【基于單片機的智能家居環(huán)境檢測及火災防控系統(tǒng)設(shè)計15000字（論文）】

目錄TOC\o"1-2"\u第1章緒論 11.1選題背景與意義 11.2本文的研究內(nèi)容與主要工作 2第2章系統(tǒng)設(shè)計 32.1研究的需求分析 32.2功能需求分析 32.3系統(tǒng)總體設(shè)計 4第3章硬件設(shè)計 63.1單片機最小系統(tǒng)模塊 63.2顯示操作模塊 133.3智能家居傳感器模塊的選用 163.4按鍵控制電路 203.5SIM800模塊電路 20第4章軟件設(shè)計 224.1系統(tǒng)軟件的整體構(gòu)架 224.2LCD1602顯示 234.3GSM程序流程圖 244.4溫濕度檢測 254.5按鍵子程序 264.6蜂鳴器報警 274.7煙霧濃度檢測 28第5章系統(tǒng)調(diào)試與分析 305.1家用電器的智能控制成功實現(xiàn) 305.2系統(tǒng)性能測試 305.3系統(tǒng)測試分析 31第6章總結(jié) 32參考文獻 33緒論智能家居它是新型技術(shù)融合的產(chǎn)業(yè)，人們對它的觀念還沒有深入到一定的程度?，F(xiàn)在的這個時代不斷進步，智能家居這種類似概念被很多人所知曉，培養(yǎng)了家庭用戶的使用習慣，終將會成為家家戶戶使用的產(chǎn)品。智能家居的市場會很巨大，前景十分光明，智能家居在中國的發(fā)展大致分為了5個階段：第一階段分為1994到1999年整個行業(yè)對智能家居還只是處于一個概念性的認識，并沒有引起人們的關(guān)注；第二階段是在2000年到2005年國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了智能家居的生產(chǎn)產(chǎn)商，整個智能家居的生產(chǎn)體系已經(jīng)形成；第三階段是在2006到2010年由于智能家居企業(yè)過分夸大了智能家居的功能但是有并非到達了用戶的需求，整個行業(yè)出現(xiàn)了滑坡趨勢；第四階段在2011年到2020年由于科技的進步，智能家居的部分技術(shù)問題已得到合理的解決，智能家居行業(yè)開始飛速增長；第五階段是在2020年以后，智能家居通過更多技術(shù)的支持下以及多種領(lǐng)域的融合下，其發(fā)展速度非常的快，直到能成為人們?nèi)粘２豢煞指畹募彝ビ镁?。智能家居也會因為科學技術(shù)的進一步發(fā)展，相關(guān)的問題能夠得到技術(shù)上的解決，在日后發(fā)展上也是非常的好；接下來介紹國外智能家居的相關(guān)發(fā)展前景，對于智能家具類似概念是由位于美國的聯(lián)合科技公司提出的，從此智能家具這一詞已深深烙印到了人們的腦海里，不少科技發(fā)展都已奔向該領(lǐng)域，試圖在刮起人工智能的浪潮[1]。隨著科技的發(fā)展，人工智能技術(shù)的大力發(fā)展，一些發(fā)達的國家開始從事智能家具的相關(guān)研發(fā)，使得智能家具從概念上的認知過渡到了實體上的發(fā)展，各個國家在智能家居的領(lǐng)域上都有了各自的發(fā)展方向。比如說新加坡在1998年推出的“未來之家”就屬于智能家居的一個發(fā)展方向。這些發(fā)達國家在智能家居所使用的科技技術(shù)上也是天差地別的，在智能家居實現(xiàn)的技術(shù)上新加坡采用的8X系統(tǒng)通過總線式的方式來對其智能家具進行控制，德國采用的EIB系統(tǒng)是通過多芯電纜來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傳輸線，通過傳輸控制指令來實現(xiàn)家具的智能化。本文主要設(shè)計了一個智能家居控制裝置，該裝置選用51系列芯片作為主控芯片，外接語音識別模塊、自動控制模塊，環(huán)境檢測模塊以及顯示模塊。該裝置運行時主控芯片通過外接模塊獲取外界信息，再通過對獲取的信息進行解析并反饋相應的指令來控制室內(nèi)各種開關(guān)的通斷。本裝置中主要通過語音識別模塊對用戶的語音指令進行采集，之后將采集到的語音模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通過串口通信發(fā)送給控制終端，控制終端通過對自己接收到的信號進行解析處理后與預設(shè)的指令進行對比識別出用戶想要進行的操作并對相應的設(shè)備進行控制，設(shè)備根據(jù)所接收到的控制指令執(zhí)行相應的操作[2]。同時除了語音識別模塊外，該裝置還可以通過各種傳感器實時采集室內(nèi)環(huán)境信息，并將這些信息發(fā)送到控制終端進行解析處理，然后將采集到的信息在顯示模塊中顯示。