基于单片机的窗帘自动控制系统的设计.doc

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1、基于单片机的窗帘自动控制系统的设计 基于单片机的窗帘自动控制系统设计 摘 要 单片机是现代自动控制系统的核心器件之一，一直广泛应用在各种自动化，智 能化仪器设备上，已成为当代科技领域的有力工具，人们生活的得力助手。 本课题所设计的基于单片机的窗帘自动控制系统，主要实现的功能是实现窗帘 根据光照强度,自动拉开与闭和的功能. 即早上光照强度达到一定数值时,窗帘自 动拉开; 晚上,当光照度低于一定数值时,窗帘自动闭合；另外本设计中还设计了手 动开关功能,可通过控制按钮自行控制窗帘的拉开和闭合；以及当晚上家中无人时, 窗子可自动开关外，还会定时点亮一盏电灯,以保证安全。 本设计的特点就是结构简洁、低功

2、耗、功能稳定、价格低廉、抗干扰能力强的 自动窗帘，非常人性化，且分非常宜于家庭使用。 而且对系统的硬件和软件作了详细的介绍,硬件采用 8051 单片机作为控制芯 片,由AD0809采集信号,步进电机作为控制机构；采运用protel绘图软件绘制原理 电路图，采用单片机汇编语言进行编程。 整个过程为：光敏电阻作为检测装置，检测信号经电桥路放大，送给A/D0809， 经模数转换后，送至单片机，单片机通过汇编语言控制步进电机的正反转，最终实 现窗帘的自动控制。 关键词：自动窗帘,控制系统，单片机 I 基于单片机的窗帘自动控制系统设计 Abstract SCM is the core of modern

3、 automatic control system of the device ，and it Has been widely used in various automation, intelligent devices, has become a contemporary science and technology a powerful tool for scientific and technological areas, people living on the run along. Automatic control system is one of the SCMs typica

4、l applications，The topic- The design of the curtain on SCMs automatic control system will realize the function of achieving curtains under the light intensity, automatically opened and closed 。when light intensity reached a certain values in The morning, Curtain opened automatic ;At night, when ligh

5、t falls below a certain degree of values, Curtain automatically closed. In addition, The design also features the design of the manual switch, The control buttons to control the curtains opened and customs. The design features of the structure is simple, low-power, feature stability, low prices, the

6、 strong anti-interference capability of automatic curtains, very human , and very appropriate for home use. And also for the hardware and software systems in detail, Hardware used as a control chip microcontroller 8051, Acquisition signals from AD0809,as a stepping motor control agencies. Protel-use

7、 mapping software mapping principle circuit, Using SCM assembly language programming, The whole process ：Photosensitive resistance testing optical signal ，Signal bridge circuit to enlarge ，gave A/D0809, with analog-digital conversion, sent to the microcontroller, SCM through assembly language positi

8、ve and the stepper motor control 。The ultimate realization of automatic control curtain. Keywords ：Auto Curtain, ，Automatic Control System ，Single-Chip Microcomputer II 基于单片机的窗帘自动控制系统设计 目 录 第一章 绪论 1 1.1 课题背景 1 1.2 研究意义 3 1.3 研究内容和方法 3 1.4 方案选择 4 1.5 本章小节 7 第二章 系统硬件电路构成 8 2.1 自动控制和自动控制系统8 2.2 8051 单片

9、机10 2.3 数据采集-A/D 转换器 13 AD0809 工作原理 14 ADC0809A/D 转换器芯片 15 AD0809 与 8051 接口 18 2.4 步进电机驱动系统 19 步进电机20 步进电机的分类20 三相反应式步进电机21 步进电机的运转速度23 单片机控制步进电机的硬件设计23 2.5 光电隔离电路 24 2.6 其他芯片及电路 26 74LS373 芯片 26 74LS74 芯片27 光控电路28 电源电路29 电灯及其它电路29 2.7 本章小节 30 第三章 PROTEL 软件开发平台32 III 基于单片机的窗帘自动控制系统设计 3.1 PROTEL 软件简介

