实用智能窗帘控制器的设计

刘浩本科毕业设计·实用智能窗帘控制器的设计第1页，共83页1绪论1.1研究意义随着电子信息技术迅猛发展，人们对智能家居的要求越来越强烈，方便及舒适的智能窗帘是适应现代化办公和生活环境的迫切需要。智能家居控制系统必将成为未来住宅的发展趋势，走进普通居民的家居，进一步提高居民的家居生活品质与品味[1]。智能窗帘作为其中的一个重要组成部分，其发展也标志着智能家居的发展程度，现在的智能窗帘控制系统集现代光、机、电为一体，是智能家居的理想选择，尽力达到完美与和谐的统一。本设计根据现代化办公和生活环境的迫切需要，以单片机STC89C54RD+为主控芯片，利用光强度传感器BH1750FVI、温湿度传感器、红外遥控器、红外对管等传感器设计一个实用智能窗帘控制器。其取代了传统的手动推拉窗操作，以一种人性化的工作模式适应人们日益追求简单、方便、舒适的生活方式。1.2实用智能窗帘控制器的设计的发展自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲等经济比较发达的国家在智能家居的设计上也提出了各种方案[2]。智能窗帘作为其中的一个重要组成部分，其发展也标志着智能家居的发展程度，智能窗帘是未来居家生活的发展方向，虽然现在普及比较少且大多是有钱人的专属，但是随着电子技术的飞速发展和电子元件价格的下降,具有功能完备、安全性较高、便于窗帘的维护、性价比高等优点的智能窗帘得到窗帘设计者的青睐。1.2.1基于无MCU智能窗帘控制器的设计无MCU的智能窗帘控制器典型设计原理如图1.1，其核心电路为CK-95专用窗帘驱动模块。该控制器把控制信号经逻辑变换和电平变换后送到CK.95窗帘驱动模块控制电机工作，根据控制信号执行输出从而控制窗帘的开和关[3]。奥兰AL.CK01由驱动模块、电源模块、遥控接收及定时电路、控制电路等组成，其体积小巧，安装方便。但是，这种设计的控制器没用到微处理器MCU，使其控制不灵活，每一种功能上改动必会引起硬件上的变化，显得并不智能，不能满足高效、智能窗帘控制机的要求。刘浩本科毕业设计·实用智能窗帘控制器的设计第2页，共83页1.2.2基于PLC智能窗帘的设计基于PLC智能窗帘的设计框图如图1.2所示。接通开关后，打开PLC电源，PLC启动后就对煤气检测模块、烟雾检测模块、温度检测模块、红外线检测模块等进行检测[4]。PLC根据这些信息自动控制窗户或者窗帘的开关。该智能窗设计最大的特点是功能模块化，PLC的接口较多，使得该设计的制作和编程较为方便。显然PLC的功能强大可以完成一个智能窗户的所有功能，其利用输入的各个检测信号输入到预处理模块进行电量转换，并将信号输入到PLC处理，控制输出模块的动作，进行智能窗户的设计,功能十分完备。但是，其价格昂贵，一个低端的PLC裸机就高达一千元左右，再加上其体积庞大不易安装、I/O接口的浪费，显然是大材小用了。信号变换电路遥控译码电路红外就收电路S1S3S4S2自动停止主机开/关关副机开/关关去副机光敏电阻CK.95窗帘驱动模块mSP.18D电源模块220V~VDDR图1.1典型无MCU的智能窗帘控制器原理图·刘浩本科毕业设计·实用智能窗帘控制器的设计第3页，共83页1.2.3基于网络化智能窗帘控制器的设计基于Zigbee技术设计的智能窗帘网络化控制系统，其典型的原理框图为图1.3。利用系统网络的拓扑和采用Zigbee网络技术来对整栋办公大楼的窗帘进行集中控制管理[5]。根据室外温度、光照强度等参数控制窗帘或者窗户，同时可以起到节约能源和美化整栋建筑幕墙的作用。但是这种方案把每个办公室的温度和光强的情况统一化了，没有按照每个办公室的实际需要而进行统一的管理和控制，使其在广泛利用方面有一定的局限性。