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1、鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 題 目：_日光溫室自動卷簾機控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真_ 指導(dǎo)教師： 王臨銘 職稱： 講師 學(xué)生姓名： 王松松 學(xué)號： 1102120438 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 院 （系）： 機電工程學(xué)院 答辯日期： 2015年5月20日 2015年4月1日1目錄摘要1Abstract51緒論71.1自動卷簾機的作用71.2自動卷簾機的原理71.3卷簾機類型71.3.1 拉繩式71.3.2爬行移動式電動機71.3.3擺臂式電機81.3.4懸臂自走式卷簾機81.4卷簾設(shè)備的技術(shù)標準81.5 使用注意事項91.6自動卷簾機的總體設(shè)計方案92硬件設(shè)計122.1電動機的選擇12

2、2.2機械部分的設(shè)計132.2.1減速器傳動比的計算與分配132.2.2計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)142.3帶的選擇152.3.1 帶的計算152.3.2帶的根數(shù)確定162.4減速器齒輪的設(shè)計及模數(shù)的選擇162.4.1第一級齒輪傳動設(shè)計162.4.2第二級齒輪傳動設(shè)計172.5軸徑的設(shè)計18軸徑的計算182.6 滾輪支架的設(shè)計203控制系統(tǒng)設(shè)計223.1控制系統(tǒng)的總體設(shè)計223.2 P80C51RA+4N的簡介233.2.1電源引腳243.2.2時鐘引腳253.2.3控制引腳253.2.4 I/O口引腳253.3 P80C51RA+4N最小系統(tǒng)的設(shè)計253.3.1 時鐘電路273.3.2復(fù)位

3、電路273.4 無線通信模塊的設(shè)計283.4.1 GSM模塊的概述283.4.2 TC35的控制簡介283.4.3 TC35引腳極其用法簡介293.4.4 TC35的聯(lián)機接口RS232303.4.5 矩陣鍵盤模塊323.4.6 44矩陣鍵盤的工作原理323.4.7 鍵盤電路設(shè)計323.5存儲器的擴展及其接口電路333.5.1 ROM芯片的選用333.5.2地址鎖存器SN74LS373N343.5.3 單片機的外擴電路353.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC接口的設(shè)計363.6.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC574AJH的簡介363.6.2 ADC574AJH的工作特性373.6.3 ADC574AJH與P80C51R

4、A+4N的接口電路圖373.7 多路模擬開關(guān)39AD7501簡介393.8顯示器的設(shè)計403.8.1 HDSM-577G的簡介403.8.2 HDSM-577G的顯示原理413.8.3 HDSM-577G與P80C51RA+4N的電路圖413.9溫度傳感器、光照傳感器423.9.1 DS18B20的性能特點433.9.2 DS18B20的管腳排列433.9.3 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)443.10.單片機控制電動機45單片機控制繼電器453.11 步進電機仿卷簾機模塊463.11.1 步進電機的工作原理463.11.2 步進電機模擬卷簾機的設(shè)計474軟件編程474.1軟件設(shè)計474.2程序設(shè)計

5、總流程圖484.3源程序如下505結(jié)論566致謝567參考文獻57摘要隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，大棚蔬菜市場日漸擴大，尤其是北方地區(qū)在寒冷的冬季，僅靠南菜北調(diào)長途運輸，不僅成本高，而且延誤了蔬菜的最佳食用期，所以依靠農(nóng)業(yè)科技大力推廣塑料大棚種植蔬菜是蔬菜種植的一個必然發(fā)展趨勢。由于農(nóng)民的種植技術(shù)、大棚環(huán)境管理技術(shù)有限，加之很多高效益植物在溫度低于15或高于40的情況下就會停止生長，濕度過低或過高也會生長緩慢，光照的時間長短直接影響植物光合作用以及瓜果類作物的酸甜度，而且傳統(tǒng)的溫濕度和光照度測量方法采用測試器材，人工檢測費時費力，因此有必要研制大棚自動溫濕度和光照度控制系統(tǒng)

6、，以便實時檢測溫濕度和光照度，并根據(jù)所測的數(shù)據(jù)控制風(fēng)機、加熱器、卷簾機和濕簾等設(shè)備的運行，確保棚內(nèi)溫濕度和光照度環(huán)境最適合農(nóng)作物的生長。 比如溫度傳感器就是用的DS18B20溫度傳感器，它是美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；自動卷簾機分為機械部分和控制部分，機械部分是電動機通過減速器帶動卷軸按照預(yù)定在大棚上面的軌道滾動，這樣就可以實現(xiàn)草簾子的卷放。控制部分是單片機通過溫度傳感器，光照傳感器和其他相關(guān)模塊的信號來控

7、制繼電器的開關(guān)從而來控制電動機的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及調(diào)速等。電動機的運動又帶著草簾的鋪開與卷起。這就是自動卷簾機的控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)元器件較少，可靠性能高。管理人員也可以根據(jù)需要隨時隨地控制草簾子的收放。由此可見，日光溫室自動卷簾機控制系統(tǒng)可以根據(jù)溫度、濕度、光照強度等傳感器的實時數(shù)據(jù)來確定草簾的收放，大大減輕了人工的勞動強度，提高了勞動效率。由于測得的數(shù)據(jù)都是隨著時間變化的變量，所以控制系統(tǒng)能夠精確地分析這些數(shù)據(jù)，從而也會更準確的決定草簾收放的時間，讓日光溫室里的果蔬能夠充分利用陽光生長出更加優(yōu)質(zhì)的果實，提高農(nóng)民的經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞 自動卷簾機；P80C51RA+4N

