智能家居毕业设计

1、摘要智能家居系统采用电子传感技术、计算机技术和信息传输技术，对用户提供全方位的服务，同时对住房内情况进行实时监控和管理。它包括家庭内部信息传输系统、家庭报警、显示系统及智能传感/执行设备等几个部分。本文所做的智能家居控制系统包括室内信息智能监控功能、输入与实时显示功能、智能报警和通讯报警等。本文将整个系统分为主机部分和分机部分，以at89c51单片机为主控器件，两部分之间通过无线通讯模块进行数据交换。主机部分是系统的核心部分，通过键盘输入模块对系统温湿度的进行初始化设置，并利用lcd显示模块对室内状况进行实时显示，本部分还具有温湿度控制和煤气阀开关控制的功能，对于异常情况，系统可通过声光报警模

2、块进行报警提示，情形严重的可通过电话拨号模块通知用户、物业或相关部门。分机部分是系统的监测部分，主要是通过温湿度传感器、气体传感器和烟雾传感器对室内信号进行采集，并通过无线通讯模块ptr8000将信息传送给主机，实现对家居的智能控制。通过本文的研究，使得整个智能家居控制系统得到了进一步完善！关键词：at89c51；智能控制；传感器；无线通讯关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。abstractintelligent home system uses electronic sen

3、sing technology, computer technology and information transfer technology to provide a full range of services, and at the same time to monitor the situation of housing and real-time management. it includes family information transmission systems, home alarm, display system and intelligent sensor / eq

4、uipment such as the implementation of several parts.the intelligent home control system made in this article including an indoor information intelligent monitoring, input and display real-time, intelligent alarm and communications alarm. it is divided into host part and extension part, and make the

5、at89c51 single-chip as the main control unit, the two parts exchange data for each other through the wireless communication module.the host part is the core of the system, initialize the temperature and humidity settings through the keyboard input module of the system, and use the lcd display module

6、 for the real-time display of indoor situation, this part also have the control functions for temperature, humidity and gas valve switch, for anomalies, the system also can alarm by sound and light alarm module. for the serious situation, the system also can inform the users, property or related sec

7、tors by telephone dial-up module.extension is the monitoring part of the system, it collect the indoor signal through temperature and humidity sensors, gas sensors and smoke sensors, and transport the information to the host through wireless communication module ptr8000 , to achieve intelligent cont

8、rol of home.through the study of this article, the entire intelligent home control system has been further improved!key words：at89c51; intelligent control; sensor；wireless communication- 4 -目录摘要1abstract2引言11 绪论21.1 研究智能家居的意义21.2 国内外智能家居的现状与发展趋势21.2.1 国内外智能家居的发展现状21.2.2 智能家居的发展趋势32 智能家居控制系统的方案设计52.1

9、 at89c51单片机52.2 系统的总体方案设计63 硬件设计73.1 主机系统的硬件设计73.1.1 可编程并行i/o口的扩展73.1.2 键盘接口电路设计83.1.3 液晶显示模块93.1.4 声光报警113.1.5 自动报警系统123.1.6 电磁阀控制模块的设计143.1.7 温湿度控制系统的硬件设计153.2 分机系统的硬件设计163.2.1 a/d转换芯片173.2.2 温湿度传感器sht11183.2.3 气体传感器203.2.4 烟雾传感器223.3 主机与分机通讯部分223.4 电源模块的设计244 系统的软件设计254.1 软件开发环境的介绍254.2 主机系统部分的软件

10、设计254.2.1 键盘输入模块的软件设计264.2.2 lcd液晶显示模块程序设计284.2.3 mt8888的软件设计304.3 分机系统的软件334.3.1 温湿度检测模块的软件设计334.3.2 气体检测364.3.3 分机数据传输374.4 nrf905无线通讯的软件设计385 系统的抗干扰能力设计405.1 单片机系统硬件的抗干扰405.2 单片机系统软件的抗干扰40结论42参 考 文 献43附录a主机部分电气原理图45附录b分机部分电气原理图46附录c主机部分主流程图47附录d分机部分主流程图48附录e部分初始化源程序49致谢52引言随着现代科学技术的发展和人民生活水平的提高，人

11、们对居住环境的要求正在从追求居室空间宽大和装饰豪华向着追求品味、安全、舒适、便捷和智能方向发展。单个家用电器的自动化已不能完全满足人们的需求，家电网络化就成为必然的趋势，于是智能家居、智能住宅、数字家园网络化住宅、家庭网络、数码家庭等概念在国内外被广泛提出，各种新技术在家庭智能化系统中不断得到应用。近几年来，国内外研究机构和厂商已经意识到家庭安全的重要性，把智能家居作为一个极其重要的方向来考虑，并纷纷投入技术力量和资金对其进行研究和产业化。通过对智能家居的进一步研究，达到对家庭的安全方面进行智能控制的目的。本文所研究的目的是设计一个智能家居控制系统，该系统应能够实现对系统进行初始化设置；对室内

