第２期（总第１７１期） 机械工程与自动化 Ｎ０．２ ２０１２年４月 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ Ａｐｒ． 文章编号：１６７２—６４１３（２０１２）０２‘０１３３ ０３ 智能家居电动窗帘的设计与实现 孙 健 （东北大学秦皇岛分校，河北秦皇岛０６６００４） 摘要：窗帘机械传动部分采用滚动螺旋形式，智能控制部分以ＡＴ８９Ｓ５２单片机为核心，实现了人工控制、 光强控制、红外遥控和定时控制，具有较好的市场应用前景。 关键词：螺旋传动；智能化；单片机；电动窗帘；设计 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ ０ 引言 电机，控制滚珠丝杆的双向转动。轨道两端安装有端 智能家居已经覆盖家庭自动化、家庭网络、网络家 盖，端盖内设有滚动轴承的固定座，左端盖内还设有电 电、信息家电这四大块。而智能家居窗帘与传统的窗 机的支撑座。滑槽可以直接套在安装座上，安装座通过 帘相比，它不用手动去拉，特别在别墅、高档写字楼、展 螺钉固定在窗户上侧墙壁。滚珠丝杆和滑槽轨道的长 览馆、大型会议室等场所显得更加方便，只要一按遥 度可以根据窗户的大小自由设定，而其他零件的尺寸均 控，窗帘自动开合。智能窗帘机可分为机械和控制两 保持不变，这样就可以满足不同用户的需求。 大部分。现在市场上常见的智能窗帘机械传动形式有 绳索牵引式、皮带传动式、直线电机牵引式及滚动螺旋 传动式。本文介绍一种采用螺旋传动式的智能窗帘的 设计。 １机械传动部分设计 图１为窗帘机的系统结构示意图。窗帘机采用螺 旋传动原理，运用螺杆和牵引套完成传动目的，省去了 传统的滑轮、绳索、皮带等机械机构，使窗帘的可靠性 和使用寿命得到很大提高。本设计中采用管状螺旋滚 图１ 窗帘机的系统结构示意图 珠丝杆、带有内螺纹球形滚道移动小车和使二者产生 ２智能控制部分设计 相对运动的球形滚珠组成传动机构。滚珠丝杆外部是 ２．１ 控制系统结构规划 带有滑槽的轨道，轨道上放置多个可沿轨道移动、用于 控制系统主要有以下几种功能：①固定开关控制： 固定窗帘吊环的吊环座。当滚珠丝杆在电机带动下转 按下“开”或“关”按钮，窗帘自动拉开或关闭，当窗帘拉 动时，移动小车会沿着丝杆做直线运动，并且推动吊环 开或关闭已经到位后，电机自动停止，当窗帘在按下 座运动。移动小车和吊环座上都装有弹性橡胶小轮， “开”或“关”的运动过程中，按“停”按钮，电机停止转 使机构中的运动都依靠滚动摩擦力，从而采用较小的 动，这样用户就可以随自己的意愿控制窗帘开合的大 驱动力就可以满足系统要求。螺旋丝杆上采用双向螺 小范围，固定开关避免了人们因遥控器失灵或者丢失 旋，以中间为界，分成左螺旋丝杆和右螺旋丝杆，两部 所造成的不方便；②红外遥控控制：红外遥控控制是通 分丝杆上各设置移动小车一个。移动小车上的引导套 过遥控器来控制窗帘的开合；③定时控制：定时控制是 上注塑成形有内螺旋球形滚道。系统中采用双向可逆 通过在定时器中设置开启或者关闭时间来控制窗帘的 收稿日期：２Ｏｌｌ—ｌＯ一３１｝修回日期：２０１１—１２—２Ｏ 作者简介：孙健（１９８９一），男，甘肃临洮人，本科在读，专业为机械工程及自动化。 ・ １３４ ・ 机械工程与自动化 ２０１２年第２期 开启或者关闭；④光强控制：光强控制是利用光电传感 器，根据光照情况来自动控制窗帘的开合，在光照比较 ２．２ 系统硬件设计 ２．２．１ 电源电路 强烈的情况下窗帘会自动关闭而不使室内受到强烈的 光照。 ＡＴ８９Ｓ５２单片机正常工作电压范围为４．０ Ｖ～ ５．５ Ｖ，设计的电源电路就是为单片机提供电压。电 源电路中，经过变压、整流、滤波、稳压四步把交流电变 换为直流电。稳压过程采用三端集成稳压器 ＬＭ７８０５，最后输出５ Ｖ的直流电压供给单片机。电 源电路如图３所示。 图２为控制系统总体机构框图。窗帘控制器的执行 机构由电机驱动电路和电机来实现，电机正转、反转和停 止功能由单片机输出电平来控制。定时控制方式可由时 钟芯片来实现。光强控制方式由光敏电阻和运放电路来 控制单片机输出电平继而控制步进电机来实现。 ●一２—３—４—５—６—７—８—９一ｍ—ｎ一 一培一Ｍ一塔一 圈３∞ ２．２．２基于单片机的控制系统电路 电源电路圈 Ｏ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ０ 时默 甩 吼 １ ２ ３ ４ ５ ６ 智能控制系统以单片机为核心，配合各种芯片及 眦陬 陬 眦眦眦 舡哑眩 陀 相关电路来实现窗帘的控制。本系统中，采用 Ｃ Ｏ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７＾Ｅ Ｎ ７ ６ ５ ４ ＡＴＭＥＬ公司的ＡＴ８９Ｓ５２单片机，它是低功耗、高性 ∞一∞一搴；一盯一∞一 一 一∞一躲一 一∞一嚣一宅已一 一笛一衢一图２控制系统总体机构框图 能、采用ＣＭＯＳ工艺制造的８位单片机。控制系统电 路图如图４所示。 －￣Ｙ，瑚 Ｉ Ｉ ｖｓ ｌ３￣￣ ∞‘ ｍＴ黜 而＾ ■ 吕二Ｖｌ 主＿］． ｒ矗］ ・ 上 ＧＮＤ ４Ｌ Ｃ Ｓｌ６４ ｃＩ上 口 ７４Ｌ Ｓｌ６４ 石英晶体 圈４控制系统电路圈 系统的定时控制方式采用定时器。