基于單片機的智能窗簾自動控制系統(tǒng)設(shè)計*

王 冰，李宏達

（沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽110159）

在21世紀的今天，國家繁榮昌盛，因此在人們的生活中智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用也越發(fā)普遍。目前，對于智能窗簾來說，絕大多數(shù)的家庭里在用的都是利用扣環(huán)鋼絲來懸掛的手動式窗簾，只有極少數(shù)的家庭里用的是智能化的電動控制式窗簾。其主要原因還是相較于傳統(tǒng)的手動窗簾來說，智能窗簾的價格可以說是相當昂貴，人們會認為手動也不會耽誤太多時間，而且智能窗簾在目前的情況來說，還不能達到人們所需求的智能化，因此不會在人們的生活中得到普及。也正是因為如此，智能窗簾在人們的生活當中才具有更大的發(fā)展空間。所以，如果想提高智能窗簾的普及度，就需要我們研制出功能模塊全、智能化水平高、造價成本低并且適用于所有家庭的智能自動控制窗簾。

對于智能窗簾的控制方式來說，可以大致分為光照控制、時鐘控制、聲音控制、紅外遙控。但是在我們的日常生活中，聲控往往會受到噪音的影響而難以實施。因此，在智能窗簾設(shè)計當中不會應(yīng)用聲音控制。如果設(shè)計一款價格便宜、結(jié)構(gòu)清晰、靈敏度高，并結(jié)合遙控控制、時間控制、光感控制的智能窗簾系統(tǒng)將會具有較好的發(fā)展前景，智能窗簾的存在也可以給我們的生活帶來更多便捷。

基于單片機的智能窗簾控制系統(tǒng)就是以單片機為核心，充分利用了它功能強、成本低、消耗低、可靠性強等特點，從而達到我們對智能窗簾功能的要求。當然也正因單片機的這些優(yōu)良特性，才能夠使它更加廣泛地應(yīng)用到工業(yè)生成控制、智能家用電器以及相關(guān)醫(yī)療機械器件等各個領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)整體方案可實現(xiàn)以下模塊控制功能：紅外控制模塊、智能光控模塊、步進電機模塊、時鐘電路模塊、報警電路模塊、按鍵電路模塊以及顯示電路模塊等。該設(shè)計功能如下：

遙控控制功能：該功能使智能窗簾具有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的功能，用戶可以通過遙控器對窗簾的開合進行控制。在需要拉開或閉合窗簾的時候，只需要人工按一下加號按鍵或減號按鍵后，窗簾就會自動拉開或閉合，通過設(shè)定的圈數(shù)，窗簾將會自動停止，避免了手動的麻煩。

光控調(diào)節(jié)功能：當用戶無暇顧及窗簾的開合程度時可以調(diào)制到光控調(diào)節(jié)功能，通過外界環(huán)境、光線的亮度就可以使智能窗簾自動完成拉開或閉合的控制動作。白天期間“，天暗拉開、天亮閉合”單片機會自動獲取信息調(diào)節(jié)室內(nèi)光照強度。

定時控制功能：通過時鐘電路模塊，人們可以自行任意地設(shè)定時間范圍。若在定時范圍內(nèi)，智能窗簾會受到光控的控制，即根據(jù)光照強度控制窗簾的拉開或閉合。但若在晚上這段時間區(qū)域內(nèi)，窗簾不會受到外界的干擾，只在規(guī)定的時間拉開或閉合窗簾，而對于定時晚上這段時間，窗簾則始終是閉合的狀態(tài)。

本設(shè)計介紹是以單片機為控制核心的智能窗簾系統(tǒng)設(shè)計，它采用了紅外遙控技術(shù)，只要輕按遙控器，智能窗簾就會自行地拉開或閉合。除了這些功能以外，還在智能窗簾上安裝了報警系統(tǒng)，通過人的設(shè)定，當屋內(nèi)沒人并且窗戶被強行打開時，會使光電對射管的光線受到阻斷而引起蜂鳴器報警。

