一種基于單片機(jī)控制的智能電動窗簾系統(tǒng)的設(shè)計

郝建峰 任國鳳

摘要：為了給人們提供舒適便捷的生活，文章采用AT89C51 為核心器件設(shè)計了智能電動窗簾系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件部分利用光敏傳感器采集信號輸入到單片機(jī)，由單片機(jī)分析信號實現(xiàn)對電機(jī)驅(qū)動電路的控制;軟件部分采用C語言進(jìn)行編程，與硬件部分共同完成窗簾拉合的目標(biāo)。另外，根據(jù)用戶生活習(xí)慣、天氣情況等因素，文章設(shè)計了選控開關(guān)，用戶可任意選擇光控或手控方式實現(xiàn)對窗簾驅(qū)動電路的控制。

關(guān)鍵詞：智能窗簾;電機(jī);單片機(jī)

中圖分類號：TN710.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）17-0117-03

智能窗簾控制系統(tǒng)在家居、大型會議室等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，滿足了人們對窗簾系統(tǒng)的各種需求，有效地克服了傳統(tǒng)手拉式或滑輪式窗簾的缺點(diǎn)，為人們提供了更加舒適、方便、快捷的生活環(huán)境，提高了人類的生活水平。通過光線亮暗采集來控制窗簾的開合，早上拉開窗簾，同時起到提醒用戶起床的作用，給人們營造溫馨舒適的生活環(huán)境。同時根據(jù)業(yè)主的特定要求增加了手動鍵控功能，可以通過按鍵的狀態(tài)實現(xiàn)窗簾的拉開與關(guān)閉[1-2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制單元

主控制器原理圖如圖2所示。

用軟件控制單片機(jī)引腳的高低電平，利用P0端口控制MOS管H橋?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn);當(dāng)主控制器的P0-6端口和P0-7端口分別輸出高、低電平時，電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，窗簾開啟;當(dāng)主控制器的P0-6端、P0-7端口輸出分別為低、高電平時，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，窗簾閉合;當(dāng)主控制器的P0-6端、P0-7端均輸出高電平時，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，窗簾維持原態(tài)[3]。

晶振為11.0592M，P0-6和P0-7為高低電平輸出端口;P2-2、P2-3是光敏模塊的外接按鍵控制端，P2-2是光敏電阻傳感器模塊電壓輸入端。

1.3 光敏電阻傳感器模塊

本文選擇TYL系列光敏電阻，該電阻是依據(jù)半導(dǎo)體的光電效應(yīng)原理——入射光阻值強(qiáng)弱發(fā)生改變制作的電阻器[4]。該模塊由LM393比較器、電阻、光敏電阻和滑動變阻器等元件組成，其電路連接如圖3所示。其電路原理是根據(jù)滑動變阻器和光敏電阻阻值的變化來控制電位器2、3號引腳電位的變化，從而使1號引腳輸出不同的電位。R6的阻值隨著光線變?nèi)醵龃螅⑴c電阻R7實現(xiàn)分壓，造成LM393的3號引腳壓值低于2號引腳，使得1號引腳輸出高電平。

在系統(tǒng)中，光敏電阻模塊1引腳輸出的信號傳輸?shù)?9C51，控制系統(tǒng)收到光明暗程度數(shù)據(jù)。當(dāng)電壓比較器LM393的1端為高電平時，光線強(qiáng);1端為低電平時，光線弱。單片機(jī)采集到光線強(qiáng)弱信息后，控制電機(jī)帶動窗簾的開關(guān)轉(zhuǎn)動。

1.4 手動控制模塊

智能窗簾控制部分除了能夠?qū)崿F(xiàn)光敏控制功能之外，還可以實現(xiàn)其第二功能，即手動控制;用戶只需通過手動控制模塊上的開/關(guān)按鈕就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)窗簾的開/關(guān)，并且能夠隨時實現(xiàn)暫停。進(jìn)而，窗簾軌道上配以位置檢測器，當(dāng)窗簾開合到位后自動切斷電源，達(dá)到保護(hù)控制電路的目的[5-6]。在設(shè)計中需根據(jù)窗簾的長度，計算電機(jī)轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，然后精確設(shè)定軟件程序電機(jī)轉(zhuǎn)動的延時時間。

手動控制模塊電路設(shè)計原理圖如圖4所示：

單片機(jī)P2-7端接開關(guān)K7，K7為手控選擇按鍵;當(dāng)K7按鍵按下時，主控制器AT89C51的P2-7端口選通，手控功能啟動。

當(dāng)K1按下K2斷開時，P20為低電平，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，窗簾拉開。當(dāng)K2按下K1斷開時，P21為低電平，控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，窗簾關(guān)閉。

