基于單片機(jī)智能可遙控可感光窗簾的設(shè)計(jì)研究

葛水兵

摘 要

自動(dòng)化、智能化的家居設(shè)計(jì)是未來主要的科技發(fā)展方向，為此，本文將針對(duì)智能可遙控可感光窗簾的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，該研究主要是使用單片機(jī)為控制硬件，代碼的編寫語言使用C語言編寫軟件程序，CPU采用STC89C52，窗簾的自動(dòng)化模塊包括操作用鍵盤、顯示電路、紅外線遙控、光敏電阻和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。該智能窗簾設(shè)計(jì)有定時(shí)開閉和遙控開閉的功能，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和光線的感應(yīng)和自我報(bào)警作用。

關(guān)鍵詞

單片機(jī);感光窗簾;自動(dòng)開閉

中圖分類號(hào)： E06B9/36 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 32

智能化家居被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代下主要的家居科技發(fā)展方向，AI專家譚茗洲將智能化家居定義為自動(dòng)化、方便化的家居設(shè)計(jì)，智能化家居的設(shè)計(jì)理念應(yīng)當(dāng)遵循便捷、高效的設(shè)計(jì)原則。因此在智能窗簾的設(shè)計(jì)中，如何實(shí)現(xiàn)窗簾對(duì)光和紅外線的感知，做到自動(dòng)開閉，測(cè)量溫度，并能起到預(yù)警效果就是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)思路

智能化的可遙控可感光窗簾應(yīng)當(dāng)具備感知性，可以根據(jù)環(huán)境亮度和紅外線信號(hào)進(jìn)行定時(shí)和自動(dòng)的開閉。因此，可遙控可感光窗簾需要設(shè)置光敏二極管，該部件會(huì)根據(jù)環(huán)境亮度來控制窗簾的單片機(jī)輸出電平。而單片機(jī)則負(fù)責(zé)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)環(huán)境光度達(dá)到預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，光敏二極管和電路會(huì)控制窗簾的單片機(jī)輸出電平，以此來控制步進(jìn)電機(jī)，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，窗簾便會(huì)開閉，而使用者則根據(jù)自己的需要在程序中輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)值來決定窗簾的開閉時(shí)間和開閉幅度[1]。

基于以上設(shè)計(jì)思路，可遙控可感光窗簾的組件至少要包含光照采集電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，前者負(fù)責(zé)和光敏二極管向單片機(jī)輸出電平，后者負(fù)責(zé)將數(shù)模轉(zhuǎn)換，單片機(jī)系統(tǒng)以C語言編寫常量鏈表，以sqlite作為數(shù)據(jù)庫(kù)，控制臺(tái)需要設(shè)計(jì)按鍵部分和液晶LCD顯示部分，以供操作者進(jìn)行簡(jiǎn)便的數(shù)值設(shè)定。

除控制和執(zhí)行開閉行為的系統(tǒng)和組件外，窗簾還需要加裝蜂鳴器和時(shí)鐘，蜂鳴器是作為執(zhí)行報(bào)警工作的模塊，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)可以起到及時(shí)提醒家居使用者的效果，時(shí)鐘則是根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)間進(jìn)行聲音提醒，并在使用者默許或者不更改開閉操作的情況下執(zhí)行開閉行為。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件分析與設(shè)計(jì)

硬件的選擇包括單片機(jī)的選型、時(shí)鐘模塊電路、溫度采集模塊電路、按鍵模塊電路、液晶顯示電路、光敏傳感電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路、蜂鳴器報(bào)警電路和紅外線電路。

考慮到該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的是盡可能執(zhí)行更多的智能化指令和操作，因此單片機(jī)的選擇標(biāo)準(zhǔn)必須包括數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大、兼容性高、能快速處理多重?cái)?shù)據(jù)運(yùn)算、指令下達(dá)快捷等，基于以上這些要求，該設(shè)計(jì)決定選用STC89C52RC單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的主控制CPU，該款CPU的位操作指令非常強(qiáng)大，界端口開放性好，I/O端口都能用位尋址，程序空間的容量高達(dá)8K，在處理各類操作指令時(shí)，能進(jìn)行高效化的復(fù)雜運(yùn)算，滿足窗簾的及時(shí)開閉[2]。

