保證太陽(yáng)能電池板光強(qiáng)恒定的自動(dòng)光控啟閉窗簾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

米衛(wèi)衛(wèi)

（河北省兒童醫(yī)院，河北石家莊，050051）

0 序言

在科技發(fā)達(dá)的今天，自控系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)基本安防、照明等的工具，而是自動(dòng)化技術(shù)與建筑技術(shù)的統(tǒng)一體，充分利用科學(xué)與藝術(shù)的搭配，盡力達(dá)到完美與和諧的統(tǒng)一[1]。因此，智能窗簾作為智能家居的一部分，顯得尤為重要。試想，當(dāng)躺在床上，發(fā)現(xiàn)窗簾沒(méi)有關(guān)上的時(shí)候，當(dāng)早上醒來(lái)發(fā)現(xiàn)房間里烏黑一片，還要去理會(huì)窗簾的開(kāi)關(guān)實(shí)在是一件煩人的事情。此時(shí)，帶有一定自我反應(yīng)、調(diào)節(jié)、控制功能的窗簾便應(yīng)運(yùn)而生[2]。本次設(shè)計(jì)了一款可以根據(jù)室內(nèi)環(huán)境狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)光線強(qiáng)度的窗簾，使得達(dá)到室內(nèi)人體適應(yīng)的光線亮度而不至于對(duì)人的眼睛產(chǎn)生傷害。

智能窗簾根據(jù)室內(nèi)光線強(qiáng)度的變化，由光敏電阻感應(yīng)光照強(qiáng)度，進(jìn)而通過(guò)AD采集接收信號(hào)，到達(dá)ARM處理單元進(jìn)行控制，從而達(dá)到自行調(diào)節(jié)窗簾的開(kāi)合程度，“天黑關(guān)閉，天亮打開(kāi)”， 使室內(nèi)一直處于舒適的光照環(huán)境，具有智能管理，不產(chǎn)生誤動(dòng)作。

本文從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案、硬件電路以及軟件程序三方面介紹自動(dòng)光控啟閉窗簾的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和元器件的選擇

■ 1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

光控窗簾控制的總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)由光敏電阻傳感器探測(cè)外界的光照強(qiáng)度，從傳感器出來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路輸入到A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)入到單片機(jī)采集，進(jìn)而單片機(jī)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)窗簾的打開(kāi)和關(guān)閉操作。鍵盤(pán)主要是作為輸入設(shè)備，控制單片機(jī)的各種參量。顯示部分主要是用來(lái)顯示窗簾的各種狀態(tài)信息。

■ 1.2 系統(tǒng)元器件的選擇

1.2.1 光敏電阻器

在本次設(shè)計(jì)中，因?yàn)橐獙?duì)光的強(qiáng)度進(jìn)行采集，所以就用到了光敏電阻。光敏電阻具有很高的靈敏度以及光譜特性，光譜響應(yīng)范圍廣從紫外一直到紅外，而且體積小、重量輕，最主要性能穩(wěn)定。光敏電阻CDS系列是種薄膜的電子元器件，阻值隨著光源強(qiáng)度而變化。光敏電阻具有一些物理和環(huán)境的特性，最主要的特點(diǎn)是將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化，在本次設(shè)計(jì)中，就是將變化的阻值轉(zhuǎn)化為電壓的變化輸入到單片機(jī)中[3]。

1.2.2 系統(tǒng)主控芯片的選擇

由于單片機(jī)技術(shù)目前較為成熟，且具有精度高、易操控的優(yōu)點(diǎn)，自身資源豐富，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，并且在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中盡量用軟件代替硬件，可以節(jié)約成本，提高可靠性。本系統(tǒng)采用的Atmega8單片機(jī)內(nèi)置AD功能，符合設(shè)計(jì)的需求，芯片引腳圖如圖2所示。Atmega8的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備AVR高檔單片機(jī)MEGE系列的全部性能和特點(diǎn)[4]。

圖2 ATMEGA8主控芯片部分

本設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)進(jìn)行操控，硬件電路采用AVR單片機(jī)為核心，擴(kuò)展相關(guān)的接口電路，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的基本控制和擴(kuò)展功能。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

在以ATMEGA8單片機(jī)為主控芯片的基礎(chǔ)上，將電路系統(tǒng)分為幾個(gè)基本模塊電路，主要實(shí)現(xiàn)采集、控制、顯示的功能，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件模塊框圖

■ 2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

自動(dòng)光控啟閉窗簾是控制窗簾隨光強(qiáng)度的變化自動(dòng)啟閉的裝置，控制啟閉規(guī)則為：當(dāng)光度超過(guò)或低于某個(gè)閾值的時(shí)候，窗簾會(huì)自動(dòng)啟閉，使屋內(nèi)光度維持在某個(gè)范圍內(nèi)[5]?？刂葡到y(tǒng)要做到：