8、單片機控制 ；DS-18B20 數(shù)字溫度傳感器AbstractWith the development of our national economy and the increase of peoples living standard, the market of greenhouse vegetables growing, especially in the north area in the cold winter, only the Southern cuisine north of long-distance transport, not only the high cost, b

9、ut also delayed the vegetables the best edible period, so rely on agricultural science and technology and vigorously promote the plastic greenhouse cultivation of vegetables is a an inevitable trend of the development of vegetable planting. Because the farmer planting technology, Greenhouse Environm

10、ent Management Technology Co., with many high efficiency plant at temperatures below 15 DEG C or higher than 40 deg.c will stop growing, humidity is too low or too high will slow growth, the length of time of illumination affected photosynthesis directly and fruits of sweet and sour, and the traditi

11、onal temperature humidity and illuminance measurement by using a method of testing equipment, artificial detection is time-consuming, so it is necessary to develop greenhouse automatic temperature and humidity and illumination control system for real-time detection of temperature, humidity and illum

12、ination, and according to the measured data control fan, heater, rolling machine and the wet curtain and other equipment operation, ensure the growth of greenhouse temperature humidity and illumination environment most suitable for crops. DS18B20 temperature sensor for temperature sensor is used, it

13、 is a kind of improved intelligent temperature sensor America DALLAS semiconductor companys new temperature measuring elements, compared with the traditional thermal resistance and so on, it can directly read the measured temperature, and can according to the actual requirements through simple progr

14、amming 9 12 digit readout methods single interface unique requires only one port pin for communication; automatic rolling machine is divided into the mechanical part and control part, the mechanical part is the motor through the speed reducer drives the scroll in the canopy above according to the pr

15、edetermined orbit, which can realize the grass curtain reeling. The control part is the SCM through the temperature sensor, switch light sensors and other related module to control the relay to control the motor start, stop, forward, reverse and speed etc. The movement of the motor and with the spre

16、ad and rolled up mats. This is the automatic control system of rolling machine, the whole system of the circuit structure is simple, switch components less, high reliability. Managers can also according to need whenever and wherever possible control grass curtain and retraction.Thus, solar greenhous

17、e automatic rolling machine control system according to the temperature, humidity, light intensity sensor real-time data according to determine the straw and retraction, greatly reduce the labor intensity of manual, improve labor efficiency. The measured data are changing with the time variable, so

18、the control system can precisely analyze these data, which will be more accurate decisions straw retraction time, let the sunlight greenhouse vegetables to make full use of sunlight grow more quality of fruit, increase farmers economic benefits.1緒論1.1自動卷簾機的作用縮短卷放簾時間，一般每天可增加日照時間近2 個小時，提高溫室內(nèi)溫度35。由于卷放過

19、程運行平穩(wěn)，無繩索與保溫簾的摩擦，使保溫簾延長使用壽命12 年。由于溫室內(nèi)溫度增高，生長快，使作物早熟，縮短作物生長期，一般可使作物提前上市510 天。通過減少用工量，減少保溫簾的損壞，提高作物的產(chǎn)量，增加反季量等，可明顯地提高經(jīng)濟效益。1.2自動卷簾機的原理卷簾機按不同的分類方法有多種形式， 按動力形式分為手動式和電動式，按結(jié)構(gòu)形式分為牽引式、滑軌式、支臂式、側(cè)懸浮動式等，按工作形式分為固定式和走動式。固定式是卷簾機固定在大棚后墻的磚垛上，利用機械動力把草簾子卷上去，利用大棚的坡度和草簾子的重量往下滾放草簾子， 該種型號的卷簾機都是早期安裝的，造價較高，大棚要有一定的坡度，如果棚面坡度太小，

20、草簾子滾不下來。走動式是電機和減速機一起在棚面上走動， 利用卷簾機的動力上下自由卷放草簾子， 不受大棚坡度大小的限制，安裝簡單，造價低，效率高，卷放整齊，是目前廣泛采用的一種形式。以下就是幾種常見的卷簾機類型。1.3卷簾機類型1.3.1 拉繩式這種形式應(yīng)用的比較早，主要的部件有電動機，減速器、卷繩軸、聯(lián)軸器、卷繩等組成。卷簾時依靠電動機、減速器驅(qū)動卷繩軸轉(zhuǎn)動把繩子纏繞在軸上，通過繩子拉緊使保溫簾卷起。放簾時靠簾的自重自動滾落。此種形式的卷簾機安裝施工比較復(fù)雜，而且造價高，卷放速度慢，保溫簾易損壞，現(xiàn)在已很少使用。1.3.2爬行移動式電動機 爬行移動式電動機和減速器連在一起， 卷簾過程是電動機減

21、速器在溫室中間沿軌道爬行， 卷放簾靠電動機正反轉(zhuǎn)開關(guān)控制，在棚外設(shè)一支桿，定位滑桿可在支桿上移動，保證電機減速器能緊貼在大棚上上下移動，減速器帶動卷簾軸隨電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)卷放簾， 它結(jié)構(gòu)簡單，造價低，卷簾速度較快。缺點是卷簾時電動機、減速器需在棚膜上爬行， 而且有一片保溫簾需經(jīng)常放在棚上作為保護棚膜墊料，影響進光量。1.3.3擺臂式電機 擺臂式電機與減速器縱向相連， 動力輸出端與卷簾軸相連，保溫簾末端系在卷簾軸上，擺臂式又分為懸臂型和支臂型兩種。特點是結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，工作性能可靠，卷放速度快，價格適中，但安裝技術(shù)要求高。1.3.4懸臂自走式卷簾機 懸臂自走式卷簾機目前主要使用較多的懸臂自走式卷簾

