基于單片機的光控自動窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計說明書

1、計算機控制技術(shù)課程設(shè)計說明書光感自動窗簾控制系統(tǒng)學生姓名： 張 靜 學號： 學 院： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導教師： 2016年1月摘要隨著生活水平的提高，智能家居越來越被人們關(guān)注。智能窗簾也隨著科技發(fā)展悄然興起，它不但具備窗簾優(yōu)雅美觀的特點，而且還能提供智能化的服務(wù)，使家居生活更加舒適、溫馨與貼心。本文設(shè)計的是基于單片機控制系統(tǒng)的智能窗簾。它具備光感、紅外遙控、溫度顯示、定時等功能。該窗簾可以根據(jù)外界的光亮程度來控制窗簾開啟，從而達到調(diào)節(jié)室內(nèi)光線，同時還提供按鍵來控制窗簾的關(guān)合。為了方便用戶使用，增設(shè)定時模塊，用戶可根據(jù)自身的需要對某段時間，設(shè)置窗簾的開啟程度。當定時結(jié)束，窗簾自動

2、切換到光感模式實現(xiàn)對室內(nèi)光線的控制。同時，還增設(shè)溫度顯示，使用戶可以了解溫度狀況。關(guān)鍵詞：智能窗簾：紅外遙控；光感控制；單片機目 錄第1章 緒論11.1 設(shè)計的背景和意義11.2 本設(shè)計的內(nèi)容11.3 存在的主要問題21.3.1 光感功能的實現(xiàn)21.3.2 遙控功能的實現(xiàn)2第2章 總體方案設(shè)計42.1 主控制系統(tǒng)CPU42.2 窗簾結(jié)構(gòu)安裝及電機選擇62.2.1 窗簾結(jié)構(gòu)安裝62.2.2 步進電機選擇62.3 硬件總體方案72.3.1方案設(shè)計說明82.3.2方案選擇說明83.1 光電傳感器信號采集模塊設(shè)計103.3 執(zhí)行單元模塊設(shè)計17第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計234.1 程序流程234.2 程序設(shè)

3、計245課程設(shè)計體會26參考文獻27附錄 硬件電路圖28第1章 緒論1.1 設(shè)計的背景和意義21世紀是信息化的世紀，各種電信和互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)推動了人類文明的巨大進步。利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)、將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。在現(xiàn)代社會，對室內(nèi)設(shè)計而言，窗簾不僅具有遮光作用，更有美化功能，它不僅可以協(xié)調(diào)居室的色彩搭配，而且能夠柔化空間造型的線條，營造溫馨愜意的環(huán)境。隨著高新技術(shù)及電子器件的發(fā)展，光控、溫控及遙控窗簾應(yīng)運而生，給人們的生活帶來了很多方便。單片機控制的自動窗簾控制系統(tǒng)，既能解決每天手動拉開和關(guān)上窗簾的

4、不便，又顯示出了生活的檔次，同時還可以根據(jù)光線的明暗來自動控制窗簾的開關(guān)，以調(diào)節(jié)室內(nèi)的光線，更進一步地滿足了人們的享受要求。同時，遙控和定時的組合控制，可以讓人們在需要的時段內(nèi)，方便、快捷使用。自動控制窗簾系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義，它改變了人們的生活方式，單片機控制的自動窗簾控制系統(tǒng)具有豐富的智能化功能，為家庭用戶營造一個高效、舒適、便利的居住環(huán)境，給人們?nèi)粘Ｉ顜砹藰O大地方便。自動控制窗簾系統(tǒng)又牽扯一大批產(chǎn)業(yè)，單片機控制的自動控制窗簾產(chǎn)品面向家庭用戶，其應(yīng)用市場是龐大的，發(fā)展前景也是廣闊的，必將吸引大批各類企業(yè)介入，從而牽動一大批產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.2 本設(shè)計的內(nèi)容主要設(shè)計內(nèi)容：窗簾

5、結(jié)構(gòu)設(shè)計、窗簾安裝布局的設(shè)計、控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計和硬件的選擇。窗簾結(jié)構(gòu)設(shè)計：在現(xiàn)代的審美觀念中，人們往往追求的整體美觀，同時窗簾作為整體家居環(huán)境的一部分，它的結(jié)構(gòu)和尺寸大小有一定的限制。為了滿足人們對美的追求，在設(shè)計過程中采用硬度高、質(zhì)量輕的鋁合金材料來制作窗簾的整體框架。窗簾安裝布局的設(shè)計：窗簾光感模塊依靠兩個光感模塊和三個限位開關(guān)來實現(xiàn)。對于不同尺寸的窗簾，可根據(jù)實際情況改變限位開關(guān)的距離來實現(xiàn)控制?？刂葡到y(tǒng)軟件的設(shè)計：智能窗簾的智能化體現(xiàn)在其自身光控部分，當人們在室內(nèi)休息、工作的時候，由于外界光線強度的改變，可能給在室內(nèi)的人們造成不適，而光控剛好解決了這一缺陷。只要事先設(shè)置好光感的強度，

