基于單片機(jī)的陽光避光保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何小映

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西西安， 710077）

0 引言

在某些生產(chǎn)生活中，有些房間或廠房面朝東或西，太陽光將通過窗戶照射進(jìn)房間，照射時(shí)間長(zhǎng)，而其中有些設(shè)備不能受到太陽光長(zhǎng)時(shí)間的照射，所以需要設(shè)計(jì)一套窗簾控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷光線的強(qiáng)弱，識(shí)別白天和黑夜，也能區(qū)分自然光和太陽光，當(dāng)白天，窗簾未受到太陽光照時(shí)，可以打開窗簾，當(dāng)太陽光照射窗簾時(shí)，關(guān)閉窗簾，保護(hù)設(shè)備免受日光長(zhǎng)時(shí)間照射以達(dá)到保護(hù)目的，當(dāng)夜晚傍晚或黎明光線較弱時(shí)將窗簾關(guān)閉。此系統(tǒng)也適用于對(duì)太陽光耐受性較差的物體的保護(hù)或其他需要避免陽光照射的場(chǎng)合。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括太陽檢測(cè)裝置、A/D轉(zhuǎn)換、無線發(fā)送模塊、無線接收模塊、電機(jī)控制模塊五個(gè)部分，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

從圖1中可以看到，為了使房間避免長(zhǎng)時(shí)間受到陽光照射，在靠近窗戶的外墻壁表面安裝一個(gè)太陽光檢測(cè)裝置，其檢測(cè)元件的感光面與墻面平行，由該裝置將太陽光轉(zhuǎn)化為電壓，再由A/D轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過無線發(fā)送模塊發(fā)送出去，接收端安裝在室內(nèi)，通過無線方式接收電壓數(shù)據(jù)，并經(jīng)過程序判斷光線的強(qiáng)弱及太陽光的有無，從而由電機(jī)控制模塊控制窗簾的啟閉。

2 發(fā)送部分設(shè)計(jì)

■2.1 發(fā)送部分硬件設(shè)計(jì)

發(fā)送部分負(fù)責(zé)太陽光的檢測(cè)及信號(hào)的無線發(fā)送，包括太陽光檢測(cè)裝置、A/D轉(zhuǎn)換、STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)[2]、無線發(fā)送模塊NRF24L01、指示電路組成，框圖如圖2所示。

圖 2 發(fā)送電路框圖

2.1.1 太陽檢測(cè)裝置

在圖2中，太陽檢測(cè)裝置為光敏電阻模塊[3]，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光敏模塊

圖中，R2為光敏電阻，AO為輸出地模擬電壓。光敏電阻基于內(nèi)光電效應(yīng)的工作原理[4]。光照愈強(qiáng)，它的阻值就愈低，光照強(qiáng)度升高，它的電阻值就迅速降低，其亮電阻

值可小于1kΩ以下。光敏電阻對(duì)光線十分敏感，其在無光照時(shí)，呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達(dá)1.5MΩ。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出2022年7月31日（晴）不同時(shí)間時(shí)光敏模塊輸出電壓AO的值，如表1所示。

表1 光敏模塊電壓（V）及陽光窗簾狀態(tài)

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從表1可以看出，6:15以前夜晚到黎明時(shí)，光線較弱，太陽光檢測(cè)模塊輸出電壓較大，在0.50V以上，窗簾處于關(guān)閉狀態(tài)，6:15～7:37，光線逐漸變強(qiáng)，光敏模塊輸出電壓降到0.50V及以下，0.10V以上，但太陽光沒有照射窗戶，所以打開窗簾，一直到7:38太陽光開始照射光敏模塊，模塊輸出的電壓開始迅速減小到0.10V，此時(shí)關(guān)閉窗簾，當(dāng)陽光全部照射到光敏模塊伴后，隨著太陽光線的增強(qiáng)，模塊的電壓下降到0.10V以下，從8:25開始到10:40都維持最小值0.06V，隨后隨著太陽光與光敏模塊位置的變化，模塊輸出電壓有所上升，10:47開始升高到0.07V，到11:30又升高為0.08V，到11:49又升高為0.09V，到12:11又升高為0.10V，直到12:30都維持為0.10V，此時(shí)間段窗簾都關(guān)閉，12:31太陽光全部掠過不再照射光敏模塊，模塊輸出電壓變?yōu)?.11V，此時(shí)可以開窗簾，此后隨著光線的下降，光敏模塊輸出電壓開始升高，到傍晚19:00升高到0.41V，到19:15后升高到0.50V以上，光線已經(jīng)比較弱了，此時(shí)可以關(guān)閉窗簾，此后進(jìn)行新一天循環(huán)。綜上所述，從光敏模塊輸出的電壓情況就能判斷出物體是否受到陽光照射及光線強(qiáng)弱，規(guī)律就是，當(dāng)受到光照后，光敏模塊的電壓降到0.10V及以下時(shí)，應(yīng)該關(guān)閉窗簾，當(dāng)無太陽光照但是光線較強(qiáng)時(shí)光敏模塊的電壓介于0.11V到0.50V之間，應(yīng)該打開窗簾，當(dāng)光敏模塊電壓大于0.50V時(shí)，天氣介于夜晚或黎明或傍晚，光線較弱，窗簾關(guān)閉。

2.1.2 A/D轉(zhuǎn)換

由于光敏模塊輸出的電壓在受到太陽照射時(shí)電壓較小，在0.06～0.10V之間，所以A/D轉(zhuǎn)換采用10位AD轉(zhuǎn)換器件ADC1005以提高分辨率[5]，將太陽光檢測(cè)裝置輸出的AO電壓轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字量，電路如圖4所示。ADC1005為10位逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器件，其輸入為差分輸入方式，圖中，VIN（+）、VIN（-）為待轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)正負(fù)端，VIN（+）端接待轉(zhuǎn)換信號(hào)AO。CLKR、CLKIN為時(shí)鐘輸入端，接阻容元件，轉(zhuǎn)換頻率如公式(1)所示：

