智能家居系统毕业设计.docx

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智能家居系统毕业设计

引言

21世纪是信息化的时代，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。

本文介绍的智能家居系统中的温湿度检测系统可以使得人们在任何时候了解到居室内空气的温湿度状况，然后采取相应的措施（例如调节一个合适的空调温度、开窗通风等方法）来调节居室内空气的温湿度，这样基本上就可以避免了由于居室内空气的温度过高、过低或湿度的过大、过小给人们身体健康带来的不必要的危害。

此外，本文还介绍了红外遥控控制系统，该系统可利用一个红外遥控器来控制居室内窗户的开关和电灯的亮灭，使居室生活实现基本的自动化，在家居生活中能够在不影响人们做其他事情的情况下随时控制窗户和电灯的状况，如果居室内出现突发情况，更是便于人们快速的采取行动。

舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志，智能家居系统能够在不改变家中任何家电的情况下，对家里居室内的一些生活环境进行方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。

实现智能化离不开运算和控制单元，本系统采用STC89C52芯片作为控制核心，单片机应用系统由硬件和软件组成。

硬件由单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件由单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。

在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率，当系统硬件和软件紧密配合、协调一致，就可以组成高性能的单片机应用系统。

本课题完成了单片机应用系统其开发过程的系统的总体设计、硬件设计和系统调试，根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。

本设计的构思简单明了，比较容易开发从而实现市场化。

在人们家居生活中，本设计也将是未来体现生活的必然趋势。

本系统以STC89C52芯片为控制核心，利用温湿度传感器和液晶显示屏搭建一个温湿度测量系统，还有采用红外遥控器及其他器件组成一个红外遥控系统。

其中，单片机只需要识别DHT11数字温湿度传感器发送来的温湿度参数，然后由单片机传送到LCD1602液晶显示屏显示；红外遥控控制电灯和窗户是采用HT6221红外遥控器发射信号，通过SM0038红外接收管，采用红外遥控控制电灯的亮灭和电机门窗的开关。

在设计本系统时，面对各种检测对象和大量控制单元，需要利用各种接口标准和单片机进行连接，再经过单片机进行数据处理，实现控制。

而此时采用单片机来实现智能家居控制系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高各模块和芯片的协调性，从而大大提高系统的可利用性。

此次系统设计统正是把DHT11、LCD1602、HT6221与STC89C52单片机有机的结合起来，顺利的完成了本设计的要求。

1系统总体设计

1.1智能家居系统的概述

家居智能化系统的概念起源于上世纪70年代的美国，随后，传播到欧洲、日本等国并且得到了很好的发展。

在我国，智能家居这一概念推广较晚，约在90年代末家居智能化系统才得以进入国内，但发展速度惊人，至今已存在相当数量的智能化小区及住宅。

所谓智能家居是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。

它能够自动控制和管理家电设备，对家庭环境的安全进行监控报警，并且能够为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。

家居智能化系统将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器以及家庭保安装置通过有线或无线的方式连接起来，并进行集中或异地的监控、管理，保持家庭住宅环境的舒适、协调。

与普通的家居相比，智能家居不仅具备传统的居住功能，提供舒适温馨，高效安全的高品位生活环境，还将一个被动静止的居住环境提升为一个有一定智慧协助能力的体贴的生活帮手，进一步优化住户的生活质量。

智能家居是现代社会最热门的话题之一，它的目标是通过网络等信息通信技术手段实现对家居电器等的智能控制，使其能够给人们提供生活便利，让人们拥有一个舒适温馨的家居生活环境。

目前，已经有越来越多的机构和个人开始了对智能家居的研究。

随着信息技术的发展，智能家居系统的发展越来越成熟，它可提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段，使生活更加舒适、便利和安全。

1.2系统整体介绍

本次设计以STC89C52芯片为控制核心，利用温湿度传感器和液晶显示屏搭建一个温湿度测量系统，还有采用红外遥控器及其他器件组成一个红外遥控系统。

1.3系统设计方案与分析

本设计属于单片机应用系统。

确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。

总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。

总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。

设计方法大致如下：

根据系统的要求，首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。

选择检测元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。

选择执行机构，执行机构是微型机控制系统的重要组成部件之一。

执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况确定。

选择输入/输出通道及外围设备。

选择时应考虑以下几个问题：

被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何要求；画出整个系统流程图和原理图。

1.3.1单片机控制部分

本系统是单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，其特点是体积小，成本低，功能强，功耗低，是微机应用产品化的最佳机种之一，它已广泛地应用在产品智能化和工业自动化上。

而把单片机面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。

嵌入式系统一般分为四种:

