王 冰，李宏達(dá)

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110159）

在21世紀(jì)的今天，國(guó)家繁榮昌盛，因此在人們的生活中智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用也越發(fā)普遍。目前，對(duì)于智能窗簾來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)的家庭里在用的都是利用扣環(huán)鋼絲來(lái)懸掛的手動(dòng)式窗簾，只有極少數(shù)的家庭里用的是智能化的電動(dòng)控制式窗簾。其主要原因還是相較于傳統(tǒng)的手動(dòng)窗簾來(lái)說(shuō)，智能窗簾的價(jià)格可以說(shuō)是相當(dāng)昂貴，人們會(huì)認(rèn)為手動(dòng)也不會(huì)耽誤太多時(shí)間，而且智能窗簾在目前的情況來(lái)說(shuō)，還不能達(dá)到人們所需求的智能化，因此不會(huì)在人們的生活中得到普及。也正是因?yàn)槿绱?，智能窗簾在人們的生活?dāng)中才具有更大的發(fā)展空間。所以，如果想提高智能窗簾的普及度，就需要我們研制出功能模塊全、智能化水平高、造價(jià)成本低并且適用于所有家庭的智能自動(dòng)控制窗簾。

對(duì)于智能窗簾的控制方式來(lái)說(shuō)，可以大致分為光照控制、時(shí)鐘控制、聲音控制、紅外遙控。但是在我們的日常生活中，聲控往往會(huì)受到噪音的影響而難以實(shí)施。因此，在智能窗簾設(shè)計(jì)當(dāng)中不會(huì)應(yīng)用聲音控制。如果設(shè)計(jì)一款價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)清晰、靈敏度高，并結(jié)合遙控控制、時(shí)間控制、光感控制的智能窗簾系統(tǒng)將會(huì)具有較好的發(fā)展前景，智能窗簾的存在也可以給我們的生活帶來(lái)更多便捷。

基于單片機(jī)的智能窗簾控制系統(tǒng)就是以單片機(jī)為核心，充分利用了它功能強(qiáng)、成本低、消耗低、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，從而達(dá)到我們對(duì)智能窗簾功能的要求。當(dāng)然也正因單片機(jī)的這些優(yōu)良特性，才能夠使它更加廣泛地應(yīng)用到工業(yè)生成控制、智能家用電器以及相關(guān)醫(yī)療機(jī)械器件等各個(gè)領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)整體方案可實(shí)現(xiàn)以下模塊控制功能：紅外控制模塊、智能光控模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、時(shí)鐘電路模塊、報(bào)警電路模塊、按鍵電路模塊以及顯示電路模塊等。該設(shè)計(jì)功能如下：

遙控控制功能：該功能使智能窗簾具有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的功能，用戶可以通過(guò)遙控器對(duì)窗簾的開(kāi)合進(jìn)行控制。在需要拉開(kāi)或閉合窗簾的時(shí)候，只需要人工按一下加號(hào)按鍵或減號(hào)按鍵后，窗簾就會(huì)自動(dòng)拉開(kāi)或閉合，通過(guò)設(shè)定的圈數(shù)，窗簾將會(huì)自動(dòng)停止，避免了手動(dòng)的麻煩。

光控調(diào)節(jié)功能：當(dāng)用戶無(wú)暇顧及窗簾的開(kāi)合程度時(shí)可以調(diào)制到光控調(diào)節(jié)功能，通過(guò)外界環(huán)境、光線的亮度就可以使智能窗簾自動(dòng)完成拉開(kāi)或閉合的控制動(dòng)作。白天期間“，天暗拉開(kāi)、天亮閉合”單片機(jī)會(huì)自動(dòng)獲取信息調(diào)節(jié)室內(nèi)光照強(qiáng)度。