系統(tǒng)整體框圖如圖1-1所示。蜂鳴器報警按鍵設(shè)置蜂鳴器報警按鍵設(shè)置LCD160顯示DHT11溫濕度采集LCD160顯示DHT11溫濕度采集GSM短信發(fā)送短信火焰采集GSM短信發(fā)送短信火焰采集LED指示燈ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換LED指示燈ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換繼電器控制MQ-2煙霧采集單片機處理單元繼電器控制MQ-2煙霧采集單片機處理單元圖1-1系統(tǒng)總體框圖設(shè)計智能家居系統(tǒng)時，要緊緊圍繞著“以人為本”的中心，遵循的設(shè)計原則一般從系統(tǒng)的實用性、穩(wěn)定性、標準兼容性、擴展性等幾個方面出發(fā)：一個好的系統(tǒng)除了滿足用戶所需功能以外，還應具有系統(tǒng)本身的特性要求，比如系統(tǒng)要及時準確的測量溫濕度信息，開關(guān)控制工作穩(wěn)定，能檢測燃氣泄露情況并及時反饋給用戶等。需求分析是設(shè)計一個智能家居系統(tǒng)的初始步驟和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需求分析的準確性是系統(tǒng)正確設(shè)計方向的指向燈，是決定系統(tǒng)合理性和用戶滿意度的先決條件，此系統(tǒng)是針對那些對智能家居感興趣的人所設(shè)計的，首先要和使用者進行溝通，了解用戶想要實現(xiàn)的功能并記錄下來，分析細節(jié)以方便后期設(shè)計。本設(shè)計從三方面入手，一是系統(tǒng)功能需求，功能需求著重描述系統(tǒng)所要實現(xiàn)的目標，解決的是用戶的實際需求，比如對家居設(shè)備進行遠程操控等；一是系統(tǒng)非功能需求，即性能需求，三是簡單概述系統(tǒng)的運行條件。非功能需求即是開發(fā)過程中遵守的規(guī)范及必須滿足的技術(shù)指標，比如系統(tǒng)的相應時間、穩(wěn)定性等。功能需求即系統(tǒng)所要達到的目標，智能家居系統(tǒng)的核心就是使人們擺脫遙控器并隨時隨地使用便攜式移動設(shè)備控制家居設(shè)備。目前市面上的智能家居產(chǎn)品大多功能單一，用戶和家庭之間的紐帶并不牢靠，設(shè)計一個可以采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息、實現(xiàn)無線通信并能自我調(diào)節(jié)的遠程控制智能家居系統(tǒng)，讓人們可以在手機上看到及時的傳感器采集數(shù)據(jù)以便對家居環(huán)境變化了如指掌，使家居環(huán)境更加節(jié)能環(huán)保、更加智能化。所以設(shè)計該系統(tǒng)時要具備以下功能：（1）數(shù)據(jù)采集模塊：該模塊的功能實現(xiàn)主要依賴于傳感器來完成，多種類型的傳感器采集到室內(nèi)的各種環(huán)境因子，如溫濕度、有害氣體、光照強度、語音采集等，并將采集的數(shù)據(jù)實時上傳處理器，方便用戶及時查看并做好相應措施。（2）處理器模塊：該模塊主要負責對從傳感器處得到的數(shù)據(jù)進行分析，觀察室內(nèi)溫度是否合適、污染是否嚴重，有沒有發(fā)生火災的可能，并在經(jīng)過信息分析后對室內(nèi)家電或傳感器等終端設(shè)備進行指令下發(fā)來改善室內(nèi)環(huán)境，例如控制空調(diào)使室內(nèi)溫度不會過高或過低、當光線較為暗淡時自動調(diào)整光線亮度。（3）告警：智能家居系統(tǒng)要具備提醒用戶危險來臨的功能，如果根據(jù)接收到的信息發(fā)現(xiàn)家中有易燃氣體、濃煙或者PM值過高，都會給控制中心發(fā)送警告信息。智能控制報警系統(tǒng)是智能家居的重要組成部分。它可以檢測危險信號并在第一時間報警。該原理是無線智能控制警報系統(tǒng)使用傳感器收集信號，處理并發(fā)送使用單芯片計算機收集的信號。音響光學報警功能由觸發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)，系統(tǒng)原理圖如下。圖2.1系統(tǒng)原理圖（1）設(shè)計包括硬件和軟件設(shè)計。模塊分為數(shù)據(jù)收集、顯示、警報模塊功能。（2）紅外線被盜警報系統(tǒng)由焦電式紅外線傳感器、智能報警、鍵控電路、控制電路、相關(guān)控制和管理軟件組成。（3）鍵盤主要起到方便使用者的功能，使用者可以根據(jù)鍵盤的使用說明以及自己的需要來按下按鍵從而達到自己的目的，鍵盤的設(shè)計簡潔大方，這樣很好的實現(xiàn)人機交互。