22、機主要由底座、支臂、擺臂、三相或單相電動機、減速機、卷簾軸及電機座組成， 一般都用單相電動機， 功率1.12.2kW，適合棚長3080m，擺臂、支臂及卷簾軸均為2寸鋼管，在棚前中間地面位置安裝即可，卷簾機安好后將草簾的下端固定在卷簾軸上， 上端搭在或固定在后墻上，卷簾機即可工作。工作時接通電源，電機動力通過減速機傳給卷簾軸，卷簾軸卷起草簾，電機反轉(zhuǎn)即為放簾， 工作中電機和減速機一起在棚面上走動，并且可以在任何位置停止或啟動。此種型號的卷簾機結(jié)構(gòu)非常簡單，具有以下優(yōu)點：1）效率高，卷放一次僅需58min。2）減輕勞動強度，接通電源卷簾機自行卷放，不用人工操作。3）延長光照時間，提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)

23、量，促進作物早熟。4）安全性好，可靠性高，保護大棚。5）卷放整齊，棚上材料不受破壞。6）操作方便，可在棚上任意位置停止或啟動。7）結(jié)構(gòu)簡單，價格較低。1.4卷簾設(shè)備的技術(shù)標準卷簾設(shè)備的技術(shù)標準雖然目前卷簾機尚沒有明確的技術(shù)標準， 但一般應(yīng)參考下列參數(shù)：一、 拉繩式1）一次卷簾長度應(yīng)小于100m，卷簾重量應(yīng)小于5000kg。2）卷簾時間應(yīng)小于15min。3）單簾寬度1.52.0m，鋪放時不能有重迭，也不可有過大的縫隙。二、 移動式1） 一次卷簾長度不大于80m， 卷簾重應(yīng)小于4000kg。2）卷、放簾時間應(yīng)小于10min。3）卷軸速度應(yīng)小于1.5r/min。1.5 使用注意事項 使用注意事項卷簾

24、機在使用和維護時要注意以下問題：1）接通電源時防止缺一相電源，如果缺一相電源會燒壞電機。2）主機的傳動部分（如減速機、傳動軸承等），要每年添加一次潤滑油，變速箱要加防凍機油。3）在安裝過程中要把卷簾繩子的長度（松緊）調(diào)整一樣，使卷起的草簾子處在一條直線上。在使用過程中要經(jīng)常對卷簾繩子進行調(diào)整， 如果繩子長短不齊，草簾子松緊不一樣，卷起的草簾子會出現(xiàn)曲線狀，在使用中會加大卷簾機和卷軸的扭矩力，影響使用效果或損壞卷簾機和卷軸。4）草簾的底部（即和卷簾軸聯(lián)接的地方）不能過濕，過濕使草簾子過重，卷起困難。在使用中最好用塑料布將草簾蓋上， 避免雨雪淋濕草簾， 也便于清雪。5）每年對部件涂一遍防銹漆。1.

25、6自動卷簾機的總體設(shè)計方案本設(shè)計中的自動卷簾機的示意圖如下：圖1.1 卷簾機總體的示意圖1滾輪支架 2導(dǎo)軌 3減速器 4卷軸如圖所示的導(dǎo)軌2是預(yù)先固定在溫室大棚的上方，滾輪支架1（具體如上圖1.2）通過滾輪5在導(dǎo)軌2上面的滑動，電動機與減速器連在一起，通過減速器前方的主軸7與滾輪支架1通過轉(zhuǎn)套6相連。減速器外連的長軸4就可卷繞草簾子通過卷簾機上的電動機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)草簾子的卷放。電動機由繼電器控制，也可由現(xiàn)場按鈕操作。電動機接受啟動信號后，按照預(yù)定的正反轉(zhuǎn)信號，電動機可帶動減速器的卷軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)草簾子的卷放。單片機通過溫度傳感器、光照傳感器對實時情況的采樣將信息通過TC35模塊發(fā)送短信給管

26、理員，管理員再根據(jù)季節(jié)與時令的需要來決定草簾的收放。2 導(dǎo)軌 5 滾輪 6 轉(zhuǎn)套 7 主軸圖1.2 滾輪支582硬件設(shè)計主要包括電動機型號的選擇、機械傳動部分的設(shè)計。2.1電動機的選擇溫室大棚總長為100m，總共需要1個卷簾機來對100個1m長的草簾子進行卷放，也就是卷簾機要卷起100個草簾子，每個草簾子重2.5Kg。每個卷簾機要卷起的重量：F=G=mg=1002.5 Kg10N/Kg=2500N卷簾機的卷簾的速度為V=0.5r/s功率P=FV=2500N0.5r/s=1250W=1.25KW所選電動機的功率P1.25KW查閱相關(guān)資料，我選用Y90L-4型號的電動機，其相關(guān)的參數(shù)如下表2-1：

