基于單片機的智能家居設計畢業論文目 錄第一章 緒論11.1智能家居簡介11.2智能家居的現狀41.3智能家居的發展趨勢41.4智能家居的研究意義5第二章 智能家居系統方案設計62.1系統的功能實現62.2單片機的選擇62.2.1 STC12C5A60S2單片機簡介72.2.2 STC12C5A60S2單片機基本特點：72.2.3 STC12C5A60S2單片機的主要特性9第三章 系統硬件選擇及模塊電路設計103.1電源電路模塊的設計103.2溫度檢測模塊電路設計113.2.1 溫度傳感器器件介紹113.2.2溫度檢測模塊電路設計123.3亮度檢測模塊電路設計123.4時鐘電路模塊設計133.4.1時鐘芯片的選取133.4.2時鐘模塊電路143.5液晶顯示電路153.5.1 液晶顯示器件的選取153.5.2 LCD1602時序圖簡介183.5.3液晶顯示電路設計193.6 開關電路193.7聲光報警模塊電路203.8相關用電器工作電路223.8.1電飯鍋、飲水機、空調的應對啟動電路模塊223.8.2窗簾開合模塊243.9串口通訊模塊293.9.1 GSM簡介293.9.2 MAX232芯片簡介293.9.3 GSM模塊電路設計30第四章 軟件系統設計334.1 C語言簡介334.2主控系統部分的軟件設計344.2.1按鍵開關輸入模塊電路的軟件設計344.2.2 LCD液晶顯示模塊程序設計35第五章 總結36致 謝37參考文獻38附錄1：程序清單39附錄2：電路原理總圖煙臺大學畢業論文(設計)第一章 緒論1.1智能家居簡介隨著現代科學技術的進步與發展，智能家居作為一個新生產業，目前處于一個導入期與成長期的臨界點，市場消費觀念還未形成，但隨著智能家居市場推廣普及的進一步落實，培育起消費者的使用習慣，智能家居市場的消費潛力必然是巨大的，產業前景光明。 正因為如此，國內優秀的智能家居生產企業愈來愈重視對行業市場的研究，特別是對企業發展環境和客戶需求趨勢變化的深入研究，一大批國內優秀的智能家居品牌迅速崛起，逐漸成為智能家居產業中的翹楚!智能家居至今在中國已經歷了近12年的發展，從人們初最初的夢想，到今天真實的走進我們的生活，經歷了一個艱難的過程。智能家居很早就出現在人們的定義當中，但很長時間以來都沒有真正意義上的智能家居成型，到了1984年美國聯合科技公司（United Technologies Building System）將智能信息融入建筑設備中，在整合的基礎上應用到了美國康乃迪克州哈特佛市的城市地標性建筑中時，出現了世界上的首棟智能化建筑，也正是從那時開始，智能化家居正式融入到現代生活中。智能家居控制的發展關鍵在于設計理念以及經營者的心態，市場目標客戶真正需要什么東西，如果只注重簽單，不設身處地的為客戶著想，不兼顧智能解決未來的發展，提供片面的智能家居解決方案，而不考慮客戶的適用性，是不可取的，是急功近利的表現，這不僅降低了智能家居的應用效果，還不利于整個智能家居行業的發展。智能家居控制系統的市場不是一般普通的商品買賣，而是一項系統性工程，它涉及到很多技術，涉及到人們生活的方方面面，智能家居控制系統的終極目標是一種理想，更是一種理念，要想智能家居控制系統有很好的發展，研發機構必須本著長遠發展的心態，本著簡化、實用、性價比高、適合市場的理念，虔誠研究人們的生活、習慣、精神文化等需要，并把它看最高目標，運用各種技術手段實現它。在國內，智能家居不是單純意義上的智能產品，也不能被狹義的理解為小區智能化，而是基于小區的多層次家居智能化解決方案。它綜合利用主控平臺、無線連接及通信、設備管理、整體布局布線等手段，將住戶智能化管理、交互共享及消費服務、小區安防監控等常見家居因素協調配合并最終整合為整體，在原有小區智能化的大面上延伸到小區內部室內家居的具體環節，構建出高效、舒適、安全、便捷的個性化住宅空間。近幾年，很多研發機構和廠商已經意識到家庭安全的重要性，把智能家居作為一個重要的方向和項目來研究，并紛紛投入大量人力財力，使智能家居真正的走向市場和產業化生產。智能家居是一個具有交互能力的平臺，并且通過平臺能夠把各種不同的系統、協議、信息和內容控制在相對獨立的模塊單元中中進行傳輸、交換。它具有以下特點：1）每個模塊化系統在脫離了智能家居的前提下也能實現原有功能。智能家居各模塊交互過程中，各個模塊化系統在脫離了整體化智能家居的平臺時，仍然能夠獨立完成自己在原有整體系統中的功能，比如跨樓通訊、室內安全防護、多樣的設備管理、家庭消費服務等。每個單獨的模塊在整體系統的平臺管理下獨立運行的同時，平臺又能能提取各個模塊化系統的運行狀態及實時數據，實現家居系統的連動機制。2）品牌各異的產品在各有千秋的傳輸協議控制下仍能通過平臺進行信息交流與數據傳輸。由于交互平臺的出現，分工明確的各模塊化系統在交互平臺的統一管理下，能夠實現協調運作和運行數據的共享流通，為住戶提供較大的取舍空間，并能根據業主需求真正實現獨具個性的智能化家居設計。而且，家居系統還有網絡關卡這一功能，通過家居互動平臺，達到在廣域網的連接下，實現遙控管理和實時控制。