6、程序就可根據(jù)這個光線改變而實現(xiàn)窗簾的開合，從而改變室內(nèi)光線強度，給人們一個舒適、溫馨的環(huán)境。系統(tǒng)的定時部分可提供任何狀態(tài)下12個小時的定時功能，在定時結(jié)束后，系統(tǒng)自動恢復到光感模式，同時用戶也可在未到時間的情況下重新開啟光感模式。本系統(tǒng)還可提供溫度時時檢測，時刻提醒用戶注意溫度變化。1.3 存在的主要問題1.3.1 光感功能的實現(xiàn)光感部分主要可分成光感檢測和光感執(zhí)行兩部分。光感檢測依靠的是光敏電阻的使用。光敏電阻可分成暗電流和亮電流兩部分。暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻，此時在給定電壓下流過的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該

7、光照下的亮電阻，此時流過的電流。光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1M,甚至高達100M，而亮電阻則在幾k以下，暗電阻與亮電阻之比在102106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。而本設(shè)計中在光感電路加入一個滑動電阻，用戶可根據(jù)當?shù)毓饩€的實際情況來改變光感元件對光線的敏感程度，從而達到完美的控制目的。光感執(zhí)行部分主要包括一個直流電機和三個限位開關(guān)來實現(xiàn)。當光敏電阻判斷光線強度改變時，電機按相應(yīng)方向轉(zhuǎn)動。以光線程度變強為例，電機向窗簾關(guān)合的方向運動，當繞繩碰到某一限位開關(guān)時，電機停止轉(zhuǎn)動。再進入另

8、一光敏電阻的判斷，如果還是超過設(shè)定的位置，電機繼續(xù)以同方向轉(zhuǎn)動，碰到行程開關(guān)停止。1.3.2 遙控功能的實現(xiàn)遙控器使用方便，功能多。目前已廣泛應(yīng)用在電視機、VCD、DVD、空調(diào)等各種家用電器中，且價格便宜，市場上非常容易買到。如果能將遙控器上許多的按鍵解碼出來，用作單片機系統(tǒng)的輸入，則解決了常規(guī)矩陣鍵盤線路板過大、布線復雜、占用IO口過多的弊病。而且通過使用遙控器，操作時可實現(xiàn)人與設(shè)備的分離，從而更加方便使用。紅外線的是一種波長為950nm的光，超出人類的可視光譜范圍，因此是不可見的。這也是我們用它來做遙控的原因之一，另一個原因就是紅外線很容易人工生成，成本低廉。雖然人眼不能直接看到紅外線，但

9、是通過攝像機或者數(shù)碼相機，我們就能在圖片里看到它們。不幸的是我們周圍有很多紅外源。太陽是最大的紅外源，其它的比如燈泡，蠟燭，中央加熱系統(tǒng)，甚至是我們的身體都是紅外源。事實上，只要是發(fā)熱的物體，就會發(fā)射紅外線。所以我們必須采取一些措施來防止我們的控制信號受到干擾，采用調(diào)制可以使我們的控制信號免受干擾。通過調(diào)制，我們把紅外線以特殊的頻率發(fā)射，然后紅外接收設(shè)施以相同的頻率來接收，從而避免干擾。第2章 總體方案設(shè)計2.1 主控制系統(tǒng)CPU單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習

10、、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。單片機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。目前，單片機在民用和工業(yè)測 控領(lǐng)域得到最廣泛的應(yīng)用。彩電，冰箱，空調(diào)，錄像機，VCD，遙 控器，游戲機，電飯煲等無處不見單片機的影子，單片機早已深深地溶入我們每個人的生活之中。單片機能大大地提高這些產(chǎn)品的智能性，易用性及節(jié)能性等主要性能指標，給我們的生活帶來舒適和方便的同時，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 上也極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 當前國內(nèi)外單片機的發(fā)展現(xiàn)狀良好，我們根據(jù)單片機技術(shù)的先進性和穩(wěn)定性制訂了如下幾種方案：方案一：STC單片機STC公司的單片機主要是基于8051內(nèi)核,是新一代增強型單片機,指令代碼完全兼

