基于單片機的自動窗簾控制系統(tǒng)

王洪霞

摘 要：本文采用單片機STC12C5A60S2，控制一個步進(jìn)電動機，控制窗簾的拉開和關(guān)閉，利用了光敏電路以及按鍵電路等外圍電路，整個系統(tǒng)在各模塊的配合下可實現(xiàn)自動控制、手動控制等功能。該設(shè)計采用Protel軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計，并用PCB板做出了實物，模擬窗簾的開閉。

關(guān)鍵詞：單片機 自動控制 STC12C5A60S2 Protel

前言

目前，家庭居住環(huán)境的采光及避光問題主要采用的是手動開閉窗簾，手動開閉不僅費力而且很多方面不夠人性化，可能對用戶造成一定的困擾，窗簾控制系統(tǒng)可以解決這些問題。本設(shè)計正是把利用STC12C5A60S2單片機的優(yōu)點以及簡單實用性，順利的完成了對智能控制的要求，并且為智能化的家居設(shè)備提供了良好的基礎(chǔ)。

一、總體方案設(shè)計

自動窗簾控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計是基于滿足設(shè)計要求的前提并且根據(jù)理論上的可實現(xiàn)性和硬件上的經(jīng)濟實用性，而進(jìn)行設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。本文從人們對系統(tǒng)功能需求出發(fā)，在綜合考慮各種因素的情況下，設(shè)計出自動控制系統(tǒng)的總體構(gòu)架，并且在基本功能需求的基礎(chǔ)上盡可能考慮系統(tǒng)的可擴展性。

1.系統(tǒng)基本功能

本控制系統(tǒng)提出可以根據(jù)光照以及定時等開關(guān)窗簾，具體有以下幾大功能：（1）手動控制狀態(tài)：此功能使自動窗簾控制系統(tǒng)具有手動拉開、關(guān)閉和停止功能。（2）半自動控制狀態(tài)：此功能是在要打開或者關(guān)閉窗簾的時候，通過“開”或“關(guān)”按鍵，窗簾在電機的帶動下可以自動開閉。

2.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)光照來開閉窗簾主要原理是用光敏電阻采集外界的光強度，從光傳感器采集的信號利用信號校正電路放大，濾波后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，由于A/D轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換需要一定時間，一旦在這段時間內(nèi)信號發(fā)生變化，轉(zhuǎn)換結(jié)果將會出現(xiàn)偏差，所以在轉(zhuǎn)換期間應(yīng)該采用采樣保持電路。傳入的信號由單片機來控制，并且做出響應(yīng)，以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止。顯示模塊是用來顯示自動窗簾控制器的各種狀態(tài)。通過不同按鍵來控制單片機進(jìn)行各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

二、硬件設(shè)計

采用STC12C5A60S2單片機作為控制核心，并且輔助以外圍電路，其中包括電源電路，定時電路，步進(jìn)電機控制電路，鍵盤/顯示電路等一系列相關(guān)電路。

1.電源電路

單片機正常工作電壓為5V，因此設(shè)計的電源電路主要是提供單片機工作電壓[1][2]。

2.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產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率的。通過基準(zhǔn)頻率來控制電路中的頻率的準(zhǔn)確性。同時，它還可以產(chǎn)生振蕩電流，向單片機發(fā)出時鐘信號。

片內(nèi)電路與片外器件就構(gòu)成一個時鐘產(chǎn)生電路，CPU的所有操作均在時鐘脈沖同步下進(jìn)行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在1.2MHz～24MHz之間選取。C1、C2是反饋電容，其值在20pF～100pF之間選取，典型值為30pF。本電路選用的電容為30pF，晶振頻率為12MHz[3]。

3.復(fù)位電路

主要功能是使單片機進(jìn)行初始化，在初始化的過程中需要在復(fù)位引腳上加大于2個機器周期的高電平。復(fù)位后的單片機地址初始化為0000H，然后繼續(xù)從0000H單元開始執(zhí)行程序。在復(fù)位電路中提供復(fù)位信號，等到系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，再撤銷復(fù)位信號。但是為了在復(fù)位按鍵穩(wěn)定的前提下，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防在按鍵過程中引起的抖動而影響復(fù)位。

