基于单片机的室内电器自动控制系统的设计与实现.docx
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基于单片机的室内电器自动控制系统的设计与实现
1引言
如今已是信息时代，智能家居已经越来越多地出现在人们的生活之中，改变了人们传统的生活方式，提高了生活质量。
一个真正意义上的智能家居应该具备以下要素：
网络高速接入功能；家居办公功能；家居娱乐功能；家居安全监控功能；家居管理功能；家居商务功能。
随着经济的发展，社会信息化程度不断加快，人类对智能家居的功能将会提出更高层次的要求，今后智能家居会更加偏向环保和节能的方向发展。
在我国，从近些年来的市场所反映的情况来看，智能家居正被越来越多的人所接受。
发展飞速，此行业的认知度一直在不断的上升，但就目前来看各地区间发展不平衡，主要集中于东部沿海城市，而中西部城市相对空白，大部分普通消费者对智能家居的概念还是很模糊。
因此需要培养消费者消费者智能化装修的意识，响应国家“节能减排、绿色建筑、智能建筑”住宅建设的要求，让更多的消费者了解智能家居，争取更多的市场和更多的客户，促进产业发展。
目前家中的照明、窗帘、空调、音响、调温度、防盗、网络家电等都已经实现了智能化。
本次设计主要是实现照明、背景音乐、窗帘的智能化。
由于目前节能规划极为欠缺，并且缺乏科学管理，灯光控制主要是手工代替，而且人们的自觉节能意识普遍薄弱，其照明系统的使用浪费现象屡见不鲜。
在光线足够强时也开灯，有时在借助外界环境能正常工作和夜晚室内空无一人时，整个房间内也是灯火通明，据测算，这种现象的耗电占其单位所有耗电的40％左右[1]。
因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施照明节能措施。
这不仅可以节约能源，而且会产生明显的经济效益。
基于单片机实现智能照明的设计，适用于学校、商场，家庭室内场所的照明控制，可以有效地对照明设备进行自动控制，达到科学管理与节能的目的。
实验证明，该系统结构简单、安装方便、工作稳定、可靠性高。
若在该系统中增加报警装置，也可实现自动报警功能。
电动窗帘、音乐背景的自动控制系统在我国刚刚兴起，但其发展前景广阔，其推广应用具有重要的现实意义。
基于单片机的智能电动窗帘的设计，在实时性要求较低的测控与采集系统的应用中具有很好的发展前景和应用价值。
本文介绍的自动窗帘利用电机实现其控制功能，在设计过程中必须考虑到一些典型的问题：
电机停机问题。
单独靠程序来实现电机的停机，对时间控制的要求非常高，且不易实现。
如果通过继电器来实现停机也可以，但由于继电器响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高，故采用微动开关，通过送单片机低脉冲来实现电机停机，实时性也很好。
单片机控制的自动窗帘、背景音乐、智能照明的设计，给人们生活上带来极大的方便。
2系统的设计原理
2.1单片机简介
2.1.1单片机的历史及发展
单片机作为微型计算机的一个重要的分支，应用面很广，发展也很快，1971年Intel公司首次宣布4004的4位微处理器，1974年12月仙童（Fair Child）公司即推出8位单片机F8（需另加一块3851芯片，还不能真正称的上为单片机）。
随后， Mostek公司和仙童公司一起推出了与F8兼容的3870单片机系列。
Intel公司在1976年9月推出了MCS-48单片机系列（包括8048/8748/8035等）；GI（General Instrument Crop）公司在1977年10月宣布了PIC1650单片机系列；在1978年Rockwell公司也推出了R6500/1系列（与6502微处理器兼容）。
这些单片机都有8位CPU、若干个并行I/O口、8位定时器/计数器、容量有限的RAM和ROM，以及简单中断处理等功能。
Motorola 公司和Zilog公司的单片机问世稍晚一些，但产品性能较高，单片机还有串行I/O、多极中断处理等功能，片内的RAM和ROM容量较大，有的还带有A/D转换接口。
Motorola公司在1978年下半年宣布了与6800微处理器兼容的6801单片机（在此之前，先推出了双片式的6802）；Zilog公司在同年10月也推出了Z8单片机系列（包括8051/8751/8031等）。
到1982年Mostek 公司和Intel公司先后推出了16位单片机MK68200（与68000微处理器兼容）和MCS-96系列。