（1）當(dāng)屋內(nèi)光度過(guò)低或過(guò)高時(shí)候，通過(guò)光線采集部分電壓的變化，單片機(jī)控制的窗簾能夠自動(dòng)啟閉，以達(dá)到控制的目的；（2）按鍵系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)光度閾值和特殊要求下人工控制窗簾的啟閉；（3）顯示系統(tǒng)可以顯示當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)顯示調(diào)節(jié)啟閉的光度，以達(dá)到不同人的需求和達(dá)到窗簾啟閉的目的；（4）窗簾的輸出控制能夠達(dá)到正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的精確控制并能進(jìn)行數(shù)碼顯示反映當(dāng)前狀態(tài)；（5）電路的復(fù)位部分可以在每次的電源重新啟動(dòng)時(shí)把電路重新復(fù)位至起始狀態(tài)[6]。

■ 2.2 硬件電路

本系統(tǒng)用到的主要器件為ATMEGA8，光敏電阻，12V直流電機(jī)，數(shù)碼管/二極管/三極管，穩(wěn)壓塊，滑動(dòng)變阻器，按鍵開(kāi)關(guān)等?？刂葡到y(tǒng)以Atmega8CPU為控制系統(tǒng)的核心，外圍電路、器件和CPU的有機(jī)連接，構(gòu)成了窗簾控制系統(tǒng)的硬件電路。

2.2.1 光度采集部分

本部分采用光敏三極管來(lái)采集光照強(qiáng)度。但由于市場(chǎng)上此類(lèi)光敏三極管較貴，所以將此器件換為光敏電阻代替。下面說(shuō)明中將以光敏電阻為光度采集器件。

當(dāng)戶外光線照射到光敏電阻表面時(shí)，光敏電阻的阻值與光照強(qiáng)度成反比，利用光敏電阻這一性質(zhì)來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)化為電壓變化的目的。在其一端加上5V電壓后，與一電位器(12k)串聯(lián)分壓后，就直接將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓了。光敏電阻采集到的光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電壓后，經(jīng)R8限流電阻后，直接送到ATMEGA8的23腳(內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換ADC0輸入端)[7]。光照采集電路如圖4所示。

圖4 光度采集電路

2.2.2 電源部分

本控制器工作電壓為直流5V。市電220V不能直接為其供電，所以必須將市電220V轉(zhuǎn)換為直流5V給控制器供電。

如圖5所示，220V火線經(jīng)保險(xiǎn)管后，經(jīng)電容C0吸收掉高頻干擾后，再經(jīng)壓敏電阻R0吸收掉尖脈沖(電源通斷瞬間產(chǎn)生的尖脈沖)，然后經(jīng)變壓器降壓，降到交流12V左右，經(jīng)整流橋DB1、電解電容E1、電容C4整流濾波后，得到12V左右的直流電壓；直流12V經(jīng)D4（在焊接過(guò)程中，防止電源正負(fù)極接反后，燒毀穩(wěn)壓塊，起保護(hù)穩(wěn)壓塊作用）、E4電解電容（濾中低頻）、C8電容（由于電解電容存在感抗，對(duì)高頻信號(hào)的濾波效果不好，所以在其后加一個(gè)電容濾掉高頻）后，送入穩(wěn)壓塊7805進(jìn)行穩(wěn)壓。又經(jīng)電解電容E3、電容C7濾波后給ATMEGA8供電[5]。

圖5 電源部分

2.2.3 輸出控制部分

由于考慮到窗簾很輕，拖動(dòng)其動(dòng)作所需力不大，所以采用12V直流電機(jī)控制窗簾的啟閉。兩路控制OUT1、OUT2直接由ATMEGA8控制[8]。

當(dāng)OUT1為1、OUT2為0時(shí)，Q1導(dǎo)通、Q2截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

當(dāng)OUT1為0、OUT2為1時(shí)，Q2導(dǎo)通、Q1截止，電機(jī)正轉(zhuǎn)。

當(dāng)OUT1為0、OUT2為0時(shí)，Q2截止、Q1截止，電機(jī)不轉(zhuǎn)。

其中C2、C3的作用為濾波，R3、R4的作用為限流，D1、D2的作用為指示作用（在運(yùn)行中，觀察其亮與滅來(lái)分析電機(jī)的工作狀態(tài)）。R1、R2的作用為限流（12V直接給電機(jī)供電，容易使電機(jī)損壞，所以加限流電阻對(duì)其限流）。L1、L2、C1的作用為濾波（由于ATMEGA8對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制，產(chǎn)生的波形也容易使電機(jī)損壞，所加兩個(gè)電感一個(gè)電容對(duì)波形整形）。電動(dòng)機(jī)控制原理圖如圖6所示。

