熊建橋，薛 飆，馬 遠(yuǎn)，吳在羅，丁 超

（南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，人們對室內(nèi)設(shè)計(jì)智能化的要求也越來越高，相對于傳統(tǒng)的窗簾，智能窗簾更能滿足人們對品質(zhì)生活的追求。本設(shè)計(jì)通過感知光強(qiáng)度而改變百葉窗的透光度，能自動調(diào)節(jié)百葉窗旋轉(zhuǎn)角度和開合的系統(tǒng)。用一個(gè)紅外遙控器就能控制和監(jiān)測住房的窗簾開合，加之以感光，定時(shí)，聲控等功能，使窗簾的使用操作簡單化、智能化，人性化，給人們?nèi)粘Ｉ顜順O大的方便。這些都將改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)的生活方式，并提高了人們的生活質(zhì)量。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由以STC89C52RC為控制核心，采用模塊化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能?？刂葡到y(tǒng)總框圖如圖1所示。

系統(tǒng)具有以下功能：①光控調(diào)節(jié)功能：當(dāng)用戶無暇顧及窗簾的開合程度時(shí)可以打開光控調(diào)節(jié)功能，單片機(jī)會自動獲取信息，調(diào)節(jié)室內(nèi)光照強(qiáng)度，使室內(nèi)一直處于舒適的光照環(huán)境；②聲控控制功能：用戶可通過聲音控制窗簾開啟閉合；③定時(shí)工作功能：本功能中用戶可以預(yù)先設(shè)定窗簾的開啟或者關(guān)閉的時(shí)間，即使用戶不在也可以控制室內(nèi)的照明情況，讓用戶一進(jìn)家門就可以感受到愉悅的光照；④紅外遙控功能：用戶可以通過遙控器對窗簾的開合角度進(jìn)行控制，避免了手動窗簾的麻煩。

圖1 控制系統(tǒng)總框圖Fig.1 The control system block diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心是STC89C52 單片機(jī)，是一種低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)。支持在線編程，可基本滿足編寫程序的需求；集成度高、體積小、可靠性強(qiáng)，具有極高的性價(jià)比；低電壓、低功耗，具有很強(qiáng)的控制功能[1]。

本系統(tǒng)通過單片機(jī)協(xié)調(diào)好各模塊之間的關(guān)系，充分發(fā)揮每個(gè)模塊的功能。系統(tǒng)由輸入、輸出兩大部分組成，下面分別介紹系統(tǒng)的各個(gè)模塊。

輸入部分如圖2所示，由光電管采集外界光的光強(qiáng)，光電管的電阻隨著光的強(qiáng)度增加而減小，測量得到的電壓即隨之變化。AD 轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由此可設(shè)定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與光強(qiáng)所對應(yīng)數(shù)值范圍的關(guān)系。故此可根據(jù)太陽光照射的強(qiáng)度隨時(shí)控制百葉窗的開合角度，調(diào)節(jié)室內(nèi)光照強(qiáng)度，使室內(nèi)一直處于舒適的光照。AD 轉(zhuǎn)換電路選用ADC0804 芯片，它是一個(gè)8位單通道的A/D 轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間大約100μs，方便的TTL 或CMOS 標(biāo)準(zhǔn)接口，可滿足差分電壓輸入；單電源工作時(shí)（0～5V）輸入信號電壓范圍是0～5V[2]。

定時(shí)工作電路由單片機(jī)的定時(shí)中斷來實(shí)現(xiàn)。通過紅外遙控功能設(shè)定定時(shí)時(shí)間，在數(shù)碼管上顯示，定時(shí)時(shí)間到，蜂鳴器報(bào)警，百葉窗合上。

紅外遙控電路：紅外接收二極管其實(shí)就是一種光電二極管，它的內(nèi)阻由射入管內(nèi)的光通量決定，無紅外光照時(shí)為幾兆歐，有紅外光照時(shí)僅為幾千歐姆。接收到的紅外信號轉(zhuǎn)換成的電信號非常微弱，所以這個(gè)信號必需通過放大器放大后才能用于對電路的控制。而這個(gè)放大器除了應(yīng)有高的放大倍數(shù)外，還應(yīng)該是低噪聲并具有對信號波的解調(diào)能力，濾除信號載波，只留下有用的調(diào)制信號。設(shè)計(jì)選用紅外接收頭HS0038B，HS0038B 是集成紅外接收、放大、濾波和比較器輸出的模塊，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①單一的接收器和前置放大器的組合；②靈敏度高；③內(nèi)置濾波器；④抗干擾強(qiáng)；⑤與TTL 及CMOS兼容，適用于微處理器操作與控制；⑥低功耗。HS0038B 紅外接收二極管主要用于接收頻率為38kHz的紅外線。當(dāng)接收到38kHz的紅外信號時(shí)，輸出端1 腳為低電平。當(dāng)接收到的紅外信號頻率不是此頻率或沒有接收到紅外線信號時(shí)，則輸出端1 腳為高電平。由于接收頭輸出的信號為標(biāo)準(zhǔn)的TTL 電平，因此，可以直接將接收到的信號送入單片機(jī)的接收端RXD 進(jìn)行信號處理。