为了保持单片 利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的 强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱， 电阻增大。窗帘在光控模式下，当光强高于所设定的 标准值时，窗帘会自动关闭，反之，当光强低于该标准 值时，窗帘将自动打开。本设计采用ＬＸＤ５５１６型光敏 机与外界时钟一致，设计中采用了一个带ＲＡＭ存储 器的串行１２Ｃ实时时钟芯片ＤＳ１３０７。该芯片有产生 秒、分、时、日、月、年等功能，并且具有闰年自动调整功 能。芯片内部还集成有一定容量、具有掉电保护特性 的静态ＲＡＭ，可用于保存一些关键数据。 系统的光强控制方式采用光敏电阻。光敏电阻是 电阻，可靠性好、体积小、灵敏度高。信号放大器采用 ＬＭ３５８。 ２０１２年第２期 孙健：智能家居电动窗帘的设计与实现 ・ １３５ ・ 红外遥控电路分为发射和接收两部分。信号发射 是设定时间信号，则单片机调用相应的程序，对 器主要由键盘矩阵遥控器专用集成芯片ＬＣ９３０１、激励 ＤＳ１３０７设定开或者关窗帘的时间，当时间到之后，再 器和红外发光二极管等组成，其工作过程是：首先由专 控制电机去开关窗帘。 用集成芯片将每个按键码经内部遥控指令编码器转换 成遥控编码脉冲后，将编码脉冲３８ ｋＨｚ左右的载波 进行脉冲幅度调制，最后由已调制的编码脉冲激励红 外发光二极管，使其以中心波长为９４０ ｒｉｍ的红外光 发出红外遥控信号。接收端采用性能可靠的一体化接 收头ＢＡ５３０２接收红外信号，它同时对信号进行放大、 检波、整形，得到ＴＴＬ电平的编码信号，再送给单片 机，经单片机解码去控制相关对象。 电机执行部分完全受单片机的控制，通过单片机 的Ｐ０．０和Ｐ０．１完成。单片机复位状态下Ｐ０．０和 ＰＯ．１输出高电平，三极管Ｖｌ、Ｖ２、Ｖ３及Ｖ４截止，两 个继电器Ｊ１和Ｊ２释放状态、方向可逆的电动机，使其 因无电源供电而停止。当Ｐ０．０或ＰＯ．１其中有一个 图５ 系统功能实现流程图 输出低电平后，两个继电器便会有一个导通。窗帘到 ３结语 位后，行程开关自动关闭电机转动。在同一个时间内， 本文完成了智能家居电动窗帘的设计。机械传动 两个继电器仅能有一个吸合，即便是在电机工作期间， 部分采用滚动螺旋式传动，使得窗帘噪声小、可靠性 操作了反向转动按键，单片机也是先释放当前工作继 高，使用寿命也有了很大的提高。智能控制部分以单 电器，并延时一定时间后再吸合另一个继电器，防止电 相可逆电机作为执行元件，以光敏电阻作为传感器的 机正、反工作线圈同时通电的危险。 检测元件，以ＡＴ８９Ｓ５２作为控制芯片，配合有ＬＥＤ数 ２．３ 系统功能的实现 码管显示，以红外遥控为控制方式，还配有固定按钮控 图５为系统功能实现流程图。本系统中单片机主 制，实现了电动窗帘的多项智能控制。 要任务是完成各种信号的处理和控制。其中包括固定 参考文献： 开关按钮发出的信号、光强传感器检测电路的信号、时 ［１］孙桓．陈作模，葛文杰．机械原理［Ｍ］．第７版．北京：高等 钟芯片ＤＳ１３０７发出的信号及ＢＡ５３０２接收到的红外 教育出版社。２００６． 信号。当单片机收到固定开关发出的信号时，则直接 ［２］马淑华．王凤文，张美金．单片机原理与接口技术［Ｍ］．第 对电机进行控制，实现窗帘的拉开、关闭或停止。当接 ２版．北京：北京邮电大学出版社，２００５． 收到光电传感器电路信号时，单片机调用相应的程序， ［３］ 张晓虎．刘洁．基于单片机的红外窗帘控制器设计［Ｊ］．电 把接收到的光照强度信号与设定好的值做比较，进而 子元器件应用．２００５（１２）：５７—５９． 控制窗帘的开合。当接收到红外发射信号时，如果是 ［４］庄渊昭．实用智能窗帘机的设计［Ｊ］．现代电子技术，２００８ （４）１ １８ｌ一１８３． 开、关或停信号，则单片机直接对电机进行控制，如果 Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｕｒｔａｉｎ ｉｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｈｏｍｅ ＳＵＮ Ｊｌａｎ （Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ａｔ Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｕｒｔａｉｎ ｔａｋｉｎｇ ＡＴ８９Ｓ５２ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｃｒｅｗ ｄｒｉｖｅ・ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｎｕａｌ ｃｏｎｔｒｏ１．ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｉｍｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｗｈａｔ’８ ｍｏｒｅ，ｉｔ ｈａｓ ｂｒｏａｄ ｍａｒｋｅｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｃｒｅｗ ｄｒｉｖｅ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ；ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｕｒｔａｉｎ；ｄｅｓｉｇｎ
