一種基于STC89C51的光控窗簾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn) 飛，楊延寧，李小敏，馬玉昆，曹新亮

（延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安716000）

一種基于STC89C51的光控窗簾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn) 飛，楊延寧，李小敏，馬玉昆，曹新亮

（延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安716000）

為了實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)啟閉，方便人們的日常生活，采用光敏電阻為信號(hào)采集元件，單片機(jī)STC89C51為主控模塊，將采集元件獲得的光信號(hào)經(jīng)STC89C51處理后，通過(guò)ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)啟閉。給出了系統(tǒng)的原理圖，搭建了電路，樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，基于STC89C51的光控窗簾系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用在家居、賓館、醫(yī)院以及智能農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

STC89C51；窗簾；自動(dòng)控制；光敏電阻

隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，引領(lǐng)了更高層次的自動(dòng)控制技術(shù)在生產(chǎn)、生活、管理、軍事等不同領(lǐng)域的應(yīng)用，把自控技術(shù)運(yùn)用于家居生活中，會(huì)使生活更加人性化，便捷化，智能化；電動(dòng)窗簾就是一種典型應(yīng)用。作為家居必備，電動(dòng)窗簾在歐美國(guó)家已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮。十多年以前，電動(dòng)窗簾就進(jìn)入了我國(guó)市場(chǎng)，但是由于成本較高、功能不完善而未能普及。所以我們?cè)O(shè)計(jì)了一種具有自動(dòng)和手動(dòng)控制的電動(dòng)窗簾系統(tǒng)，利用單片機(jī)控制運(yùn)行，光敏電阻采集光照信號(hào)，控制功能齊全，具有手動(dòng)自動(dòng)兩種模式，切換方便，成本低廉，使得窗戶能夠靈活啟閉，極大的方便了人們的生活。

1 方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為控制器件，通過(guò)光電傳感器采集光照強(qiáng)度，使用電壓比較器比較后輸出單片機(jī)可讀的數(shù)字信號(hào)[1]，然后由符合TTL標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)5 V步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及步數(shù)，根據(jù)光線的變化自動(dòng)調(diào)整窗簾的啟閉。本設(shè)計(jì)在光線充足時(shí)窗簾自動(dòng)打開(kāi)，光線變暗時(shí)窗簾自動(dòng)關(guān)閉，不僅使用方便，而且節(jié)能環(huán)保[2]。其工作原理如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件部分包括光信號(hào)采集模塊、主控模塊、按鍵模塊、指示燈模塊和執(zhí)行模塊。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 光信號(hào)采集模塊

完成光控自動(dòng)窗簾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，光照采集部分是必不可少的模塊。通常所說(shuō)的采集光照，是指采集光照強(qiáng)度，即照度[3]。被光線照射在表面上的照度定義為照射在單位面積上的光通量。其工作原理是將光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為電壓值。市場(chǎng)上的光電傳感器琳瑯滿目，如光敏電阻、光電池、光敏二極管、光敏三極管等。本次光控窗簾的設(shè)計(jì)采用的是光敏電阻，它是一個(gè)純粹的電阻器件。無(wú)光照時(shí)，電阻可達(dá)10 kΩ，有光照的情況下，電阻為0．3 kΩ。受外界干擾影響較小[4]。本系統(tǒng)光信號(hào)采集電路圖如圖2所示。

圖2 光信號(hào)采集電路圖

2.2 單片機(jī)信號(hào)處理模塊

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用了宏晶公司的STC89C51單片機(jī)作為主控芯片。STC89C51共有40個(gè)引腳，其中引腳20接地，引腳40接電源[5]。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主控模塊與其余各模塊電路相連接，是構(gòu)成整個(gè)電路系統(tǒng)的關(guān)鍵。為了使用方便，引腳1～3接按鍵，引腳36～39接發(fā)光二極管，引腳21～24接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，引腳17則是連接光照強(qiáng)度測(cè)量電路，而引腳9和引腳18、19分別連接復(fù)位電路與晶振電路，組成單片機(jī)最小系統(tǒng)[6]。

