基于Ardunio的智能光控窗帘系统

编号D-26南京航空航天大学电子电路设计大赛作品报告书基于ATMega328P单片机的智能窗帘控制系统二〇一六年十一月第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告i基于ATMega328P单片机的智能窗帘控制系统摘要本课题的研究目的是开发出基于ATMega328P单片机的智能窗帘控制系统，以常见的百叶窗为硬件平台，采用28BYJ48四相五线步进电机与ULN2003集成达林顿管驱动阵列进行驱动。通过光敏传感器采集光强度，经由采样/保持电路、AD转换电路输出数字量，与预设参量比较，单片机输出信号控制电机的正、反转以达到开闭窗帘的目的。同时使用矩阵键盘实现手动开闭窗帘以及设置开闭系数的功能。关键词：ATMega328P，百叶窗，智能窗帘第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告iiIntelligentcurtaincontrolsystembasedonsingle-chipATMega328PAbstractThepurposeofthisprojectistodevelopanintelligentcontrolsystembasedonATMega328Pmicrocontroller,withcommonly-seenshuttersashardwareplatform,using28BYJ48fourphasefivewiresteppermotorintegratedwithULN2003Darlingtonarraysasdriversection.Withthecollectionoflightintensitybyphotosensitivesensor,followedbysampling/holdingcircuit,ADconversioncircuit,thesystemwillgiveadigitaloutput.Next,thesignalwillcomparewithpresetparameters,andusethepositiveandthenegativeoutputsignaltocontrolthemotorinordertoachievethepurposeofopeningandclosingthecurtains.Atthesametimeusingthematrixkeyboardtoachievemanualopenandcloseofcurtainsandsetthefunctionofopeningandclosingcoefficient.KeyWords：intelligentcontrolsystem,ATMega328P，shutters第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告iii目录摘要....................................................................ⅰAbstract...................................................................ⅱ一、引言.................................................................11.1课题背景............................................................11.2课题的研究工作......................................................1二、电路与程序及机械结构设计...............................................22.1作品总体框架设计.....................................................22.2硬件选择.............................................................32.3驱动电路设计.........................................................32.4控制程序设计.........................................................42.5机械结构设计.........................................................6三、理论分析与计算.........................................................7四、电路图及有关设计文件...................................................7五、元件清单...............................................................9六、总结与展望.............................................................9致谢......................................................................10第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告-1-一、引言1.1课题背景智能家居（英文：smarthome,homeautomation）是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居概念的起源甚早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州哈特佛市的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的智能型建筑,从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。