基于单片机的智能家居系统

题目基于单片机的智能家居系统..绪论随着我国经济的发展，人们家里的贵重物品越来越多，入室行窃、室内起火等事件时有发生，我们越来越注重家居生活的舒适和安全。建立一个高效、低成本的家居安全系统成为了一个越来越普遍的问题。目前市场上的智能家居产品并不便宜，而且功能固定，出现故障时还要花钱请专业人员维修。而本文所介绍的系统，以单片机为控制核心，采用红外模块和温度模块采集信息，通过无线模块将信息传给主机，主机进行信息的显示和判断，有异常情况则做出报警反应，实现防火防盗功能。另外还用继电器模块对家电无线控制进行了模拟。价格实惠，易于维装和拓展系统功能。2.系统结构及工作原理本系统采用了两块STC89C52单片机实现家庭的安防功能。系统主要包括了单片机控制模块、测温模块、红外模块、电源模块、继电器模块、无线模块、蜂鸣器和液晶显示模块。系统结构图如图2-1所示。电源电源单片机2STC单片机2STC89C52蜂鸣器无线模块2蜂鸣器无线模块2 液晶显示模块液晶显示模块无线模块1电源单片机1STC89C52无线模块1电源单片机1STC89C52红外模块继电器模块 红外模块继电器模块电灯测温模块电灯测温模块 图2-1系统结构图系统正常工作时，由单片机1收集测温模块和红外模块采集到的信息，并通过无线模块传送给单片机2进行信息显示。当测温模块检测到火灾信号时，蜂鸣器发出报警信号，当检测到有人闯入时，蜂鸣器发出报警声，同时LCD显示“MAN！”，以此告知主人，达到安防的目的。另外，主人还可以通过单片机2上的按键对继电器模块进行控制，实现电灯的亮灭。3.系统各模块的简述3.1单片机模块本系统采用了两块由宏晶公司生产的STC89C52单片机做为控制芯片，它功耗低、性能高，是用CMOS工艺制造的8位微控制器，有8K的可编程Flash存储器，并且可以直接使用串口下载。STC89C52具有以下标准功能：4个8位I/O口，512字节的RAM，8k字节的Flash，内置4KB的EEPROM，MAX810复位电路，定时器，4个外部中断，3个16位定时/计数器，一个7向量4级中断结构，全双工串行口。在空闲模式下，CPU会停止工作，但是允许定时器/计数器、RAM、中断和串口继续工作；在掉电保护模式下，振荡器冻结，单片机停止一切工作，RAM里的内容则被保存起来，直到下个硬件或中断复位为止。最高运作频率为35MHz，6T/12T可选。STC89C52和工业中用的80C51产品的引脚和指令系统完全兼容。单片机STC89C52的引脚图如图3-1：图3-1STC89C52引脚图3.2无线模块无线模块由挪威(Nordic)公司生产的nRF24L01芯片及其外围电路组成。nRF24L01芯片工作于2.4～2.5GHz世界通用的ISM频段，它可以通过SPI写入数据。nRF24L01主要特性如下：GFSK调制；硬件集成OSI链路层；具有自动应答和自动再发射功能；片内自动生成报头和CRC校验码；数据传输率可为lMb/s或2Mb/s；SPI速率为0Mb/s～10Mb/s；125个频道；供电电压为1.9V～3.6V。NRF2401芯片包括地址解码器、解调处理器、先入先出堆栈区、时钟处理器、低噪声放大器、GFSK滤波器、频率合成器，功率放大器等模块，只需很少的外围元件，用起来十分的方便。芯片封装图如图3-2所示：图3-2NRF24L01封装图从本系统的对无线模块的使用来看，只需要关注八个引脚。分别是GND(接地端)、VCC（电源端3.3V）、CE(模式控制)、CSN(片选，低电平有效)、SCK（时钟）、MOSI（数据进控制）、MISO（数据出控制）、IRQ（中断信号）。nRF2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。其中收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定，本系统采用前者。下面简单介绍该模式：ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF2401的ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。在ShockBurstTM收发模式下，nRF2401自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。3.3红外模块本系统的红外模块采用的是HC-SR501，它是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778探头设计，超低的电压工作模式，灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类自动电器设备。其电气参数如表3-1，实物图如图3-3：表3-1HC-SR501电气参数工作电压范围直流电压4.5-20V静态电流<50uA电平输出高3.3V/低0V触发方式L不可重复触发/H重复触发(默认）延时时间5-200S(可调)可制作范围零点几秒-几十分钟感应角度<100度锥角工作温度-15-+70度电路板外形尺寸32mm*24mm图3-3HC-SR501下面简单介绍下它的功能特点:1、全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。2、光敏控制（可选择，出厂时未设）可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。3、温度补偿(可选择，出厂时未设)：在夏天当环境温度升高至30～32℃4、两种触发方式：（可跳线选择）a、不可重复触发方式:即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；b、可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。