智能家居报警系统设计

PAGE本科毕业设计智能家居报警系统设计摘要随着科技的发展与社会的进步，智能家居已经开始进入人们的日常生活，大家越来越注重智能家居系统的设计。智能家居系统以住宅为平台，集系统、结构、服务、管理、控制于一体。利用先进的网络通讯技术、自动化技术、计算机技术和无线电技术，将与居家生活有关的各种设备有机地结合起来。通过网络化的综合管理家中设备，来创造一个优质、高效、舒适、安全、便利、节能、健康、环保的居住生活环境空间。本系统为智能家居报警系统，由微型控制器，人体热释感应模块，显示模块，报警模块，密码锁键盘输入模块，密码存储模块，GSM（GlobalSystemofMobilecommunication）通信模块，串口程序下载模块和模拟门组成。微型控制器采用STC（StandardTestCondition）89C52单片机，其具有低功耗，低成本，操作简单的特点。人体热释感应模块采用BISS0001，是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，是一种开关量传感器。液晶显示模块采用LCD1602（LiquidCrystalDisplay）。报警模块采用蜂鸣器鸣叫和红色LED（LightEmittingDiode）发亮来报警。密码锁键盘输入模块采用4×4薄膜键盘。密码存储模块采用AT24C02芯片，可以储存六位数的密码。GSM模块用的是TC35，是一款双频900/1800MHz高度集成的GSM模块。模拟门是由绿色LED的亮与灭来模拟家里的门的开与关。本系统经过制作和测试，很好地完成了原本理论设计中所有的功能：第一，检测室内是否有人非法进入；第二，电子密码锁和密码的修改存储；第三，液晶显示；第四，GSM远程报警。本系统具有成本低，操作简单，环保高效，可靠性高等特点，而且具有良好可扩展性和实用价值。符合家居智能化系统创造一个安全舒适环保的生活环境设计理念，能提高现代生活的科技档次和品质。关键词：89C52人体热释感应密码锁液晶显示GSM报警IntelligentBuildingAlarmSystemLinWeiqian（CollegeofScience,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China）Abstract:Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandtheprogressofthesociety,intelligentbuildinghasstartedintopeople'sdailylife.Peoplepaymoreandmoreattentiontothedesignofthesystem.Intelligentbuildingisbasedonthehousing.Itisconsistofsystem,structure,service,managementandcontrol.Itcreatesacomfortable,safeandconvenientspaceofhighqualityandhighefficiencythroughthenetworkofcomprehensivemanagementbyusingtheadvancednetworkcommunicationtechnology,automationtechnology,computertechnologyandtheradiotechnology.Thissystemisconstructedbymicrocontroller,humanpyroelectricsensor,displaymodule,alarmmodule,combinationlockmodule,passwordstoragemodule,GSMcommunicationmodule,andthesimulationofthedoor.MicrocontrollerusesSTC89C52thatwithlowpowerconsumption,lowcostandsimpleoperationcharacteristic.ThehumanpyroelectricsensorusesBISS0001thathasahigh-performanceintegratedcircuits.LCDdisplayusesLCD1602.Alarmmoduleworksbythebuzzer’sscreamingandtheredled’sshine.Combinationlockmoduleuses4×4filmkeyboard.ThepasswordstoragemoduleusesAT24C02chipthatcanstorethepasswordofsixfigures.GSMmoduleusesTC35thatisa900/1800MHzdouble-frequencyhighlyintegratedGSMmodule.Simulationdoorsimulatestheopeningofthedoorbylightingthegreenled.Thissystemperformswellinallthefunctionsoftheoriginaldesignthroughproductionandtesting.Fisrtly,itcantestwhetheranyonegetintothebuildingillegally.Secondly,ithasthecombinationlockandthechangeandstorageofthepassword.Thirdly,ithasLCDdisplay.Lastly,itusesGSMforremotealarm.Thesystemprovideslowcostandhighreliabilitytothebuilding.Itisconvenient,efficientandenvironmentallyfriendly.Andthen,ithasgoodscalabilityandpracticalvalue.Thissysteminlinewiththedesignconceptofcreatingasafeandcomfortablelivingenvironment.Itcanimprovethegradeofmodernlifeandthequalityoflife.Keywords:89C52HumanpyroelectricsensorLockLCDdisplayGSMAlarmPAGEIII目录1前言 11.1研究背景与意义 11.2国内发展现状 11.3国外发展现状 21.4未来发展趋势 32总体方案确定 42.1方案的对比与选择 42.1.1方案一 42.1.2方案二 52.2方案的对比 62.3方案的确定 73硬件系统的分析及设计 73.1硬件系统的总体设计 73.2各个硬件模块的设计 93.2.1单片机最小系统 93.2.2人体热释感应模块 113.2.3液晶显示模块 133.2.4报警模块 143.2.5密码锁与密码存储模块 153.2.6GSM模块 194软件系统的分析及设计 204.1软件系统的总体设计 204.2各模块的软件设计 214.2.1液晶显示模块的软件设计 214.2.2密码锁与密码存储模块的软件设计 224.2.3人体热释感应模块 244.2.4报警模块 255电路调试与分析 255.1常用软件介绍 255.1.1KeilC51介绍 255.1.2STC-ISP烧录软件 265.1.3串口调试助手 275.2系统硬件调试 275.3各电路模块的软硬件综合调试与分析 285.3.1单片机最小系统的调试与分析 285.3.2密码锁与液晶显示模块的调试与分析 295.3.3人体热释感应模块的调制与分析 305.3.4GSM模块的调试与分析 306结论 316.1本系统实现总结 316.2本系统不足之处 326.3未来展望 32参考文献 33附录 34附录A本次系统设计实物图 34附录B本次系统设计的所有程序 35致谢 64毕业设计成绩评定表PAGE831前言1.1研究背景与意义随着科学技术和国民经济的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术的迅猛发展，促使家庭朝着生活现代化、居住环境舒适化安全化的方向发展。这些高科技已经影响并改变了人们的生活习惯和生活质量，家居智能化在这种形势下应运而生。计算机、嵌入式技术对普通家庭已经产生了一次重要的变革。新的应用背景下，在互联网技术的基础上延伸和发展的物联网技术，必然对家庭这一社会的基本单位产生又一次的变革，家庭不再是信息孤岛，而将成为网络中的节点，信息的获取、传输、共享将变得更为便捷有序。上世纪80年代，美国学者托夫勒在《第三次浪潮》中预言：信息社会中，人们的生活中心将从以工业社会为核心回归到以家庭为核心，家庭将重新成为社会的中心，在信息社会中具有重要的地位。以物联网为标志的新的产业革命将人类带入“微观世界”，信息获取的便利使人类感受不到距离的存在。一次新的科技浪潮即将到来。现在宏观信息高速公路的构架已经完成，只剩下“最后的一公里”，这也是信息产生和处理的密集中心，智能家居即是这一中心的具体实现。（王志良等，2020）智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。系统的网络化功能可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。将原来的被动静止的结构，转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。智能家居控制因系统布线简单、功能灵活，扩展容易，而被人们广泛接受和应用。因此，在物联网的全新环境以及对家居系统更高的要求下，研究智能家居具有重要的理论意义和应用前景。1.2国内发展现状我国的智能家居相对于国外起步较晚，一些企业推出了自己的产品，但更多的是从实用的角度出发，其中典型产品列举如下。海尔的“物联之家”U-Home使用短距离无线射频技术、多媒体处理技术、家电管理技术，将传统的家电PC（PersonalComputer）手机等家用产品升级为网络家电产品，从而形成家庭网络。海尔U-Home数字家庭系统以家庭网关为控制中心，可以通过电话网、Internet、移动手机网等方式对家庭内部的电器设备进行访问及控制。目前，海尔已推出了网络洗衣机、网络冰箱、网络空调、网络热水器、网络微波炉等一系列信息家电产品。