感光升降窗帘电气控制系统设计

孙 伟，包西平，张 斐，陈 里，荆 莹

（徐州工业职业技术学院，江苏徐州 221140）

0 引言

高科技、智能化随处可见，让生活越来越便捷、舒适。而伴随着21 世纪人类在智能控制算法和电子技术方面的突破，最初的基于模拟元件的电子家用电器逐渐被智能化家居所取代[1]。现如今许多新装修的房子会选择智能窗帘，而现在楼房又是近花园式设计，其中低楼层周围会有来往人流车流，传统窗帘收卷方式主要为左右移动式和上卷式，当打开窗户时，窗户的一侧，比如左右移动式的左侧或右侧、上卷式的下侧均处于暴露位置，来往人流、车流会观察到室内情况，影响到室内的隐秘性。

另外，现有窗帘无法根据室外光线的强弱自动收卷调节，需要人工经常性操作，比如当太阳刚刚升起时，人工打开窗帘至一定的位置，但当太阳升起时，此时窗帘需要人工再次打开窗帘实现采光的完全，造成人工频繁操作，因此采光和隐秘无法兼得，为使用者带来很大苦恼。

本设计就是为了解决以上问题，具体涉及是一种智能的感光升降窗帘，其主要功能是感知窗外的光照强度然后进行判断窗帘的打开和关闭。此过程不需要人为操作，由智能窗帘内部控制器进行控制。

智能感光升降窗帘其结构简单，根据光线强弱实现遮光装置从上到下的收卷，采光效果更好，并且隐秘性更好，适用于家庭、办公室、宾馆等场所使用。

1 智能窗帘总体方案研究与设计

1.1 感光升降窗帘的关键技术分析

在本次设计中，主要运用了传感器技术、单片机技术、步进电机驱动技术等结合来达到让智能窗帘自动化和智能化。根据室外光强度的状况自动改变窗帘的开合，为室内带来充足的光照。而且在未来的发展趋势中，还能根据室内空气湿度、温度以及室外的环境状况如下雨、起雾、阴天等，进行分析判断来控制窗帘的各种功能。

1.2 设计的总体方案

主控为51系列单片机，通过硬件、软件的设计来完成窗帘的控制要求。硬件主要是驱动部分也就是执行元件，选择的驱动电机是步进电机因此还需要步进电机驱动器来驱动，通过步进电机的选择来控制窗帘的打开和关闭。还有输入部分主要有按键控制、远程控制、光敏模块、限位。使用软件Keil 5、运用C语言进行软件的编程来实现控制要求。通过实物调试完成所设计的功能。

图1 智能窗帘控制装置连接示意图

智能窗帘控制装置连接如图1 所示，图中控制器的作用主要是数据的接收、处理、发送；感光装置是本设计的核心其作用是采集光照强度然后送给控制器进行处理；按键装置和遥控装置为整个系统的手动控制，采用了固定在窗帘下方位置的按键控制，和能够远程控制的遥控控制两种方法相结合可以防止遥控装置丢失时或没电时窗帘无法进行手动控制。驱动电机是整个系统的执行装置通过控制器进行控制主要是电机的正转和反转来带动遮光装置的升降。限位装置的作用是保护窗帘防止电机运转超程。

2 感光升降窗帘的硬件设计

2.1 硬件系统的基本组成

系统的硬件结构如图2所示。使用的控制器是STC推出的新一代超强干扰/高速/低功耗的单片机STC89C52，控制的对象是步进电机，步进电机通过联轴器与丝杠连接，来控制窗帘的打开和关闭。

控制方法是通过光敏模块采集光照强度，判断是否需要打开或者关闭窗帘，还有红外遥控器和机械按键来控制电机的正转、反转、停止以达到窗帘的打开、关闭。

图2 硬件结构

2.2 核心电路的设计

主要电路的设计包括电源电路和串口下载电路。图3 所示为电源电路，控制器电源供电为USB 供电接口，供电接口是由连接线和Micro USB 母头构成，主控芯片需要电源时可以直接使用安卓充电线连接在上位机USB 端口5 V 电压上为其供电。在总体设计中还添加了供电控制开关、LED 显示电源等。