10、32 protel99 组成 32 protel99 的主要特性 33 3.2 系统原理图 34 3.3 本章小节 34 第四章 系统软件设计36 4.1 系统流程图36 4.2 程序 37 参考文献 39 致谢 41 附录电路原理图 42 附录窗帘框架图 43 声明 44 IV 基于单片机的窗帘自动控制系统的设计 第一章 绪论 1.1 课题背景 智能控制的思想最早来自傅京孙教授,他通过人-机控制器和机器人方面的研 究,首先提出把人工智能的直觉推理方法用于学习控制系统,将智能控制概括为自动 控制和人工智能的结合。他认为低层次控制中用常规的基本控制器,而在高层次的 智能决策,应具有拟人化动能。J

11、?M?Mendel教授进一步在空间飞行器的学习控制中应 用了人工智能技术,并提出了“人工智能控制”的概念。1967年,Leondes和Mendel 首次正式使用“智能控制”一词。从70年代开始傅京孙、Glorioso 和Saridi 等人从 控制理论的角度总结了人工智能技术与自适应、自学习和自组织控制的关系,正式 提出了建立智能控制理论的构想。1985年8月在美国纽约PRI ?IEEE召开的智能控 制专题讨论会,标志着智能控制作为一个新的学科分支正式被控制界公认。1987年 开始,每年都举行一次智能控制国际研讨会,形成了智能控制的研究热潮1 。 智能控制系统应具有下述功能特点: 1 联想记忆和

12、学习能力。系统具有对一个过程或未知环境所提供的信息进行识 别记忆、学习并利用积累的经验进一步改善系统的性能和能力。 2 动态自适应能力。系统具有对外界环境变化及不确定性的出现修正或重构自 身结构和参数的能力。 3 组织协调能力。对于复杂任务和分散的传感信息具有自组织和协调能力,使系 统具有主动性和灵活性。 智能控制具有广泛的应用领域,主要应用领域如下: 1 智能过程规划与控制。工业上许多重要的生产环节或生产过程 如工业窑炉和 金属或非金属加工过程、化工和热工过程等 都可采用智能化技术进行设计和技术 改造,实现智能过程规划与过程控制, 以保证生产过程的高性能运行,提高产品质量、 产量和效益,并减

13、轻劳动强度和节约能源。可以考虑采用传统数学模型和基于知识 的混合方法进行建模和控制。 2 恶劣工况下的智能化机器人。对高级机器人的控制,无疑要用到智能控制技 术。例如,太空机器人、水下机器人和行走机器人等,往往需要采用自主或交互控制 制导技术以及传感技术等。这些应用研究已成为许多国家高技术研究的重要课题。 1 基于单片机的窗帘自动控制系统的设计 即使是工业机器人,也有必要引用智能控制技术。许多工业生产是在高温、高粉尘、 有毒和危险等恶劣有害环境下进行的,有损工作人员健康,不利于提高劳动生产率和 扩大生产。为了进行劳动保护和彻底解决生产力,除了实现其它形式的自动化之外, 采用智能化机器人代替工人

14、操作,是切实可行的途径。 3 专家咨询和专家控制系统。为工业生产建立专家咨询系统是走向高级自动化 的重要步骤,它能够在生产环节间建立人-机交互管理与控制,进行控制方案和参数 的优化决策。 4 人工神经网络和模式识别系统。基于 ANN 的控制是个崭新的开发和应用研 究领域, 已获应用的有机器人控制、飞行着陆控制和工业过程控制等。 5 设备或系统故障自动检测与诊断。传统的故障检测与诊断都是以数学模型为 基础的,而智能故障诊断系统却是以定性模型 即知识 为基础的。智能故障检测与诊 断系统由故障模式库,推理机构、人机接口和数据库等部分组成。 6 智能仪器。比较高级的智能仪器具有多功能、高性能、自动操作

15、、对外接口、 “硬件软化”和自动测试与自动诊断等功能。现有智能仪器的“智能”仍然较低。 通常所说的智能仪器实际上是一种智能化数字控制器,其功能取决于设计者和操作 者的知识与经验。 7 其它应用。包括航天器的姿态控制、飞机的飞行和着陆控制、空中交通控制、 登月车的自主制导、汽车自动驾驶控制、机械手和机器人作业控制、柔性加工系统 控制、医疗诊断以及电力系统运行控制等。 综上所述,智能控制的应用领域比传统控制更为广泛。自动控制面临严峻问题 与挑战,又存在良好发展机遇。为了解决面临的难题,一方面要推进控制硬件、软件 和智能的结合,实现控制系统的智能化;另一方面要实现自动控制科学与计算机科 学、信息科学

