智能家居系統(tǒng)中自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

隨著高新技術(shù)及電子器件的發(fā)展，光控、溫控及遙控窗簾應(yīng)運(yùn)而生，給人們的生活帶來了很多方便。同時(shí)，也為人們的生活環(huán)境以及智能家居的實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)，為此，研究與設(shè)計(jì)智能窗簾控制系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。


1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

本系統(tǒng)由單片機(jī)、紅外接收、光敏測光、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)碼管顯示以及鳴響提示模塊組成。主要應(yīng)用模塊的選擇包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的、PWM調(diào)速方式、PWM調(diào)脈寬方式、PWM軟件實(shí)現(xiàn)方式的選擇。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路；PWM調(diào)速工作方式采用單極性工作制；PWM調(diào)脈寬方式選擇采用定頻調(diào)寬方式；PWM軟件實(shí)現(xiàn)方式采用軟件延時(shí)方式。智能窗簾設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵芯片及器件有：單片機(jī)AT89S52、直流電動(dòng)機(jī)、三相穩(wěn)壓器78L05、儲(chǔ)存芯片CAT24WC02以及光耦4N25。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

該窗簾控制系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)使用紅外遙控器進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)開、手動(dòng)關(guān)和手動(dòng)?？刂疲瑪?shù)碼管顯示窗簾的開、關(guān)，可以通過自行設(shè)定相應(yīng)的數(shù)字表示；也可以按事先輸入的開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行時(shí)間控制，數(shù)碼管顯示當(dāng)時(shí)的小時(shí)和分鐘時(shí)間，但只能順序顯示，顯示一遍后，略等片刻，再顯示下一遍時(shí)間；還可以根據(jù)室外環(huán)境亮度實(shí)現(xiàn)光控，即窗簾的自動(dòng)控制，由驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示出當(dāng)時(shí)的狀態(tài)。紅外窗簾遙控控制器通電默認(rèn)當(dāng)時(shí)時(shí)間是8點(diǎn)鐘。在3種工作方式下，數(shù)碼管均按時(shí)分法顯示時(shí)間、工作方式和工作狀態(tài)。每一組數(shù)據(jù)由5個(gè)數(shù)字組成，前4個(gè)數(shù)字順序顯示時(shí)十位、時(shí)個(gè)位、分十位、分個(gè)位，第5個(gè)數(shù)字包含工作方式和工作狀態(tài)：顯示“一”(1橫)表示手動(dòng)方式；“二”(2橫)表示半手動(dòng)方式；“三”(3橫)表示光控方式；不顯示橫則表示時(shí)控方式。左上角的“豎”點(diǎn)亮表示電機(jī)工作時(shí)發(fā)出鳴響提示，不點(diǎn)亮表示電機(jī)工作無提示；右上角的“豎”點(diǎn)亮表示整點(diǎn)報(bào)時(shí)開啟，不點(diǎn)亮表示無整點(diǎn)報(bào)時(shí)。左下角“豎”點(diǎn)亮表示窗簾正在打開，右下角“豎”點(diǎn)亮表示窗簾正在關(guān)閉。


2 硬件電路設(shè)計(jì)

該窗簾控制系統(tǒng)電路分為8個(gè)部分：電源、顯示、光控電路測光、電機(jī)控制執(zhí)行、紅外接收、鳴響提示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、單片機(jī)主控器件。其中，電源部分通過外接插座輸入交流12 V或者直流13 V~14 V電壓供電，經(jīng)過三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出5 V電壓，為鳴響電路、紅外接收電路、顯示電路提供電源。使用2節(jié)5號(hào)普通電池提供直流電源。

2.1 光采集電路設(shè)計(jì)

測光電路如圖2所示，由GM1、C3、V3組成。GM1采用光敏二極管[1]，C3和GM1組成RC充放電回路。當(dāng)P3.4處于高電平時(shí)，P3.4的高電壓通過GM1的正向電阻向C3充電；當(dāng)P3.4被單片機(jī)拉低為低電平時(shí)，C3通過光敏元件放電。光敏二極管工作在反向電壓狀態(tài)下，此時(shí)環(huán)境亮度決定了光敏二極管的光阻值，光阻值大，C3放電速度慢，反之放電速度快。適當(dāng)控制P3.4的拉低脈沖寬度，使得C3放電工作在線性比較好的工作段上。P3.5用來檢測C3在P3.4拉成低電平期間的放電電壓狀態(tài)，當(dāng)C3電壓降到小于1/2VCC后，P3.5測得數(shù)據(jù)“0”，反之測得數(shù)據(jù)“1”。為了減小P3.5對(duì)C3充放電的影響，C3充放電電壓通過三極管V3組成的射極輸出器連接到P3.5上，射極輸出器的高輸入阻抗減小了P3.5對(duì)RC充放電電路的影響。

2.2 紅外接收電路及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分設(shè)計(jì)

紅外接收電路使用型號(hào)為HS3008的集成型紅外接收器，靜態(tài)時(shí)輸出端輸出高電平，當(dāng)接收到紅外信號(hào)后，按紅外信號(hào)的數(shù)據(jù)波形輸出負(fù)脈沖數(shù)據(jù)信號(hào)，紅外信號(hào)輸出到單片機(jī)的P3.2口，該口對(duì)應(yīng)的第二功能是外部中斷0(INT0)，利用該功能，一旦紅外信號(hào)到來，P3.2被拉成低電平，使單片機(jī)中止當(dāng)前的工作并轉(zhuǎn)到接收及處理紅外信號(hào)。開啟中斷功能的目的是：既減輕了單片機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，又保證接收到的紅外信號(hào)的完整性，同時(shí)在手動(dòng)工作狀態(tài)下，單片機(jī)進(jìn)入睡眠后，利用外部中斷功能完成對(duì)單片機(jī)的喚醒。單片機(jī)的P3.3和P3.7口作為I2C存儲(chǔ)器的總線，本電路中使用AT24C02完成對(duì)設(shè)置狀態(tài)和設(shè)置數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。紅外接收電路和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路[2]如圖3所示。

