基于单片机的智能电动窗帘控制器设计本科毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的智能电动窗帘控制器设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

日历时钟信息，字节 0 为秒，字节 2 为分 ，字节 4 为时，字节 6 为星期，字节 7 为日，字节 8 为月，字节 9为年，字节 0AH0DH 用作控制和状态寄存器，剩下的 114 字节为用户 RAM，所有的这 128字节都是掉电非易失性的。 图 时钟电路图 DS12887时钟芯片和 AT89C5l单片微机的接口电路如图。 模式选择脚 MOT接地， DS12887时钟芯片的 AS端口和 89C51单片机的 AIE端直接相联；而 DS、 R／ W 读写控制线与单片机的 RD/WR控制线 制线相连； DS12887的高位地址由 89C51单片机的 P2． 7端口来片选，则 DS12887的高 8位地址定为 7FH，而其低 8位则由芯片内部各单元的地址来决定(00H3FH)； DS12887的中断输出端 IQR和 89C51的外部中断 INT0端相联，给单片机提供中断信号； DS12887的 SQW端与 89C5I的 TO端相连。 11 电源电路 单片机 工作需要使用 5V电压，因此 需要给 单片机 设计 电源 电路。 图 是单片机的电源电路。 它采用 LM7805 三端集成稳压器，可输出 +5V的直流电压供电。 图 电源电路图 步进电机 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，广泛应用在数控机床、机器人、自动化仪表等领域。 为了实现步进电机的简易运动控制，一般以单片机作为控制系统的微处理器，通过步进电机专用驱动芯片实现步进电机的速度和位置定位控制。 单片机在本次试验中对步进电机的控制从而达到对转角和位移的控制的方法。 本次设计采用两个型号为 130HZ308450 的三相反应式步进电机 对旋转角度和位移进行控制，该步进电机力矩大、耐负载冲击、精度高。 其步距角为 176。 ，即 N =176。 ，即本次设计的测控系统对回转台转角的控制精度可以达到 176。 步进电机的驱动电路是根据 控制信号工作的。 而本次测控系统是以单片机位控制中心的，下面将 介绍 步进电机控制系统。 步进电机 控制系统 主要 由脉冲分配器，功率驱动电路，步进电机几部分构成的。 步进电机控制系统的方框图如 图 所示 ： 图 步进电机控制系统方框图 脉 冲控制器 功率驱动电路 步进 电机 负 载 脉冲信号 12 图 步进电机控制系统 电路 图 如图 ，是步进电机 控制系统的电路图。 单片机输 出步进脉冲后，再由脉冲分配电路按事先确定的顺序控制各相的通断。 本设计由软件完成脉冲分配工作，不仅使线路简化，成本下降，而且可根据应用系统的需要，灵活地改变步进电机的控制方案。 软件控制脉冲将在软件设计部分说明。 步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，采用光电耦合器将单片机与步机电机隔离可以避免单片机与步进电机功率回路的共地干扰 ，防止 强功率的干扰信号反串进主控系统。 此外，万一驱动电路发生故障 ， 也不致让功放中较高的电压串入单片机而使其损坏。 步进电机的驱动电路有很多种，但最为常见的就是用单电压驱动，双电压驱 动，斩波驱动，细分驱动等。 但电压驱动是步进电机控制中最为简单的一种驱动电路，它在本质上是一个单间的反相器。 它最大的特点是结构简单，工作效率低。 而且它的外接电阻要消耗相当一部分能量，这样会影响电路的稳定性。 双电压驱动电路是采用两种电源电压，缺点在于在高低电压连接处电流出现谷点，这样必然引起力矩在谷点处下降，不易于电机的正常运行。 对于斩波驱动则可以克服这种缺点，并且还可以提高步进电机的效率。 从提高效率的角度来看这是一个很好的驱动电路，它可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定额定电流和减少时间常数。 但由于其 波形顶部呈现锯齿形波动，所以产生较大的电磁噪声。 细分驱动是用脉冲电压来供电的，对于一个电压脉冲，转子就可以转动一步。 本设计采用的是恒频脉宽调制细分驱动电路，电路图如 所示。 13 图 恒频脉宽调制细分驱动电路 键盘 /显示 接口电路 键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据，传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。 本 设计中的键盘采用 4 4 矩阵键盘。 16 个键分别为： 09 十个数字键，用于时间设定输入；设定键，设定自动窗帘开和关的时间；复位键，在程序出错或者有误操作的时候；正转键 ，使步进电机正转，窗帘打开；反转键，使步进电机反转，窗帘关闭；停止键，步进电机停止运转；确定键，时间设定完成后确定输入。 由于按键比较多，加上减少所战占用的端口，可以将按键组成一个矩阵， 如图 所示。 图 键盘接口 电路 获取 键盘 信息的方法有 2种，我们经常用到的是扫描法。 在扫描法中，所有的行线固定为输出端口，并依次输出低电平；所有列线固定为输入端口，用来检测按键状态。 当全部按键均松开时，从列线上检测不到行线输出的低电平。 当某个按键按下时，只有在对应的行线输出低电平时才能在对应的列线端口检 测到低电平。 按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如果不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。 一般消除抖动采用软件方法来解决，将在软件部分介绍这点。 14 显示部分则主要显示时间，用于设置时间。 采用 LED 数码管进行显示是一种经济实用的方法。 每位数码管由 7 个笔画加上小数点共 8 个发光二极管组成；有共阴极和共阳极两种类型，公共端用来进行位控制，笔画端用来进行字符控制；数码管显示有静态显示和动态显示两种方法。 在数码管显示中，有 2 个技术问题需要解决，这就是整数高位和闪烁显示问题。 虽然某些新型 LED 驱动芯片本身具有闪烁控制和熄灭控制功能，但通过合理的软件设计，采用廉价芯片组成的驱动电路同样可以实现整数高位灭零和闪烁显示功能，达到降低系统硬件成本的目的。 本设计采用的就是 4位 LED数码管的串行驱动 电路来达到显示时间和消除闪烁显示的目的。 驱动器采用 74LS164，由 89C51 的 和 来控制 LED 数码管的显示。 显示电路图如 所示。 图 显示 电路 15 传感器 电动窗帘要根据光照的情况而自动开关窗帘，因而需要使用到光电传感器。 这里使用光敏电阻。 光敏电 阻是用光电导体制成的光电器件，又称光导管，他是基于半导体光电效应工作的。 光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可以加直流偏压，也可以加交流电压。 当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。 当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值急剧减少，因此电路中电流迅速增加。 