工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。

嵌入式系统具有以下特点：

（1）面对控制对象。

如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。

（2）嵌入到工控应用系统中的结构形态。

（3）能在工业现场环境中可靠运行的品质。

（4）突出控制功能。

如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统（I/O控制、位操作和转移指令等）。

单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。

单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。

1.3.2系统工作流程部分

图1系统工作流程

2温湿度测量显示系统硬件设计

2.1设计原理

温湿度测量系统要满足以下条件：

温湿度测量系统能完成数据采集和处理、显示、串行通信、输出控制信号等多种功能。

由数据采集、数据调理、单片机、数据显示等4个大的部分组成。

该测量系统具有实时采集、实时显示的功能。

其中，传感器是实现测量首要环节，是监测系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。

工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

该系统由DHT11数字传感器、LCD1602液晶显示屏及单片机STC89C52构成。

2.2温湿度传感器的选择

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。

每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

产品为4针单排引脚封装。

连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

该DHT11可以用于暖通空调、测试及检测设备、汽车、数据记录器、消费品、自动控制、湿度调节器及医疗等应用领域。

2.2.1传感器性能说明

型号

测量范围

测湿精度

测温精度

分辨力

封装

DHT11

20－90％RH0－50℃

±5％RH

±2℃

4针单排直插

2.2.2引脚图

DHT11有四个引脚，3号引脚一般悬空，如图2.3.2所示。

DHT11的供电电压为3—5.5V。

传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。

电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。

建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。

图3DHT11引脚图

2.2.3封装信息

封装图如图5所示：

图4

2.3单片机STC89C52

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

STC89C52芯片共40引脚，1~8脚是通用I/O接口（p1.0~p1.7），9脚rst复位键，10、11脚RXD串口输入、TXD串口输出，12~19脚:

p3接口（12,13脚INT0中断0、INT1中断1，14,15:

计数脉冲T0T116,17:

WR写控制RD读控制输出端）,18,19脚:

晶振谐振器，20脚接地线，21~28p2接口高8位地址总线29:

psen片外rom选通端，单片机对片外rom操作时29脚（psen）输出低电平30:

ALE/PROG地址锁存器31:

EArom取指令控制器，电源+5V。

其引脚分布介绍如图3所示：

图5单片机STC89C52

2.4液晶显示屏LCD1602

在日常生活中，我们对液晶显示屏这种器件并不陌生。

液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。

在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：

发光管、LED数码管、液晶显示屏。

发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在此不作介绍，这里重点介绍字符型液晶显示屏的应用。

在单片机系统中应用晶液显示屏作为输出器件有以下几个优点：

（一）显示质量高

（二）数字式接口

（三）体积小、重量轻

（四）功耗低

2.4.1液晶显示原理

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。

液晶显示屏具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机等众多领域。

2.4.2液晶显示屏各种图形的显示原理

首先是液晶的线段的显示。

点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。

例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，．．....（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。

这就是LCD显示的基本原理。

其次是液晶字符的显示。

用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。

这样一来就组成某个字符。

但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。

2.4.3LCD1602的基本参数及引脚功能

1602LCD分为带背光和不带背光两种，其控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图所示：

图6

LCD1602的主要技术参数：

1、显示容量:

16×2个字符

2、芯片工作电压:

4.5—5.5V

3、工作电流:

2.0mA（5.0V）

4、模块最佳工作电压:

5.0V

5、字符尺寸:

2.95×4.35（W×H）mm

引脚功能说明

LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如图所示:

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

VSS

电源地

数据

VDD

电源正极

数据

液晶显示偏压

数据

数据/命令选择

数据

R/W

读/写选择

数据

使能信号

数据

BLA

背光源正极

数据

BLK

背光源负极

上图：

引脚接口说明表

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

2.5系统硬件原理图

1602液晶显示模块和DHT11温湿度传感器都可以和单片机直接接口，系统电路图如下：

图7硬件原理图

3红外遥控控制系统的基本介绍

3.1红外通信基本原理

红外通信是利用950nm近红外波段作为传递信息的媒体，即通信信道。

发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射信号。

接收端将接收到的信号装成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制信号后输出。

常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）两种方法。

简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调。

3.2红外遥控系统控制过程

红外遥控系统主要由遥控发射器、一体化接收头、单片机、接口电路组成。

遥控器用来产生遥控编码脉冲，驱动红外发射管输出红外遥控信号，遥控接收头来完成对遥控信号的放大、检波、整形、解调出遥控编码脉冲。

遥控编码脉冲是一组串行二进制码，对于一般的红外遥控系统，此串行码输入到微控制器，由其内部CPU完成对遥控指令解码，并执行相应的遥控功能。

本系统以STC89C52单片机为核心，由发射和接受两部分组成，发射部分主要完成编码和调制，接收部分完成调解和解码。

其发射部分主要由STC89C52单片机完成编码，然后由红外发射管发射红外线，接收部分主要由光电转换，放大，解调，解码组成。

其中光电转换，放大调解由红外线一体化接头来完成，接收单片机主要完成解码功能。

本次设计主要是采用HT6221红外遥控器发射信号（实物如图8所示），通过SM0038红外接收管，采用红外遥控控制电灯的亮灭和电机门窗的开关。

其主要硬件部分包括STC89C52单片机、HT6221红外遥控器、SM0038红外接收管、JRC-21F继电器、电动机等。

图8HT6221红外遥控器

3.3SM0038红外接收装置

SM0038是红外接收电路一体化的红外接收装置，它将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一身，而且输出能够让单片机识别的TTL信号，这样就大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作，非常方便。