中讯威易智能家居系统是以信息化为平台，将照明、电动窗帘、安防、监控、背景音乐、可视对讲等系统进行统一管理，室内通过遥控器任意控制，室外可通过手机或电脑进行远程控制。智能灯光及电器控制部分采用电力线载波控制协议。综合控制系统由智能家居网关、智能化遥控器、智能家居综合管理软件、手机客户端软件等组成，实现对房间设备的综合管理。除了上述智能家居系统外，国内还有很多致力于开发智能家居系统的企业和研究机构，其立足于自身的优势和特点，所研究的系统在结构和功能上大体相似，但实现方法略有不同。例如，海信的数字化家庭信息系统、清华同方的e-Home数字家园、科龙集团的现代家居信息服务集散控制系统等。国内的许多科研院所也开展了很多工作，如合肥工业大学对家庭网络内部设备的互联互通和相关的关键技术进行了详细的研究，北京科技大学提出了基于物联网的智能家居组网通信和控制方案，给出了WebService的智能家居整体框架，为智能家居系统提供了很好的范本。1.3国外发展现状目前，国外智能家居标准和产品较多，下面列举几种典型代表。美国的X-10系统是全球第一个利用电力线作为信息传输媒介的灯饰及电子电器的控制产品。X-10系统采取集中控制方式实现各种功能，目前已制订出一整套完善的控制标准，在家庭自动化，如安全监控、电器控制等方面得到了广泛应用。X-10的控制规格已成为当今美国家庭自动化控制规格的主要领导者。国内已有代理商推出了适用中国住宅的、改进的X-10系统。欧洲设备安装总线协议EIB（EuropeanInstallationBus）是电气布线领域使用范围最广的行业规范和产品标准。EIB的控制方式为对等控制方式，方便扩容与改装，其元器件均为模块化元件。EIB在国内应用不多，主要原因是其工程要求较为复杂、严格，且价格较高。在中国市场上ABB（AseaBrownBoveriLtd）公司和西门子公司推出了各自的EIB楼宇智能控制系统。目前，国内厂家也在探询通过互联网和信息处理技术对EIB的功能进行扩展，以实现短信和电话监控、互联网远程监控等功能。美国德克萨斯大学的MavHome的设计目标是要创造一个以智能Agent角色运行的家庭环境。智能Agent寻求用户舒适的最大化和运行成本的最小化。为了达到这一目标，智能Agent必须能够预测用户的移动模式和设备的使用情况。MavHome所使用的预用户下一步行为的预测算法都是在对历史行为数据进行统计分析和学习的基础上做出进一步的预测。MavHome的智能架分为四个层次，自上而下依次为决策层、信息层、通讯层和物理层。除了上述典型的智能家居系统外，一些实验室也开展了很多相关工作。例如美国佛罗里达大学的移动和普适计算实验室的GeorgiaTechAwareHome、美国麻省理工学院的MITIntelligentRoom、韩国公州大学设计的SmartHomeEnergyManagementSystem等。1.4未来发展趋势智能家居网络的理想目标是：不仅可以完成家庭内部各种设备资源的共享协同工作，还能通过三网融合(即广播电视网，电信网与互联网的融合)，实现家庭内部设备与外部网络的信息交互，通过丰富多彩的应用和服务使用户享受到便利、安全、舒适的生活体验。智能家居网络由两部分组成，即家庭自动化网络系统和家庭信息化网络系统，从而实现家居系统的四化：家庭自动化、家电信息化、信息网络化、家政设施虚拟化。国内外一些公司和企业已经针对这些问题推出了一系列的解决方案，但由于市场利益以及技术标准等问题的存在，这些方案仍停留在控制与互联层次，与真正的智能仍有很大的差距具有一定的局限性，且忽略了智能家居系统在社会信息高速公路中节点终端的位置，未解决此环境下真正的信息共享。另外，家用电器生产商开发的智能家居仍是以自我为中心，设备对外不具备开放性的接口，协议也是封闭的。这种智能家居网络不但没有真正实现设备之间的互通互联反而设置了更多的障碍。现有的智能家居产品多数是以环境监测为主，辅以一些简单的设备控制，例如灯光、窗帘等设备，设备类型单一，整体结构较为简单，信息的处理多体现在监控上，没有高层次的数据分析与挖掘，信息的传输和融合方式显得单一，信息交互和表达方式缺少柔性，距离智能还有很大的差距。另外，虽然世界上的诸多标准化组织以及公司已经推出了很多标准化协议，但事实上，还没有哪一种协议和标准在实际的推广中可以单独承担建立整个数字家庭网络的能力，未来我们看到的将是它们的有机结合。针对以上分析到的目前智能家居控制领域存在的不足，结合计算机技术和通信技术的发展方向，智能家居网络不可避免地将成为一个结构复杂的异构网络，这个网络面向不同类型的设备，融合有线方式与无线方式网络功能的行为实现需要兼容的家庭设备，这些设备可以自由地生成和注销以提供网络结构和服务的便利性。未来，智能家居系统存在以下发展趋势：（1）标准化的网络接口：包括硬件接口和软件协议，是识别设备和数据通信的前提。（2）跨平台的操作系统：智能家居系统的应用程序可自由运行在PC机或嵌入式设备上，操作系统平台可以是Windows、Linux等。（3）可靠的移动互联：有线的连接方式最终转换为无线，使得用户无需考虑布线的问题，只要在无线的覆盖范围内即可实现信息获取和输送。通过广播电视网、电信网与互联网实现更广泛的互联。（4）廉价的设备组建：在设备具有统一的标准接口后，传感器和执行器在市场的推动下会朝着低成本的方向发展，设备更多的是以模块的形式存在。（5）安全的自组织：家庭设备以安全的方式实现自组织而不依赖于用户的配置，减轻用户的参与，设备之间传输的数据更多的是动作协调和任务分配的数据，用户直接操作产生的数据只占一小部分。