具有樣式各異的主流控制端口，如對RS485、RS232、IP等信號都能實現控制和管理，并且還可以擴充添加國內外時下較為流行的控制端口，如EIB、Lonwork、CE-bus、Canbus，以及無線網絡，如：WiFi、GPRS、藍牙等。根據業主的需求和產品的更新換代及時填改各種總線接口、硬件連接端口和驅動軟件等，風格迥異的連通方式、功能控制端口，為模塊化系統的多種選擇奠定了堅實的基礎，只有智能家居系統不斷擴大自身的兼容性和整合性，才能贏得更多不同需求的用戶和業主。3）智能終端（觸摸屏）只能作為各個模塊化系統的實時顯示和控制信號傳出端。整個智能家居系統在交互平臺的協調控制下有條不紊的運行，智能終端（觸摸屏）只作為各模塊化系統的實時顯示和控制信號的發出端，具有多功能的智能終端配置便于操作。而且，平臺增加了智能終端的實時顯示功能，保證其在各模塊系統運行的同時，對系統的運行狀態和結果進行實時記錄和相關顯示，讓業主對當前系統狀態一目了然，同時為系統運行的優化提速提供了基礎。在智能家居的交互平臺里，系統能收錄和存儲各模塊化系統的運行數據，對各模塊的有效運行提供有效的數據數據，并可以根據歷史的運行數據，總結出不同業主的的使用習慣和某種行事規律，讓系統能夠實現自學習，以便更好的服務業主。4）控制軟件可編程（DIY），提供信息服務。此系統方便用戶改變控制邏輯、控制方式、操作界面，用戶的控制邏輯、操作界面可以自定義、可以DIY。在當前流行的家居智能控制系統中，信息服務是一個特別關鍵而且無法取代的重要環節，配備了信息服務后，它讓智能家居系統在越變越聰明的同時，更給我們的日常生活帶來了相當一部分的實時資訊和新聞資源，使得智能家居更貼近我們的生活，就像一個勤懇的“大管家”一樣，讓智能家居變得更加真切有形，就像它不是虛擬在呆板的程序控制中，而是和我們進行交流。這樣的智能家居或許更是現在越來越多的業主的追求。信息服務可以涵蓋多個方面，比如生活小常識、體育資訊、新聞匯總、奇聞趣事等，可以涉及到教育、消費、交通、健康養生等多個方面，讓生活樂趣無窮，這應該是智能家居的最高追求。最終，家居的智能化應該不單單是控制的系統，而應該更多的聯系實際生活，讓它真正融入到我們的實際信息生活中去。5）多種控制手段。在日常家居生活中，為了使我們對家庭的控制系統能隨時掌控、需要的信息隨時獲取，操作終端的形式非常重要，多種形式的智能操作終端是必不可少如：智能遙控器、移動觸摸屏、電腦、手機、PDA等。智能家居通過各個子系統的相互協調實現不同的功能，它有幾個突出的功能：1 隨時在線的網絡服務，保持時刻出于聯網狀態，為將來的遠程辦公奠定了基礎。2危險防護：智能家居的危險防護模塊必須24小時監測異常情況的發生，并能及時作出反應。比如外來人員的非法闖入、煙霧感知等，系統能隨時根據實際情況啟動相應的反應機制。假如意外情況發生，系統能自行控制住異常情況的進一步惡化，并及時通知主人或相關部門，最大程度的保證主人的家居和財產安全。3 家用電器的遠程智能遙控管理，比如對家用電飯鍋的何時啟動的遠程控制，只需業主的一條短信，就能達到遠程控制的效果，空調等也有類似遠程控制，真正達到主人隨時控制家居狀態的目的。4互動式人性化管理：系統能夠利用GSM的通信模塊和語音芯片對家居內部家用電器的語音控制，利用很多系統中設置的如溫度傳感器，光敏電阻等，保證家居系統的主控模塊及時響應，實現家居系統的聯動響應。5 環境自行管理。通過各種傳感器的感知，并啟動響應機制，保證家居室內環境的適宜。6保證智能化的娛樂機制。7高標準的居室環境。小到衛生間、廚房，大到臥室甚至整個客廳，都能保證高質量的環境系統，時時處處給主人最適宜的居住條件。8家庭信息服務：通過形式各樣的信息資源，提供給業主最周到的信息服務，讓主人在居家的同時，能夠全方位、多層面的了解各方面的有價值的信息，讓家庭信息服務不再形同虛設。9家庭理財服務：通過家庭內部的聯網系統，業主可以實時管理自己在銀行的賬戶和理財信息，并時刻提醒業主的消費賬單等情況，保證主人的財產時刻處于主人的管理之中。10系統的智能化維護：業主利用家庭內部的網絡系統，進入家居制造商的相關網頁，對家居系統的安全隱患、軟件和驅動更新等進行下載后，導入家庭內部家居系統，實現家居系統離線的自行故障檢測和修復，以及新功能的不斷擴建。1.2智能家居的現狀 現如今中國的智能家居市場存在參差不齊的現狀，各大、中、小廠家各自為政，種類繁多且互不兼容，使得智能家居市場面臨瓶頸。智能家居廠家多集中在發達的東部沿海地區，且沒有形成規模化生產，與國外的產品相比而言，無論從品牌影響力還是功能實效上，都存在很大的差距。由于市場分布的不均勻，沿海經濟發達地區和內地的許多城市雖已接收了智能家居的概念，然而北方和大部分中西部地區在相對排斥和陌生的同時，更潛藏著內在的巨大市場潛力。 此外，由于智能家居系統還缺乏統一明確的國際標準，許多公司開發出的產品都是基于自己組的網絡和信息交換協議，很多產品是針對特定的組網環境開發的，部分核心技術沒有對外公布，技術復雜，直接導致了使用范圍的局限性。