12、温湿度信号、烟雾信号和气体信号的采集；并能够对室内状况进行实时显示；具有对温湿度智能控制和气体泄漏智能控制功能；在异常情况下，能够进行声光报警和远程报警的功能。1 绪论1.1 研究智能家居的意义随着人们生活水平的不断提高，人们不断的对居住环境提出更高的要求，越来越注重家庭生活中每个成员的舒适、安全与便利，因此从市场需求的角度看，智能家居必然是前景广阔1。纵览中国的智能家居市场，我觉得现在呈现出以下几个特点：没有形成统一的行业标准，各大、中、小厂家各自为政，种类繁多且互不兼容的产品充斥市场，形成春秋战国时代诸侯争霸的分割局面。厂家多集中在东部沿海地区，且没有形成规模化生产，产品销量不大，与国外产

13、品相比品牌的影响力远远不够。市场分布极不平均。沿海经济发达地区和内地大中城市的市场活跃，人们大多接受智能家居的概念；北方和西部地区则逊色许多，但是市场潜力巨大。随着房地产市场的稳中有升，新楼盘的火爆开发，房地产开发商和投资商日益重视智能家居的广泛应用。实际生活当中的家居智能化与理想的智能化差距甚大。随着未来几十年的蓬勃发展，将使智能化家具系统的应用越来越广泛。对于智能化家具的研究，将在理论上推动智能化技术在家具领域的纵深发展，并为各类智能化家具新产品的设计与开发提供一定理论依据，产生一定的经济效益和社会效益，大大丰富并充实了家具系统理论。到目前为止，国内外尚未有学者进行智能化家具的系统研究，因

14、此以此作为主要研究内容具有现实指导意义。1.2 国内外智能家居的现状与发展趋势1.2.1 国内外智能家居的发展现状人类在追求高度物质文明的同时，更加追求环境绿色化、生活信息化。安全、舒适、方便、现代的家居环境已成为 21 世纪居家生活的象征。进入 21 世纪，日新月异的现代科技的力量，打破了传统的时空界限，计算机网络和层出不穷的信息技术，改变了人类的生产、生活方式，科技正以超乎想象的速度深刻地影响着人类的思维模式和生存状态。住宅作为人类生存的物质基础，必将受到信息技术的冲击和影响，传统住宅己不能满足现代社会对其使用功能及其所能提供的环境的更高要求，未来住宅应是高科技与传统技术的有机融合体：不仅

15、功能齐全、居住舒适、使用方便，而且安全节能，有益人类健康和自然生态环境2。目前，智能技术在家具行业中已经得到初步应用，一些智能化家具的雏形或前期产品己经出现。国外，如爱尔兰的兰开斯特大学与苏黎世、德国、瑞典及芬兰等学府合作，开发了一系列“智能家具”。用“智能沙发”可以开启电视机、激活电话录音机，还可以认出是谁坐在沙发上，懂得说欢迎辞，甚至根据输入的程序自动唤醒躺在特定位置的病人。“智能书架”会在负荷过重时做出投诉“智能药品柜”会在药物过期时发出警告。美国纽约现代博物馆展馆中央放着一张智能化桌子，里面装了多个芯片及多个网络接入点，通过感应手的动作，控制有信息装置的特定物体。德国乌尔姆大学的一个研

16、究小组研制出了一种智能轮椅，它是通过一个高度发达的导航系统实现的，这一系统利用它的传感器和激光仪连续不断地搜索其周围的障碍物，利用一个小型计算机分析出如何选择穿过人群的路线。这种轮椅能自动穿过拥挤的火车站大厅，而不会与人相撞。我国在智能化家具方面也作了一些初步探索，有些先进家具企业也开发了一些简单的智能化家具产品。智能化家具必然是世纪发展的趋势。例如，深圳市大富豪实业发展有限公司，正以“富之岛小狗第一”的旗帜在国内率先推出了智能婴儿床，能在婴儿尿床时立即发出温馨警报、能够定时自动弹起的懒汉床、能够接受声音指令的智能按摩床、能教人化妆的梳妆台等等众多新款智能家具。这些家具之所以具有智能，除了传感

