家居控制系统.docx

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家居控制系统

一．摘要

该系统以AT89S52单片机为核心，可以通过液晶屏或PC机实时监控家居内各模块的运行状态，也可通过遥控器或PC机对各模块进行无线控制。

本系统功能模块可分为：

门禁模块、无线遥控模块、水流量及水温计模块、智能照明模块、防盗报警模块、室内恒温控制模块、太阳能供电模块、上位机控制模块。

本系统推崇“智能、节能、环保”的科学发展观念，符合当今社会主流，有很强的市场推广前景。

关键词：

单片机、水流量计、温度计、光控、热释、无线遥控

二．系统简介

随着现代社会的进步，经济的发展，人们对精神领域的追求更高了，对生活水平的要求更高了。

现代的家居生活是一种高品位、高质量、个性化、智能化的方式。

本系统就是基于AT89S52单片机控制的智能家居系统，可以实际监控室内各种不同的家电设备，并能通过液晶屏动态显示当前工作状态。

该系统与传统的智能家居系统相比，具有功能多样化、成本造价低等优点，且符合当今社会智能、节能、环保的发展观念，并在人们享受高品位、高质量、个性化、智能化生活的同时提高人们的节约意识。

本系统采用Atmel公司的AT89S52单片机为主控制器。

AT89S52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。

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

且S系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。

该系统采用比赛提供的E_PLAY万能实验板。

三．智能家居房屋模型设计

为了更加形象生动的演示出该智能家居系统优越的功能性，本系统还另设计、构建了房屋模型。

该模型模拟真实的小型别墅1：

1200的比例建造，更具有真实性，实用性。

对于房屋模型材料的选择，经过多次比较，选择了铝塑板和挤塑板相结合的设计模式，铝塑材料具有轻巧、坚固、防火、安装节省、简便、环保、高度平整的优点，用于制作房屋模型的主体结构，用铝塑材料比塑料更牢固，美观，相对于木质板跟易裁剪，方便了制作过程；挤塑板用于房屋模型的外部装饰结构，具有抗高压、防潮、不透气、不吸水、耐腐蚀、导热系数低、轻质、使用寿命长等优质性能，是一种优质的环保材料，提醒人们环保节约意识。

窗户的制作选择了具有易于切割、轻巧、坚固、环保等优点的有机玻璃作为制作材料。

模型分为两层，其中第一层装有正门、窗户及一个小屋；第二层装有窗户、窗帘及排风设施。

二层之上装有类似于瓦砾的屋顶，在其上方装有太阳能设施。

整个房屋的门窗的开启与关闭均由电机控制来完成。

房屋模型一层正门的设计利用了涡轮蜗杆的工作原理，将电机加入其中，具有反自锁功能，只有在上电后才开始工作，正门的开关由门上的电机的转动来实现；门右旁装4*4的矩阵键盘，用于输入密码，正门右上方装有液晶显示屏用于输入密码，确认密码；正门上方有红、绿灯检测装置，检测并判断密码输入是否正确且是否可进入屋内。

一层左右两侧分别各装有一扇用合叶、有机玻璃制作的两面开窗户，增加了整套房屋模型的观赏性。

房屋一层正面右侧的小屋用于安装水流量计设备，用来演示水流量计模块所实现的功能，小屋内的水管中装有温度传感器及水流量传感器，温度传感器用于水温的测量，水流量计用于测量当前水的流量；房屋二层左右两侧都各装有一扇用合叶、有机玻璃制作的两面开窗户，作为室内通风功能模块的一部分，窗户边装有电机，利用电机的转动来智能控制其开启或关闭；窗户内侧装有窗帘，其旁安装了红外及光敏传感器等设备继而构成了光控窗帘模块。

一层窗户旁边则安装了热释传感器用于反馈窗户周围的安全，窗户上方还装有门窗强行进入报警信号器，构成了窗户防盗功能模块，用于安防报警；二层窗户上侧装有通风风扇设施（模拟空调），作为通风模块，用于调节室内温度并让其保持在一定范围内。

房屋模型屋顶装有太阳能板，构成太阳能供电模块，晴天时可通过蓄电池储存电能用于整个系统的供电，在意外断电的情况下是仍能使整个系统正常工作，并节约了能源，提倡了节能意识。

此外，整个系统的所有电路板均装于房屋内部顶层，既方便系统的布线又增强了整个模型的观赏性。

房屋模型背面装有一扇用合叶及有机玻璃制作的单面开设施，方便了对房屋内部结构及系统功能的观察和了解。

下图为房屋模型的框架图：

四．工作原理及设计思路

⒈水流量模块

当打开水龙头时，根据主控器（51单片机）的指令，水流量计传感器和数字温度传感器DS18B20实时采集水流量状态和水温的数据。

当主控器（51单片机）扫描到水流量计传感器的脉冲数，经过主控器（51单片机）处理，计算出所采集的水流量后，通过液晶屏TX-1602能动态显示当前水流量，水费及水温（由于条件的限制我们这里采用气流代替水流）。

