1、基于单片机的光控窗帘控制基于51单片机的光控智能基于单片机的光控窗帘控制:基于51单片机的光控智能重庆航天职业技术学院 （CHONGQING AEROSPACE PLOYTECHNIC）毕业论文（设计）设计题目：基于单片机的光控窗帘系 部：电子工程系 班 级：物联网应用技术1班 学 号：20XX0069 姓 名：周鹏指导教师：汤平成 绩： 二0一九年十月 学 号 姓 名 学 制 三年 专 业 物联网应用技术 年 级 三年级 班 级 一班 指导教师 汤平 复审教师 设 计 题 目 指导教师评语： 成绩： 指导教师签名： 年 月 日 系复审意见： 成绩： 复审人签名： 年 月 日 系部终审意见：
2、公章 年 月 日 答 辩 题 目 答 辩 情 况 正确 基本 正确 经提示 回 答 不正确 未回答1、本设计采用什么传感器检测光照强度？2、本设计采用哪种单片机？3、本设计判断光照？4、本控制程序中步进电机的工作方式是几相几拍？5、本设计控制步进电机？此表由主持答辩的同志填写。答辩委员会（或小组）评语： 成绩： 主持答辩人签名： 职称： 月 日 毕业设计任务书 一、设计题目：基于单片机的光控窗帘 二、选题背景采用单片机完成窗帘自动控制，根据光电传感器采集的光照强度控制电机，实现窗帘的自动开启和关闭，当光线强，关闭窗帘；光线弱，打开窗帘。采用单片机完成该设计。三、毕业设计要求1、设计内容设计：基
3、于单片机的光控窗帘2、设计要求要求完成设计（方案概述（系统框图）、器选型（列出，做成表格，对主要器进行参数规格说明），制作电路图，画出流程图，编写主要控制程序。）3、设计参数（1）要求能够采用光敏电阻采集光照强度，输入单片机进行判断。（2）通过继电器控制窗帘电机的正反转，完成窗帘的开启与关闭。（3）毕业设计先提交电子文档。（4）制作一个PPT，准备毕业答辩（专升本及没有顶岗实习的同学）。四、毕业论文格式毕业设计（论文）的内容为：封面、首页、摘要和关键词、目录、引言、正文、结论、致谢、参考文献、附录等。字数不少于10000字。五、参考资料1丘利丽,何波.基于C语言与Proteus联合仿真的单片机
4、技术 M .电子工业出版社，20XX.5 2 栾秋平,宋维.单片机技术及应用项目教程M .电子工业出版社，20XX.6 3 汤平. 单片机仿真与实战项目化教程 M .化学工业出版社，20XX.5 4 中国传感器网:/.8339.org/ 5 晶宏网站 :/.stcisp./stcmcu_whatsnew. 六、毕业设计时间期限：20XX年9月6日至20XX年11月10日 指导教师：汤平20XX 年 9月 6 日 目录 1. 背景意义 3 1.1 光控自动窗帘系统的背景、意义31.2 国内外研究现状 4 2.方案论述 8 2.1方案设计说明 8 2.2方案选择说明 8 3.硬设计 10 3.1
5、光电传感器信号采集模块设计 10 3.2 单片机信号处理模块设计 14 3.3 执行单元模块设计 18 4.软设计 24 4.1程序流程 24 4.2 程序设计 25 5. 总体设计 27 PROTEL总电路图&;&;PROTUES仿真图 28 6结论30 7. 致谢 30 参考资料 311. 背景意义 1.1 光控自动窗帘系统的背景、意义随着生活的提高，时代的进步，人们对居住空间、周围环境有了更高的要求，这是社会的必然潮流。单片机控制的自动窗帘系统，既能解决每天手拉开和关上窗帘的不便，又显示出了生活的便捷和档次，对室内设计而言，窗帘不仅具有遮光作用，更有美化功能，它不仅可以协调居室的色彩搭配
6、，而且能够柔化空间造型的线条，营造温馨惬意的环境1，同时还可以根据光线的明暗来自动控制窗帘开光，以调节室内光线，更进一步地满足了人们的享受要求，随着高新技术及电子器的发展，光控、温控及遥控窗帘应运而生，给人们的生活带来了很多方便。同时，也为人们的生活环境以及智能家居的实现提供了依据，为此，研究与设计智能窗帘控制系统具有深远的现实意义2，所以产品如能形成大规模生产，必能很快普及国内市场，产生巨大的经济效益，另外，除了广大市民住宅使用外，该遥控窗帘器还可广泛用于别墅、公寓、宾馆、饭店、歌舞厅、写字楼、银行、歌剧院、会议厅、学校、医院等各种公用场所，因此该产品具有广阔的市场前景。光感自动窗帘系统在我
7、国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用自动窗帘系统具有重要的现实意义。其一，改变人们的生活方式。单片机控制的光感自动窗帘系统具有丰富的智能化功能，为家庭用户营造一个环保、高效、便利、舒适的居住环境。单片机控制的光感自动窗帘用三个按钮和环境光控制窗帘的开和关，解决人们手动开关窗帘问题，给人们日上生活带来极大的方便。这些都将改变人们传统的生活方式，并提高了人们的生活质量。其二，开拓一个崭新的市场。遥控自动窗帘系统牵动了许多的行业，它将不仅仅是目前的IT系统集成商或建筑弱电工程总包商的市场，而且是专业公司和智能化装饰公司的市场。其三、牵动一大批产业。单片机控制的遥控自动窗帘产品面向家庭用户，其应