再者，缺乏對應的第三方產品，各個接入設備之間不能兼容，互操作性差，不利于產品的擴充，因而進一步局限了產品的發展。再加上，有的系統成本過高，嚴重影響了產品的普及。 1.3智能家居的發展趨勢作為智能家居的核心系統的智能家居的控制系統，它的設計功能的完善必將推動住宅智能化的發展。而系統功能的集成化、用戶使用的傻瓜化以及市場的平民化將是智能家居控制器的發展趨勢，系統也將逐步邁向綠色化。最終，我想全人類的夢想是智能家居控制系統將囊括所有的家事雜物，讓我們真正的享受舒適溫馨的家庭生活。智能家居控制系統應該提供高效、舒適的家居環境，確保住戶的生命財產安全；隨時監測并可以遠程遙控家居室內的溫度、亮度及風速等多個環境因素，保證最適宜的家居環境。同時檢查空氣成分，提高空氣質量；調節音響，電視等娛樂設施，愉悅心情；合理利用太陽能，靈活應對周遭環境的變化，盡可能的節約能耗，達到合理利用資源；提供現代化的通信、信息服務。 我們知道，雖然智能家居在目前已經取得了初步的成功，但是距離真正意義上的“智能化”，還是有很長距離的。而智能家居的發展趨勢主要有以下幾個大方向：1）智能化、人性化隨著人工智能的不斷發展和機器人的出現，智能化已經不再那么遙遠，毋庸置疑，智能化是智能控制的必然趨勢。因此，家居的智能化也必然向智能化方向發展。同時，智能化的出現本來就是為了更好的服務于人們的生活，所以，更富人性化的家居系統也將成為智能家居未來的一個重要方向。2） 節能環保智能化的本質之一是降低投入成本，提高產出效率，而節能是降低成本的關鍵。而當前人們日益增強的環保意識，也使得綠色、環保這兩個重要指標成為考核未來家居的重要參考標準，甚至是首要考慮因素。在住宅實現了基本的智能化后，營造綠色生態的住宅，提高生活環境質量，必然成為未來智能家居的追求目標。3） 一體化既然作為智能家居系統，各模塊功能的協調配合而成的一體化，自然成了又一重要發展方向。把各個模塊智能化的功能集成，在降低成本的同時，也帶來了一體化的智能家居。4） 成本低廉化如果智能家居想開拓更大的市場，走進更多的用戶住宅，高昂的投入費用會成為很多家庭選擇的最大阻礙，因此，怎樣從不降低智能化家居質量的同時，實現最大的低投入，讓更多的消費者接受，也是智能化發展重要考慮方向。1.4智能家居的研究意義 隨著人們生活水平的不斷提高，生活節奏的加快，人們不斷的對居住環境提出更高的要求，越來越注重家庭生活中每個成員的舒適、安全和便利，因此從市場需求的角度來說，智能家居必然是前景廣闊。因此設計一個符合國家國情和規范的集遠程控制和本地控制為一體的智能家居控制系統是非常具有現實意義的，且勢在必行。 雖然智能家居經過十幾年的蓬勃發展，很多功能已趨于完善和成熟，智能化家居系統的應用也越來越廣泛，然而生活中的智能家居所展現出的智能化，與業主所理想的智能化還存在較大差距。而這也推動了智能化技術在家居領域的縱深發展，并為各類智能化家居新產品的設計和研發增加了動力，同時新產品的出現，也大大豐富了智能家居系統的厚度。因此，將智能家居作為這次研究的主要內容具有很大的現實指導意義。 本文研究的目的就是設計一個簡捷有效智能家居控制系統，從溫度、光線信號的采集，到LCD實時顯示，并根據采集的信號不通采取相應的應對機制，以及在異常情況下實現聲光報警和遠程通知家主報警，從而實現基本的智能家居功能。第二章 智能家居系統方案設計2.1系統的功能實現 智能家居系統首先要保證家居安全，因此要有相應的功能模塊實現主人不在家情況下有無人員闖入，并決定是否出于報警狀態。在出于報警狀態時，如果監測到人員闖入要出現聲光報警。與此同時，通過手機短信向主人報警。另外還要單獨具有一個家庭輔助功能，根據光線強弱決定是否開關窗簾，還可以定時控制家用電飯鍋，空調，飲水機等。 智能家居控制系統對整個家庭內部環境進行監測和及時應對的系統，核心部分是單片機，通過與其他個監測模塊和執行模塊的連接，實現對室內環境的整體改變和各元件的控制。首先，主控元件對接收到的數據（如光線強暗，溫度高低）通過LCD顯示模塊進行實時顯示，使室內情況一目了然。然后根據各信號采集模塊傳送給單片機的數據，作出應對執行，實現家居系統的智能控制。 LCD液晶顯示模塊 聲光報警模塊 人員闖入檢測相關用電器工作狀態 GSM通信模塊溫度檢測，亮度檢測 單片機 圖2-1 系統總體框圖2.2單片機的選擇 首先將所需器件羅列，根據與單片機相連的各器件，確定整個系統所需與單片機連接的管腳數，通過查資料，由于檢測人員的有無模塊采用了接熱釋電人體紅外傳感器的方法，在不采用擴展的情況下，選取了STC12C5A60S2這個單片機。因為此單片機增加了P4口，即ALE和NA接口有第二功用，可作為普通的I/O口使用，省去了擴展的麻煩。而且此單片機內部自帶A/D轉換，將光敏電阻所得信號直接接在單片機的P1.0端口，這樣，在光敏電阻采集模擬信號的時候，可不用轉換成數字量而直接接入單片機，便于單片機的控制。