11、容傳統(tǒng)8051,速度快812倍,帶ADC,4路PWM,雙串口,有全球唯一ID號,加密性好，抗干擾強. 其中，STC公司推出了了STC89系列單片機，增加了大量的新功能，提高了51的性能，是MCS51家族中的佼佼者。STC89系列單片機是MCS-51系列單片機的派生產(chǎn)品。它們在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標準8052單片機完全兼容，DIP40封裝系列與8051為pin-to-pin兼容。STC89系列單片機高速(最高時鐘頻率90MHz)，低功耗，在系統(tǒng)/在應(yīng)用可編程(ISP，IAP),不占用戶資源。方案二：MOTOROLA單片機 MOTOROLA是世界上最大的單片機廠商。品種全、選擇余地大、

12、新產(chǎn)品多是其特點，在8位機方面有68HC05和生級產(chǎn)品68HC08，68HC05有30多個系列，200多個品種，產(chǎn)量已超過20億片。8位增強型單片機68HC11也有30多個品種，年產(chǎn)量在1億片以上。生級產(chǎn)品有68HC12。16位機68HC16也有十多個品種。32位單片機的683XX系列也有幾十個品種。近年來，以PowerPC、Coldfire、M.CORE等為CPU，將DSP未為輔助模塊集成的單片機也紛紛推出，目前仍是單片機的首選牌品。MOTOROLA單片機特點之一是在同樣速度下所用的時鐘頻率較Intel類單片機低得多，因而使得高頻噪聲低、抗干擾能力強，更適合用于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境。MOTO

13、ROLA8位單片機過去的策略是以掩膜為主，最近推出OTP計劃以適應(yīng)單片機發(fā)展趨勢，在32位機上，M.CORE在性能和功耗方面都勝過ARM7。方案三：Scenix單片機 Scenix單片機的I/O模塊有新意。I/O模塊的集成與組合技術(shù)是單片機技術(shù)不可缺少的重要方面。除傳統(tǒng)的I/O功能模塊如并行I/O、URT、SPI、I2C、A/D、PWM、PLL、DTMF等，新的I/O模塊不斷出現(xiàn)，如USB，CAN、J1850，最具代表性的是MOTOROLA32位單片機，它集成了包括各種通信協(xié)議在內(nèi)的I/O模塊，而Scenix單片機在I/O模塊的處理上引入虛擬I/O的新概念。Scenix采用了RISC結(jié)構(gòu)的CP

14、U，使CPU最高工作頻率達50MHz。運算速度接近50MIPS。有了強有力的CPU，各種I/O功能便可以用軟件的辦法模擬。單片機的封裝采用20/28引腳。公司提供各種I/O的庫函數(shù)，用于實現(xiàn)各種I/O模塊的功能。這些用軟件完成的模塊包括多路UART、多種A/D、PWM、SPI、DTMF、FSK、LCD驅(qū)動等，這些都是通常用硬件實現(xiàn)起來也相當復雜的模塊。綜合比較三個方案，方案一工具好用，DEMO易搞，成本偏低，所以此次選用的是AT89C52單片機。這是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C52

15、 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。同時具有8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 圖2.1 89C52圖2.2 窗簾結(jié)構(gòu)安裝及電機選擇2.2.1 窗簾結(jié)構(gòu)安裝家居窗簾不僅要美觀，而且得低噪音，高穩(wěn)定性。因此采用在滑線上

16、縛有一或二只永磁體，與之相對應(yīng)有一或二只吊環(huán)是磁性材料制成，滑線上縛有永磁體，在封閉的簾桿內(nèi)腔運行，而吊環(huán)全部套在簾桿外周或嵌進下部開的縫內(nèi)，永磁體用磁力透過簾桿牽引吊環(huán)，這種新型電動窗簾滑線不外露，不會蒙塵和纏繞，可以電動手拉兼容。 圖2.2 窗簾結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2 步進電機選擇步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。目前，比較常用的步進電動機包括反應(yīng)式步進電動機

17、（VR）、永磁式步進電動機（PM）、混合式步進電動機（HB）等。步進電動機和普通電動機的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動的形式，因此，步進電動機多和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。但步進電動機在控制精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)閉環(huán)控制的直流伺服電動機；所以主要應(yīng)用在精度要求不是特別高的場合。步進電機主要應(yīng)用在數(shù)控機床制造領(lǐng)域，由于其不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移，所以一直被認為是最理想的數(shù)控機床執(zhí)行元件。 型 號峰值堵轉(zhuǎn)最大空載轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）轉(zhuǎn)矩（N.m） 電流（ A） 電 壓（V）功率（W）GW31ZY-63 7.5 1.5 12 18 63表2.3 直流電機參數(shù)