定時(shí)控制功能：通過(guò)時(shí)鐘電路模塊，人們可以自行任意地設(shè)定時(shí)間范圍。若在定時(shí)范圍內(nèi)，智能窗簾會(huì)受到光控的控制，即根據(jù)光照強(qiáng)度控制窗簾的拉開(kāi)或閉合。但若在晚上這段時(shí)間區(qū)域內(nèi)，窗簾不會(huì)受到外界的干擾，只在規(guī)定的時(shí)間拉開(kāi)或閉合窗簾，而對(duì)于定時(shí)晚上這段時(shí)間，窗簾則始終是閉合的狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)介紹是以單片機(jī)為控制核心的智能窗簾系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它采用了紅外遙控技術(shù)，只要輕按遙控器，智能窗簾就會(huì)自行地拉開(kāi)或閉合。除了這些功能以外，還在智能窗簾上安裝了報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)人的設(shè)定，當(dāng)屋內(nèi)沒(méi)人并且窗戶被強(qiáng)行打開(kāi)時(shí)，會(huì)使光電對(duì)射管的光線受到阻斷而引起蜂鳴器報(bào)警。

本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的智能窗簾自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以紅外控制、光控控制以及定時(shí)控制實(shí)現(xiàn)了智能窗簾的拉開(kāi)和閉合。利用單片機(jī)的紅外控制電路，通過(guò)紅外發(fā)射口和紅外接收器來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收信號(hào)功能，并借助單片機(jī)的定時(shí)系統(tǒng)對(duì)窗簾的閉合進(jìn)行控制，以及利用光敏電阻實(shí)現(xiàn)光控等功能來(lái)實(shí)現(xiàn)人們對(duì)智能窗簾的需求。

2 硬件系統(tǒng)組成

智能窗簾是以單片機(jī)為控制核心芯片，利用各種模塊，從而實(shí)現(xiàn)智能窗簾的各種功能。此次基于單片機(jī)的智能窗簾自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有紅外控制、光控、定時(shí)控制等功能，因此使用這些具有各項(xiàng)功能的模塊達(dá)到相對(duì)應(yīng)的功能。硬件系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)的基本框圖

該系統(tǒng)所選擇的核心是單片機(jī)STC89C52，將它作為主控制芯片，再外加鍵盤(pán)電路、液晶顯示電路、紅外收發(fā)電路、報(bào)警電路、時(shí)鐘電路、智能光控電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等相關(guān)外圍電路模塊組成的基于單片機(jī)的智能窗簾自動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)智能窗簾完成拉開(kāi)和閉合動(dòng)作的主要受控對(duì)象是步進(jìn)電機(jī)，是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸才完成智能窗簾拉開(kāi)和閉合的動(dòng)作。在智能窗簾的遙控方面，是通過(guò)紅外遙控器發(fā)出紅外信號(hào)傳送到單片機(jī)連接的紅外接收裝置來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)動(dòng)作，也就是實(shí)現(xiàn)智能窗簾的拉開(kāi)和閉合。除了這些，通過(guò)主板上的按鍵電路還能夠控制智能窗簾開(kāi)合的速度以及設(shè)定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。同時(shí)，根據(jù)用戶需求，通過(guò)按鍵電路可以自行設(shè)定相應(yīng)模式。在定時(shí)模式下，時(shí)鐘控制與光控功能可以兼容完成，設(shè)定時(shí)間受時(shí)鐘電路控制，其余時(shí)間受光控功能控制。對(duì)于光控功能，通過(guò)光敏電阻感光功能，也可實(shí)現(xiàn)智能窗簾因感光而自動(dòng)開(kāi)合的功能。對(duì)于顯示模塊主要顯示智能窗簾的所處模式、智能窗簾的開(kāi)合速度等級(jí)、步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)以及智能窗簾所處狀態(tài)。

