智能家居系统设计.docx

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智能家居系统设计

智能家居控制系统

（软件）设计

摘要

本文通过对现有的家居智能控制系统功能和实际情形分析，设计了一种安全、实用、方便的智能家居控制系统。

本文第一论述了智能家居控制系统的研究状况和进展现状，和一般家居控制系统所要检测的物理量。

按照家居控制系统常常利用的检测信号类型，选取了红外信号、温度信号、光线强度信号和密码输入等作为本设计的检测依据。

本设计选取红外信号、温度信号和光线强度信号作为监测信号。

密码验证是不是通过作为整个电路是不是工作的依据。

当密码验证通过以后，整个系统同时监测红外信号、温度信号和光线强度信号，红外信号达到阈值则开始报警。

温度信号实时显示。

光线强度信号控制步进电机的动作。

关键字：

智能控制；光强度；红外；温度；步进电机

Intelligenthomecontrolsystem

（software）design

Smarthomecontrolsystemsalsoemerged.Thispaperdesignsapracticalandconvenientsmarthomecontrolsystembasedontheexistingsmarthomecontrolsystemandtheactualpaperdescribestheintelligenthomecontrolsystemresearchanddevelopment,aswellasdetectedphysicalsignalsofthehomecontrolsystem.Thisdesignchoosestheinfraredsignal,thetemperaturesignal,thelightintensitysignalandthepasswordinputsignalsasthedetectionsignaltypes.

Thedesignselectedinfraredsignal,thetemperaturesignalandthelightintensitysignalasthemonitoringsignals.Passwordauthenticationisasthebasissituationifthecircuitworks.Whenpasswordauthenticationispassed,theentiresystemmonitorstheinfraredsignal,thetemperaturesignalandthelightintensitysignal.Thesystemalarmswhentheinfraredsignalreachesthethreshold.Temperaturesignalreal-timedisplaysontheLCD1602.Lightintensitysignalcontrolsthesteppermotormovements.

Keywords:

intelligentcontrol;lightintensity;infraredtechnology;temperaturecontrol;steppermotor

1绪论

课题背景及研究意义

在信息化技术日趋进展的21世纪的世纪，各类电子和互联网新技术是了人类文明的取得庞大进步主要途径。

而智能化家居控制系统的出现使得人们能够通过电话或互联网互联网络在任何时候、任何地方远程的对家中的任何电器（空调、加热器、电饭煲、灯光、音响、DVD影碟机）进行控制；也能够在下班途中，让热水器提前烧好热水、预先将家中的空调机打开、让电饭煲煮好香喷喷的米饭…而这一切都仅仅只需要轻轻的点几下鼠标键盘，或打一个简单的电话就可以够实现。

另外，还有些家庭能够通过智能家居系统对家里的东西具有远程监听、多途径报警、数字留言等多种便捷功能。

现今追求舒适、时尚和便捷的家居生活是社会进步的日趋表现，因为系统能够能够在不改变家中任何家电的情形下，远程的控制家中的电器、灯光、电源及家里环境，令人们能够方便的快捷的生活。

现今咱们常常利用的密码锁是一种利用输入密码的正确与否判断与他相联系的机械开关的闭合的电子产品。

由于他的周密性和靠得住性，使它的种类很多。

有基于芯片的性价比较高的产品，也有简易方便的电子产品。

通过密码锁的加入能够避免一些设备被非法开启。

提供安全性。

随着社会信息化技术的不断更新，红别传感技术也随之前进。

目前已在多个领域发挥它庞大的作用。

红外不是可见光，具有良好的隐蔽性，白天和夜里都能用，而且抗干扰能力强，咱们利用红外线的特性来制作功能性器件，所以主要被用来制作防盗报警系统。

咱们为了避免社会上日趋泛滥的偷盗现象，常将红外技术运用各大商场、博物馆及有关周密的场所。

而本设计综合研究了现有的光电防盗报警装置的优缺点，本身具有实用性强、安装操作简易，价钱低廉，误报率低等特点，而且在其原有基础上进行设计的。

设计通过查找资料，采用红外对冲管的无线发射与接收来控制是不是进入报警模式，通过红外线判读信号，通过电路传输给并由89C52单片机进行处置，所以报警电路是不是进行触发将由单片机按照检测模块输入的信号来决定。

