1、中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 I 页 共 I 页 目录1 概述 11.1 研究背景 .11.2 设计思想及基本功能 12 总体方案设计 22.1 方案选取 22.2 系统框图 52.3 总体方案设计 53 硬件电路设计 63.1 电源电路设计 63.2 晶振电路 73.3 复位电路 83.4 时钟电路 93.5 键盘电路 .103.6 显示电路 .113.7 A/D 转换电路 143.8 光敏传感器 .153.9 步进电机 .174 系统软件设计 .194.1 主程序软件设计 .194.2 键盘程序设计 .204.3 定时程序设计 .224.4 步进电机程序设计 .235 总结
2、 .25参考文献 .25附录 系统原理图 26中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 0 页 共 28 页1 概述1.1 研究背景伴随着信息化时代的到来，人们的生活速度以及对生活质量的追求也在大幅提高。智能化的产品设计在改变人们工作方式与生活习惯的同时，让人们对生活质量的提升提出了更高的要求，方便、舒适成了人们所追求的生活方式，在现代家庭生活环境中，居家环境早已不仅仅局限在物理空间上，人们更为关注的是一个安全、方便、舒适的环境。智能化的电子产品以及设计将以前的被动静止物体转变为人们能够方便操控的工具，这些产品具有提供全方位的信息交换的功能，不仅能够优化人们的生活方式，帮助人们合理的安排时
3、间，增强居家环境的安全性，甚至还可以为各种能源费用节约资金。在智能化产品中，单片机的应用已经越来越广泛，单片机以它体积小、质量轻、耗电省、可靠性高、价格低等优点，开始不断发展，并广泛应用于仪器仪表、家用电器、医疗设备、航天航空领域、工业专用设备的管理及过程控制等领域，在很多的大中型的电气设备以及小型的电子产品中也用到了单片机进行控制。针对人们对智能化的需求以及对舒适生活的追求，窗帘自动控制系统改变了传统窗帘的劣势，它可以根据外界光照强度的不同而自动开闭窗帘，也可以根据人们设定的时间来控制窗帘。该系统利用光敏电阻检测光照强度的变化，并且将光敏检测模块的电阻变化转化为电压变化，然后将电压变化的信号
4、送单片机，单片机通过电机驱动模块控制着步进电机的正反转实现窗帘的来回移动。本设计正是把利用 AT89C51 单片机的优点以及简单实用性，顺利的完成了对智能控制的要求，并且为智能化的家居设备提供了良好的基础。此外，对该系统进行扩展，比如可以加上防火，防盗，甚至室内煤气浓度监测等功能，会使该系统更具有实用性，而且也完善了系统。1.2 设计思想及基本功能该系统具有一般的窗帘控制系统的最基本的功能，即通过电动按钮来开闭窗帘，在此基本功能的前提下，本设计根据需求还设计了可以根据光照强度和设定时间自动开闭窗帘的功能，在选取设计方案和采用元器件方面，该系统本中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 1
5、页 共 28 页着简单实用经济的思想，尽量简化电路设计，用最简单的电路布线和选用最经济实用的器件来达到设计要求。光感自动窗帘控制系统具有以下几个基本功能：（1）手动控制：该功能是根据用户的需求通过按键进行窗帘的开关，此功能可以使窗帘处于开闭的任何一种状态；（2）自动控制：系统可以通过感光器采集室内光照强度，根据亮度的不同而自动控制窗帘的打开程度；（4）时间控制：此功能是根据用户设定的时间在特定的时间点一次性开关窗帘。2 总体方案设计2.1 方案选取单片机在各种电子产品中的应用已经越来越广泛，很多的电子产品利用单片机所取得的便利得到了人们的好评，针对单片机控制的自动窗帘控制系统的智能化要求，实现
6、其自动控制的方案有两种：方案（一）系统的传动机构使用直流电机，窗帘只有两个简单的状态：完全打开和完全关闭；方案（二）系统的传动机构使用更精确灵敏的步进电机，使得窗帘从关闭到完全打开之间有 6 个不同的等级。这二个方案都是基于单片机控制的，光线感应以及数码管显示，不同的设计部分在于传动机构和窗帘的设计形式的选取上。方案（一）的窗帘由于只有完全开与完全关两种状态，所以窗帘本身设计不需要太复杂，采用普通的卷帘即可。关闭时，电机旋转全部放下卷帘；打开时，电机将卷帘全部卷起。方案（二）的窗帘从完全关闭到完全打开按打开程度有 05 共六个等级，窗帘设计成类似百叶窗的形式，通过步进电机可以精确控制每个叶片的
7、旋转角度，从而控制开关程度的大小。当叶片与窗户面平行时，窗帘完全关闭；当叶片与窗户面垂直时，窗帘完全打开。下面图 2.1 所示是方案（一）的效果图；图 2.2 是方案（二）的效果图：中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 2 页 共 28 页图 2.1 方案（一）卷帘效果图图 2.2 方案（二）百叶窗式效果图中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 3 页 共 28 页鉴于方案一这种卷帘现在市场上已经发展很好，没有太多继续研究的价值，并且其窗帘控制过于单一，而且不如方案二的百叶窗式的窗帘美观。图 2.3 所示是百叶窗关闭打开的原理图，图 2.4 是步进电机驱动百叶窗各叶片的物理截面图