8、用市场是庞大的，发展前景也是广阔的，必将吸引大批有远见的各类企业介入，从而牵动一大批产业的发展。这里最先受益的应该是房地产业，单片机控制的遥控自动窗帘不仅是一个很好的概念与“卖点”，同时也是直接提升住宅档次的一个条，这将会给房地产商带来新的利润空间。在家居集成化、网络化的趋势下，家居集成也成为一种潮流，许多更专业的、美观的、智能化的家居集成产品相继出现。现在很多厂家生产的自动窗帘（含门帘）控制系统，都是由主机（以微电脑芯片为核心组成的智能控制中心）、各种传感器（红外线传感器、风雨信号传感器等、温度传感器、烟雾传感器等）、各种报警终端（警灯、警笛、电话报警器、接警指挥中心等）、遥控器以及一系列机
9、械传动装置组成的一种具有智能化、人性化、网络化的高科技产品。本文讲述了用单片机结合软来采集光强并控制步进电机转动从而控制窗帘开、闭。1.2 国内外研究现状 1.2.1光电传感器 通过光电传感器采集数据(光强度)，反映出光信号变化，然后借助光电元进一步将光信号转换成电信号。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等特点，且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样。本设计通过检测光线的强弱，并根据光线的强弱自动将窗帘打开和关闭，实现了自动控制的功能，极大地方便了人们的日常生活，并在生活中得到了广泛的应用。光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元。光敏电阻又称光导管,为纯电阻元,其工
10、作原理是基于光电导效应。无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流(暗电流)很小,当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值(亮电阻)急剧减小,电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。它在光线的作用下其阻值往往小。在黑暗的环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值越低。入射光消失后，光敏电阻的阻值逐渐恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。一般暗电流越大、亮电阻越小,光敏电阻的灵敏度越高。光敏电阻的暗电阻的阻值一般在M数
11、量级,亮电阻在几千欧以下。暗电阻与亮电阻之比一般在102106之间。在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。光敏电阻在一定的电压范围内,其I-U曲线为直线5。光敏电阻的光照特性用于描述光照强度和光电流I之间的关系,绝大多数光敏电阻光照特性曲线是非线性的。光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用,即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度6。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性,亦称光谱响应。光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化,不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数(ms数量级),因而它们的频率特性也就各不相同。1.2.2单片机
12、 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了
13、毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。目前，单片机在民用和工业测控领域得到最广泛的应用。彩电，冰箱，空调，录像机，VCD，遥 控器，游戏机，电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深 地溶入我们每个人的生活之中。单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产 上也极大地提高了生产效率和产品质量。单片机按用途大体上可分为两大类： 1-通用型单片
