畢俊喜，薛志安，王志軍

(1．內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051;2．中國(guó)重汽集團(tuán)濟(jì)南橋箱有限公司，山東濟(jì)南 250104)

0 引言

目前的智能家居實(shí)際上只是將家用電器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，其技術(shù)水平還停留在自動(dòng)化的階段。在不少場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械化到自動(dòng)化的過(guò)程，這已大大的方便了人們的日常生活。為了免去人們?cè)谠缤頃r(shí)拉窗簾，設(shè)計(jì)了智能光控窗簾系統(tǒng)。當(dāng)光照達(dá)到一定強(qiáng)度程度時(shí)，窗簾自動(dòng)打開(kāi);當(dāng)光照低于一定強(qiáng)度程度時(shí)，窗簾自動(dòng)閉合;也可采用手動(dòng)按鈕或者是上位機(jī)控制窗簾的開(kāi)關(guān)。

1 智能光控窗簾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1．1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

白天時(shí)，窗簾處于收縮狀態(tài)，而到了夜晚窗簾處于伸展?fàn)顟B(tài)。根據(jù)其功能，窗簾自動(dòng)開(kāi)關(guān)裝置主要由支撐架、步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠和滑桿組成?？砂褲L珠絲杠和滑桿安裝在支撐架中，并通過(guò)機(jī)械方式把滑桿上的窗簾和滾珠絲杠的螺帽連接在一起。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，窗簾閉合;當(dāng)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，窗簾打開(kāi)。

1．2 上位機(jī)

上位機(jī)一般采用功能強(qiáng)大的PC機(jī)，下位機(jī)多選用單片機(jī)。上位機(jī)應(yīng)用軟件一般由VB等面向?qū)ο蟮目梢暬幊誊浖?shí)現(xiàn)。鑒于PC機(jī)具有強(qiáng)大的監(jiān)控和管理功能，單片機(jī)則具有快速以及容易控制的特點(diǎn)，通過(guò)PC機(jī)的RS－232串行接口與外部設(shè)備進(jìn)行通信，是許多測(cè)控系統(tǒng)中常用的一種通信解決方案［1］。采用VB6．0標(biāo)準(zhǔn)控件MSComm來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和單片機(jī)之間的串口通信是一種簡(jiǎn)單可靠的方法。

智能光控窗簾系統(tǒng)可采用兩種方式對(duì)窗簾的開(kāi)閉進(jìn)行控制，一種是自動(dòng)方式，即上位機(jī)給一個(gè)開(kāi)或關(guān)的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)窗簾的開(kāi)閉;另一種是傳感器控制，即上位機(jī)發(fā)信號(hào)后，單片機(jī)根據(jù)傳感器反饋的信號(hào)來(lái)判定窗簾的開(kāi)閉。系統(tǒng)默認(rèn)為傳感器控制。筆者所設(shè)計(jì)的智能光控窗簾系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面如圖1。

圖1 自動(dòng)窗簾上位機(jī)軟件圖

部分VB代碼如下:

Dim x As Integer

Dim y As Integer

y=2

Private Sub Command1_Click()

Me．MSComm1．CommPort=3

MSComm1．Settings="9600，n，8，1"

MSComm1．InputMode=0

MSComm1．PortOpen=True

Timer1．Enabled=True

Command1．Enabled=False

End Sub

Private Sub Command2_Click()

MSComm1．Output=x

MsgBox"已經(jīng)發(fā)送控制信號(hào)!"

End Sub

Private Sub Command3_Click()

MSComm1．Output=y

MsgBox"已經(jīng)發(fā)送控制信號(hào)!"

End Sub

Private Sub Option1_Click(Index As

Integer)

x=1

End Sub

Private Sub Option2_Click(Index As

Integer)

x=0

End Sub

……

2 單片機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2．1 光敏傳感器電路設(shè)計(jì)

光敏傳感器的核心是光敏電阻，光敏電阻是根據(jù)光電效應(yīng)制成的光電探測(cè)器件［2］。光敏電阻的阻值會(huì)隨著光照強(qiáng)度的不同而變化。當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)其阻值較小，光照較弱時(shí)其阻值較大。光敏傳感器電路主要由光敏電阻、集成運(yùn)放LM139、普通電阻和電源構(gòu)成。根據(jù)光敏傳感器的特點(diǎn)，可在電源和光敏傳感器之間串聯(lián)一個(gè)普通電阻起保護(hù)作用，光敏傳感器的另一端接地，把電阻和光敏傳感器之間的電壓引出到LM139中的同相輸入端做比較電壓，LM139的反相輸入端采用標(biāo)準(zhǔn)電壓+3 V，進(jìn)而組成一個(gè)比較電路。其在Proteus中的電路如圖2所示。

2．2 步進(jìn)電機(jī)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，如圖3所示。

單片機(jī)工作在5 V，而步進(jìn)電機(jī)是工作在幾十V，甚至更高。故單片機(jī)電路和步進(jìn)電機(jī)之間需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，可采用ULN2003A。ULN2003A是一個(gè)7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時(shí)ULN2003A輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時(shí)ULN2003A輸出端為高電平。它可以作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。

圖2 光敏傳感器電路圖

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

3 系統(tǒng)在Proteus和Keil uVision4中的仿真

3．1 仿真軟件介紹

Proteus軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)。軟件調(diào)試方面，其自身只帶匯編編譯器，不支持C語(yǔ)言。但可以將它與Keil uVision4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境連接，將用匯編和C語(yǔ)言編寫的程序編譯好之后，可以立即進(jìn)行軟、硬件結(jié)合的系統(tǒng)仿真，像使用仿真器一樣來(lái)調(diào)試程序［3］。