17、器和硬件控制电路以外，单片机发挥了大脑指挥作用。总之，我国的家具智能化水平还处在起步和尝试阶段，具体表现在基础比较薄弱、技术含量低等方面。国内家具智能化的研究仅仅停留在概要性论述和一些简单产品开发的层面上，缺乏系统的理论研究，有待于进一步开发设计。 1.2.2 智能家居的发展趋势我们都知道，智能家居目前已取得了初步的成功，但是离“智能化”还有很长的距离，智能家居的发展趋势有以下几个方向：1. 网络化每一个大大小小的家电都有固定的网络地址，可以随时控制，网络化是信息技术、通信技术和计算机技术发展的必然趋势，是智能家居的一个重要条件。2. 智能化、人性化随着人工智能的不断发展和机器人的出现,使得智

18、能化不再是一个神话，智能化是智能控制发展的必然趋势。因此，家居的智能化也必然向智能化方向发展；智能家居是it技术(特别是计算机技术)、网络技术、控制技术)向传统家电产业渗透发展的必然结果。智能化应服务于人们的生活，因此应更全面、更富有人性化，因此也是智能家居未来的一个发展方向。3. 节能环保智能化的本质之一是降低成本和提高效率,节能是降低成本的关键技术；绿色、环保、节能将成为未来家居的重要考核指标,甚至是首要考虑因素。在住宅实现了基本智能化后，绿色生态住宅成为必然的追求目标。提高生活环境的质量，这些也是其未来发展必须考虑的因素。4. 一体化家居智能化需满足自动化管理、安全防范监控、火灾报警、对

19、讲呼叫、设备监控等内容，把它们智能化功能集成,从而降低成本，也是未来发展的一个方向。5. 规范化、标准化由于智能家居发展较晚，新技术、新产品层出不穷，标准和规范还在制定之中，规范化、标准化是智能家居快速发展，走入国际市场的必由之路。6. 成本低廉化2 智能家居控制系统的方案设计2.1 at89c51单片机1. at89c51单片机简介本系统采用由美国atmel公司生产的低电压、高性能的cmos 8位at89c51单片机，at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压

20、，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器34。引脚排列如图2.1所示。图2.1 at89c51引脚图2. at89c51单片机的主要特性 l 4k字节可编程闪烁存储器 l 寿命：1000写/擦循环 l 数据保留时间：10年 l 全静态工作：0hz-24hz l 三级程序存储器锁定 l 128×8位内部ram l 32可编程i/o线 l 两个16位定时器/计数器 l 5个中断源 l 可编程串行通道 l 低功耗的闲置和掉电模式 l 片内振荡器和时

21、钟电路2.2 系统的总体方案设计智能家居控制系统主要是在家庭安全方面起到智能控制的目的，本系统分为主机部分和分机部分。系统的整体框图如图2.2。主机部分首先可以通过键盘输入模块对系统进行初始化设置；其次，通过通讯模块实现与分机之间的数据传输；然后，主控元件对接收到的数据通过lcd显示模块进行实时显示，使室内情况一目了然；对于需要控制的情况可通过温湿度控制模块和煤气阀开关进行控制；对于危险的情况也可以通过声光报警模块和远程报警模块实现报警。分机部分是系统的执行部分，其功能主要是对室内的安防进行监控，首先是对温湿度传感器、气体传感器以及烟雾传感器对室内的温湿度、气体以及烟雾等信号进行采集并作出判断

22、，然后通过通讯模块将检测的结果传送与主机系统。主机和分机之间采用无线传输的方式进行通讯，这样可以省去传统的在家居内走线的弊端，从而具有低成本和组网方便的优势。同时选用射频技术，因其具有省电、可靠、低成本、时延短等优点。图2.2 系统整体框图3 硬件设计正确可行的硬件设计是整个智能家居系统开发的基础和主要部分。一个好的可靠的系统硬件设计，应该能够在系统分析时实现对功能目标的确定。另一方面，硬件设计的同时要考虑到与软件开发相协调的问题，在保证软件设计正确和简明的同时，也必须考虑到该硬件基础上进行软件开发的可行性和难度。3.1 主机系统的硬件设计主机系统主要部件有主控器件at89c51、键盘输入模块

23、、lcd液晶显示器、报警系统和无线通讯模块等。当家庭内发生危险情况时，系统不仅能及时的做出声光报警警戒人们，而且还具有对外通讯的功能，以此通知有关部门。所以系统对报警系统分为声光报警和自动报警两部分。考虑到主控器件的i/o接口数量的限制,所以主机部分采用可编程并行i/o扩展芯片8255a对i/o接口进行扩展，以此实现对各个部分的设计。3.1.1 可编程并行i/o口的扩展在本系统中，8255a的a0、a1端分别接地址锁存器74ls373的地址线的q0、q1，cs与单片机的p2.0相连，数据线和p0口相连，读写线和单片机的对应读写线相连，这样8255a的口地址为：a：0a00h，b口：0a01h，