（4）顯示屏幕主要是顯示使用者所按下的按鍵所對應的數(shù)字，讓使用者能夠更加直觀的明白遠程控制家居在當前情況下所進行的工作。（5）st89c52是遙控紅外熱釋電報警的核心控制部件?？删幊毯筒僮骱唵蔚膯纹瑱Cst89c52的特點確定使用核心控制。檢測火災，盜竊信號，當發(fā)生火災時，熱釋電紅外傳感器檢測報警，如果發(fā)生火災將自動觸發(fā)傳感器實現(xiàn)對災害的預警通知。3.1.1單片機的選用ST89C52為主要的中央處理系統(tǒng)，單片機是在集成電路芯片上集成了各種元件的微型計算機，這些元件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、時鐘部件的集成和I/O接口電路。由于單片機具有體積小、價格低、可靠性高、開發(fā)應用方便等特點，因此在現(xiàn)代電子技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域應用較為廣泛，在智能儀表中單片機是應用最多、最活躍的領(lǐng)域之一。在控制領(lǐng)域中,現(xiàn)如今人們更注意計算機的底成本、小體積、運行的可靠性和控制的靈活性。在各類儀器、儀表中引入單片機，使儀器儀表智能化，提高測試的自動化程度和精度，提高計算機的運算速度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價格比。（一）ST89C52主要功能、性能參數(shù)如下：（1）內(nèi)置標準51內(nèi)核，機器周期：增強型為6時鐘，普通型為12時鐘;（2）工作頻率范圍：0~40MHZ，相當于普通8051的0~80MHZ;（3）ST89C52RC對應Flash空間：4KB;（4）內(nèi)部存儲器（RAM)：256B;（5）定時器\計數(shù)器：3個16位；（6）通用異步通信口（UART）1個；（7）中斷源:8個；（8）有ISP(在系統(tǒng)可編程）\IAP(在應用可編程),無需專用編程器\仿真器；（9）通用I\O口：32\36個；（10）工作電壓：3.8~5.5V；（11）外形封裝：40腳PDIP、44腳PLCC和PQFP等。（二）ST89C52單片機的引腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。I/O口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器CPU將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作。這是由硬件自動完成的，不需要我們操心，1然后再實行讀引腳操作，否則就可能讀入出錯，為什么看上面的圖，如果不對端口置1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0Q端為0Q^為1加到場效應管柵極的信號為1，該場效應管就導通對地呈現(xiàn)低阻抗，此時即使引腳上輸入的信號為1，也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1。若先執(zhí)行置1操作，則可以使場效應管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確的讀入，由于在輸入操作時還必須附加一個準備動作，所以這類I/O口被稱為準雙向口。ST89C52的P0/P1/P2/P3口作為輸入時都是準雙向口。接下來讓我們再看另一個問題，從圖中可以看出這四個端口還有一個差別，除了P1口外P0P2P3口都還有其他的功能。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。ST89C52單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。在ST89C52單片機內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（簡稱晶振），就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。電容的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5-30pF，典型值為30pF。晶振CYS的振蕩頻率范圍在1.2-12MHz間選擇，典型值為12MHz和11.0592MHz。當在ST89C52單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復位操作，按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經(jīng)過電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的。