基于51单片机的无线自动窗帘控制系统的设计
摘要：为了实现对国产智能窗帘的无线控制，设计了一套基于51单片机的智能窗帘无线控制系统。智能窗帘可工作在手动模式、自动模式和睡眠模式，可通过按键和手机APP模式切换来实现。通过光敏电阻模块和人体热释电红外传感器采集室内光线照度值和数据并判断是否有人在房间里,然后单片机芯片处理后,控制电机驱动模块实现异步步进电动机的正、反转,从而实现智能窗帘的开启和关闭。通过按键和手机APP控制窗帘的开闭以及定时开关。光线强度、工作模式、窗帘状态和系统时间由LCD1602液晶显示器显示。该系统在实际测试下具有很高的可靠性和安全性，随着智能家居的普及和发展，本设计具有广阔的市场前景。
1 介绍
随着人们生活水平的提高和科学技术的不断进步，人们对智能生活的要求越来越高，而且智能家居的发展速度相当快。智能家居的目的是提高家居的便利性、安全性、舒适性和艺术性，创造节能、环保、智慧的生活环境。智能窗帘是智能家居系统的重要组成部分，具有对家庭窗帘的个性化控制。随着智能家居的不断推广，智能窗帘变得尤为重要。目前,研究智能窗帘系统的许多学者也进行了一系列的研究，如杨亚韩教授设计[1]的基于智能光幕的单片机温度控制系统，孙勇教授设计[2]的通过红外遥控系统自动开闭实现的智能窗帘，以及王琳艳教授设计[3]的基于AT89C52芯片的自动窗帘。虽然智能窗帘控制系统的设计简单、成本低，但它并不能完全做到节约人力和节能，并且难以对该系统进行扩展，同时该系统具有操作不方便等缺点[4]。
本文研究的智能窗帘控制系统设计是以STC89C51单片机芯片作为控制芯片,通过热红外确定房间里是否有人，通过光敏电阻模块收集室内光线照度值,并使用无线WIFI模块作为数据传输介质,使人们通过手机应用程序和按键操作对智能窗帘进行控制。
2 系统概述
智能窗帘整体系统框图如图1所示，可在手动模式、自动模式和睡眠模式下工作，模式切换通过手机APP软件或按键，默认为手动模式 [5]。在手动模式下，可以通过操作按钮电机（A/B）实现开启和关闭窗帘，电机A把厚窗帘拉开(窗帘A)，电机B将薄窗帘拉开(窗帘B)，每打开一扇窗帘，按键都可以单独控制，也可以通过手机APP定时控制来开启或关闭窗帘；在自动模式下，通过采集室内光照度值，将采集到的值与阈值进行比较，控制窗帘的开闭。自动模式实现的前提是人体热释电红外传感器必须探测到人体的存在，否则窗帘始终处于默认状态；当进入睡眠模式时，窗帘会自动提前恢复设置，不会因为室内光线而影响到人们。当窗帘跑到边缘时，自动将压力压入开关，电机停止运行。光强、工作模式、窗帘状态、系统时间由LCD1602液晶屏显示。
图1 系统结构框图
3 系统硬件设计
本文是以STC89C51单片机为核心开发的，具有上电复位、手动复位和晶体复位三种复位电路。由电源电路，按键电路， A/D转换电路，光敏电阻检测电路，人体感应模组电路，电机驱动电路，DS1302时钟电路，LCD1602液晶显示系统控制电路和无线通信模块构成。该系统采用光敏电阻采集光信号，模拟信号采集后将其值输入芯片PCF8591进行A/D转换，通过C51控制芯片和I2C总线读取仿真量和A/D转换获得的数字信号值，以及整个功能转换软件的光照度，包括数据线SDL和时钟线SCL连接PCF8591，而上拉电阻是用来稳定信号的。
4 系统软件设计
整个系统软件流程图如图2所示，当系统开机时，对各个模块进行系统初始化，如果各个模块运行正常，则自动判断模式：当处于睡眠状态时，A和B会拉上窗帘，其他指令均无效。当处于手动模式时，可直接使用按钮控制窗帘的开启和关闭，也可使用手机APP进行精确定时，定时操作最多可在5个时间段内进行，每个时间段的设置包括开启时间和关闭时间。在自动模式下，对室内光敏电阻检测值(ligVol) 设置阈值并进行比对，阈值分为强(高)、中(中)和弱(低)，如果检测到的光值大于最高阈值，窗帘A和B均会关闭；若光线检测值介于最高阈值与中间阈值之间，则关闭窗帘A、打开窗帘B；如果检测到光值在中间阈值与最低阈值之间，则打开窗帘A、关闭窗帘B；如果检测到的光值小于最低阈值，则A和B会打开窗帘。光照强度值、工作模式、窗帘开闭状态、系统时间均由LCD1602液晶屏显示。