24、c口：0a02h，控制口：0a03h。8255a与单片机的接线图如下图3.1所示5。图3.1 8255a与单片机的接线图3.1.2 键盘接口电路设计键盘在单片机应用系统中是一个关键部件，它能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人机对话不可缺少的输入方式之一。主机部分一共包含了18个键，其中包括一个系统复位按键、一个由t1中断实现的键盘启动键、10个数字键和5个功能键，其余的按键无效。5个功能键分别是:确认键、退出键、温度设定键、湿度设定键、火灾报警快捷键。在此我们采用4×4键盘，键盘与8255的pa口、pb口低四位相连，8255a的pa口作输入，pb口的低四位作输出。矩阵的4条列

25、线接到输出端口b的低四位pb0-pb3，用程序能改变这4条列线上的电平。4条行线连到输入端口a的pa0-pa3，4条列线同时接到输入端口a的pa4-pa7上，这样，用输入指令读取a口状态时，可同时读取键盘的行列信号。键盘接口电路如图3.2所示6。图3.2 键盘接口电路3.1.3 液晶显示模块本系统采用的显示模块是lcm128645zk，中文液晶显示模块lcm128645zk的字型rom内含8192 个16*16点中文字型和128 个16*8半宽的字母符号字型；另外绘图显示画面提供一个64*256点的绘图区域gdram；而且内含cgram提供 4组软件可编程的16*16 点阵造字功能。电源操作范

26、围宽2.7v-5.5v，低功耗设计可满足产品的省电要求；同时与单片机等微控器的接口界面灵活（三种模式：并行8 位/4位，串行 3线/2线）。中文液晶显示模块具有上/下/左/右移动当前显示屏幕及清除屏幕的命令，具有光标显示/闪烁控制命令及关闭显示命令。预留多种控制线（复位/串并选择/亮度调整）供用户灵活使用。lcm128645zk的引脚说明如表3.1。表3.1 lcm128645zk的引脚引脚名称方向说明1gnd×地2vcc×逻辑电压*3v0×lcd亮度调整，外接电阻端4rs(cs)i选择寄存器(并行) 0：指令寄存器 1：数据寄存器片选(串行) 0：禁止 1：允许

27、5r/w(sid)i读写控制脚(并行) 0：写入 1：读 输入串行数据(串行)6e(sclk)i读写数据启始脚(并行) 输入串行脉冲(串行)7db0i/o数据线08db1i/o数据线19db2i/o数据线210db3i/o数据线311db4i/o数据线412db5i/o数据线513db6i/o数据线614db7i/o数据线7*15psbi控制界面 0：串行，1：并行8/4位16nc×未用续表3.1 lcm128645zk的引脚*17/rsti复位信号，低有效*18vr×lcd亮度调整，外接电阻端19led+×背光正极20led-×背光负极lcm12864

28、5zk具有两种传输模式：并行传输模式和串行传输模式。1. 并行接口数据传输当psb脚接高电时（模块背面s/p的短路电阻在“p”侧） ，模块将进入并行传输模式；在并行传输模式下， 可由指令位 （dl flag） 来选择8-bit 或4-bit接口， 主控制系统将配合 （rs， rw， e， db0.db7）来完成传输动作。 在4-bit传输模式中，每一个八位的指令或资料都将被分为二组：较高4位(db7db4)的资料将会被放在第一组的(db7db4)部分，而较低4位(db3db0)的资料则会被放在第二组的(db7db4)部分，至于相关的另四位则在4-位传输模式中db3db0 介面未使用。 2. 串

29、行接口数据传输当psb脚接低电位（模块背面s/p的短路电阻在“s”侧），模块将进入串行模式；在串行模式下将使用二条传输线作串行资料的传送，主控制系统将配合传输同步时钟(sclk)与接收串行数据线(sid),来完成串行传输的动作。本系统对lcm128645zk采用串行输入模式，这样可以节约系统的i/o引脚，简化系统的复杂性，使系统清晰易懂。在串行输入模式下，lcm128645zk与主机的连接主要占用三个引脚，为合理利用系统i/o口，在此将lcm128645zk的片选端与74ls138的y3脚相连，实现片选。将sclk和sid分别与at89c51单片机的p26、p27相连，lcm128645zk与