18、本設(shè)計采用的是12V的來直流電機驅(qū)動，計算轉(zhuǎn)數(shù)與扭矩如下：按上表參數(shù)計算電機在9V下的扭矩，N=最大空載轉(zhuǎn)數(shù)（運行電壓峰值電壓）=63（912）=47.25r/minM=峰值堵轉(zhuǎn)扭矩（運行電壓峰值電壓）=7.5(912)=5.625N.m 在9V的狀態(tài)下，電機產(chǎn)生5.625的扭矩足以帶動繞繩的轉(zhuǎn)動。 2.3 硬件總體方案硬件設(shè)計的好壞決定整個方案的成功與否，所以在硬件設(shè)計時，在實現(xiàn)功能的情況下電路設(shè)計越簡單越好，這樣才能保證這個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本文采用單片機AT89C52作為系統(tǒng)的核心控制器件，通過光電傳感器采集數(shù)據(jù)（數(shù)字信號），經(jīng)單片機根據(jù)接收到的信號來控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向及步數(shù)，并根據(jù)光

19、線變化自動調(diào)整窗簾的開度。2.3.1方案設(shè)計說明考慮到自動窗簾的成本和巨大的市場空間，本文提出一種方案，應(yīng)用光控原理工作，光亮在一定程度窗簾自動打開，光線變暗窗簾自動關(guān)閉，實現(xiàn)光控電動自動窗簾的設(shè)計，成本低，環(huán)保且方便使用。實現(xiàn)框圖如圖2.4所示：圖2.4 本設(shè)計實現(xiàn)的方框圖該系統(tǒng)具有抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定,成本低廉,利于推廣等特點,能夠滿足智能家居需求,具有良好的市場應(yīng)用前景.2.3.2方案選擇說明論文設(shè)計的核心控制器選用的是AT89C52單片機，光線采集選用光電傳感器ULN3330。它輸出單片機能讀入數(shù)字信號，然后由L293D驅(qū)動芯片驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)動角度。電機選用比較

20、容易進行角度調(diào)節(jié)的步進電機，單片機與步進電機之間的連接采用L293D驅(qū)動器，它是一種兩相和四相步進電機專用驅(qū)動芯片。2.3.3 硬件方案選擇說明硬件電路繪圖平臺為PROTEL軟件， 所用元器件在其上繪出，例如AT89C52微控制器、電機驅(qū)動芯片L293D、42BYG系列步進電機、電阻、電容、按鍵、肖特基二極管、轉(zhuǎn)換開關(guān)等。邏輯框圖如圖2.5所示。圖2.5 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計光檢測模塊 選用集成光電傳感器ULN3330，當器件頂部受到大于50 Lx4的光照時就輸出高電平，負載上沒有電流；當光照不足45 Lx時，器件就輸出低電平，負載上有電流通過。單片機模塊選用MCS-51單片機系列，AT89C52

21、單片機。步進電機的驅(qū)動模塊選用步進電機專用驅(qū)動芯片L293D,采用L293D，通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正、反轉(zhuǎn)、停止的操作。 步進電機選用步進電機的步距角選用1.8度/步（四相電機）。2.4 軟件方案設(shè)計說明（主控程序流程圖）軟件開發(fā)平臺為Keil軟件，用C語言編寫具體的程序代碼。主控程序流程圖如圖2.6所示。圖2.6 主控程序流程圖第3章 硬件電路設(shè)計3.1 光電傳感器信號采集模塊設(shè)計3.1.1 光電傳感器ULN3330介紹光電傳感器按輸出信號有開關(guān)型和模擬型， 開關(guān)型用于轉(zhuǎn)速測量、 模擬開關(guān)、 位置開關(guān)等；模擬型用于光電式位移計、 光電比色計等。 光電檢

22、測必須具備光源、 被測物和光電元件。ULN3330是美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的集成光電傳感器。 它是一種新穎的光電開關(guān)， 將光敏二極管、 低電平放大器、 電平探測器、 輸出功率驅(qū)動器和穩(wěn)壓電路等五部分都集成在了一塊11.8(mmmm)的硅片上， 形成一種具有驅(qū)動能力的光敏功率器件。 該器件可用于眾多使用光敏器件的場合， 使光敏器件的應(yīng)用變得更簡單、 可靠。光敏二極管的光敏區(qū)域約為1.11.1(mmmm)，峰值波長為880 nm。 當ULN3330受到光照時，會產(chǎn)生微安數(shù)量級的光電流。低電平放大器是一種低噪聲小電流放大器，能對微安級的光電流進行放大、電平位移，最后輸出可供電平探測器進行鑒別的電平。