最小系統(tǒng)如圖3.1所示。圖3.1單片機最小系統(tǒng)電路原理圖最小系統(tǒng)包括單片機及其所需的必要的電源、時鐘、復位等部件，能使單片機始終處于正常的運行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必備條件，可以將最小系統(tǒng)作為應用系統(tǒng)的核心部分，通過對其進行存儲器擴展、A/D擴展等，使單片機完成較復雜的功能。ST89C52是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。用STC89C52單片機構(gòu)成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。3.1.2時鐘模塊硬件電路DS1302是多個字節(jié)的RAM，其在高性能且低功耗的實時時時鐘芯片DS1302與微控制器的連接中僅需要三個行，并且使用CPU同步通信3線SPI接口來發(fā)送時鐘信號或數(shù)據(jù)。在該系統(tǒng)中，AT89C51宏處理器和DS1302的主要裝置、裝置和裝置接收數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)。DS1302時鐘脈沖是每個讀者需要的16、8個地址輸入脈沖工作之前和寫入命令。在這個系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)時鐘，50MHz的有效波束被結(jié)晶。激活晶體主要采用3.3V直流電源和電源系統(tǒng)的時鐘電路。時鐘電路是單芯片最小系統(tǒng)中常用的系統(tǒng)時鐘電路。圖3.2時鐘模塊硬件電路圖3.1.3繼電器控制電路與復位按鍵當發(fā)生煙霧報警的時候，單片機會控制繼電器閉合開啟水泵滅火。電磁繼電器工作原理和特性：圖3.3繼電器原理圖系統(tǒng)設(shè)計采用的是按鍵復位方式，復位顧名思義就是回到原來的位置，即開始重新啟動，系統(tǒng)的元件全部初始化，單片機雖然智能但和人還是有差別，只能按照指令去工作，于是在處理數(shù)據(jù)中難免會出現(xiàn)問題，導致錯誤。從而系統(tǒng)不能正常工作，在生活中經(jīng)常遇到這樣的問題，如手機突然死機，屏幕一動不動，這是只要關(guān)機重啟就能正常使用。這就是按鍵復位的功能。讓系統(tǒng)初始化，當系統(tǒng)不工作或者出現(xiàn)小問題時，就按下按鍵，達到初始化的作用。這個功能從單片機最基本的函數(shù)-main函數(shù)進行，我們在應用單片機時，都捐有初始化這一步，這樣會把單片機以前存的數(shù)據(jù)進行清理，使其沒有數(shù)據(jù)。再賦予新的數(shù)據(jù)，其實單片機的應用還是很復雜的，按鍵復位系統(tǒng)存在很多地方，在斷電時，為了防止破壞。都會有按鍵復位。任何單片機都有復位按鍵，在斷電后也會要求復位，比如當程序運行到有問題卡死時也需要進行復位按鍵操作，通常采用上電復位和按鍵復位這兩種方式。按鍵復位電路如圖3.4所示，圖3.4復位電路圖在MCS系列中，宏處理器、復位電路被廣泛使用。如圖3.5所示，有效時間在超過24個振蕩周期內(nèi)完成復位操作。RST引腳復位信號，復位信號的有效高度，RST具有一定寬度的脈沖，它能有效地實現(xiàn)自動復位和手動復位。當使用12MHz時鐘，C7通常是22F，R2可以1KΩ，它需要超過2秒完成復位操作。圖3.5復位電路隨著時間的增加，電容電壓值增加緩慢，和RST銷上的電壓逐漸降低，當RST銷的電壓值降至較低水平，單片機恢復正常，呼吁電動復位。3.1.4單片機晶振電路眾所周知，單片機的正常工作取決于時鐘元件產(chǎn)生的時鐘頻率。常用的時鐘元件是晶體振蕩器，所產(chǎn)生的晶體振蕩器是單芯片正常工作的前提。此時，時鐘電路需要外部的定時。原本可以通過XT2的端口連接到電路，產(chǎn)生自激振動。原來的外部通常是包括石英結(jié)晶和陶瓷電容器的并聯(lián)諧振電路。選用規(guī)格為11.0592MHZ的晶振元件，其電路圖如圖3.6所示。圖3.6單片機晶振電路3.1.5蜂鳴器提示電路蜂鳴器采用電壓式蜂鳴器，主要是在系統(tǒng)中起到提示作用，使得用戶直觀地知道操作是否成功，讓系統(tǒng)更加人性化。其內(nèi)部主要包括振蕩電路、蜂鳴片、匹配器和共鳴箱等。在本設(shè)計中采用的蜂鳴器，其工作頻率是2000Hz，可直接通過單片機的PWM端口進行驅(qū)動。所以在設(shè)計軟件的時候，要注意對PWM輸出信號的頻率進行設(shè)置。蜂鳴器電路圖如圖3-6所示。