太阳能智能窗帘系统结构及软件设计

智能窗帘论文范文第四篇：太阳能智能窗帘系统结构及软件设计

　　摘要：文章设计出基于太阳能驱动的智能窗帘控制系统，通过AT89C52单片机进行控制，硬件电路主要包括了电机驱动模块、人机交互模块、传感器模块、显示及操作模块、太阳能驱动充电模块和系统时钟模块共六大模块。该系统不仅总体架构简单，其所实现的功能同样满足日常需求，符合当代智能家居的设计理念，对于目前市场上的智能窗帘供电问题和特殊状况下使用问题提出了有效的解决方案，具有广阔的应用开发前景。

　　关键词： 51单片机；清洁能源；智能家居；

　　作者简介：李子圣（1999-），男，山西太原人，中北大学本科生，研究方向为嵌入式系统开发。；

　　0 引言

　　在现在人们的生活中，智能化家居凭借其便利高效的特点已成为了不可或缺的一部分，具有随外界环境变化实现自动开合功能的智能窗帘同样走进了人们的生活中。目前，市场上的绝大多数智能窗帘系统采用外部电源供电，如果窗帘边没有插座的话，便需要重新布线，既影响美观同时也增加了安全隐患。而对于采用锂电池供电的电机来说，电池充电时需要将窗帘拆卸给增加了不便。由此存在着另一个问题，低价位的智能窗帘在遇到停电等突发情况时窗帘无法正常开合，而支持停电开合的智能窗帘价格均在千元以上，其昂贵的价格无法做到大面积普及。

　　本文设计的这一款智能窗帘控制，以AT89C52单片微控制器作为MCU,硬件电路包含电机驱动模块、人机交互模块、传感器模块、显示及操作模块、太阳能驱动充电模块和系统时钟模块共六大模块，成功解决了当下市场中智能窗帘外部供电和特殊状况下的使用问题，具有广阔的应用开发前景。

　　1 太阳能智能窗帘系统结构设计

　　本系统运行的流程主要是：传感器在未收到用户定时或远程操作的情况下检测当前光照强度、湿度和大气压，在达到用户自己设定的阈值时，自动放下窗帘并且调整开合大小；当检测到光照强度、湿度、大气压低于阈值或接收到用户的开窗帘信号或到达设置的开窗帘时间时，便会自动升起窗帘。而在远成操作模式下，用户可借助蓝牙模块和短信模块，实现窗帘的远程开合功能。

　　图1 系统整体结构框图

　　1.1 主控芯片

　　主控芯片我们使用来自ATMEL公司生产的AT89C52芯片，其性能既可以满足本设计系统的性能，并且价格低廉。

　　1.2 光敏电阻模块

　　光敏电阻是实现光线亮度自动检测的主要元器件，其阻值随着光线亮度变化从而输出相对应的高低电平，并将电平模拟量通过ADC0832模数转换芯片转化为数字量传输给单片机，与所设定的光照强度阈值对应的电平进行比较，判断当前是否需要进行打开窗帘或关闭窗帘的动作，并且将当前环境温度通过2.2寸LCD液晶显示屏进行显示。

　　其光敏电阻模块的工作原理为：在外部环境光照较强的状态下，光敏电阻表现出低电阻值的状态；在外部环境光照较暗的状态下，低电平输入单片机。同时由于光敏电阻输出的是连续的模拟电平信号，必须通过ADC模数转换器（Analogto-digital converter）将其模拟电平信号转换成离散的数字电平信号并输入单片机接口，才能使电机驱动模块正常工作，让电机进行顺时针方向或逆时针方向转动来实现窗帘的开合。

　　图2 光敏电阻模块电路图

　　1.3 温度传感器模块

　　图3 温度传感器模块电路图

　　使用温度传感器为DS18B20,其具有抗干扰能力强、响应速度快、性价比高、工作温度范围大的特点。DS18B20属于单总线专用芯片，接口简单且硬件开销低。同时采用镀锡引脚，抗氧化且不易生锈，充分保障了在不同环境下系统的正常工作。

　　1.4 气压传感器模块

　　使用气压传感器的核心芯片为MPX4115,集成了片上技术、双极运算放大器和薄膜电阻网络，可以提供高输出信号和温度补偿。其原理是利用弹性应力和大气压力相互平衡的特点，通过MPX4115芯片测量设备内置真空金属膜盒所受弹性应力，通过数模转换器后得出精准的大气压力。

　　图4 气压传感器仿真模块图

　　1.5 时钟模块

　　时钟模块采用了内部时钟方式，在其输入端XTAL1和输出端XTAL2加上两个30皮法的电容构成振荡电路，一般的晶振频率在1.2M赫兹到12M赫兹之间，考虑到本系统设计对于时钟并没有特别要求且正常频率即可满足，所以选择12M赫兹晶振驱动电路。

