張子龍，莫嘉琛，魏浩東，陳卓，雍振，高宏

（西安石油大學理學院，陜西西安，710065）

隨著人們對高質量生活的向往和追求，智能安防、智能控制、智能空氣質量檢測等一系列智能家居產品應運而生，而窗簾是生活中最常用的家居之一，其普及性決定了它必將成為家居智能化的先行軍。陳志棟等[1]基于CC1101進行了主從多個窗簾智能控制系統(tǒng)的設計，楊雅涵等[2]實現了帶有溫控光控功能智能窗簾的設計，孫浩文[3]基于Android系統(tǒng)進行了無線智能窗簾控制系統(tǒng)的設計，羅偉等[4]提出了基于微軟Kinect的體感控制智能窗簾系統(tǒng)，朱玉杰等[5]、連騰飛等[6]分別基于TRIZ理論和物聯網技術對智能汽車窗簾進行了設計。

本文主要針對家庭、賓館中廣泛使用的羅馬桿式窗簾，采用單片機STC89C52為控制芯片，選用DS1302模塊進行計時與定時工作，利用ZD-M42S驅動器驅動42步進電機實現窗簾智能控制系統(tǒng)的設計。完成的控制系統(tǒng)的功能包括：月日時分的實時顯示，窗簾的定時開啟和關閉，手動紅外遙控窗簾的開合，用戶自定義窗簾開合程度并一鍵到位，長時間不用下的低功耗睡眠模式等。

1 設計思路

針對家中的窗簾樣式和大眾對智能窗簾選購的關注因素對人群進行了調研，結果如圖1、圖2所示。

圖1 窗簾樣式調查圖

從圖1可以看出，家中的窗簾樣式是以羅馬桿窗簾為主，而圖2中可看出大家在選擇智能窗簾時主要關注的是價格，安裝方便和操作方便。本文針對羅馬桿式窗簾并結合用戶需求，完成了相應的硬件及軟件設計。

圖2 窗簾購買考慮因素調查圖

1.1 傳動設計

圖3 為窗簾傳動系統(tǒng)（窗簾機）的結構示意圖。窗簾采用同步齒形帶傳動，通過安裝窗簾機在用戶的羅馬桿上，將窗簾一端與同步帶進行連接來實現開關窗簾的目的，從而解決市面上大部分智能窗簾需要拆除用戶原有導軌或羅馬桿的問題。同步帶兼有齒輪傳動、鏈傳動和平帶傳動的各種特性和優(yōu)點，使窗簾的可靠性得到很大提升。配合同步輪使用時主要靠嚙合傳動，傳送比可達10，工作時無相對滑動，傳動效率可達0.98，節(jié)能效果好，且傳動平穩(wěn)，能吸收一定的振動，因此噪聲相對較小。所使用的PU同步帶具有一定彈性，過載時會打滑，故在系統(tǒng)異常時可保護系統(tǒng)和窗簾，減輕其受到的損傷。在系統(tǒng)一端設計有同步帶張緊器，另一端安裝有42步進電機，控制同步帶的雙向傳動。同步帶的長度可以根據窗戶的大小由用戶自行裁剪，裁剪完畢后穿過同步帶張緊器和電機上的同步輪，并使用POM卡扣對開口同步帶進行連接，最后再使用張緊器使同步帶繃緊，避免正常工作時打滑。這樣的設計結構簡單，有效減低同步帶安裝難度，也可以滿足不同用戶的需求，為用戶個性化設計帶來便捷，使拆卸維護更方便，維護成本更低。且可使用戶體驗到DIY的樂趣。

圖3 窗簾的系統(tǒng)結構示意圖

1.2 電路設計

單片機主控系統(tǒng)按模塊化進行設計，包括電源模塊、主控模塊、時鐘模塊、時間顯示模塊、電機驅動模塊和紅外遙控模塊。

（1）電源模塊采用12V鋰電池作為電機及單片機的供電電源，輔以太陽能板增加續(xù)航。電池與單片機之間通過DC-DC可調降壓模塊進行降壓處理。

（2）主控模塊采用STC89C52芯片，含有8k bytes的能夠重復進行擦寫的Flash只讀程序存儲器，同時擁有256位的RAM，其內部有通用8位中央處理器和Flash存儲單元[5]。支持2種軟件開發(fā)，可選擇節(jié)電模式。

（3）時鐘模塊采用DS1302芯片，DS1302實時時鐘具有對秒、分、時、日、月、年進行計算的功能，可進行閏年調整。通過三線接口與CPU同步通信，可進行單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送兩種數據傳送方式。DS1302有著眾多寄存器，同時還擁有一些 RAM 單元，在需要的時候這些RAM單元可以擴展使用，以增強DS1302的相關功能[6]。本設計時鐘模塊采用此芯片的作用在于實現計時與定時功能，同時在共陰數碼管中實時顯示時間。DS1302的VCC接+5V電源，引腳SCLK、I/O、CE分別接STC89C52的P3口，如圖4所示。