30、主机的连接图如图3.3。 图3.3 lcm128645zk与at89c51的连线图3.1.4 声光报警本系统中所涉及的声光报警电路是由一个蜂鸣器与四个不同颜色的小灯组成。其中蜂鸣器连接在扩展i/o口的pa口的pa0位上，可以根据不同情况(火灾、气体泄漏等异常情况)，从pa0位输出发出不同频率的电平信号，实现声音报警；三个光报警小灯与pa口的pa1-pa4三位相连，绿灯表示键盘设置指示、红灯表示火灾报警、黄灯表示气体泄漏报警。声光报警电路与8255a的连接图如图3.4。图3.4 声光报警连线图3.1.5 自动报警系统智能家居的最终目的都是为“满足人们对安全、舒适、方便、高效和符合绿色环境保护的需

31、求”，其中“方便”要求家庭内部系统能够通过家庭对外接口，实现家庭外部的通讯。家庭对外通信模块在智能家居系统中扮演着非常重要的角色。具体来讲， 该模块的功能是提供一个家庭内部与外部的通信链路，通信的内容是数据信息或指令信息，常用的通信媒介有电话、gsm短信、internet 等。电话比 internet 更具有普及性和方便性，这是中国国情, 国内信息家电的发展落后于欧美发达国家，家庭中信息家电的数量少，无需 internet 提供的宽带数据通信链路。现阶段家庭内部智能化方面的需求主要是开关家庭设备，例如电灯、窗帘。因此，在智能家居的远程通讯方面，电话通信具有更高的优越性。综上所述，本文选择电话作

32、为智能家居外部通信的方式。本系统设计的自动拨号电路可根据不同的危情，通过电话网实现自动拨打用户事先设定的电话号码(手机、固话等)，对所指定的机构或人员发出求救信号，使救援人员采取相应措施来制止事故。本系统在此方面的主要功能如下。报警优先功能：主机与用户电话机共用一条电话线，非报警时，不影响电话的正常使用，电话机的正常使用不影响也不干扰主机报警。主机报警时，优先拨打报警电话。自动拨号功能：当主机接收到报警信号后，可自动拨打预存的1-6组电话或手机号码，每组11位数。自动探测通话状态：报警时自动探测对方电话机的使用状态，若对方为占线或响铃后无人接，则保留跳过，等待下一轮续拨。本电话自动拨号电路采用

33、mt8888芯片设计10：mt8888是采用cmos工艺生产的dtmf信号收发一体集成电路，它的发送部分采用信号失真小、频率稳定性高的开关电容式d/a变换器，可发出16种双音多频dtmf信号。接收部分用于完成dtmf信号的接收、分离和译码，并以4位并行二进制码的方式输出。mt8888芯片集成度高、功耗低，可调整双音频模式的占空比，能自动抑制拨号音和调整信号增益，还带有标准的数据总线，可与ttl电平兼容，并可方便地进行编程控制。mt8888管脚排列如图3.5所示。图3.5 mt8888引脚图mt8888引脚功能说明：l in+：运放正相输入端l in-：运放反相输入端l gs：运放输出端l vr

34、ef：基准电压输出端，电压值为vcc/2l wr：写控制端，低电平有效，与ttl兼容l cs：片选端，低电平有效l rs0: 存储器选择输入端，与ttl兼容l rd: 读控制端，低电平有效，与ttl兼容l irq/cp: 中断信号请求端l d0d3: 数据总线，在cs=1或rd=1时，处于高阻状态，与ttl电平兼容l est: 初始控制输出端l st/gt: 控制输入/时间检测输出l vcc: +5v电源端mt8888提供了与intel微处理器相连的接口，以对其发送、接收和工作模式进行控制。在电话自动报警系统中，mt8888与at89c51的接口电路参见图3.6。它的接收部分采用单端输入，由r

35、0、r1和c2组成，其输入电压增益为r1/r0=1，通过改变r1可调节输入信号的增益。它的发送部分由c3、r3、c4和xtal2构成，其中xtal2为3.5795mhz的晶体振荡器，负责产生全部16种标准双音信号。它的控制部分由r4、c6构成。另外，由于irq /cp端为开源输出，故要用上拉电阻r5，与单片机p2.4脚相连，用于监测计数电话回路中信号音的方波个数。c3为去耦电容。dtmf in和dtmf out与电话接口电路相连。do-d3与单片机的数据线p0.0-p0.3相连，完成数据的传输和控制命令的输入，状态的读出等。wr、 rd引脚分别与单片机的同名引脚相连，以对该信芯片的读写进行控制