1.5 H橋MOS管驅(qū)動電機(jī)電路模塊

電路原理圖如圖5所示[7-9]。

本文將4個MOS管組合成H形的4條腿，電機(jī)是H中的橫杠。本設(shè)計中選用MOS管，而不采用普通的三極管，是因為普通的三極管有一定的導(dǎo)通電阻，當(dāng)電路中流過大電流時器件會迅速升溫，倘若不及時散熱，三極管可能被燒毀[8]。而MOS管的工作原理與三極管不一樣，其導(dǎo)通電阻阻值低，可以承受更大的電流，另外MOS管內(nèi)置反向二極管，因而采用MOS管連接H橋電路不僅可以增加電路功率，而且簡化了電路的設(shè)計。使用MOS管搭建H橋，高位電路使用P溝道管; Q1和Q2采用絕緣柵型N溝道耗盡型場效應(yīng)管，型號為IRF9540;Q3和Q4采用絕緣柵型P溝道耗盡型場效應(yīng)管，型號為IRF540。

當(dāng)P0-6和P0-7分別輸入高、低電平時，Q1和Q4管導(dǎo)通，Q2和Q3管截止，電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)P0-6和P0-7分別輸入低、高電平時，Q2和Q3管導(dǎo)通，Q1和Q4管截止，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 各個單元的設(shè)計思路和實現(xiàn)功能

（1）實現(xiàn)智能窗簾系統(tǒng)的自動開合功能

在軟件程序的設(shè)計中，光控程序?qū)崿F(xiàn)的功能：當(dāng)P0-6端口賦值高電平，P0-7端口賦值低電平時，正轉(zhuǎn)指示燈LED1亮，電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)P0-6端口賦值低電平，P0-7端口賦值高電平時，反轉(zhuǎn)指示燈LED2亮，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

（2）實現(xiàn)智能窗簾系統(tǒng)的按鍵控制功能

利用單片機(jī)的低電平有效理論實現(xiàn)按鍵控制窗簾開合;軟件系統(tǒng)的主程序部分嵌套手控子程序和光控子程序，先檢測手控按鍵是否按下，如果按下則執(zhí)行該程序;如果未按下則執(zhí)行主程序中的光控程序。通過軟件編程來控制芯片AT89C51引腳的狀態(tài)，P0口輸出高低不同電平，以達(dá)到控制電機(jī)的目的。

（3）實現(xiàn)對光敏電阻采集的信號采樣濾波及數(shù)值處理

利用Keil C編寫采樣和中值濾波程序，實現(xiàn)光檢測窗簾自動開合。

（4）實現(xiàn)電機(jī)的正反向旋轉(zhuǎn)

在驅(qū)動模塊中采用H橋式驅(qū)動電機(jī)電路，四個MOS管和二極管連接H橋式電路具有單向?qū)щ姷奶攸c(diǎn);利用主控制器51芯片加載的程序來控制引腳P0.6和P0.7引腳的高低電位差，從而控制驅(qū)動電路。

（5）主控制器電路設(shè)計

在主控制器電路設(shè)計方面，51芯片中加載的主程序需將光控程序和手控程序合理地進(jìn)行調(diào)用，首先檢測手控按鍵，如果按下則調(diào)用手控子程序，如果未按下則執(zhí)行主程序中的光控程序。

2.2 軟件程序框圖

軟件程序主要實現(xiàn)智能光控、手動控制兩大功能，首先選擇控制電路的方式，即手控或光控;如果手控按鍵按下則判斷控制電機(jī)轉(zhuǎn)向按鈕，從而控制電機(jī)相應(yīng)地轉(zhuǎn)動;如果手動模式未開啟，則執(zhí)行光控模式，即天亮，窗簾自動拉開;天黑，窗簾自動關(guān)閉。手控和光控功能需在窗簾拉開時開限位未啟動，否則程序結(jié)束運(yùn)行，電路復(fù)位;同理，窗簾關(guān)閉時關(guān)限位未啟動。智能電動窗簾軟件程序框圖如圖6所示。

3 總結(jié)

本文基本完成了窗簾系統(tǒng)的光控和手控兩大功能，達(dá)到了設(shè)計要求。在選材方面，采用ULN2003驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，有效地控制了電機(jī)轉(zhuǎn)動圈數(shù)，提高了控制系統(tǒng)的精確度;在軟件設(shè)計方面，采用了模塊化的編程思想，縮短了程序的運(yùn)行周期，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。該窗簾控制器在智能家居及大型場所方面應(yīng)用前景更為廣泛。

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收稿日期：2022-01-16

基金項目：山西省虛擬仿真實驗教學(xué)項目（X2020048）;山西省教學(xué)改革研究項目（J2021572，J2021588）;忻州師范學(xué)院學(xué)術(shù)帶頭人資助項目

作者簡介：郝建峰（1974—），男，忻州市公安局道路交通安全教育中心工程師，主要從事交通安全設(shè)施設(shè)備及交警應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)機(jī)械電子工程技術(shù)研究;任國鳳（1979—）女，忻州師范學(xué)院電子系教授，博士研究生，主要從事通信信號處理的研究工作。