16、、系统科学以及人工智能的结合,为自动控制提供新思想,新方法和新 技术,创立边缘交叉新学科,推动智能控制的发展。 智能控制代表了自动控制的最新发展阶段,也是应用计算机模拟人类智能,实现 人类脑力劳动和体力劳动自动化的一个重要领域。智能控制象征着自动化的未来, 是自动控制科学发展道路上的又一次飞跃。 近年来，我国自动控制事业得到蓬勃发展，广泛的应用在工农业中，大大提高 了生产效率，降低了劳动强度，改善了人们的工作条件，提高了人们的生活水平。 自动控制在生活中的应用也越来越多，随着科学技术的发展和人民生活水平的日益 2 基于单片机的窗帘自动控制系统的设计 提高，家用电器正朝着智能化方向发展。许多适合

17、日常生活自动控制的产品不断被 开发，大大提高了人们的生活质量。 2 人们生活质量的提高 ，对智能化家庭设备的需求及要求也越来越高，传统的 窗帘必须手动去开关, 特别是别墅、高档写字楼、展览馆、大型会议室的窗帘多、 长、重, 需要很大的力才能开关窗帘, 特别不方便。很大程度上增大了人们的工作 负担,大大降低了工作效率. 1.2 研究意义 本课题打算从方便，简洁，自动化这一角度出发,.设计一种窗帘自控系统,实现 窗帘的自动化，智能化,减轻人们的工作负担，提高工作效率,减少劳动力的使用。 它的功能：早上光照强度达到一定数值时,窗帘自动拉开; 晚上,当光照度低于一定 数值时,窗帘自动闭合.而且在光照强

18、度不足以使窗帘动作时，人们可以自行按下按 扭,控制窗帘的拉开与关闭,而无需人工操作非常方便，适宜家庭使用。 1.3 研究内容和方法 本课题的基本内容是，利用单片机作为控制器，对窗帘的开合进行自动控制， 利用光敏元件作为传感器，最终实现；当晚上天气变暗时，光敏传感器能够感知， 通过单片机控制，实现窗帘自动拉上；而早上天气变亮时，光敏传感器也能够感知， 通过单片机进行控制，实现窗帘自动拉开。 由本课题的题目-单片机的窗帘自动控制系统可知,这是一个基于单片机的检测 控制系统,是以单片机为核心的系统,首先要知道这个系统是开环还是闭环系统，都 由那些部分组成.在这个检测控制系统中可能会涉及到了的主要有,

19、光传感器,A/D 转 换,D/A 转换, 电机驱动电路或电机驱动器, 电动机和执行机构组成部分. 本设计分为以下几个步骤完成： （1） 调研、查找有单片机自动控制和自动窗帘方面的资料； （2 ） 写开题报告和翻译外文文献 （3 ） 设计单片机的窗帘自动控制系统的硬件原理图； （4 ） 用PROTEL 软件绘制其原理图,绘制装配图； （5 ） 进行软件编程. 3 基于单片机的窗帘自动控制系统的设计 1.4 方案选择 经研究分析，设计者为本系统初步设计了三种方案供选择： 智能型 3 这种系统就是一台智能化遥控窗帘系统 。它的主要功能为: 1 红外遥控:通过红外遥控器对窗帘的拉开或关闭等进行控制。

20、2 自动控制:当家中多日无人时,可将系统设置成自动状态,控制系统自动监测 白天和晚上,晚上窗帘自动关闭,并将指示灯点亮一段时间, 白天窗帘自动拉开,表示 家中有人。 3 手控:当遥控器没电或失灵时,可通过控制按钮来控制窗帘的开和关。 4 有自动检测窗帘开关到位的功能。 该窗帘控制器的 CPU 采用 AT89C2051 单片机,执行机构由电机驱动电路和一 台可逆、变速电动机控制窗帘的拉开和关闭。检测机构由光敏二极管和一些附属电 路组成。通信机构由红外发射器 6122 、红外接收器HS3008 等组成。采用红外遥 控方式、自动控制方式和手动方式。采用自动控制是为了方便家人长时间外出时实 现全自动控