图1.3基于Zigbee技术的智能窗帘网络化控制系统开始程序初始化判断窗帘初始化状态打开关闭是否有强光或者较大湿度是否有弱光或者湿度低否否向Zigbee模块发射关窗信号向Zigbee模块发射开窗信号A控制按钮电源气敏传感器烟雾传感器湿度传感器红外传感器温度开关输入模块FXIN-24MR输出模块直流电机排气扇声光报警器指示灯图1.2基于PLC的智能窗帘的设计框图刘浩本科毕业设计·实用智能窗帘控制器的设计第4页，共83页1.3研究内容设计内容：设计一个智能窗帘，用STC89C54RD+为主控芯片，以数字光强度、湿度、温度等传感器作为外围电路的窗帘控制器。将各传感器的信号送入单片机，利用单片机发出控制信号去驱动电机转动，完成一个窗帘控制器的设计，使其具有功能完备、安全性较高、便于维护等特点。该控制器能检测环境的光线强度和湿度，并根据自己设点值自动打开窗帘的打开程度；定时早晚开关窗帘；红外遥控远程控制窗帘的开关和参数设置；能用液晶显示实时显示工作参数等。1.4论文结构整个论文结构安排如下：第1章绪论：介绍智能窗帘的背景、意义和发展现状第2章系统硬件设计：讲述本设计所用到的各硬件模块的功能和实现方案第3章系统硬件模块：系统的介绍硬件系统的总体电路和各个模块硬件功能的实现第4章系统软件设计：系统地介绍软件流程、各模块的软件设计和总体程序组合第5章系统的调试：从模块到整机的调试第6章结束语2系统硬件设计2.1功能要求主要功能：⑴光线强度检测：通过光线强度传感器实时检测光线强弱，控制窗帘打开的合适程度，为室内提供设定的光线强度；⑵时钟定时及万年历功能：能提供一个简单的万年历功能并能够定时早晚开关窗帘；⑶红外遥控远程控制：可以用遥控进行窗帘的开和关，以及各个参数的设置；⑷湿度检测：能完成湿度检测，当房屋内湿度太大能自动打开窗帘进行通风；⑸各参数（光线强度、湿度、工作模式、万年历等）的实时显示；⑹窗帘的完全关闭和打开的自动检测及控制等。根据设计的需要，将单片机最小系统、传感器模块、液晶12864显示、电机驱动电路和电机模块、红外遥控器和遥控接收模块、电源模块等有机组合完成以上的设计要求。刘浩本科毕业设计·实用智能窗帘控制器的设计第5页，共83页STC89C5212864液晶显示红外遥控BH1750FVI数字光强度监测温湿度监测复位电路时钟电路（走时、定时）红外对管模块完全打开关闭检测电机模块供电模块模式选择（手动、自动）图2.1窗帘总体设计框图2.2设计方案利用单片机STC89C54RD+为主控芯片，以数字光强度、湿度、温度、红外对管等传感器为外围电路的有机结合，送入单片机中去驱动电机的转动。最终完成一个具有功能完备、安全性较高、便于窗帘维护等特点的窗帘控制器,总体设计框图如图2.1。模块化设计：⑴单片机最小系统模块：单片机的电源电路、开关、必要的时钟电路、复位电路及按键；⑵传感器模块：BH1750FVI是用16位数字光强度传感器，利用内部的模数转换器把采集光的强度实时送到STC89C54RD+中进行处理，理将温湿度传感器等信号通过电量转换送入单片机[6]；⑶显示模块：通过液晶12864显示时间和工作模式及其参数等；⑷电机模块：经过单片机对各种传感器的实时信息输入，根据预先设置好的参数对电机进行控制，主要为正转和反正的控制；⑸遥控模块：通过红外解码，进行遥控器的重新设计；⑹红外对管的模块，设计红外对管电路，能完成窗帘的完全关闭和打开的自动检测及控制等。2.3小结本章主要讲述了该设计要完成的主要功能和设计方案，根据功能确定智能窗帘设计的总体框图，以及其硬件电路设计的整体情况。完成了分析功能要求和确定设计方案。刘浩本科毕业设计·实用智能窗帘控制器的设计第6页，共83页3系统硬件模块3.1系统总体电路本设计的系统总体电路如图3.1所示。控制部分是以STC89C54RD+单片机为核心的最小系统[7]；液晶12864显示各参数包括光线强度、湿度、工作模式、万年历等；把BH1750FVI实时采集光强信号和DHT11实时采集温湿度值送入最小系统进行处理；红外接收头接收遥控输入数据主要为功能键和数值键；DS1302提供一个万年历的功能，让预设时间和万年历时间一致，完成早晚开窗帘的开和关；2对红外对管分别完成完全打开和完全关闭的检测功能，使得电动机在完全打开和完全关闭时停下来。