智能家居系統中自動(dòng)窗簾控制系統的設計實(shí)現

隨著(zhù)高新技術(shù)及電子器件的發(fā)展，光控、溫控及遙控窗簾應運而生，給人們的生活帶來(lái)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)現提供了依據，為此，研究與設計智能窗簾控制系統具有深遠的現實(shí)意義。


1 系統總體設計與工作原理

本系統由單片機、紅外接收、光敏測光、電機驅動(dòng)、數碼管顯示以及鳴響提示模塊組成。主要應用模塊的選擇包括電動(dòng)機驅動(dòng)模塊的、PWM調速方式、PWM調脈寬方式、PWM軟件實(shí)現方式的選擇。其中，電機驅動(dòng)模塊的選擇采用由達林頓管組成的H型PWM電路；PWM調速工作方式采用單極性工作制；PWM調脈寬方式選擇采用定頻調寬方式；PWM軟件實(shí)現方式采用軟件延時(shí)方式。智能窗簾設計所需的關(guān)鍵芯片及器件有：?jiǎn)纹瑱CAT89S52、直流電動(dòng)機、三相穩壓器78L05、儲存芯片CAT24WC02以及光耦4N25。系統總體框圖如圖1所示。

該窗簾控制系統采用AT89S52單片機的最小系統設計，可以實(shí)現使用紅外遙控器進(jìn)行遠程手動(dòng)開(kāi)、手動(dòng)關(guān)和手動(dòng)?？刂?，數碼管顯示窗簾的開(kāi)、關(guān)，可以通過(guò)自行設定相應的數字表示；也可以按事先輸入的開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行時(shí)間控制，數碼管顯示當時(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；還可以根據室外環(huán)境亮度實(shí)現光控，即窗簾的自動(dòng)控制，由驅動(dòng)數碼管顯示出當時(shí)的狀態(tài)。紅外窗簾遙控控制器通電默認當時(shí)時(shí)間是8點(diǎn)鐘。在3種工作方式下，數碼管均按時(shí)分法顯示時(shí)間、工作方式和工作狀態(tài)。每一組數據由5個(gè)數字組成，前4個(gè)數字順序顯示時(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)亮表示電機工作時(shí)發(fā)出鳴響提示，不點(diǎn)亮表示電機工作無(wú)提示；右上角的“豎”點(diǎn)亮表示整點(diǎn)報時(shí)開(kāi)啟，不點(diǎn)亮表示無(wú)整點(diǎn)報時(shí)。左下角“豎”點(diǎn)亮表示窗簾正在打開(kāi)，右下角“豎”點(diǎn)亮表示窗簾正在關(guān)閉。


2 硬件電路設計

該窗簾控制系統電路分為8個(gè)部分：電源、顯示、光控電路測光、電機控制執行、紅外接收、鳴響提示、數據存儲、單片機主控器件。其中，電源部分通過(guò)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(guò)三端集成穩壓器穩壓后輸出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5號普通電池提供直流電源。

2.1 光采集電路設計

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P3.4處于高電平時(shí)，P3.4的高電壓通過(guò)GM1的正向電阻向C3充電；當P3.4被單片機拉低為低電平時(shí)，C3通過(guò)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。適當控制P3.4的拉低脈沖寬度，使得C3放電工作在線(xiàn)性比較好的工作段上。P3.5用來(lái)檢測C3在P3.4拉成低電平期間的放電電壓狀態(tài)，當C3電壓降到小于1/2VCC后，P3.5測得數據“0”，反之測得數據“1”。為了減小P3.5對C3充放電的影響，C3充放電電壓通過(guò)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RC充放電電路的影響。

2.2 紅外接收電路及數據存儲部分設計

紅外接收電路使用型號為HS3008的集成型紅外接收器，靜態(tài)時(shí)輸出端輸出高電平，當接收到紅外信號后，按紅外信號的數據波形輸出負脈沖數據信號，紅外信號輸出到單片機的P3.2口，該口對應的第二功能是外部中斷0(INT0)，利用該功能，一旦紅外信號到來(lái)，P3.2被拉成低電平，使單片機中止當前的工作并轉到接收及處理紅外信號。開(kāi)啟中斷功能的目的是：既減輕了單片機的工作負擔，又保證接收到的紅外信號的完整性，同時(shí)在手動(dòng)工作狀態(tài)下，單片機進(jìn)入睡眠后，利用外部中斷功能完成對單片機的喚醒。單片機的P3.3和P3.7口作為I2C存儲器的總線(xiàn)，本電路中使用AT24C02完成對設置狀態(tài)和設置數據的儲存。紅外接收電路和數據存儲電路[2]如圖3所示。

