基于单片机的自动窗帘系统毕业设计

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基于单片机的自动窗帘系统设计

摘要

目前，家庭居住环境的采光及避光问题主要采用的是手动开闭窗帘，手动开闭不仅费力而

且很多方面不够人性化，会对用户造成一定的困扰，本文设计的自动窗帘控制系统可以解决这些问题。本文主要阐述了自动窗帘控制的设计过程。以AT89C51单片机为控制核心，以光敏电阻和雨滴传感器为传感器件，以步进电机为执行器件。在设计的同时对单片机的理论基础和外围扩展知识进行了比较全面准备。硬件采用分块的模式，对整个系统的电路设计进行分析，分别给出了系统整体框图、显示电路、检测电路、系统总控制模块、等相关电路；随后说明系统软件的编写过程，同样采用的是分块的模式，且每一个模块都给出了相应的流程图。

本设计利用单片机实现了半自动控制、自动控制、定时控制的相互转换，智能的控制窗帘的动作。通过调试，时钟控制、手动开关窗帘、自动开关窗帘等控制方面的设计基本达到了预期效果。具有较强的实用价值。

关键词：单片机，自动窗帘，步进电机，自动控制。

System design based on single chip microcomputer

automatic curtain

Abstract

Now，according to the requirements of living environments. This paper describes the process of intelligent curtain controller. This design uses AT89C51 microcontroller as the control，introduce microcontroller-based optical curtain curtain system，the main structural principle of the .In the design for monolithic integrated circuits，and peripheral to expand the basic the theories of knowledge was fairly comprehensive preparation. Block the model of of the entire

I

system to analyze the overall block diagram of the system are given，display circuit，photoelectric switch circuit，system control module，power conversion circuits，protection circuits and other related circuit；then describes the software the preparation process，but also by the sub-block pattern，with each module to draw a corresponding flow chart.

In this paper，use the AT89C51 microcontroller，according to their different modes，to achieve semi-automatic control，automatic control，timing control of the conversion and intelligent motion control curtains. Debugging by simulation，clock control，manual switch curtains，the curtains automatically switch the basic design of such control to achieve the desired effect，with a strong practical value.

Key words：SCM 、intelligent curtain、stepping motor、automatic control.

目录

摘要 ........................................................................ I Abstract .................................................................. III 第1章 绪论 ............................................................. - 1 -

1.1 研究目的和意义 ................................................... - 1 - 1.2 国内外发展状况 ................................................... - 2 - 1.3 课题的目的任务和要求 ............................................. - 2 - 第2章 系统方案论证 ...................................................... - 5 -

2.1 方案选取 ......................................................... - 5 - 2.2 总体设计方案 ..................................................... - 8 -

2.2.1 系统基本功能 ................................................ - 8 - 2.2.3 系统总体结构设计 ............................................ - 9 -

第3章 系统硬件分析设计 ..................................................- 11 -

3.1 系统硬件总设计 ...................................................- 11 - 3.2 各单元电路设计 ...................................................- 12 -

3.2.1 控制电路设计 ................................................- 12 - 3.2.2 检测电路设计 ................................................- 16 - 3.2.3 执行电路设计 ................................................- 18 - 3.2.4 键盘显示接口电路 ............................................- 21 -

第4章 系统软件设计 ......................................................- 27 -

4.1 系统软件总设计 ...................................................- 27 - 4.2 系统软件子程序设计 ...............................................- 28 -

4.2.1 步进电机程序设计 ............................................- 28 - 4.2.2 键盘程序设计 ................................................- 29 - 4.2.3 定时程序设计 ................................................- 31 -

第5章 测试和调试........................................................- 33 -

5.1 硬件调试 .........................................................- 33 -

5.1.1 28BYJ-48步进电机： .........................................- 33 - 5.1.2 1602液晶显示器 .............................................- 35 - 5.1.3 DS1302时钟芯片 .............................................- 36 - 5.1.4 LM双电压比较器集成电路 .....................................- 37 - 5.2 软件调试 .........................................................- 38 - 5.3 系统联调 .........................................................- 38 - 总结 ....................................................................- 43 - 参考文献 ................................................................- 45 - 致谢 ....................................................................- 47 - 附录 ....................................................................- 49 -