36、。cs为片选线，74ls138译码器的y4脚相连。rso引脚完成对该芯片内部寄存器的选择，与p2.5相连。图3.6 拨号电路3.1.6 电磁阀控制模块的设计电磁阀是控制燃气开启的执行机构。本系统选用zd-20型电磁阀，它是一种双稳态高效节能型电磁阀，由3.6v铿电池供电，具有点开和点关的脉冲工作方式。一旦开启或关闭，可处于自保持状态，无须电源供电。将电磁阀的控制端接到8255a的pc4位上，当pc4脚输出低电平时，三极管t，截止，电磁阀关闭：当pc4脚为高电平时，三极管t，导通，电磁阀zd开启。通过电磁阀控制电路，单片机控制系统可以很方便地控制用户能否用气。其控制电路见图3.7。图3.7 电磁

37、阀控制电路图3.1.7 温湿度控制系统的硬件设计人体对温度变化非常的敏感，温度过高或过低都会引起人们的不适，特别对于老人和小孩尤其重要。根据有关测定，气温15-21时，是温度环境的舒适区段，在这个区段里，体力消耗最小、工作效率最高、最适宜于人们的生活和工作。温度控制是智能住宅系统的重要组成部分，本系统设计的温度控制功能叙述如下：南方的冬天，温度不致于太低，根据预设室内温度对空调自动进行启/停控制，以达到最佳舒适度。而在北方，冬天的温度是非常低的，绝大多数的地方是用暖气供热取暖。本系统根据相应的控制算法，控制暖气上电动阀开通时间，从而达到控制温度的作用。硬件设计中，用主机控制供暖设备进水的电动阀

38、门，选用kld公司的防潮微型电动阀门。其工作电压是dc3v到5v，因为电动阀的耗电量小，可以与单片机共用同一个电源。其接线如图3.8所示。图3.8 电气阀与8255a的连接图用安装在电动阀的分机的两个通用i/o端口来控制阀门:pc5控制阀门开，pc6控制阀门关。阀门的电源和地分别接系统的电源和地。本系统对湿度的控制类似于对湿度的控制，通过控制加湿器启停来控制调节。3.2 分机系统的硬件设计智能家居在满足人们舒适、方便生活的同时, 也要求为家庭提供安全防范方面的保障，因此，智能家居将家庭安全防范模块定义为其四个基本模块之一。家庭内部环境安全体现了现代技术在智能家居中的应用。家庭内部环境安全的目标

39、是：环境检测、判断与远程交互、报警。检测的内容包括可燃气体浓度、有毒气体浓度、二氧化碳浓度、一氧化碳浓度、甲烷浓度、火警，高档家居还配有噪音、湿度、温度等检测内容。所有对象数据都通过特定传感器获取，检测的结果作为报警的依据，可以通过家庭对外通讯模块将报警信息发送至用户、小区物业或者相关部门，也可以通过电话直接报警。分机部分选型的方案是对于传感器一级的检测报警系统，这部分有主控元件at89c51、a/d转换电路adc0809、温湿度传感器sht11、气体传感器和烟雾传感器，实现对室内的防火和防煤气泄漏等情况的检测。 在本子系统中涉及多种传感器，烟雾传感器采集到的信号是模拟量，需要进行模数转换，本

40、设计采用具有8通道a/d转换芯片adc0809实现对模拟量的转换。 3.2.1 a/d转换芯片adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。下面说明各引脚功能：l in0in7：8路模拟量输入端l 2-12-8：8位数字量输出端l adda、addb、addc：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路l ale：地址锁存允许信号，输入，高电平有效l start：ad转换启动信号，输入，高电平有效l eoc： ad转换结束信号，输出，当ad转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）l oe：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当ad转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输

41、出三态门，输出数字量l clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khzl ref（+）、ref（-）：基准电压l vcc：电源，接5vl gnd：地本系统的adc0809的通道选择地址a，b，c分别由at89c51的p0.0p0.2经地址锁存器74ls373输出提供。当p2.7=0时，与写信号wr和读信号rd共同选通adc0809，在wr信号的前沿写入地址信号，在其后沿启动转换。图中adc0809的clk引脚经d触发器与at89c51的ale信号连在一起，为adc0809提供500khz的时钟信号。图中adc0809的转换结束状态信号eoc经非门接到at89c51的p11引脚，当a/d

42、转换完成后，eoc变为高电平，表示转换结束，利用查询的方式，将转换好的数据送到指定的存储单元。由图可以看出，adc0809的采集通道in0-in7的地址为8000h-8007h。图3.9 a/d转换电路3.2.2 温湿度传感器sht11sht11芯片是瑞士sensirion公司生产的具有i2c总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。该传感器采用独特的cmossens技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点15。传统的模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。s