在物联网时代，智能家居将家庭与社会联系得更为紧密，智能家居作为物联网众多终端形式的一种，负责完成家庭环境下的信息采集，实现智能控制。依赖于物联网技术，家庭网络的信息承载量将达到最大化，因此其性能也将超过以往的家庭集成控制系统。控制模式从以往单一设备的简单控制转变为多设备的智能互联、协同互动。网络结构也有别于以往的系统。由于家庭环境设备功能各异，数据类型不同，必然需要使用不同的网络平台得以实现，物联网的技术集成融合，在此也得以体现。相信在不久的将来，在物联网产业的不断推动下，智能家居将真正走进寻常百姓的家中，人们也将真正享受到智能家居的舒适生活。2总体方案确定2.1方案的对比与选择2.1.1方案一 智能家居报警系统由微型控制器，人体热释感应模块，显示模块，报警模块，密码锁键盘输入模块，密码存储模块，GSM通信模块，程序下载模块和模拟门组成。微型控制器采用AT89C52单片机，具有低功耗，低成本，操作简单等特点。人体热释感应模块是采用开关量传感器。报警模块采用蜂鸣器鸣叫和红色LED发亮报警。密码锁键盘输入模块采用4×4薄膜键盘。模拟门是由绿色发光二极管的亮与灭来模拟家里的门的开与关。功能：①利用人体热释感应模块检测是否有进入室内，有人则启动报警。②采用4×4薄膜键盘作为智能密码锁，输入密码错误则启动报警。③采用发光二极管模拟门的状态。④采用蜂鸣器和二极管报警。⑤通过GSM网络和家庭主人通信。⑥通过串口下载程序。单片机单片机人体热释感应模块密码锁键盘输入模块与密码存储模块显示模块报警模块模拟门GSM通信模块与程序下载模块图1方案一系统框图2.1.2方案二 智能家居报警系统主要分为四大部分：上位机数据处理显示，下位机数据采集与处理，节点与主机无线通信，GSM网络通信。上位机由主控模块，无线通信接收模块，人机交互液晶显示模块，电器控制接口模块，语音芯片报警模块，实时时钟模块和GSM通信模块组成。下位机由主控模块和各种传感器组成。下位机通过各种传感器可以采集室内的温度，湿度等信息发送给上位机；上位机通过接收下位机的信息进行处理，对电器控制和判断是否启动语音报警等操作。并且可通过GSM模块通知家庭主人有关房子的信息。功能：①采用无线模块实现室内通信，检测点可随意移动。②下位机可以检测室内的温度，湿度等环境状态信息。③下位机可以检测室内是否有人非法进入和智能密码锁开关门。④上位机采用PS2键盘输入模块和人机交互液晶显示模块，具有人性化的操作。⑤上位机可以实现语音报警和信息记录等功能。⑥通过GSM网络，家庭主人可以远程检测了解房子的信息。PS2键盘输入模块实时时钟模块上位机主控模块PS2键盘输入模块实时时钟模块上位机主控模块语音报警模块GSM通信模块人机交互液晶显示模块下位机主控模块无线通信模块无线通信模块温度检测湿度检测电量检测人体热释检测密码锁图2方案二系统框图2.2方案的对比方案一功能虽然较为简单，可却能切中要害，操作方便，可用性强，而且尽量减少硬件资源，环保高效，可靠性强。而且，还能根据不同的家庭拓展出不同的功能。方案二虽然功能强大，可却略显浮夸。许多如湿度检测，时钟，语音报警等功能看似提升了系统的整体功能，可价值却不大，浪费资源，有了GSM模块的通信，又采用了无线通信，也是一种浪费。2.3方案的确定智能家居系统讲究的是方便，实用，简单，高效，可靠性强。通过两种方案的详细介绍与了解，再根据现代智能家居系统的要求和两种方案的明显对比，最终确立方案一为此次智能家居报警系统的设计方案。3硬件系统的分析及设计3.1硬件系统的总体设计智能家居报警系统由以下几部分组成：①微型控制器，采用AT89C52单片机，具有低功耗，低成本，操作简单等特点。②人体热释感应模块，采用热释电红外传感器BISS0001，是开关量传感器。③液晶显示模块，采用液晶LCD1602显示。④报警模块，采用蜂鸣器鸣叫和红色发光二极管发亮报警。⑤密码锁键盘输入模块，采用4×4薄膜键盘。⑥密码存储模块，用AT24C02来实现。⑦模拟门，是由绿色发光二极管的亮与灭来模拟家里的门的开与关。⑧GSM通信模块和程序下载模块，用串口和芯片MAX232来实现。GSM电话提醒GSM电话提醒绿灯模拟门PC机（通过串口下载程序）串口单片机最小系统（电源，晶振与复位电路）密码输入与修改模块人体红外检测模块BISS0001液晶显示模块LCD1602报警模块（蜂鸣器与红灯）图3系统总体框图图4总硬件设计 整个系统的实物图详见附录A。3.2各个硬件模块的设计3.2.1单片机最小系统单片机最小系统主要由芯片89C52，晶振电路和复位电路组成。图5STC89C52（1）89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM（RandomAccessMemory）、8K片内程序存储器ROM（Read-OnlyMemory）、32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP（PlasticDualIn-LinePackage），40pin和PLCC（PlasticLeadedChipCarrier），44pin两种封装形式。