基于单片机的智能电动百叶窗设计

李 阳，高 键，苏永刚

（1.江苏科技大学 江苏 镇江212003；2.常州信息职业技术学院 江苏 常州213164）

基于单片机的智能电动百叶窗设计

李 阳1，高 键1，苏永刚2

（1.江苏科技大学 江苏 镇江212003；2.常州信息职业技术学院 江苏 常州213164）

随着社会的进步和人们生活水平的不断改善，人们对居住舒适度的要求越来越高，其中一项就是对遮阳和通风的需求。百叶窗作为一种普遍的遮阳设施，可通过调整叶片角度来控制室内太阳的热量，减少系统冷负荷，从而达到节能的目的。本论文主要阐述了以单片机控制技术为核心，系统主要由单片机主控模块，无线接收模块，LED数码管显示模块，电机驱动模块，电源模块和百叶窗窗体结构组成。其中系统采用了2.4G模块接受无线数据，并将数据传送到STC15F2K16S2单片机进行解码，然后输出到单片机主控模块从而达到驱动电机转动进而对百叶窗进行控制。

伺服电机；直流减速电机；单片机；2.4G模块；百叶窗；无线遥控

近年来，由于电子技术的发展，使得窗户的自动开关或者遥控开闭能够在生活中得到应用，从而使得传统的住宅窗户结构正在发生深刻的变化。“电动百叶窗”通过使用电机带动叶片升降代替传统百叶帘手拉的传动方式，具有突破性的创新，使其在操作过程中更加简便和随心所欲。由铝材、木材或PVC等材料制作而成的百叶具有自动翻转功能，能够更加精确的调节室内的自然采光程度，根据室内用户的需要来调节光线的取入，实现最好的视觉舒适度［1］。电动百叶窗可以有效的阻隔紫外线及阳光直射，防止“温室效应”的产生，因而有利于整个楼宇的保温隔热效果，有利于节能［2］。它采用进口220 V交流管状电机，电机噪音小，旋钮式行程调试，行程控制精确、可靠等优点。

1 方案的设计

无线的选取：可以采用红外遥控和2.4G无线遥控。由于红外［3］的指向性比较强，当用户使用红外［4］进行遥控时，需要对准每个百叶窗，使用特别的不方便。2.4G无线遥控［5］发射无线信号不具有指向性，对着房间任意一角度都可以对百叶窗进行遥控，使用更为方便，所以本文采用2.4G无线遥控对百叶窗进行控制［6］。

直流减速电机的选取：由于直流减速电机的体积小，力矩大，价格低廉，只需要控制百叶窗升降，不需要更高级的电机，这样可以降低生产成本。

伺服电机的选取：伺服电机是控制百叶窗的合闭的。当每按下一次合闭按钮时，STC15F2K16S2给伺服电机发送一信号，伺服电机转动一角度即百叶转动一角度，直到正转到终点，百叶窗也完全打开［7］。

2 电路设计图

2.1 主电路的设计

主电路的设计如图1所示。

电路设计运用了升压电路、稳压电路、2.4G模块、8051单片机［8］（STC15F2K16S2）、伺服电机、直流减速电机、H桥以及运放等。由于电池的电压不足，使用升压电路将3V电压升至5V，给STC单片机供电。稳压电路将2.4G模块的电压稳定在3V。2.4G模块具有地址编码功能，将卧室里的各个百叶窗进行编号，方便遥控器对百叶窗进行遥控。SW-DIP4是编码开关，编码开关有16种，分别是0000、0001、0010……1111。STC15F2K16S2里面有内置主板AT24C02（2K位串行CMOSE2PROM），可以存储主板地址。下面的电路是控制百叶的升降，当ENA、ENB分别为高电平、低电平时，直流减速电机正转即百叶窗上升；当ENA、ENB分别为低电平、高电平时，直流减速电机反转即百叶窗下降。当ENA、ENB同时是高电平和低电平时，由于三极管的特性，H桥不导通，从而电路不能正常的运行。由于直流减速电机中含有线圈，当有电流通过时，线圈会产生反电动势，将三极管击穿，所以在H桥中添加了二极管。伺服电机直接由STC15F2K16S2控制。STC15F2K60S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机［9］，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用STC第八代加密技术，无法解密，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟（±0.3%），±1%温飘（-40～+85℃），常温下温飘±0.6%（-20～+60℃），ISP编程时5～35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振［10］和外部复位电路（内部已集成高可靠复位电路，ISP编程时8级复位门槛电压可选）。3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D转换（30万次/秒），内置2 k字节大容量SRAM，2组超高速异步串行通信端口（UART1/UART2，可在5组管脚之间进行切换，分时复用可作5组串口使用），1组高速同步串行通信端口SPI，针对多串口通信/电机控制/强干扰场合。

