摘 要

由于物联网和移动通信技术的飞速发展，传统的家居系统已经不能满足人们的要求，智能家居系统应运而生。本次设计从研究智能家居的背景现状以及国内外发展前景入手，提出了进行和智能家居有关的自适应窗帘的设计。设计总体采用了以AT89C51单片机为核心，以光敏电阻、温敏电阻为自动模式的环境变量检测元件，以红外遥控为手动控制方式，步进电机为输出元件的方案。

本次设计采用总分总的叙述方式，中间分为方案介绍、硬件电路介绍、程序介绍、仿真结果分析几个部分来阐述实验的思路、具体过程以及结果。硬件电路部分给出了包括温控/光控模块、红外遥控模块和步进电机模块的分块硬件电路图，程序介绍部分给出了编码和解码部分的主函数和中断函数的流程图，仿真结果部分给出了手动模式和自动模式的仿真结果图。

实验最终达到了用户通过红外遥控实现对窗帘开闭的控制，以及白天开窗夜晚关窗，若白天窗帘打开之后温度过高实现自动关闭的设计目的。

关键词：自适应窗帘，AT89C51，红外遥控

Abstract

Due to the rapid development of the Internet of Things and mobile communication technologies, traditional home systems have failed to meet people's requirements. Smart home systems have emerged as a result. This design starts from researching the current status of smart homes and the development prospects at home and abroad, and proposes the design of adaptive curtains related to smart homes. The design of the overall use of the AT89C51 microcontroller as the core, the photosensitive resistance, temperature sensitive resistors for the automatic mode of environmental variables detection components, infrared remote control for manual control, stepper motor for the output component of the program.

This design adopts the total narrative method of the total score, and the middle part is divided into the introduction of the scheme, introduction of the hardware circuit, introduction of the program, and analysis of the simulation results to explain the experimental ideas, specific processes, and results. The hardware circuit part gives the block hardware circuit diagram including temperature control/light control module, infrared remote control module and stepper motor module. The program introduction part gives the flow chart of the main function and interrupt function of the encoding and decoding part. The simulation result Some of the simulation results are shown in manual mode and automatic mode.

The experiment finally achieved the user's control of the opening and closing of the curtain through the infrared remote control, as well as the opening of the window at night during the day to close the window. If the temperature is too high after the curtain is opened during the day, the automatic closing is achieved.

Keywords: adaptive curtain, AT89C51, infrared remote control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 智能家居的背景及意义 1

1.2 设计的基本内容与功能 2

第2章 自适应窗帘设计 4

2.1 方案介绍 4

2.1.1光控/温控模块 4

2.1.2 红外遥控模块 5

2.1.3 步进电机模块 6

第3章 电路分析 8

3.1 硬件电路分析 8

3.1.1 最小系统介绍 8

3.1.1.1 89C51单片机介绍 8

3.1.1.2 晶振电路 9

3.1.1.3 复位电路 9

3.1.2 光控/温控电路 10

3.1.3 红外遥控电路 11

3.1.3.1 红外发射电路 12

3.1.3.2 红外接收电路 13

3.1.4 步进电机电路 14

3.1.4.1 步进电机介绍 14

3.1.4.2 驱动电路 15

3.2 软件分析 15

3.2.1 程序流程 16

3.2.2 编码部分程序介绍 18

3.2.3 解码部分程序介绍 19

第4章 仿真效果及分析 22

第5章 总结与展望 24

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

本次设计从研究智能家居的背景现状以及国内外发展前景入手，提出了进行和智能家居有关的自适应窗帘的设计。下面来介绍一下智能家具特别是智能窗帘的研究背景，国内外发展前景以及设计的具体内容。

1.1 智能家居的背景及意义

随着物联网的发展，智能家居越来越体现出物联化。智能家居通过物联网将家里的各种家居设备，比如各种网络家电、照明系统、防盗系统等联系到一起，可以通过手机或者其他遥控设备远程控制各种家电按照用户的需求工作。和传统的家电系统比起来，智能家居不需要人工操作，特别适合不经常在家的上班族。智能家居可以提高家居生活的安全性，也可以为用户节约能源，更重要的是智能家居可以整合杂乱无章的家居设备，让它们形成一个有机的、有组织的整体，降低用户的管理成本。