现代家居生活是追求舒适、方便的自动化的生活。

而自动窗帘可是咱们的生活发生实质性转变，利用全自动窗帘的感应基础是按照日照光线和温度来控制的，设计时能够预先设定的光线强度和温度，用来自动开启窗帘和关闭窗帘；

温度是人们日常生活中常常碰到的一个基础变量，现今市场上能测量温度值的传感器有很多种，很多控制系统对温度的测量也是的功能之一。

而本设计中运用的是经典的温度传感器DS18B20来检测温度。

智能家居控制系统的进展概况

我国的智能家居技术共历经了概念、研发、实验、推行和普及四个大阶段，可能时刻是从2000年的概念年到2007年普及年之间的7年左右的时刻。

由于硬件和软件间的协调有专门大的困难，所以咱们中国在推行智能化家居的难度加倍上大。

这些问题在国外往往需要更长的时刻来完成。

而自2003年开始的实验，一些国外的成熟的智能家居计算开始流向中国，这就给我的研发及实验带来了超级之大的帮忙，极大地缩短了时刻，是咱们在追赶国外的步伐加倍迅速。

在随后的两年里，我国的智能家居技术与欧美国家相较差距并非大，只是国外的相关技术的种类超级多，这是咱们国家所不能比的。

例如:

微软公司开发的“梦幻之家”IBM公司开发的“家庭主任”等均以完善而且成熟的技术侵占了大部份家居市场。

自2008年奥运会开始，我国的智能化家居技术已经在整个家具市场上占有专门大的比重，而国外的智能化技术由于不适应中国认得生活方式所以占到的比例反而小了许多。

相较较而言，智能化家居更能表现出科技的力量在咱们生活中的重要性。

很难再预测在2016年的时候，全世界化的智能家居技术将达到如何的境界，可是能够清楚家居智能化正在走进千家万户。

本设计研究的主要内容

本设计的内容主如果基于89C51单片机的智能家居控制系统，利用单片机获取各个传感器的数据并处置，从而执行相应的控制与有关功能。

设计中采用模块化设计原则，利用多种集成传感器芯片，将硬件模块和软件系统相组合，初步设计了一个简易的智能控制系统，并能够完成简单的防盗报警、温度显示、自动控制等功能。

按照设计原则，设计当选用性能价钱比较高的单片机STC89C52。

温度数据的收集系统，本设计当选用DS18B20这一典型的温度传感器。

而对于距离的感应，设计方案选用了红别传感器。

本文通过对光线的检测是采用光敏电阻与模数转换ADC0832相结合的方案。

之外还能够对步进电机进行控制。

为了知足密码功能，用液晶屏LCD1602和矩阵键盘来完成密码验证功能。

当密码输入错误或是红外的遮挡时刻大于阈值时，启动报警电路来报警。

本文个章节安排如下：

第一章绪论，主要分析课题提出的背景意义，及智能家居系统的进展概况。

第二章是本文对系统硬件部份的简单介绍。

第三章家居智能控制系统的软件部份的设计，对系统主程序与子程序的流程图的设计进行分析论述。

第四章是调试部份，介绍编程环境与分析软件可能出现的问题，进一步提高软件的操作行。

第五章是结论部份，总结了本设计的功效意义，并对本课题的相关展望。

2智能家居控制系统的整体介绍

整体系统的原理

一个完美的家居控制系统能够提供一个家用电器的控制，照明控制，窗帘控制，电话远程控制，室内和室外的远程控制，防盗报警，并为你的各类编程时刻控制功能和方式。

本系统设计充分利用了已软件代替有关硬件进行设计的原理。

在设计中为了简化处置，对于家居系统中几个关键的量进行处置。

家居室内温度和光线强度是舒适度的一个重要指标，本系统中对温度进行实时检测和显示，对光线值实时检测并通过步进电机来控制窗帘自动调整室内的光线强度。

除温度和光线强度的检测为，本系统还能够知足简易的防盗防盗功能。

通过密码验证避免非法启用设备，通过红外检测能够避免人员非法进入。

整个系统的整体原理框图如图2-1所示。

图2-1智能控制系统整体原理框图

系统各个模块介绍

系统中ADC0832的介绍

通过ADC0832模数转换以后，单片机读的数据就是光敏电阻上的分压值。

单片机对读到的数据判断就可以够明白当前光线强度的情形了从而提高转换的宽度。

因为ADC0832有两个通道，本设计中只需要对分压值进行判断，所以选用其中一路就可以够了。

有关资料表明，选用CH0通道，将CH1通道悬空，作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为。

而若是是由IN+与IN-输入的输入时，能够将电压值设定在某一个较大范围之内，使其上下浮动。

但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，若是IN+的电压小于IN-的电压则转换后的数据结果始终是00H。