主要功能特性如下：表189C52功能特性标准MCS-51内核和指令系统片内8kROM（可扩充64kB外部存储器）32个双向I/O口256×8bit内部RAM（可扩充64kB外部存储器）3个16位可编程定时/计数器时钟频率3.5-12/24/33MHz向上或向下定时计数器改进型快速编程脉冲算法6个中断源5.0V工作电压全双工串行通信口布尔处理器帧错误侦测4层优先级中断结构自动地址识别兼容TTL和CMOS逻辑电平空闲和掉电节省模式PDIP(40)和PLCC(44)封装形式（2）晶振电路单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C15和C16构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为11.0592MHz，电容选择陶瓷电容，电容值为33PF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容安装得与单片机芯片靠近，可以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。图6晶振电路 （3）复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，如图7所示。C1取10μF，R1为1KΩ，R2为10KΩ。复位电路工作原理如右图所示，VCC上电时，C1充电，在10KΩ电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C1充满，10K电阻上电流降为0A，电压也为0V，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下S1，C1放电。S1松手，C1又充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。图7复位电路3.2.2人体热释感应模块图8人体热释感应模块（1）基本特性：①工作电压：DC5V至20V。

②静态功耗：65微安。

③电平输出：高3.3V，低0V。

④延时时间：可调(0.3秒~10分钟)。

⑤封锁时间：0.2秒。

⑥触发方式：L不可重复，H可重复，默认值为H。

⑦感应范围：小于120度锥角，7米以内。

⑧工作温度：-15℃~+70℃。图9人体热释感应模块电路（2）功能特点及电路原理：

①全自动感应：当有人进入其感应范围则输入高电平，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）：模块预留有位置，可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。③两种触发方式：L不可重复，H可重复。可跳线选择，默认为H。第一种，不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平。第二种，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内活动，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)。④具有感应封锁时间（默认设置：0.2秒）：感应模块在每一次感应输出后(高电平变为低电平)，可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。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。⑤工作电压范围宽：默认工作电压DC5V至20V。

⑥微功耗：静态电流65微安，特别适合干电池供电的电器产品。

⑦输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。3.2.3液晶显示模块图10LCD1602 （1）LCD1602的基本特性： ①+5V电压，对比度可调。 ②内含复位电路。 ③提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。 ④有80字节显示数据存储器DDRAM。 ⑤内建有192个5×7点阵的字型的字符发生器CGROM。⑥8个可由用户自定义的5×7的字符发生器CGRAM。图11液晶模块电路（2）功能特点及原理： 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它有若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能显示图形。 它微功耗、超薄轻巧、显示内容丰富，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。 1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。3.2.4报警模块图12蜂鸣器与红色二极管蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。结构原理如下：①压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V直流工作电压），多谐振荡器起振,输出1.5~2.5KHz的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。