保证太阳能电池板光强恒定的自动光控启闭窗帘系统设计_米卫卫.pdf

30|电子制作 2023 年 1 月智能应用0 序言在科技发达的今天，自控系统已经不仅仅是实现室内基本安防、照明等的工具，而是自动化技术与建筑技术的统一体，充分利用科学与艺术的搭配，尽力达到完美与和谐的统一1。因此，智能窗帘作为智能家居的一部分，显得尤为重要。试想，当躺在床上，发现窗帘没有关上的时候，当早上醒来发现房间里乌黑一片，还要去理会窗帘的开关实在是一件烦人的事情。此时，带有一定自我反应、调节、控制功能的窗帘便应运而生2。本次设计了一款可以根据室内环境状况自动调节光线强度的窗帘，使得达到室内人体适应的光线亮度而不至于对人的眼睛产生伤害。智能窗帘根据室内光线强度的变化，由光敏电阻感应光照强度，进而通过 AD 采集接收信号，到达 ARM 处理单元进行控制，从而达到自行调节窗帘的开合程度，“天黑关闭，天亮打开”，使室内一直处于舒适的光照环境，具有智能管理，不产生误动作。本文从系统的整体设计方案、硬件电路以及软件程序三方面介绍自动光控启闭窗帘的设计。1 系统设计方案和元器件的选择 1.1 系统设计方案光控窗帘控制的总体结构框架如图 1 所示。信号调理电路 ATMEGA8 单片机 键盘 显示 A/D 转换 步进电机 传感器 图 1 总体结构框图本系统由光敏电阻传感器探测外界的光照强度，从传感器出来的信号经过信号调理电路输入到 A/D 转换，进入到单片机采集，进而单片机控制电机的正转和反转，实现窗帘的打开和关闭操作。键盘主要是作为输入设备，控制单片机的各种参量。显示部分主要是用来显示窗帘的各种状态信息。1.2 系统元器件的选择1.2.1 光敏电阻器在本次设计中，因为要对光的强度进行采集，所以就用到了光敏电阻。光敏电阻具有很高的灵敏度以及光谱特性，光谱响应范围广从紫外一直到红外，而且体积小、重量轻，最主要性能稳定。光敏电阻CDS系列是种薄膜的电子元器件，阻值随着光源强度而变化。光敏电阻具有一些物理和环境的特性，最主要的特点是将光的变化转换为电的变化，在本次设计中，就是将变化的阻值转化为电压的变化输入到单片机中3。1.2.2 系统主控芯片的选择由于单片机技术目前较为成熟，且具有精度高、易操控的优点，自身资源丰富，硬件设计简单，并且在设计系统中尽量用软件代替硬件，可以节约成本，提高可靠性。本系统采用的 Atmega8 单片机内置 AD 功能，符合设计的需求，芯片引脚图如图 2 所示。Atmega8 的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备 AVR 高档保证太阳能电池板光强恒定的自动光控启闭窗帘系统设计米卫卫（河北省儿童医院，河北石家庄，050051）摘要：现代社会中，人们对生活环境越来越重视，高精度、多功能、低功耗的智能家居慢慢占据生活的主导。本次设计的自动光控启闭窗帘基于ATMEGA8单片机为核心，配以必要的光敏传感装置，实现了对窗帘启闭的自动控制。本文对光控启闭窗帘的设计原理与工作方式进行了较系统的研究。光控启闭窗帘电路主要利用光敏电阻阻值与光度强弱的比例关系，再利用主控芯片的内置AD功能，对光敏电阻上所感应到的光亮强度进行量化，用算法算出光的强度，进而控制窗帘的启闭与调光。整个设计系统实现了光控的基本功能，其研究具有一定的学术价值和广泛的市场前景。关键词：ATMEGA8；光控；单片机RST(PC6)1PD0(RXD)2PD1(TXD)3PD2(INT0)4PD3(INT1)5PD4(T0)6VCC7GND8PB6(XTAL1)9PB7(XTAL2)10PD5(T1)11PD612PD713PB014PB115PB216PB3(MOSI)17PB4(MISO)18PB5(SCK)19AVCC20AREF21GND22PC0(ADC0)23PC1(ADC1)24PC2(ADC2)25PC3(ADC3)26PC4(ADC4)27PC5(ADC5)28UATMEGA8图 2 ATMEGA8 主控芯片部分DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.01.023wwwele169com|31智能应用单片机 MEGE 系列的全部性能和特点4。