27、表 2-1 Y90L-4的基本參數(shù)型號功率（KW）額定電流In（A）額定轉(zhuǎn)速nn（r/min）效率（%）功率因數(shù)（cos）Y90L-41.53.71400790.79圖2.1 電動機2.2機械部分的設(shè)計2.2.1減速器傳動比的計算與分配 減速器的機體是用于支持和固定軸系的零件，是保證傳動零件的嚙合精度，良好的潤滑和密封的重要零件，其重量約占減速器總重量的50%。因此，機體結(jié)構(gòu)對減速器的工作性能，加工工藝，材料消耗，重量及成本等有很大的影響。1 第一根齒輪軸 2第二根軸 3第三根軸 （卷簾機卷軸） 4電動機5大帶輪 6第一級大齒輪 7第二級大齒輪 圖3-1卷簾機示意圖總傳動比 所以選用二級直齒齒

28、輪減速器（展開式） （式中，分別為帶傳動和減速器的傳動比）選擇=5，則減速器傳動比為：分配減速器的傳動比為了使兩級大齒輪直徑相近，根據(jù)書上公式 （15.1）得.1，則2.2.2計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)為了進行傳動件的設(shè)計計算，要推算出各軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。如將傳動裝置各軸由高到低依次定為軸，軸，軸見圖3-1為相鄰兩軸間的傳動比為各軸的輸入功率（KW）為各軸的輸入轉(zhuǎn)距（N.m）為各軸的轉(zhuǎn)速（ r/min）則可按電動機軸至動作機運動傳遞路線推算，得到各軸的運動和動力參數(shù)。各軸的轉(zhuǎn)速軸 軸 軸 各軸輸入功率 軸 KW 軸 KW 軸 KW軸的輸出功率則分別為輸入功率乘軸承效率0.98。各軸的輸入轉(zhuǎn)矩電

29、動機的輸入轉(zhuǎn)矩 軸 軸 軸 2.3帶的選擇2.3.1 帶的計算工作情況系數(shù)，每天工作時間小于十小時，工作載荷性質(zhì)為載荷變動小，根據(jù)機械設(shè)計表11.5，選工作情況系數(shù) =1.1 計算功率 KW選出帶的型號 機械設(shè)計圖11.15中由計算功率和小帶輪轉(zhuǎn)速選A型A型查資料得小帶輪直徑由表11.6，取=100mm 大帶輪 大帶輪的轉(zhuǎn)速（設(shè)=1%）帶長 初取中心距 其中h=8 1190a335 .25 取a=650mm帶長 mm查機械設(shè)計圖11.4，A型V帶的基準長度L=2500mm中心距 mm 小輪包角 中心距 mm 2.3.2帶的根數(shù)確定 帶的根數(shù) (由表11.10，查得=0.17；由表11.8，查得

30、=1.32)所以Z取2。2.4減速器齒輪的設(shè)計及模數(shù)的選擇2.4.1第一級齒輪傳動設(shè)計 因傳動無嚴格限制，批量較小，故小齒輪用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，平均用260HB,大齒輪輪用40Cr,調(diào)質(zhì)處理，平均取用240HB。計算步驟如下：圖表參考機械設(shè)計書齒面接觸疲勞強度的計算計算步驟如下：齒寬系數(shù) =0.6 軟齒面硬度350HB初步計算許用接觸應(yīng)力=0.9 =0.9710=639MPa =0.9 =0.9580=522MPa由表12.16取=90初步計算小齒輪直徑取100mm 即第一級齒輪傳動中小齒輪的分度圓直徑為100mm 初步計算齒寬 =60mm初取齒數(shù)20 =320=60 即第一級齒輪傳動中的大

31、齒輪的分度圓直徑為300mm中心距 mm齒頂圓的直徑：（為齒頂高系數(shù)取1）小齒輪大齒輪 齒根圓的直徑：（為齒隙系數(shù)取0.25）小齒輪：大齒輪齒頂高齒根高齒距基圓齒距（法向齒距）齒厚齒槽寬頂隙標準中心距校核同上，經(jīng)驗算計算結(jié)果表明接觸疲勞強度較為適合，齒輪尺寸無需調(diào)整重合度系數(shù)。因為這兩個的齒輪的齒頂圓直徑，主動的為110mm,從動的為310mm，均小于500mm，這樣的齒輪通常是鍛造或鑄造的，鍛造的齒輪一般采用圓盤式即腹板式結(jié)構(gòu)，所以一級傳動的兩個齒輪我選用腹板式。主動輪的齒輪根徑很小，還可選用齒輪軸的形2.4.2第二級齒輪傳動設(shè)計因傳動尺寸無嚴格限制，批量較小，故小齒輪用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，

32、硬度240HB-280HB，平均用260HB,大齒輪輪用ZG35SiMn,調(diào)質(zhì)處理，硬度229HB-280HB。平均取用240HB。計算步驟如下：圖表參考機械設(shè)計書初步計算 N.m齒寬系數(shù) =0.6 軟齒面硬度350HB 初步計算許用接觸應(yīng)力=0.9 =0.9710=639MPa =0.9=0.9580=522MPa由表12.16取 =90初步計算小齒輪直徑取150mm 即第二級齒輪傳動中的小齒輪的分度圓直徑為150mm； 初步計算齒寬 =90mm初取齒數(shù)25 =325=75 即第二級齒輪傳動中的大齒輪的分度圓直徑為450mm；中心距 mm齒頂圓的直徑：（為齒頂高系數(shù)取1）小齒輪大齒輪 齒根圓