光敏电阻具有很高的灵敏度 ，很好的光谱特性，光谱响应从紫外区一直到红外区。 而且体积小、重量轻、性能稳定。 因此在自动化技术中得到广泛的应用。 光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。 通常，光敏电阻器都 制成薄片结构，以便吸收更多的光能。 当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子 — 空穴对，参与导电，使电路中电流增强。 根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器： 紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。 红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。 锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。 可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。 主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。 这里选用 Ф 3系列的 GL3526。 应用光控原理工作，天亮窗帘自动打开，天黑窗帘自动关闭。 由运放组成比较电路，同向输入端有两个电阻分压得到一个电压值，作为基准电压进行比较，而反相输入端用一个光敏电阻对外部环境的光线进行采集，利用光敏电阻暗时电阻大，亮时电阻小的特点，来确定反向 输入端的电压值。 再两者进行比较，比较后的信号再送入单片机 89C2051 的 P0 16 口，从而通过单片机来控制电机的正反转。 来实现天亮窗帘自动打开，天黑窗帘自动关闭这一自动控制功能。 信号调理电路 放大 滤波 电路 在许多需要 用 A/D 转换和数字采集的单片机系统中， 多数 情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足 A/D 转换器对输入信号电平的要求， 在此 情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。 仪表 仪器放大器 的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器。 来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）。 一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。 否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。 一般运算放大器共模抑制比可达 80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，共模抑制比可达 100～ 120dB。 滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。 传感器过来的信号经常带有各种各样的干扰，因此要采用滤波电路来去除干扰。 综合考虑， 采用低通滤波器。 本设计采用 将放大滤波功能结合的电路，电路图如图 所示。 图 放大 滤波 电路 A/D 转换 A/D 转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。 在选择A/D 转换时，先要确定 A/D转换的位数，该设计运用的是 8位 A/D转换器 ADC0809， A/D 转换误的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关，系统精度涉及的环节很多，包括传感器的变换精度，信号预处理电路精 度 A/D 转换器以及输出电路等。 本 次设计使用 8位 A/D 转换器 ADC0809。 关于 ADC0809 的介绍： ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A／ D 转换器，它由 8 路 17 模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、 8 位开关树型 D／ A 转换器、逐次逼近，寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。 因此， ADC0809 可处理 8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。 输入输出与 TTL 兼容。 ADC0809 与 MCS51 单片机的连接如图 所示。 图 ADC0809 与单片 机的接口电路 A/D 转换后得到的是数字量的模拟量，这些数据应传 送 给单片机进行处理。 数据串的关键是如何确定 A/D 转换完成。 因为只有确定数据转换完成后，才进行传送。 为此可采用以下三种方式： 1） 定时传送方式 ： 对于一种 A 时子程序。 A/D 转换启动后，就调动这个子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了。 接着，就可以进行数据传送 ,对于 A/D 转换来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。 例如 ADC0809 转换时间为 128us，相当于 6MHZ 的 MCS51 单片机共 60 个机器周期。 可根据此设计一个延了。 2） 查询方式 A/D 转换芯片表明有转换完成的状态信号，例如 ADC0809 的 E 端，因此可以通过查询方式用软件测试 EOC 的状态，即可知道转换是否完成，若完成，则 进行数据传送。 3） 中断方式 中断方式 ADC0809 与 8031 的中断方式接口电路只需将 0809 的 EOC端经过一非门连接到 8031 的 INTl 端即可。 采用中断方式可大大节省 CPU 的时间，当转换结束时， EOC 18 发出一个脉冲向单片机提出中断请求，单片机响应中断请求，由外部中断 1 的中断服务程序读 A／ D 结果，并启动 0809 的下一次转换，外部中断 1 采用边沿触发方 式。 设计中用单片机启动 ADC0809 后，延时 130us，就可以读取正确的 A/D 转换结果。 4 系统软件设计 系统软件设计主要包括显示子程序，键盘子程序，时钟程序，步进电机控制程序设计及部分构成。 本章节系统的介绍了电动窗帘的主程序和各主要功能子程序的设计流程，具体的程序代码见附录。 主程序 软件设计 主程序构成无限循环，主要完成单片机初始化， 关 中断，菜单显示内容初始化，按键扫描 ，电机运行，计时 等功能。 主程序的流程图如图。 关 中 断 设 置 堆 栈复 位 ， 初 始 化显 示有 键 操 作。 键 码 分 析命 令 键。 数 码 键 处 理YYN设 定 时 间设 定 键电 机 控 制 键电 机 工 作开 始 计 时到 点 了。 工 作 完 成。 电 机 停 止YNYYNNNY 图 主程序流程图 启动主程序，先关中断并且设置堆栈，接着初始化寄存器，初始化显示内容；然后执行按键查询，执行相应的操作。 如果是设定键，则设定时间，开始计时；到时。