图2 系统软件的总体流程
5 数据采集与处理
室内光强采集使用PCF8591数模转换芯片采集的光敏电阻信号，该芯片使用单独集成的独立电源，是4个模拟输入的8位CMOS模数转换器，其功耗较低，有1个模拟输出和I2C串行总线接口。由图2可知，当光敏电阻受到室内光照射时，光敏电阻阻值会随之发生变化，光敏电阻阻值随着光照变强而变小，根据串联电路原理，光敏电阻的电压范围在0-1V之间。PCF8591对CH1通道采集的是电压的光敏电阻器，在内部A/D转换后，将数字信号值通过I2C协议输入单片机得到，最后通过单片机处理室内光值。
6 无线信号传输
本系统采用WIFI无线通信模块，主要实现时间校正、模式切换、光阈值变化、窗帘开闭定时等功能。通过项目协议的具体条款之前,该系统使用的数据查询,发送的手机应用软件相应的字符或数字Uart buf登记,当系统检测到第一个字符是“*”并且第八个字符是“#”，此时说明输入是有效的数据。然后程序开始查询相应的功能，它可以保证正确的信号处理，减少故障。为了简化操作程序，计时功能采用实时比较语法，通过手机APP输入时间，类似于第一个字符是“*”，第8个字符是“#”，在计时的时候有效，并分别在相应的数组中提取，然后与DS1302进行比较，当buf寄存器数据的时间相同的时候，如果要实现相应的函数，本设计最多可以输入5组数据。
7 系统测试和数据分析
为了便于系统演示，本次测试仅采用自动模式自动开关窗帘。开机后，通过手机APP软件，将默认的手动模式(SD)切换到自动模式(ZD)，然后在LCD1602液晶屏幕上可以看到模式中显示的“ZD”字符。然后使用APP输入三种光强阈值，测试值分别是高(高)为80、中(中)为50、弱(低)为30。根据采集的数据和光敏电阻阻值，我们设置阈值，然后由单片机控制步进电机工作。对比具体光强值的操作状态如表1所示。通过改变环境光强来验证四种情况下窗帘的自动模式动作，通过LCD1602液晶屏显示的数据，我们可以清楚地看到窗帘打开了。
表1 光效应比较(单位cd)
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光值比较 |
执行结果 |
光值比较 |
执行结果 |
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80lt;lig Volle;100 |
A打开，B关闭 |
30lt;lig Volle;50 |
A打开，B关闭 |
|
50lt;lig Volle;80 |
A关闭，B打开 |
0lt;lig Volle;30 |
A、B打开 |
通过实际测试可以看出，当环境的光值为17 cd时，窗帘A和B打开;当环境光值为42cd时，则窗帘A打开，窗帘B关闭。当环境光值为59cd时，窗帘A关闭，窗帘B打开。当环境光值为95cd时，当窗帘A关闭时，窗帘B关闭。其中光值的计算是通过PCF8591采集光敏电阻的电压，经过模数转换器转换后输入到寄存器内，然后读取寄存器内芯片的值从而得到的。
8 结论
基于C51单片机设计了一套智能窗帘控制系统，通过无线WIFI模块、光敏电阻检测电路、人体热释电红外传感器和关键电路实现了窗帘的三种工作模式。最后，证明了该系统具有较强的稳定性和操作方便，使智能窗帘的功能更加人性化，提高了人们的生活质量。
基于单片机的智能温控系统设计
摘要:提出了一种基于单片机的智能温控系统的设计方法。智能温控系统分为监控、加热、控制过程和反馈回路四个部分。其中，温度检测电路是通过传感器检测水的电导率来设计的。采用光耦合器MOC3041实现功率控制电路，控制对象为带220V交流电的1千瓦电加热器; 键盘和显示电路SMC1602A包括四个按钮和一个液晶显示屏，用以实现人机交互；基于单片机系统STC89C52，将传感器信号和键盘设定的目标温度自动与电源进行比较，以完成水温控制。通过静态和动态数据测试。结果表明，该方法为实现温度的实时采集和控制提供了一种有效的方法。
关键词:单片机;温度传感器;功率控制;可控硅
1 介绍