33、的直徑：（為齒隙系數(shù)取0.25）小齒輪：大齒輪齒頂高齒根高齒距基圓齒距（法向齒距）齒厚齒槽寬頂隙標準中心距經(jīng)過驗算計算結(jié)果表明接觸疲勞強度較為適合，齒輪尺寸無需調(diào)整重合度系數(shù)。2.5軸徑的設(shè)計軸徑的計算 軸的材料選擇45號鋼設(shè)計公式，軸的最小直徑 式中P軸的傳動功率，KW n軸的轉(zhuǎn)速，r/min 許用切應(yīng)力，MPa C與軸材料有關(guān)的系數(shù)，可由資料得軸 mm 軸的最小直徑為30mm因為一級傳動中的主動齒輪的根徑很小，所以我采用的是齒輪軸下圖3.2為軸的總體設(shè)計形狀圖3.2 軸圖中三段軸徑分別為30mm,40mm,50mm軸 mm 取直徑為40mm下圖3.3為軸的總體設(shè)計形狀圖3.3 軸圖中d1為

34、此軸的最小直徑為40mm,d2=d1+7mm=47mm,d3=d2+3mm=50mm,d4=d2=47mm,d5=d1=40mm.軸 所以軸的最小直徑取40mm下圖3.4為軸的總體設(shè)計形狀（與軸相同）圖3.4 軸 圖中d1為此軸的最小直徑為40mm,d2=d1+25mm=65mm,d3=d2+5mm=70mm,d4=d2=65mm,d5=d1=40mm.2.6 滾輪支架的設(shè)計因為卷簾機的運行的路線是完全根據(jù)軌道，卷簾機的主軸要必須要固定在軌道上，并且可以進行相對移動。在這里我選用滾輪支架這一結(jié)構(gòu)，因為主軸與導(dǎo)軌直接必然會產(chǎn)生一些浮動，所以我選用類似三角形的支架，最底的三角邊可以提供給主軸足夠的

35、浮動空間。如下圖3.6由于卷簾機是放置在溫室大棚的上面的，而溫室大棚是有一定的弧度的，因此卷簾機與軌道和支架會產(chǎn)生一個偏角，并且這個偏角會隨著卷簾機的移動而變化著。所以我選擇轉(zhuǎn)套與卷簾機主軸焊在一起，這樣主軸與支架的偏角可隨意波動。其剖面圖如下圖3.7 圖3.6三角形支架圖3.7轉(zhuǎn)套6與主軸7和三角支架底邊的連接3控制系統(tǒng)設(shè)計3.1控制系統(tǒng)的總體設(shè)計本設(shè)計的功能是由手機通過單片機的控制部分來對卷簾機進行控制收放。具體過程：短信收發(fā)模塊TC35上的RS-232接口通過MAX232與單片機連接，單片機本身需要外擴數(shù)據(jù)存儲器RAM，模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過地址鎖存器與單片機連接，由于有多個傳感器，所以還需要一

36、個多路開關(guān)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連。自動卷簾機的整個硬件電路設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)框圖可由下圖4-1表示TC35MAX232單片機P80C51RA顯示器鎖存器74LS373RAM27256A/D多路開關(guān)溫度傳感器光照傳感器圖4.1 自動卷簾機控制部分的總體結(jié)構(gòu)框圖3.2 P80C51RA+4N的簡介 P80C51RA+4N是一款80C51微控制器，包含16/32/64kB Flash和1024字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。它的典型特性是它的X2方式選項。利用該特性，設(shè)計工程師可使應(yīng)用程序以傳統(tǒng)的80C51時鐘頻率（每個機器周期包含12個時鐘）或X2方式（每個機器周期包含6個時鐘）的時鐘頻率運行，選擇X2方式可在相同時鐘頻

37、率下獲得2倍的吞吐量。從該特性獲益的另一種方法是將時鐘頻率減半而保持特性不變，這樣可以極大地降低電磁干擾(EMI)。下圖4.2所示為P80C51RA+4N的引腳及其電路圖，此芯片由ATMEL公司所制造，可重復(fù)燒錄1000次以上，8051單片機必須有供應(yīng)電壓，電源引腳為VCC、GND。工作電壓在4V6.6V之間，建議使用+5V電源供應(yīng)器，保持芯片的工作壽命。圖4.2 P80C51RA+4N單片機的外部引腳圖40個引腳按引腳功能大致可分為4個種類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。3.2.1電源引腳（1） VCC - 芯片電源，接+5V；（2） VSS - 接地端；注：用萬用表測試單片機引腳電壓一般為

38、0v或者5v，這是標準的TTL電平，但有時候在單片機程序正在工作時候測試結(jié)果并不是這個值而是介于0v-5v之間，其實這只是萬用表反映沒這么快而已，在某一個瞬間單片機引腳電壓還是保持在0v或者5v的。3.2.2時鐘引腳XTAL1、XTAL2 - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。3.2.3控制引腳控制線共有4根(1)ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖 ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。(2) PSEN:外ROM讀選通信號。(3) RST/VPD:復(fù)位/備用電源。 RST（Reset）功能：

39、復(fù)位信號輸入端。 VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。(4) EA/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。 EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。 Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。3.2.4 I/O口引腳8051共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳。 (1) P0口：雙向8位三態(tài)I/O口，此口為地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時復(fù)用口，可驅(qū)動8個LS型TTL負載。（2）P1口：8位準雙向I/O口，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。（3）P2口：8位準雙向I/O口，與地址總線（高8位）復(fù)用，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。（