②电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。图13报警模块电路 工作原理：当人体热释感应模块检测到有人进来或者输入密码错误的时候，单片机会发出一个低电平信号到P2.5口，这时蜂鸣器响，红色二极管亮。3.2.5密码锁与密码存储模块图14密码锁（1）密码锁的特点：①保密性好，编码量多，远远大于弹子锁。随机开锁成功率几乎为零。②密码可变，用户可以随时更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员的更替而使锁的密级下降。误码输入保护，当输入密码多次错误时，报警系统自动启动。无活动零件，不会磨损，寿命长。使用灵活性好，不像机械锁必须佩带钥匙才能开锁。电子密码锁操作简单易行，一学即会。图15矩阵键盘电路（2）矩阵键盘：当非编码键盘的按键较多时，若采用独立式键盘占用I/O口线太多，此时可采用矩阵式键盘，键盘上的键按行列构成矩阵，在行列的交点上都对应有一个键。行列方式是用m条I/O线组成行输入口，用n条I/O线组成列输出口，在行列线的每一个交点处，设置一个按键，组成一个m×n的矩阵，矩阵键盘所需的连线数为行数＋列数，如4×4的16键矩阵键盘需要8条线与单片机相连，—般键盘的按键越多，这种键盘占I/O口线少的优点就越明显，因此，在单片机应用系统较为常见。矩阵式键盘识别按键的方法有两种：一是行扫描法,二是线反转法。 （3）密码存储模块 ①存储芯片AT24C02它是美国Atmel公司的低功耗CMOS型E2PROM，内含256×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。而且它是采用了I²C总线式进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和I/O线，并且支持在线编程，进行数据实时的存取十分方便。AT24C02中带有的片内地址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。I²C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。AT24C02正是运用了I²C规程，使用主/从机双向通信，主机(通常为单片机)和从机（AT24C02）均可工作于接收器和发送器状态。主机产生串行时钟信号（通过SCL引脚）并发出控制字，控制总线的传送方向，并产生开始和停止的条件。无论是主机还是从机，接收到一个字节后必须发出一个确认信号ACK。AT24C02的控制字由8位二进制数构成，在开始信号发出以后，主机便会发出控制字，以选择从机并控制总线传送的方向。图16AT24C02的两种引脚图 ②工作原理： 如图17中AT24C02的1、2、3脚是地址线，用于确定芯片的硬件地址。在AT89C52试验开发板上它们都接地，第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向I²C总线串行传送。第6脚SCL为串行时钟输入线。SDA和SCL都需要和正电源间各接一个1KΩ的电阻上拉。第7脚需要接地。AT24C02中带有片内地址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。图17密码存储电路 （4）模拟门图18模拟门电路 模拟门工作方式如下： ①当密码输入是正确的时候，模拟门处于工作状态，即绿灯亮。 ②当密码输入三次错误时，报警模块会工作，通过蜂鸣器和红灯报警。3.2.6GSM模块图19GSM模块单片机与GSM模块的硬件连接TC35的数据接口采用串行异步收发，数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300~115kbps的波特率下运行。由于数据通信电路中TC35数据接口工作在CMOS电平，而STC89C52芯片工作在TTL电平，所以在STC89C52芯片和TC35之间加入TI公司的电平转换芯片MAX232。实现串口通讯的功能。（1）TC35Siemens公司的TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。单片机与TC35一般采用串行异步通信接口，具有红外和通信电缆两种连接方式。其中电平转换及串口通信功能以MAX232芯片为核心，通信速度可设定，通常为19200bps。采用红外接口的优点是单片机系统与手机电气隔离，相互不干扰，接口各自独立，使用方便；缺点是通信距离较短，红外传播的方向性对接口相对位置有要求。采用电缆连接时，数据传输的可靠性较好；其主要缺点是接口的电气参数不兼容，设计不当时就会对手机的通信质量产生影响。这个单片机系统其实就是一个具有GPRS（GeneralPacketRadioService）功能的GSM手机模块加上单片机控制系统，GSM手机模块主要是用来建立无线信道，接收和发出短消息。单片机系统用来控制手机模块，并且对收到的短消息信息进行解释并执行，目前全国共有8种短消息格式包含从互联网平台发出的短消息。本系统采用通信电缆的连接方式。（2）MAX232MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电。 主要特点：①符合所有的RS-232C技术标准。