14、机 2-专用型单片机，专用型单片机是指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好， 不能再修改的单片机。例如电子表里的单片机就是其中的一种。其生产成本很低。通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。小到家用电器仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。当前国内外单片机的发展现状良好，技术比较先进和稳定的有以下十几种： 1.Motorola单片机: Motorola是世界上最大的单片机厂商,品种全,选择余地大,新产品多,在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08,68HC05有30多个系列200多个品种,产量超过20亿片. 16
15、位单片机68HC16也有十多个品种.32位单片机683XX系列也有几十个品种。2.Microchip 单片机: Microchip单片机是市场份额增长最快的单片机.他的主要产品是16C系列8位单片机,CPU采用 RISC 结构,仅 33条指令,运行速度快,且以低价位著称。3.Scenix单片机: Scenix单片机的I/O模块最有创意.I/O模块的集成与组合技术是单片机技术不可缺少的重要方面. Scenix单片机在I/O模块的处理上引入了虚拟I/O的概念. Scenix单片机采用了RISC结构的CPU,使CPU最高工作频率达50MHz.运算速度接近50MIPS. 4.NEC单片机: NEC 单
16、片机自成体系,以 8 位机 78K 系列产量最高,也有16 位,32位单片机.16位单片机采用内部倍频技术,以降低外时钟频率. 5.东芝单片机: 东芝单片机从4位到64 位,门类齐全.4 位机在家电领域仍有较大市场.8 位机主要有 870 系列,90系列等.该类单片机允许使用慢模式,CPU内部多组寄存器的使用,使得中断响应与处理更加快捷. 6.富士通单片机: 富士通也有 8 位,16 位和 32 位单片机,但是 8 位机使用的是 16 位的 CPU 内核.也就是说 8 位机与16位机指令相同,使得开发比较容易.8位机有名是MB8900系列,16位机有MB90系列. 7.Epson单片机: Ep
17、son公司以擅长制造液晶显示器著称,故Epson单片机主要为该公司生产的LCD配套.其单片机的LCD驱动做的特别好.在低电压,低功耗方面也很有特色. 8.8051单片机 最早有Intel公司推出8051/31类单片机,也是世界上使用量最大的几种单片机之一.目前,8051类单片机主要有Philips,三星,华帮等公司接手.这些公司在保持与8051单片机兼容基础改善了8051的许多特点.提高了速度,降低了时钟频率,放宽了电源电压的动态范围,降低了产品价格. 9.Zilog单片机: Z8 单片机是该公司的产品,采用多累加器结构,有较强中断处理能力.产品为OTP型,Z8 单片机的开发工具可以说是物美价
18、廉. 10.Atmel单片机: ATMEL公司是世界上著名的高性能低功耗非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司，ATMEL公司的单片机在自动化工业控制宇航设备仪器仪表和各种消费类产品中有着广泛的应用前景.另外ATMAL的增强型51系列单片机目前在市场上仍然十分流行,其中AT89S51十分活跃. 11.TI 公司的 MSP430 系列单片机: MSP430 系列单片机是由 TI公司开发的 16 位单片机。其突出特点是超低功耗，非常适合于各种功率要求低的场合。典型应用是流量计、智能仪表、医疗设备和保安系统等方面。由于其较高的性能价格比，应用已日趋广泛。12.NS单片机: COP8 单片机
19、是美国国家半导体公司的产品,该公司以生产先进的模拟电路著称,能生产高水平的数字模拟混合电路.COP8 单片机内部集成了 16 位 A/D。13.STC 单片机: STC单片机完全兼容51单片机,并有其独到之处,其抗干扰性强,加密性强,超低功耗,可以远程升级,内部有 MAX810 专用复位电路,价格也较便宜。14.三星单片机: 三星单片机有 KS51和KS57系列4位单片机,KS86和KS88系列8位单片机,KS17 系列 16位单片机和KS32系列32位单片机。15.凌阳单片机: 中国台湾凌阳科技股份有限公司致力于8位和16位机的开发.。在系列芯片中相同的片内硬功能模块具有相同的资源特点；不同
20、型号的芯片只是对片内资源进行删减.其最大的特点就是超强抗干扰。16.华帮单片机: 华帮单片机属于8051类单片机,它们的W78系列与标准的8051兼容,W77系列为增强型51,对8051的时序做了改进.同样时钟下速度快了不少. 17. SST 单片机: 美国 SST 公司推出的 SST89 系列单片机为标准的 51 系列单片机，它与8052系列单片机兼容.提供系统在线编程(ISP 功能).内部 flash 擦写次数 1 万次以上,程序保存时间可达 100年. 1.2.3步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方