圖4 DS1302與單片機接口電路

（4）時間顯示模塊采用74HC245外部驅動芯片驅動2個四位一體共陰數碼管，只需單片機3個I/O口就可以實現8個位選管腳的控制，節(jié)省芯片的I/O資源。本設計使用P0口控制數碼管段選，使用P22、P23、P24管腳控制74HC138譯碼器輸入從而控制數碼管位選,如圖5所示。考慮到用戶實際應用，本設計選用共陰數碼管進行時間、定時等數據的實時顯示，數碼管顯示相較于LCD液晶屏顯示成本更低，數據顯示清晰直觀。

圖5 74HC245與單片機接口電路

（5）控制窗簾的電機采用的是42步進電機，輸入電流為1.5A。由于42步進電機的步距角為1.8°±0.09°，電機能精確運行到指定位置。且42步進電機保持的轉矩為48N·cm，能提供足夠的扭矩帶動一般用戶窗簾的開合，滿足本設計對電機的要求。電機驅動模塊采用的是型號為ZDM42S的電機驅動器。該電機驅動輸出電流可在0A-1.8A內調節(jié)，滿足電機運行的條件，高集成度，高可靠性，減少了智能窗簾的體積，并保證智能窗簾的安全性。驅動器可供細分的脈沖能調節(jié)電機轉速，使之達到合適的速度。

（6）紅外遙控模塊由紅外發(fā)射裝置和紅外接收裝置組成，本設計采用紅外接收頭HS0038作為紅外接收裝置。如圖6所示，紅外接收頭的輸出管腳接至單片機P32管腳。紅外遙控是一種非接觸、無線控制技術，信息傳輸可靠，功耗低，成本低。

圖6 HS0038與單片機接口電路

系統(tǒng)中紅外遙控的作用是實現用戶遠程控制窗簾，智能窗簾控制系統(tǒng)設計的按鍵功能如表1所示。

表1 紅外遙控器按鍵功能

2 軟件設計

程序主要功能可分為三個部分：

（1）用戶自定義。用戶自定義主要實現了兩個功能。一是智能窗簾的位置自定義。用戶通過紅外遙控按鍵控制窗簾到達自定義位置并進行記錄，此后自定義按鍵后，即可一鍵控制窗簾到達該位置。二是用戶自定義智能窗簾的休眠。當用戶不在家且又有需求智能窗簾操作（定時開或關窗簾）時，可設置控制系統(tǒng)進入休眠模式，以節(jié)省電能。

（2）紅外遙控功能。通過紅外遙控器來手動控制窗簾的開合、對時鐘進行校準及進行用戶自定義的設置。

（3）實時時鐘功能。時鐘模塊部分采用的是DS1302芯片，在DS1302初始化后，可調用時鐘數據處理函數來讀取時鐘數據，然后取出各位對應的數碼管段碼數據保存到數組中，最后將處理好的時間進行顯示。

軟件開發(fā)基于Keil軟件，采用C語言編寫。程序總體可分為三部分：

（1）主程序構成一個循環(huán)。主程序最開始進行程序的頭文件、I/O端口、變量以及外部中斷0、1和定時器中斷0、1初始化，然后根據用戶家庭窗簾需要，在單片機內部程序中設定智能窗簾的參數（包括適合用戶的窗簾電機轉速），通過用戶確定智能窗簾的初始位置，如左端或右端。初始化完成后，程序進入循環(huán)等待并顯示實時時間，如到達設定時間，則執(zhí)行定時操作，打開或關閉窗簾，操作結束后再次進入循環(huán)等待。具體流程如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

圖8 外部中斷0流程圖

圖9 外部中斷1服務程序圖

（2）紅外按鍵按下后會進入外部中斷0服務程序。進入外部中斷0后，首先會判斷當前是否為休眠模式，如果是，則喚醒。再判斷是否接收到了正確的紅外信號，在接收到正確的紅外信號后，會對應三種情況：一是電機的控制，包括正轉、反轉及停止；二是定時設置，即設置定時部分中的時間參數；三是用戶自定義，完成自定義窗簾位置的設置、一鍵窗簾到達自定義位置和進入休眠模式。外部中斷0的程序流程如圖8所示。

（3）當窗簾到達端點時會觸發(fā)中斷服務程序1。外部中斷1服務程序的主要目的是當電機到達端點時，通過限位開關提供反饋信號然后停止電機轉到，防止硬件損壞。其具體流程如圖9所示。

3 結論

本智能窗簾控制系統(tǒng)的設計采用STC89C52單片機為核心控制元件，并集定時、遙控控制于一體。為保護電機，特別對窗簾的極限位置通過限位開關來進行標定，大大提高了系統(tǒng)的可靠性與安全性。系統(tǒng)實現的主要功能如下：①具有定時功能，根據用戶設置時間自動開合窗簾或休眠；②具有時間顯示功能；③具有用戶自定義功能，此功能是用戶根據需要通過調整步進電機驅動時間調整窗簾位置，實現窗簾半開或到達用戶設定位置；④采用鋰電池供電，輔以太陽能板增加續(xù)航；⑤通過紅外遙控器實現窗簾的實時開合。