40、4）P3口：8位準雙向I/O口，雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。3.3 P80C51RA+4N最小系統(tǒng)的設(shè)計因為P80C51RA+4N內(nèi)部有存儲器，芯片本身就是一個最小系統(tǒng)，在能滿足系統(tǒng)的性能要求的情況下，可優(yōu)先考慮采用這種方案，用這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單、可靠。用P80C51RA+4N單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復(fù)位電路即可。P80C51RA+4N的最小系統(tǒng)圖如下圖4.3。圖4.3P80C51RA+4N系統(tǒng)3.3.1 時鐘電路P80C51RA+4N的整個功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時

41、鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。P80C51RA+4N內(nèi)部有一個用于構(gòu)成震蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器（簡稱晶振）和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，下圖4.4為其內(nèi)部時鐘方式的振蕩器電路。圖4.4 時鐘電路電路中的電容C5和C4典型值通常選擇為30pF左右。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振的震蕩頻率范圍通常是在1.2MHz12 MHz之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率就越高，單片機的運行速度也就越快。3.3.

42、2復(fù)位電路因為自動卷簾機要隨時檢測管理員是否發(fā)來命令短信，所以單片機要隨時保持一個初始化的狀態(tài)，這就必須使用復(fù)位電路。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。本系統(tǒng)采用的是按鈕復(fù)位方式，如下圖4.5。圖4.5 按鈕復(fù)位電路3.4 無線通信模塊的設(shè)計3.4.1 GSM模塊的概述由本設(shè)計的功能要求，單片機要接受管理員的短信然后繼續(xù)下面的動作，所以單片機的最小系統(tǒng)必須外擴一個無線短信收發(fā)模塊。隨著全球移動通信系統(tǒng)( GSM) 移動通信網(wǎng)絡(luò)的迅速普及和競爭的日益激烈,新技術(shù)和新業(yè)務(wù)的開發(fā)和應(yīng)用就已經(jīng)提到十分重要的位置。短消息服務(wù)業(yè)務(wù)作為GSM 網(wǎng)絡(luò)的一項基本業(yè)務(wù),已經(jīng)得到越來越多的系統(tǒng)運營商和

43、系統(tǒng)開發(fā)商的重視,基于這種業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來。本設(shè)計正是利用單片機對GSM 調(diào)制解調(diào)器TC35 模塊進行控制并實現(xiàn)了單片機與管理員之間的無線短消息的收發(fā)。3.4.2 TC35的控制簡介TC35 GSM 調(diào)制解調(diào)器TC35 是 Siemeils 公司推出的新-代無線通信GSM 模塊。自帶RS232 通訊接口,可以方便地與單片機聯(lián)機通訊。可以快速、安全、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的與管理員進行無線短信通信。TC35 模塊的工作電壓為3.35.5V,可以工作在900MHz 和1800MHz 兩個頻段,所在頻段功耗分別為2w(900M)和1w(1800M)。模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模

44、式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。通過獨特的40引腳的ZIF連接器，實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。通過 ZIF連接器及50天線連接器，可分別連接SIM卡支架和天線。GSM短信收發(fā)的主要功能是收發(fā)短信，當(dāng)溫度低于設(shè)定的值時自動給管理人員發(fā)送短信，給以報警提示，同時接受管理人員回復(fù)的短信，通過單片機判斷短信內(nèi)容，控制卷簾機的升降。3.4.3 TC35引腳極其用法簡介TC35有40個引腳，114引腳為電源部分，其中l(wèi)5引腳為電源

45、電壓輸入端VBATT+610引腳為電源地GND，ll12引腳為充電端，13引腳為對外輸出電壓(供外部電路使用)，2429引腳為SIM卡連接端；3340引腳為語音接口用來接電話手柄。15、30、31和32引腳為控制部分，15引腳為啟動線IGT(Ignition)。當(dāng)TC35通電后必須給IGT一個大于100 mV的低電平，模塊才能啟動。30引腳為RTC BACK up；31引腳為掉電控制；32引腳為SYNC，1623引腳為數(shù)據(jù)輸入輸出端。啟動電路由漏極開路三極管控制。在這里，著重介紹下SYNC引腳，因為該引腳可以很好的反映TC35的工作狀態(tài)。SYNC引腳可以用來輸出一個同步信號（synchroni

46、zationsignal），也可以在應(yīng)用時來控制一個LED燈的輸出狀態(tài)。SYNC端通過一個三極管或門電路來控制LED。一個簡單的電路接法是：SYNC端通過一電阻接到NPN三極管（如9013）的基極，射極直接接地，集電極通過一個接限流電阻接到LED的負端，LED的正端接VCC。LED的工作模式完全類同于同步信號，顯示的是TC35的工作狀態(tài)：【1】LED燈滅，表示TC35電源關(guān)閉，處于休眠、報警或單純的充電模式【2】600ms亮/600ms滅，表示未插入SIM卡，或者個人身份未登記/已注銷，或者網(wǎng)絡(luò)正在搜尋中，或者正在進行管理人員身份鑒定，或者網(wǎng)絡(luò)注冊正在進行中【3】75ms亮/3s滅，表示網(wǎng)絡(luò)注