2.2.1 STC12C5A60S2單片機簡介在眾多的51系列單片機中，要算國內STC公司的1T增強系列更具有競爭力，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內的具有大容量程序存儲器且是FLASH工藝的，如STC12C5A60S2單片機內部就自帶高達60KFLASHROM,這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC系列單片機支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。寫入單片機內的程序還可以進行加密，這又很好地保護了你的勞動成果。重要的一點STC12C5A60S2目前的售價與傳統51差不多，市場供應也很充足。是一款高性價比的單片機。STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘、機器周期為1T的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的全新型的 51單片機，能夠完全識別傳統51單片機的指令代碼，在這基礎上，運行速度卻快了8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路，8路高速10位A/D轉換(250K/S)，2路PWM，特別適合電機控制的干擾嚴重的場合。2.2.2 STC12C5A60S2單片機基本特點：1. 屬于增強型的51單片機內核，1T高速運行速率，單時鐘的機器周期，全部兼容傳統51單片機的指令代碼； 2. 工作電壓：STC12C5A60S2的正常工作電壓范圍：5.5V-3.3V（即5V單片機）； 3. 單片機工作頻率：0-35MHz，約為傳統的51單片機的0420MHz； 4用戶應用程序空間8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字節；5. 片上集成1280字節RAM； 6. 通用I/O口（36/40/44個），復位后為：準雙向口弱上拉（傳統51單片機的I/O口），可設置成四種模式：準雙向口弱上拉，推挽強上拉，僅為輸入/高阻，開漏。每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55mA； 7. ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程），不需要特定的編程器，也不用專用的仿真器，可直接經過端口（P3.0/P3.1）進行程序的下載，速度極快； 8. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內部EEPROM)；9. 內部自帶看門狗； 10. 內部集成MAX810專用復位電路（外部晶體12M以下時，復位腳可直接1K電阻到地）； 11. 外部掉電檢測電路：由于低壓門檻比較器設置在P4.6端口，5V供電的單片機的比較門限為1.32V，誤差為+/-5%，3.3V供電的單片機為比較門限為1.30V，誤差為+/-3%； 12. 內部自帶時鐘電路：外部高精度晶振時鐘，內部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內)。用戶在進行程序下載時，可以對使用內部R/C振蕩器還是外部晶振時鐘自行選擇，在常溫狀態下，5V單片機的內部R/C振蕩器頻率11MHz15.5MHz，3.3V的單片機則為8MHz12MHz；如果對時鐘電路的要求精度不是太高，可以考慮使用內部自帶時鐘，但由于制造誤差和溫漂等客觀因素的影響，所以應該以實際為準；13.16位定時器共有4個：其中，由2路PCA模塊可再實現2個16位定時器的功能，另外兩個與傳統的51單片機相同，即16位定時器T0和T1，和做串行通訊的波特率發生器。這就是STC12C5A60S2的四個16位定時器；14. 兩個時鐘的輸出端口，信號在T0溢出時可經過P3.4端口輸出時鐘，同樣的，在T1端口溢出的信號也可在P3.5端口輸出時鐘； 15.7路的外部中斷I/O口，傳統的51單片機中斷是由下降沿或低電平觸發的，而且，此單片機增加了上升沿觸發中斷的PCA模塊，外部中斷可喚醒單片機的Power Down模式，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RXD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通過寄存器設置到P4.2 )，CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設置到P4.3)； 16. 兩路的PWM和2路的可編程計數器陣列（PCA）：在實際運用中，無論是實現兩個外部中斷，還是作為兩個定時器，亦或是當作兩路的D/A使用，均可實現； 17. 內部自帶A/D轉換模塊，8路的A/D轉換，高速的轉換速率，10位精度的ADC，都為系統的A/D轉換提供了良好的優勢；18. 