圖6 輸出控制部分

2.2.4 顯示部分

為了方便設(shè)定屋內(nèi)光照強(qiáng)度的大小，在電路中加入顯示這部分，如圖7所示。此數(shù)碼管為共陽(yáng)/兩位數(shù)碼管。在設(shè)計(jì)中為了節(jié)約成本，而又考慮到ATMEGA8的吸入電流較大，所以用ATMEGA8直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。這里用的顯示方法主要是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在后面軟件說(shuō)明部分將對(duì)其說(shuō)明。

圖7 顯示部分

5V電壓經(jīng)R5分壓后，對(duì)數(shù)碼管供電。ABCDEFG為數(shù)碼管的碼元。DP1、DP2為位元。

2.2.5 按鍵部分

為了便于操作，在控制器中加入按鍵部分，見(jiàn)圖8。其功能為：SB1控制電機(jī)正轉(zhuǎn)（閉合時(shí)，電機(jī)緩慢正轉(zhuǎn)）。SB2控制電機(jī)反轉(zhuǎn)（閉合時(shí)，電機(jī)緩慢反轉(zhuǎn)）[9]。SB3設(shè)定屋內(nèi)光照強(qiáng)度加，SB4設(shè)定屋內(nèi)光照強(qiáng)度減（人為設(shè)定一個(gè)光照強(qiáng)度，控制器自動(dòng)控制窗簾的啟閉，從而實(shí)現(xiàn)屋內(nèi)光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)）。R6與D3的作用是電源通電顯示。

圖8 控制系統(tǒng)總電路圖

2 2 6 復(fù)位電路

控制器在上電瞬間的電壓波動(dòng)很大，為了讓ATMEGA8工作穩(wěn)定，在開(kāi)機(jī)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行復(fù)位，見(jiàn)圖8。其工作原理：在通電瞬間，RESET為低，5V電壓經(jīng)R7限流后，產(chǎn)生一小電流對(duì)E2充電，充電時(shí)如果斷掉，E2上的壓降大于ATMEGA8的復(fù)位電壓，ATMEGA8停止復(fù)位[10]。注：AVR與MCS51系列的復(fù)位電路不同。

2.2.7 振蕩電路

振蕩電路見(jiàn)圖8，為ATMEGA8提供工作所需時(shí)鐘。XTAL1與XTAL2分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出，這個(gè)振蕩器可以使用石英晶體，也可以使用陶瓷諧振器。熔絲位CKOPT用來(lái)選擇這兩種放大器模式的其中之一。當(dāng)CKOPT被編程時(shí)振蕩器在輸出引腳產(chǎn)生滿幅度的振蕩。這種模式適合于噪聲環(huán)境，以及需要通過(guò)XTAL2 驅(qū)動(dòng)第二個(gè)時(shí)鐘緩沖器的情況。而且這種模式的頻率范圍比較寬。當(dāng)保持CKOPT為未編程狀態(tài)時(shí)，振蕩器的輸出信號(hào)幅度比較小。其優(yōu)點(diǎn)是大大降低了功耗，但是頻率范圍比較窄，而且不能驅(qū)動(dòng)其他時(shí)鐘緩沖器。對(duì)于諧振器，CKOPT未編程時(shí)的最大頻率為 8 MHz， CKOPT編程時(shí)為16MHz。

■ 2.3 自 動(dòng) 光 控 啟閉窗簾的總電路圖

控制系統(tǒng)總電路圖[11]如圖8所示。

3 系統(tǒng)總程序的設(shè)計(jì)

主程序整體構(gòu)成無(wú)限循環(huán)模式，整體流程圖如圖9所示。主要完成單片機(jī)初始化關(guān)閉所有中斷，按鍵掃描、處理，AD采集處理，電機(jī)運(yùn)行，顯示等功能。

圖9 主程序流程圖

啟動(dòng)主程序，先初始化所有端口關(guān)閉中斷，初始化寄存器，初始化顯示內(nèi)容；然后檢查AD口是否有電壓，執(zhí)行AD采集；檢查按鍵，執(zhí)行按鍵相應(yīng)處理；再判斷顯示值是否設(shè)置值，如果不是則啟動(dòng)電機(jī)，執(zhí)行窗簾開(kāi)閉，否則不執(zhí)行任何操作，窗簾靜止，再檢測(cè)光強(qiáng)度變化，是否有AD采集變化；一直循環(huán)執(zhí)行判斷，實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)關(guān)閉和打開(kāi)的操作過(guò)程[12]。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的智能光控窗簾啟閉系統(tǒng)，其中主要包括了方案設(shè)計(jì)、硬件及軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將減輕人力負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)光控自動(dòng)調(diào)節(jié)，使電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，通過(guò)單片機(jī)的精準(zhǔn)操作，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制方便、控制性能優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，從而使得窗簾的開(kāi)關(guān)和閉合更加的準(zhǔn)確、穩(wěn)定，光電傳感器配合單片機(jī)的定時(shí)功能很好的實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制功能[13]。