图1 百叶窗的电路设计图

2.2 遥控器的设计

遥控器的设计如图2所示。

图2 遥控器的电路设计图

发射数据时，首先将NRF24L01［11］配置为发射模式，接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入NRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启，那么NRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据（自动重发已开启），若重发次数（ARC）达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便在次重发；MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时，若CE为低则NRF24L01进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。

接收数据时，首先将NRF24L01［12］配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX？FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则NRF24L01进入空闲模式1。

3 流程图

3.1 遥控器的流程图

遥控器的流程图如图3所示。

Key1表示地址加“1”，Key2表示地址减“1”；key3表示叶片合上，key4表示叶片打开；Key5表示叶片上升，Key6表示叶片下降。其实百叶窗的地址是0000，当按下一个按钮时，系统会继续判断是按下的哪个按钮，然后NRF24L01发送相应的信号，并且显示屏上的数据发生相应的变化，重复循环。

3.2 主电路的流程图

主电路流程图如图4所示。

图3 遥控器的流程图

图4 主电路的流程图

手动按钮：当按下Key1、Key2、Key3、Key4时STC15 F2K16 S2的25、26、27、28管脚导通，经过处理向ENA、ENB、Pin电路发送信号。Key1、Key2表示百叶的升降。当ENA、ENB分别为1、0时，Q3导通，H桥中Q4、Q2导通，电流经过Q2、直流电机、Q4、R10，返回到地，电机正转；当ENA、ENB分别为0、1时，Q6导通，H桥中Q1、Q5导通，电流经过Q1、直流电机、Q5、R10，返回到地，电机反转；当ENA、ENB同时为1、0时，由于是Q1、Q2或者Q4、Q5导通，无法形成回路，电机无法工作。测出R10两端的电压，经过跟随器放大器将电压放大两倍与2/3Vcc比较。当V5大于V6输出1，电流过载，将信号发送给STC15F2K16S2单片机［13］，单片机重新给ENA、ENB发送相同信号，电机停止工作；当V5小于V6，电机正常工作。Key3、Key4表示百叶合闭。按下按钮，STC15F2K16S2向伺服电机发送脉冲信号，信号周期为20ms。当脉冲信号的高电平时间为1.5ms时，电机进行调零；当脉冲信号的高电平时间为1.3ms时，电机正转；当脉冲信号的高电平时间为1.7ms时，电机反转。

无线模式：按下遥控按钮，STC89C52导通并作出相应的信号发射给NRF24L01［14］，NRF24L01通过无线模式发送到2.4G模块中［15］，2.4G模块接收到信号，将信号处理后发送给STC，通过STC控制伺服电机和直流减速电机。

4 结束语

文中介绍的是一种基于NRF24L01的无线收发器的电动百叶窗的转动，通过无线遥控器对百叶窗进行调控。房间里窗户很多，所以需要进行编号（即对每一个窗户进行地址编码）。由于2.4G模块具有地址编码功能，将窗户进行编号，方便编码开关进行读取。通过STC15F2K16S2控制直流减速电机和伺服电机的转动，从而控制百叶窗的升降与合闭。

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Design of smart electric blinds based on SCM

LIYang1，GAO Jian1，SU Yong-gang2
（1.Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；2.Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China）

With the progress of society and the continuous improvementof living standard，more and more high standard of living com fort is required，for example the demand for shading and ventilation.Shutter，as a kind of common shading facilities indoor，could be controlled by adjusting the blade Angle of the sun's heat，reducing the cooling load of the system to achieve the goal of energy saving.The single-chip computer control technology ismainly expounded as the core，and the system is mainly composed of single chip microcomputer control module，the wireless receiving module，LED digital tube display module，motor drivemodule，powermodule and shutter form structure.In this system a 2.4Gmodule is used to acceptwireless data，and send data to STC15F2K16S2 microcontroller decoding.Then it output to the single-chip microcomputer control module，to drive themotor to rotate thatcontrols the shutter.

servomotor；DC gearmotor；single chipmicrocomputer；2.4Gmodule；shutters；wireless remote control

TN99

A

1674－6236（2016）20-0167-04

2015-11-04 稿件编号：201511041

李 阳（1991—），男，江苏泰州人，硕士研究生。研究方向：智能控制。