圖3.7蜂鳴器電路圖蜂鳴器引腳1與5V電源連接，引腳2與單片機P3.6端口連接，實現(xiàn)相關(guān)控制。本設(shè)計中，進行指紋錄入、功能選擇、功能確定等操作時，蜂鳴器響一次；在進行簽到簽退操作時，蜂鳴器響3次。3.2.1獨立控制鍵電路實用模型的鍵盤可以根據(jù)溫度設(shè)定的上下限來觀察鬧鐘燈的工作狀態(tài)，調(diào)整過程安全可靠。鍵盤是人和計算機相互作用的重要部分。鍵盤由S2和S3兩個鍵組成。一端連接到MCU的P1.3和P1.4端口，另一端接地。按下鍵，P1端口就會有效地讀取低級別。系統(tǒng)啟動后，請輸入正在掃描子程序的鍵盤，在查詢時確定每個按鈕，完成初始的溫度設(shè)定。鍵盤操作模塊有一個4X4矩陣鍵盤的小系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，可設(shè)置溫度值和感光值和強度和時間的煙。關(guān)鍵電路圖如圖3.8所示。圖3.8按鍵控制原理圖圖3.9遙控操作版面3.2.2LCD顯示模塊的電路設(shè)計LCD1602是一種具有數(shù)字顯示和文字顯示功能的LCD1602。通過調(diào)整背光源的亮度，可以達到字體的清晰度。由于P0端口沒有上拉電阻，因此在中間接10K的排阻，作為上拉電阻，其它的LCD管腳按照使用說明進行連接。由單片機對各傳感器所收集的數(shù)據(jù)進行處理，并經(jīng)P0端口將數(shù)字信息傳輸至LCD。具體電路如圖3.10所示。圖3.10LCD1602顯示電路圖3.3.1溫濕度傳感器室內(nèi)溫濕度是住宅舒適度的重要指標，為了實時了解室內(nèi)的環(huán)境變化，系統(tǒng)采用具有精確測控能力的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來測量室內(nèi)的溫濕度信息，DHT11作為溫濕度一體化的復合型數(shù)字傳感器，內(nèi)含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的傳感器，它在非常精確的濕度校驗室中進行校準，在檢測信號的處理過程中要調(diào)用以程序形式存在OTP內(nèi)存中的校準系數(shù)。為了簡化系統(tǒng)的集成和構(gòu)建，它在傳輸內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息時使用單線制串行接口的方式。另外，為了保證產(chǎn)品的穩(wěn)定可靠，它使用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)[3]。DHT11收到一次開始信號即啟動一次數(shù)據(jù)采集，若沒收到開始信號，則不啟動，采集后會自動回到低速模式。該產(chǎn)品空間占據(jù)小、能量消耗低、響應速度快、且成本低廉、測量值準確、傳輸距離遠、不容易受到其他因素的干擾，無需額外部件且為4針單排引腳封裝，方便連接。應用領(lǐng)域也相當廣泛：空調(diào)、除濕器、醫(yī)療、汽車、家電都能看到它的身影。超高的性價比、成熟的技術(shù)使其成為室內(nèi)溫濕度采集的最佳選擇，非常適合本系統(tǒng)的開發(fā)。DHT11溫濕度傳感器模塊實物圖見圖3-1。DHT11傳感器使用3.3V電壓供電，VCC引腳接電源，DATA引腳為采集到的溫濕度數(shù)字量輸出引腳，和CC2530的IO相連，為了使傳感器穩(wěn)定性更高，兩個引腳中間接4.7k的上拉電阻防止干擾，NC引腳懸空，GND引腳接地。該傳感器檢測到室內(nèi)的溫濕度信息后，通過把數(shù)據(jù)通過串口傳送到主控中心。圖3.11溫濕度檢測原理圖3.3.2光電傳感器窗簾自動控制系統(tǒng)的照明控制功能，根據(jù)光的強度自動控制窗簾的開閉。因此，使用感光元件，在設(shè)計中使用感光電阻。采用光控原理，窗簾自動打開，窗簾自動閉合。比較電路由運算放大器構(gòu)成，相同輸入端子有兩個電阻，電壓值與基準電壓進行比較。反轉(zhuǎn)輸入端使用感光電阻收集外部環(huán)境的光。暗的時間和光電阻小的時候，光電阻的電壓大，決定反輸入端子的電壓。價值。圖3.12光敏傳感器光學傳感器容易使用，正確連接線之后輸入3.3V的高水平，檢測出障礙物的話持續(xù)輸出低電平的信號。當光線發(fā)生變化時，系統(tǒng)會捕捉到這個信號進行反應。3.3.3煙霧傳感器本設(shè)計中煙霧感應器采用的是輸出信號弱的MQ-2型煙霧報警器，在測量煙霧時必不可少，需要放大電路的幫助，才能作用，然后進行濾波，電平調(diào)整，本系統(tǒng)一直采用放大電路用以節(jié)約開銷。