郭占苗

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院， 西安 710089)

0 引言

智能家居是在現(xiàn)代時尚家居的基礎(chǔ)上，將組合智能、電子智能、機(jī)械智能和物聯(lián)智能巧妙的融入家居產(chǎn)品當(dāng)中，使家居更加智能化、國際化、時尚化，是未來國際家居發(fā)展的潮流和趨勢。智能窗簾是智能家居的一個重要組成部分，設(shè)計一款人性化、智能化、便捷化和多樣化的智能窗簾不僅可以改變?nèi)藗兊纳罘绞?，還能提高生活質(zhì)量。經(jīng)過實踐驗證，基于STC12C5A60S2 單片機(jī)系統(tǒng)的智能窗簾可以很好地完成窗簾的智能控制，較傳統(tǒng)靠人為去拉開和關(guān)閉窗簾的方式更方便，且不易損壞，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 硬件設(shè)計原理框圖

智能窗簾系統(tǒng)設(shè)計由達(dá)林頓管電路構(gòu)成的ULN2003芯片驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)28BYJ控制窗簾的開啟和閉合狀態(tài)，用霍爾傳感器控制窗簾開啟和關(guān)閉的最大位移。利用光敏電阻采集外界光的強(qiáng)度，利用溫度傳感器采集環(huán)境溫度，結(jié)合I2C協(xié)議和1-wire總線編程，經(jīng)PCF8591AD轉(zhuǎn)換器輸入單片機(jī)進(jìn)行控制，由單片機(jī)輸出控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并將窗簾狀態(tài)、溫度和光照度參數(shù)結(jié)果顯示在LCD12864液晶上[1]，同時，可通過按鍵模塊調(diào)整時間，也可設(shè)定窗簾自動開關(guān)的時間，時鐘顯示模塊能夠準(zhǔn)確顯示實時時間，在時鐘模塊安裝紐扣電池可實現(xiàn)掉電后數(shù)據(jù)不丟失功能。智能窗簾具體原理框圖，如圖1所示。

圖1 智能窗簾系統(tǒng)框圖

2 軟件設(shè)計程序

2.1 主函數(shù)設(shè)計

main函數(shù)里主要調(diào)用“BS18B20.h”溫度采集頭文件函數(shù)、“LCD12864.h”液晶顯示、“DS1302.h”時鐘函數(shù)和“PCF8591.h”模數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)，在液晶第一行顯示“智能窗簾控制系統(tǒng)”，第二行上顯示出“窗簾狀態(tài)”是“打開”或者“關(guān)閉”，第三行顯示當(dāng)前時間，第四行顯示溫度和光照度。液晶時間顯示主要代碼如下：

void sfm_show() //時間顯示行

{ convert();

temp1=time0/10%10;

temp2=time0%10;

temp3=time1/10%10;

temp4=time1%10;

temp5=time2/10%10;

temp6=time2%10;

lcd_pos(3,1);

write_com(0x06);

write_data(ASII[temp1]);

write_data(ASII[temp2]);

chinese(s); //顯示漢字“時”

write_data(ASII[temp3]);

write_data(ASII[temp4]);

chinese(f); //顯示漢字“分”

write_data(ASII[temp5]);

write_data(ASII[temp6]);

chinese(m); //顯示漢字“秒” }

將“時分秒”的個位和十位分別取出來從液晶的第三行第一列開始一次顯示，并利用chinese( )漢字轉(zhuǎn)化函數(shù)，顯示出相應(yīng)漢字[2]，其它狀態(tài)顯示函數(shù)與此類同，不再贅述。通過編寫按鍵函數(shù)，實現(xiàn)時間調(diào)整、光照度的閾值設(shè)定和窗簾開關(guān)的定時。

2.2 DS18B20溫度采集函數(shù)

通過DS18B20可以實時采集室內(nèi)溫度，并將結(jié)果顯示在液晶上。該溫度采集模塊主要包括DS18B20初始化、寫字節(jié)操作、讀字節(jié)和溫度采集等子函數(shù)。DS18B20的讀寫字節(jié)和初始化程序按照器件手冊1-wire工作協(xié)議時序編寫即可，初始化程序檢測1-wire總線是否存在DS18B20器件，讀寫時序要注意采樣時間[3]。溫度采集程序設(shè)計主要包括DS18B20的初始化，啟動溫度轉(zhuǎn)換和讀取寄存器的程序設(shè)計，讀取時先讀取低字節(jié)再讀取高字節(jié)，最后返回溫度值，主要用語句“temp = high<<4; temp |= (low>>4); return temp;”實現(xiàn)該功能。