1987年Intel公司又推出了性能是8096的2.5倍新型单片机80296。
（1）SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
（2）MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：
不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
（3）单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
2.1.2单片机的特点
单片机之所以能得到广泛支持和快速普及，是因为它具备很多特点。
内部资源比较丰富，性能全面，而且通用性强，可履盖多种应用要求。
所谓资源丰富就是指功能强。
性能全面通用性强就是指可以应用在非常广泛的领域。
通用型单片机的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。
小到家用电器仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。
主要特点：
（1）受集成度限制，片内存储器容量较小，一般内ROM：
8KB以下；
（2）内RAM：
256KB以内；（3）可靠性高；（4）易扩展；（5）控制功能强；（6）低功耗；（7）C语言开发环境，友好的人机互交环境。
大多数单片机都提供基于C语言开发平台，并提供大量的函数供使用，这使产品的开发周期、代码可读性、可移植性都大为提高。
2.2室内电器自动控制的设计原理
具体设计内容如下：
1.电源模块
参照设计中使用的单片机及各器件的电压参数，在满足电路能正常工作的同时，并能保证本次设计功能的实现，本设计采用5V电压供电，可以完全满足需求。
2.光照检测方式的选择
方案一、采用光敏二极管等光传感器件，光敏二极管能把光照亮度转换成相应的能被单片机识别的数字电平，然后直接接入到单片机的P1.1输入引脚。
方案二、采用光敏电阻，光敏电阻具有其阻值随光照亮度的变化而不同的特性，光照越强，阻值越小，可以分担不同的电压，然后通过控制三极管的开关作用后给单片机输入一个标准的数字电平。
由于光敏电阻属纯阻性器件，使用此器件后不会对其它器件及本设计所要实现的功能造成任何干扰，而且连接电路也相当简单，所以采用此种方案比较适宜。
3.人体检测方式的选择
方案一、采用红外发送管和红外接收管（红外对管）进行检测。
红外发送管和红外接收管分别安装在人所经过的通道两侧。
当有人进入的时候，即红外发送管和红外接收管两者之间有遮挡物通过时，红外接收管接收不到信号。
当没人进入的时候，即红外发送管和红外接收管两者之间没有遮挡物通过时，红外接收管能接收到信号。
方案二、采用热释电红外传感器及其处理电路进行检测。
集成电路BIS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。
改集成电路连接热释电红外传感器和少量外接元件就可以构成被动式的热释电红外开关、报警用的人体热释电传感器等。
它能控制自动快速开启各类自动门、蜂鸣器、白炽灯和电风扇等装置，特别适用于自动灯光、照明以及报警系统。
由于方案一要求红外发送管和接收管使用时具有局限性，两者必须相对才行，而且其间距离有限，此方案实现起来较为不便，而方案二虽然需要信号处理电路，但完全可以满足本次设计所要实现的功能，且方便简单，所以本设计适宜采用方案二。
采集电路主要由光照检测电路、热释电红外线传感器及处理电路构成，可分别实现对光照强弱和室内有无人的信息的采集。
4.光电开关检测
如果单独靠程序来实现电机的停机，对时间控制的要求非常高，且不易实现。
本设计通过光电开关来使电机停机。
光电开关所能检测到的范围是可调节的，根据需要设置适当的参数。
当窗帘到达光电开关所能检测到的范围内时，光电开关将检测到的信号送入单片机的输入引脚，单片机根据输入信号的状态来控制电机停机。
5.单片机系统
本文设计采用单片机作为控制器，一方面监视采集电路的状态，输入引脚读入接收到的信号，另一方面输出引脚将控制信号送到控制电路。
6.控制电路
结合实际情况即设计的局限性，本设计用LED灯代表照明灯，用电机的正反转代表电动窗帘的闭合、打开，用蜂鸣器代表音响。
因此控制电路由LED灯、电机、蜂鸣器构成。
输出的控制信号可以控制LED灯的亮灭，电机的正反转及停止，蜂鸣器的响停。
从而完成本设计的目的
7.控制电路的驱动电路
方案一、采用可控硅整流器控制。
可控硅整流器又名晶闸管，是比较常用的半导体器件。