III

第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

21世纪是科技飞速发展的时代，单片机的应用也随之越来越广泛。在这样高速发展的环境下，各种新型产品犹如雨后春笋，单片机的作用也越发重要单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种IO口和中断系统、定时器计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。单片机具有高集成度、高可靠性，控制功能强，低电压、低功耗，优异的性价比。由于这些优良的特性，单片机广泛的应用到工业控制，智能家电，汽车电子，楼宇自动化，医疗器械。日常生活中，验钞机、门禁系统、电子监控、变频空调等也使用到了单片机。

在材料科学、工业技术、计算机技术的发展与进步的带动下，电路系统向着高度集成的方向发展。CPU的生产制造技术，也朝着综合性、技术性、实用性发展。其告诉的发展可以用日新月异来形容。其中单片机的重要性越来越越突出，在控制系统中的应用越来越普遍。要进行单片机系统的设计首先，要有一定的基础知识；第二，需要具有一定的软件设计能力，能够根据设计的要求，写出所需程序；第三，要灵活的把知识综合运用。另外，单片机也经常应用到一些小系统的设计。本系统就是依靠AT89C51单片机的优点顺利设计出来的。 随着科技的发展，人们生活水平不断提高，使得人们对于居住的空间的环境有了更高的要求，人们希望居住空间更加的舒适、便捷。这是人类发展的必然规律。科技把人们的生活变的更加智能化，使人们生活的更加舒适、便捷。人们的生活离不开窗帘，它保护了人们的隐私。对于现代的建筑，对于窗帘的要求也越来越高，既能解决每天手动开关的麻烦，又能显示出生活的档次，所以窗帘自动系统会越来越普及。并且可以广泛的应用到普通住宅、宾馆饭店、写字楼等各种场所，因此自动窗帘系统有着广阔的市场前景，因此研究这方面的产品也显得更加的重要。

由于我国的科技刚刚发展起来，各种科技产品还明显的落后于发达国家，人民的生活也刚刚开始富裕起来，许多智能系统也刚刚在我国兴起。但是，发展前景却广阔。这种系统可以为我们营造出高效、舒适、便捷的居住环境。并且它可以牵动一大批产业。如此广泛的应用，他的前景也必将非常广阔。随着科学技术的飞速发展，人们的生活观念也在渐渐的发生

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转变。各种家电也在发生着变化。由于单片机技术和计算机技术的的不断成熟，家电越来越智能化。窗帘也不例外，在欧美等发达国家，智能窗帘系统已广泛应用。智能窗帘在国内算是高端前沿产业，市场广阔，有推广和应用的意义，在发达的欧美市场智能窗帘已经并不新鲜，已经广泛运用于平常百姓家中，所以有必要在国内推广。

1.2 国内外发展状况

随着科学技术的飞速发展，人们的生活观念也在渐渐的发生转变。各种家电也在发生着变化。由于单片机技术和计算机技术的的不断成熟，家电越来越智能化。窗帘也不例外，在欧美等发达国家，电动智能窗帘已广泛应用。自动窗帘在国内算是高端前沿产业，市场广阔，有推广和应用的意义，在发达的欧美市场智能窗帘已经并不新鲜，已经广泛运用于平常百姓家中。

本设计通过分析自动窗帘的发展和现状来规划其智能功能，从而对窗帘进行智能控制。采用步进电机为执行原件，以光敏电阻和雨滴传感器作为传感原件，AT89C51单片机作为控制芯片，辅助键盘和显示，实现自动窗帘的多项智能项目。 自动窗帘控制系统设计过程主要分为以下几个章节：

（1）绪论：介绍目前国内自动窗帘的发展现状和研究的目的和意义。

总体设计方案：给出智能窗帘系统的总体方案设想，智能项目，和设计结构规划。 （2）硬件设计：选用AT89C51单片机为核心的各种电路设计，包括复位电路，电源电路，时钟电路，步进电机控制电路，传感器电路，键盘显示电路等一系列相关电路。 （3）软件设计：主要介绍了各项功能的设计流程。