8、，其根据光照强度的大小有不同程度的打开，能够更精确的满足用户的需求，所以本设计选择方案二。图 2.3 百叶窗原理图步进电机主动轮步进电机主动轮窗帘叶片从动轮图 2.4 步进电机与百叶窗叶片连接截面图中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 4 页 共 28 页2.2 系统框图方案（二）的系统框图如图 2.5。A T 8 9 C 5 1时钟模块电源模块键盘模块光照检测显示模块步进电机图 2.5 系统框图2.3 总体方案设计自动窗帘控制系统总体方案设计是基于满足设计要求的前提并且根据理论上的可实现性和硬件上的经济实用性，而进行设计的重要环节。本章从人们对系统功能需求出发，在综合考虑各种因素的情
9、况下，设计出自动控制系统的总体构架，并且在基本功能需求的基础上尽可能考虑系统的可扩展性。伴随着科学技术的发展和人民生活水平的日益提高，人们对生活舒适性的追求越来越强烈，而窗帘在每个家庭生活是必备的，其基本功能是保护住户的隐私以及遮蔽阳光等。基于这些作用窗帘的便利性自然也受到家庭的关注。但传统的窗帘绝大部分是用手去开关，每天开关不仅不省力，而且还可能错过最佳光照时间，尤其是大窗帘，比较重，而且长，在开闭时需要费很大力气才能开关窗帘，特别不方便；针对这种现象，电动窗帘便由此产生。现有的电动窗帘基本上都可以利用按键控制，自动开关闭窗帘，虽然省了力气，但是有些方面的设计还是不够人性化。对此，本控制系统
10、提出可以根据光照以及定时等开关窗帘，具体有以下几大功能：（1）手动控制状态：此功能使自动窗帘控制系统具有手动拉开、关闭的中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 5 页 共 28 页功能，方便用户控制。（2）亮度自动控制：此功能是根据室内光照强度的大小，来决定百叶窗每个叶片的旋转角度从而控制窗帘打开的大小程度。（3）时间自动控制：此功能根据用户需要，设定需要开闭窗帘的时间，通过输入的开启或关闭时间，控制窗帘开关。光感自动窗帘控制系统设计的总体框图如图2.6所示。光强检测 信号调理 A D 转换A T 8 9 C 5 1键盘电路显示电路电机驱动图 2.6 电动窗帘控制器结构框图根据光照来开闭
11、窗帘主要原理是用光敏电阻采集外界的光强度，从光传感器采集的信号利用信号校正电路放大，滤波后输入到A/D转换器，由于A/D 转换器件的转换需要一定时间，一旦在这段时间内信号发生变化，转换结果将会出现偏差，所以在转换期间要应该采用采样保持电路。传入的信号由89C51单片机来控制，并且做出响应，以实现电机的正转、反转与停止。显示模块是用来显示自动窗帘控制器的各种状态。键盘作为输入设备，通过不同按键来控制单片机进行各种运转状态。3 硬件电路设计3.1 电源电路设计单片机正常工作电压为 5V，因此设计的电源电路主要是提供单片机工作电压。图 3.1 是为单片机提供电压的电源电路。在这个电路中采用了三端集成
12、稳中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 6 页 共 28 页压器LM7805，可以输出 5V的直流电压以供给单片机。T1TRANS11234D1BRIDGE1C10.33C20.1+ C3101 32V VGNDIN OUT78L05VCCGNDF F F.图 3.1 电源电路图3.2 晶振电路电路中的晶振即石英晶体震荡器。由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。图 3.2 是单片机的晶振电路。片内电路与片外器件就构成一个时钟产生电路，
13、CPU 的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在 1.2MHz24MHz 之间选取。C1、C2 是反馈电容，其值在 20pF100pF 之间选取，典型值为 30pF。本电路选用的电容为 30pF，晶振频率为 12MHz。振荡周期 ；s12机器周期 sSm1指令周期 。4XTAL1 接外部晶体的一个引脚，XTAL2 接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对 HMOS单片机，该引脚接外部振。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。