21、向转动一个固定的角度。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。目前，比较常用的步进电动机包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）等。步进电动机和普通电动机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，因此，步进电动机多和现代的数字控制技术相结合。但步进电动机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电动机；所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。步进电机主要应用在数控机床制造领域，由于其不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被
22、认为是最理想的数控机床执行元。此外，步进电动机也存在许多缺陷；由于步进电机存在空载启动频率，所以步进电机可以低速正常运转，但若高于一定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸叫声；不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大，细分数越大精度越难控制；并且，步进电机低速转动时有较大的振动和噪声。赞同2.方案论述 本文采用单片机AT89C52作为系统的核心控制器，通过光电传感器采集数据（数字信号），经单片机根据接收到的信号来控制步进电机的转动方向及步数，并根据光线变化自动调整窗帘的开度。2.1方案设计说明 考虑到自动窗帘的成本和巨大的市场空间，本文提出一种方案，应用光控原理工作，光亮在一定程度窗帘自动打开，光线变
23、暗窗帘自动关闭，实现光控电动自动窗帘的设计，成本低，环保且方便使用。实现框图如图1所示： 光敏 电阻 采集 光强 电路 单片机驱动电机芯片 步进电机正反转控制窗帘开闭 图1：本设计实现的方框图 该系统具有抗干扰能力强、结构简单、性能稳定,成本低廉,利于推广等特点,能够满足智能家居需求,具有良好的市场应用前景.2.2方案选择说明 论文设计的核心控制器选用的是AT89C52单片机，光线采集选用光电传感器ULN3330。它输出单片机能读入数字信号，然后由L298驱动芯片驱动步进电机转动，调节其转动角度。电机选用比较容易进行角度调节的步进电机，单片机与步进电机之间的连接采用L298驱动器，它是一种两相
24、和四相步进电机专用驱动芯片。2.2.1 硬方案选择说明 硬电路绘图平台为PROTEL软， 所用元器在其上绘出，例如AT89C52微控制器、电机驱动芯片L298、42BYG系列步进电机、电阻、电容、按键、肖特基二极管、转换开关等。逻辑框图如图2所示。光电 传感器 步进电机 步进电机 驱动器单 片 机 图2.系统硬电路设计 光检测模块 选用集成光电传感器ULN3330，当器顶部受到大于50 Lx4的光照时就输出高电平，负载上没有电流；当光照不足45 Lx时，器就输出低电平，负载上有电流通过。单片机模块 选用MCS-51单片机系列，AT89C52单片机。步进电机的驱动模块 选用步进电机专用驱动芯片L
25、298,采用L298，通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正、反转、停止的操作。步进电机选用 步进电机的步距角选用1.8度/步（四相电机）。2.2.2软方案设计说明（主控程序流程图）软开发平台为Keil软，用C语言编写具体的程序代码。主控程序流程图如图3所示。开始 数字信号送入单片机 高电压？ 正转 反转 到达顶部？ 是 否 是 到达底部？ 停止 是 否 否 光敏传感器ULN3330 图3：主控程序流程图 3.硬设计 3.1 光电传感器信号采集模块设计 3.3.1 光电传感器ULN3330介绍 光电传感器按输出信号有开关型和模拟型， 开关型用于转速测量、模拟开关、位置开
26、关等；模拟型用于光电式位移计、光电比色计等。光电检测必须具备光源、被测物和光电元。ULN3330是美国摩托罗拉公司生产的集成光电传感器。它是一种新颖的光电开关， 将光敏二极管、低电平放大器、电平探测器、输出功率驱动器和稳压电路等五部分都集成在了一块11.8(mmmm)的硅片上，形成一种具有驱动能力的光敏功率器。该器可用于众多使用光敏器的场合， 使光敏器的应用变得更简单、可靠。ULN3330的内电路框图如图4所示。光敏二极管的光敏区域约为1.11.1 (mmmm)，峰值波长为880 nm。当它受到光照时，会产生微安数量级的光电流。低电平放大器是一种低噪声小电流放大器，能对微安级的光电流进行放大、