當感應器檢測到此時的煙霧信息后，電信號開始進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當檢測到煙霧超過上限時，信號經(jīng)過電壓比較后輸出的是高電平的數(shù)字信號，反之是低電平。其工作原理為當煙霧離子進入電離層之后，由于氣溶膠吸附大量的負離子，使其中和。利用這特征我們就可以判斷煙霧是否超過上限。ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路如下：圖3.13ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路圖煙傳感器屬于氣體傳感器，是將氣體轉(zhuǎn)換為空氣中的電壓或電流信號的氣體電3.3.4紅外傳感器紅外傳感器的工作原理與紅外線有關(guān)。當環(huán)境溫度變化時，可以相互抵消，避免檢測誤差。200B的熱釋電紅外傳感器熱釋電晶體可以防止不必要的紅外或其他光進入傳感器。另外，當環(huán)境溫度變化時，兩個結(jié)晶參數(shù)同時變化，可以相互殺害，避免檢測誤差。在數(shù)據(jù)采集模塊中，系統(tǒng)采用st89c52作為前端報警采集中心的控制單元，主要完成采集數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)對單片機外圍電路的控制。紅外捕獲電路，如圖3.14所示：圖3.14紅外采集電路3.3.5火焰?zhèn)鞲衅鳒囟葴y量是一種直接反映了一個不同物體的各分子熱力冷熱的程度變化時和程度的一種固體物理學溫度測量,在化學微觀上它所表示的溫度是各種不同物體的各個分子熱力和運動的激烈程度變化時的程度。物體的物理溫度大小變化一般來說只能通過某些固體物質(zhì)的主要化學物理特性參數(shù)來間接測量,在生產(chǎn)生活中有著非常重要的作用以及考慮。火焰?zhèn)鞲衅餍酒K它在設(shè)計上具有芯片體積微型化,功耗和損耗相對較低,性能卓越顯著,抗干擾能力和工作可靠性相對較好,且易與其他的微處理器模塊進行適配等顯著的技術(shù)優(yōu)點。火焰?zhèn)鞲衅餍酒K可以直接將傳感器測量得到的溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳送到微處理器芯片上給其他的微處理器模塊進行數(shù)字信號處理。其設(shè)計上可以直接測量的數(shù)字溫度誤差范圍一般都是:55~125℃,測溫誤差0.5℃。其獨特的分布式多點一線通信接口,只是僅需要一條簡單的兩個接口的總線就已經(jīng)可以直接具有了一線通信多點的工作能力,簡化了多點分布式的通信溫度穩(wěn)壓傳感器的應用元件無需外部備用溫度穩(wěn)壓傳感器該元件通過外部可以使用的外部數(shù)據(jù)總線直接向溫度傳感器電路供電,電壓的外部溫度華氏峰值范圍一般可以相當于溫度為3.0v至5v,同時溫度傳感器電壓無需外部的任何備用穩(wěn)壓電源進行測量而其溫度的華氏范圍一般可以相當于溫度為-55℃以下至+125℃。電壓華氏測量特定溫度的電壓華氏相當于是-67℉以下或達到257℉。在攝氏度-10℃以下至+85℃的一個攝氏度區(qū)間范圍內(nèi)時在測量時其精度一般設(shè)定為±0.5℃[9]?；鹧?zhèn)鞲衅鹘泳€圖如圖3.15。圖3.15火焰?zhèn)鞲衅鹘泳€圖本系統(tǒng)的按鍵控制系統(tǒng)共用4個按鍵，四個按鍵控制的電路并聯(lián)，組成了按鍵控制系統(tǒng)；第一個按鍵是返回，設(shè)定完上限值后返回使用；按鍵2是確定上限值，按鍵3和按鍵4分別是設(shè)定值得增減按鍵。按鍵的功能實現(xiàn)其實就是電平的差值控制，因存在誤差，所以需要編程時進行誤差調(diào)整，編程序時要加上去抖函數(shù)，是系統(tǒng)更加精確。按鍵控制電路原理圖如圖3.16所示：圖3.3按鍵控制電路根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的上限值，采集此時的溫度，煙霧濃度和是否有人，檢測的結(jié)果與上限值比較，如果超過系統(tǒng)設(shè)置的溫度和濃度上限時，STM89C52單片機就會控制SIM800短信模塊發(fā)送報警信息（此時的溫度值，濃度值）到設(shè)定的手機號上，。當人體紅外感應模塊檢測到有人存在時，就會發(fā)送短信進行提示。此系統(tǒng)設(shè)計采用SIM800模塊發(fā)送短信，此模塊具有性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價比高的，能滿足客戶的多種需要的特點。被廣泛的運用在通信設(shè)置中。共有5個引腳，會外接一個二極管，起到保護芯片的作用，發(fā)送短信時反向電流電路較大，容易擊穿芯片。