基于51单片机智能窗帘系统设计与实现

摘要

随着科学技术的不断创新和提升，人们的生活质量也随着不断提高，似乎人们慢慢依赖了智能产品。由于物联网技术发展迅速，在如今，智能家居一概念早已被人们所接受，不少的家庭、企业已拥有这些设施，它相比普通设备有很大的优势。然而它不仅仅存在于生活上，生产、军事、管理等各个领域。由此看来，物联网技术应用越来越广泛，作用也越来越重要。
本文综合叙述了智能窗帘系统的设计与实现。在此次系统设计中，主要由STC89C51单片机为最小系统、光照检测电路、红外控制电路、电源模块、按键模块、LCD1602液晶显示模块、步进电机驱动模块、AD模数转换模块等构成。系统在光线下通过光照传感器采集的光照强度值，然后把采集的模拟量通过AD模数转换成数字信号，以51单片机为控制单元，根据实时光照强度实现窗帘打开和关闭。整个系统在各个模块的分工合作下完成，实现手动控制、自动控制、红外控制、定时控制等功能内在联系。其中按键控制与红外控制为半自动控制，光照检测与定时控制为自动控制。LCD1602液晶显示屏用来显示当前时间、光强值、半自动、自动模块等信息。
关键词:智能家居，智能窗帘，51单片机，步进电机

1 系统方案与总体设计

1.1系统方案

1.1.1单片机主控芯片的选择

方案一：STM单片机工作频率高，运行速度快，是挺适合做本设计系统，但是成本太高，本系统只用于模拟智能光控窗帘系统的设计，所以并不需要成本高的单片机。
方案二：51单片机与其他单片机相比，在相同条件下，它有其他单片机没有的优点，处理性强，低电压，低功耗，系统结构简单，环境适应能力好，价格便宜等优点。
综合以上的单片机的特点，51单片机在不同环境的自适应能力较强，这一方面加强了产品的稳定性，低廉的成本是我国智能窗帘发展的一大优势。因此选用51单片机作为智能窗帘的主控制单元。

1.1.2显示模块的选择

方案一：LED，由发光二极管组成的显示屏。LED在显示方面具有很大的优势，显示比较清晰。例如能显示色彩图像，甚至包括可以播放DVD等功能，价格偏贵。
方案二：LCD，液态显示屏，操作简单，接口相对简单。价格相对于LED较便宜。
综上所述，本系统对显示模块部分要求并不高，能显示数字，字符就可以了。因此选择LCD作为本次设计系统的显示部分模块。

1.1.3按键模块的选择

方案一：矩阵型按键，按键较多，开发比较复杂，但节省了I/O口，不适合少量按键设备。
方案二：独立型按键，每个按键占用一个I/O口，开发比较简单，体积较小，占用空间不大，价格便宜。适合少量按键设备。
综上所述，考虑到整个系统的结构设计，我需要的按键数量不多，占用空间小，所以本系统采用独立按键。

1.1.4红外线控制模块的选择

方案一：蓝牙技术，在无线传输上领域有较为成熟优势，它具有，可穿透障碍物、数据传输方向无限制、传输距离较远、可点对多传输、传输速率也更快，功率低等特点。价格比较昂贵。
方案二：红外线传输数据就比较局限，传输方向有限制（只能以水平方向30度以内），传输距离短，点对点传输。但价格便宜。
综上所述，考虑到设计系统整体功能，无线控制窗帘也是必不可少的一部分，我认为，红外控制窗帘跟电视遥控的想法是一样的，比较传统。当然选择蓝牙肯定会比红外线控制完美，因为红外能完成的，蓝牙能做的更好，但本次设计只是为了效仿智能窗帘系统，考虑到成本，蓝牙的价格也比红外贵，因此本设计系统选用红外线控制无线传输。

1.1.5步进电机驱动芯片的选择

方案一：L298是一种H桥驱动器芯片，可以为负载提供双向电流。适用于驱动2相或4相步进电机。
方案二：ULN2003为极电极开路驱动芯片，ULN2003只能驱动4相步进电机。该芯片可以运转步进电机，它是一个集成电路，由7对达林顿管集成的，该达林顿管具有高电压和高电流。它的承载能力很强。
综上所述，本次设计采用了ULN2003芯片与步进电机的相互配合。由于单片机输入和输出端口的驱动能力的限制，所有信号在连接到电动机之前必须先放大。因此它非常适合本次毕业设计步进电机电路。