選擇使用單片機(jī)STC89C52作為驅(qū)動(dòng)是因?yàn)樗哂懈咚?、低功耗、高性能、超?qiáng)抗干擾能力等特點(diǎn)，且為CMOS 8位微控制器。STC89C52具有通用接口I/O口，以及四個(gè)準(zhǔn)雙向口上拉接口，分別是P1/P2/P3/P4，其中P0口是漏極開(kāi)路輸出，當(dāng)作P0口為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，而當(dāng)P0口作為I/O口用時(shí)，則需加上拉電阻。系統(tǒng)總體硬件原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體硬件原理圖

如圖2所示XTCL1和XTCL2接時(shí)鐘模塊的晶振電路，實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。P10至P13連接步進(jìn)電機(jī)模塊的ULN2003，通過(guò)ULN2003產(chǎn)生的扭力達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制作用。P14至P15連接紅外控制模塊的LED，通過(guò)紅外信號(hào)達(dá)到遙控的功能。P0至P7、P25至P27連接顯示電路模塊的液晶顯示器，通過(guò)顯示屏展現(xiàn)所控制的狀態(tài)。P22至P23連接智能光控模塊的ADC0832，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換，達(dá)到光敏電阻作用。P20連接報(bào)警電路模塊的光電對(duì)射管，通過(guò)光電對(duì)射管原理使得信號(hào)傳入蜂鳴器，從而達(dá)到報(bào)警的作用。P34至P36連接按鍵電路模塊，通過(guò)按鍵達(dá)到人機(jī)交互功能，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的控制。再將電源、復(fù)位電路連接，這樣智能窗簾大體的結(jié)構(gòu)就完成了，將硬件整合在一起，就組成了本次設(shè)計(jì)的智能窗簾。

3 智能窗簾軟件方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

智能窗簾所控制的主程序主要是實(shí)現(xiàn)智能窗簾的拉開(kāi)和閉合的動(dòng)作，可以處理由智能光控模塊、紅外控制模塊、時(shí)鐘電路模塊、報(bào)警電路模塊等反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)可分別選擇三個(gè)模式，使智能窗簾分別處于三種狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模塊的功能，當(dāng)選中一種模式時(shí)，其他模式所對(duì)應(yīng)的模塊將被鎖死。

第一個(gè)模式為定時(shí)模式，在此模式下可實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘電路模塊和智能光控模塊的相應(yīng)功能。此時(shí)，可以根據(jù)個(gè)人時(shí)間情況要求不同，自行設(shè)定修改定時(shí)時(shí)間。單片機(jī)會(huì)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間，對(duì)智能光控模塊產(chǎn)生的信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)處于定時(shí)規(guī)定時(shí)間時(shí)，智能光控模塊會(huì)對(duì)環(huán)境狀況做出動(dòng)作。

第二個(gè)模式為遙控模式，此模式也是智能窗簾上電后的初始狀態(tài)，當(dāng)上電初始時(shí)刻需修正初始時(shí)間。此模式可實(shí)現(xiàn)紅外控制模塊的相應(yīng)功能，以及步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和所轉(zhuǎn)圈數(shù)的設(shè)定。紅外遙控器可發(fā)送相應(yīng)指令給紅外接收器，當(dāng)紅外接收器接收到信號(hào)，單片機(jī)就會(huì)根據(jù)相應(yīng)信號(hào)做出處理。

第三個(gè)模式為報(bào)警模式，在該模式下可實(shí)現(xiàn)報(bào)警電路模塊的相應(yīng)功能。在光電對(duì)射管之間的光線受到干擾或阻斷時(shí)，光電對(duì)射管會(huì)將信號(hào)傳輸給蜂鳴器，使得蜂鳴器發(fā)出鳴響。

單片機(jī)是將中央處理器CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器、I/O接口電路等主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。在整個(gè)控制過(guò)程中，正是由于主控制芯片單片機(jī)內(nèi)軟件程序功能對(duì)各個(gè)連接的元器件進(jìn)行控制，才使得各個(gè)模塊之間的信號(hào)能夠得到很好管理，從而井然有序地進(jìn)行信息傳遞，不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)之間的相互干擾問(wèn)題，成功完成與人們要求相對(duì)應(yīng)的功能動(dòng)作。