晶闸管是四层三端器件，有三个PN结，属于大功率器件。
其具有体积较小、功能较强、比较简单等优点，此处可以作为无触点电子开关使用。
方案二、采用继电器控制。
继电器是一种自动控制器件。
具备动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。
在电力保护、自动化、和遥控等设备中应用广泛。
由于电磁继电器简单易用，所以此处应用电磁继电器来做为驱动电路的控制。
本设计的系统结构框图如2-1图所示：
图2-1系统结构框图
3硬件电路设计
硬件电路由电源部分（5V）、热释电红外线传感器及其信号处理电路、光照检测电路、光电开关检测电路、单片机系统及控制电路组成。
其中电源部分为整个电路的各个部分供电，由于电路中所有芯片及器件均为5V工作电压，故电源部分只产生了5V直流电压；采集电路包括光照采集电路模块、人体红外线采集电路模块、窗帘位置采集电路模块。
人体红外线采集电路模块由热释电红外传感器及其信号处理电路组成；单片机及其外围电路是设计的中心控制部分，单片机的作用是用软件代替硬件（大大简化了硬件部分），单片机是把输入与输出连接起来的重要枢纽部分；控制电路包括灯光控制电路、背景音乐控制电路和窗帘控制电路。
按图2-1构成的系统硬件电路如图3-1所示。
图3-1系统硬件电路图
3.1电源模块
本次设计是直接把220V交流电转变成5V直流电使用的。
因此先通过220V/9V变压器对220V交流电进行降压，再用桥式整流电路对9V交流电进行整流，整流后产生5V直流电压，经过7805稳压管产生5V的稳定直流电压，最后经过滤波后产生所需要的5V电压。
可以为整个电路的各个模块进行供电，从而满足本次设计的需求。
电源部分的电路图如图3-2所示。
图3-2电源转换电路图
3.2光照检测电路
3.2.1光敏电阻器件
本设计所使用的光敏电阻外形如图3-3所示。
图3-3光敏电阻器件
光敏电阻又名光电管，主要利用硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料制成的一种电阻器件。
这些制作材料的主要特性是在特定波长的光照射下，其电阻值能非常迅速地减小。
这是因为光照射时产生的载流子（自由电子和空穴）都参与导电，载流子在外加电场的电场力作用下作漂移运动，自由电子向电源的正极转移，空穴向电源的负极转移，从而使光敏电阻的阻值迅速下降。
因此光敏电阻的最主要的特性是电阻值能随入射光照的强弱而改变，且其电阻值变化范围很宽，便于观察，对本次设计的观察非常有利。
入射光强，电阻减小（0.1-5K），入射光弱，电阻增大（300-600K）。
光敏电阻一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
设计光控电路时，一般使用白炽灯泡光线或自然光线作为控制光源，使设计大为简化。
3.2.1三极管器件
三极管外形如图3-4所示。
图3-4三极管9013器件
晶体三极管在电子设计中是一个常用器件，也是现代电子技术的一个重要基石。
三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小。
工作状态有截止、放大、饱和三种。
9013是非常普遍使用的晶体三极管，是一种NPN型的三极管，由硅质材料做成的，属于小功率器件，其组成的电流放大电路应用很重要，使用范围很广。
也可用作开关三极管。
此处就是作开关使用。
3.2.3光照检测电路
光照检测电路由光敏电阻、330K的电阻和NPN的9013型号的三极管组成，B点与单片机的P1.1接口连接，如图3-5所示。
图3-5光照检测电路
为了能满足设计要求，并能观察到明显的效果，此处采用阻值为330K的电阻，其外形如图3-6所示。
图3-6330K电阻器件图
5V直流电源、R2、R3组成回路。
当外界环境的光照强度较强时，光敏电阻R3的阻值很小（0.2-2K），R3所分担的电压很小，即A点电压很小，三极管Q2的be间电压小于开启电压，使Q2不能导通，此时P1.1引脚电平保持不变，仍为高电平。
当外界环境的光照弱时，R3的阻值较大（300-500K），R3所分担的电压较大，即A点电压较高，三极管be间电压大于开启电压，使三极管Q2导通，此时B点电压为零，送给单片机P1.1引脚低电平。
从而完成对光照强度的检测，并把检测到的信号送到单片机P1.1引脚，由程序控制是否实现照明。
3.3人体红外检测电路
3.3.1热释电红外传感器
热释电红外传感器如图3-7所示.