系统由主控器（51单片机）向温度传感器DS18B20发出测量温度的命令，DS18B20测量出高精度的温度值后，主控器（51单片机）向DS18B20发出读取温度值的命令，并读回被测点的的温度值，经主控器（51单片机）处理运算读回的温度值后，由液晶屏TX-1602能动态显示当前测得的水温。

本模块符合当今国家提倡的节约型和谐社会，能不时提高人们节约用水的意识。

⒉门禁模块

主控器（51单片机）采用矩阵键盘扫描，把按键按行列组成矩阵，在行列交点上都对应有一个键，这样使用的按键要少，为判定有无键被按下以及被按键的位置，这种称为键扫描法。

采用矩阵键盘扫描节约了单片机大量的I/O口，免去了上拉电阻为焊接带来了方便，提高了整块电路板的美观度。

首先判定有没有键被按下，然后再判定被按键的位置，因为键盘矩阵有键被按下时，被按键处的行线和列线被接通，使得开关之间接通。

当扫描表明有按键被按下之后，紧接着应是进行去抖动处理，当确定有按键被按下时，相应的显示出所按数值，并液晶屏TX-1602显示所按下数据，当输入密码正确时，主控器（51单片机）接收到信号，然后发出指令，使绿灯I/O口为低电平并驱动ULN2003，通过芯片ULN2003低压控制高压驱动12V电机的转动，则绿灯点亮并能使电机转动，把门打开；当输入密码错误时，主控器（51单片机）使红灯I/O口为高电平，则红灯点亮。

报警电路用两个555接成，前者产生一定的报警延时，通过改变RC的值可改变延时时间，后者为多谐振荡器通过电位变化，产生相应的输出频率。

输出端产生的脉冲经三极管驱动后接扬声器，就能发出报警声音。

每一按下按键，输出的脉冲传给主控器（51单片机），主控器（51单片机）发出指令给蜂鸣器让其产生按键的声音，可提醒人们所按次数是否正确。

此外，在屋内也可对门进行控制，当有客人来时，只需按下按键，则大门打开。

⒊光控窗帘模块

本模块由光控部分，电机驱动以及红外接收来实现对窗帘的控制。

两个等量电阻构成的分压器中点接运算放大器LM358的反向输入端，从而使放大器的输出电压为1/2U。

白天有光照时，光敏电阻传感器对外部环境进行采光，此时阻值小，反向端电压高于正向端，则运算放大器LM358输出端输出高电平，使控制窗帘部分的电机驱动；反之天黑时，光敏电阻传感器阻值大，正向端电压高于反向端，运算放大器LM358输出端输出低电平，则电机不转动。

因此，当光敏电阻传感器采集的模拟信号通过运算放大器LM358传给主控器（51单片机）后，主控器（51单片机）驱动电机，实现天亮时窗帘自动打开；天黑时窗帘自动关闭同时打开室内的灯。

当窗帘拉开或收回到一边时，左右两侧的红外二极管接收信号，把信号传给主控器（51单片机），主控器（51单片机）再发出停止指令给电机，电机则停止转动。

通过用红外二极管停止电机的转动能防止电机不停空转而被憋坏，且用红外控制窗帘的停转，能防止突然断电再被开启时，电机再次转动固定转数而烧坏电机。

⒋窗户防盗模块

本模块采用了被动式红外报警器——热释电红外传感器KDS9。

这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。

用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有：

不需要用红外线或电磁波等发射源；灵敏度高、控制范围大；隐蔽性好，可流动安装的特点。

当人体辐射的红外线被聚焦在KDS9的探测元上时将输出电压信号，由于电压十分微弱，所以用运算放大器LM358对其进行两级放大，以获得足够的增益。

当放大后将这个高低电平变化的信号的下降沿信号作为555连接成的单稳态电路的触发信号，让其输出脉宽为5s的低电平信号。

再用这一脉宽信号作为555多谐振荡器报警电路得输入控制信号，产生5s的报警信号，最后用三极管8550再次对电信号放大，使其有足够大的电流来驱动喇叭发出报警声。

热释电红外传感器设计的监控报警系统具有结构简单､成本低等优点｡经过多次测试,该系统工作情况稳定｡

⒌通风模块

用数字温度传感器DS18B20测量，主控器（51单片机）向温度传感器DS18B20发出测量温度的命令，DS18B20实时测量出高精度的室内温度值，主控器（51单片机）向DS18B20发出读取温度值的命令，并读回测得的被测点的DS18B20传回的温度值，经主控器（51单片机）处理运算读回的温度值，当检测到室内温度达到一定上限阈值，主控器（51单片机）向直流电机电机发出指令，控制直流电机转动，使风扇打开，液晶显示屏显示开启状态。