本设计采用了单片机进行操控，硬件电路采用 AVR 单片机为核心，扩展相关的接口电路，实现整个电路的基本控制和扩展功能。2 硬件电路设计在以 ATMEGA8 单片机为主控芯片的基础上，将电路系统分为几个基本模块电路，主要实现采集、控制、显示的功能，如图 3 所示。LED 显示电路 发光二极管显示 ATMEGA8单片机 太阳能电池板采光 电动机输 出电 路 电 动机 按键模块 外 围 电 路 图 3 系统硬件模块框图 2.1 系统设计要求自动光控启闭窗帘是控制窗帘随光强度的变化自动启闭的装置，控制启闭规则为：当光度超过或低于某个阈值的时候，窗帘会自动启闭，使屋内光度维持在某个范围内5。控制系统要做到：（1）当屋内光度过低或过高时候，通过光线采集部分电压的变化，单片机控制的窗帘能够自动启闭，以达到控制的目的；（2）按键系统可以调节光度阈值和特殊要求下人工控制窗帘的启闭；（3）显示系统可以显示当前状态，并根据显示调节启闭的光度，以达到不同人的需求和达到窗帘启闭的目的；（4）窗帘的输出控制能够达到正转和反转的精确控制并能进行数码显示反映当前状态；（5）电路的复位部分可以在每次的电源重新启动时把电路重新复位至起始状态6。2.2 硬件电路本系统用到的主要器件为 ATMEGA8，光敏电阻，12V直流电机，数码管/二极管/三极管，稳压块，滑动变阻器，按键开关等。控制系统以 Atmega8CPU 为控制系统的核心，外围电路、器件和 CPU 的有机连接，构成了窗帘控制系统的硬件电路。2.2.1 光度采集部分本部分采用光敏三极管来采集光照强度。但由于市场上此类光敏三极管较贵，所以将此器件换为光敏电阻代替。下面说明中将以光敏电阻为光度采集器件。当户外光线照射到光敏电阻表面时，光敏电阻的阻值与光照强度成反比，利用光敏电阻这一性质来达到转化为电压变化的目的。在其一端加上5V 电压后，与一电位器(12k)串联分压后，就直接将光照强度转换为电压了。光敏电阻采集到的光照强度转换成电压后，经 R8 限流电阻后，直接送到ATMEGA8的23脚(内部AD转换ADC0输入端)7。光照采集电路如图 4 所示。2.2.2 电源部分本控制器工作电压为直流 5V。市电 220V 不能直接为其供电，所以必须将市电220V转换为直流5V给控制器供电。如图 5 所示，220V 火线经保险管后，经电容 C0 吸收掉高频干扰后，再经压敏电阻 R0 吸收掉尖脉冲(电源通断瞬间产生的尖脉冲)，然后经变压器降压，降到交流 12V 左右，经整流桥 DB1、电解电容 E1、电容 C4 整流滤波后，得到 12V 左右的直流电压；直流 12V 经 D4（在焊接过程中，防止电源正负极接反后，烧毁稳压块，起保护稳压块作用）、E4电解电容（滤中低频）、C8电容（由于电解电容存在感抗，对高频信号的滤波效果不好，所以在其后加一个电容滤掉高频）后，送入稳压块 7805 进行稳压。又经电解电容 E3、电容 C7 滤波后给 ATMEGA8 供电5。F5A250V电源输入LNC0CBB104DB1W10MBYQAC220V-12VE12200n/25VC410412VE3100uF/25VE4100uF/25VC8104C7104Vin1GND2+5V3U27805D41N400712VVCC图 5 电源部分2.2.3 输出控制部分由于考虑到窗帘很轻，拖动其动作所需力不大，所以采用 12V 直流电机控制窗帘的启闭。两路控制 OUT1、OUT2直接由 ATMEGA8 控制8。C9104QRR912KVCCR8240ADC0图 4 光度采集电路32|电子制作 2023 年 1 月智能应用当 OUT1 为 1、OUT2 为 0 时，Q1 导通、Q2 截止，电机反转。当 OUT1 为 0、OUT2 为 1 时，Q2 导通、Q1 截止，电机正转。