2.3 窗簾框架構造設計

窗簾框架構造設計包括窗簾微動(dòng)開(kāi)關(guān)連接電路設計和窗簾架的制作與設計。本設計中的微動(dòng)開(kāi)關(guān)通過(guò)電容、電阻組成的復位電路與單片機的復位引腳相連，微動(dòng)開(kāi)關(guān)安裝在窗簾滑桿上，當窗簾移動(dòng)到預定位置時(shí)，觸動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，使單片機復位，此時(shí)電機停轉，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(lèi)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)機軸上，而將電動(dòng)機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)最好調節裝置，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(lái)觸動(dòng)微動(dòng)開(kāi)關(guān)[3]。窗簾架的構成及窗簾的布置如圖4所示。

3 系統軟件設計

本系統中單片機微處理器的主要任務(wù)是完成對HS3008接收到的紅外信號的控制與處理，從而完成對相應控制單元的控制。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)行相應的輸出操作[4]。系統流程圖如圖5所示。

單片機對接收到的紅外信號控制指令通過(guò)P3.2口來(lái)完成，其對應第二功能時(shí)為外部中斷0(INT0)，通過(guò)接收到不同的紅外信號脈沖實(shí)現相應的操作。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處理子程序等。當串口設置完畢、程序初始化后，程序對P3.2口進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，一旦檢測到有低脈沖到來(lái)，則進(jìn)行解碼后，提取相應的子程序以實(shí)現對電機的控制。當接收到手動(dòng)控制信號時(shí)，則直接對電機進(jìn)行控制，實(shí)現窗簾的拉開(kāi)、關(guān)閉或停止；當接收到半自動(dòng)控制信號時(shí)，操作者只需按下拉開(kāi)或關(guān)閉按鈕來(lái)程序執行，從而實(shí)現窗簾拉開(kāi)或關(guān)閉。對于電機如何停止的問(wèn)題，本設計在窗簾滑桿上安裝了微動(dòng)開(kāi)關(guān)，一旦窗簾拉動(dòng)到指定位置就會(huì )觸碰微動(dòng)開(kāi)關(guān)，從而送給單片機一個(gè)低脈沖，單片機在接收到低脈沖后，則認為窗簾已完全拉開(kāi)或關(guān)閉，調用程序實(shí)現電機的停止轉動(dòng)；當接收到光控信號時(shí)，單片機調用相應的程序，驅動(dòng)光敏二極管檢測環(huán)境亮度，根據檢測結果，實(shí)現窗簾的拉開(kāi)或關(guān)閉。電機的停止也如同半自動(dòng)控制，如此實(shí)現窗簾的自動(dòng)控制。

電機的工作狀態(tài)還可通過(guò)數碼管顯示出來(lái)，程序的編寫(xiě)很簡(jiǎn)單，通過(guò)不同的數字表示相應工作狀態(tài)。與此同時(shí)，還可以通過(guò)鳴響提示電路提示電機正在工作，以避免多次按下按鈕使單片機進(jìn)行誤操作，造成死機。

基于單片機的智能遙控窗簾的設計，在實(shí)時(shí)性要求較低的測控與采集系統的應用中具有很好的發(fā)展前景和應用價(jià)值。在國內外，自動(dòng)調光窗簾成為人們家居生活的首選布置。本文介紹的自動(dòng)調光窗簾利用紅外遙控實(shí)現了其控制功能，在設計過(guò)程中遇到了一些典型的問(wèn)題，但采取了相應的措施：
(1)電機驅動(dòng)問(wèn)題。電機的驅動(dòng)電壓為5 V，但是經(jīng)過(guò)三極管的降壓后，電機驅動(dòng)能力明顯下降，為了增大電機驅動(dòng)能力，在控制部分與電機執行部分加了4N25光耦隔離，將兩部分隔離開(kāi)來(lái)，外接12 V電壓，以增大電機的驅動(dòng)能力。(2)電機停機問(wèn)題。單獨靠程序來(lái)實(shí)現電機的停機，對時(shí)間控制的要求非常高，且不易實(shí)現。如果通過(guò)繼電器來(lái)實(shí)現停機也可以，但由于繼電器響應時(shí)間慢、機械結構易損壞、壽命較短、可靠性不高，故采用了微動(dòng)開(kāi)關(guān)，通過(guò)送單片機低脈沖來(lái)實(shí)現電機停機，實(shí)時(shí)性也很好[5]。