图3-7热释电红外传感器
热释电红外传感器是检测人体所辐射出来的红外线的探测元件。
每个探测器内都装有探测元件，两个探测元件是以反极性的连接方式串联起来的，用来抑制由于其自身的温度升高所产生的各种干扰。
热释电红外传感器具有成本低、本身不会发生任何的辐射、不需要用发射源、器件功耗很小、灵敏度很高、隐蔽性好、安装方便等特点。
它能以非接触的形式检测到人体红外线，接收到的红外信号再在探测元件的作用下转变成非常小的电压信号。
实际使用时，其检测距离仅为2m左右，但若在检测前安装菲涅尔透镜，其检测距离可以增加到10m以上。
大大提高了探测器的探测及接收的灵敏度，增加了所能探测到的距离。
菲涅尔透镜利用透镜所具有的特殊光学原理制成的。
它可以在探测器件的前方产生交替变化的“高灵敏区”和“盲区”，这样可以大大提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时，人体辐射出的红外线不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而将其能量幅度。
热释电传感器检测到信号后进行输出，但输出的信号变化很慢并且幅值很小，不能被单片机识别，因此不能直接作为本设计的控制信号。
所以输出的微弱信号必须经过一个专门的信号处理电路，使热释电红外传感器输出的不规则波形信号转变成能被单片机所处理的数字信号。
3.3.2信号处理电路
本设计采用了专门的能对人体红外信号进行处理的集成电路模块BIS0001。
它主要由两级运算放大器、两级电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及输出封锁时间定时器及封锁电源等构成，具有较高的信号处理性能。
BIS0001芯片引脚图如图3-8所示。
图3-8BIS0001芯片引脚图
BIS0001芯片引脚功能见表3-1。
表3-1BIS0001芯片引脚功能
引脚
名称
功能说明
1
A
可重复触发和不可重复触发选择端。
当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发
2
VO
控制信号输出端。
由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。
3
RR1
输出延迟时间Tx的调节端
4
RC1
输出延迟时间Tx的调节端
5
RC2
触发封锁时间Ti的调节端
6
RR2
触发封锁时间Ti的调节端
7
VSS
工作电源负端
8
VRF
参考电压及复位输入端。
通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位
9
VC
触发禁止端。
VcVR时允许触发（VR≈0.2VDD）
10
IB
运算放大器偏置电流设置端
11
VDD
工作电源正端
12
2OUT
第二级运算放大器的输出端
13
2IN-
第二级运算放大器的反相输入端
14
1IN+
第一级运算放大器的同相输入端
15
1IN-
第一级运算放大器的反相输入端
16
1OUT
第一级运算放大器的输出端
3.3.3红外检测集成模块
人体红外检测模块由热释电红外线传感器及其信号处理电路构成，如图3-9所示。
图3-9红外线检测电路图
BIS0001的1脚接高电平，使芯片处于可重复触发工作方式。
将热释电红外传感器所检测到的信号接到1IN+引脚（14），经内部第一级运算放大器（C6和R7）预处理后，将信号放大。
再经过C3耦合之后送至第二级运算放大器（C7和R6）进行放大。
然后信号进入电压比较器的处理，根据比较器的输出端信号决定是否进入延时周期，当检测到有效输出信号（高电平）时可以启动延迟时间定时器，当输出端为低电平时禁止进入下一级。
输出2脚（高电平）的延迟时间由外部R9和C5的大小调整最后从2脚输出信号。
红外检测集成电路硬件如图3-10所示。
图3-10红外检测集成模块图
此模块有三个引脚，从左到右分别为VCC、GND、OUT。
它所能感应到的距离为7米，角度为110°属于全自动感应模块，当有人进入到其感应范围时输出为高电平3.3V；当无人在其感应范围内时输出为低电平0.4V；当人从感应范围内走出时则自动延时后关闭高电平，输出变为低电平。
3.3.4人体红外检测电路
人体红外线检测电路是由红外检测集成模块以及三极管组成的。
其电路图如图3-11所示。
图3-11人体检测电路图
C点与单片机的P1.0口连接。
当传感器检测到室内有人时，J1的2脚输出为3.3V，三极管Q1导通，处于放大的工作状态，发射极电压为0；当检测到室内无人时，J1的2脚输出为0.4V，Q1处于截止状态，发射极电压由P1.0口决定，此时P1.0口为高电平。
此电路图可以成功检测出室内是否有人，并能将检测到的信号送到单片机。