通用的全雙工異步串行端口(UART)，由于STC12C5A60S2系列是高速的51單片機，因此它的多端口口可以由定時器或PCA軟件實現； 19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標志的才有雙串口，RXD2/P1.2(可通過寄存器設置到P4.2)，TXD2/P1.3(可通過寄存器設置到P4.3)；20.工作溫度范圍：-40+85(工業級)/075(商業級)；21.封裝：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48； 當I/O端口口不夠時，可通過74HC164/165/595進行端口的擴展，還可用A/D做按鍵掃描來節省I/O口，或用雙CPU，三線通信，還多了串口。 此單片機是國內STC公司生產的1T運算速率的增強型新一代51單片機，指令代碼完全兼容傳統的8051，運算速度快了8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S）。內部自帶看門狗電路，在諸多功能集一身的基礎上，STC12C5A60S2目前售價與傳統的51差不多，市場供應充足，因此是一款高性價比的單片機。圖2-2 STC12C5A60S2引腳圖2.2.3 STC12C5A60S2單片機的主要特性Flash工藝程序存儲器，可以用電的方式瞬間擦擦、改寫，而且支持串口程序燒寫；工作頻率范圍：035MHz，相當于普通8051的0420MHz；片上集成1280字節RAM；2個時鐘輸出口，可由T0/T1的溢出在P3.4/P3.5輸出時鐘；4個16位定時器；如ALE、NA端口有第二功能，可以作為普通的I/O口接入元器件；36可編程I/O線；低功耗的閑置和外部掉電檢測電路；內部集成MAX810專用復位電路（外部晶體12M以下時，復位腳可直接1K電阻 接地）； 單片機STC12C5A60S2成為本設計中智能家居系統的主控元件，多端口的輸入/輸出，增強型的51單片機等特點，都使得此單片機有更大的優勢，來控制整個家居系統的各個功能模塊的協調運作。 第三章 系統硬件選擇及模塊電路設計 系統的硬件選擇決定著整個智能家居系統的功能和質量，因此在選件前必須做好充分的準備工作，無論是資料的查閱還是同類型器件優缺點的比較及取舍，都非常重要。有時可能某個元器件的微弱誤差引起整個系統的失誤或失敗。所以在硬件的選取工作上一定要細致，全面比較，綜合考慮，在結合性價比的同時更主要功能的實現。 硬件選取后，接下來的工作就是模塊電路的連接及整合，根據所選硬件和關鍵芯片的工作原理和接線方式，進行相關模塊電路的設計，在充分考慮可行性的同時還要注重功能實現的簡便快捷和準確性。3.1電源電路模塊的設計系統的主控和核心單元STC12C5A60S2的工作電壓為5V直流，而常用家居電源電壓均為220V交流，因此若要整個家居系統正常工作，必須提供合理的電源電壓，所以需要進行必要的電壓轉換。 常見的三端穩壓集成電路有正電壓輸出的LM78xx 系列和負電壓輸出的LM79xx系列。由此我們我們知道，三端IC是指分別由輸入端、接地端和輸出端這三條引腳輸出的一種穩壓用的集成電路。本設計中選用LM78xx系列，由于本設計中需用到兩個不同的直流電源，即+5V和+12V，則電路原理圖如下：圖3-1 電源轉換電路 電源電路工作原理：由于LM78xx系列的三端穩壓器都有一個所謂的“壓損”問題，也就是穩壓時所導致的輸入電壓與輸出電壓的落差值（穩壓損耗），一般壓損為2.5V，所以要想得到想要的穩壓值，必須使輸入端高于所需值+壓損值，綜合LM7805和LM7812的輸入電壓范圍，變壓器變壓后所得的電壓分別為9V和15V。5V電源的獲得方式如下：首先220V交流電經過一個變壓比約為1：24的小型變壓器變為9V交流電壓，然后通過4個二極管組成的橋式整流器進行整流，濾去大部分紋波電壓，輸出信號通過電容再次進行濾波，防止產生自激振蕩。然后通過一個三段集成器LM7805得到一個5V直流電源，在輸出端再接入電容來濾除輸出端的高頻信號，改善電路的暫態效應。最后得到一個穩定的+5V直流電源輸出。同理，當經過整流橋的電流流經LM7812時，最終經過濾波和穩壓，得到一個穩定的+12V電壓輸出。3.2溫度檢測模塊電路設計智能家居的一個主要控制對象就是住戶室內溫度，適宜的溫度為主人提供良好的家居環境，這樣一來，溫度檢測與控制模塊就成了首先應該實現的功能。在測溫電路中選取了數字溫度傳感器DS18B20。它獨特的一線接口，耐磨耐碰，體積小，并能直接輸出溫度的數字信號，便于單片機控制。3.2.1 溫度傳感器器件介紹DS18B20內部結構主要由64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器四大部分構成。內部結構如下圖所示：圖3-2 DS18B20內部原理圖 DS18B20工作原理：DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由2s 減為750ms。 