温度是表示物体冷热的物理量，是我们生产生活中最基本的物理量之一。温度测量涉及到工农业生产的各个领域。温度控制对于保证工业生产的有效性至关重要。温度控制系统也是真空冶炼工艺[1]的重要组成部分。因此，温控系统被广泛应用于工业化养殖[2]、绿色粮仓[3]、熏蒸治疗[4]、空调系统[5]等。如何通过实时监测数据选择近似最优控制策略成为节能运行的关键因素[6-7]。
温度控制系统采用了多种策略。模糊自整定比例积分导数(PID)算法实现起来简单、有效，在温度控制系统[8]中得到了广泛的应用。为使冷水机组与冷却塔组合系统[9]的性能达到最大，提出了一种每小时重置凝结水温度的最优逼近温度(OAT)控制策略。甄教授提出了一种典型的多变量、大时滞、非线性系统的自提取规则模糊控制(SERFC)方法，在有送风系统和热水系统的室内环境中保持稳定的温度值[10]。基于改进的输入输出反馈(OIF) Elman神经网络和预测原理，设计了一种自适应PID解耦控制器，实现了对双水平流场动态真空(DAFDV)耦合系统[11]的上下游温度的快速、精确、特别独立的控制。
本文研究的重点是软件设计，包括控制不同应用领域温度变化的方法和策略，而温度控制系统硬件设计的研究工作相对较少。但是，如果没有相应的硬件支持，也就无法使用好的方法。本文的主要工作是硬件电路的设计，采用基于单片机开发的智能温控系统，具有控制方便、成本低、灵活性高等优点。实验证明，该设计对提高温度控制的技术指标具有明显的效果。作为硬件支持，我们的控制系统将适用于其他温度控制方法。
2 系统结构设计
控制系统包括监视器、加热器、控制过程（储罐）和反馈回路（温度检测回路）四个单元。图1为所设计的控制系统框图。在图1中，水箱是被控制的对象，水箱的温度由温度传感器检测，然后信号被传送到单片机。单片机将反馈信号和预制信号进行了比较，给出了温度控制量。加热器将收到加热指示。最后，功率控制器可以控制加热管的加热功率，从而实现对系统温度的控制。这里的干扰信号主要是由于与其他物体接触引起的加热功率变化。
图1 控制系统框图
3 系统电路设计
根据控制系统结构图，可以建立电路原理图，如图2所示。本文假定被控对象为封闭式水箱，系统由温度检测电路、功率控制电路、水位检测电路、键盘及显示电路、报警电路和单片机芯片ATP89C52组成[12]。
图2 系统结构图
3.1 温度检测电路
在本部分中，我们使用数字式集成温度传感器DS18B20[13]来检测温度。图3显示了DS18B20的封装图。达拉斯公司设计了一种新一代的“总线”DS18B20，用于生产数字温度传感器，它适用于各种恶劣环境，具有许多优点，如便于连接，温度测量电路简单，体积小，价格低廉，抗干扰能力强等。
图3 DS18B20封装图
3.2 电源控制电路
本文采用光耦合器MOC3041[14]实现功率控制电路，实现了信号的耦合传输，并隔离了干扰的影响。功率控制电路如图4所示。热端口提供加热驱动的输出信号，输出信号通过74LS04逆变器，然后反向信号将驱动光耦合器MOC3041。当热输出高电平时，RP值低，电路处于在线状态，即双向晶闸管和加热电路都通路，然后由电源管对水箱进行加热。
图4 功率控制电路
3.3 水位检测电路
为了节约成本，我们设计了一种利用水的导电性来检测水位的电路。如图5所示，在水箱不同高度分别安装三根金属棒。棒A位于水箱底部，与5 V电源相连；棒B和C代表最低和最高水平，通过电阻接地。当水位低于B时，B、C均高于水面，无电流通过时，B、C状态为“0”，同时系统发出报警信号，少水工程指示灯亮，电磁水阀开启注水；当水位上升到B时，A和B接通，B状态为“1”，C状态为“0”，报警信号消失，正常指示灯工作；当水位上升到C，B、C接通，B、C状态为“1”，多水工程指示灯亮，电磁水阀门关闭，停止注水。
图5 水位检测电路
3.4 键盘和显示电路
四个按键的键盘与单片机P1口直接相连，作为图6（a）中的预制温度输入口设置，选用LCD1602[15]（16times;2字符点阵液晶屏）作为液晶显示电路，可实现预制温度、实时DET等人机交互。温度截面如图6（b）所示。
(a) 键盘电路 (b) 显示电路
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