从图上能够看出，光敏电阻R9与电阻R8组成份压电路。

光线强度会改变R9的阻值，当R9的阻值发生转变以后，R9上的电压值随之改变，而模数转换器ADC0832的2管脚CH0上的电压值也随着改变。

光敏电阻控制电路部份的原理图如图2-2。

图2-2光敏电阻控制电路原理图

电机驱动电路介绍

由于驱动步进电机需要较大的功率，所以单片机输出接口需要通过ULN2003放大再连接到相应的电机接口用于带动电机的转动。

步进电机的电路图如图2-3所示。

图2-3中，J2是步进电机的接口。

R4~R7是串联限流电阻。

图2-3步进电机驱动电路图

矩阵键盘电路介绍

在本设计中，当处于密码处于输入状态时，通过键盘输入密码，能够通过LCD显示输入时的密码状态。

在正常工作状态下，LCD显示实时的温度值和红外值。

矩阵键盘及显示电路如图2-4所示。

图2-4矩阵键盘及显示电路

声光报警电路介绍

当达到报警条件时，要有报警信号发出。

这种报警信号通常有三类：

闪光报警，鸣音报警和语音报警。

本设计的报警电路包括灯光报警和蜂鸣器报警两种方式。

实现声光报警电路比较简单,如图2-5所示。

图2-5声光报警电路

3智能家居控制系统的软件设计

系统功能结构图

家居智能控制系统的软件设计分为2个工作状态：

等待密码输入状态和正常工作状态。

在等待密码输入状态下，电路等待矩阵键盘的数据输入。

当输入的数据和概念的密码一致时，系统进入到正常工作状态。

若是输入的数据和密码不一致，则提示密码错误并报警1秒，然后转入等待密码输入状态。

直到密码输入正确为止。

在正常工作状态下，系统实时检测温度值、光线值、矩阵键盘值和红外值。

将检测的值显示到液晶屏上。

若是光线值发生改变则相应转动电机，模拟自动窗帘。

整个系统的功能结构框图如图3-1所示。

图3-1系统功能结构图

软件设计主程序

系统的程序烧录到STC89C52内部的FLASH内存中，有主程序、温度读取程序、中断延时程序、红外遮挡时刻判定程序、光线强度判定程序、由光线强度值控制电机程序、键盘输入、LCD显示程序和报警子程序等组成。

为了方便编程，使程序完成后层次清楚，就必需对数据存储器的存储空间进行计划。

STC89C52提供用户的RAM有256字节。

主程序的功能是完成开机界面和对单片机所进行的初始化，初始化就是设置各个变量的初始值、进行相关的中断设置等。

各部份的地址分派如下：

LCD1602的数据端口：

P0口；

LCD1602的控制端口：

~；

DS18B20温度传感器接口：

；

矩阵键盘接口：

~；

红外接口：

；

报警器接口：

；

步进电机接口：

~。

主程序的流程图如图3-2所示。

Y

N

图3-2主程序流程图

软件系统组成

本系统的软件部份主要包括五个文件即文件、文件、文件、文件、文件和文件。

由于项目文件并非太大，所以用五个头文件的形式将一些必要的时钟设置、宏概念和一些简单的驱动程序包括在主函数中，如此，既能够实现程序设计的模块化，又不影响程序编译的效率。

其中文件主要完成系统初始化和红外检测、模数转换功能，同时，它还包括了单片机应用中最重要的按时器设置、按时器中断、端口中断等内容。

显示子程序

LCD1602典型应用和本设计一致，能够参看原理图。

其大体操作时序如下:

读状态:

输入:

RS=L，RW=H，E=H输出:

D0~D7=状态字

写指令:

输入:

RS=L,RW=L，D0~D7=指令，E=高脉冲输出:

无

读数据:

输入:

RS=H,RW=H,E=H输出:

DO~D7=数据

写数据:

输入:

RS=H,RW=L，D0~D7=数据，E=高脉冲输出:

无

显示子程序负责状态的显示，在输入密码状态负责提示语的显示，和输入密码进程的显示，当密码输入完毕以后将密码判断的结果显示出来。

在系统进入正常工作状态后，显示当前的温度值和红外值。

（1）LCD1602的读操作时序如图3-5所示。

图3-31602读操作时序

（2）LCD1602的写操作时序如图3-6所示

图3-41602写操作时序

温度数据读取程序

温度检测模块本设计选用了DS18B20元件。

DS18B20元件是由DALLAS设计生产的一款单总线方式访问的数字温度计。

该元件具有体积小，外围电路简单等特点。

因此本设计选择该元件为基础组建一个温度检测系统。

由于该元件遵循单总线协议，即只要利用一个引脚就可以够进行数据的传输，所以它对读/写操作的时序要求比较严格。

在进行此操作时为保证数据的靠得住性，需要关闭总中断。

另外该元件上电后默许精度为9位，在写完读取温度指令后，会在该器件内部的两个8位的RAM中获取有效数据。

其中前8位用来表示测得数据的正负，即为数据的符号位，后面的8位用于表示数据值。

由于测量精度为9位，所以当测得温度为正数时，实际温度值为数据值乘以。

当测得值为负数时，实际温度应为数据值的补码乘以。

例如,对应于-25℃的数据格式为:

MSBLSB

1111111111001110

（符号位“-”）（温度值“”）

的补码00110010，即，被测温度值为：

T=-（1×25+1×24+1×2）×℃=-25℃

表3-19位DS18B20温度与数据的对应关系

温度/℃

二进制数据输出

十六进制数据输出

+125

00000000

00FAH

+25

0000000000110010

0032H

+

0000000000000001

0001H

FFFFH

-25

FFCEH

-55

FF92H

当系统处于正常工作状态时，要循环的对温度数据收集、显示和判定。

对温度值的读取由DS18B20来完成。

DS18B20是一线式的器件，数据的读写都通过一个数据端口来完成。

所以对DS18B20的控制时序就要求比较高。

读取和写入数据的进程中无法被中断，所以在DS18B20的读写的情形下关闭中断。

DS18B20的控制是典型的控制类程序。

共享4个函数来完成。

初始化、读数据、写数据和取得温度4个函数。

DS18B20控制程序的流程图如图3-7所示。

图3-5DS18B20流程图

中断程序

在DS18B20的程序中，当启动DS18B20温度转换以后，需要等待750ms以上，才能从DS18B20端口上读到当前的温度值。

而红外的数据何时到来是不肯定的，为了平衡二者的关系。

利用按时器中断，来产生5ms的中断。

没当中断到来读取红外的端口，当红外有输出时，打开内部计数器来记录红外被遮挡的时刻。

通过按时器中断不仅知足的DS18B20的读取问题，也兼顾了红外数据的读取和显示的问题。

按时器中断流程图如图3-9所示。

图3-6按时器中断子程序流程图

光线检测与步进电机控制子程序

按照本设计的模拟量转换要求，系统采用的ADC083是8位分辨率的A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，转换时刻仅为32ΜS，转换速度快且稳固性能强，完全能够达到要求。

因其内部参考电压的复用与电源的输入，使得芯片的模拟电压输入维持在0~5V之间，达到稳固的工作状态。

芯片还具有双数据输出可作为数据校验，能够有效地减少数据误差。

选用独立的芯片使能输入，通过数据输入，咱们能够很容易地实现信道选择功能。

光线检测主如果通过ADC0832来完成的。

通过读取ADC0832的值，并与上一个读取的值相较较，来判断光线是变暗了仍是变亮了。

按照本次读取的值和上次读取的值取差值，用差值来控制电机的正反转和电机的转动幅度。

光线检测与步进电机控制子程序的流程图如图3-10所示。

图3-7光线检测与步进电机控制程序流程图

报警条件子程序

报警条件说明:

（1）密码输入：

当密码输入错误时报警，密码输入正确则进行下一步操作；

（2）红别传感器：

红外被遮挡5秒以上为达到报警条件，以下为未达到报警条件。

因为所要监测的传感器主如果温度传感器和红别传感器，任何一个传感器若是达到报警条件，都能够发出报警信号。

在硬件设计方面已经对每一个传感器的报警条件进行了设置。

程序流程图如图3-11所示。

图3-8报警条件子程序流程图

4智能家居控制系统软件调试环境与分析结果

本次系统调试，是以硬件模块为准，先模块后整合的方式进行的。

固然，单片机的大体时钟和引脚设置必不可少。

在系统联调时，出现了许多实际问题。

现将主要方面论述如下。

开发环境简介

编程软件介绍

在本设计中，由于用的是C语言编程，所以我选用的软件开发环境是美国KeilSOFTWARE公司出品的51系列兼容单片机。

KEILΜVISION能够方便的利用而且利用其壮大的仿真功能进行软硬件的调试工作。

目前最新版的KEIL系统提供了包括于C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能壮大的仿真调试器等在内的一整套完善的开发方案，并能够通过一个集成开发环境（UVISION）将这些部份周密的组合在一路一路工作。