14、一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。石英中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 7 页 共 28 页晶振起振后要能在 XTAL2 线上输出一个 3V 左右的正弦波，以便使 MCS-51 片内的 OSC 电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC 的输出时钟频率fOSC 为 0.5MHz-16MHz，典型值为 12MHz 或者 11.0592MHz。电容 C1 和 C2可以帮助起振，典型值为 30pF，调节它们可以达到微调 fOSC 的
15、目的。EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P 30TXD 11RXD 10U1AT89C51ALEINT1P10P11P12P13P14P15P16P17C430pC530pY112MGND RETP27RDWRT0TXDRXDP21P22P23图 3.2 单
16、片机晶振电路图3.3 复位电路复位电路的主要功能是使单片机进行初始化，在初始化的过程中需要在复位引脚上加大于 2 个机器周期的高电平。复位后的单片机地址初始化为0000H，然后继续从 0000H 单元开始执行程序。在复位电路中提供复位信号，等到系统电源稳定后，再撤销复位信号。但是为了在复位按键稳定的前提下，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防在按键过程中引起的抖动而影响复位。图 3.3 所示的 RC 复位电路可以实现上述基本功能。中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 8 页 共 28 页R110KS1SW -PBRE TVC CFGN D+C610. .图 3.3 复位电路图
17、3.4 时钟电路DS12887 芯片和 AT89C5l 单片机的接口电路如图 3.4 所示。G N D P 2 7IN T 1A L ER DW RT 0IR TA SD SS Q WR /WM O TC SU 5D S 1 2 8 8 7. .图 3.4 时钟电路图其中DS12887的模式通过选择脚MOT接地来确定，DS12887的中断输出端IQR和89C51 的外部中断INT0接口相联 ，R/W 接口与单片机89C51的RD/WR接口相连；而DS12887的AS端口和单片机89C51 的 AIE端直接相联。DS12887的SQW端与单片机89C51的TO端相连。DS12887的高位地址由端
18、口 P27来片选，DS12887的高 8位地址设定为7FH，低8位由芯片内部各单元的地址来定。DS12887内部由振荡电路，分频电路，周期中断/方波选择电路，14字节时钟和控制单元，114字节用户非易失RAM，十进制/二进制累加器，总线接口电路，电源开关写保护单元和内部锂电池等部分组成。DS12887引脚分配如图所示：中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 9 页 共 28 页Vcc：直流电源+5V 电压。当5V 电压在正常范围内时，数据可读写；当Vcc 低于4.25V,读写被禁止，计时功能仍继续；当 Vcc 下降到3V 以下时，RAM 和计时器供电被切换到内部锂电池。MOT（模式选择）
19、：MOT 引脚接到 Vcc 时，选择 MOTOROLA 时序，当接到 GND 时，选择 Intel 时序。SQW（方波信号输出）：SQW 引脚能从实时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可通过对寄存器 A 编程改变。AD0-AD7（双向地址/数据复用线）：总线接口，可与 Motorola 微机系列和 Intel 微机系列接口。AS（地址选通输入）：用于实现信号分离，在 AD/ALE 的下降沿把地址锁入DS12887。DS（数据选通或读输入）：DS/RD 引脚有两种操作模式，取决于 MOT 引脚的电平，当使用 Motorola 时序时，DS 是一正脉冲，出现在总线周期
20、的后段，称为数据选通；在读周期，DS 指示 DS12887驱动双向总线的时刻；在写周期，DS 的后沿使 DS12887锁存写数据。选择 Intel 时序时，DS 称作（RD） ，RD 与典型存贮器的允许信号（OE）的定义相同。R/W（读/写输入）：R/W 引脚也有两种操作模式。选 Motorola 时序时，R/W 是低电平信号时，指示当前周期是读或写周期，DS 为高电平时，R/W 高电平指示读周期，R/W 信号一低电平信号，称为 WR。在此模式下，R/W 引脚与通用 RAM 的写允许信号（WE）的含义相同。CS（片选输入）：在访问 DS12887的总线周期内，片选信号必须保持为低。IRQ（中断