窗簾的時(shí)鐘模塊電路要基于智能化、自動(dòng)化進(jìn)行選擇，時(shí)鐘不能僅僅只是時(shí)間播報(bào)，還必須要讓使用者具備自定義性，可以自己調(diào)節(jié)時(shí)間，故設(shè)計(jì)選用的時(shí)鐘芯片為DS1302，該芯片的特點(diǎn)是其可操作性高，自定義范圍廣，使用者對(duì)時(shí)間掌握有任意設(shè)置和修改的權(quán)力，同時(shí)該芯片也能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和備份，方便用戶查詢。

溫度采集模塊電路的選擇要求較少，以溫度誤差為標(biāo)準(zhǔn)，誤差越少的溫度芯片越適合做窗簾的溫度采集電路，設(shè)計(jì)使用的數(shù)字溫度芯片是DS18B20。這款芯片的優(yōu)點(diǎn)是能保障0～100℃上的誤差微弱，該芯片的接口只有三個(gè)引腳，分別是兩根電源正負(fù)極線，一條數(shù)據(jù)線。

按鍵模塊電路是鏈接系統(tǒng)和操作界面的模塊，其標(biāo)準(zhǔn)為對(duì)指令的傳輸和反應(yīng)程度，能縮小用戶操作指令和系統(tǒng)開閉執(zhí)行反應(yīng)的按鍵模塊即為最佳選擇，設(shè)計(jì)中采用的是獨(dú)立鍵盤式，所用的鍵盤是直接掃描法，這樣設(shè)計(jì)的好處是指令的接受和反應(yīng)時(shí)間快，指令精確率高，誤差性小。

液晶顯示電路的主要作用是操作界面顯示，電源電壓限制在5伏及之下，界面的顯示內(nèi)容要全面，包括現(xiàn)在時(shí)間、環(huán)境光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度，以及使用者進(jìn)行指令操作時(shí)的遙控和自動(dòng)兩種操作模式的顯示。本設(shè)計(jì)中使用的液晶顯示模塊是分辨率較高的LCD1602，該液晶模塊的界面顯示清晰，能幫助使用者較好的選擇對(duì)應(yīng)操作指令[3]。

光敏傳感電路的作用是根據(jù)光照的強(qiáng)弱控制窗簾的開和關(guān)，也就是實(shí)現(xiàn)窗簾感光功能的主要模塊，光敏傳感電路需要具備光線采集功能，可以根據(jù)光線的變化對(duì)電阻的阻值執(zhí)行改變指令。本設(shè)計(jì)使用光敏電阻進(jìn)行光線采集工作，并通過ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片傳輸給單片機(jī)，最終的處理結(jié)果通過液晶顯示屏進(jìn)行顯示。

步進(jìn)電機(jī)控制電路是控制窗簾開關(guān)幅度的模塊，它的原理來自對(duì)單片機(jī)脈沖的感應(yīng)，單片機(jī)發(fā)送脈沖到步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電在接受脈沖后便自動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)脈沖數(shù)，電機(jī)將決定轉(zhuǎn)角幅度，脈沖數(shù)越高，旋轉(zhuǎn)角度越大，最終根據(jù)脈沖數(shù)來決定窗簾的全開全閉或者半開半閉。

蜂鳴器報(bào)警電路用作系統(tǒng)報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常運(yùn)作情況時(shí)，便出聲報(bào)警，以提醒使用者系統(tǒng)問題，該設(shè)計(jì)采用PNP型S8550三極管驅(qū)動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)的連接基極端子輸出低電平時(shí)，三極管的發(fā)射和集電分別結(jié)正偏和反偏，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器便會(huì)響起，直到輸出高電平時(shí)，三極管截止，此時(shí)蜂鳴器才會(huì)停止警報(bào)[4]。

紅外線電路負(fù)責(zé)信號(hào)的放大、選頻和解調(diào)，該硬件也是實(shí)現(xiàn)窗簾遙控開閉的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)中使用的芯片為RPM- 638，該芯片可以將輸入的被調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為原始信號(hào)在輸出端直接輸出，這樣系統(tǒng)的靈敏度和抗干擾性都能得到極大的加強(qiáng)，對(duì)于系統(tǒng)順利接收紅外信號(hào)能起到良好的保障。