27、电平位移，最后输出可供电平探测器进行鉴别的电平。电平探测器是由施密特电路构成的，它具有约20的“滞后”特性。输出功率驱动器是NPN中功率晶体管，最大可通过100 mA的电流，可以直接驱动各种负载。稳压电路可确保当电压在415 V范围内变化时电路也能稳定地工作。ULN3330接上电源与负载后， 不需要其他元就能工作。当器顶部受到大于50 Lx的光照时， 就输出高电平，负载上没有电流；当光照不足45 Lx时，器就输出低电平，负载上有电流通过。ULN3330各引脚说明 脚USS-接地端 脚OUT PUT-输出端 脚UDD-+12V电源输入端 图4 ULN3330内部电路原理图 表1 ULN3330电
28、参数 3.1.2 传感器信号采集模块设计 由于光电传感器ULN3330直接输出数字信号，因而与单片机连接电路之间无需模数转换电路。ULN3330控制电路基本思路： 光照强度 OUTPUT输出端 窗帘开合状态 E50LX 高电平1 打开 E<45LX 低电平0 关上表2 光照强度与窗帘状态关系 下面两图即为光电传感器ULN3330模块电路连接图： 左图： 光电传感器的输出端OUTPUT接单片机的P3.0口，输出端的高低电平就送到单片机的口，电源端接+12V的直流电压，VSS端接地。当外界逐渐变亮，光电传感器顶部受到大于50 Lx的光照时，就输出高电平，经单片机后由驱动电路L298驱动步进电
29、机正转，窗帘打开，当光电传感器顶部光照不足45 Lx时，光电传感器就输出低电平。经单片机后由驱动电路L298驱动步进电机反转，窗帘闭合。右图： 用开关模拟光电传感器，开关一端接单片机的P3.0口，另一端为接地端，单片机上电后其端口为高电平，因而当开关断开时，P3.0口即为高电平，窗帘打开。当开关闭合时，开关接地，P3.0口为低电平，窗帘闭合。下图即为光电传感器ULN3330的电路连接图： 图5 ULN3330与单片机的连线图图6 PROTUES中连线图 说明：要用PROTUES软仿真，因其中器库中没有光敏这块，用开关替代，左图为光电传感器在单片机上的连接图，右图为用开关代替光电传感器在与单片机
30、的连接图。3.2 单片机信号处理模块设计 3.2.1 MCS-51单片机的结构 单片机全称单片微型计算机，顾名思义，它指的是一种单硅片上集成的微型计算机主要功能部的集成芯片。单片机的出现要归功与大规模集成电路技术的发展，就组织和功能而言，它如一个微型计算机系统，内部集成了中央处理器，随机数据存储器、只读程序存储器、定时器/计数器、输入输出（I/O）接口电路和串行通信接口等主要功能部。这里的51单片机指的是Intel公司的MCS-51系列单片机，属于这一系列的单片机芯片有许多种，如8051/8052、8031/8032、8752/8751等，他们的基本组成、基本性能、指令系统都是相同的。（1）M
31、CS-51单片机的内部结构单片机是在一块芯片中继承了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多功能I/O接口等计算机所需要的基本功能部的大规模集成电路，又称MCU。51系列单片机内包含下列几个部：1个8为CPU。1个片内振荡器及时钟电路。4KB ROM程序存储器。128B RAM数据存储器。可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路。32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O接口）。2个16位的定时/计数器。1个可编程全双工串行接口。5个中断源、2个优先级嵌套中断结构。51系列单片机内部结构图如图7所示，各个功能部由内部总线连接在一起。程序存储器部分用ROM代替即为8051/
32、8052；用EPROM代替即为8751/8752；若去掉ROM即为8031/8032；用FLASHEPROM代替即为89C51/89S52。基准频率源脉冲技术输入 外部中断 控制 并行I/O接口 串行输入 串行输出图7 MCS-51单片机内部结构框图 （2）引脚功能 有总线扩展的51单片机有44个引脚的方形封装形式和40个引脚的双列直插式封装形式，本文用40个引脚的双列直插式封装形式， 40个引脚封装的引脚图如图8，各引脚的功能说明如下。AT89C52的引脚: A T89C52单片机40脚 哥 G ND 2 XTAL1, XTAL2 2 RESET 1 EA/Vpp 1 ALE/PROG 1 PSEN 1 P0.0P0.7 8 P1.0P1.7 8 P2.0P2.7 8 P3.0P3.7 8 图8 AT89C52单片机引脚图 GND：接地端。