43、ht11传感器将cmos芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的优势互补作用。sht11温湿度传感器的主要特性如下：将温湿度传感器、信号放大调理、a/d转换、i2c总线接口全部集成于一芯片(cmossens技术)；可给出全校准相对湿度及温度值输出；带有工业标准的i2c总线数字输出接口；具有露点值计算输出功能;具有卓越的长期稳定性；湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；小体积 (7.65x5.08x23.5inln)，可表面贴装；具有可靠的crc数据传输校验功能；片内装载的校准系数可保证100%互换性；其电源电压范围为2.4-5.5v；电流消耗，测

44、量时为 550ua，平均为 28ua，休眠时为 3ua。sht11温湿度传感器采用smd(lcc)表面贴片封装形式，管脚排列如图3-10所示：图3.10 sht11 引脚配置其引脚说明如下：l gnd：接地端l data：双向串行数据线l sck：串行时钟输入l vdd电源端：0.45.5v电源端l (58)nc：空管脚sht11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时

45、不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。cmossens技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、标准i2c总线等电路全部集成在一个芯片内。由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而a/d转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能，即具有100%的互换性。最后，传感器可直接通过i2c总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而

46、减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。在本设计中，由于at89c51不具备i2c总线接口，故使用单片机通用i/o口线来虚拟i2c总线，并利用p2.1来虚拟数据线data，利用p2.0口线来虚拟时钟线sck，并在data端接入一只4.7k的上拉电阻，同时，在vcc及gnd端接入一只0.1f的去耦电容。下面给出连接线路图如图3.11。图3.11 sht11与at89c51的连线图3.2.3 气体传感器本文选用气敏传感器作为气体检测元件，通常使用的气敏传感器根据检测方式可以分为好几种类型，其中半导体气敏传感器由于具有优良的灵敏度、响应特性和稳定性，且使用方便而得到广泛的应用。本文采用af30l

47、/ 38l型气敏传感器作为检测元件。af30l / 38l 是一种利用了气敏检测部分的表面氧化还原反应使传感元件电阻值发生变化的半导体气敏传感器。在清净的空气中, 由于半导体气敏传感器检测部分的表面吸附着氧气，因此在结晶粒子之间形成了一个较高的势垒，从而使它的电导率下降；然而在被测气体环境中，由于被测气体与附吸的氧气之间的氧化反应，导致传感器检测部分表面吸附的氧气减少，势垒降低，致使元件电阻值变小，而且电阻值随着被测气体的浓度增大而下降。图3.12给出了它的等效电路。图3.12 af30l/38l外形图af30l / 38l 探测器能敏感香烟的烟雾和刺激性气体。af30l 对苯、氢、乙醇、二氧

48、化硫、氨、醋酸等气体灵敏度依次减弱；af38l 探测器对乙醇、香烟烟雾、苯、醋酸、甲醛、氢等气体灵敏度依次减弱。半导体气敏传感器在待测气体中的电阻值与环境温、湿度有关。一般情况下，当环境温度较低时，传感器的电阻值较高；温度高时电阻值低。而湿度低时电阻值高；湿度高时电阻值低。由于这一原因，即使在相同浓度的待测气体中，传感器的阻值也有所不同，因此必须在电路中加以补偿。af30l / 38l与单片机的电路图见图3.13。图3.13 af30l/38l检测电路图3.2.4 烟雾传感器要准确地进行火灾警情的预报，选择合适烟雾传感器是准确报警的前提。本文选择光电传感器用作采集系统的敏感元件。光电传感器及放

49、大电路如图3.14所示。传感器电路主要由红外发射管d1和红外接收管d2构成，探测信号经过放大之后被单片机接收。图3.14 光电传感器及信号放大电路d1和d2被置于光电感应室中，二者之间有障碍，d1发射的红外线不能直接被d2接收，当有烟雾进入迷宫时，红外线经烟雾折射后被d2接收，继而转化成电信号，以此检测烟雾的存在。信号经放大后进入a/d转换器adc0809输入通道in1。3.3 主机与分机通讯部分ptr8000是迅通公司推出的无线收发模块，内核为挪威公司生产的射频芯片nrf905，它是ptr2000模块的升级产品，虽然目前ptr2000(其内核为nrf401)的技术相对成熟，性能较之稳定，但由