該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件需要通過(guò)Keil uVision5軟件來(lái)把編輯好的程序?qū)氲絾纹瑱C(jī)STC89C52內(nèi)，然后對(duì)智能窗簾進(jìn)行調(diào)試。定時(shí)模式程序設(shè)計(jì)、遙控模式程序設(shè)計(jì)、報(bào)警模式程序設(shè)計(jì)，這些模式實(shí)現(xiàn)了智能窗簾的大體功能作用。除了以上這些模式程序設(shè)計(jì)，還需要按鍵模塊程序設(shè)計(jì)、光控模塊程序設(shè)計(jì)等功能模塊進(jìn)行系統(tǒng)整合。

4 系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試

智能窗簾的硬件測(cè)試，首先是對(duì)于智能窗簾的受控對(duì)象步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的測(cè)試。這需要先將智能窗簾開(kāi)關(guān)打開(kāi)，使智能窗簾處于上電狀態(tài)，再將智能窗簾模式調(diào)整到模式2，通過(guò)遙控功能來(lái)測(cè)試硬件步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路是否正常。智能窗簾還有光控功能，因此要對(duì)光敏電阻的感光能力進(jìn)行測(cè)試。在模式1的情況下，調(diào)整光照強(qiáng)度觀察顯示器和步進(jìn)電機(jī)是否有相應(yīng)的動(dòng)作。智能窗簾的報(bào)警功能，將模式調(diào)整為模式3，測(cè)試當(dāng)光電對(duì)射管的光線受到阻斷時(shí)，蜂鳴器是否發(fā)出鳴響。

4.1 遙控模式的調(diào)試

將按鍵調(diào)制到遙控模式，即模式2。由于該狀態(tài)為智能窗簾上電的初始狀態(tài)，所以要根據(jù)按鍵設(shè)定當(dāng)時(shí)時(shí)間，左側(cè)第一個(gè)按鍵為確定鍵，第二個(gè)按鍵為減號(hào)鍵，第三個(gè)按鍵為加號(hào)鍵以及對(duì)時(shí)間換位，第四個(gè)按鍵為模式鍵。完成時(shí)間的設(shè)定，再通過(guò)模式按鍵，設(shè)定好最佳轉(zhuǎn)速以及步進(jìn)電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)。

一切設(shè)定完整之后，需要通過(guò)紅外遙控器對(duì)智能窗簾發(fā)射信號(hào)，從而使步進(jìn)電機(jī)完成相應(yīng)的動(dòng)作。紅外遙控器有兩個(gè)按鍵，分別是加號(hào)鍵和減號(hào)鍵。當(dāng)按下紅外遙控器加號(hào)按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，窗簾拉開(kāi)；當(dāng)按下紅外遙控器減號(hào)按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，窗簾閉合。

本次遙控模塊測(cè)試進(jìn)行了2次，分別完成智能窗簾拉開(kāi)和閉合的動(dòng)作。測(cè)試記錄數(shù)據(jù)如表1。

表1 遙控模塊測(cè)試

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遙控模式，并且在測(cè)試中也檢測(cè)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和所轉(zhuǎn)圈數(shù)的設(shè)定。測(cè)試數(shù)據(jù)表明智能窗簾可以很完美地做到通過(guò)紅外控制實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。遙控步進(jìn)電機(jī)測(cè)試、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速及其所轉(zhuǎn)圈數(shù)設(shè)定測(cè)試如圖3所示。

圖3 遙控步進(jìn)電機(jī)測(cè)試、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速及其所轉(zhuǎn)圈數(shù)設(shè)定測(cè)試

4.2 定時(shí)模式的調(diào)試

將智能窗簾的模式調(diào)整為模式1，定時(shí)模式兼顧時(shí)鐘模塊和光控模塊。首先調(diào)整時(shí)間，將時(shí)間設(shè)定為所需時(shí)間段，確定完成后開(kāi)始測(cè)試。