4.顯示電路

5.電壓比較部分

LM393是由兩個獨立的、高精度電壓比較器組成的集成電路，失調(diào)電壓低，最大為2.0mV。它專為獲得寬電壓范圍、單電源供電而設(shè)計，也可以以雙電源供電；而且無論電源電壓大小，電源消耗的電流都很低[4]。393被設(shè)計成能直接連接TTL和CMOS；當(dāng)用雙電源供電時，它能兼容MOS邏輯電路——這是低功耗的393相較于標(biāo)準(zhǔn)比較器的獨特優(yōu)勢[5]。

6.手動和自動轉(zhuǎn)化電路

按鍵K2表示手動開關(guān)窗，按鍵K3代表手/自動切換。

7.步進(jìn)電機

步進(jìn)電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件。步進(jìn)電動機的輸入量是脈沖序列，輸出量則為相應(yīng)的增量位移或步進(jìn)運動。步進(jìn)控制器的作用是把輸入脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)型脈沖，以控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向。在實際應(yīng)用中由軟件代替步進(jìn)控制器，其優(yōu)點是使線路簡化，降低成本，可靠性提高。在窗簾控制系統(tǒng)中選用了型號為130HZ308-450的三相反應(yīng)式步進(jìn)電機，其優(yōu)點是力矩大，精度高，其步進(jìn)角度是1.2°。

8.總體設(shè)計圖

三、軟件設(shè)計

介紹各個功能模塊的設(shè)計流程以及設(shè)計思路。

1.主程序的設(shè)計

主程序主要完成系統(tǒng)初始化操作及各個子程序之間的聯(lián)系任務(wù)，主程序是無限循環(huán)，主要的功能是完成單片機初始化，開關(guān)中斷，對按鍵進(jìn)行掃描，控制步進(jìn)電機工作等。

主程序的作用主要是先初始化寄存器以及顯示內(nèi)容；然后查詢按鍵操作，并且對按鍵進(jìn)行分析以及處理，通過分析處理，控制步進(jìn)電機工作。對于控制鍵，執(zhí)行窗簾開閉的工作。如果經(jīng)過分析后都不是，采取復(fù)位的操作。

2.主要子程序的設(shè)計

（1）紅外遙控程序設(shè)計

紅外遙控的發(fā)射電路是采用紅外發(fā)光二極管來發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的紅外光波；紅外接收電路由紅外接收二極管、三極管或硅光電池組成，它們將紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，再送后置放大器。紅外遙控可實現(xiàn)手自動切換和開關(guān)窗動作。

（2）步進(jìn)電機程序設(shè)計

步進(jìn)電機是操控窗簾開閉的主要執(zhí)行器件，其設(shè)計主要是按照單片機指令以及按鍵指令進(jìn)行正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。

結(jié)語

本次設(shè)計系統(tǒng)地介紹了自動窗簾控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計以及軟件設(shè)計。在總體方案設(shè)計中以光敏電阻作為傳送信號的傳感器，用步進(jìn)電機作為信號輸出的執(zhí)行元件，STC12C5A60S2單片機作為主要的控制元器件，光敏電阻接收外界光照信號，經(jīng)過A＼D轉(zhuǎn)換后，傳送給單片機一個電信號，單片機經(jīng)過處理后，控制步進(jìn)電機做出相應(yīng)的動作，以控制窗簾的開閉。在實現(xiàn)一般應(yīng)用的基礎(chǔ)上，又添加了定時元器件電路，使窗簾的自動化性能得到進(jìn)一步提升。光敏電阻的良好感光性以及步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)簡單，控制方便的優(yōu)點使窗簾控制開關(guān)更加穩(wěn)定。雖然設(shè)計內(nèi)容完成了基本的功能，但是其中還是存在一定欠缺，比如在設(shè)計中沒有考慮到窗簾工作方式的顯示以及沒有添加類似紅外遙控的設(shè)計等。

參考文獻(xiàn)

[1]王幸之.AT89系列單片機原理.北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2004

[2]AT89C51 DATA SHEEP Philips Semiconductors 1999.dec

[3]胡漢才，單片機原理及接口技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，1998.

[5]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社，2003.