拟 “向日葵”感光式智能窗帘系统设计

熊建桥，薛 飙，马 远，吴在罗，丁 超

（南京工程学院 机械工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

随着现代社会的高速发展，人们对室内设计智能化的要求也越来越高，相对于传统的窗帘，智能窗帘更能满足人们对品质生活的追求。本设计通过感知光强度而改变百叶窗的透光度，能自动调节百叶窗旋转角度和开合的系统。用一个红外遥控器就能控制和监测住房的窗帘开合，加之以感光，定时，声控等功能，使窗帘的使用操作简单化、智能化，人性化，给人们日常生活带来极大的方便。这些都将改变人们传统的生活方式，并提高了人们的生活质量。

1 总体设计

本系统主要由以STC89C52RC为控制核心，采用模块化设计，以实现各个功能。控制系统总框图如图1所示。

系统具有以下功能：①光控调节功能：当用户无暇顾及窗帘的开合程度时可以打开光控调节功能，单片机会自动获取信息，调节室内光照强度，使室内一直处于舒适的光照环境；②声控控制功能：用户可通过声音控制窗帘开启闭合；③定时工作功能：本功能中用户可以预先设定窗帘的开启或者关闭的时间，即使用户不在也可以控制室内的照明情况，让用户一进家门就可以感受到愉悦的光照；④红外遥控功能：用户可以通过遥控器对窗帘的开合角度进行控制，避免了手动窗帘的麻烦。

图1 控制系统总框图Fig.1 The control system block diagram

2 硬件设计

控制系统的核心是STC89C52 单片机，是一种低电压、高性能CMOS8位单片机。支持在线编程，可基本满足编写程序的需求；集成度高、体积小、可靠性强，具有极高的性价比；低电压、低功耗，具有很强的控制功能[1]。

本系统通过单片机协调好各模块之间的关系，充分发挥每个模块的功能。系统由输入、输出两大部分组成，下面分别介绍系统的各个模块。

输入部分如图2所示，由光电管采集外界光的光强，光电管的电阻随着光的强度增加而减小，测量得到的电压即随之变化。AD 转换器将电压信号转换为数字信号，由此可设定电机的正反转与光强所对应数值范围的关系。故此可根据太阳光照射的强度随时控制百叶窗的开合角度，调节室内光照强度，使室内一直处于舒适的光照。AD 转换电路选用ADC0804 芯片，它是一个8位单通道的A/D 转换器，模数转换时间大约100μs，方便的TTL 或CMOS 标准接口，可满足差分电压输入；单电源工作时（0～5V）输入信号电压范围是0～5V[2]。

定时工作电路由单片机的定时中断来实现。通过红外遥控功能设定定时时间，在数码管上显示，定时时间到，蜂鸣器报警，百叶窗合上。

红外遥控电路：红外接收二极管其实就是一种光电二极管，它的内阻由射入管内的光通量决定，无红外光照时为几兆欧，有红外光照时仅为几千欧姆。接收到的红外信号转换成的电信号非常微弱，所以这个信号必需通过放大器放大后才能用于对电路的控制。而这个放大器除了应有高的放大倍数外，还应该是低噪声并具有对信号波的解调能力，滤除信号载波，只留下有用的调制信号。设计选用红外接收头HS0038B，HS0038B 是集成红外接收、放大、滤波和比较器输出的模块，主要有以下优点：①单一的接收器和前置放大器的组合；②灵敏度高；③内置滤波器；④抗干扰强；⑤与TTL 及CMOS兼容，适用于微处理器操作与控制；⑥低功耗。HS0038B 红外接收二极管主要用于接收频率为38kHz的红外线。当接收到38kHz的红外信号时，输出端1 脚为低电平。当接收到的红外信号频率不是此频率或没有接收到红外线信号时，则输出端1 脚为高电平。由于接收头输出的信号为标准的TTL 电平，因此，可以直接将接收到的信号送入单片机的接收端RXD 进行信号处理。