2.3 窗簾框架構(gòu)造設(shè)計(jì)

窗簾框架構(gòu)造設(shè)計(jì)包括窗簾微動(dòng)開關(guān)連接電路設(shè)計(jì)和窗簾架的制作與設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中的微動(dòng)開關(guān)通過電容、電阻組成的復(fù)位電路與單片機(jī)的復(fù)位引腳相連，微動(dòng)開關(guān)安裝在窗簾滑桿上，當(dāng)窗簾移動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，使單片機(jī)復(fù)位，此時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，窗簾停到指定位置。窗簾架的制作方法如下：先加工兩只滑輪作為主動(dòng)輪和從動(dòng)輪，輪子類似皮帶輪，底徑約為25 mm，槽寬和槽深約為4 mm；1根曬衣繩，直徑約為4 mm；在主動(dòng)輪的槽底用膠水粘一圈薄膠皮以增加摩擦力；將主動(dòng)輪固定在電動(dòng)機(jī)軸上，而將電動(dòng)機(jī)固定在窗簾盒的一端，將從動(dòng)輪固定在窗簾盒的另一端，固定時(shí)最好調(diào)節(jié)裝置，用以繃緊拉繩。窗簾桿選用19 mm的不銹鋼管，采用2根桿其目的在于左右窗簾能重合。拉繩的接頭處與左右窗簾的第一環(huán)連接，并固定一鐵片用來觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)[3]。窗簾架的構(gòu)成及窗簾的布置如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中單片機(jī)微處理器的主要任務(wù)是完成對(duì)HS3008接收到的紅外信號(hào)的控制與處理，從而完成對(duì)相應(yīng)控制單元的控制。主程序首先完成初始化，然后啟動(dòng)HS3008等待接收控制指令，進(jìn)行相應(yīng)的輸出操作[4]。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

單片機(jī)對(duì)接收到的紅外信號(hào)控制指令通過P3.2口來完成，其對(duì)應(yīng)第二功能時(shí)為外部中斷0(INT0)，通過接收到不同的紅外信號(hào)脈沖實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。程序中重要的子程序有：串口初始化、串口接收中斷以及紅外信號(hào)處理子程序等。當(dāng)串口設(shè)置完畢、程序初始化后，程序?qū)3.2口進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，一旦檢測到有低脈沖到來，則進(jìn)行解碼后，提取相應(yīng)的子程序以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。當(dāng)接收到手動(dòng)控制信號(hào)時(shí)，則直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)窗簾的拉開、關(guān)閉或停止；當(dāng)接收到半自動(dòng)控制信號(hào)時(shí)，操作者只需按下拉開或關(guān)閉按鈕來程序執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)窗簾拉開或關(guān)閉。對(duì)于電機(jī)如何停止的問題，本設(shè)計(jì)在窗簾滑桿上安裝了微動(dòng)開關(guān)，一旦窗簾拉動(dòng)到指定位置就會(huì)觸碰微動(dòng)開關(guān)，從而送給單片機(jī)一個(gè)低脈沖，單片機(jī)在接收到低脈沖后，則認(rèn)為窗簾已完全拉開或關(guān)閉，調(diào)用程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的停止轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)接收到光控信號(hào)時(shí)，單片機(jī)調(diào)用相應(yīng)的程序，驅(qū)動(dòng)光敏二極管檢測環(huán)境亮度，根據(jù)檢測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)窗簾的拉開或關(guān)閉。電機(jī)的停止也如同半自動(dòng)控制，如此實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)控制。

電機(jī)的工作狀態(tài)還可通過數(shù)碼管顯示出來，程序的編寫很簡單，通過不同的數(shù)字表示相應(yīng)工作狀態(tài)。與此同時(shí)，還可以通過鳴響提示電路提示電機(jī)正在工作，以避免多次按下按鈕使單片機(jī)進(jìn)行誤操作，造成死機(jī)。

基于單片機(jī)的智能遙控窗簾的設(shè)計(jì)，在實(shí)時(shí)性要求較低的測控與采集系統(tǒng)的應(yīng)用中具有很好的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。在國內(nèi)外，自動(dòng)調(diào)光窗簾成為人們家居生活的首選布置。本文介紹的自動(dòng)調(diào)光窗簾利用紅外遙控實(shí)現(xiàn)了其控制功能，在設(shè)計(jì)過程中遇到了一些典型的問題，但采取了相應(yīng)的措施：
(1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)問題。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為5 V，但是經(jīng)過三極管的降壓后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力明顯下降，為了增大電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力，在控制部分與電機(jī)執(zhí)行部分加了4N25光耦隔離，將兩部分隔離開來，外接12 V電壓，以增大電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力。(2)電機(jī)停機(jī)問題。單獨(dú)靠程序來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的停機(jī)，對(duì)時(shí)間控制的要求非常高，且不易實(shí)現(xiàn)。如果通過繼電器來實(shí)現(xiàn)停機(jī)也可以，但由于繼電器響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高，故采用了微動(dòng)開關(guān)，通過送單片機(jī)低脈沖來實(shí)現(xiàn)電機(jī)停機(jī)，實(shí)時(shí)性也很好[5]。