②只需要单一﹢5V电源供电。③片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压。④功耗低，典型供电电流5mA。⑤内部集成2个RS-232C驱动器。⑥高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。 （3）串口除了可以进行GSM通信之外，还可以从PC机上烧录程序到单片机上，避免了一直要取出单片机去开发板上下载程序的麻烦，使设计能够更快地完成。4软件系统的分析及设计4.1软件系统的总体设计 软件系统的总体设计如图20所示。开始先对各个模块进行初始化。液晶显示模块开始工作。键盘扫描和人体红外检测模块开始工作。密码输入和密码修改模块开始工作。。GSM模块开始工作。初始化初始化液晶显示键盘扫描密码输入3次以内正确？YN模拟门开蜂鸣器响，红灯亮GSM报警人体红外检测是否有人？N修改密码输入新密码，修改成功开始图20软件系统的总体设计 工作流程：接上电源打开开关，电源灯亮。各模块进行初始化，液晶显示WELCOME！CODESLOCK！然后进入输密码或改密码界面，在3次之内输入正确密码后，模拟门打开，若错误，则启动报警，且不能再输入密码。接着如果打开人体热释感应模块的开关，当有人在附近时，也将启动报警装置。 所有的程序详见附录B。4.2各模块的软件设计4.2.1液晶显示模块的软件设计 液晶显示模块各个过程显示的内容如图21所示。显示WELCOME！CODESLOCK！显示WELCOME！CODESLOCK！显示KeyA:InputCodesKeyB:ChangeCode显示InputCodes:AB显示PleaseInputOld模拟门开输入正确输入错误显示Codeserror!!输入错误密码错误>2次？Y显示Codeserror!!启动报警N显示CodesIsTrue!密码正确？NY初始化开始图21液晶显示流程图4.2.2密码锁与密码存储模块的软件设计（1）键功能程序 键功能程序流程如图22所示。 各个按键功能如下：A：输入密码。B：修改密码。D：初始化密码。 0至9：各数字的输入。键值＝‘B’？键值＝‘B’？键值＝‘0－9’？密码输入程序初始化密码程序密码修改程序密码确认程序YYYN键值＝‘A’？键值＝‘D’？YNNN键功能程序返回图22键功能程序流程图（2）开锁程序开始初始化开始初始化按开锁键A输入密码输入密码正确？Y输入次数加1次数>2?报警程序NYN返回开锁成功图23开锁程序流程图 工作流程：密码输入之后，正确的话模拟门开。错误3次就报警。（3）密码修改程序初始化初始化按下设置键B输旧密码确认程序所输入旧密码正确？输新密码输入次数加1次数>2?报警程序NYNY确认程序开始返回设置成功图24密码修改程序流程图 进入密码修改画面之后，需要先输入旧密码，3次错误之后也会报警。正确的话就可以输入新密码，并存储在芯片AT24C02中。4.2.3人体热释感应模块 人体热释感应模块程序流程如图25所示。 系统开始运行之后进行初始化，然后打开人体红外检测模块的开关，进入检测状态，如果发现附近有人，就启动报警程序。初始化程序初始化程序检测附近有没有人？NY开始报警程序图25人体热释感应模块程序流程图4.2.4报警模块接到报警信号接到报警信号启动报警程序开始结束图26报警模块程序流程图5电路调试与分析5.1常用软件介绍5.1.1KeilC51介绍KeilC51是美国KeilSoftware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。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（µVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果是使用C语言编程，那么Keil几乎就是不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令人事半功倍。KeilC51软件提供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KeilC51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的优势。相对于一般的汇编软件来说这款软件的优点还是还是很突出的，一方面KeilC51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的优势。另一方面与汇编相比，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。下图就是该软件的工程界面图：图27KeilµVision2工程管理窗口图5.1.2STC-ISP烧录软件 STC-ISP是一款单片机下载编程烧录软件，是针对STC系列单片机而设计的，可下载STC89系列、12C2052系列和12C5410等系列的STC单片机，使用简便，现已被广泛使用。其最突出的特点为功能全面，界面简洁，操作简单。下图为该软件界画图：图28STC-ISP软件操作界面5.1.3串口调试助手 这是一个很好而小巧的串口调试助手，支持常用的300~115200bps波特率，能设置校验、数据位和停止位，能以ASCII码或十六进制接收或发送任何数据或字符（包括中文），可以任意设定自动发送周期，并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件。 