声控电路可以检测声音强度，当声音强度达不到设定阈值时，OUT 输出高电平，当声音强度超过设定阈值时，模块OUT 输出低电平。

温控电路使用DS18B20 温度传感器来采集现场环境温度。DS18B20 是单线数字温度传感器，具有体积更小、使用电压更宽、更经济等优点。测量温度范围为-55～+125℃，在-10～+85℃范围内精度为±0.5℃。温度直接用 “一线总线”的方式传输，大大的提高了系统的抗干扰性。还可由程序设定9～12位的分辨率，使用方便[3]。DS18B20 是单线通信，单片机通过此线向DS18B20 发送指令，DS18B20 也通过此线将采集到的温度传回来。

输出模块如图3所示，由蜂鸣器电路、步进电机驱动电及显示电路几部分组成。

系统中报警部分主要采用蜂鸣器报警，当定时时间到或温度，声音超过预定值时蜂鸣器就会报警来提示百叶窗完全合上[4]。

图2 输入模块电路Fig.2 Input module circuit

图3 输出模块电路Fig.3 Output module circuit

步进电机驱动电路采用UNL2003 来驱动步进电机。ULN2003 是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器[2]。最大驱动电压为50V、电流为500mA、输入电压为 5V，适用于TTL、COMS 电路等达林顿管组成的驱动电路。步进电机选用的型号为42H4630的两相步进电机。UNL2003的可驱动此步进电机。

定时及显示电路采用一款高速CMOS 器件74HC573， 其引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。并包含8 路D型透明锁存器，每个锁存器具有独立的D 型输入，以及适用于面向总线的应用的三态输出。所有锁存器共用一个锁存使能（LE）端和一个输出使能（OE）端。当LE为高时，数据从P1 口输入到锁存器，在此条件下，锁存器进入透明模式，也就是说，锁存器的输出状态将会随着对应的P1 口输入每次的变化而改变。当LE为低时，锁存器将存储D 输入上的信息一段就绪时间，直到LE的下降沿来临。当OE为低时，8个锁存器的内容可被正常输出；当OE为高时，输出进入高阻态。OE 端的操作不会影响锁存器的状态。数码管采用的是两个四位共阳极数码管。

3 软件设计

本设计在keil 环境中采用C 语言编程[5]，软件主程序框图如图4所示。软件程序设计要实现遥控、声控、温控、显示、电机驱动调速等相应功能，实时控制部分放入中断处理。

图4 软件主程序框图Fig.4 Software main diagram

4 调试

本设计首先在面包板上对主要模块进行了实验性调试，调试过程中遇到了线路接触不良、程序设计不够优化等问题。经过多次调试，最终排除了线路接触问题，主要模块能在面包板上按照设计顺利运行。软件程序设计经多次修改，最终成功调试通过。试验用窗帘及控制器如图5所示。

5 结论

图5 试验用窗帘Fig.5 Test curtains

“向日葵”智能窗帘系统不但具有一般窗帘功能和美观装饰效果，更可以根据入射光强度调节窗帘的开合与旋转角度，并且结合声控，遥控，定时等功能，将来在感光元器件上还可结合太阳能电池板，为系统提供能源，从而自动调节室内透光度，平衡室内外温差，保证人体的舒适度和健康状况。系统除了为用户提供了极大的方便，弥补普通窗帘需手动操控的一些缺陷外，更重要的是还符合当前绿色低碳等环保观念。体现了智能化的生活家居的发展趋势，相信将在智慧家电、智能小区等方面得到广泛应用。

[1]熊建桥，赵方伟，李小龙.基于STC89C52 单片机的智能电风扇设计[J].机电产品开发与创新，2011，1.

[2]郭天祥.新概念51 单片机C 语言教程入门、提高、开发、拓展全攻略[M].电子工业出版社，2009.

[3]马云峰.单片机与数字温度传感器DS18B20的接口设计[J].计算机测量与控制，2007，4.

[4]彭军.实用电子技术[M].科学出版社，2006.

[5]廖雷.C 语言程序设计基础[M].高等教育出版社，2004.