當(dāng)時(shí)間處于規(guī)定設(shè)定時(shí)間內(nèi)，窗簾可實(shí)現(xiàn)光控控制，通過(guò)顯示器所顯示的光照強(qiáng)度調(diào)整光照。當(dāng)光照強(qiáng)度低于30%時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，窗簾自動(dòng)拉開(kāi)；當(dāng)光照強(qiáng)度高于70%時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，窗簾自動(dòng)閉合。當(dāng)時(shí)間處于規(guī)定設(shè)定時(shí)間外，窗簾則始終處于閉合的狀態(tài)，不會(huì)受到光照強(qiáng)度影響。

本次測(cè)試設(shè)定時(shí)間段為7：30-19：30，測(cè)試記錄數(shù)據(jù)如表2。

表2 定時(shí)模塊測(cè)試

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)定時(shí)模式，即實(shí)現(xiàn)光控模塊和時(shí)鐘模塊的功能，測(cè)試數(shù)據(jù)表明智能窗簾可以通過(guò)定時(shí)和光照控制實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。在調(diào)試過(guò)程中偶爾會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作稍微延遲的現(xiàn)象，是電壓電流帶動(dòng)的問(wèn)題，如果換成大功率充電設(shè)備就可以解決這個(gè)問(wèn)題。定時(shí)模式測(cè)試如圖4所示。

圖4 定時(shí)模式測(cè)試

4.3 報(bào)警模式的調(diào)試

首先將模式調(diào)整為模式3，在該模式下為報(bào)警模式。此時(shí)，假設(shè)一紙片為連接窗戶的連接設(shè)備，先將該紙片伸至光電對(duì)射管中間的位置，阻攔住光線，觀察蜂鳴器是否發(fā)出鳴響，以及在蜂鳴器鳴響的同時(shí)，光電對(duì)射管上面的指示燈是否有一個(gè)處于熄滅狀態(tài)。報(bào)警模式測(cè)試如表3。

表3 報(bào)警模式測(cè)試

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，可以觀察出智能窗簾報(bào)警模式可實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。報(bào)警模式蜂鳴器測(cè)試如圖5所示。

圖5 報(bào)警模式蜂鳴器測(cè)試

5 結(jié)論

對(duì)于該設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，它的主控制芯片選擇的是單片機(jī)STC89C52，在擁有主控制芯片的條件下，使智能窗簾擁有遙控、定時(shí)、報(bào)警三種模式功能，以實(shí)現(xiàn)智能窗簾的功能。在遙控方面，它是由紅外遙控器以及按鍵電路完成的，通過(guò)它們完成紅外信號(hào)的傳輸和接收工作，實(shí)現(xiàn)智能窗簾的動(dòng)作。在定時(shí)方面，充分利用單片機(jī)自身定時(shí)的功能特點(diǎn)完成對(duì)智能窗簾的時(shí)間把控，這樣不僅實(shí)現(xiàn)了智能窗簾設(shè)計(jì)所需功能，還可以節(jié)約成本。在報(bào)警方面，選擇的是光電對(duì)射管，相較于其他無(wú)線報(bào)警器而言，它雖然不能完成短信等信息的傳輸，但是它可以完成蜂鳴報(bào)警，同樣會(huì)引起人們的注意，更重要的在于該設(shè)計(jì)大大降低了成本，相較而言，此種報(bào)警模式的設(shè)計(jì)更加適合普通百姓人家。除主要功能設(shè)計(jì)以外，智能窗簾系統(tǒng)內(nèi)還包含光敏電阻、鍵盤(pán)和顯示器件以完成相關(guān)輔助功能，并且在步進(jìn)電機(jī)處還加入了ULN2003，利用ULN2003的驅(qū)動(dòng)力量帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)成功運(yùn)轉(zhuǎn)完成動(dòng)作。