DS18B20測溫原理是：受溫度影響很小的低溫度系數晶振，產生固定頻率的脈沖信號送給計數器1。隨溫度變化其振蕩率明顯改變的高溫度系數晶振，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器被預置在55所對應的一個基數值。計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即 為所測溫度。根據DS18B20的通訊協議，主機（單片機）控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行 復位操作，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數據線下拉500微秒，然后 釋放，當DS18B20收到信號后等待1660微秒左右，后發出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。3.2.2溫度檢測模塊電路設計圖3-3 溫度檢測電路 溫度檢測電路工作原理：DS18B20工作電壓為3.05.5V，所以5V電源足矣保證其正常工作。數據總線可以對其進行供電，但完成溫度測量時間較長，為使其達到迅速測溫的要求，采用外部供電。首先，DS18B20把直接讀出的被測室溫根據實際要求通過簡單編程實現912位的數字量，然后通過DQ接口由導線進入單片機的P1.1端口，單片機根據所得數字量進行讀取，并通過導線傳給接在其他端口的LCD，并顯示。完成溫度的測量和顯示。3.3亮度檢測模塊電路設計 光敏電阻特性是在不同光照強度下，其阻值發生變化（只要是人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化）。利用這一特性，我們把光敏電阻接入電路實現亮度檢測。圖3-4 亮度檢測電路 亮度檢測電路工作原理：我們把光敏電阻接入電路后，光敏電阻置于窗口處，由于光線的變化，其阻值也在一定時間內不斷變化，從而產生連續的電信號，通過P1.0口進入單片機。由于單片機內部自帶A/D轉換電路，通過相應程序，能使P1.0口傳來的電信號轉換成數字信號，單片機讀取這些數字信號，就能得出相應的光照強度，并決定是否啟動其他應對措施。3.4時鐘電路模塊設計時鐘電路可以簡單定義如下：1).就是產生象時鐘一樣準確的振蕩電路。2).任何工作都按時間順序。用于產生這個時間的電路就是時鐘電路。3.4.1時鐘芯片的選取 由于采用單片機計時有諸多缺點，比如一方面需要采用計數器，額外的占用了硬件資源，另一方面需要設置中斷、查詢等，都需要耗費單片機的資源，而且，可能某些測控系統不支持這種中斷、查詢等。因此，在本系統中引入時鐘電路，芯片選擇為DS1302，則能很好地解決這個問題。DS1302是DALLAS公司生產的的一種具有涓細電流充電能力的電路，它是采用串行數據傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關閉充電功能。它采用普通32768Hz晶振發出脈沖信號。DS1302 是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。DS1302內部有一個318的用于臨時性存放數據的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。圖3-5 DS1302封裝圖DS1302的引腳排列如上圖所示,其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc1+0.2V時，Vcc2給DS1302供電。當Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32768Hz晶振。RST是復位、片選線，通過把RST輸入驅動置高電平來啟動所有的數據傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節或多字節數據傳送的方法。當RST為高電平時，所有的數據傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數據傳送，I/O引腳變為高阻態。上電運行時，在Vcc2.0V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數據輸入輸出端(雙向)，SCLK為時鐘輸入端。3.4.2時鐘模塊電路圖3-6 時鐘模塊電路連接圖 以DS1302為關鍵芯片的時鐘電路工作原理在上文中已經作了詳細介紹，在此便不贅述，但仍有幾點需要說明。時鐘電路通過晶振提供32768Hz提供一秒一個脈沖信號，保證單片機外部的時鐘計時，并通過單片機連接到LCD顯示屏進行顯示。正常情況下，由+5V直流電源為DS1302時鐘電路提供穩定電源，如果發生掉電或者意外狀況，由圖中所示電池盒中的可充電電池為時鐘電路繼續供電，以保證時鐘電路正常的時鐘信號。