本系統(tǒng)是基于單片機的智能窗簾自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以紅外控制、光控控制以及定時控制實現(xiàn)了智能窗簾的拉開和閉合。利用單片機的紅外控制電路，通過紅外發(fā)射口和紅外接收器來實現(xiàn)發(fā)射和接收信號功能，并借助單片機的定時系統(tǒng)對窗簾的閉合進行控制，以及利用光敏電阻實現(xiàn)光控等功能來實現(xiàn)人們對智能窗簾的需求。

2 硬件系統(tǒng)組成

智能窗簾是以單片機為控制核心芯片，利用各種模塊，從而實現(xiàn)智能窗簾的各種功能。此次基于單片機的智能窗簾自動控制系統(tǒng)設(shè)計具有紅外控制、光控、定時控制等功能，因此使用這些具有各項功能的模塊達到相對應(yīng)的功能。硬件系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)的基本框圖

該系統(tǒng)所選擇的核心是單片機STC89C52，將它作為主控制芯片，再外加鍵盤電路、液晶顯示電路、紅外收發(fā)電路、報警電路、時鐘電路、智能光控電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及步進電機驅(qū)動電路等相關(guān)外圍電路模塊組成的基于單片機的智能窗簾自動控制系統(tǒng)。實際上，實現(xiàn)智能窗簾完成拉開和閉合動作的主要受控對象是步進電機，是步進電機帶動轉(zhuǎn)軸才完成智能窗簾拉開和閉合的動作。在智能窗簾的遙控方面，是通過紅外遙控器發(fā)出紅外信號傳送到單片機連接的紅外接收裝置來控制步進電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)動作，也就是實現(xiàn)智能窗簾的拉開和閉合。除了這些，通過主板上的按鍵電路還能夠控制智能窗簾開合的速度以及設(shè)定步進電機旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。同時，根據(jù)用戶需求，通過按鍵電路可以自行設(shè)定相應(yīng)模式。在定時模式下，時鐘控制與光控功能可以兼容完成，設(shè)定時間受時鐘電路控制，其余時間受光控功能控制。對于光控功能，通過光敏電阻感光功能，也可實現(xiàn)智能窗簾因感光而自動開合的功能。對于顯示模塊主要顯示智能窗簾的所處模式、智能窗簾的開合速度等級、步進電機所轉(zhuǎn)圈數(shù)以及智能窗簾所處狀態(tài)。

選擇使用單片機STC89C52作為驅(qū)動是因為它具有高速、低功耗、高性能、超強抗干擾能力等特點，且為CMOS 8位微控制器。STC89C52具有通用接口I/O口，以及四個準雙向口上拉接口，分別是P1/P2/P3/P4，其中P0口是漏極開路輸出，當作P0口為總線擴展用時，不用加上拉電阻，而當P0口作為I/O口用時，則需加上拉電阻。系統(tǒng)總體硬件原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體硬件原理圖

如圖2所示XTCL1和XTCL2接時鐘模塊的晶振電路，實現(xiàn)定時功能。P10至P13連接步進電機模塊的ULN2003，通過ULN2003產(chǎn)生的扭力達到對步進電機的驅(qū)動控制作用。P14至P15連接紅外控制模塊的LED，通過紅外信號達到遙控的功能。P0至P7、P25至P27連接顯示電路模塊的液晶顯示器，通過顯示屏展現(xiàn)所控制的狀態(tài)。P22至P23連接智能光控模塊的ADC0832，通過AD轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換，達到光敏電阻作用。P20連接報警電路模塊的光電對射管，通過光電對射管原理使得信號傳入蜂鳴器，從而達到報警的作用。P34至P36連接按鍵電路模塊，通過按鍵達到人機交互功能，實現(xiàn)各個模塊的控制。再將電源、復(fù)位電路連接，這樣智能窗簾大體的結(jié)構(gòu)就完成了，將硬件整合在一起，就組成了本次設(shè)計的智能窗簾。

3 智能窗簾軟件方案的設(shè)計與實現(xiàn)

智能窗簾所控制的主程序主要是實現(xiàn)智能窗簾的拉開和閉合的動作，可以處理由智能光控模塊、紅外控制模塊、時鐘電路模塊、報警電路模塊等反饋回來的數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)可分別選擇三個模式，使智能窗簾分別處于三種狀態(tài)，從而實現(xiàn)相應(yīng)模塊的功能，當選中一種模式時，其他模式所對應(yīng)的模塊將被鎖死。