通信方式采用的是串口通信。便捷可靠，及時性強。電解電容采用1000UF，能提供發(fā)短信的條件。SIM800模塊電路原理圖如圖3.17所示：圖3.6SIM800模塊電路前面的章節(jié)主要闡述了智能家居系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)的硬件設(shè)計，本章主要敘述了智能家居的軟件實現(xiàn)部分。硬件部分就如同是整個智能家居控制系統(tǒng)的骨骼，而軟件則是整個智能家居控制系統(tǒng)的血肉一樣。設(shè)計的智能家居子系統(tǒng)不僅需要硬件的支持，還需要軟件的支撐。二者缺一不可，否則兩者整個系統(tǒng)將無法運行。在硬件系統(tǒng)完成之后，就要對系統(tǒng)的各個傳感器和單片機進行軟件設(shè)計編程。系統(tǒng)軟件設(shè)計是在原理框架圖的基礎(chǔ)上開始進行，每個器件部分首先畫一個流程圖，然后按照功能進行系統(tǒng)設(shè)計。首先對各個硬件初始化，如溫度傳感器，人體紅外傳感器，LCD1602液晶屏，蜂鳴器，SIM800短信模塊，初始化完成后各個模塊開始工作，檢測當時的煙霧濃度，溫度，是否有人，與設(shè)定的上限進行比較，若溫度。煙霧濃度超過設(shè)定的上限值，蜂鳴器報警，LED亮起，溫度達到上限，風扇打開；煙霧達到超過上限，水泵打開；檢測是否有人，若有人，蜂鳴器也會響，單片機把此時的溫度值和濃度值以及是否有人發(fā)送短信給指定的手機號。緊急按鍵用于發(fā)送緊急短信。系統(tǒng)主程序流程圖圖如下：圖4.1系統(tǒng)主程序框圖本次設(shè)計采用LCD1602液晶屏作為顯示器，先對器件進行子函數(shù)程序，先使顯示器初始化，把顯示器以前的程序和數(shù)據(jù)全部刪除，做清零處理。如果沒有清零，返回初始化繼續(xù)清零。然后單片機向顯示器寫命令，執(zhí)行操作，是單片機顯示內(nèi)容，然后單片機向顯示器寫入數(shù)據(jù)，使顯示器展現(xiàn)數(shù)據(jù)，將此時的溫度，煙霧濃度，是否有人，設(shè)定的溫度和煙霧濃度上限在顯示器中顯示出來結(jié)果。液晶顯示屏還能控制亮度，以及按下按鍵設(shè)定上限時，會變換數(shù)字，最后，根據(jù)程序在液晶屏上顯示采集到的數(shù)值LCD1602。LCD1602顯示流程圖如4.2所示：圖4.2液晶顯示程序流程圖當GSM模塊和單片機連接好后，插入一張SIM卡，注意卡插入的方法，正確插入，當系統(tǒng)供電時，打開GSM模塊的開關(guān)，進行串口初始化，這時LCD1602液晶顯示屏上會顯示出GSMINIT，表示插入手機卡，當防盜系統(tǒng)開啟時，溫度超過上限值，會顯示SETSMS，發(fā)送成功會顯示SETOK字樣，當需要發(fā)送短信時，保證ES=1,EA=1；然后初始化AT指令，即設(shè)定初值整個流程進行完畢。串口通信流程圖如圖4.3所示：圖4.3GSM串口通信流程圖開啟開關(guān)電源后，溫濕度傳感器開始工作，DHT11數(shù)字溫濕度測溫模塊首先初始化，然后讀取DHT11數(shù)字溫濕度測溫模塊的啟動信號，進行分析，轉(zhuǎn)換。把信號發(fā)送給單片機，隨后復位初值DHT11數(shù)字溫濕度測溫模塊，若無中斷，則讀取數(shù)據(jù)，若有中斷，則繼續(xù)回歸到復位操作。單片機將檢測到的數(shù)據(jù)解析，得出溫度和濕度的具體數(shù)值，最終顯示在液晶屏上。其流程圖如下所示圖4.4溫濕度檢測流程圖本次設(shè)計包含的按鍵電路主要是溫度和人體紅外煙霧濃度設(shè)定上限的增，減，確定和返回，不同的頁面具有不同的意義和作用，還有手機號的確定。按鍵有4個引腳，一邊兩個，相同的一側(cè)連接在一起，4個按鍵相并聯(lián)，按鍵的連接只需要將相同的引腳連接一起。按鍵的工作原理就是對高低電平信號進行檢測，在主程序中，循環(huán)執(zhí)行檢測，當檢測到按鍵低電平信號，單片機系統(tǒng)進入按鍵子程序中。按鍵不同的功能需要不同的函數(shù)執(zhí)行不同的操作，；另外注意進行延時操作，減小誤差。按鍵可以用來設(shè)置溫度和人體紅外的報警上限，接受短信號碼。流程圖如4.5所示：圖4.5按鍵流程圖在本系統(tǒng)中，當主函數(shù)執(zhí)行后，系統(tǒng)一直在檢測是否發(fā)生中斷，首先通過按鍵設(shè)定好溫度上限和人體紅外煙霧濃度的上限，然后進行檢測看是否超出上限值，人體紅外感應模塊是否發(fā)出開關(guān)信號，煙霧溫度和人體紅外在程序中都通過循環(huán)函數(shù)來判斷其值是否超出上限，若超過上限，蜂鳴器報警，對應的LED報警指示燈也會亮起，同時SIM800發(fā)送報警短信和此時的溫度濃度數(shù)值到對應的手機上。