3.4光电开关检测电路
3.4.1光电开关
光电开关实物图如图3-12所示。
图3-12光电开关实物图
光电开关是一种简称，全称是光电接近开关。
属于一种传感器。
检测物体是否存在的器件。
能够反射光线的物体都可以被检测到。
可直接用于强电控制电路中。
光电开关的检测范围一根各根据需要调节。
它有三个引脚，分别为VCC、GND、OUT。
当有物体遮挡住其光束时，输出端为高电平；当没有物体遮挡住其光束时，输出端为低电平。
从而检测物体有无的。
3.4.2电路工作原理
光电开关检测电路如图3-13所示。
图3-13光电开关检测电路
电机由接通电源到不接电源，会停机，但不会立刻停机，所以光电开关要根据需要设置检测范围。
左边的光电开关和三极管电路可以检测正在闭合时窗帘的位置，实现对电机处于正转时的停机，Q6的发射极与单片机的P1.2口连接。
当窗帘没到达欲设定的位置时，光电开关检测不到窗帘，使其输出低电平，三极管Q6的BE间电压小于开启电压，Q6处于截止的工作状态，发射极电压由P1.2口决定，为高电平；当窗帘到达欲设定的位置时，光电开关检测到窗帘，使其输出高电平，三极管Q6的BE间电压大于开启电压，Q6导通，处于放大的工作状态，发射极电压为0，送给P1.2口低电平。
此电路图可以成功检测出窗帘的位置，并将检测的信号送到单片机，通过单片机的控制系统控制处于正转状态的电机是否该停机。
有边的光电开关和三极管电路可以实现对电机处于反转时的停机，Q7的发射极与单片机的P1.2口连接。
3.5单片机STC89C53
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
STC89C52是宏晶科技公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。
STC89C52单片机属于STC89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。
3.5.1主要工作特性
片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次.
片内数据存储器内含256字节的RAM.
具有32根可编程I/O口线.
具有3个可编程定时器.
中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构.
串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口.
具有两个数据指针DPTR.
具有可编程的3级程序锁定位.
STC89C52工作电源电压为5V.
STC89C52最高工作频率为24MHz.
单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路和一个复位电路。
本设计中选择了内部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。
3.5.2STC89C52各引脚功能
STC89C53单片机引脚图如图3-14所示。
图3-14STC86C53引脚图
STC89C53为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8XC52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpp脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0-P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。
STC89C53除了与STC89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。
3.5.3复位电路
单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：
单片机、晶振电路、复位电路。
复位有上电复位和手动复位两种方式，复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。
时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1KΩ。
除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。
本设计就是用的按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST
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