第一個模式為定時模式，在此模式下可實現(xiàn)時鐘電路模塊和智能光控模塊的相應(yīng)功能。此時，可以根據(jù)個人時間情況要求不同，自行設(shè)定修改定時時間。單片機會根據(jù)設(shè)定的時間，對智能光控模塊產(chǎn)生的信號對步進電機進行控制。當處于定時規(guī)定時間時，智能光控模塊會對環(huán)境狀況做出動作。

第二個模式為遙控模式，此模式也是智能窗簾上電后的初始狀態(tài)，當上電初始時刻需修正初始時間。此模式可實現(xiàn)紅外控制模塊的相應(yīng)功能，以及步進電機轉(zhuǎn)速和所轉(zhuǎn)圈數(shù)的設(shè)定。紅外遙控器可發(fā)送相應(yīng)指令給紅外接收器，當紅外接收器接收到信號，單片機就會根據(jù)相應(yīng)信號做出處理。

第三個模式為報警模式，在該模式下可實現(xiàn)報警電路模塊的相應(yīng)功能。在光電對射管之間的光線受到干擾或阻斷時，光電對射管會將信號傳輸給蜂鳴器，使得蜂鳴器發(fā)出鳴響。

單片機是將中央處理器CPU、存儲器、定時器、I/O接口電路等主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。在整個控制過程中，正是由于主控制芯片單片機內(nèi)軟件程序功能對各個連接的元器件進行控制，才使得各個模塊之間的信號能夠得到很好管理，從而井然有序地進行信息傳遞，不會出現(xiàn)信號之間的相互干擾問題，成功完成與人們要求相對應(yīng)的功能動作。

該設(shè)計的系統(tǒng)軟件需要通過Keil uVision5軟件來把編輯好的程序?qū)氲絾纹瑱CSTC89C52內(nèi)，然后對智能窗簾進行調(diào)試。定時模式程序設(shè)計、遙控模式程序設(shè)計、報警模式程序設(shè)計，這些模式實現(xiàn)了智能窗簾的大體功能作用。除了以上這些模式程序設(shè)計，還需要按鍵模塊程序設(shè)計、光控模塊程序設(shè)計等功能模塊進行系統(tǒng)整合。

4 系統(tǒng)調(diào)試及測試

智能窗簾的硬件測試，首先是對于智能窗簾的受控對象步進電機驅(qū)動的測試。這需要先將智能窗簾開關(guān)打開，使智能窗簾處于上電狀態(tài)，再將智能窗簾模式調(diào)整到模式2，通過遙控功能來測試硬件步進電機及驅(qū)動電路是否正常。智能窗簾還有光控功能，因此要對光敏電阻的感光能力進行測試。在模式1的情況下，調(diào)整光照強度觀察顯示器和步進電機是否有相應(yīng)的動作。智能窗簾的報警功能，將模式調(diào)整為模式3，測試當光電對射管的光線受到阻斷時，蜂鳴器是否發(fā)出鳴響。

4.1 遙控模式的調(diào)試

將按鍵調(diào)制到遙控模式，即模式2。由于該狀態(tài)為智能窗簾上電的初始狀態(tài)，所以要根據(jù)按鍵設(shè)定當時時間，左側(cè)第一個按鍵為確定鍵，第二個按鍵為減號鍵，第三個按鍵為加號鍵以及對時間換位，第四個按鍵為模式鍵。完成時間的設(shè)定，再通過模式按鍵，設(shè)定好最佳轉(zhuǎn)速以及步進電機所轉(zhuǎn)圈數(shù)。

一切設(shè)定完整之后，需要通過紅外遙控器對智能窗簾發(fā)射信號，從而使步進電機完成相應(yīng)的動作。紅外遙控器有兩個按鍵，分別是加號鍵和減號鍵。當按下紅外遙控器加號按鍵時，步進電機正轉(zhuǎn)，窗簾拉開；當按下紅外遙控器減號按鍵時，步進電機反轉(zhuǎn)，窗簾閉合。