当 OUT1 为 0、OUT2 为 0 时，Q2 截止、Q1 截止，电机不转。R35.6KD1LEDC2104Q19013R1220/1WL1200uHR45.6KD2LEDC3104Q29013R2220/1WL2200uH12VA-+MG112VC110uFOUT1OUT2 图 6 输出控制部分其中 C2、C3 的作用为滤波，R3、R4 的作用为限流，D1、D2 的作用为指示作用（在运行中，观察其亮与灭来分析电机的工作状态）。R1、R2 的作用为限流（12V 直接给电机供电，容易使电机损坏，所以加限流电阻对其限流）。L1、L2、C1 的作用为滤波（由于 ATMEGA8 对电机进行PWM 调速控制，产生的波形也容易使电机损坏，所加两个电感一个电容对波形整形）。电动机控制原理图如图6所示。2.2.4 显示部分为了方便设定屋内光照强度的大小，在电路中加入显示这部分，如图 7 所示。此数码管为共阳/两位数码管。在设计中为了节约成本，而又考虑到 ATMEGA8 的吸入电流较大，所以用 ATMEGA8 直接驱动数码管显示。这里用的显示方法主要是用软件来实现的，在后面软件说明部分将对其说明。f2g3e4d5c8DP7b9a10DS1共阳/两位数码管abcdefgdp1dp2R55.6KVCCV1 图 7 显示部分5V 电压经 R5 分压后，对数码管供电。ABCDEFG 为数码管的码元。DP1、DP2 为位元。2.2.5 按键部分为了便于操作，在控制器中加入按键部分，见图 8。其功能为：SB1 控制电机正转（闭合时，电机缓慢正转）。SB2 控制电机反转（闭合时，电机缓慢反转）9。SB3 设定屋内光照强度加，SB4 设定屋内光照强度减（人为设定一个光照强度，控制器自动控制窗帘的启闭，从而实现屋内光照强度的调节）。R6 与 D3 的作用是电源通电显示。C9104QRR912KVCCR8240ADC0f2g3e4d5c8DP7b9a10DS1共阳/两位数码管abcdefgdp1dp2R55.6KVCCV1SB1SB2SB3SB4D3R610KKEY1KEY2KEY3KEY4VCCF5A250V电源输入LNC0CBB104DB1W10MBYQAC220V-12VE12200n/25VC4104RST(PC6)1PD0(RXD)2PD1(TXD)3PD2(INT0)4PD3(INT1)5PD4(T0)6VCC7GND8PB6(XTAL1)9PB7(XTAL2)10PD5(T1)11PD612PD713PB014PB115PB216PB3(MOSI)17PB4(MISO)18PB5(SCK)19AVCC20AREF21GND22PC0(ADC0)23PC1(ADC1)24PC2(ADC2)25PC3(ADC3)26PC4(ADC4)27PC5(ADC5)28UATMEGA8RESETabcde5VGNDXTAL1XTAL2fgdp1dp2KEY1KEY2KEY3KEY4ADC0GNDAVCCSCKMISOMOSIOUT1OUT2R35.6KD1LEDC2104Q19013R1220/1WL1200uHR45.6KD2LEDC3104Q29013R2220/1WL2200uH12VA-+MG112VC110uFOUT1OUT2GNDRESETMOSIMISOSCK5VC10104L3 10uHAVCCVCCGND12V12MC116MC530PC630PXTAL1XTAL2E210uF/16VR710KVCCRESETE3100uF/25VE4100uF/25VC8104C7104Vin1GND2+5V3U27805D41N400712VVCC图 8 控制系统总电路图wwwele169com|33智能应用2.2.6 复位电路控制器在上电瞬间的电压波动很大，为了让 ATMEGA8工作稳定，在开机时，对其进行复位，见图 8。其工作原理：在通电瞬间，RESET 为低，5V 电压经 R7 限流后，产生一小电流对 E2 充电，充电时如果断掉，E2 上的