在本系统中我们采用红外一体化接收头SM0038，外观图如下。

SM0038能与TTL、COMS电路兼容，其功耗低、灵敏度高。

他接收红外信号频率为38kHz，周期约26us，同时能对信号进行放大、检波、整形。

三个管脚分别是地、+5V电源、信号输出端。

如图9所示。

图9

4红外遥控控制系统的硬件设计

4.1红外遥控控制电机窗户

红外遥控控制电机窗户主要是通过红外遥控器发射信号经单片机识别后，再由单片机控制电机的正反转来控制窗户的开关，从而完成设计的。

4.1.1单片机控制步进电机的设计原理和框图

（1）设计原理

通过单片机I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，由于单片机接口信号不够大，信号需要通过ULN2003放大再连接到相应的电机接口（如图10所示），从而驱动步进电机，实现步进电机的正反转控制。

Header6

VCC

IN1

IN2

IN3

IN4

IN5

IN6

IN7

OUT1

OUT3

OUT4

OUT5

OUT6

OUT7

OUT2

COM

GND

ULN2003

P2.4

P2.5

P2.6

P2.7

图10ULN2003

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。

该电路的特点如下：

ULN2003的每一对达林顿都串联了一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它可以与TTL和CMOS电路直接连接，能够直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理数据。

ULN2003的工作电压高，工作电流大，灌电流可以达到500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

（2）设计框图

4.1.2步进电机

步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，它的的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，控制换相顺序，即通电控制脉冲必须严格按照一定顺序分别控制各相的通断。

通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的。

控制步进电机的转向，即给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，若按反序通电换相，则电机就反转。

在本次设计中，我们采用四相步进电机28BYJ-48（实物图如图11所示）。

图11步进电机28BYJ-48

步进电机28BYJ48型四相五线电机，电压为DC5V—DC12V。

该电机能够在不同的通电方式下运作，常见的通电方式有单四拍（A-B-C-D-A），双四拍（AB-BC-CD-DA-AB）和八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）。

4.1.3模拟窗户的设计

本设计采用一个小模型来替代现实中的窗户，因为没有买实用的大电机，所以只能做一个智能窗模拟系统。

在本次设计中，我们用一个盒子做了一个房子模型，然后在盒子的前面用小刀划出一块小方块，在小方块上方相对对称的两个侧面位置钻两个小洞，在靠小方块上方的小洞固定电机，再然后用一张纸卷成一个硬的纸筒固定在电机的转轴上，接着用一根小木棍穿在纸筒里从另一个小洞出来（没有固定），再接着纸筒上固定一根细线，在细线另一端绑上一块小纸板吊在小方块的位置。

这样，当电机正反转时，便会带动纸板的上下运动，从而体现出模拟窗户的开关。

严格来说，当电机对模拟窗户没有牵引作用时，外界的重力感应对其实现关闭。

模型实物如图11所示：

图11模拟窗实物图

4.2红外遥控控制电灯

红外遥控控制电灯主要是通过红外遥控器发射信号经单片机识别后，再由单片机控制继电器线圈的吸合来控制电灯的亮灭，从而完成设计的。

4.2.1单片机控制继电器的设计原理和框图

（1）设计原理

单片机I/O口输出电压高电平为4.76V，直接接上继电器后电平被拉低，无法控制继电器的闭合。

ULN2003（上文已有介绍）中达林顿晶体管具有良好的信号放大功能，信号经过达林顿晶体管的放大后，再接入继电器，可以实现对继电器的控制。

最后实现对交流电路的控制。

（2）设计框图

4.2.2继电器

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

　电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

单片机是一个弱电器件,一般情况下它们大都工作在5V甚至更低，驱动电流在mA级以下，而要把它用于一些大功率场合,比如控制电动机,显然是不行的。

所以就要有一个环节来衔接,这个环节就是所谓的"功率驱动"。

继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。

在这里,继电器驱动含有两个意思:

一是对继电器进行驱动,因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件;还有就是继电器去驱动其他负载,比如继电器可以驱动中间继电器,可以直接驱动接触器,所以继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口。

我们采用松乐SONGLE SRD-05VDC-SL-C 继电器，其简要电路如图12所示

图12

5系统的调试与仿真

5.1电路板的焊接

在焊接电路时，刚开始经常出现焊锡和元器件不融、焊接不牢等问题，经过多次的请教和查阅资料，最终完成了整个电路板的焊接。

然而在接下来的工作中，焊接中的问题又体现了出来。

例如，在焊接过程中，由于添加助焊剂的不适和没有掌握好

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