智能家居的概念从很早开始就有了，但是直到1984年美国一家公司将这一概念运用到实际上，才出现了第一栋智能型建筑，从此开启了智能家居的时代。问世之后的智能家居不断更新，尤其是进入二十一世纪之后，智能家居不论是在功能上还是在系统上都有了质的飞跃，比如最新的RF无线射频技术，用无线模式取代了有线模式，解放了距离的限制，让用户操作起来更加的轻松自如^[1]。

智能家居已经成为今后家居领域发展的必然趋势。从比尔盖茨第一个将智能家居运用到自己家里到现在已经三十年过去了，智能家居在我国从萌芽期发展到开创期，再到徘徊期最后到了现在的融合演变期^[2]。智能家居逐渐走入了大众的视线。国内近两年，随着wifi的普及，有线家居系统逐渐被无限家居系统取代，我国在无线领域的发展逐渐跟上了国外的步伐，但是人们的消费观和消费能力并没能匹配上这种发展，导致智能家居虽然有潜力但是发展缓慢。目前我国智能家居领域的技术与产品呈现百花齐放之势，市场明显出现高、中、低不同层次的产品，智能家居行业进入飞速成长期。最初的发展主要以电动窗帘、电器的远程遥控和灯光的远程遥控为主，随着行业的多样化发展，智能家居控制的功能越来越多，控制对象的范围也越来越广，延伸到了诸如防盗系统、指纹门禁、可视对讲一类的领域，几乎可以涵盖了所有传统的弱电领域，具有十分广阔的发展前景。三星、华为、小米、谷歌、苹果、微软、魅族等众多科技企业纷纷抢占智能家居市场，促进了移动通讯技术的发展，反过来不断发展的移动通信技术也给智能家居行业提供了强大的技术支持，比如5G技术、蓝牙、红外遥控等等技术^[3]。这些新技术和智能家居产业融合，产生了强大的合力，比如深度学习技术和人工智能技术。

本文主要设计的是智能家居里面应用较多的自适应电动窗帘。现在，家家户户采用的采光避光手段大多是传统的手拉式窗帘，手动开闭不仅费时费力而且很多方面不够人性化，可能给用户带来一定的困扰，随着移动通讯技术及电子器件的发展，光控、温控窗帘及遥控窗帘应运而生，给人们在生活上提供了很多方便^[4]。利用智能化控制系统可以实现按照用户设定光照值，白天自动开窗帘，夜晚自动关窗帘；按照用户设定时间开闭窗帘；用红外遥控远程遥控窗帘开闭等等功能，给用户的带来随心所欲的室内光感和舒适的家庭体验。

在发达国家，电动窗帘的应用已经十分广泛。而十多年前电动窗帘就已经渗透到了国内，可是一直都没有得到大力的推广，后来电子控制技术得到了不断的提高，而且相关电子设备的价格也不断下降，电动窗帘才又开始广泛出现在大众的视线里面。在此后的短短几年之内，电动窗帘的产商由最初的几家发展到如今的几百家，可以说是发展十分迅速了。目前国内遥控型自动窗帘的厂商、分销商以及集成商已经具备了不错的规模，许多国内知名企业也开始进入自动窗帘行业，涌现出了一批比较有影响力的智能窗帘厂商，并不断拓展到智能家居的其他行业。智能家居开始走进诸如写字楼、教学楼、酒店一类的公共场所，同时也走进了普通家庭，这些都显示出了智能家居巨大的应用潜力。

智能家居前景广阔，将在以后的二十年里成为家居市场的主流。从发展空间角度，我国智能家居市场具有很大的发展规模，智能家居包括智能照明系统、家庭影院系统、防盗系统等等在内的二十个类别。从技术角度上说，智能小区的技术发展已从现场总线阶段、分散控制阶段发展到了TCP／IP网络技术阶段^[5]。从市场角度上说，随着房地产市场竞争越来越激烈，更多的房地产开发商愿意把智能家居系统装配到所开发楼盘，让智能家居系统作为全新卖点。

