感光升降窗簾電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 偉，包西平，張 斐，陳 里，荊 瑩

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221140）

0 引言

高科技、智能化隨處可見(jiàn)，讓生活越來(lái)越便捷、舒適。而伴隨著21 世紀(jì)人類在智能控制算法和電子技術(shù)方面的突破，最初的基于模擬元件的電子家用電器逐漸被智能化家居所取代[1]?，F(xiàn)如今許多新裝修的房子會(huì)選擇智能窗簾，而現(xiàn)在樓房又是近花園式設(shè)計(jì)，其中低樓層周圍會(huì)有來(lái)往人流車流，傳統(tǒng)窗簾收卷方式主要為左右移動(dòng)式和上卷式，當(dāng)打開(kāi)窗戶時(shí)，窗戶的一側(cè)，比如左右移動(dòng)式的左側(cè)或右側(cè)、上卷式的下側(cè)均處于暴露位置，來(lái)往人流、車流會(huì)觀察到室內(nèi)情況，影響到室內(nèi)的隱秘性。

另外，現(xiàn)有窗簾無(wú)法根據(jù)室外光線的強(qiáng)弱自動(dòng)收卷調(diào)節(jié)，需要人工經(jīng)常性操作，比如當(dāng)太陽(yáng)剛剛升起時(shí)，人工打開(kāi)窗簾至一定的位置，但當(dāng)太陽(yáng)升起時(shí)，此時(shí)窗簾需要人工再次打開(kāi)窗簾實(shí)現(xiàn)采光的完全，造成人工頻繁操作，因此采光和隱秘?zé)o法兼得，為使用者帶來(lái)很大苦惱。

本設(shè)計(jì)就是為了解決以上問(wèn)題，具體涉及是一種智能的感光升降窗簾，其主要功能是感知窗外的光照強(qiáng)度然后進(jìn)行判斷窗簾的打開(kāi)和關(guān)閉。此過(guò)程不需要人為操作，由智能窗簾內(nèi)部控制器進(jìn)行控制。

智能感光升降窗簾其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，根據(jù)光線強(qiáng)弱實(shí)現(xiàn)遮光裝置從上到下的收卷，采光效果更好，并且隱秘性更好，適用于家庭、辦公室、賓館等場(chǎng)所使用。

1 智能窗簾總體方案研究與設(shè)計(jì)

1.1 感光升降窗簾的關(guān)鍵技術(shù)分析

在本次設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用了傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)等結(jié)合來(lái)達(dá)到讓智能窗簾自動(dòng)化和智能化。根據(jù)室外光強(qiáng)度的狀況自動(dòng)改變窗簾的開(kāi)合，為室內(nèi)帶來(lái)充足的光照。而且在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)中，還能根據(jù)室內(nèi)空氣濕度、溫度以及室外的環(huán)境狀況如下雨、起霧、陰天等，進(jìn)行分析判斷來(lái)控制窗簾的各種功能。

1.2 設(shè)計(jì)的總體方案

主控為51系列單片機(jī)，通過(guò)硬件、軟件的設(shè)計(jì)來(lái)完成窗簾的控制要求。硬件主要是驅(qū)動(dòng)部分也就是執(zhí)行元件，選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是步進(jìn)電機(jī)因此還需要步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的選擇來(lái)控制窗簾的打開(kāi)和關(guān)閉。還有輸入部分主要有按鍵控制、遠(yuǎn)程控制、光敏模塊、限位。使用軟件Keil 5、運(yùn)用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)控制要求。通過(guò)實(shí)物調(diào)試完成所設(shè)計(jì)的功能。

圖1 智能窗簾控制裝置連接示意圖

智能窗簾控制裝置連接如圖1 所示，圖中控制器的作用主要是數(shù)據(jù)的接收、處理、發(fā)送；感光裝置是本設(shè)計(jì)的核心其作用是采集光照強(qiáng)度然后送給控制器進(jìn)行處理；按鍵裝置和遙控裝置為整個(gè)系統(tǒng)的手動(dòng)控制，采用了固定在窗簾下方位置的按鍵控制，和能夠遠(yuǎn)程控制的遙控控制兩種方法相結(jié)合可以防止遙控裝置丟失時(shí)或沒(méi)電時(shí)窗簾無(wú)法進(jìn)行手動(dòng)控制。驅(qū)動(dòng)電機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行裝置通過(guò)控制器進(jìn)行控制主要是電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)遮光裝置的升降。限位裝置的作用是保護(hù)窗簾防止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)超程。

2 感光升降窗簾的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)的基本組成

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。使用的控制器是STC推出的新一代超強(qiáng)干擾/高速/低功耗的單片機(jī)STC89C52，控制的對(duì)象是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與絲杠連接，來(lái)控制窗簾的打開(kāi)和關(guān)閉。

控制方法是通過(guò)光敏模塊采集光照強(qiáng)度，判斷是否需要打開(kāi)或者關(guān)閉窗簾，還有紅外遙控器和機(jī)械按鍵來(lái)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止以達(dá)到窗簾的打開(kāi)、關(guān)閉。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

2.2 核心電路的設(shè)計(jì)

主要電路的設(shè)計(jì)包括電源電路和串口下載電路。圖3 所示為電源電路，控制器電源供電為USB 供電接口，供電接口是由連接線和Micro USB 母頭構(gòu)成，主控芯片需要電源時(shí)可以直接使用安卓充電線連接在上位機(jī)USB 端口5 V 電壓上為其供電。在總體設(shè)計(jì)中還添加了供電控制開(kāi)關(guān)、LED 顯示電源等。