1.2可行性分析

从技术层面上分析，选择的方案芯片之类在大学期间接触的不少，在本系统中整体功能逻辑性还是比较好理解，刚好又是运用C语言编写程序，且功能比较简单，编程较易。从自身情况出发，是可以完成的。因此认为以51单片机和光电传感器为核心的智能窗帘系统是可行的。
从经济上分析，智能窗帘系统在市面上价格普降比较昂贵，很多家庭一般不会选择，结合本设计系统，降低了成本，以最大化实现智能窗帘系统，从这方面来看，本系统是可行的。
总的来说，我们已经进入了智能化时代，所以智能窗帘对以后的发展密不可分，它也是未来发展的一大趋势。

1.3系统实现方案

通过上述论证，本系统最终是以STC89C51单片机为核心主控模块，光敏电阻作光照检测模块，负责采集光照强度。以红外控制作为输入信号；系统在光线下通过光照检测模块采集的光照强度值，然后把采集的模拟量通过AD模数转换成电信号；按键模块选择占用多I/O口的独立按键方式，实现对窗帘的控制；经过主控芯片转换后将各个模块数据显示在LCD1602液晶屏上。ULN2003芯片驱动步进电机，驱使其正转或反转。系统结构如图2-1如下。

图 2-1 系统结构图

2 系统控制软件设计

本系统在光线下通过光照检测采集的光照强度值，把采集的数据通过AD模数转换成数字信号，以51单片机为主控芯片，根据实时光照强度实现窗帘打开和关闭。整个系统在各个模块的分工合作下完成，实现自动控制、手动控制、定时控制、红外控制等功能内在联系。主程序的任务是系统初始化，开关中断，对按键进行扫描，判断是否有按键按下，经过分析及处理后，执行相应的手动控制、定时控制、自动控制和红外控制等的指令，这四个模式可以自动互相切换。显示模块是将各个模块信息显示在LCD1602屏幕上。主程序还操控步进电机工作和显示步进电机的工作。系统流程图如下图4-1所示。

图 4-1 系统总流程图

3 总体测试

总设计以51单片机为主控芯片执行窗帘开闭的主要工作；以光敏电阻为检测元件，给单片机提供外界光强变化，实现窗帘的自动打开和关闭；以红外检测电路、按键电路，实现手动控制窗帘。这些数据通过单片机传到LCD1602显示屏上，是步进电机转动的另一种体现。通过系统的总体测试，各个模块相互配合没有问题，整体系统是满足课题要求的。如下图5-11是总体测试其中一张图。

图 5-11 总体测试

4 结论

本系统通过硬件和软件的共同设计实现了这智能窗帘系统，以51单片机作为主控芯片、电源电路、时钟电路、复位电路、显示电路、步进电机驱动电路、红外检测电路、按键控制、光照检测电路等组成。本文详细分析了各个电路的工作原理，以及芯片的使用，融合大学4年学习到的知识，结合到毕业设计。我对51单片机学到了新的知识，有了新的认识。每个部分的引脚工作原理不同，实现不一样的功能。硬件电路的连接是基础。通过此次毕业设计也提升了我的动手能力，比如焊接电路板，安装电路。为以后工作打下良好的基础。
在做毕设的期间，遇到了挺多问题，有些器件并不是很了解，该选择怎样器件会好一点，通过自己不断的问，和努力查找资料，才有了一些了解。最后面慢慢实现光控窗帘，按键控制窗帘，以及红外控制窗帘。在这一方面，不仅学到了如何焊制板子，也学习到了不少器件的属性，算是另外一种收获吧。
当然本毕业设计也有不足的地方，就是主要没加入掉电保护模块，即存储记忆。在关机之后重新启动时会自动恢复到初始设置值，有可能会给人们带来一些麻烦困扰，所以需要在这一方面进行改进。