3.5液晶顯示電路3.5.1 液晶顯示器件的選取 LCD1602屏幕為2行，每行顯示16個字符，為字符型顯示器，只能顯示數字和字符，不可以顯示漢字。 LCD12864屏幕為64行，每行顯示128個字符，為點陣型顯示器，可根據需求任意顯示字符，數字，漢字和圖形。綜合價格因素和實際應用的需要，選用LCD1602為改家居系統的顯示器。下面詳細介紹一下LCD1602的功能實現和各項參數。u 1602LCD主要技術參數：顯示容量:162個字符 芯片工作電壓:4.55.5V 工作電流:2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm圖3-7 LCD1602實物圖u LCD1602與傳統顯示器相比，作為輸出器件的幾個突出優點：1） 顯示質量高 由于液晶顯示器收到信號后的每一個點都會一直保持原有亮度和顏色，恒定發光。而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器既不會閃爍，又保證了畫質高。2） 數字式接口 液晶顯示器的輸入輸出采用數字量，和主控芯片（SCM）的接口連接更加簡單可靠，操作也更為簡便。3） 重量輕，體積小 液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統顯示器要輕得多。4） 功耗低 相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動IC上，因而耗電量比其他顯示器要少得多。LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別，兩者尺寸差別如下圖10-54所示：圖3-8 LCD1602尺寸圖LCD1602采用標準的16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如下：表3-1 LCD1602的引腳定義引腳號引腳號電平輸入/輸出作用1Vss電源地2Vcc電源（+5V）3Vee對比調整電壓4RS0/1輸入0=輸入指令1=輸入數據5R/W0/1輸入0=向LCD寫入指令或數據1=從LCD讀取數據6E1，10輸入使能信號，1時讀取在信息10（下降沿）執行指令7DB00/1輸入/輸出數據總線line0（最低位）8DB10/1輸入/輸出數據總線line19DB20/1輸入/輸出數據總線line210DB30/1輸入/輸出數據總線line311DB40/1輸入/輸出數據總線line412DB50/1輸入/輸出數據總線line513DB60/1輸入/輸出數據總線line614DB70/1輸入/輸出數據總線line7(最高位)15A+VccLCD背光電源正極16K接地LCD背光電源負極u 特殊說明：第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據。 第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。 第714腳：D0D7為8位雙向數據線。表3-2 LCD1602信號真值表RSR/WE功能00下降沿寫指令代碼01高電平讀忙標志和AC值10下降沿寫數據11高電平讀數據u LCD1602指令集：若想LCD1602能正常工作，必須準確掌握知道其工作的指令集。1602通過D0D7的8位數據端傳輸數據和指令。顯示模式設置：(初始化)001110000x38設置162顯示，57點陣，8位數據接口；顯示開關及光標設置：(初始化)00001DCBD顯示(1有效)、C光標顯示(1有效)、B光標閃爍(1有效)000001NSN=1(讀或寫一個字符后地址指針加1&光標加1)，N=0(讀或寫一個字符后地址指針減1&光標減1)，S=1且N=1(當寫一個字符后，整屏顯示左移)S=0當寫一個字符后，整屏顯示不移動數據指針設置：數據首地址為80H，所以數據地址為80H+地址碼(0-27H，40-67H)u 其他設置：01H(顯示清屏，數據指針=0，所有顯示=0)；02H(顯示回車，數據指針=0)。通常推薦的初始化過程：延時15ms寫指令38H延時5ms寫指令38H延時5ms寫指令38H延時5ms（以上都不檢測忙信號）（以下都要檢測忙信號）寫指令38H寫指令08H關閉顯示寫指令01H顯示清屏寫指令06H光標移動設置寫指令0cH顯示開及光標設置3.5.2 LCD1602時序圖簡介 首先來說一下操作時序時間，操作時序時間是啟動該讀寫功能必需得保持電平的時間長度，不過對單片機操作沒什么影響，因為單片機的指令周期周期大約為1us（例如晶振為12M時,機器周期為12X1/12M=1us），而1602時序里都是ns級，所以只對高速類控制芯片如FPGA/CPLD等有影響。 時序圖讀寫方法：從上到下，從左到右，高電平在上，低電平在下，高阻態在中間。雙線表示可能高也可能低，視數據而定。交叉線表示狀態的高低變化點，可以是高變低，也可以是低變高，也可以不變。