，调控脉冲的宽度，实现电机的正反转和转速的快慢；光敏电阻接一个上拉电阻，才能正常工作，检测光强，把值返回给单片机，以实现光强的控制；最后把光照强度，室内温度，用户设置的当位，当前控制状态的通过12864液晶屏显示出来，让用户可以直观的使用本系统。3.2硬件设计（系统方块）本系统主要由HT46RU232为主控MCU为核心的单片机最小系统、电源系统、外围传感器、L298N电机驱动电路、12864带字库液晶屏、步进电机、太阳能电池板、太阳能控制器、无线控制模块和主控底板组成。3.2.1HT46RU232单片机最小系统最小系统由HT46RU232单片机及复位电路、8M石英晶体振荡电路构成，本设计中将最小系统与四个按键、四个LED指示灯做成一块中心板，并且将HT46RU232单片机所有引脚以功能模块化的结构引出形成引脚扩展，并为步进电机、无线模块、12864液晶屏、光敏电阻模块、2个霍尔传感器模块设置了专门的外围插排，使用很方便，对应的外围设备只需按相应的位置放好即可。本设计巧妙、方便、实用、可靠。3.2.2电源模块对于一个系统来说，稳定可靠的电源相当于整个系统的心脏。是每个模块能够顺利工作的前提。所以在这里我们选用8vLi电池供电，使用2596芯片配以电容和线圈对其进行稳压，统一变为5v。5v是各模块均能正常工作的标准电压。这样在对其他模块供电时不必另外变压。3.2.3检测光强和温度模块当不同的光照强度照到光敏电阻上时，电阻的阻值不同。如当光线很弱时，光敏电阻的阻值可能达到好几百千欧。当光照很强时，光敏电阻的阻值很小，在500欧左右。Vout=R3/(R3+10)。输出的电压经过AD转换成12位的数字量进行比较。由于HT46RU232自带了AD转换的功能，无需外加AD转换芯片。3.2.4电机驱动模块若要使由光伏遮光板组成的窗帘能够转动起来，所以在这里我们采用了由L298以及相应的支撑电路作为步进电机的驱动模块。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：(1)控制换相顺序图4检测光强模块通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C－D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。3.2.5无线控制模块无线模块采用2262作为发送端的编码芯片，接收端利用2272M4系列作为解码芯片。2272的14脚作为接收头的输入端。1013脚为解码后的输出端，图1步进电机驱动原理图图3无线接收模块输出TTL电平与HT46RU232芯片连接。当发送端共有4个按键，分别为A，B，C，D。当发送端有按键按下时，接收头接收到相应的无线信号，经过解码，10~13脚对应的引脚输出高电平。由于2272M4是非自锁型的芯片，当按键松开时，引脚的高电平变为低电平。这可样就可以实现单个按键的重复操作。它的充电过程：只要输入端的电压大于电池电压，控制器自动对电池充电，充电指示灯闪烁；当电池充满后（8.4V），充电指示灯一直亮，此时控制器不对电池充电；当电池用了一部分电后（8.2V），控制器会再次给电池补充电能；当输入端电压过低（6V），充电指示灯不亮，表示没有对电池充电。它的放电过程：感光点没有光照时且当锂电池电压达到7.0V以上时，半分钟后，输出端才能输出电压，并一直保持输出，直到锂电池电压达到最低放电电压（6V），放电指示灯一直亮；当锂电池的电压低于最低放电电压（6V），放电指示灯灭；输出端关闭输出，保护蓄电池，直到锂电池电压再次达到7.0V。一旦感光点有光照，输出端会延迟半分钟后关闭输出，并一直保持关闭状态。3.2.6太阳能控制器太阳能控制器将投射到太阳能电池板上的光能转化成电能储存在蓄电池中，并为本系统和家用电器供电。它采用了智能电源管理芯片，采用脉冲充电，工作电流比较大，在常温下，输出端最大输出电流8A，充电端最大电流可达5A，大部分电池的充电电流都是小于5A，可以满足大部分电池的使用，而自己静态功图2无线发送模块耗极小，电流小于6mA。带蓄电池反接保护，如果蓄电池接反了，也不会烧坏它内部的芯片。它带有蓄电池放电保护功能，当蓄电池的电量快用光的时候，控制器会关闭蓄电池的输出端，终止对负载供电，这样可以保护蓄电池过放电，能延长蓄电池的使用寿命当蓄电池因长时间没阳光无法充电而严重低压时，如果电压低于5V时，一般控制器是无法工作的。但本控制器在超低电压（1V）下仍能运行，并在有阳光的时候启动充电功能，对蓄电池进行充电，直到充满为止。这种充电功能是其它的同类中所没有的。电池类型：可以用于8V以上的任意可充电电池，比如铅酸蓄电池，锂电池，镍氢电池，镍镉电池等。充电端最大工作电流：5A蓄电池最大输出电流：8A最大工作电压：30V最小工作电压：5.5V静态功耗：小于6mA反向充电保护：有欠压保护：有过充保护：有过放保护：有3.3主要的传感元件介绍3.3.1光敏电阻介绍光敏电阻器是一种对光敏感的元件，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示，图1-25是其电路图形符号。（一）光敏电阻器的结构、特性及应用1．光敏电阻器的结构与特性：光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成，如图1-26所示。光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。2．光敏电阻器的应用：光敏电阻器广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。图1-27是光敏电阻器的应用电路。（二）光敏电阻器的种类光敏电阻器可以根据光敏电阻器的制作材料和光谱特性来分类。1．按光敏电阻器的制作材料分类光敏电阻器按其制作材料的不同可分为多晶光敏电阻器和单晶光敏电阻器，还可分为硫化镉（CdS）光敏电阻器、硒化镉(CdSe)光敏电阻器、硫硫化铅(PbS)光敏电阻器、硒化铅(PbSe)光敏电阻器、锑化铟(InSb)光敏电阻器等多种。3.光敏电阻的工作原理和结构：当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即式中ν和λ—入射光的频率和波长。一种光电导体，存在一个照射光的波长限λC，只有波长小于λC的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都