（4）总结与展望：针对设计中的不足进行再思考以及提出自动窗帘控制系统功能的扩展，和对此设计发展前景的展望。

1.3 课题的目的任务和要求

自动窗帘控制系统总体设计方案是确定能满足设计要求的总体方案环节。本章从系统功能的需求出发，规划并确定系统的总体结构，并在次基础上考虑了系统的可扩展性以及可实现性。

该系统除了具有一般窗帘控制系统的最基本功能以外，还通过单片机的控制实现了根据光照强度，空气湿度和设定时间自动开闭窗帘的功能，在选取设计方案和采用元器件方面，

该设计本着简单实用经济的思想，尽量使电路的设计简单化，用最简单的电路布线和选用最经济实用的器件来达到设计的需求。 智能窗帘主要有一下功能

（1）手动控制：该功能是根据用户的需求通过按键进行窗帘的开关，此功能可以使窗帘的开闭处于任何一种状态；

（2）光敏控制：根据光的强弱，实现窗帘的自动开关。

（3）雨滴传感器控制：若传感器上有水滴，则窗帘自动关闭，水干后，自动开启。 （4）时间自动控制：根据用户设置的时间来控制开启或者关闭窗帘。

第2章 系统方案论证

2.1 方案选取

单片机在各种电子产品中的应用已经越来越广泛，很多的电子产品利用单片机所取得的便利性得到了人们的好评，所以本设计采用的控制元器件选用单片机。

单片机的选择：

单片机自70年代问世以来都以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，通过广泛的应用领域拉动得到了蓬勃发展，单片机功能也日渐完善。由于单片机的应用，使许多领域的技术水平和自动化程度都大大提高，可以不夸张的说当今世界正在经受着一场以单片机技术为标志的新技术革命浪潮冲击。主要的单片机类型如下：

(1)

MCS-51系列单片机

MCS-51系列单片机主要指Intel公司生产的以51位内核的单片机芯片，具有8位CPU、4K字节的ROM、128字节的RAM、同时可扩展外部64K字节RAM和ROM、两个16位的定时器、四个8位并行IO口、一个全双工串行IO口、21字节专用寄存器、五个中断源、片内自带振荡器、片内单总线等功能部件。

（2）AT89C51单片机

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能的CMOS 8位微处理器，俗称为单片机。AT89C2051单片机是一种带2K字节闪存，可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用了ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，和工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在了单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，而AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C

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单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性较高且价廉的方案。外形及引脚的排列如图2-1所示：

图2.1 AT89C单片机外形及引脚排列

AT89C51单片机主要的特性如下： （1） 和MCS-51产品指令系统完全兼容

（2） 4K字节在线编程Flash存储器，1000次擦写周期 （3） 工作电压范围4.0～5.5V （4） 全静态工作模式：0～33MHz

（5） 三级程序存储器锁?内部RAM128×8字节 （6） 三十二个可编程IO口线?两个16位定时计数器 （7） 六个中断源

（8） 全双工串行UART通道 （9） 低功耗空闲和掉电模式 （10） 中断可从空闲模式唤醒系统 （11） 看门狗（WDT）和双数据指针 （12） 掉电标识和快速编程的特性 （13） 具有掉电状态下中断恢复功能

（14） 灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）

因为AT89C51单片机片内有4K字节的在线编程Flash存储器，而且可以擦写1000次，具有掉电模式，而且具有掉电状态下中断恢复功能，对设计开发非常实用。所以选用AT89C51单片机作为自动窗帘系统的控制单片机。

针对单片机控制的自动窗帘控制系统的智能化要求，实现其自动控制的方案有两种： 方案（一）基于温度检测以及声控检测器件的自动控制 方案（二）基于光照强度器件以及湿度检测器件的自动控制 方案（一）的系统框图如图2.2所示：

