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基于单片机的光控自动窗帘控制系统设计说明书

一、系统概述

(1)光控自动窗帘控制系统旨在实现窗帘的自动化控制，通过感应环境光线强度自动调节窗帘的开合状态。该系统主要由单片机控制器、光敏传感器、电机驱动模块、执行机构（电机）以及电源模块等组成。系统设计遵循实用、可靠、节能的原则，能够适应家庭、办公室等不同场所的使用需求。

(2)系统的核心是单片机控制器，它负责接收光敏传感器的信号，根据预设的光线强度阈值判断窗帘的开合状态，并通过电机驱动模块控制电机的转动，从而实现窗帘的自动开合。在光线较强时，系统将自动关闭窗帘，以遮挡阳光，降低室内温度；而在光线较弱时，系统将自动打开窗帘，增加室内采光。

(3)在系统设计过程中，充分考虑了用户体验和安全性。例如，光敏传感器采用高灵敏度的光电二极管，能够准确感知环境光线变化；电机驱动模块采用过载保护设计，防止因过载而损坏电机；同时，系统还具备手动控制功能，用户可以通过按钮或遥控器手动调节窗帘的开合状态，确保系统在任何情况下都能稳定运行。

二、系统设计

(1)系统设计遵循模块化原则，将整个系统划分为多个功能模块，包括控制模块、检测模块、执行模块和电源模块。控制模块采用基于ARMCortex-M系列的单片机，其主频为72MHz，具备丰富的片上资源，可满足系统控制逻辑的复杂需求。检测模块采用光敏传感器，其光敏电阻值在光照强度低于10Lux时为10kΩ，光照强度高于1000Lux时为1kΩ，能够准确感知环境光线变化。执行模块由直流电机和驱动电路组成，电机额定电压为12V，额定功率为30W，能够满足窗帘开合的驱动需求。

(2)在系统控制逻辑设计方面，单片机通过定时器中断每隔一定时间（如每秒）读取光敏传感器的信号，并与预设的光线强度阈值进行比较。当环境光线强度低于阈值时，单片机通过PWM信号控制电机驱动电路，使电机正转，驱动窗帘关闭；当环境光线强度高于阈值时，单片机控制电机反转，驱动窗帘打开。例如，在室内光照强度为500Lux时，系统设定的阈值范围为400-600Lux，当环境光线低于400Lux时，窗帘开始关闭。

(3)系统软件设计采用C语言编写，主要包括主控制程序、中断服务程序和驱动程序。主控制程序负责处理光敏传感器信号、执行模块控制逻辑以及用户交互界面；中断服务程序负责处理定时器中断、光敏传感器中断和电机驱动中断；驱动程序负责实现单片机与外部硬件的通信接口。例如，在软件设计中，为了提高系统响应速度，采用了中断优先级控制策略，将光敏传感器中断优先级设置为最高，确保系统在光线变化时能够迅速作出反应。此外，为了提高系统的稳定性和可靠性，对软件进行了严格的测试和调试，确保在多种环境下系统均能稳定运行。

三、硬件设计

(1)硬件设计方面，系统采用了低功耗、高性能的ARMCortex-M4内核单片机作为主控单元，该单片机具有丰富的片上资源，包括ADC、DAC、UART、SPI、I2C等多种外设接口，能够满足系统控制逻辑和通信需求。单片机通过外部时钟晶振提供稳定的时钟信号，确保系统运行稳定。此外，为了提高系统的抗干扰能力，采用了滤波电路对时钟信号进行滤波处理。

(2)光敏传感器模块采用高精度光敏电阻，其阻值随光照强度变化而变化，通过单片机的ADC模块读取光敏电阻的模拟电压值，可以计算出当前环境的光照强度。该模块的光照检测范围为0-1000Lux，能够满足室内外不同光照环境的需求。在硬件电路设计中，光敏传感器与单片机之间通过模拟信号线连接，并通过限流电阻进行保护，以防止因电压波动而损坏传感器。

(3)执行机构模块主要由直流电机和驱动电路组成。电机选用额定电压为12V、额定功率为30W的直流电机，其转动速度可达每分钟200转，能够满足窗帘开合的快速响应。驱动电路采用H桥驱动方式，通过控制电机两端电压的极性，实现电机的正反转。在硬件电路设计中，驱动电路采用了MOSFET作为开关元件，具有较高的开关速度和较低的导通电阻，能够有效降低驱动电路的功耗和发热。同时，为了保护电机和驱动电路，电路中加入了过流保护和过温保护功能，确保系统在异常情况下能够安全可靠地运行。

四、软件设计

(1)软件设计采用分层结构，分为操作系统层、中间件层和应用层。操作系统层负责系统的实时调度、任务管理和资源分配，采用FreeRTOS实时操作系统，确保系统响应速度和稳定性。中间件层提供各种通信接口、数据转换和设备驱动，包括ADC、DAC、UART、SPI、I2C等，方便上层应用调用。应用层则是系统的核心，负责实现光控逻辑、电机控制、用户交互等功能。

(2)在光控逻辑实现方面，软件设计采用了中断驱动模式，当光敏传感器检测到光线强度变化时，通过中断请求信号触发中断服务程序。中断服务程序读取光敏传感器的模拟电压值，经过计算得出当前的