黃古喬 李 卓

（桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541006）

在當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)時代，新時代背景下的“物聯(lián)網(wǎng)+”智能家居作為劃時代的新型家電的代表，智能家居是以家為平臺,兼?zhèn)浣ㄖ?、自動化和智能化于一體的高效、舒適、安全、便利的家居環(huán)境[1]。

本文基于單片機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上設(shè)計一個智能窗簾控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)智能窗簾的基本功能，系統(tǒng)具備有光控、時控、遙控和手動四種模式，可根據(jù)當(dāng)前的模式實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。本設(shè)計主要用到的硬件模塊包括單片機(jī)、按鍵、液晶顯示屏、步進(jìn)電機(jī)、光敏電阻、時鐘芯片和紅外遙控[2]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

采用STC89C51 單片機(jī)作為控制核心來實(shí)現(xiàn)智能窗簾的整體控制，同時，運(yùn)用多個模塊分別實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)要求，其中光控模塊使用光敏電阻來實(shí)現(xiàn)光亮度信息收集并量化；時間控制模塊使用DS1302 時鐘芯片，將信號傳送給1602 液晶顯示以實(shí)現(xiàn)時間日期的顯示和定時作用；手動控制使用按鍵控制模塊來實(shí)現(xiàn)模式的切換和窗簾的手動控制；遙控則是使用紅外接收頭再加上遙控器來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)模塊和指示燈模塊相配合，用指示燈的亮與滅顯示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，指示燈亮則電機(jī)正轉(zhuǎn)，指示燈滅則電機(jī)沒有正轉(zhuǎn)。為防止窗簾電機(jī)運(yùn)行過快，設(shè)計時采用步進(jìn)電機(jī)，設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的最大旋轉(zhuǎn)圈數(shù)用以實(shí)現(xiàn)窗簾的防過卷[3]。其智能窗簾系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 智能窗簾系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 STC89C51 單片機(jī)

STC89C51 單片機(jī)是一種抗干擾能力強(qiáng)、高性能、低功耗的8 位微控制器，包含8K 字節(jié)可擦除閃存只讀存儲器和256 位的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器，STC89C51 單片機(jī)還含有Flash 存儲單元和8 位的中央處理器CPU[4-5]。

單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路包括電源電路、晶振電路和復(fù)位電路。電源電路為單片機(jī)的引腳40、20 分別接電源和地。晶振電路是將晶振與單片機(jī)的工作引腳18、19 相并聯(lián)，用于起振給單片機(jī)提供震蕩電路，兩個電容的引腳分別接單片機(jī)的引腳18、19再接地。復(fù)位電路是將電容的正極與電源相連接，負(fù)極與單片機(jī)的復(fù)位腳相連接，同時電阻與電容并聯(lián)，電阻的另一腳接地。電路接線圖如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 時鐘模塊

DS1302 時鐘芯片是一款具有涓細(xì)電流充電能力的芯片，它擁有兩個電源引腳，即一個主電源加上一個備用電源，該芯片常用于與單片機(jī)構(gòu)成時鐘模塊。DS1302的電路簡單、成本很低、使用方便，因此能夠被廣泛地應(yīng)用。

芯片引腳1 和8 分別連接主電源和備用電源，當(dāng)遇到主電源停止供電的情況時，會啟用紐扣電池作為備用電源供電的模式，利用備用電源來維持芯片的運(yùn)轉(zhuǎn)，以保證時鐘芯片內(nèi)部繼續(xù)計時，在下一次主電源開始供電以后能為單片機(jī)繼續(xù)提供正確的時間信息。引腳RST 即復(fù)位端，當(dāng)該引腳為高電平時，初始化DS1302 芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)；當(dāng)該引腳為低電平時，芯片停止傳輸數(shù)據(jù)。

2.3 光照強(qiáng)度采集模塊

光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制作而成的一種感光元件，電阻增大當(dāng)光照強(qiáng)度增加時，電阻減小；當(dāng)光照強(qiáng)度減小時，電阻會由小變大，但仍然小于原來的阻值；當(dāng)無光照時，電阻會恢復(fù)到原來的阻值。