在圖示參數(shù)情況下，轉(zhuǎn)換頻率為1.8MHz，介于該芯片的0.2～2.6MHz的范圍，為片選信號(hào)，低電平有效，為寫信號(hào)，當(dāng)這兩個(gè)信號(hào)同時(shí)為低電平時(shí)，AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行復(fù)位，只要其中一個(gè)為高電平時(shí)，便啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，變成高電平，當(dāng)和RD都為低電平時(shí)讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，分兩次讀取，第一次讀取高八位，第二次讀取低兩位，讀取的低兩位在最高兩位上[6]。每次都從DB0～DB7輸出八位數(shù)字量，送到單片機(jī)P0.0～P0.7口。

圖 4 AD轉(zhuǎn)換電路

2.1.3 無線發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)的發(fā)送采用無線模塊NRF24L01，該模塊與單片機(jī)的接口電路如圖5所示。

圖5 無線發(fā)送模塊與單片機(jī)接口

無線發(fā)送模塊采用NRF24L01[7]，該模塊工作在2.4GHZ全球開放ISM頻段，需要的3.3V電源可以采用ASM1117模塊提供，該模塊采用SPI接口方式，管腳CE為片選信號(hào)，CSN為SPI片選信號(hào)，SCK為SPI時(shí)鐘，MOSI為SPI主出/從入信號(hào)，MISO為SPI從入/主出信號(hào)，IRQ為中斷輸入信號(hào)。

2.1.4 指示燈電路

指示燈電路部分采用2個(gè)LED發(fā)光二極管，其中LED指示發(fā)送過程，該指示燈熄滅表示無數(shù)據(jù)發(fā)送，點(diǎn)亮?xí)r表示正在進(jìn)行發(fā)送，如果接收方?jīng)]有收到將會(huì)進(jìn)行閃爍表示持續(xù)發(fā)送，如果發(fā)送完畢并且

收到應(yīng)答信號(hào)則LED熄滅，LED1點(diǎn)亮，所以通過這兩個(gè)指示燈就可以知道發(fā)送的狀態(tài)，電路如圖6所示。

圖6 發(fā)送狀態(tài)指示電路

■2.2 發(fā)送部分程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)采用C51編寫，發(fā)送端程序?yàn)檠h(huán)結(jié)構(gòu)，包括AD轉(zhuǎn)換程序和無線發(fā)送程序，AD轉(zhuǎn)換程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，發(fā)送程序則負(fù)責(zé)將AD轉(zhuǎn)換結(jié)果無線發(fā)送給接收端，流程圖如圖7所示。

圖7 發(fā)送程序流程圖

3 接收部分設(shè)計(jì)

■3.1 接收部分硬件設(shè)計(jì)

接收部分硬件設(shè)計(jì)電路如圖8所示，其中各部分電路分別如下所述。

圖8 接收部分電路

3.1.1 單片機(jī)與無線接收模塊部分

單片機(jī)與無線接收模塊的電路由單片機(jī)STC89C51和無線收發(fā)模塊NRF24L01構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線接收。

3.1.2 指示電路

指示電路用來指示接收狀態(tài)，P2.6連接LED陰極，控制方式見圖8所示。

3.1.3 控制電路

控制電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制，并進(jìn)一步控制窗簾的開啟和關(guān)閉，包括單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L293D、電機(jī)、限位檢測(cè)電路，單片機(jī)的P1.6、P1.7共同控制電機(jī)的運(yùn)行，當(dāng)P1.6=P1.7=0時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，當(dāng)P1.6=0，P1.7=1，時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)關(guān)閉窗簾，當(dāng)P1.6=1，P1.7=0，時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)開啟窗簾。P2.0、P2.1進(jìn)行行程檢測(cè)，檢測(cè)窗簾位置，當(dāng)P2.0=0，P2.1=1時(shí)，窗簾全關(guān)，

當(dāng)P2.0=1，P2.1=0時(shí)，窗簾全開，當(dāng)P2.0=1，P2.1=1時(shí)，窗簾處于運(yùn)行狀態(tài)。

■3.2 接收部分程序設(shè)計(jì)

接收部分程序流程圖如圖9所示。

圖9 接收程序流程圖

初始化包括定時(shí)器初始化和接收模塊初始化，接收端采用定時(shí)器定時(shí)，每200ms采集一次數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包括數(shù)組RBUF的前三個(gè)元素，第一個(gè)元素的值為發(fā)送模塊標(biāo)識(shí)符，值為0xa1，第二、三個(gè)元素的值為10位AD轉(zhuǎn)換電壓值數(shù)字量，為了減小干擾，進(jìn)行平均值濾波，采集10次求平均值，再算出對(duì)應(yīng)的電壓值V0，根據(jù)電壓值V0判斷光線強(qiáng)弱及有無太陽光照射窗簾，進(jìn)而檢測(cè)窗簾的狀態(tài)再根據(jù)具體情況發(fā)出開關(guān)窗簾的指令，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行開關(guān)窗簾，由行程開關(guān)檢測(cè)是否完全關(guān)閉或打開窗簾。

4 結(jié)束語

從實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一個(gè)太陽光遮光系統(tǒng)，保護(hù)房間或庫房里的設(shè)備免受太陽光的照射，系統(tǒng)能夠檢測(cè)光線的強(qiáng)弱，判斷有無太陽光照射，進(jìn)而控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)進(jìn)行關(guān)窗和開窗，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的避陽光照射保護(hù)。