單片機(jī)開(kāi)發(fā)中除必要的硬件電路外，還必須要有軟件程序才可以實(shí)現(xiàn)電路的控制。Keil uVision4軟件則是目前最流行開(kāi)發(fā)MCS－5l系列單片機(jī)的軟件，通過(guò)在Keil uVision4軟件中新建工程項(xiàng)目、編寫編譯調(diào)試程序，并在Protues設(shè)計(jì)出來(lái)的仿真電路中載入程序進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試［4］。系統(tǒng)仿真調(diào)試時(shí)，不僅能觀察到程序執(zhí)行時(shí)單片機(jī)寄存器和存儲(chǔ)器等內(nèi)容變化，而且從工程的角度直觀地看到了外圍電路工作情況，非常接近工程應(yīng)用。

3．2 在Proteus中繪制單片機(jī)控制系統(tǒng)

在Proteus中新建項(xiàng)目，在接下來(lái)的菜單界面中設(shè)置項(xiàng)目的名稱、存放位置、是否創(chuàng)建原理圖、是否創(chuàng)建PCB板以及是否創(chuàng)建工程固件。進(jìn)入Proteus新建項(xiàng)目的ISIS環(huán)境中(如圖4)，單擊左側(cè)上方的Library后，單擊P進(jìn)入添加元器件對(duì)話框，當(dāng)輸入所需元器件的名稱就會(huì)在右側(cè)出現(xiàn)對(duì)應(yīng)元件，單擊OK完成一個(gè)元件添加。添加完所需元件后，在電路圖概覽區(qū)合理放置元件后，連線即可完成所需電路圖。

圖4 Proteus新建項(xiàng)目ISIS圖

在圖5所示的單片機(jī)控制電路圖中，由于Protues元件庫(kù)中沒(méi)有接近開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的元件，故選用LOGICTOGGLE來(lái)替代智能光控窗簾系統(tǒng)中的窗簾開(kāi)閉兩處的接近開(kāi)關(guān)。當(dāng)窗簾完全打開(kāi)時(shí)(或者是完全閉合時(shí))對(duì)應(yīng)處的接近開(kāi)關(guān)為0。在仿真時(shí)手動(dòng)點(diǎn)擊LOGICTOGGLE即可實(shí)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)的功能。由于窗簾一般處于打開(kāi)和閉合兩個(gè)狀態(tài)，所以用一個(gè)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制窗簾的閉合。

圖5 單片機(jī)控制電路圖

3．3 在Keil uVision4中編制單片機(jī)控制系統(tǒng)C語(yǔ)言程序

打開(kāi)Keil uVision4，新建一個(gè)項(xiàng)目，在命名后彈出的窗口中選擇目標(biāo)單片機(jī)芯片。在進(jìn)入項(xiàng)目編輯窗口后，單擊新建，單擊保存，在彈出的窗口中為新建的C語(yǔ)言程序文件命名例如example1．c，命名時(shí)必須加后綴．c，命名后在右擊Source Group 1選擇 Add Files to Source Group 1，在彈出的對(duì)話框中選擇剛才新建的．c文件。在編完程序后，右擊Target 1，選擇Options for Target‘Target 1’，在彈出的窗口中選擇Output菜單，進(jìn)入Output菜單后，單擊Create Hex File復(fù)選框，單擊OK完成設(shè)置。

寫完程序后，編譯程序，并生成．hex文件。

3．4 系統(tǒng)調(diào)試

把在Keil uVision4中生成的．hex文件加載入Proteus中繪制好的單片機(jī)控制電路圖中的AT89C52單片機(jī)上，并構(gòu)建虛擬串口，隨后打開(kāi)上位機(jī)即可仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 上位機(jī)和Proteus仿真結(jié)果圖

4 結(jié)語(yǔ)

采用上位機(jī)控制單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)窗簾的智能控制。在單片機(jī)系統(tǒng)中采用了較為實(shí)用可靠的光敏傳感器，通過(guò)運(yùn)算放大器LM139進(jìn)行電壓比較，判斷光照強(qiáng)弱。并通過(guò)單片機(jī)送出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行工作，完成窗簾的自動(dòng)打開(kāi)和閉合的過(guò)程。筆者在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中引入Proteus與Keil軟件聯(lián)合調(diào)試的開(kāi)發(fā)方式，其主要特點(diǎn)是可首先搭建虛擬環(huán)境對(duì)硬件電路以及軟件進(jìn)行綜合調(diào)試，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則立即修改硬件電路圖或軟件程序［5］。這將花費(fèi)較少的時(shí)間，然后根據(jù)所述模擬結(jié)果制造硬件電路，并驗(yàn)證電路的精度和穩(wěn)定性。使用這種方法在很大的程度上可以減短開(kāi)發(fā)周期，并且也提高了實(shí)驗(yàn)效率。整個(gè)電路設(shè)計(jì)中，所用到的電子元器件均為市場(chǎng)上常見(jiàn)元器件，電路簡(jiǎn)單實(shí)用。

［1］ 楊佩璐．基于VB6．0實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的串行通訊［J］．中國(guó)集體經(jīng)濟(jì)，2009(10):154－157．

［2］ 吳振磊，劉孝趙．光敏電阻在自動(dòng)窗簾中的應(yīng)用［J］．價(jià)值工程，2014(25):65－66．

［3］ 寧成軍，張江霞．基于Proteus和Keil接口的單片機(jī)外圍硬件電路仿真［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2006(18):142－143+146．

［4］ 劉 丹．Protues與Keil聯(lián)合仿真在單片機(jī)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．科教導(dǎo)刊(中旬刊)，2013(8):120－121．

［5］ 曾 宇，宋永端，王弼堃．基于Proteus和Keil軟件的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012(14):177－183．