23、電平探測器是由施密特電路構(gòu)成的，它具有約20的“滯后”特性。 輸出功率驅(qū)動器是NPN中功率晶體管，最大可通過100 mA的電流，可以直接驅(qū)動各種負載。 穩(wěn)壓電路可確保當電壓在415 V范圍內(nèi)變化時電路也能穩(wěn)定地工作。ULN3330接上電源與負載后， 不需要其他元件就能工作。當器件頂部受到大于50 Lx的光照時， 就輸出高電平，負載上沒有電流；當光照不足45 Lx時，器件就輸出低電平，負載上有電流通過。3.1.2 傳感器信號采集模塊設(shè)計由于光電傳感器ULN3330直接輸出數(shù)字信號，因而與單片機連接電路之間無需模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。ULN3330控制電路基本思路:光照強度 OUTPUT輸出端窗簾開合狀態(tài)E

24、50LX 高電平1打開E45LX 低電平0關(guān)上 表3.1 光照強度與窗簾狀態(tài)關(guān)系下面兩圖即為光電傳感器ULN3330模塊電路連接圖：圖3.2：光電傳感器的輸出端OUTPUT接單片機的P3.0口，輸出端的高低電平就送到單片機的口，電源端接+12V的直流電壓，VSS端接地。當外界逐漸變亮，光電傳感器件頂部受到大于50 Lx的光照時，就輸出高電平，經(jīng)單片機后由驅(qū)動電路L293D驅(qū)動步進電機正轉(zhuǎn)，窗簾打開，當光電傳感器件頂部光照不足45 Lx時，光電傳感器件就輸出低電平。經(jīng)單片機后由驅(qū)動電路L293D驅(qū)動步進電機反轉(zhuǎn)，窗簾閉合。圖3.3：用開關(guān)模擬光電傳感器，開關(guān)一端接單片機的P3.0口，另一端為接地

25、端，單片機上電后其端口為高電平，因而當開關(guān)斷開時，P3.0口即為高電平，窗簾打開。當開關(guān)閉合時，開關(guān)接地，P3.0口為低電平，窗簾閉合。下圖即為光電傳感器ULN3330的電路連接圖：圖3.2 ULN3330與單片機的連線圖圖3.3 PROTUES中連線圖說明：要用PROTUES軟件仿真，因其中器件庫中沒有光敏這塊，用開關(guān)替代，左圖為光電傳感器在單片機上的連接圖，右圖為用開關(guān)代替光電傳感器在與單片機的連接圖。3.2 單片機信號處理模塊設(shè)計3.2.1 MCS-51單片機的結(jié)構(gòu) 單片機全稱單片微型計算機，顧名思義，它指的是一種單硅片上集成的微型計算機主要功能部件的集成芯片。單片機的出現(xiàn)要歸功與大規(guī)模

26、集成電路技術(shù)的發(fā)展，就組織和功能而言，它如一個微型計算機系統(tǒng)，內(nèi)部集成了中央處理器，隨機數(shù)據(jù)存儲器、只讀程序存儲器、定時器/計數(shù)器、輸入輸出（I/O）接口電路和串行通信接口等主要功能部件。這里的51單片機指的是Intel公司的MCS-51系列單片機，屬于這一系列的單片機芯片有許多種，如8051/8052、8031/8032、8752/8751等，他們的基本組成、基本性能、指令系統(tǒng)都是相同的。（1）MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機是在一塊芯片中繼承了CPU、RAM、ROM、定時/計數(shù)器和多功能I/O接口等計算機所需要的基本功能部件的大規(guī)模集成電路，又稱MCU。51系列單片機內(nèi)包含下列幾個部件：

27、1個8為CPU。1個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。4KB ROM程序存儲器。128B RAM數(shù)據(jù)存儲器?？蓪ぶ?4KB外部數(shù)據(jù)存儲器和64KB外部程序存儲器的控制電路。32條可編程的I/O線（4個8位并行I/O接口）。2個16位的定時/計數(shù)器。1個可編程全雙工串行接口。5個中斷源、2個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。51系列單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示，各個功能部件由內(nèi)部總線連接在一起。程序存儲器部分用ROM代替即為8051/8052；用EPROM代替即為8751/8752；若去掉ROM即為8031/8032；用FLASH EPROM代替即為89C51/89S52。 基準頻率源 脈沖技術(shù)輸入 外部中斷 控制 并