图3.1系统总体电路图EA/P4.631X119X218RESET9RD/P3.717WR/P3.616INT0/P3.212INT1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN/P4.429ALE/P4.530TXD/P3.111RXD/P3.010GND20VCC40U1STC89C54S5SW-RESp00p01p02p03p04p05p06p07VCCVCCVSS1VDD2V03RS4R/W5E6DB07BD18DB29DB310DB411DB512DB613DB714PSB15NC16RST17VOUT18BLA19BLK20液晶12864Header20GNDP20P21P22P23P24P25P26P27P20P21P22P23P24P25P26P27VCCP031KR3VCCP04P05P06P07GNDVCCCR2032VCCGNDGNDVCC1GND2OUT3U31838TVDD1DATA2NC3GND4U4DHT11VCC1SCL2SDA3ADD4GND5U5BH1750FVIGNDGNDGNDVCCVCCVCCP36P34P35P33P37P30P31P32P33P34P35P36P37P38P39P10P11P12P13P14P15P16P17X12X23VCC21GND4RST5I/O6SCLK7VCC18U2DS13021KR110KR210uFC3Cap212B111.0591MHZ1232.768KZS2S1S3S4P10P11P12P13GNDP00P01P02P03P04P05P06P0730pFC130pFC2GNDGNDGNDVCC1KR4123456789R0VCCS0SW-SPSTP30P31B11B22B33B44B55B66B77C116C314C413C512C611C710C215COM9E8U6ULN2003AD4.7KR54.7KR64.7KR74.7KR8VCCGNDGND12345STEPMTRVCCM1M2M3M4M1M2M3M4VCCD3D2SEND220R99.1KR10VCCGNDD5D4SEND220R119.1KR12VCCGNDP00P01D1智能窗帘单片机最小系统红带对管（检测完全打开和关闭）电动机驱动DS1302时钟模块温湿度传感器红外接收头12864液晶光线传感器P0上拉电阻、按键、指示灯智能窗帘控制器总体电路图刘浩本科毕业设计·实用智能窗帘控制器的设计第7页，共83页3.2STC89C54RD+单片机最小系统主控制器在一定程度上也决定了系统的整体性能，本设计选择的主控芯片是STC89C54RD+单片机。STC89C54RD+是宏晶科技公司推出的抗干扰性强、低功耗、高速、完全兼容传统8051指令代码且具有良好性价比的单片机。此单片机具有双倍速功能，支持6周期模式运行；还具备ISP在线系统编程功能，不用购买额外的编程器，为开发带来方便；最主要的是其具有16ｋ字节Flash程序存储器和1280字节的ＲＡＭ数据存储器，可以大大的满足使用者在编写复杂程序时遇到容量不够用的问题。本设计使用的传感器和外围电路较多，因此需要较大的存储容量，无需扩展外部程序存储器和数据存储器。考虑以上因素STC89C54RD+单片机是最好的选择，其最小系统为图3.2。3.3LCD12864显示模块本设计采用带有中文字库的液晶显示器12864，显示的分辨率是128*64，内置有8192个16*16点汉字和128个16*8点的ASCII字符。该模块的接口方式灵活、简单，让程序的编写也较为方便；同时还具有工作电压低、耗电量低等特点。由该模块构成的液晶显示与同类型图形的点