50、于ptr8000的通信速度快于ptr2000且功能更趋完善，因此本系统选用ptr8000进行数据的无线传输作为主机与分机之间的通讯模块。nrf905是一款工作在433/868/915mhz上的单片无线射频收发芯片，由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成。它采用高抗干扰gfsk调制，数据速率50kb/s，发射功率可调，最大为+10dbm，独特的载波检测输出(cd)、地址匹配输出(am)、数据就绪输出(dr)，自动产生前导码和crc(循环冗余码校验)，使用spi接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，工作电压范围为1.9v3.6v，其电流消耗很低，发射电流约为11ma(-10

51、dbm输出)，接收电流约为12.5ma，待机电流为2ua。无线收发模块ptr8000的管脚排列如下图3.15。图3.15 ptr8000引脚图ptr8000的引脚说明：l vcc：正电源1.93.6v输入l tx_en：tx_en=“1”发射模式；tx_en=“0”接收模式l trx_ce：使能发射/接收模式（区别于配置模式）l pwr：power down模式l uclk：时钟分频输出l cd：载波检测输出l am：地址匹配输出l dr：数据就绪输出l miso：spi输出l mosi：spi输入l sck：spi时钟l csn：低电平时，spi有效l gnd：电源地由于at89c51单片机

52、没有spi的功能，在使用ptr8000模块进行无线通讯时模拟spi协议，用中断的方式读取信号。ptr8000与单片机at89c51的连接图3.16所示。图3.16 ptr8000与at89c51的连线图3.4 电源模块的设计系统主控单元at89c51的工作电压为5v，无线通信模块ptr8000的工作电压为3.3v，所以需要进行必要的电压转换。图3.17 3.3v转换电路4 系统的软件设计“软件”是系统控制的灵魂，灵活性很强，可以根据系统的要求和功能而变化。在硬件结构一定的情况下，智能性都是由软件实现。在本系统中，软件结构采用模块化设计，各功能程序分别编写和调试。各模块调试成功后，再将所有模块连

53、接起来，构成系统的软件。这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于编程、调试、维护及协作。本家居控制系统的系统软件部分主要包括以下几个部分：(1)主机部分相关软件设计；（2）分机部分相关软件设计；(3)无线通讯的软件设计。4.1 软件开发环境的介绍本系统的设计、开发和调试主要采用单片机的c语言编程，使用keil uvision2,作为单片机软件的开发环境，实现对程序的编辑、编译、调试。c语言是一种通用的计算机程序设计语言，它提供高效的代码，结构化的编程，和丰富的操作符。其语言简洁，使用灵活方便，可移植性好，表达能力强，具有自接访问机器物理地址的能力。c不是一种大语言，不是为任何特殊应用领域而设计

54、。它一般来说限制较少，可以为各种软件任务提供方便和有效的编程。许多应用程序用c编写比其他语言编写更方便和有效。keil c51是美国keil software公司出品的51系列兼容单片机c语言软件开发系统，与汇编相比，c语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用c来开发，体会更加深刻。在keil c51软件中提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到keil c51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言

55、的优势。在本系统中单片机程序利用uvision2软件来开发的。4.2 主机系统部分的软件设计在对系统进行编制之前，必须对各个部分引脚、寄存器及各种实现方式进行说明。键盘输入模块利用int1外部中断实现；lcd液晶显示模块利用t0定时器中断对接收到的温湿度值进行实时显示；电话拨号报警模块采用t1定时器中断实现报警；其余的功能在主程序中实现。在系统中开辟一段连续地址作为标准寄存器用需要设置的寄存器有温度设定值寄存器、湿度设定值寄存器、温度采集值寄存器、湿度采集值寄存器、火灾标志寄存器和气体泄漏标志寄存器。系统整体流程图见附录c。4.2.1 键盘输入模块的软件设计4×4键盘部分设有专门的启

56、动按键，通过int1中断进入读键盘程序。键盘模块主要实现对温度值和湿度值的设置，以及火灾快速启动按钮。温湿度的设置值的流程图如图4.1。图4.1 温湿度设置流程图识别键盘上哪个键被按下的过程称为键盘扫描，此系统键盘的扫描过程是:首先将8255a的pb0-pb3输出值为低电平，从pb口读得的低四位值均为高电平时，表示无键按下。当有键按下时,进行行列扫描。首先从pb0输出低电平，使第一列为低电平，其余列为高电平，判断哪行有键压下；若无，使得键盘的第二列为低，重复上述操作，直到读到键盘值或扫描完毕。为了保证正确检测哪个键按下，当有键按下后延时一段时间后再判断一次，然后再读键号，就可以消除键盘机械抖动的影响。设k0k9为数字0，1，2，9，cf为功能键分别实现4种功能。在程序中先识别键码，然后根据键码值跳到执行相应的功能。其键盘扫描具体流程图如图