3 系統(tǒng)軟件分析與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)將決定窗簾的智能化程度，所以其程序中包含的子程序要盡量豐富且完善，根據(jù)預(yù)想的窗簾智能化效果，該設(shè)計(jì)方案中包含的系統(tǒng)程序有顯示子程序、時(shí)鐘定時(shí)程序、步進(jìn)電機(jī)控制程序和溫度測(cè)量程序等。

主程序有單片機(jī)控制，同時(shí)能通過單片機(jī)執(zhí)行初始化操作，當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，菜單會(huì)顯示內(nèi)容初始化，按鍵的掃描，電機(jī)的運(yùn)行還有當(dāng)前的時(shí)間記錄會(huì)一并通過顯示屏顯示。

顯示程序便是操作界面，使用者也是通過該程序了解窗簾的情況，所以界面的顯示內(nèi)容要完善、詳細(xì)，基礎(chǔ)的內(nèi)容內(nèi)容包括時(shí)間和溫度，進(jìn)一步的顯示內(nèi)容還包括溫度的報(bào)警指數(shù)，窗簾閉合的循環(huán)周期等。

時(shí)鐘程序則是用以顯示當(dāng)前的時(shí)間，使用者也可以借助該程序?qū)Ξ?dāng)前時(shí)間進(jìn)行自定義設(shè)置，出于人性化考慮，時(shí)鐘程序還需要具備鬧鐘功能，當(dāng)達(dá)到使用者預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)，使用者會(huì)根據(jù)鬧鐘提升執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)的開啟和關(guān)閉。

步進(jìn)電機(jī)程序的負(fù)責(zé)內(nèi)容是對(duì)旋轉(zhuǎn)方向的判定;根據(jù)接收到的脈沖數(shù)以及指令信號(hào)，程序會(huì)按既定順序傳送控制脈沖，并判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。

測(cè)溫程序負(fù)責(zé)對(duì)溫度的測(cè)量，溫度測(cè)量的頻率為1秒一次，由單片機(jī)進(jìn)行控制，在讀出并處理DS18B20的當(dāng)前溫度值后，將會(huì)把該溫度值和設(shè)定報(bào)警溫度做比較，判斷是否報(bào)警，如果不超過報(bào)警值，就通過調(diào)用讀溫度子程序把存入內(nèi)存儲(chǔ)中的整數(shù)部分與小數(shù)部分分開存放在不同的兩個(gè)單元中，然后通過調(diào)用顯示子程序顯示出來。

綜上，通過以上的系統(tǒng)設(shè)置，使用者可以在遙控模式和自動(dòng)模式兩種模式間進(jìn)行自由的切花，系統(tǒng)也會(huì)具備自讀性和自動(dòng)化功能。當(dāng)設(shè)置為自動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的數(shù)值判斷環(huán)境中的光照強(qiáng)度，然后選擇開、關(guān)窗簾行為。并且，由于時(shí)鐘模塊具有時(shí)間記錄的功能，使用者也能自定義窗簾的開閉時(shí)間，使窗簾能按照使用者作息規(guī)律定時(shí)開閉。

4 結(jié)語

智能化家居是未來家居的發(fā)展方向，其設(shè)計(jì)理念應(yīng)當(dāng)更便捷、更高效，能在人們的生活中減少行為動(dòng)作和操作步驟，讓其享受最極致的自動(dòng)化服務(wù)和智能體驗(yàn)。在該設(shè)計(jì)中，通過對(duì)硬件的選擇和程序的編寫，可以有效實(shí)現(xiàn)窗簾對(duì)溫度、光線的感應(yīng)，并能接受使用者的操作指令以執(zhí)行，使用者可以依靠程序提供的便捷功能自由設(shè)定窗簾的開閉時(shí)間、開閉規(guī)律、開閉幅度和進(jìn)行開閉的條件，從而減少在日常生活中手動(dòng)開閉窗簾的麻煩。故在智能化家居的設(shè)計(jì)中，也應(yīng)當(dāng)以該窗簾的智能設(shè)計(jì)為參考，以最優(yōu)質(zhì)的硬件選擇和最多用的程序功能布置，為大眾提供最好的智能化體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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