智能家居在中国起步较晚，至今经历了十几年的时间，研究仍在不断深入。可见，智能家居市场前景巨大。家居智能化也已经成为了一种发展趋势。而智能窗帘是智能化家居中最为基础却也十分重要的一个组成部分。在欧美等发达国家，电动窗帘已经广泛使用。虽然电动窗帘早已进入我国，但却一直没有大的推广，这两年，随着电控技术的不断发展和智能家居理念的不断普及，电动窗帘热又卷土重来。据了解，全国共有200多种电动窗帘获得了国家专利，但究其技术而言，大同小异。并且，大多只停留在用按键控制窗帘开关或升降的状态。1.2课题的研究工作本课题研究内容——窗帘自动控制装置即是智能家居的一个很小的组成部分。本课题旨在实现的是窗帘自动控制装置。不同于一般的布艺窗帘，本课题选择以传统的百叶窗作为雏形。主要考量如下：1.实现效果：百叶窗的遮光效果可调，通过控制布艺窗帘的开合程度来控制进光量会导致室内亮度不均匀；2.经济因素：相比与布艺窗帘，百叶窗成本更低，经济实惠且局部出现问题后易于更换；3.设计风格：符合家居第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告-2-中简约、大方的现代设计风格。课题目标与实现方法：装置通过感知周围环境的光强自动改变叶片的旋转角度，控制进光量，以实现室内光强的稳定,使室内的亮度保持在一个舒适的程度。同时也通过手动键盘控制窗帘，以满足用户主观上的需求。例如，在夜间，用户需要关闭窗帘，此时就可以切换到手动操作模式，关闭窗帘。本产品可实行自由的自动手动切换，有良好的实用性。二、电路与程序及机械结构设计2.1作品总体框架设计单片机控制电路光敏传感器采样保持电路A/D转换外部驱动电路机械装置时钟信号第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告-3-2.2硬件选择基于ATMega328P单片机的ArduinoUNO单片机系统是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境，是一款非常成熟的硬件开发平台。Arduino具有以下优点：·简单清晰ArduinoIDE基于processingIDE开发。对于初学者来说，极易掌握，同时有着足够的灵活性。Arduino语言基于wiring语言开发，是对avr-gcc库的二次封装，不需要太多的单片机基础、编程基础，简单学习后，你也可以快速的进行开发。·开放性Arduino的硬件原理图、电路图、IDE软件及核心库文件都是开源的，在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。·发展迅速Arduino不仅仅是全球最流行的开源硬件，也是一个优秀的硬件开发平台，更是硬件开发的趋势。Arduino简单的开发方式使得开发者更关注创意与实现，更快的完成自己的项目开发，大大节约了学习的成本，缩短了开发的周期。2.3驱动电路设计功率电子电路大多要求具有大电流输出能力,以便于驱动各种类型的负载。功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。本课题中，驱动电路部分运用的是ULN2003系列的ULN2003D。ULN2003电路主要用于如下领域：●伺服电机;●步进电机;第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告-4-●电磁阀;●可控照明灯。2.4程序控制设计主函数：系统上电进入自动光控模式后，通过外部中断使系统复位从而进入手动控制模式红外遥控电机光控模式第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告-5-光控模式：‘’延时读传感器阈值LoopBreak极限位置极限位置反转延时正转第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告-6-2.5机械结构设计本课题打算采用百叶窗的形式，来实现窗帘的机械结构。由于制作时间和展示场地的限制，故制作微缩结构示意。在步进电机上，通过笔芯卡扣扣住电机，并用胶水粘住。用大小符合的碳纤维杆作为传动杆。穿过支架上的小孔，并在另一端套入十字型模型。模型十字上有一排小孔。在制作两个相同的模型。将他们从上到下依次等距离装在支架上，并用一根传动杆，固定住十字型支架，来实现他们的互相传动。机械结构实物图第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告-7-三、理论分析和计算28BYJ48减速步进电机在无细分时的步距角为5.625/64度，即无细分时4096步转一圈。本作品只需将叶片旋转90度即可，并通过电机的正传反转来控制。90/（5.625/64）=1024，在90度的范围内有1024个区间。将光照的电压0到5伏分成1024个区间，与Arduino内部集成的10位AD转换器正好对应，即每个区间对应的步数1步，所以相邻区间光照变化即使电机走1步。步进电机驱动器的所收到信号频率的大小决定了步进电机运动的快慢，而频率由软件所产生的高低电平的周期来控制，高低电平的周期通过改变定时器初值和延时时间来改变。四、电路图及有关设计文件Arduino与步进电机连接图Arduino与光敏传感器连接图第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告-8-Arduino与红外接收器连接Arduino与LCD液晶连接图第十一届“中航津电杯”电子电路设计竞赛作品报告-9-五、元件清单Arduino单片机1个DHT11温湿度传感器1个光敏传感器1个28BYJ48步进电机1个ULN2003D驱动芯片1个LCD1602液晶1个万能板1块面包板1块导线若干10K电位器2个38K红外接收器1个红外遥控器1个六、总结与展望自动化的智能家居，这是现在家装的追求方向。小组成员从初期选题到查阅资料到方案讨论再到之后的硬件软件编程、机械结构实现，完成了对窗帘自动控制装置的研究过程，并完成了预期的功能。本次课题是将专业课理论知识付诸于实物开发的一次较为成功的尝试，小组成员真正体会到“技术孕育产品”的强大魅力。尽管研究过程困难重重，经历了技术和心理上的双重考验。实际和理论构想出现差异、理论计算和实际实现情况不符、采样保持器不能正常工作……诸多的困难没有让大家放弃，在不断的钻研和