　　图5 时钟模块和复位功能仿真电路图

　　同时考虑到在系统的调试过程中或许会出错，需要随时复位，本设计增设了复位电路，起到保护的作用，避免出现CPU误读程序或是死机等现象。在这里我们采用了手动按键复位方式，在单片机输入端RST上加上一个高电平，这样便可以在电源正VCC端与RST端增设加一个复位按键，当运行出错时手动按下复位键即可完成复位功能。

　　1.6 人机交互模块

　　室内通信采用HC-05蓝牙模块，当用户在室内发送指令的时候，经由该系统便可以可将指令从手机内置的蓝牙串口助手直接发送至控制系统，从而实现窗帘的人工控制升降升降。室外通信则采用GPRS A6-B mini短信模块实现接收短信功能，将该模块外接于在控制电路上，当用户位于户外时，可以通过发短信的方式实现远程控制。

　　1.7 电机模块

　　窗帘升降的动力借助于ULN2003电机驱动模块来驱动四相六线的5V步进电机来完成。其原理来自对单片机发出脉冲的感应，步进电在接受脉冲后便自动旋转角度，根据脉冲数，电机将决定转角幅度，脉冲数越高，旋转角度越大，最终根据脉冲数来决定窗帘的全开全闭或者半开半闭。由引脚P3.0、P3.1、P3.2和P3.3控制别用以控制步进电机的四相。

　　图6 步进电动机驱动模块仿真电路

　　1.8 太阳能驱动模块

　　该部分主要由太阳能电池板及蓄电池、开关控制电路、降压模块和过冲、缓冲保护电路共四个部分所组成。所用太阳能电池板型号为APM36M100W108X80,尺寸为800mm×1080mm×40mm,可提供100W的能量。蓄电池考虑到家用电池需要较好的容量放电性能以保证其可靠性，这里我们选用户用型的GEL蓄电池，同时GEL蓄电池充电后可以保证其回复电量在实际电池容量的95%以上，具有及其可靠的均衡性。降压模块采用芯片7805降压，将蓄电池提供的12V直流电压转成5 V的直流电压。同时出于保证蓄电池的可靠稳定和防止电池过充现象的目的，本设计增设了过冲和缓冲保护电路。

　　图7 太阳能开关控制电路

　　图8 过冲、缓冲保护电路

　　1.1 0 显示及操作模块

　　按键模块电路起到了连接系统和操作界面的作用，本系统选用电容触摸按键，借助其高灵敏度和强抗干扰能力，保证了单片机对用户指令的快速响应，同时确保了指令准确率高、误差小。本设计中所使用的液晶显示模块型号为LCD12864,用户可以在液晶显示模块中获取到当前时间、外界光照强度、外界温度、外界大气压和当前操作模式等信息。

　　2 系统软件设计

　　AT89C52单片机控制模块程序以Keil Vision3软件为编程环境，使用C语言进行编程。89C52单片机模块是系统的控制模块，其核心功能是当亮度、温度和气压同时达到一定条件时，窗帘开启，在窗帘开启过程中，如果环境变化则不影响窗帘的开启，而是等开启动作完成后根据环境状况再进行动作。当亮度、温度和气压达到窗帘关闭的条件时，窗帘关闭，并且在关闭过程中，如果外界环境变化则不影响窗帘的关闭，待关闭动作完成后再根据环境状况进行相应动作。其主要动作流程为：传感器在未收到用户定时或远程操作的情况下检测当前光照强度、湿度和大气压，在达到用户自己设定的阈值时，自动放下窗帘并且调整开合大小；当检测到光照强度、湿度、大气压低于阈值或接收到用户的开窗帘信号或到达设置的开窗帘时间时，便会自动升起窗帘。

　　主程序采用循环结构，主要完成单片机的初始化、液晶屏显示内容初始化、按键扫描、电机运行，计时等功能。同时循环检测各个端口是否有数据发送以及异常信号，如果发现则根据具体内容采取相应行动。

　　3 结语

　　最终测试采取人工测试方式，包括显示数据可靠性、电机转动可靠性、光敏电阻感光可靠性和远程控制可靠性。经测试，系统所有功能运行正常，远程控制响应时间较短，各模块间配合较好，该智能窗帘系统设计成功实现了利用太阳能这种可持续清洁能源，解决了目前市场上的智能窗帘供电问题和特殊状况下使用问题，具有广阔的市场发展前景。

　　参考文献

　　[1]蔡江林，贾黎明，方信佳基于太阳能驱动的自动辅窗设计电子制作，2016,（11）：9-10.

　　[2]游佳，易红梅，李明璐基于STC89C52单片机的智能窗帘控制系统。西部皮革2018, 40（22）：72.

　　[3]朱旭陈，姜凌云，汤东扬，薛同川，张勤龙，周学礼基于单片机的节能型智能窗帘设计常熟理I学院学报，2019,33（5）：38-42.