1.2 设计的基本内容与功能

本次设计主题是自适应窗帘，设计的电动窗帘控制系统主要实现以下几大功能：1)手动模式，用户通过红外遥控实现对窗帘开闭的控制。2)光控模式，实现白天开窗夜晚关窗的功能。3)温控模式，若白天窗帘打开之后温度过高可实现自动关闭的功能。

上面的三个功能分别通过不同的设定，将信号传给步进电机指挥窗帘开闭。

1）手动模式，红外遥控模块由红外信号发射部分、红外信号接收部分、步进电机和单片机组成，采用NEC编码的红外遥控发射器搭载单片机产生的载波信号来产生信号脉冲，接收器完成接收信号的光电转换、放大、检波、整形和解调，之后单片机完成红外信号的解码功能，并根据不同的信号指示步进电机完成开或闭窗帘的动作。

2）光控模式，包括光敏电阻、LM393比较器和单片机。光敏电阻根据光照强度大小改变电阻阻值，检测端的电压值也会改变，这样就将光信号转变为了电信号，通过LM393进行简单的模数转换，再交给单片机处理，如果光照值大于阈值则输出高电平，让步进电机正转打开窗帘，反之输出低电平，步进电机反转。

3）温控模式，包括温敏电阻、LM393比较器和单片机。先用温敏电阻检测温度信号并交给LM393处理，当检测到窗帘是打开状态时才把处理后的温度信号输送给单片机，若温度过高则让步进电机反转关闭窗帘，反之不予处理。

步进电机选用L293D直流/步进两用驱动器，从单片机接收到低电平正转，接收到高电平反转。

上面的光控模式和温控模式可以归为自动模式。

第2章 自适应窗帘设计

2.1 方案介绍

这次实验主要分为四个模块，包括红外遥控模块、光控/温控模块以及步进电机模块，下面来详细介绍一下各个模块方案选择和具体器件。

2.1.1光控/温控模块

这个模块需要用到光敏传感器和温敏传感器，可以供选择的有光敏电阻和温敏电阻；BH1750FVI光照传感器和DHT11温湿度传感器。

方案一的温敏电阻和光敏电阻都有两种，一种的伏安特性曲线参数为负值，温度越高（光照值越大）电阻越小；一种的伏安特性曲线参数为正值，温度越高（光照值越大）电阻阻值越大。光敏电阻根据半导体的光电导效应制成，灵敏度高，反应速度快，在温度较高、湿度较大的环境下也能保持很好的鲁棒性^[6]，而且性价比高，应用范围广。

方案二的BH1750FVI是一种16位高精度数字光强度传感器，拥有两线式串行总线接口^[7]，可以检测较大范围内环境的光照强度数值，具有比较高的分辨率和较高的性能。BH1750FVI的总线模式可以避免模数转换过程中带来的误差，而且实时性很好。

图2.1 BH1750FVI结构框图

根据上面的结构框图，BH1750FVI依靠高精度二极管来测量环境中的光照值大小，集成运算放大器可以将电流信号转换为电压信号，再经过模数转换，逻辑、I²C处理并储存，通过相应指令可以读出存储的光照值数据。

DHT11是一款含有校准信号的可以测温度和湿度的传感器。传感器包括一个电阻式的测湿度的元件模块和一个NTC测温度的元件模块^[8]，和Cortex-M3连接之后，DHT11能够实时地探测周围环境的温度值大小和湿度值大小^[8]。DHT11与Cortex-M3之间只需要一个I/O口来连接^[8]。DHT11这一款温湿度传感器的抗干扰能力和稳定性不错，而且耗能较低。

BH1750FVI内部已经包括ADC进行模数转换，不需要另外配一个，DHT11则是不需要ADC，在硬件方面会比单纯的光敏二极管和温敏二极管要简洁一点。而方案一在模数转换方面有两个选择，一是使用ADC进行模数转换，但是程序相对二来说复杂一点；二是使用LM393比较器来代替ADC的模数转换功能，如果比较器的正端输入的是外界环境的温度和光照信号，负端输入的是滑阻代表的阈值，那么高于阈值输出低电平，低于阈值输出高电平，这样就不需要另外加上编程来实现了。