21、申请输入）：低电平有效，可作微处理的中断输入。没有中断的条件满足时，IRQ 处于高阻态。IRQ 线是漏极开路输入，要求外接上接电阻。RESET（复位输出）：当该脚保持低电平时间大于200ms，保证 DS12887中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 10 页 共 28 页有效复位。3.5 键盘电路键盘在由单片机控制的窗帘自动控制系统中的主要作用是通过按键向单片机输入指令，其中主要包括设定时间，控制窗帘的开关等等功能，是人工控制单片机的主要手段。在窗帘控制系统设计中的键盘采用的是 44 矩阵键盘。这 16 个按键分别为：设定键主要是用来设定自动窗帘打开或者关闭的时间；0-9 数字键，其作
22、用主要是用于设定时间；复位键主要应用在程序出错以及误操作的时候使单片机复位，从而重新设定；反转键是使步进电机反转，控制窗帘关闭；正转键是使步进电机正转，从而控制窗帘打开；停止键可以控制步进电机停止工作，窗帘控制器停止运行；确定键主要是用于在时间设定完成后的确定输入。由于按键比较多，单独设置按键会增加总体设计的复杂性，而且为了减少所占用的端口，可以将按键组成一个矩阵，如图 3.5 所示。S2 S6 S10 S14S3 S7 S11 S15S4 S8 S12 S16S5 S9 S13 S17R2 5.1K*4R3R4R5GNDP10P11P12P13P14P15P16P17图 3.5 键盘接口电路
23、3.6 显示电路显示电路主要是用于显示时间。采用 LED 数码管进行显示是因为 LED 数码管具有以下几个优点：(1)能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL 电路兼容。(2)发光响应时间极短(.若确认按下 20ms，得到有效键值等待弹起2.若不是按下 20ms 直接结束处理（ret） 。b.若不相同则将标志清零结束处理（ret） 。（2）若不是首次按下：将键值暂存起来，标志置位结束处理。如果无键值，则判断是否有键值已被确认（1）若有键已被确认：判断按键是否首次抬起a.若首次抬起：判断抬起延时时间（20ms ）是否到达1.若延时到则将标志处理结束处理。2.若延时未到直接结束处理（
24、ret ） 。b.若非首次抬起：直接结束处理（ret） 。（2）若没有键被确认：直接结束处理（ret） 。4.3 定时程序设计定时程序的主要作用是在用户设定的时间后能够使单片机收到一个中断信号，从而发出相应的指令，控制窗帘的开关。时钟芯片发出 50ms 的信号给单片机后，计数器开始工作，计数器记到 20，则时间即为 1 秒，秒单元加 1，当秒单元计数到 60，分单元加 1，此时秒单元清零。当时单元计数到 24，时单元清零。图 4.3 是定时程序流程图。中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 22 页 共 28 页开始现场保护 ， 重置初值5 0 m s ， 计数器加 1计数器值 = 2
25、0 ？秒单元加 1 , 5 0 m s 计数器清零秒单元 = 6 0 ？分单元加 1 ， 秒单元清零分单元 = 6 0 ？时单元加 1 ， 秒单元清零时单元 = 2 4 ？时单元清零返回YYYNNN图 4.3 定时程序流程图4.4 步进电机程序设计步进电机是操控窗帘开闭的主要执行器件，其设计主要是按照单片机指令以及按键指令进行正转或者反转。图 4.4 是步进电机程序流程图。中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 23 页 共 28 页开始正转指令 ？输出正转脉冲完成 ？输出反转脉冲完成 ？结束图 4.4 步进电机程序流程图步进电机程序设计的主要任务是：（1）判断旋转方向；（2）按顺序传送
26、控制脉冲；（3）判断所要求的控制步数是否传送完毕。对于三相单三拍的设计，其控制方式模型如下：控 制 位 步序 P.7 P.6 P.5 P.4 P.3 P.2C 相P.1B 相P.0A 相工作状态控制模型1 0 0 0 0 0 0 0 1 A 01H2 0 0 0 0 0 0 1 0 B 02H3 0 0 0 0 0 1 0 0 C 04H总之，只要按一定的顺序改变 P1.0P1.2 三位通电的状况，即可控制步进电机依选定的方向步进。而对于节拍比较多的控制程序，通常采用循环程序进行设计。中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 24 页 共 28 页5 总结经过一周的资料查找和设计，我已完成
27、了计算机控制的课程设计。本文设计了光感电动窗帘控制器的智能系统，介绍了电动窗帘控制器的硬件电路设计到软件设计的一系列步骤。本设计采用步进电机作为执行元件，以光敏电阻作为检测元件，89C51 单片机作为控制芯片，辅助键盘和显示，实现了电动窗帘控制器的多项智能项目。纵观整个设计系统，单片机使用了常用的 AT89C51 单片机，从而使整个控制芯片了如指掌。熟悉的控制芯片设计起来也是得心应手。所用芯片简单实用，减少了开发和硬件开销。传感器部分使用光敏电阻，可以持续性的检测外界光强变化，通过电桥电路后的信号进入比较器，可以得出一个信号，此信号经过放大，A/D 转换后进入单片机，通过单片机的脉冲信号进而控