47、冊成功（控制通道和管理人員交換信息完成），無來電【4】LED燈亮，依據(jù)不同的呼叫類型：聲音呼叫，數(shù)據(jù)呼叫，在建立或者完畢時的狀態(tài)。3.4.4 TC35的聯(lián)機接口RS232本設(shè)計中所選用的GSM模塊TC35自帶RS-232接口。RC-232是異步串行通信中應(yīng)用最廣的標準串行接口，它定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的串行接口標準，主要包括了有關(guān)串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎夂蜋C械方面的規(guī)定。下圖4.6為TC35的RS232為“D”型9針插頭的引腳定義1、數(shù)據(jù)載體檢測 2、接受數(shù)據(jù) 3、發(fā)送數(shù)據(jù) 4、數(shù)據(jù)終端就緒 5、信號地 6、數(shù)據(jù)通信設(shè)備準備好 7、請求發(fā)送 8、清除發(fā)送 9、振鈴指

48、示圖4.6（1）電氣特性RS-232C上傳送的數(shù)字量采用負邏輯，且與地對稱。邏輯1(MARK)=-3V-15V 邏輯0(SPACE)=+3+15V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上： 信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）+3V+15V 信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓)=-3V-15V （2）電平轉(zhuǎn)換由于本系統(tǒng)所選用的單片機P80C51RA+4N是TTL電平，它與和RS-232C電平互不兼容，所以當(dāng)兩者對接時，必須進行電平轉(zhuǎn)換。RS-232C與TTL電平轉(zhuǎn)換最常用的芯片是MC1488、MC1489和MAX232等。雖然各廠商的芯片不同，但原理相似。由于本設(shè)計的功能要求我采用的

49、是MAX232N。它是RS-232C雙工發(fā)送器/接收器接口電路芯片，下圖4.7為它的外部引腳圖。圖4.7 MAX232N的引腳由于芯片內(nèi)部有自升壓的電平倍增電路，將+5V轉(zhuǎn)換成-10+10V,滿足RS-232C標準對邏輯1和邏輯0的電平要求。工作時僅需單一的+5V電源。其片內(nèi)有2個發(fā)送器，2個接收器，有TTL信號輸入/RS-232C輸出的功能，也有RS-232C輸入/TTL輸出的功能。該芯片與TTL/CMOS電平兼容，使用比較方便。下圖4.8為本設(shè)計中RS-232C與MAX232N的連接圖。圖4.8 RS-232C與MAX232N的接口電路3.4.5 矩陣鍵盤模塊矩陣鍵盤主要用來對最低溫度和管

50、理人員手機號碼的設(shè)置，可以隨時改變數(shù)值，更符合實際生產(chǎn)的要求。3.4.6 44矩陣鍵盤的工作原理矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是用4條I/O線作為行線，4條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點上，設(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個數(shù)是44個。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能夠有效地提高單片機系統(tǒng)中I/O口的利用率。3.4.7 鍵盤電路設(shè)計矩陣鍵盤引腳接法及其電路圖3-4-2：下面介紹一下鍵盤掃描的過程。先從P2口的高四位輸出低電平，低四位輸出高電平，從P2口的低四位讀取鍵盤狀態(tài)。再從P2口的低四位輸出低電平，高四位輸出高電平，從P2口的高四位讀取鍵盤狀態(tài)。將兩次讀取結(jié)果組合起來就可以得到當(dāng)前

51、按鍵的特征編碼。使用上述方法我們得到16個鍵的特征編碼。舉例說明如何得到按鍵的特征編碼：假設(shè)“1”鍵被按下，找其按鍵的特征編碼。從P2口的高四位輸出低電平，即P2.4P2.7為輸出口。低四位輸出高電平，即P2.0P2.3為輸入口。讀P2口的低四位狀態(tài)為“ 1101”，其值為“0DH”。再從P2口的高四位輸出高電平，即P2.4P2.7為輸入口。低四位輸出低電平，即P2.0P2.3為輸出口，讀P2口的高四位狀態(tài)為“1110”，其值為“E0H”。將兩次讀出的P2口狀態(tài)值進行邏輯或運算就得到其按鍵的特征編碼為“EDH”。用同樣的方法可以得到其它15個按鍵的特征編碼。3.5存儲器的擴展及其接口電路3.5

52、.1 ROM芯片的選用根據(jù)自動卷簾機的功能要求，P80C51RA+4N本身的ROM顯然不能滿足要求，所以必須要外擴ROM單元。由于要根據(jù)本設(shè)計的具體需要將本設(shè)計的具體程序?qū)懭耄珽PROM是一種用電信號編程，用紫外線擦除的只讀存儲器芯片，所以我選用EPROM。外擴的EPROM在正常使用中只能讀出，不能寫入，故EPROM芯片沒有寫入控制引腳，只有讀出引腳，記為,該引腳與單片機的相連。由于2764與27128引腳的差別僅在引腳26上，2764的引腳26是空引腳，27128的26引腳是地址線A13，因此在設(shè)計外擴存儲器電路時，應(yīng)選用27128芯片設(shè)計電路。本設(shè)計中我選擇的外擴存儲器的具體型號是16KB