28、行I/O接口 串行輸入 串行輸出 圖3.4 MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖（2）引腳功能有總線擴展的51單片機有44個引腳的方形封裝形式和40個引腳的雙列直插式封裝形式，本文用40個引腳的雙列直插式封裝形式， 40個引腳封裝的引腳圖如圖3.4，各引腳的功能說明如下。 哥 GND 2 XTAL1, XTAL2 2RESET 1EA/Vp 1ALE/PROG 1PSEN 1P0.0P0.7 8P1.0P1.7 8 P2.0P2.7 8P3.0P3.7 8圖3.5 AT89C52單片機引腳圖GND：接地端。VCC：電源端，接+5V。XTAL1：接外部晶體的一個引腳。CHMOS單片機采用外部時鐘信號時

29、，外部時鐘信號由此引腳接入。XTAL2：接外部晶體的一個引腳。HMOS單片機采用外部時鐘信號時，外部時鐘信號由此引腳接入。RST：復位信號輸入。VCC掉電后，此引腳可接備用電源，低功耗條件下保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。ALE/RPOG：地址鎖存允許。當單片機訪問外部存儲器時，該引腳的輸出信號ALE用于鎖存P0端口的低8位地址。ALE輸出的頻率為時鐘振蕩頻率的1/6。對8751單片機片內(nèi)EPROM編程時，編程脈沖由該引腳接入。PSEN：程序存儲器允許。輸出讀外部程序存儲器的選通信號。取指令操作期間，PSEN的頻率為振蕩頻率的1/6；但若此期間有訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的操作時，則有一個機器周期中的PSEN

30、信號將不出現(xiàn)。EA/VPP： EA=0，單片機只訪問外部程序存儲器。對8031單片機此引腳必須接地。EA=1，單片機訪問內(nèi)部程序存儲器。對于內(nèi)部有程序存儲器的8XX51單片機，此引腳應(yīng)接高電平，但若地址值超過4KB范圍，單片機將自動訪問外部程序存儲器。在8751單片機內(nèi)EPROM編程期間，此引腳接入21V編程電源VPP。P0.0P0.7: P0數(shù)據(jù)/低八位地址復用總線端口。具有雙重功能：可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。在有外接存儲器和I/O接口時常作為低8位地址/數(shù)據(jù)總線，即低8位地址與數(shù)據(jù)線分時使用P0口。此低8位地址由ALE信號的下跳沿使它鎖存到外部地址鎖存器中，爾后，P0口出現(xiàn)

31、數(shù)據(jù)信息。P1.0P1.7：P1靜態(tài)通用端口。具有單一接口功能，P1口每一位都能作為可編程的輸入或輸出口線。P2.0P2.7：P2高八位地址總線動態(tài)端口。具有雙重功能：作為輸入/輸出口使用，外接輸入/輸出設(shè)備。在有外接存儲器和I/O接口時，作為系統(tǒng)的地址總線，輸出高8位地址，與P0口低8位地址一起組成16位地址總線。對于內(nèi)部無程序存儲器的單片機來說，P2口只作為地址總線使用，而不作為I/O接口。P3.0P3.7：P3雙功能靜態(tài)端口，可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。作為第二功能使用時，每一位功能定義如表3.6所示單片機端口外圍電路P0.0-P0.7,P2.0-P2.2屏幕顯示模塊P2.

32、5-P2.7電機驅(qū)動模塊P2.3-P2.4光感模塊P1.0-P1.2，P1.3-P1.533矩陣按鍵模塊P1.6-P1.7，P3.0定位開關(guān)模塊P3.2紅外線P3.3溫度模塊P3.7蜂鳴器表3.6 P3口第二功能說明(3)單片機本身的微小電路圖3.7 單片機的微小系統(tǒng)連線圖上圖為單片機的小系統(tǒng)，包含片內(nèi)振蕩電路和復位電路。片內(nèi)振蕩電路：通常外接一個晶振，兩個電容， 電容值取值范圍1545pf,取值范圍晶振值024MHZ。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時序脈沖，單片機所有運動與控制過程都是在統(tǒng)一的時序脈沖驅(qū)動下進行的，時鐘電路好比人的心臟，如果人的心臟停止工作，則人就沒有生命了，同樣，如果單片機的時鐘電路