2.3 DS1302時鐘模塊

DS1302時鐘模塊主要實現(xiàn)實時顯示當(dāng)前時間和定時窗簾開啟與關(guān)閉時間的功能，按照DS1302時序編寫字節(jié)讀函數(shù)，字節(jié)寫函數(shù)，“unsigned char read_1302(unsigned char add)”地址讀函數(shù)，即將寄存器地址的數(shù)據(jù)讀出來，以及地址寫函數(shù)等。DS1302的6腳雙向通信引腳I/O接單片機(jī)的P0^1，7腳通信時鐘信號引腳SCLK接單片機(jī)P0^2，5腳使能引腳CE接P0^0，在寫時鐘程序時先進(jìn)行聲明[4]。時鐘模塊芯片初始化函數(shù)，主要根據(jù)DS1302的時鐘寄存器功能表編寫，向DS1302內(nèi)寫秒寄存器80H寫入初始秒數(shù)據(jù)，向?qū)懛旨拇嫫?2H寫入初始分?jǐn)?shù)據(jù)，向DS1302內(nèi)寫小時寄存器84H寫入初始小時數(shù)據(jù)，根據(jù)實際時間分別寫入初始“時分秒”的數(shù)據(jù)，最后再調(diào)用BCD碼轉(zhuǎn)換十進(jìn)制函數(shù)，BCD碼轉(zhuǎn)化十進(jìn)制子函數(shù)由“unsigned char BCD_Decimal(unsigned char bcd)”BCD碼轉(zhuǎn)十進(jìn)制函數(shù)實現(xiàn)，主要語句有{unsigned char Decimal;Decimal=bcd>>4;return(Decimal=Decimal*10+(bcd&=0x0F)); }，實現(xiàn)第一次開啟時將寫入設(shè)置的初始時間顯示在LCD12864上的功能。

注意，為了使斷電再開機(jī)后時間不初始化成程序設(shè)置的初始時間，所以在DS1302初始化程序使進(jìn)行寫保護(hù),并用了備用電池。

2.4 PCF8591AD轉(zhuǎn)換和I2C協(xié)議

PCF8591 具有 4 個模擬輸入、1 個模擬輸出和 1個串行 I2C 總線接口。其中PCF8591的第4引腳AIN3，即模擬輸入接口3連接光敏電阻，可采集環(huán)境光強(qiáng)精確數(shù)值。在 PCF8591 器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向 I2C 總線以串行的方式進(jìn)行傳輸[5]。I2C模塊化頭文件函數(shù)程序主要包括I2C起始信號程序，即在SCL高電平期間，SDA產(chǎn)生一個由高到低的下降沿；數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，I2C協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸是按照高位在前低位在后的順序傳輸；以及停止信號，即SCL在高電平期間，SDA由低電平向高電平變化產(chǎn)生一個上升沿。PCF8591將光敏電阻值讀出來轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，將光照度顯示在液晶上，轉(zhuǎn)換代碼函數(shù)主要調(diào)用“i2c_start();” I2C初始化、“i2c_sendbyte(0x91);”尋址PCF8591和“temp = i2c_receivebyte();”讀取轉(zhuǎn)換數(shù)值函數(shù)，最后通過語句“return temp;”返回要顯示的溫度值。

2.5 步進(jìn)電機(jī)與霍爾傳感器模塊

因為電機(jī)功耗比較大，所以用驅(qū)動芯片為電機(jī)提供較大電流，步進(jìn)電機(jī)的A、B、C、D四相通過驅(qū)動ULN2003分別與單片機(jī)的P1^0、P1^1、P1^2和P1^3依次相連，并采用雙四拍模式工作。當(dāng)窗簾閉合時，步進(jìn)電機(jī)的AB、BC、CD、DA相依次導(dǎo)通，達(dá)到霍爾傳感器控制下限位移時電機(jī)停轉(zhuǎn)；當(dāng)窗簾開啟時，步進(jìn)電機(jī)的DA、CD、BC、AB相依次導(dǎo)通，達(dá)到霍爾傳感器控制上限位移時，電機(jī)停轉(zhuǎn)?？梢姡ㄟ^控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)動來控制窗簾開啟與閉合狀態(tài)，并由霍爾傳感器限定窗簾位移的極限[6]。主要在“void T0_time() interrupt 1”定時器T0中斷函數(shù)里實現(xiàn)該功能。