53、的M27128A2F1。M27128A2F1芯片的引腳圖如下圖4.9。其引腳說明如下：A0A13：地址線引腳。地址線引腳的數(shù)目由芯片的存儲容量來定，14根地址線可尋址16KB的范圍。Q7Q0: 數(shù)據(jù)線引腳。CE: 片選輸入端，低電平有效。PROG: 編程時，加編程脈沖的輸入端。VPP: 編程時，編程電壓（+12V或+25V）輸入端。VCC: +5V,芯片的工作電壓輸入端。GND： 接地端。圖4.9 M27128A2F1的引腳圖 圖4.10 地址鎖存器SN74LS373N的引腳3.5.2地址鎖存器SN74LS373N因為要尋址到M27128A2F1芯片的16KB的地址空間，所以需要10+4根地址

54、線。51單片機受引腳數(shù)的限制，數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，由P0口兼用。為了將它們分離出來，以便同單片機外的擴展芯片正確連接，需要在單片機外部增加地址鎖存器。SN74LS373N是一種帶有三態(tài)門的8D鎖存器，其引腳圖如下圖4.10。引腳說明如下：LE：數(shù)據(jù)輸入鎖存選通引腳，高電平有效。當(dāng)該信號為高電平時，外部數(shù)據(jù)選通到內(nèi)部鎖存器，負跳變時，數(shù)據(jù)鎖存到鎖存器中。OE:數(shù)據(jù)輸出允許引腳，低電平有效。當(dāng)該信號為低電平時，三態(tài)門打開，鎖存器中數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)輸出線。當(dāng)該信號為高電平時，輸出線為高阻態(tài)。D7D0：8位數(shù)據(jù)輸入線。O7O0: 8位數(shù)據(jù)輸出線。3.5.3 單片機的外擴電路下圖4.11為P80C51

55、RA+4N外擴16KB的EPROM M27128A2F1 的電路圖。圖中與其無關(guān)的電路部分均未畫出。圖4.11 P80C51RA+4N與M27128A2F1的接口電路3.6 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC接口的設(shè)計自動卷簾機的控制部分要根據(jù)實時實地的情況將信息傳給管理員的手機，所以必須對現(xiàn)場的情況如光照和溫度進行采樣，而采樣到的是模擬量信息，單片機無法識別，就必須通過一個接口來進行模擬信息到數(shù)據(jù)信息之間的轉(zhuǎn)化即模數(shù)轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于計算機進行處理。3.6.1模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC574AJH的簡介模數(shù)轉(zhuǎn)換器最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換的精度，通常用輸出的數(shù)字信號的位數(shù)的多少表

56、示。轉(zhuǎn)換器能夠準確輸出的數(shù)字信號的位數(shù)越多，表示轉(zhuǎn)換器能夠分辨輸入信號的能力越強，轉(zhuǎn)換器的性能也就越好。 A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，有些過程是合并進行的，如采樣和保持，量化和編碼在轉(zhuǎn)換過程中是同時實現(xiàn)的。 ADC574AJH為12位的A/D轉(zhuǎn)換器。ADC574AJH是12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時間為25us，轉(zhuǎn)換精度為0.05%，由于芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的8位或16位的微處理器相連，而無須附加邏輯接口電路，且能與CMOS及TTL兼容。ADC574AJH為28引腳雙列直插式封裝，其引腳圖如下圖4.12。圖4.12 AD57

57、4AJH的引腳圖ADC574AJH共有6個控制引腳，功能如下：D0D11：12位數(shù)字量輸出。CE：片選信號，高電平有效。CS：片選信號，低電平有效。R/C：數(shù)據(jù)讀/啟動信號。R/C=1時，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果；R/C=0時，啟動A/D轉(zhuǎn)換。12/8：輸出數(shù)據(jù)長度選擇信號。當(dāng)12/8=1,12條數(shù)據(jù)線同時輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果；當(dāng)12/8=0時，12位轉(zhuǎn)換結(jié)果為兩個單字節(jié)輸出，即只有高8位或者低4位有效。A0：字節(jié)選擇信號。在轉(zhuǎn)換期間：當(dāng)A0=0時，啟動12位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為25us ；當(dāng)A0=1時，啟動8位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為16us。 在讀出期間：當(dāng)A0=0時，讀高8位數(shù)據(jù)；A0=1讀低4位數(shù)據(jù)。中間

58、4位為0，高4位為三態(tài)。STS：輸出狀態(tài)信號。轉(zhuǎn)換開始時，STS為高電平，轉(zhuǎn)換過程中保持高電平。轉(zhuǎn)換完成時為低電平。STS引腳信號可以作為狀態(tài)信息被CPU查詢，也可以用它的下跳沿向CPU發(fā)出終端申請，通知CPU A/D轉(zhuǎn)換已完成，可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。3.6.2 ADC574AJH的工作特性AD574AJH的工作狀態(tài)由CE、CS、R/C、12/8、A0 五個控制信號決定，見表4-1.表4-1 AD574控制信號真值表CECSR/C12/8A0工作狀態(tài)0禁止1禁止1000啟動12位轉(zhuǎn)換1001啟動8位轉(zhuǎn)換101112位數(shù)據(jù)輸出10100高8位數(shù)據(jù)輸出10101低4位數(shù)據(jù)輸出3.6.3 ADC574AJH與P80C51RA+4N的接口電路圖下圖4.13是本系統(tǒng)中ADC574AJH與P80C51RA+4N的接口電路圖。由于AD574AJH片內(nèi)含有高精度的基準電壓源和時鐘電路，從而使AD574AJH在不需要任何外加電路和時鐘信號的情況下完成A/D轉(zhuǎn)換，使用非常方便。該電路采用雙極性輸