擬 “向日葵”感光式智能窗簾系統(tǒng)設計

熊建橋，薛 飆，馬 遠，吳在羅，丁 超

（南京工程學院 機械工程學院，江蘇 南京 211167）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，人們對室內設計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生活的追求。本設計通過感知光強度而改變百葉窗的透光度，能自動調節(jié)百葉窗旋轉角度和開合的系統(tǒng)。用一個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，聲控等功能，使窗簾的使用操作簡單化、智能化，人性化，給人們日常生活帶來極大的方便。這些都將改變人們傳統(tǒng)的生活方式，并提高了人們的生活質量。

1 總體設計

本系統(tǒng)主要由以STC89C52RC為控制核心，采用模塊化設計，以實現(xiàn)各個功能?？刂葡到y(tǒng)總框圖如圖1所示。

系統(tǒng)具有以下功能：①光控調節(jié)功能：當用戶無暇顧及窗簾的開合程度時可以打開光控調節(jié)功能，單片機會自動獲取信息，調節(jié)室內光照強度，使室內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定時工作功能：本功能中用戶可以預先設定窗簾的開啟或者關閉的時間，即使用戶不在也可以控制室內的照明情況，讓用戶一進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 硬件設計

控制系統(tǒng)的核心是STC89C52 單片機，是一種低電壓、高性能CMOS8位單片機。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，具有極高的性價比；低電壓、低功耗，具有很強的控制功能[1]。

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

輸入部分如圖2所示，由光電管采集外界光的光強，光電管的電阻隨著光的強度增加而減小，測量得到的電壓即隨之變化。AD 轉換器將電壓信號轉換為數(shù)字信號，由此可設定電機的正反轉與光強所對應數(shù)值范圍的關系。故此可根據(jù)太陽光照射的強度隨時控制百葉窗的開合角度，調節(jié)室內光照強度，使室內一直處于舒適的光照。AD 轉換電路選用ADC0804 芯片，它是一個8位單通道的A/D 轉換器，模數(shù)轉換時間大約100μs，方便的TTL 或CMOS 標準接口，可滿足差分電壓輸入；單電源工作時（0～5V）輸入信號電壓范圍是0～5V[2]。

定時工作電路由單片機的定時中斷來實現(xiàn)。通過紅外遙控功能設定定時時間，在數(shù)碼管上顯示，定時時間到，蜂鳴器報警，百葉窗合上。

紅外遙控電路：紅外接收二極管其實就是一種光電二極管，它的內阻由射入管內的光通量決定，無紅外光照時為幾兆歐，有紅外光照時僅為幾千歐姆。接收到的紅外信號轉換成的電信號非常微弱，所以這個信號必需通過放大器放大后才能用于對電路的控制。而這個放大器除了應有高的放大倍數(shù)外，還應該是低噪聲并具有對信號波的解調能力，濾除信號載波，只留下有用的調制信號。設計選用紅外接收頭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：①單一的接收器和前置放大器的組合；②靈敏度高；③內置濾波器；④抗干擾強；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。當接收到38kHz的紅外信號時，輸出端1 腳為低電平。當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，則輸出端1 腳為高電平。由于接收頭輸出的信號為標準的TTL 電平，因此，可以直接將接收到的信號送入單片機的接收端RXD 進行信號處理。

聲控電路可以檢測聲音強度，當聲音強度達不到設定閾值時，OUT 輸出高電平，當聲音強度超過設定閾值時，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)濟等優(yōu)點。測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內精度為±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。還可由程序設定9～12位的分辨率，使用方便[3]。DS18B20 是單線通信，單片機通過此線向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、步進電機驅動電及顯示電路幾部分組成。

系統(tǒng)中報警部分主要采用蜂鳴器報警，當定時時間到或溫度，聲音超過預定值時蜂鳴器就會報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

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

定時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，每個鎖存器具有獨立的D 型輸入，以及適用于面向總線的應用的三態(tài)輸出。所有鎖存器共用一個鎖存使能（LE）端和一個輸出使能（OE）端。當LE為高時，數(shù)據(jù)從P1 口輸入到鎖存器，在此條件下，鎖存器進入透明模式，也就是說，鎖存器的輸出狀態(tài)將會隨著對應的P1 口輸入每次的變化而改變。當LE為低時，鎖存器將存儲D 輸入上的信息一段就緒時間，直到LE的下降沿來臨。當OE為低時，8個鎖存器的內容可被正常輸出；當OE為高時，輸出進入高阻態(tài)。OE 端的操作不會影響鎖存器的狀態(tài)。數(shù)碼管采用的是兩個四位共陽極數(shù)碼管。

3 軟件設計

本設計在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。軟件程序設計要實現(xiàn)遙控、聲控、溫控、顯示、電機驅動調速等相應功能，實時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 調試

本設計首先在面包板上對主要模塊進行了實驗性調試，調試過程中遇到了線路接觸不良、程序設計不夠優(yōu)化等問題。經(jīng)過多次調試，最終排除了線路接觸問題，主要模塊能在面包板上按照設計順利運行。軟件程序設計經(jīng)多次修改，最終成功調試通過。試驗用窗簾及控制器如圖5所示。

5 結論

圖5 試驗用窗簾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)入射光強度調節(jié)窗簾的開合與旋轉角度，并且結合聲控，遙控，定時等功能，將來在感光元器件上還可結合太陽能電池板，為系統(tǒng)提供能源，從而自動調節(jié)室內透光度，平衡室內外溫差，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，彌補普通窗簾需手動操控的一些缺陷外，更重要的是還符合當前綠色低碳等環(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)等方面得到廣泛應用。

[1]熊建橋，趙方偉，李小龍.基于STC89C52 單片機的智能電風扇設計[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，1.

[2]郭天祥.新概念51 單片機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.單片機與數(shù)字溫度傳感器DS18B20的接口設計[J].計算機測量與控制，2007，4.

[4]彭軍.實用電子技術[M].科學出版社，2006.

[5]廖雷.C 語言程序設計基礎[M].高等教育出版社，2004.