2.3 鍵盤(pán)按鍵模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有3路獨(dú)立的輸入按鍵，按鍵直接接入到單片機(jī)的 P1．0、P1．1、P1．2 口。1 號(hào)按鍵作為自動(dòng)與手動(dòng)模式切換按鍵，切換為自動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)光敏電阻檢測(cè)到的光強(qiáng)來(lái)控制開(kāi)關(guān)窗簾；而切換到手動(dòng)模式時(shí)，引腳2和3連接的按鍵則發(fā)揮其作用，分別控制其手動(dòng)窗簾的開(kāi)關(guān)。

2.4 指示燈模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)指示燈模塊設(shè)計(jì)中，發(fā)光二極管LED作為指示器件，用燈的點(diǎn)亮和熄滅或是色彩的轉(zhuǎn)變來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的某個(gè)模塊的工作狀況。在該系統(tǒng)指示燈模塊設(shè)計(jì)中，考慮到電壓過(guò)大，所以每個(gè)燈都接電阻分壓，四個(gè)指示燈分別說(shuō)明窗簾關(guān)閉、窗簾打開(kāi)、手動(dòng)模式、自動(dòng)模式的4種狀態(tài)。按鍵每次按下，則對(duì)應(yīng)相應(yīng)的燈點(diǎn)亮或熄滅，來(lái)起到指示系統(tǒng)工作狀況的作用。其中，燈1、3同時(shí)點(diǎn)亮，則說(shuō)明窗簾自動(dòng)打開(kāi)；燈1、4同時(shí)點(diǎn)亮，則說(shuō)明窗簾自動(dòng)關(guān)閉；燈2、3同時(shí)點(diǎn)亮，則說(shuō)明窗簾手動(dòng)打開(kāi)；燈2、4同時(shí)點(diǎn)亮，則說(shuō)明窗簾手動(dòng)關(guān)閉[7]。

2.5 執(zhí)行單元模塊

執(zhí)行單元模塊中，使用永磁式步進(jìn)電機(jī)24BYJ-48-5 V，它的驅(qū)動(dòng)方式是四相八拍式的，所以使用特別方便。它不僅具有齒輪減速、噪音特別低、運(yùn)行也相對(duì)平穩(wěn)，給一個(gè)5 V的電壓就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)下去，有利于單片機(jī)的開(kāi)發(fā)和進(jìn)一步使用。圖中ULN是可以驅(qū)動(dòng)繼電器的集成達(dá)林頓管[8]?？傮w硬件電路圖如3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

本次編程選用keil作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，用C語(yǔ)言執(zhí)行軟件編程[9]。在本設(shè)計(jì)中，啟動(dòng)單片機(jī)，將光電傳感器初始化，光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)被單片機(jī)所識(shí)別，電信號(hào)的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，程序通過(guò)所測(cè)得電壓值的范圍來(lái)判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，電機(jī)啟動(dòng)后，單片機(jī)設(shè)定適合的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，使得窗簾在剛好全部打開(kāi)或關(guān)閉的時(shí)候電機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，從而達(dá)到窗簾的自動(dòng)啟閉[10]。主控程序流程圖如圖4所示。