聲控電路可以檢測聲音強(qiáng)度，當(dāng)聲音強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，OUT 輸出高電平，當(dāng)聲音強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)，模塊OUT 輸出低電平。

溫控電路使用DS18B20 溫度傳感器來采集現(xiàn)場環(huán)境溫度。DS18B20 是單線數(shù)字溫度傳感器，具有體積更小、使用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃。溫度直接用 “一線總線”的方式傳輸，大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性。還可由程序設(shè)定9～12位的分辨率，使用方便[3]。DS18B20 是單線通信，單片機(jī)通過此線向DS18B20 發(fā)送指令，DS18B20 也通過此線將采集到的溫度傳回來。

輸出模塊如圖3所示，由蜂鳴器電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電及顯示電路幾部分組成。

系統(tǒng)中報(bào)警部分主要采用蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到或溫度，聲音超過預(yù)定值時(shí)蜂鳴器就會報(bào)警來提示百葉窗完全合上[4]。

圖2 輸入模塊電路Fig.2 Input module circuit

圖3 輸出模塊電路Fig.3 Output module circuit

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路采用UNL2003 來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。ULN2003 是集成達(dá)林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器[2]。最大驅(qū)動電壓為50V、電流為500mA、輸入電壓為 5V，適用于TTL、COMS 電路等達(dá)林頓管組成的驅(qū)動電路。步進(jìn)電機(jī)選用的型號為42H4630的兩相步進(jìn)電機(jī)。UNL2003的可驅(qū)動此步進(jìn)電機(jī)。

定時(shí)及顯示電路采用一款高速CMOS 器件74HC573， 其引腳兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。并包含8 路D型透明鎖存器，每個(gè)鎖存器具有獨(dú)立的D 型輸入，以及適用于面向總線的應(yīng)用的三態(tài)輸出。所有鎖存器共用一個(gè)鎖存使能（LE）端和一個(gè)輸出使能（OE）端。當(dāng)LE為高時(shí)，數(shù)據(jù)從P1 口輸入到鎖存器，在此條件下，鎖存器進(jìn)入透明模式，也就是說，鎖存器的輸出狀態(tài)將會隨著對應(yīng)的P1 口輸入每次的變化而改變。當(dāng)LE為低時(shí)，鎖存器將存儲D 輸入上的信息一段就緒時(shí)間，直到LE的下降沿來臨。當(dāng)OE為低時(shí)，8個(gè)鎖存器的內(nèi)容可被正常輸出；當(dāng)OE為高時(shí)，輸出進(jìn)入高阻態(tài)。OE 端的操作不會影響鎖存器的狀態(tài)。數(shù)碼管采用的是兩個(gè)四位共陽極數(shù)碼管。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在keil 環(huán)境中采用C 語言編程[5]，軟件主程序框圖如圖4所示。軟件程序設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)遙控、聲控、溫控、顯示、電機(jī)驅(qū)動調(diào)速等相應(yīng)功能，實(shí)時(shí)控制部分放入中斷處理。

圖4 軟件主程序框圖Fig.4 Software main diagram

4 調(diào)試

本設(shè)計(jì)首先在面包板上對主要模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性調(diào)試，調(diào)試過程中遇到了線路接觸不良、程序設(shè)計(jì)不夠優(yōu)化等問題。經(jīng)過多次調(diào)試，最終排除了線路接觸問題，主要模塊能在面包板上按照設(shè)計(jì)順利運(yùn)行。軟件程序設(shè)計(jì)經(jīng)多次修改，最終成功調(diào)試通過。試驗(yàn)用窗簾及控制器如圖5所示。

5 結(jié)論

圖5 試驗(yàn)用窗簾Fig.5 Test curtains

“向日葵”智能窗簾系統(tǒng)不但具有一般窗簾功能和美觀裝飾效果，更可以根據(jù)入射光強(qiáng)度調(diào)節(jié)窗簾的開合與旋轉(zhuǎn)角度，并且結(jié)合聲控，遙控，定時(shí)等功能，將來在感光元器件上還可結(jié)合太陽能電池板，為系統(tǒng)提供能源，從而自動調(diào)節(jié)室內(nèi)透光度，平衡室內(nèi)外溫差，保證人體的舒適度和健康狀況。系統(tǒng)除了為用戶提供了極大的方便，彌補(bǔ)普通窗簾需手動操控的一些缺陷外，更重要的是還符合當(dāng)前綠色低碳等環(huán)保觀念。體現(xiàn)了智能化的生活家居的發(fā)展趨勢，相信將在智慧家電、智能小區(qū)等方面得到廣泛應(yīng)用。

[1]熊建橋，趙方偉，李小龍.基于STC89C52 單片機(jī)的智能電風(fēng)扇設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，1.

[2]郭天祥.新概念51 單片機(jī)C 語言教程入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[3]馬云峰.單片機(jī)與數(shù)字溫度傳感器DS18B20的接口設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2007，4.

[4]彭軍.實(shí)用電子技術(shù)[M].科學(xué)出版社，2006.

[5]廖雷.C 語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，2004.