基于单片机的自动升降窗帘设计

朱思羽 赵鑫喆 肖菁 邸国辉

摘要 本文设计了一种基于单片机的自动升降窗帘系统，以STC89C51单片机为主控芯片，通过无线数据控制步进电机，实现升降功能，并进行语音与LED提示。系统的主要部分有单片机电机模块和语音模块为主及其他硬件等几个部分所组合而成。电机模块采用芯片L298作为驱动的核心，语音电路所使用的是ISD400408芯片。整个系统的稳定性好，结构简单操作方便。

关键词： 自动升降;步进电机;指令信号

1. 引言

随生活水平的逐渐提高，室内家居智能化也越来越普及，窗帘作为每家必备的生活设施，有遮蔽光线保护隐私和装饰室内环境等方面的作用。也可以进行方便智能的改进，传统的窗帘使用时需要进行手动操作，在水平方向或者上下方向上拉开，这种简单重复性工作完全可以交给简易的电路系统来完成。现如今，由单片机作为控制核心的各种家用电器已经走进了人们的生活当中，单片机所带来的各种功能也慢慢的取代了人，成为了能够在房间中承担家务的劳动力，所以为了解决这样的问题，单片机控制窗帘升降系统也就拥有了它存在的必要。

2. 方案设计

本设计以STC89C51单片机作为操作控制核心，通过电机驱动模块操控步进电机，经过步进电机的正传与反转实现了窗帘上升与下降。通按键对单片机发出指令，然后单片机做出反应，分别对语音模块以及电机驱动模块发出信号，使语音模块和由电机驱动模块控制步进电机做出相应的动作。这个设计的主要模块有步进电机的驱动模块与语音模块。整体的设计思路是，首先设置窗帘的上升高度为若干厘米，再通过遥控按键对单片机发送指令，然后单片机判断接收到的信号发送程序设定好的指令給到步进电机驱动模块，由电机驱动模块根据接收到的信号给予步进电机正传或者反转的指令。当上升窗帘时按下上升按钮，步进电机设备正转，上升的LED指示信号灯亮，当下降窗帘时按下复位按钮，复位的LED指示信号灯亮，步进电机设备反向转动，步进电机反转使得窗帘落到最底。图1是总体的体系框架示意图。

3系统硬件设计

主控芯片选择STC89C52，单片机的供电电压和USB接口提供的电压都是5V。在本系统中单片机辅以基准时钟电路和复位电路组成单片机最小应用系统;其原理结构如图2左上部分所示。

图2的左上部分带有晶振的部分是系统的时钟电路。晶体电路振动是石英振动器，因为晶体三极管具有高频率稳定和抗外界干扰的能力，他们可以用来创建一个基频。电路中的频率精度是由参考频率决定的。与此同时，它也能够形成震动工作电流，并且发送数据信号。片内振荡器设备的振荡频次十分靠近晶振频次，本系统电路选择的额定电容是30pF，晶振频次是12.0兆赫兹。“振荡工作周期=1/12微秒;机器设备工作周期1微秒指示工作周期1～4微秒，XTAL1接外界晶体的一个管脚，XTAL2接外晶体的另一终端。

图2的左上部分带有电容与按键的是系统的复位电路。当CPU启动或复位时，控制CPU保持复位状态。在此期间，CPU将处于复位状态，以避免在安装处理器和执行提高电磁兼容性的操作时发生错误。单片机设备RESET终端得外界自动复位工作电路有两类模式：通电复位与人工手动复位。通电自动复位是使用额定电容储电来完成的，通电瞬间，RC工作电路接通充电，RESET终端产生正信号脉冲，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。手动复位耗电平模式。按钮工作电平自动复位是类似于RESET经过额定电阻接高压电平。

3.1 按键与指示电路

在这套系统中设置有六个按键分别对应了窗帘的上升、下降、低空悬挂、超低空悬挂、暂停、复位，并且相对应的有四个指示灯对应的是上升、下降、低空悬挂、超低空悬挂来显示当下整体设备所处在什么样的状态。“当操作使用人员按下上升的按钮的时候，上升的指示信号灯就会亮起，当操作使用人员按下降下降的按钮的时候，下降的指示信号灯就会亮起”。图2左下部分是按钮LED指示信号灯工作电路。

3.2 电机控制电路

为了使窗帘升降，需要借助步进电机，为了在确定的速率下准确地到达指定的具体位置，需要设定步数与延迟作用时间，前者应用在操作控制步进电机设备的准确度，后者应用在操作控制步进电机设备的步进速率。本设计里运用四相步进电机设备，因此ULN满足设计需要，ULN的每一对达林顿构件都串联一个2.7K的基极额定电阻，在5伏的任务工作电压下它可以和TTL与厘米OS工作电路直接相互连接，能够直接全面处理之前要求参考标准逻辑思维缓冲控制器来全面处理的数据信息。其工作电路原理示意图，如图2右上部分所示。

3.3 语音模块设计

这个模块的主要功能是在窗帘升降的过程中播放用户提前设置好的提示音，选用芯片ISD400408，因为其完全符合本设计的需要，需要实现把指定音乐提前以MP4的格式存储到芯片，在升降窗帘的过程中就可以将指提示音通过扬声器播放。其电路原理图如图2右下部分所示。

4系统软件设计

软件程序主要包括：主程序、窗帘下降子程序、窗帘上升子程序。再按下相应的指令按键之后，由按键传输一个信号给到单片机芯片，再由单片机进行判断，然后传输脉冲信号到每一个模块，由步进电机驱动模块驱动步进电机进行窗帘的升降控制，语音模块播报提示音，以及液晶显示器实时显示窗帘所处位置从而方便判断。

当接收到上升命令后应该按下上升按钮，这个时候步进电机接收到了脉冲信号开始正传，语音模块也接收到了单片机传来的信号后开始播报提示音，表示上升的指示灯亮起。但如上升时按下复位按钮，此时步进电机接收到单片机传来的脉冲信号开始进行反转，窗帘下降。

结论

本设计是以STC89C52单片机为核心，通过进步电动机控制窗帘进行升降，在窗帘升降过程中播放提示音并用LED指示灯进行提示。设计通过按键传导信号到单片机，由单片机发出上升或者下降指令，然后传导脉冲信号到步进电机，步进电机判断升降执行程序完成动作。本设计同时具备结构简单、体积小、功耗小、性能稳定等优点。

参考文献：

[1]赵文博 刘文涛. 单片机语言C51程序设计 [M]. 人民邮电出版社， 2007.

[2]张义和 陈敌北. 例说8051——单片机程序设计案例教程 [M]. 人民邮电出版社， 2014.

[3]何立民. 单片机高级教程：应用与设计[M]. 北京航空航天大学出版社， 2007.

通讯作者：邸国辉（1979-）男，黑龙江大庆人，副教授，研究方向：农业信息处理