圖3 USB供電接口電路圖

圖4所示為USB轉(zhuǎn)TTL的電路圖，也是串口下載電路。串口下載電路使用的芯片是CH340T轉(zhuǎn)接芯片進(jìn)行軟件燒錄的功能實(shí)現(xiàn)，CH340T是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，可以實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口、USB轉(zhuǎn)IrDA紅外或者USB轉(zhuǎn)打印口，CH340T芯片支持5 V 電源電壓或者3.3 V 電源電壓。當(dāng)輸入外部的3.3 V 電源時(shí)與CH340T 芯片相連接的其他電路的工作電壓不能超過(guò)3.3 V[2]。本設(shè)計(jì)采用DC 5 V供電，需要在V3引腳外接容量為4700 PF 的電源退耦電容，VCC 引腳則是需要輸人外部5 V電源。

圖4 USB轉(zhuǎn)TTL的電路圖

2.3 功能模塊的設(shè)計(jì)

光敏模塊的選擇，本設(shè)計(jì)選擇光強(qiáng)度傳感器BH1750FVI[3]為光敏模塊。光強(qiáng)度傳感器BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器；采集范圍：1～65535 lx；最小誤差變動(dòng)在±20%。其重要參數(shù)如表1所示。

表1 重要參數(shù)

紅外控制模塊的設(shè)計(jì)方法是使用紅外遙控器向紅外接收頭發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后送給執(zhí)行元件達(dá)到控制。紅外發(fā)送部分是紅外遙控器，其上有很多的按鍵，設(shè)計(jì)使用的共有3 個(gè)按鍵，分別是開(kāi)關(guān)鍵、←鍵、→鍵，開(kāi)關(guān)鍵是停止、←鍵是打開(kāi)窗簾、→鍵是關(guān)閉窗簾。選擇的紅外接收頭型號(hào)為VS1838B，它是一種幾乎能夠接收市面上所有紅外遙控器信號(hào)的紅外接收頭，紅外接收頭的3個(gè)引腳，3引腳是接VCC、2 引腳接地、1 引腳與單片機(jī)的p32 相連接。如圖5 所示。另外，還增加了矩陣按鍵設(shè)計(jì)進(jìn)行近距離控制窗簾。

圖5 紅外接收頭電路原理圖

2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)按照需求選用了上海步科自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為Kinco 3M458 的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是一款細(xì)分型[4]高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)[5]是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行器。用脈沖來(lái)達(dá)到角位移，達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方法。其工作方式可分為功率式和伺服式，功率式電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較大，適合使用在大負(fù)載場(chǎng)合，伺服式的步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩小，只能使用在較小負(fù)載場(chǎng)合[6]。

設(shè)計(jì)采用的是三相六線步進(jìn)電機(jī)3S57Q-04079 驅(qū)動(dòng)模塊作為驅(qū)動(dòng)源，利用絲杠和皮帶進(jìn)行控制窗戶的拉開(kāi)與閉合。為增強(qiáng)主控的驅(qū)動(dòng)能力還需加裝步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Kinco 3M458。為了安全還需要在窗簾的兩端按裝限位開(kāi)關(guān)以達(dá)到保護(hù)作用。

驅(qū)動(dòng)器使用的是共陽(yáng)接線方式，如圖6 所示。因?yàn)槭侨嗔€步進(jìn)電機(jī)，所以接法為綠色電線、黃色電線接W 端口；藍(lán)色電線、白色電線接V 端口；紅色電線、銀白色電線接U端口。

圖6 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器連接方式圖

3 感光升降窗簾的軟件設(shè)計(jì)

3.1 感光升降窗簾系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境

本文智能窗簾的開(kāi)發(fā)環(huán)境為μVision5[7]，它是美國(guó)Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機(jī)C 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起，兼容Cortex-M3 內(nèi)核架構(gòu)，具有工程管理，源代碼編輯、模擬仿真等功能[8]。

3.2 軟件開(kāi)發(fā)和程序運(yùn)行流程

程序總流程圖設(shè)計(jì)如圖7所示

圖7 程序總流程圖

3.3 核心電路軟件設(shè)計(jì)

圖8 核心電路組成圖

在核心電路中主要介紹的是串口電路，其余電路不需要進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。圖8所示為核心電路組成框圖。串口電路的使用需要上位機(jī)必須先安裝所需要的驅(qū)動(dòng)和stc-isp-15xx-v6.86 D 程序燒錄軟件，才能將編譯好的程序通過(guò)串口電路寫進(jìn)STC89C52芯片中。

3.4 外圍功能電路設(shè)計(jì)

外圍功能電路設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 外圍功能電路框圖

3.5 主程序的編寫

主程序編寫如圖10所示。

圖10 主程序截圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的重點(diǎn)是智能窗簾的控制部分，機(jī)械部分只有少許介紹。通過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)成功地完成感光升降窗簾的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)光強(qiáng)度的變化通過(guò)控制器進(jìn)行控制窗簾的打開(kāi)和關(guān)閉，還擁有紅外遠(yuǎn)程遙控和按鍵控制兩種控制的方法。

智能窗簾的功能不止這些，還有更多的功能等待著人們的研究與開(kāi)發(fā)，只有深入研究才能發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)出更好的東西并制作出來(lái)為人們服務(wù)，給人們帶來(lái)便利、舒適的生活。