如下圖所示，圖上第一條豎線畫面在了RS和R/W上,也就是說第一個時序從這里開始,即先將RS設為高或低(高表示數據讀或寫,低表示指令讀或寫)而R/W的高低帶表是讀還是寫,本圖是寫時序圖,所以是低的。第二步就是給數據,在數據總線上給出數據，這與第一步相隔時間沒有要求，實際上先后也沒有要求的。第三步是將使用信號E置高,這里有三個時序要求，第一個是tsp2，這個是這個看表，可以看到叫做”寫操作的數據建立時間”。時間最小是40ns，意思就是說第二步的操作，數據信號在總線上生效之后至少要等40ns，才可以給第三步是使能信號E。第三步的要求不僅如此,還有一個tsp1,同理,這里是講,R/W信號至少要生效30ns的時間后才能給使能信號.另外,使能信號上升時間tR要小于25ns.圖3-9 LCD1602寫程序時序圖 第四步，使能信號要保持Tpw=150ns以上，51單片機不用考慮,其他高速的MCU什么的就要做延時了。 第五步，使用信號下降，下降時間Tf還是小于25ns。 第六步，數據總線上的數據要保持Thd2的時間才能變化，RS、R/W則要保持Thd1的時間，然后就可以了。讀時序與寫時序是相同的，只是R/W中間是高電平而已。3.5.3液晶顯示電路設計圖3-10 LCD液晶顯示模塊電路 液晶顯示電路工作原理：液晶顯示器LCD1602通過714管腳的數據總線與單片機進行數據傳送，單片機通過輸出高地電平來控制液晶顯示器LCD1602的46管腳配合傳送的數據決定讀/寫數據，并通過LCD顯示屏顯示出來。期間單片機是控制元件，而LCD1602為顯示和執行元件。3.6 開關電路 為了調整LCD顯示器的數據，而又在不采用鍵盤的前提下，設計了如下圖所示的按鍵開關電路。開關電路工作原理： 開關MEU1為菜單開關，當P3.4輸出為高電平時，按下MEU1，電路導通，通過系統預設程序決定單片機傳給LCD1602高/低電平，從而切換到寫數據過程。當P1.2和P1.3輸出均為高電平時，兩個開關所在電路均為通路，ADE1鍵表示增加，DEC1鍵盤表示遞減，通過按下不同的開關，來調整顯示在LCD1602上的數據，修改完成后，再按一次MEU1鍵，退出寫數據階段，完成LCD顯示器上的數據修改。在三個開關上均要并聯1uF的電容，是為了去抖動，以消除按鍵開關在按下和提起時，電路出現明顯的抖動而干擾電路的正常運行。圖3-11 開關模塊電路3.7聲光報警模塊電路 智能家居的一個關鍵環節就是如果監測到有人闖入室內，會發出聲光報警，并通過短信方式向主人報警，短信通信模塊電路會在下文中詳細闡述，本環節介紹聲光報警電路的設計及工作過程。如果想要報警，需要有檢測人員闖入的模塊，而人員闖入時的信息采集模塊有兩個選擇，一個是紅外對射管，一個是熱釋電紅外傳感器。紅外對射管的本質是一條線，只有當碰觸這條線時才會監測到，而熱釋電紅外傳感器是設防的一個區域，而不僅僅是一條線。出于安全因素的考慮，我們采用熱釋電紅外傳感器。圖3-12 熱釋電紅外傳感器內部電路圖 熱釋電紅外傳感器的工作原理：熱釋電紅外傳感器通過目標與背景的溫差來探測目標，其工作原理是利用熱釋電效應，即在鈦酸鋇一類晶體的上、下表面設置電極，在上表面覆以黑色膜，若有紅外線間歇的照射，其表面溫度上升T，其晶體內部的原子排列將產生變化，引起自發極化電荷，在上下電極之間產生電壓U。人體或者體積較大的動物都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發出特定波長10m左右的紅外線，當人體進入檢測區，因人體溫度與環境溫度有差別，人體發射的10m左右的紅外線通過菲涅耳透鏡濾光片增強后聚集到紅外感應源(熱釋電元件)上，紅外感應源在接收到人體紅外輻射時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，進而產生T并將T向外圍電路輸出，后續電路經檢測處理后就能產生報警信號，實現監測目標的功能。 若實現聲光報警，那么發光二極管和蜂鳴器自然缺一不可。發光二極管采用允許最大電流偏大一點的型號，以防止5V電源直接接在二極管兩端燒壞二極管。而蜂鳴器采用普通的蜂鳴器即可達到所需的設計要求。圖3-13 聲光報警模塊電路 聲光報警電路工作原理：為了使二極管和蜂鳴器只有在有人闖入的情況下才會出現報警，所以此電路中引入了PNP型三極管8550，即當接在單片機的P1.7口輸出低電平時，電流經過R5電阻給三極管的基極加低電平，使得三極管導通，如此一來，蜂鳴器和發光二極管所在電路就形成了通路。考慮到一般發光二極管最大允許電流為20mA，限壓值為22.3V，知三極管的壓降0.7V，則二極管電阻約為2/0.02=100，所以二極管所串電阻應約為100。另一方面蜂鳴器選擇KC1201，5V蜂鳴器，電流十幾毫安就可以發聲，但不能過大，因此本電路選用其與100的電阻串聯，這樣一來，二極管發光，同時蜂鳴器發聲，達到聲光報警的目的，其中按鍵開關K2為常閉開關，為了可以保證人為控制聲光報警電路的開關狀態，加入按鍵開關K2。3.8相關用電器工作電路 不管是光敏電阻模塊還是溫度檢測模塊，還