21、制方式。遥控距离可达 8m9m 。另一种控制方式为手动控制方式，通 过开关来控制拉开与关闭。 电源部分由变压器、整流器、滤波电路和稳压电路等组成 。 电路分为5 部分,分别是电源部分、红外线接收部分、光控电路测光部分、电 机控制执行部分、单片机主控部分。 实用型 4 这个方案 ，不仅能够感受光线自动开启、闭合，而且能用手控制开启闭合。 实现方法：感光器通过电线与控制盒相连，控制盒通过电线与限位开关相连，相位 开关通过电线与导线机相连，导线机通过牵引绳与滑轮相连，开关撞子固定在牵引 绳上，窗帘夹在牵引绳上。 早晨，光线强，感光器输出光电流，使控制盒里的两条电线接通，导线机正转， 牵引绳跟着转动，

22、窗帘开启，当完全开启时，开关撞子碰到限位开关，电路开关， 导线机停止转动；晚上，光线暗，感光器显示很大电阻，使控制盒的另两条电线接 通，导线机反转，牵引绳也反方向转动，窗帘闭合时，开关撞子碰到限位开关，电 4 基于单片机的窗帘自动控制系统的设计 路断开，导线机停止转动，当要提前开启窗帘时，可使感光器提前感光；当要提前 闭合窗帘时，可使感光器显示很大电阻。图1-1为窗帘的简图。; 1-感光器;2-电线;3-控制盒;4-限位开关;5-导线机;6-牵引线;7-滑轮;8-开关撞子;9-窗帘 夹;10-窗帘 图1-1 光控手动窗帘简图 简易型 5 这种简易型设计 ，是提供一种控制窗帘的手摇式驱动器，可由

23、摇动方向控制 遮蔽状态的窗帘，操作时，使用者施力的方向符合人体工学，可使使用者较为顺应 身体的施力方向，可是操作上较为顺手。 这个窗帘主要提供一种控制窗帘的手摇式驱动器，窗帘包含由一设于上横框的 连动装置，与一个可带动该装置以改变窗帘遮蔽状态的垂杆；该驱动器平时与该窗 帘分离，使用时，以设于基体的旋转杆与垂杆同轴嵌接。使用者一手握住驱动器的 基体，并使设于该基体的一旋转件同轴地嵌接于悬垂再窗帘上横框其中一端底侧的 5 基于单片机的窗帘自动控制系统的设计 一垂杆底端，接着，操作者以另一只手握住设于该基体侧边的摇转把，进行摇转； 并由设在该基体内的一传动机构传递动力，该旋转件可受到摇转把的带动而原

24、地旋 转，使得该垂杆随该旋转件沿自身轴向转动，而引动其顶端所接的设在该上横框的 一连动装置，该连动装置再带动设在该上横框底侧的活动帘组，令该活动帘组改变 遮蔽窗户的状态。图 1-2 为窗帘的简图。图中,. 10-窗帘;11-上横框;12-下横框;13-活动帘组;14-升降连动装置;15-倾斜连动装置;21-垂 杆;22-倾斜控制垂杆;30-驱动器 ;131- 叶片;141-升降连动杆;151-倾斜连动杆;152-绳;211- 可弹性伸缩的颗粒 图 1-2 摇杆式窗帘简图 6 基于单片机的窗帘自动控制系统的设计 本设计是基于第二种方案进行改进而来，虽然此方案功能不够强大，但是基本 满足要求，具有

25、一定的实用性。而且系统易于扩展，在将来时间成熟后，也可进一 步完善改进。 所以，本设计实现的主要功能有：光控和手动按钮控制两种。其设计主要框图 如图 1-3 所示，具体元器件的选择将在第三章做具体的论述。 光 光 放 A 电 驱 步 执 传 大 / 单 隔 动 进 行 窗 感 电 D 片 离 电 电 机 帘 器 路 转 机 电 路 机 构 换 路 图 1-3 单片机窗帘自动控制系统总体设计框图 1.5 本章小节 针对本次设计的任务情况，本章从任务需要出发，阐述了此次设计的课题背景， 方便我们了解自动控制系统；同时也对此项研究的意义和研究方法作了描述；对方 案的选择也作了较为详细的介绍，提出了设