ADC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器擁有8 位的分辨率，同時其擁有256級的分辨率，能夠?qū)⒐饷綦娮璧墓饬炼饶M信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再將信號傳送到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，以此實(shí)現(xiàn)光敏電阻與單片機(jī)之間的連接與控制，AADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換器在閑置狀態(tài)時，CS 端為高電平，此時芯片呈現(xiàn)出禁用狀態(tài)。當(dāng)芯片開始使用時，CS 端為低電平狀態(tài)，此時芯片內(nèi)部開始啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，在時鐘脈沖信號的配合之下，DI 端負(fù)責(zé)接收模擬信號，將信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后由DO 端輸出。光照電路強(qiáng)度采集模塊由光敏電阻搭配ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)光控模式的功能，其電路圖如圖3 所示。

圖3 光照電路強(qiáng)度采集模塊電路

2.4 液晶顯示模塊

液晶顯示屏是一種體積小、重量輕、功耗低，用于顯示文本、圖形等的元器件，其良好的顯相體驗(yàn)和極長的使用壽命使得被廣泛應(yīng)用于各種智能設(shè)備[3]。

液晶顯示芯片的引腳3與電位器連接，屏幕顯示的對比度會隨著電位器阻值的改變而改變。引腳4與單片機(jī)的引腳P1.3相連接，用來做寄存器的選擇。引腳5 通過判斷輸入的電平高低執(zhí)行讀指令或者寫指令，因此與單片機(jī)的引腳P1.4 相連接。通過判斷使能信號端口的電平是否由高變?yōu)榈蛷亩x擇是否運(yùn)行，因此引腳6與單片機(jī)的引腳P1.5 相連接。引腳7-14 是液晶的數(shù)據(jù)/地址8 位總線，依次連接到單片機(jī)的P0.0 至P0.7端。

2.5 電機(jī)模塊

ULN2003 常用于小型電機(jī)驅(qū)動電路上，用于放大電路電流，使之與步進(jìn)電機(jī)所需要的驅(qū)動電壓相匹配[4]。ULN2003 芯片左邊是信號輸入引腳，右邊是信號放大輸出引腳。由于步進(jìn)電機(jī)有4 個驅(qū)動引腳，因此左邊需要接單片機(jī)的4 個輸出引腳，電機(jī)模塊如圖4 所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)模塊電路圖

2.6 遙控模塊

將紅外接收頭與單片機(jī)的引腳12 相連接，發(fā)送端為遙控器，負(fù)責(zé)讀取按鍵信息然后將信號發(fā)送到紅外接收頭。接收端為單片機(jī)與配套的紅外接組合成的接收模塊，負(fù)責(zé)濾波、放大和解調(diào)。其電路圖如圖5 所示。

圖5 紅外遙控模塊電路圖

2.7 按鍵輸入模塊

按鍵部分是實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動的最主要的部分，人們通常需要通過按鍵部分來操縱和調(diào)節(jié)產(chǎn)品的初始化，也在客戶使用的時候通過按鍵來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。在本次智能窗簾系統(tǒng)的設(shè)計中，一共有6 個按鍵，按鍵1-5 分別實(shí)現(xiàn)“切換模式”、“時間設(shè)置”、“閾值設(shè)置”、“加”、“減”等功能，按鍵6 為“電源開關(guān)”功能，按鍵輸入模塊電路圖如圖6 所示。

圖6 按鍵輸入模塊電路圖

3 軟件設(shè)計

本次智能窗簾的軟件部分使用Keil 作為編輯軟件，采用C語言作為編程語言進(jìn)行輔佐，以STC89C51 單片機(jī)作為主體控制器的同時，運(yùn)用多個模塊分別實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。整個設(shè)計圍繞著單片機(jī)最小系統(tǒng)展開，結(jié)合光敏電阻等外部傳感元器件，將環(huán)境因素的模擬信號轉(zhuǎn)換成可供單片機(jī)識別處理的數(shù)字信號，進(jìn)一步控制窗簾的開啟與關(guān)閉。

結(jié)束語

本設(shè)計以51 單片機(jī)為整個系統(tǒng)的控制中心，搭配可實(shí)現(xiàn)不同功能的外圍電路，通過增添時鐘模塊、光照強(qiáng)度采集模塊、按鍵模塊、遙控模塊等來采集用戶欲達(dá)到的目的，同時通過顯示模塊和電機(jī)模塊給予用戶最直觀的反饋。系統(tǒng)整體成本低、功能多樣、操作簡單、安裝便捷，在兼顧舒適性、安全性、高效性、智能性、便捷性、環(huán)保性和美觀性的同時，創(chuàng)造了前所未有的全新生活環(huán)境，人們對生活的追求已不再是以往的單一模式，而是走向更加數(shù)字化、智能化。在這樣的大背景下，智能窗簾的市場競爭力會越來強(qiáng)。