報警流程圖如圖4.6所示：單片機輸出低電平蜂鳴單片機輸出低電平蜂鳴器報警是否觸發(fā)報警條件報警程序入口返回YNY圖4.6報警流程圖當煙霧采集到當前的數(shù)據(jù)后，把模擬量傳輸給adc0832進行處理，ADC0832進行初始化后，因為ADC0832有2個通道，所以要進行選擇，本次設(shè)計選擇的數(shù)據(jù)通道為0，然后進行讀取數(shù)據(jù)，一個字節(jié)為8位，進行一位一位讀取，把當前讀取的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，換算成當前的電壓值。流程圖如圖4.7所示：圖4.7煙霧濃度程序流程圖由于家用電器種類很多，本次測試本設(shè)計選擇燈光的智能控制為例進行測試。燈光控制測試，主要測試是否可以根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境光照條件的變化而執(zhí)行不同的動作，并且可以根據(jù)語音控制信號，完成打開關(guān)閉燈光的功能。燈光控制模塊測試結(jié)果:在外界光照強度逐漸減小時，小于閉值時，燈光控制模塊打開，完成室內(nèi)照明工作;當外界光照強度逐漸增大時，大于閡值時，燈光控制模塊關(guān)閉。此外，當用戶說“開燈”時，燈光控制模塊打開;當用戶說“關(guān)燈”時，燈光控制模塊關(guān)閉;當用戶說“自動”時，燈光控制模塊根據(jù)實際情況進行動作。主控制電路發(fā)出的控制信號可以得到各分控制板的識別，并可以完成相應動作。在系統(tǒng)測試中性能測試也是一個驗證系統(tǒng)是否達標的重要指標，主要指系統(tǒng)運行時的各項性能等。系統(tǒng)的性能測試主要包括智能家居終端節(jié)點的功耗測試和斷電恢復情況測試。智能家居系統(tǒng)的終端節(jié)點有工作和休眠兩種狀態(tài)，因此要對節(jié)點界定功耗測試要從這兩種狀態(tài)入手，這兩種狀態(tài)的功耗都要考慮。測試結(jié)果表明：不管是在工作還是休眠狀態(tài)，智能家居系統(tǒng)終端節(jié)點的功耗都不高，長期運行并不會有功耗上的困擾，因此本系統(tǒng)符合低功耗的性能要求。另外，本設(shè)計對系統(tǒng)進行斷電恢復操作。具體步驟為：在系統(tǒng)正常運行情況下，斷掉電源開關(guān)，在系統(tǒng)完全斷電之后，再接通電源開關(guān)。重復以上動作10次，本設(shè)計發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在多次斷電，恢復電源開關(guān)的過程中，依舊運行穩(wěn)定，完好無損，且系統(tǒng)沒有出現(xiàn)死機等現(xiàn)象，各項功能運行良好。本次測試驗證了智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案的有效性。經(jīng)過系統(tǒng)測試之后，其結(jié)果表明，本次設(shè)計的智能家居控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可以完成預期的功能，且較好地實現(xiàn)了各個模塊的功能，滿足了用戶對該系統(tǒng)的實際需求。用戶可以順利完成登錄操作，可以在手機界面上觀測到家庭的環(huán)境狀況、查看電器設(shè)備的即時工作狀態(tài)。還可以隨時隨地控制家用電器的開關(guān)，而且本系統(tǒng)運行穩(wěn)定、切換界面流暢、通信延長時間短且方便用戶操作，滿足了本設(shè)計設(shè)計系統(tǒng)的初衷，符合人們預期要實現(xiàn)的功能，且具有較好的可靠性，有利于盡快投入使用，為未來的智能家居系統(tǒng)設(shè)計提供了參考樣本，方便了人們的生活，同時提升了人們的生活品質(zhì)。同時，可以看出系統(tǒng)還有許多顯而易見地可以提升的臺階，比如提高系統(tǒng)的安全度、人機交互界面更加清晰明了、系統(tǒng)功能更加豐富等。這些問題都是本設(shè)計在將來應該注意的。智能家居出現(xiàn)的初衷就是為了便捷人們的生活，而日新月異的科技發(fā)展、尤其是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使智能化的家居生活成為現(xiàn)實。通過嵌入式、傳感器等技術(shù)的結(jié)合，智能家居系統(tǒng)的功能也逐步完善并擁有更豐富的功能，大大提升了生活品質(zhì)。本文設(shè)計的智能家居控制系統(tǒng)以st89c52為核心，外接語音識別模塊、自動控制模塊，環(huán)境檢測