26、计的方法，以便顺利地进行此次设计任 务。 7 基于单片机的窗帘自动控制系统的设计 第二章 系统硬件电路构成 2.1 自动控制和自动控制系统 6 自动控制（automatic control ） ，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加 的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的 规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参与的情况下，利 用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。自动控制技术的研究有利于 将人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率. 自动控制系统（automatic control systems ）是指在无

27、人直接参与下可使生产过 程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。自动控制系统是实现自动化 的主要手段。按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。 开环系统 在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都 比较差。开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序 控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、 物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。 闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系 统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。如果系 统的

28、输出端与输入端之间不存在反馈，也就是控制系统的输出量不对系统的控制产 生任何影响，这样的系统称开环（loop control system ）。如图2-1 所示. 输入 输出 控制器 过程或对象 图2-1 开环系统框图 控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输入量进行比较 的过程，就是反馈。系统的控制输入不受输出影响的控制系统。在开环控制系统中， 不存在由输出端到输入端的反馈通路（见图 2-2 ）。因此，开环控制系统又称为无反 8 基于单片机的窗帘自动控制系统的设计 馈控制系统。开环控制系统由控制器与被控对象组成。控制器通常具有功率放大的 功能。同闭环控制系统相比，开环控制系统

29、的结构要简单得多，同时也比较经济。 闭环系统 由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统 （closed-loop control system ）。 基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的 信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏 差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通 路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此， 反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系 统多数是反馈控制系统。在工程上常把在运行中使输出量和期望

30、值保持一致的反馈 控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统 称为伺服系统或随动系统。 图2-2 闭环反馈系统 控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成（见图 2-2 ）。图中带叉号的圆圈 为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中可能 与控制器一起统称为调节器。以炉温控制为例，受控对象为炉子；输出变量为实际 的炉子温度;输入变量为给定常值温度,一般用电压表示。炉温用热电偶测量，代表 炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应 的执行机构进行控制。 闭环系通常适用与抗干扰能力强的系统，由于本设计只是普通的应用

31、，对抗干 扰能力不要求，所以采用开环控制系统，而且该系统性能稳定、结构简单、控制、 9 基于单片机的窗帘自动控制系统的设计 使用方便，成本较低，精度满足一般的设计要求。 2.2 8051 单片机 MCS-51 单片机简介 硬件设计时，首先要选择系统所使用的内部微机。本系统考虑选择Intel公司生 7 产的MCS51 系列 ，因为它们具有以下优点： 硬件结构简单：MCS51 本身具有 1632 位 I/O 线、两个 16 位定时器计 数器，还有一个全双工串行口，这样在使用 MCS51 后，将大大简化仪器仪表的 硬件结构，降低仪器造价。而且，MCS51 单片机可于 Intel 公司生产的各种接口

32、芯片直接接口，系统扩充方便、容易，接口逻辑电路也十分简单。 运算速度高：MCS51 的时钟可达 12MHz，大多数运算指令执行时间仅为 1s，并具有硬件乘除法指令，运算速度高。 控制功能强：MCS51 具有布尔处理功能，包括一整套位处理指令、位控 制转移指令和位控制 I/O 功能。 8051 芯片引脚及其功能 80518是MCS51 系列的高档 8 位单片机。在一小块芯片上，集成了一个微型 计算机的各个组成部分，每一片单片机包括： 一个 8 位的微处理器 CPU 。 片内数据存储器 RAM （128B），用以存放可以读/写的数据，如运算的中间 结果、最终结果以及欲显示的数据等。 片内程序存储器 ROM （4KB ），用以存放程序、一些原始数据和表格。 四个 8 位并行 I/O （输入/输出）接口 P0P3 ，每个口可以用于输入，也可 以用于输出。 两个定时/计数器，每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事 件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控 制。 五个中断源的中断控制系统。 一个全双工 UART （通用异步接收发送器）的串行I/O 口，可实现单片机 与单片机或其他微机之间串行通