5、具有感应封锁时间(默认设置:2.5S封锁时间)：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒—几十秒钟)。工作电压范围宽：默认工作电压DC4.5V-20V。7、微功耗:静态电流<50微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。3.4液晶显示模块本设计采用了LCD1602液晶显示器，它是人机交流的重要模块。用来显示温度以及是否有人入侵，当红外模块检测到人时，显示器显示“MAN！”，协同红外模块一起工作。下面简单地介绍下LCD1602液晶显示器的原理和性能：1602的意思是指液晶显示的内容为16X2,即显示两行，每行16个字符或数字。它由许多个5X7或5X11点阵字符位组成，每一个点阵字符位都可以用来显示一个字符，每行之间有一些个点距的间隔，每位之间也有一个点距的间隔，从而使字符和行存在间距。1602LCD引脚图如图3-4所示：图3-4LCD1602主要技术参数：工作电压:4.5-5.5V工作电流:2.0mA最佳工作电压:5.0V字符尺寸大小:2.95×4.35mm各引脚功能：第1脚：VSS(电源地)第2脚：VCC(5V电源正极)第3脚：V0(对比度调整端口，可以通过外接的一个10K的电位器进行亮度调整）第4脚：RS（寄存器选择脚，RS=0时为指令寄存器、RS=1时为数据寄存器。）第5脚：R/W（读写的信号线，RW=0进行写操作，RS=1进行读操作。）第6脚：E(使能端）第7～14脚：D0～D7（8位双向数据端）第15～16脚：15脚为背光正极，16脚为背光负极。LCD1602有4种工作状态，可通过单片机设置RS、RW和E的值，使它工作在不同状态，见表3-2。表3-2LCD1602液晶显示器的4种工作状态输入输出RSRWED0～D7读状态011状态字写指令00高脉冲无读数据111数据写数据101无3.5继电器模块该模块通过继电器对电灯进行控制，电灯用5号干电池进行供电。当单片机给继电器一个高电平时，继电器内部线圈产生磁力，吸引贴片，使常开端闭合，电路导通点亮电灯。以此模拟对家用电器的无线远程控制。继电器内部电路图如图3-5所示：图3-5继电器内部电路图3.6测温模块测温模块用的传感器是DS18B20，它是一种数字温度传感器，具有性能高、功耗低、可组网、体积小等优点，主要特点及指标为：①、单总线数据传输通信；②、多个DS18B20可并联在同一个三线上，从而能实现多点组网功能；③、测温范围为–55°C至+125°C(–67°F至+257°F)；用户设定的报警温度存储在EEPROM中（本系统为28°DS18B20温度传感器的封装形式如图3-6：图3-6DS18B20温度传感器的引脚图3.7电源模块和蜂鸣器本设计直接利用USB接口对系统进行供电，而各个模块通过开发板上的拓展电源接口进行供电，继电器模块的电灯通过两节5号电池进行供电。系统的蜂鸣器是无源的，当单片机2给它一定频率的高低电平时即可发出报警声。4．系统硬件电路设计4.1单片机控制模块电路STC89C52单片机的基本电路主要包括电源、晶振电路和复位电路。晶振电路为了是初始值为整数，产生精确的波特率，晶振频率选为11.0592MHz。单片机的晶振电路（图8）和复位电路电路（图9）如下图所示：图8复位电路图9晶振电路4.2NRF24L01无线模块接口电路开发板扩展电源接口电压5V左右，而NRF24L01无线模块工作电压范围是1.9V到3.6V，所以在电源接口和无线模块之间用电压转换模块（5V转3.3V）进行转换。无线模块的CE、CSN、SCK、MOSI、MISO、IRQ分别依次与单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5口相连。连接图如图10所示：图10无线模块接口电路4.3HC-SR501红外模块接口电路HC-SR501模块只有三个引脚，其中2号引脚接单片机1的P2.0端。接口电路如图11：图11红外模块接口电路4.4DS18B20测温模块接口电路温度传感器DS18B20芯片的数据引脚接到单片机的P3.7端，向单片机传送温度信号。3引脚接地，1引脚接VCC，这样即可实现对温度的检测。DS18B20接口电路如图12所示：图12DS18B20接口电路4.5LCD1602液晶显示模块接口电路液晶模块电路如图12所示。可调电阻Rv1调节液晶偏压，RS、RW和E口分别接到STC89C52单片机2的P0.7、P0.6、P0.5引脚，通过单片机按相应时序编程控制液晶显示。D0～D7为液晶数据位，对应地接到单片机的P2.0～P2.7引脚。图12LCD1602液晶模块接口电路4.6继电器接口电路继电器由单片机1的P2.1口控制。接口电路如图13所示： 图13继电器接口电路4.7蜂鸣器接口电路蜂鸣器由单片机2的P0.4口驱动，当给它1KHZ的脉冲信号时将发出报警声。接口电路如图14：图14蜂鸣器接口电路5.系统流程设计5.1系统主流程系统主流程图如图14所示：图14系统主流程图5.2NRF24L01无线模块流程无线模块的流程图如图15所示：图15NRF24L01无线模块流程图5.3DS18B20测温模块流程图测温模块流程如图16所示：图16测温模块流程图5.4LCD1602液晶显示流程液晶显示模块流程图如图17所示：图17LCD液晶显示流程图6．总结本系统的设计是基于STC89C52单片机实现安防监控，用继电器模块对家电的无线控制进行了模拟。由于时间和本人水平有限，系统还存在不少欠缺的地方。论文给出了大部分模块的硬件电路和软件流程图，实现了信息采集，温度显示。当温度过高或者检测到有人时，系统将报警通知主人。方便用户对家里安全情况的掌握，减小财产损失。因为本设计的系统不需要另外布线，使系统的具有可移动性，同时，系统单片机还有不少的IO口未用，这些未使用的IO口可以用来扩展系统功能，比如增加有毒气体检测模块，照片拍摄模块等。致谢通过这次的毕业设计，使我回顾了C语言和单片机的相关基础知识。更清晰地理解了单片机的一些