4 焊接與調(diào)試

圖3 總體硬件電路圖

圖4 主控程序流程圖

電路的調(diào)試過(guò)程包括軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。軟件調(diào)試中將編輯好的程序輸入到Keil程序編譯器中，通過(guò)對(duì)程序編譯、運(yùn)行，檢查程序是否有編輯錯(cuò)誤[11]。若存在問(wèn)題，可根據(jù)編譯運(yùn)行結(jié)果的提示進(jìn)行修改，排除錯(cuò)誤。再將編譯運(yùn)行好的程序燒入單片機(jī)中。打開(kāi)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，觸動(dòng)按鍵，逐一檢查程序流程是否和預(yù)設(shè)方案一樣，若仍存在問(wèn)題，可依據(jù)實(shí)際情況對(duì)程序進(jìn)行相應(yīng)修改，直至程序完全符合預(yù)設(shè)方案為止。硬件調(diào)試與軟件調(diào)試相比則較為簡(jiǎn)單，用到的是萬(wàn)用表和5 V的穩(wěn)壓電源。電路焊接完成后，接上5 V電源，打開(kāi)電路總開(kāi)關(guān)，用萬(wàn)用表的紅黑表筆分別測(cè)試電源接地、電源部分、單片機(jī)模塊以及ULN2003驅(qū)動(dòng)模塊的電壓。經(jīng)過(guò)焊接與調(diào)試，基于單片機(jī)的光控自動(dòng)窗簾系統(tǒng)就全部完成。窗簾模型可分為兩部分，一部分是光信號(hào)采集模塊，另外一部分將主控模塊、按鍵模塊、指示燈模塊和執(zhí)行單元模塊集成在同一面板上。電路連接完成后，電源部分接上5 V電壓，按下總開(kāi)關(guān)后指示燈亮起，表明通電正常。在白天光照下，總開(kāi)關(guān)按下，自動(dòng)模式啟動(dòng)，窗簾拉下，指示燈亮起；無(wú)光照情況下，自動(dòng)模式啟動(dòng)，窗簾拉起，指示燈熄滅，關(guān)閉指示燈亮起。切換為手動(dòng)模式時(shí)，按手動(dòng)自動(dòng)切換鍵。需要窗簾拉起時(shí)，長(zhǎng)按手動(dòng)打開(kāi)按鍵；需要窗簾拉下時(shí)，長(zhǎng)按手動(dòng)關(guān)閉按鍵；兩個(gè)過(guò)程都有對(duì)應(yīng)的指示燈指示[12-14]。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能光控窗簾系統(tǒng)選用STC89C51單片機(jī)，光線采集采用光電傳感器光敏電阻，它輸出單片機(jī)可以讀取的數(shù)字信號(hào)[15]，然后通過(guò)主開(kāi)關(guān)和按鈕控制，采用ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)動(dòng)角度，拉動(dòng)窗簾。系統(tǒng)的按鍵控制部分有3個(gè)按鍵，一個(gè)是手動(dòng)與自動(dòng)互相轉(zhuǎn)換鍵，另外兩個(gè)則控制手動(dòng)開(kāi)關(guān)的閉合，滿足室內(nèi)對(duì)光線的不同需求，使用起來(lái)比較方便。而電機(jī)選擇相對(duì)比較容易調(diào)整角度的5 V步進(jìn)電機(jī)，ULN2003驅(qū)動(dòng)模塊采用單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)連接，它是一種四相八拍步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片[16]。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)，參考了實(shí)際電路通用的做法，在現(xiàn)有技術(shù)下各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到預(yù)設(shè)要求。該電路的精確度和靈敏度可以進(jìn)一步改善，可通過(guò)多個(gè)光敏電阻器從而增加光強(qiáng)信息的采集能力。智能光控窗簾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅能應(yīng)用在智能家居、酒店、醫(yī)院等地，而且在大棚蔬菜等領(lǐng)域，也會(huì)有廣泛的作用。

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The design of a light curtain system based on STC89C51

WAN Fei，YANG Yan-ning，LI Xiao-min，MA Yu-kun，CAO Xin-liang
（College of Physics and Electronic Information，Yan'an University，Yan'an 716000，China）

In order to realize the automatic opening and closing of the curtain and facilitate people's daily life，the photosensitive resistance is used as a light signal acquisition element，and STC89C51 is used as the main control module，after the optical signal acquired by the acquisition element is processed by STC89C51，the automatic opening and closing of the curtain can be realized by using the ULN2003 chip to drive the stepper motor.Moreover，the principle diagram of the system is given and the circuit is built respectively，the test results show that light curtain system based on STC89C51 has the advantages of simple operation，high reliability，and it can be widely used in home，hotel，hospital and intelligent agriculture，industrial production and other fields.

STC89C51； curtain； automatic control； photosensitive resistance

TN98

A

1674－6236（2017）17-0081-04

2016-10-16稿件編號(hào)：201610073

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目（2016GY-138）；陜西省高水平大學(xué)建設(shè)專項(xiàng)資金(2015SXTS02)；延安大學(xué)引導(dǎo)項(xiàng)目（YD2016-02）；2016年陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（1559，1569）

萬(wàn) 飛（1993—），男，云南曲靖人。研究方向：通信技術(shù)。