图2.2 方案（一）的原理框图

方案（二）的系统框图如图2.3所示：

图2.3 方案（二）的原理框图

这两个方案都是基于单片机控制的，采用步进电机控制以及液晶显示器，不同的设计部分在于检测器件的选取上。

方案（一）与方案（二）的区别主要在于检测器件的应用，方案（一）采用温度采集和声音检测原件，通过设定的温度来控制窗帘的开闭，以减少光照对室内的温度影响，利用声音控制虽然方便性有所提高，但是其误差较大。方案（二）采用的时钟模块实用性更强，且手动控制不容易出现误差。综合考虑以上因素，系统设计采用方案（二）。

2.2 总体设计方案

自动窗帘控制系统总体方案设计是基于满足设计要求的前提并且根据理论上的可实现性和硬件上的经济实用性，而进行设计的重要环节。本章从人们对系统功能需求出发，在综合考虑各种因素的情况下，设计出自动控制系统的总体构架，并且在基本功能需求的基础上尽可能考虑系统的可扩展性。 2.2.1 系统基本功能

伴随着科学技术的发展和人民生活水平的日益提高，人们对生活舒适性的追求越来越强烈，而窗帘在每个家庭生活是必备的，其基本功能是保护住户的隐私以及遮蔽阳光等。基于这些作用窗帘的便利性自然也收到家庭的关注。但传统的窗帘绝大部分是用手去开关，每天开关不仅不省力，而且还可能错过最佳的光照时间，尤其是大窗帘，比较重，而且长，在开

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闭时需要费很大力气才能开关窗帘，特别不方便。针对这种现象，自动窗帘遍由此产生。现有的窗帘基本上都可以利用按键控制，自动开关窗帘，虽然省了力气，但是有些方面的设计还是不够人性化。对此，本控制系统提出可以根据光照以及定时等开关窗帘，具体有一下几大功能：

（1）手动控制：该功能是根据用户的需求通过按键进行窗帘的开关，此功能可以使窗帘的开闭处于任何一种状态；

（2）光敏控制：根据光的强弱，实现窗帘的自动开关。

（3）雨滴传感器控制：若传感器上有雨滴，则窗帘自动关闭，水干后，自动开启。 （4）时间自动控制：根据用户设置的时间来控制开启或者关闭窗帘。 2.2.3 系统总体结构设计

自动窗帘控制系统设计的总体框图如图 2.4所示

图2.4 智能窗帘控制结构框图

通过传感器采集的信号利用信号校正电路放大，滤波后输入到AD转换器，传入的信号是由AT89C51单片机来控制，并且做出响应，以实现电机的正转、反转与停止。显示模块是用来显示时间以及自动窗帘控制器的各种状态。键盘作为输入设备，通过不同按键来控制显示

模块的显示内容和控制单片机的各种运转状态。

第3章 系统硬件分析设计

总体硬件包括单片机外围电路、AD转换电路，信号调理电路、检测电路、键盘显示接口电路、步进电机控制电路等模块。单片机外围电路提供各种模块所需的5V电源和时钟模块；信号检测后是模拟信号，经过调理放大进入AD转换后输出数字信号给单片机。

3.1 系统硬件总设计

自动窗帘控制系统设计的总体框图如图 3.1所示：

图3.1 自动窗帘控制系统设计总体框图

根据光照和雨滴来开闭窗帘的主要原理是用光敏电阻采集外界的光强度，从光传感器采集的信号利用信号校正电路放大，滤波后输入到AD转换器，由于AD转换器件的转换需要一定时间，一旦在短时间内信号发生变化，转换结果将会出现偏差，所以在转换期应该采用采样保持电路。传入的信号是由AT89C51单片机来控制，并且做出响应，以实现电机的正转、

反转与停止。显示模块是用来显示时间以及自动窗帘控制器的各种状态。键盘作为输入设备，通过不同按键来控制显示模块的显示内容和控制单片机的各种运转状态。

3.2 各单元电路设计

3.2.1 控制电路设计

51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理(作位处理时，合128个位，相应位地址为OOH

～7FH)，使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理(包括前面所有的位功能)，只需用一条位操作指令即可。