图3 USB供电接口电路图

图4所示为USB转TTL的电路图，也是串口下载电路。串口下载电路使用的芯片是CH340T转接芯片进行软件烧录的功能实现，CH340T是一个USB总线的转接芯片，可以实现USB转串口、USB转IrDA红外或者USB转打印口，CH340T芯片支持5 V 电源电压或者3.3 V 电源电压。当输入外部的3.3 V 电源时与CH340T 芯片相连接的其他电路的工作电压不能超过3.3 V[2]。本设计采用DC 5 V供电，需要在V3引脚外接容量为4700 PF 的电源退耦电容，VCC 引脚则是需要输人外部5 V电源。

图4 USB转TTL的电路图

2.3 功能模块的设计

光敏模块的选择，本设计选择光强度传感器BH1750FVI[3]为光敏模块。光强度传感器BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器；采集范围：1～65535 lx；最小误差变动在±20%。其重要参数如表1所示。

表1 重要参数

红外控制模块的设计方法是使用红外遥控器向红外接收头发送数据，经过单片机处理后送给执行元件达到控制。红外发送部分是红外遥控器，其上有很多的按键，设计使用的共有3 个按键，分别是开关键、←键、→键，开关键是停止、←键是打开窗帘、→键是关闭窗帘。选择的红外接收头型号为VS1838B，它是一种几乎能够接收市面上所有红外遥控器信号的红外接收头，红外接收头的3个引脚，3引脚是接VCC、2 引脚接地、1 引脚与单片机的p32 相连接。如图5 所示。另外，还增加了矩阵按键设计进行近距离控制窗帘。

图5 红外接收头电路原理图

2.4 步进电机驱动模块的设计

本设计按照需求选用了上海步科自动化有限公司生产的型号为Kinco 3M458 的步进电机驱动器，它是一款细分型[4]高性能步进电机驱动器。步进电机[5]是一种将电脉冲转化为角位移的执行器。用脉冲来达到角位移，达到控制步进电机的转速和方法。其工作方式可分为功率式和伺服式，功率式电机输出转矩较大，适合使用在大负载场合，伺服式的步进电机输出转矩小，只能使用在较小负载场合[6]。

设计采用的是三相六线步进电机3S57Q-04079 驱动模块作为驱动源，利用丝杠和皮带进行控制窗户的拉开与闭合。为增强主控的驱动能力还需加装步进电机驱动器Kinco 3M458。为了安全还需要在窗帘的两端按装限位开关以达到保护作用。

驱动器使用的是共阳接线方式，如图6 所示。因为是三相六线步进电机，所以接法为绿色电线、黄色电线接W 端口；蓝色电线、白色电线接V 端口；红色电线、银白色电线接U端口。

图6 步进电机与驱动器连接方式图

3 感光升降窗帘的软件设计

3.1 感光升降窗帘系统的开发环境

本文智能窗帘的开发环境为μVision5[7]，它是美国Keil Software 公司出品的51 系列兼容单片机C 语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起，兼容Cortex-M3 内核架构，具有工程管理，源代码编辑、模拟仿真等功能[8]。

3.2 软件开发和程序运行流程

程序总流程图设计如图7所示

图7 程序总流程图

3.3 核心电路软件设计

图8 核心电路组成图

在核心电路中主要介绍的是串口电路，其余电路不需要进行软件的设计。图8所示为核心电路组成框图。串口电路的使用需要上位机必须先安装所需要的驱动和stc-isp-15xx-v6.86 D 程序烧录软件，才能将编译好的程序通过串口电路写进STC89C52芯片中。

3.4 外围功能电路设计

外围功能电路设计如图9所示。

图9 外围功能电路框图

3.5 主程序的编写

主程序编写如图10所示。

图10 主程序截图

4 结束语

本文研究的重点是智能窗帘的控制部分，机械部分只有少许介绍。通过硬件设计和软件设计成功地完成感光升降窗帘的控制，能够实现根据光强度的变化通过控制器进行控制窗帘的打开和关闭，还拥有红外远程遥控和按键控制两种控制的方法。

智能窗帘的功能不止这些，还有更多的功能等待着人们的研究与开发，只有深入研究才能发现和设计出更好的东西并制作出来为人们服务，给人们带来便利、舒适的生活。