33、停止工作，那么單片機也就停止運行了。復位電路：當振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平使單片機復位，一般在此引腳與VSS之間接一個下拉電阻，與VCC引腳之間接一個電容，單片機復位后，從程序存儲器的0000H單元執(zhí)行程序，并初始化一些專用寄存器為復位狀態(tài)值。本文中單片機復位電路的連接如上圖。3.3 執(zhí)行單元模塊設(shè)計3.3.1 驅(qū)動電機部分&行程開關(guān)（1）L293D芯片介紹L293D為意大利SGS半導體公司生產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片( Dual Full-Bridge Driver ),內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1個四

34、相步進電機，內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯準位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號，L293D 之接腳如圖3.8所示， OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之間接步進電機；input1input4 輸入控制電位來控制電機的正反轉(zhuǎn)；Enable 則控制電機停轉(zhuǎn)。本文主要采用L293D驅(qū)動芯片，通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)，停止的操作。 圖3.8 L293D內(nèi)部邏輯圖輸入引腳與輸出引腳的邏輯關(guān)系表如表3.9（ENB引腳與EN

35、A引腳同）：L293D功能引腳模塊NIN1IN2運轉(zhuǎn)狀態(tài)0停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111剎停100停止表3.9 L293D功能引腳模塊（2）芯片（采用powerso20封裝）引腳說明：+5V：芯片電壓5V。功率電源電壓,此引腳與地必須連接100nF電容器VCC：電機電壓，最大可接50V。邏輯電源電壓。 此引腳與地必須連接100nF電容器GND：共地接法。EnA，EnB:接控制使能端高電平有效，ENA、ENB分別為 IN1和IN2、IN3和IN4的使能端。IN1 IN4：輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn),輸入端電平和輸出端電平是對應(yīng)的。OUT1 OUT4：輸出端，接電機。L293D需要從外部接兩個

36、電壓，一個是給電機的，另一個給L293D芯片的。圖3.10 雙四拍模式波形圖（3）位置開關(guān)（行程開關(guān)）步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的位置的末端分別安裝行程開關(guān)，當窗簾運動到末端位置時會碰到行程開關(guān)，使開關(guān)的常開觸頭閉合，一旦常開觸頭閉合，電機就停止正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。當天亮或天暗時，步進電機會反方向運動，開關(guān)的障礙物去除，常開觸頭恢復，由此實現(xiàn)步進電機的末端停止控制，沒有碰到常開觸頭，電機會一直運轉(zhuǎn)，這樣也可使窗簾拉到極限位置，很好的保證了室內(nèi)私密性的性能。位置開關(guān)（又稱限位開關(guān)）的一種，是一種常用的小電流主令電器。利用機械運動部件的碰撞使其出頭動作來實現(xiàn)接通或斷開控制電路，達到一定的控制目的，用以控制其行程、

37、進行終端限位保護。通常，這類開關(guān)被用來限制機械運動的位置或行程，使運動部件暗特定的位置或行程自動停止、反向運動、變速運動或自動往返運動等。在電氣控制系統(tǒng)中，位置開關(guān)的作用是實現(xiàn)順序控制、定位控制和位置狀態(tài)的檢測。用于控制機械設(shè)備的行程及限位保護。一般限位開關(guān)由操作頭、觸點系統(tǒng)和外殼組成。在實際生產(chǎn)中，行程開關(guān)被安裝在預先定好的位置，當安裝在機械運動部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時，行程開關(guān)的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換，所以說，行程開關(guān)是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切開電路開關(guān)，其作用原理與按鈕相似。行程開關(guān)可以安裝在相對靜止的物體（如固定架、門框等，簡稱靜物）上或者運動的物體（如行車、門等，簡稱動物）

38、上。當動物接近靜物時，開關(guān)的連桿驅(qū)動開關(guān)的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合。由開關(guān)接點開、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂齐娐泛蜋C構(gòu)的動作本文選用的是直動式行程開關(guān)。直動式行程開關(guān)動作原理同按鈕類似，所不同的是：一個是手動，另一個則由運動部件的撞塊碰撞。當外界運動部件上的撞塊碰壓按鈕使其觸頭動作，當運動部件離開后，在彈簧作用下，其觸頭自動復位。3.3.2 步進電機選用步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。本文選用的是混合式步進電機，混合式步進