本次遙控模塊測試進行了2次，分別完成智能窗簾拉開和閉合的動作。測試記錄數(shù)據(jù)如表1。

表1 遙控模塊測試

根據(jù)測試結(jié)果可以看出該系統(tǒng)可實現(xiàn)遙控模式，并且在測試中也檢測了對步進電機轉(zhuǎn)速和所轉(zhuǎn)圈數(shù)的設(shè)定。測試數(shù)據(jù)表明智能窗簾可以很完美地做到通過紅外控制實現(xiàn)對步進電機的控制。遙控步進電機測試、步進電機轉(zhuǎn)速及其所轉(zhuǎn)圈數(shù)設(shè)定測試如圖3所示。

圖3 遙控步進電機測試、步進電機轉(zhuǎn)速及其所轉(zhuǎn)圈數(shù)設(shè)定測試

4.2 定時模式的調(diào)試

將智能窗簾的模式調(diào)整為模式1，定時模式兼顧時鐘模塊和光控模塊。首先調(diào)整時間，將時間設(shè)定為所需時間段，確定完成后開始測試。

當時間處于規(guī)定設(shè)定時間內(nèi)，窗簾可實現(xiàn)光控控制，通過顯示器所顯示的光照強度調(diào)整光照。當光照強度低于30%時，步進電機正轉(zhuǎn)，窗簾自動拉開；當光照強度高于70%時，步進電機反轉(zhuǎn)，窗簾自動閉合。當時間處于規(guī)定設(shè)定時間外，窗簾則始終處于閉合的狀態(tài)，不會受到光照強度影響。

本次測試設(shè)定時間段為7：30-19：30，測試記錄數(shù)據(jù)如表2。

表2 定時模塊測試

根據(jù)測試結(jié)果可以看出該系統(tǒng)可實現(xiàn)定時模式，即實現(xiàn)光控模塊和時鐘模塊的功能，測試數(shù)據(jù)表明智能窗簾可以通過定時和光照控制實現(xiàn)對步進電機的控制。在調(diào)試過程中偶爾會出現(xiàn)步進電機動作稍微延遲的現(xiàn)象，是電壓電流帶動的問題，如果換成大功率充電設(shè)備就可以解決這個問題。定時模式測試如圖4所示。

圖4 定時模式測試

4.3 報警模式的調(diào)試

首先將模式調(diào)整為模式3，在該模式下為報警模式。此時，假設(shè)一紙片為連接窗戶的連接設(shè)備，先將該紙片伸至光電對射管中間的位置，阻攔住光線，觀察蜂鳴器是否發(fā)出鳴響，以及在蜂鳴器鳴響的同時，光電對射管上面的指示燈是否有一個處于熄滅狀態(tài)。報警模式測試如表3。

表3 報警模式測試

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，可以觀察出智能窗簾報警模式可實現(xiàn)報警功能。報警模式蜂鳴器測試如圖5所示。

圖5 報警模式蜂鳴器測試

5 結(jié)論

對于該設(shè)計來說，它的主控制芯片選擇的是單片機STC89C52，在擁有主控制芯片的條件下，使智能窗簾擁有遙控、定時、報警三種模式功能，以實現(xiàn)智能窗簾的功能。在遙控方面，它是由紅外遙控器以及按鍵電路完成的，通過它們完成紅外信號的傳輸和接收工作，實現(xiàn)智能窗簾的動作。在定時方面，充分利用單片機自身定時的功能特點完成對智能窗簾的時間把控，這樣不僅實現(xiàn)了智能窗簾設(shè)計所需功能，還可以節(jié)約成本。在報警方面，選擇的是光電對射管，相較于其他無線報警器而言，它雖然不能完成短信等信息的傳輸，但是它可以完成蜂鳴報警，同樣會引起人們的注意，更重要的在于該設(shè)計大大降低了成本，相較而言，此種報警模式的設(shè)計更加適合普通百姓人家。除主要功能設(shè)計以外，智能窗簾系統(tǒng)內(nèi)還包含光敏電阻、鍵盤和顯示器件以完成相關(guān)輔助功能，并且在步進電機處還加入了ULN2003，利用ULN2003的驅(qū)動力量帶動步進電機成功運轉(zhuǎn)完成動作。