综合硬件、软件以及现有经费情况，最终决定选择温敏电阻、光敏电阻和LM393比较器的组合。

2.1.2 红外遥控模块

红外遥控模块是通过红外线来传递信息的，包括红外发射部分和红外接收部分。红外发射部分又包括遥控键盘、单片机、红外发射二极管和PNP晶体管^[9]。遥控键盘用来让用户发送指令，单片机用来产生载波信号，并加载到指令信号中，通过红外发射二极管将加载后的信号发射到空中。红外接收器包括一体化接收头、单片机和步进电机。一体化接收头可以将接收到的信号进行解码和放大，解码之后滤掉了载波，只剩下0和1的电平变化，送给单片机处理，最后指挥步进电机动作。

图2.2 红外发射、接收框图

根据使用场合的不同，红外信号的编码方式也很多样化。可以根据这些控制信号特征进行各种模式的编码，比较常见的有PPM（脉冲间隔调制）和PWM（脉冲宽度调制）。PPM的高频调制波宽度不变的，都是560us，而脉冲间隔改变；PWM是脉冲间隔不变，都是600us，高频调制波宽度改变。本次设计选择了脉冲宽度不变的NEC协议编码方式。NEC协议的载波频率为38KHZ^[10]，另外，因为占空比越大，红外信号传输过程中的损失就越大，传输距离就要越近，所以占空比的最佳选择是1/3。

NEC协议的格式是9ms脉冲信号、4.5ms低电平的引导码，16位用户码（从低位开始传送），8位指令码（也是从低位开始发送），8位指令码的反码。

图2.3 NEC协议格式

而协议格式里的每一个逻辑1位都是由560us高频调制波信号和1.69ms的低电平组成的，每一个逻辑0位都是由560us高频调制波信号和560us低电平组成的。38KHZ的载波信号通过单片机编程产生。

图2.4 逻辑1和逻辑0

如果长按遥控键盘的某一个按键，发送的不再是这个按键的键码，而是时长为110ms的重复码，重复码由9ms脉冲信号、2.25ms低电平和560us脉冲信号组成。

红外接收部分的接收头有电平型和脉冲型这两个类型。传统的电平型红外接收头抗干扰性不佳，而且传输距离短。而脉冲型一体化红外线接收头抗干扰能力比传统的电平型要好很多，传输距离更远，稳定性更强。

本次设计选择了脉冲型的HX1838一体化接收头，这一款接收头可以完成红外信号的接收、放大和解码步骤，解码之后信号就只剩下高低电平，载波就被滤走了，同时接收到的信号会是原始信号的反码。然后再送到另外一个单片机进行信息处理，控制步进电机运转。

2.1.3 步进电机模块

步进电机模块包括电机的功率驱动电路和步进电机电路。步进电机可以将输入的脉冲信号转化为角增量位移信号或者线性步进位移信号，定位准确，比如八个脉冲下，每个脉冲的角位移量就是45度。因为步进电机输出的角位移增量与脉冲个数成反比，转速与脉冲频率成正比，所以可以通过改变脉冲频率来改变步进电机转动的速度，也可以通过改变通电时脉冲的个数来改变位移增量，还可以通过改变线圈绕组的通电顺序来改变电机的正反转^[11]。本次实验中只需要实现在不同情况下步进电机发生正转或者反转，所以脉冲频率和个数会设为恒定值。

步进电机有很多种分类方式，其中最常见的分类方式是分为反应式、永磁式和混合式这三大类。反应式步进电机一般为两相，体积较小，结构也要简单一些，但动态性能差；永磁式步进电机一般为三相，优点是动态性能好，缺点是噪音和震动幅度较大；混合式步进电机囊括了前两种的优点，所以应用范围更广^[11]。本次设计选择了两相四线八拍的步进电机，这种步进电机有两个绕组，四根接线，一个周期有八个脉冲。

步进电机工作时不能直接接在电源上，而必须在步进电机和电源中间接一个功率驱动才能正常工作。驱动器由脉冲产生单元、反馈单元、驱动单元等组成，其中前两个单元的功能单片机可以完成，后面的功率驱动单元直接连到步进电机，被称为步进电机的功率接口^[11]。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：