51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。作乘法时，只需一条指令就行了，即MuL AB(两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中)。很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。

在51系列中，还有一条二进制一十进制调整指令DA，能将二进制变为BCD码，这对于十进制的计量十分方便。而在其他的单片机中，则也需调用专用的子程序才行。

AT89C51单片机的引脚排列如图3.2所示：

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图3.2 AT89C51单片机的引脚排列图

晶振电路：

电路中的晶振即石英晶体震荡器。由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰能力，所以，石英晶体震荡器的用来产生基准频率的。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。同时，它还可以产生震荡电流，向单片机发出时钟信号。

电路中的电容C1和C2的典型值通常选择为30μF左右，该电容的大小会影响震荡电路频率的高低、震荡器的稳定性和奇珍的快速性。晶体震荡频率的范围通常在1.2~12MHz。晶体的频率越高，系统的时钟频率越快，单片机的运行速度越快。但反过来，运行速度对于存储器的速度要求就越高，对印刷电路板的工艺要求也就越高，即要求线间的寄生电容要小。晶体和电容应该尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定、可靠地工作。89C51常选择震荡频率12MHz的石英晶体。

单片机晶振电路图如图3.3所示：

图3.3 单片机晶振电路图

复位电路：

复位是单片机的初始化操作，只需要给89C51的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟震荡周期）的高电压就可以使89C51复位。复位时，单片机初始化为0000H，从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行错误（如程序跑飞）或者操作错误使系统处于锁死状态时，也需要复位键使RST引脚为高电平，使89C51摆脱“跑飞”或者“死锁”状态而重新启动。复位电路图如图3.4所示。

图3.4 复位电路图

时钟电路：

本设计需要窗帘在给定的时间自动的开和关，所以需要用到定时器，而为了保证单片机与外界时钟一致，要用到一个实时时钟电路。这里实用的是DS1302时钟芯片来完成这项功能。 DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟日历和31 字节静态RAM ，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟日历电路提供秒、分、时、日、周、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。时钟操作可通过AMPM 指示决定采

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用24 或12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：（1）RES 复位（2）IO 数据线（3）SCLK串行时钟。时钟RAM 的读写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW

DS1302 是由DS1202 改进而来增加了以下的特性：双电源管脚用于主电源和备份电源供应，Vcc1 为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。它广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。下面将主要的性能指标作一综合：

（1） 实时时钟具有能计算2100 年之前的秒、分、时、日、星期、月、年的能力，还有闰年调整的能力。

（2）31 8 位暂存数据存储RAM。 （3）串行 IO 口方式使得管脚数量最少。 （4）宽范围工作电压2.0 5.5V。 （5）工作电流 2.0V 时,小于300nA。

（6） 读写时钟或RAM 数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式。 （7） 8 脚DIP 封装或可选的8 脚SOIC 封装根据表面装配。 （8）简单 3 线接口。 （9） 与 TTL 兼容Vcc=5V。 （10）可选工业级温度范围-40 +85。 （11）双电源管用于主电源和备份电源供应。

DS1302芯片和AT89C51单片机的接口电路如图3.5所示：

图3.5 DS1302芯片和AT89C51单片机的接口电路图

3.2.2 检测电路设计

自动窗帘要根据光照和是否有雨的情况而自动开关窗帘，因而需要用到光传感器和雨滴传感器。 光敏传感器：

在本设计中采用了光敏电阻，光敏电阻与碳膜电阻不同，它对光的变化非常敏感，再光的照射下，阻值会明显变小，所以叫他光导器件。光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏 电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。