2.6 液晶顯示模塊

窗簾狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)用LCD12864液晶顯示，液晶顯示模塊主要包括寫指令、寫數(shù)據(jù)和初始化子函數(shù)。以時間顯示為例，時間顯示在液晶的第三行第一列，主要包括寫指令和寫數(shù)據(jù)代碼，讀寫指令時，發(fā)送數(shù)據(jù)分高四位、第四位兩次發(fā)送，通過語句“send_byte(0xf0&com);”(高四位)、“send_byte(0xf0&com<<4);”(第四位)實現(xiàn)。

編程實現(xiàn)第一行漢字顯示從0X80地址開始，第二行從0X90，第三行從0X88，第四行從0X98地址開始，聲明時依次定義漢字位置地址，當(dāng)顯示漢字不再變化時，定義時加關(guān)鍵字“code”，存儲在flash里。液晶的5腳讀/寫位接單片機(jī)P2^0引腳，3腳在模塊上接電位器調(diào)整背光，6腳E使能引腳接P2^1引腳，因為采用串口方式編寫程序[7]，所以15腳PSB接地，19腳背光源正端接智能窗簾系統(tǒng)電源VCC，20腳背光源負(fù)端接地GND。

3 電路實物制作與調(diào)試

PCF8591的14腳接智能窗簾系統(tǒng)5V電源，電路擴(kuò)展時，可以給PCF8591的AIN0，AIN1，AIN2分別接入濕度傳感器、煙霧傳感器和氣敏傳感器等傳感器，輸入的模擬量通過PCF8951AD采集轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)，設(shè)定閾值，超過閾值時，窗簾“開啟”或“閉合”，設(shè)計思路與光敏電阻采集光照度類似[8]，A/D轉(zhuǎn)換電路圖，如圖2所示。

圖2 PCF8591A/D轉(zhuǎn)換模塊電路圖

步進(jìn)電機(jī)控制窗簾原理圖如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)控制窗簾原理圖

步進(jìn)電機(jī)的四相“ABCD”分別于單片機(jī)的“P1^0、P1^1、P1^2和P1^3”端口依次相連，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)編程實現(xiàn)窗簾的開啟與閉合，上限位霍爾傳感器和下限位霍爾傳感器分別與單片機(jī)的“P0^5”和“P0^4”相連接，編程實現(xiàn)當(dāng)窗簾打開時，設(shè)置霍爾傳感器上限開關(guān)閾值，電機(jī)正轉(zhuǎn)窗簾開啟；當(dāng)窗簾閉合時，設(shè)置下限開關(guān)閾值，電機(jī)反轉(zhuǎn)窗簾關(guān)閉；除開啟和閉合以外，則電機(jī)停轉(zhuǎn)維持原狀態(tài)不變，多次用“if…else”語句來編寫判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動程序。

實物制作如圖4所示。

圖4 智能窗簾實物制作

系統(tǒng)電源采用手機(jī)充電器數(shù)據(jù)線接入USB端口供電，同時在電路板背面裝配電池盒，以備在不插電時由電池供電保證智能窗簾的正常運(yùn)行；DS1302時鐘芯片的2腳和3腳接32.768KHz的晶振，給DS1302提供一個時間基準(zhǔn)；PCF8591AD模塊通過跳線帽給電路擴(kuò)展預(yù)留了端口；4個按鍵開關(guān)從左到右依次是菜單鍵、菜單功能鍵、減一鍵和加一鍵，菜單鍵里可以選擇“窗簾打開時間”、“窗簾關(guān)閉時間”、“光線設(shè)定”、“窗簾狀態(tài)”和“時間調(diào)整”，然后按菜單功能鍵，結(jié)合加減鍵，選擇調(diào)時間閾值和光照度的閾值，采集到的值和閾值進(jìn)行比較[9]，達(dá)到條件時，由電機(jī)帶動窗簾進(jìn)行動作并在液晶上顯示狀態(tài)，由于液晶采自帶字庫，所以編程時直接將要顯示的漢字直接賦給數(shù)組的地址即可顯示相應(yīng)的漢字和字符。

4 總結(jié)

基于STC12C5A60S2單片機(jī)的智能窗簾系統(tǒng)設(shè)計，通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)來控制窗簾的升降，霍爾傳感器控制窗簾的行程，可以手動設(shè)置光照度閾值和定時時間，利用PCF8591AD轉(zhuǎn)換器采集模擬量送給單片機(jī)自動控制窗簾的開啟和閉合模式[10]。該系統(tǒng)可移植性強(qiáng)、易于擴(kuò)展、實施方便，具有較高的商業(yè)推廣和實際應(yīng)用價值。