28、制步进电机的运行。本设计的步进电机可以很好的执行单片机的命令。步进电机为一种数字伺服执行元件，具有结构简单、运行可靠、控制方便、控制性能好等优点。使得窗帘的开关更加的准确，稳定。设计的时钟电路配合单片机的定时功能，加上光电传感器的检测光强很好的解决了自动控制这项功能。同时，由于设计的时间和能力有限，还有许多功能和技术没有充分研究，可能存在不合理的地方。其次，显示功能中还没有显示电动窗帘控制器的工作方式。控制器固定，没有蓝牙和红外控制功能。但是，一个完整的课程设计过程，让我掌握了单片机系统和电子操作软件等方面的知识，尤其是熟悉了用protel 画电路原理图和用 visio 画程序流程图。这使我在
29、动手能力方面有很大的提升，也给今后更成功、完善的设计打下坚实的基础。参考文献1 杨家成 单片机原理与应用及 C51 程序设计北京：清华大学出版社，中北大学信息商务学院计算机控制技术课程设计第 25 页 共 28 页20072 夏路易 石宗义Protel 99se 电路原理图与电路板设计教程北京：北京希望电子出版社，20043 朱玉玺计算机控制技术北京：电子工业出版社，20104 邓兴成单片机原理与实践指导北京：机械工业出版社，20105 瞿贵荣.电动窗帘红外遥控电路.家庭电子,20056 阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社,2009.附录 系统原理图中北大学信息商务学院计算机控制技术
30、课程设计第 26 页 共 28 页EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10U1AT89C51T1TRANS11234D1BRIDGE1C10.33 C20.1 +C3101 32V VGNDIN OUT78L05IN-
31、0 26msb2-121 2-220 IN-1 272-3192-418 IN-2282-58 2-615IN-3 12-714 lsb2-817 IN-4 2EOC7 IN-53ADD-A25IN-6 4ADD-B24 ADD-C23 IN-7 5ALE22ref(-) 16ENABLE9 START6 ref(+) 12CLOCK10U3ADC0809D03 Q0 2D14 Q1 5D27 Q2 6D38 Q3 9D413 Q4 12D514 Q5 15D617 Q6 16D718 Q7 19OE1 LE11U474ALS373U2NOTabfcgdeDPY1234567abcdefg8
32、dp dpDS1A1 B2 Q0 3Q1 4Q2 5Q3 6Q4 10Q5 11Q6 12Q7 13CLK8MR9U674ALS164BCABCAGNDALEALE123A 74ALS02456B74ALS02INT1INTWRP2.4RDS2 S6 S10 S14S3 S7 S11 S15S4 S8 S12 S16S5 S9 S13 S17R2 5.1K*4R3R4R5GNDP10P11P12P13P14P15P16P17P10P11P12P13P14P15P16P17C430pC530pY112MGNDR110KS1SW-PBRETRETVCCF GNDGND P27P27INT1ALER
33、DRDWRWRT0T0R13R1510K R1610KR1410K32 1411U10ALM324VCCR171KR6C7_+U11IN0IN0GNDVCCIRTASDSSQWR/WMOTCSU5DS12887abfcgdeDPY1234567abcdefg8 dp dpDS2A1 B2 Q0 3Q1 4Q2 5Q3 6Q4 10Q5 11Q6 12Q7 13CLK8MR9U774ALS164abfcgdeDPY1234567abcdefg8 dp dpDS3A1 B2 Q0 3Q1 4Q2 5Q3 6Q4 10Q5 11Q6 12Q7 13CLK8MR9U874ALS164abfcgdeDPY1234567abcdefg8 dp dpDS4A1 B2 Q0 3Q1 4Q2 5Q3 6Q4 10Q5 11Q6 12Q7 13CLK8MR9U974ALS164TXDTXDRXDRXD1k Q1NPN DARR7 10R9 10A光D21k Q2NPN DARR8 10R1010B光D31k Q3NPN DARR1110R1210C光D4VCCP21P22P23P21P22P23VCCGNDGNDGNDF F FP1P521P2P521P3P521GNDGNDGND GNDGND GNDR1810KR1910KR2010KVCCVCCVCC光光光光+C610.