光敏电阻的结构简单，它是在陶瓷基片上积淀一层光敏半导体，再接上两根引出电极组成的。该电路中的光敏器件选用的是硫化镉光敏电阻。 雨滴传感器：

雨滴传感器又叫雨滴检测传感器，用于检测是否下雨及雨量的大小，广泛用于汽车自动刮水系统、智能灯光系统和智能天窗系统中。在雨滴传感刮水系统中，用雨滴检测传感器检测出雨量，并利用控制器将检测出的信号进行变换，根据变换后的信号自动地按雨量设定刮水器的间歇时间，以便随时控制刮水器电动机；在汽车智能灯光系统中检测车辆行驶的环境，自动调整灯光模式，提高车辆在恶劣环境下行驶的安全性；在智能天窗系统中传感器一旦检测到下雨，会自动关闭天窗。

传感器控制电路是由运算放大器组成比较电路，在运算放大器同相输入端用两个电阻分压，得到的电压值作为基准电压，在反相输入端则用光敏电阻对光和湿度变化采集，由于光敏电阻具有根据光照强度阻值变化的特点，雨滴传感器根据是否有水滴阻值变化的特点，可以得到反向输入端的电压值。然后将得到的两组电压值进行比较，比较后的信号经过AD转换送入单片机89C51的P35和P36接口，单片机处理后输出命令控制电机正转或者反转，以实现通过光照和雨滴控制窗帘的开关功能。 集成运算放大电路：

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集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和地输入电阻的多级直接耦合放大电路，它的种类很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，集成运放的内部电路组成的原理框图如图3.6所示。

图3.6 集成运放的内部电路组成的原理框图

本设计选用的器件是LM393。LM393的主要优势是：（1）高精度比较器；（2）减少由于温漂引起的失调电压；（3）工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源： 2～ 36V，双电源：±1～±18V； （4）输入工模电压范围接近地电平；（5）兼容逻辑电路。LM393的功能框图如图3.7所示。

图3.7 LM393的功能框图

LM393是高增益,宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.0~10mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC(集成电路板integrated circuit，缩写：IC) 并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。

使用LM393时必须要注意，比较器的所有没有用的引脚必须接地。 LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围 2.0~30V无关。

差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件，保护部分必须能阻止输入电压压向负端超过-0.3V。

LM393的输出部分是集电极开路，发射极接地的 NPN输出晶体管，可以用多集电极输出提供或OR ing 。

传感器电路如图3.8所示

图3.8 传感器电路图

3.2.3 执行电路设计 步进电机

步进电机作为执行原件是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于

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各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（vr）、永磁式步进电机（pm）、混合式步进电机（:xx:xx.此时按下K2+ K3-，来调整要调整的数据，第一次设置开的小时，第二次设置开的分钟，第三次设置关的小时，第四次设置关的分钟。第五次恢复正常显示。 按键接口电路如图3.10所示：

图3.10 键盘接口电路图

显示部分则主要用于显示时间，用于设置时间。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通用器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机与人的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。本设计中采用的是液晶显示器作为输出器件的。

在单片机系统中应用液晶显示器作为输出有以下几个优点：

（1） 显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，

恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液

晶显示器画质高且不会闪烁。

（2） 数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更

加方便。

（3） 体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的

目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多

（4） 低功耗：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而

耗电量比其它显示器要少得多。

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。本设计采用的液晶显示器为1602字符型液晶显示器。

1602LCD主要技术参数： 显示容量:16×2个字符； 芯片工作电压:4.5—5.5V； 工作电流:2.0mA(5.0V)；

模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm。 1602液晶显示器引脚接口说明： 第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。 第15脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极。

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图3.11所示：

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图3.11 1602液晶显示器尺寸图

LCD显示的基本原理：

点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，??（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。

1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令如表3.2所示:

表3.2 1602液晶模块控制指令表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 指令 清显示 光标返回 置输入模式 显示开关控制 光标或字符移位 置功能 置字符发生存贮器地址 置数据存贮器地址 读忙标志或地址 写数到CGRAM或RS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 RW 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 D7 0 0 0 0 0 0 0 1 BF D6 0 0 0 0 0 0 1 D5 0 0 0 0 0 1 D4 0 0 0 0 1 DL D3 0 0 0 1 SC N D2 0 0 1 D RL F D1 0 1 ID C * * D0 1 * S B * * 字符发生存贮器地址 显示数据存贮器地址 计数器地址 要写的数据内容

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