通风一段时间后，若室内温度达到一定下限阈值时，则主控器（51单片机）控制电机使其停止转动，从而风扇停转，液晶显示屏显示关闭状态。

⒍无线通讯遥控器模块

该模块由发射端与接收端组成，无线发射装置连接上位机（主机）串口通讯与无线接收装置连接主控器（51单片机）的串口能进行无线通讯。

通过上位机里的智能家居系统用户界面的相应控制按钮，可使无线发射装置发射出信号给无线接收装置，无线接收装置经过串口送入主控器（51单片机），由主控器（51单片机）负责处理来自串口的信息，主控器（51单片机）接收到信号后，相应的控制门、窗、灯的开关；无线发射装置另又接入3*3矩阵键盘，当确定有按键按下时，主控器（51单片机）接收到信号，亦可执行相应的命令控制门、窗户、窗帘、灯的开关。

⒎太阳能供电模块

该模块用三块各5.5V的太阳能板串并联后给12V的蓄电池充电。

蓄电池（也俗称电瓶）是太阳能供电系统的重要器件，它的主要功能，是能把太阳能电池板发的电能即时储存在电瓶内，以供用电设备使用，蓄电池具有储存电能和稳定电压的作用。

蓄电池出来12V的电压后，用三块并联的7805将其稳压成1.5A，5V供电给单片机。

太阳能电池给蓄电池充电时，在充电电路中加两只整流二极管，以保证在晚上蓄电池不会通过太阳能电池板反向放电。

通过蓄电池储存的电给主控器（51单片机）供电，使系统工作，能达到系统节能目的。

亦可在电源处于停电状态时，用太阳能供电，能保证主控器（51单片机）保持持续有电状态。

在蓄电池连接电路时，加入了自恢复保险丝，当电路发生短路或者过载时，流经保险丝的大电流使其集温升高，当达到居里温度时，其态密度迅速减小，相变增大，内部的导电链路呈雪崩态变或断裂，保险丝呈阶跃式迁到高阻态，电流被迅速夹断，从而对电路进行快速，准确的限制和保护，其微小的电流使保险丝一直处于保护状态，当断电和故障排除后，其集温降低，态密度增大，相变复原，纳米晶体还原成链状导电通路，自恢复保险丝恢复为正常状态，无需人工更换。

五．硬件框图

六．软件流程

七．创新性

基于AT89S52单片机控制的多功能智能家居系统具有以下特色:

⑴该系统实现了家电控制的智能化，多功能化。

⑵通过液晶显示屏动态显示各传感器当前工作状态，能实时检查各传感器是否正常工作。

⑶水流量计模块实时显示当前水流量能提醒人们节约用水的意识，符合当今国家提倡的节约型和谐社会。

⑷门、窗、窗帘、灯用电机控制，电机具有反自锁功能，只有在有电的情况下才能转动，也可防盗。

因此门、窗、窗帘、灯既能通过自动控制，也能人工控制，方便又省事。

⑸门禁系统的双重报警能防止小偷的强行进入，保证家居的安全。

⑹窗户上的报警装置能防止小偷从窗户进入，保证家居的安全。

⑺无线通讯模块中，通过上位机里的智能家居系统用户界面能控制家里的电器设备，即使在办公室通过电脑也能对家中的电器设备进行控制。

⑻当白天时，窗帘自动收回，能提醒人们早起而避免闹钟突然响起的吵闹声而受惊，且窗帘停止用红外控制，能防止突然断电再开启时，电机再次转动固定转数而烧坏电机。

⑼本系统采用双电源供电，能保证主控器任何时候都为工作状态。

晴天时，太阳能板吸收阳光对蓄电池充电，将电量储存起来。

平时可用电源对主控器进行供电，一旦停电能用蓄电池对主控器供电，确保常有电状态。

⑽蓄电池连接电路时，加入自恢复保险丝，当电路发生短路或者过载时，保险丝呈阶跃式迁到高阻态，电流被迅速夹断，从而对电路准确的限制和保护，其微小的电流使保险丝一直处于保护状态，当断电和故障排除后，自恢复保险丝恢复为正常状态，无需人工更换。

⑾该系统装入在房屋模型中，通过模型能更加形象演示出智能家居的智能化。

⑿该系统结构简单，装配方便。

八．技术说明

智能家居系统运行于房屋模型当中，房屋模型均为手工制造，另用加工工具加工而成。

由于条件有限，电路板除了大赛提供的实验板以外，其他电路板均为上课所学知识、查阅各种资料及指导老师的意见下，自己设计出电路图并焊接完成的。

其中包括：

水流量、温度采集电路，热释防盗报警电路，门、窗控制电路、报警电路，室内通风电路，电源电路等。

程序则是自己通过平时所学、积累、实践，编写而成的，有部分程序是参考了书籍中的精华程序编写而成，并无抄袭。

九．系统适用范围

从目前市场上现有的智能家居控制系统来看，成本较高，也未得到广泛应用。

通过各项数据比较来看，主要是以照明、电器控制功能为核心的智能家居系统。

而本系统在对照明、电器控制的基础上，还能对水流量监测、供电系统、安防系统进行控制，趋近于系统一体化。

该系统不但能适用于家居方面，还能应用于智能会议室，多功能教室，智能小区等，应用广泛适用性强，且成本较低。

智能家居系统全景图

智能家居后面

智能家居正面