WIN9八、NT、WIN2000、WINXP等操作系统都能够有效的运行KEIL软件进行编程。

实际利用KEIL51时，干集成环境既可用于C语言开发也可用于汇编语言开发。

它内部集成了文件编辑、项目管理、编译链接和仿真调试等多种功能。

用户能够在这里用文件编辑器编写自己的程序，用多种方式来调试和修改程序。

编译程序也能帮忙用户检查错误，提示用户修改错误，直至程序无误。

为了使软件编程环境加倍灵活多样，所以在2009年2月发布了引入灵活的窗口管理系统的UVISION4编程环境，能够利用更多的监视器，视觉上能够对窗口位置的任何地方进行完全控制是本次软件更新的最大亮点，而且充分利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口是新的用户界面显著地特点，它为咱们提供一个整洁的、高效的环境来开发应用程序以提高工作效果。

程序的工程成立

（1）先成立一个名为“hyx”的空文件夹，把工程文件放到里面，避免和其它文件相混。

开始工作并启动KEILUVISION4软件。

（2）点击“PROJECT-NEWUVISIONPROJECT”新建一个系统工程。

（3）在弹出的对话框中，选择方才成立的“HYX”的文件夹，保留该项目的名称，不需要填写，默许的工程后缀与UVISION3及UVISION2版本不同了，为UVPORJ。

（4）弹出一个对话框后，就可以够按照设计中所需要的单片机。

能够在找到并选中“HYX”下的AT89C52，用于开始编译程序。

（5）编程完毕以后，开始成立一个源程序文本：

（6）找一个空白的文档开始写入源程序。

（7）输入源程序文件名名称，因为是C语言，则是“”然后保留。

（8）在项目设置中，能够编译、链接，选择菜单项目>成立目标，连接到单一的工程项目，生成代码。

如下图3-3所示：

图4-1基于Keil的编程说明图

程序的调试

在对工程成功的进行汇编、连接后，要进入软件调试状态，只要选择菜单中的DEBUG>START/STOPDEBUGSESSION即可，并成立了一个仿真CPU用来模拟执行该程序。

主程序的调试

因为本设计中采用的模块较多所以系统采用了实时多任务系统，实行逐个分任务进行调试。

当逐个子程序调试好以后，再观察各个任务同时运行时操作系统中有无错误。

等调试全数完成后，为了调试效果应反复运行多次，其中如发觉错误时部份程序作了适当修正后系统才能够正常运行。

利用单步运行的的性质，能够对一些多次循环重复的程序进行检查。

而如此的调试能够选用KEILΜVISION开发环境来进行调试，既方便又快捷。

从中找到程序犯错的环节及故障点进行修改，直到程序完全正常。

如下图3-4所示:

图4-2Keil程序的调试

软件抗干扰办法

当单片机受到干扰，再也不依照必然的规律执行，被改变了的程序指针（PC）的值后，使程序而跑飞到其它非程序区，尔后它不仅执行了一系列毫无心义的指令，而且还可能破坏数据存储器的内容，造成难以预料的后果。

激活看门狗的程序其工作指令如下程序：

SFRWDTRST=0XA6

_NOP_（）;

WDTRST=0X1E;先送1E

WDTRST=0XE1;后送E1

调试结果展示

设计中的要求大体完成，如下图4-1和4-2所示：

（1）开机画面，需输入正确密码

（2）密码正确后，会显示当前室内温度

（3）红外，光敏，步进电机都能实现且运行良好

图4-3开机画面

图4-4温度及其他显示画面

5结论及展望

智能家居控制系统的核心任务是数据的收集、运算和处置，对于实际物理量的收集必需要有传感器。

传感器是一种检测装置，它能够直接将物理量转换为电信号的量，现今的传感器还能直接将物理量转换为单片性能够接收的数字量。

传感器的工作指标与运行性能是可否圆满完成检测和控制的重要环节，若是没有对原始物理量精准靠得住的反映，那么就无法进行最佳检测和控制。

本设计的控制系统是基于STC89C52单片机为核心，进行必要的计算技术，以软件代替很多传统的控制系统的硬件，多种功能完美的将多种系统功能集于一身。

用本文设计的智能家居控制系统具有如下特点：

（1）通过矩阵键盘输入密码，当密码正确电路进入正常工作状态。

（2）系统实时监测红别传感器的值，能够对非法进入的情形进行报警。

（3）实时收集温度值，将室内的温度值实时的显示出来。

（4）实时收集光线强度值，通过光线强