39、電機是混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度，五相步進角一般為0.72度，這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛。3.3.3 執(zhí)行單元模塊電路連接（1）電機驅(qū)動電路連接本文主要采用L293D，通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，改變繞組脈沖信號的順序即可對電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。L293D的輸入引腳與單片機的P1.0P1.3口分別相連，IN1IN4引腳從單片機輸入控制電平，控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，OUT1OUT4分別接步進電機的四個相線，ENA、 ENB接控制使能端控制步進電機的轉(zhuǎn)、停。當ENA、 ENB同時接高電平時L293D芯片是工作的，即使能端有效，控制IN1IN4引

40、腳電平的頻率即可控制步進電機的轉(zhuǎn)速。芯片的輸出引腳分別接2個續(xù)流二極管，起到保護電路作用。芯片的VCC和VSS引腳與地必須連接100nF電容器，圖中0.1F和100F電容并聯(lián)即為100nf。對本自動系統(tǒng)的設(shè)計還必須滿足用戶想要窗簾停的某一位置停下來的需求，為此設(shè)計了步進電機停止開關(guān)，為簡化程序，更加利用L293D芯片本身的功能，本文采用了一個單刀雙擲開關(guān)SW1，開關(guān)一端接使能端ENA、 ENB，另兩端一段接+5V的電源，為芯片使能端提供高電平，另外一端接地，限制使能端的使用，當開關(guān)接到地時，兩個使能端接地，L293D芯片不再起作用，電機停止運動，由此達到停止的目的。電機控制窗簾的兩個極限位置-

41、窗簾的兩端，要能使電機停下來，這一問題的解決有兩種方案，一種是計算步進電機在窗簾開合長度中所要轉(zhuǎn)的圈數(shù)，根據(jù)步進電機本身的步長計算電機轉(zhuǎn)數(shù)，寫入程序里進行控制，還有一種是利用行程開關(guān)進行控制，當窗簾走到極限位置時會碰到行程開關(guān)，使行程開關(guān)閉合，這里的行程開關(guān)是接地和使能端的，開關(guān)閉合就是關(guān)閉使能端，電機停止轉(zhuǎn)動，分析比較這兩種方案，認為后一種較為簡便且使居室的嚴密性得到保證，因為受限于步進電機本身的精確度和丟步失步現(xiàn)象，電機難免不會在某一時刻出現(xiàn)丟步，是窗簾在還沒完全拉合的狀態(tài)下停止。行程開關(guān)控制步進電機極限位置停止：天亮時，光敏傳感器接受到高電平，依程序所設(shè)步進電機正轉(zhuǎn)，順時針轉(zhuǎn)動，窗簾以某

42、一速度被慢慢拉開，走到極限位置時，窗簾碰到右端的行程開關(guān)SW3，開關(guān)閉合使能端關(guān)閉，電機停止轉(zhuǎn)動。當天暗時，光敏傳感器輸出低電平，電機要逆時針轉(zhuǎn)動了，窗簾打開，障礙物去除，開關(guān)斷開，使能端打開，電機反轉(zhuǎn)，同樣電機反轉(zhuǎn)碰到左邊的行程開關(guān)SW4時，開關(guān)閉合，使能端關(guān)閉，電機停止轉(zhuǎn)動。鑒于上述考慮，我們小組的設(shè)計電路圖如3.11所示：圖3.11 L293D控制電機電路 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 程序流程51單片機的開發(fā)除了需要硬件的支持外，同樣離不開軟件。CPU真正可執(zhí)行的是機器碼，用匯編語言或C語言等高級語言編寫的源程序必須轉(zhuǎn)為機器碼才能被執(zhí)行，轉(zhuǎn)化方法有手動匯編和機器匯編兩種，前者已很少使用，

43、機器匯編是通過匯編軟件將源程序轉(zhuǎn)換為機器碼的編譯方法。這種匯編軟件稱為編譯器，keil是目前最流行的51單片機開發(fā)軟件，keil提供了一個集成開發(fā)環(huán)境uVision,它包括編譯器、宏匯編、連接器、庫管理、和一個功能強大的仿真調(diào)試器。這樣，在開發(fā)應(yīng)用軟件的過程中，編輯、編譯、匯編、連接、調(diào)試等各個階段都集中在一個環(huán)境中。先用編譯器編寫程序、接著調(diào)用編譯器進行編譯，連接之后即可直接運行。這樣免去了過去先用編譯器進行編譯，再退出編輯狀態(tài)進行編譯，調(diào)試后又要調(diào)用編譯器的反復過程。因此可以縮短開發(fā)周期。因此我所選用的軟件開發(fā)平臺為Keil軟件，用C語言編寫具體的程序代碼。主控程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1主控