硬件连接方面，传统台式PC机支持标准RS232接口，当下带有串口的PC很少见，所以需要USB（UniversalSerialBUS）/232转换接口，并且安装相应驱动程序。5.2系统硬件调试本系统的硬件调试分为以下阶段进行调试：（1）逻辑错误调试硬件的逻辑错误是由于设计错误和加工过程中的工艺性错误所造成的。这类错误包括：错线、开路、短路等几种，其中短路是最常见的故障。（2）器件调试元器件失效的原因有两个方面：一是器件本身已损坏或性能不符合要求；二是由于组装错误造成的元器件失效，如电解电容、二极管的极性错误，集成块安装方向错误等。（3）可靠性调试引起系统不可靠的因素很多，如金属化孔、接插件接触不良会造成系统时好时坏；内部和外部的干扰、电源纹波系数过大、器件负载过大等造成逻辑电平不稳定；另外，走线和布局的不合理等也会引起系统可靠性差。（4）电源故障调试若样机中存在电源故障，则加电后将造成器件损坏。电源的故障包括：电压值不符合设计要求，电源引出线和插座不对应，电源功率不足、负载能力差。5.3各电路模块的软硬件综合调试与分析5.3.1单片机最小系统的调试与分析 最小系统主要由单片机芯片AT89C52，复位电路，晶振电路和上拉电阻组成，所以在焊接电路时首先焊接芯片插槽，再根据引脚接法，连上晶振和复位电路即可，但要注意芯片接地和电源引脚应该用排针引接出来。要测试一个最小系统是否正常工作，主要方法是为该系统芯片写入一段简单LED调试程序，观看系统每个引脚输出是否与理论结果相同，若一致，则最小系统工作正常，否则就要寻找出错原因。测试步骤如下：（1）用于检测系统的软件程序为点亮一个LED灯和让蜂鸣器响的程序。当按下开关时，LED灯亮，蜂鸣器响。（2）一开始在写程序时没认真观察好引脚位置，导致写程序时写错引脚，所以灯不亮，蜂鸣器不响。经过检测之后改正了这个错误。（3）经过正确的测试，观察到的现象与理论现象一致，说明该系统运行正常。调试图如下：图29最小系统调试结果图5.3.2密码锁与液晶显示模块的调试与分析 按照电路焊接好所有电路之后，开始写密码锁与密码存储修改程序。一开始写完程序烧录到单片机之后，发现液晶显示屏会亮，可是却没有显示所设置好的语句。密码输入也没反应。经过一段时间的研究，调试与修改，发现液晶显示屏的引脚位置和程序上的设置不同，且有一处地方短路，改正这两个错误之后，使得系统的运作跟理论设计的现象一致。 当密码输入正确之后，模拟门打开（绿色二极管发亮），液晶显示“CodesIsTrue！”如下图：图30模拟门打开 当密码输入错误时，蜂鸣器响，红灯亮，液晶显示“Codeserror!!”如图29。5.3.3人体热释感应模块的调制与分析 这个模块硬件电路比较简单，采一个三极管，一个电阻和一个三针的排针。插上红外模块，当有人经过时，它会发送信号到单片机上，单片机接到信号后启动报警程序。蜂鸣器响，红灯亮，如图29。 由于有时候家里不一定一直都是处于没人状态的。所以当有人在家时，如果还是一直开着红外报警模块，那么蜂鸣器会一直响。因此，本设计又在硬件电路里加上了一个开关，当有人在家时便可以关掉这个模块，出门时就开启它。5.3.4GSM模块的调试与分析 当人在外面而有人入侵家里的时候，就需要有个功能使在外面的主人来及时处理这个情况。所以便加上了GSM模块。当家里有人入侵时，主人便可收到电话，就能及时报警，确保家的安全。 根据设计好的电路焊接完后，将写好的程序烧录进单片机里，用串口线连接系统与电脑，在电脑上用串口调试助手来检测GSM模块能否工作。 当人体热释感应模块检测到有人的时候，单片机就控制GSM模块发出打电话的信号，串口调试助手显示如下：图31GSM模块调试图由图31可知，GSM模块能够正常工作，能够在有人入侵的时候打电话通知主人。6结论6.1本系统实现总结随着计算机技术、网络技术和信息技术的不断发展，以及人们生活质量的不断提高，家居生活智能化已经成为可能，并且成为了家居生活发展的必然趋势。智能家居作为家庭信息化的实现方式，已成为信息化社会重要的组成部分。本系统根据设计任务，提出了设计方案，详细地阐述了密码锁、液晶显示和人体热释感应的原理、GSM打电话的实现方法、以及相关电路的设计原理，设计中充分利用了系统的硬件和软件资源，实现了各个模块的协调控制，提高了系统的可靠性和通用性。最终作品经过设计方案论证，设计了相应的硬件电路和系统软件，制作了实物并进行单机调试和与PC机联机调试。结果表明，所设计的电路和软件能完成原本理论设计中所有的测试功能，并且取得了较好的效果，符合家居智能化系统创造一个安全舒适的生活环境设计理念。本系统具有以下几大特点： ①GSM报警借助于GSM网络电话业务实现了远程报警，投资少、成本低。②操作方便，可用性强。③环保高效，可靠性高。④具有良好可扩展性和实用价值。⑤符合了未来家电的智能化、网络化发展方向。本系统还可以应用于工农业生产中，实现对无人值守岗位的远程控制和安全报警等。6.2本系统不足之处本设计虽然完全实现了设计要求的功能，但是也存在要改进的地方。如：（1）检测功能不够丰富，智能家居报警系统应该具有较多的检测功能，例如加入温湿度和气体的检测等。这个可以通过拓展实现这些功能。（2）控制功能不够强大，智能家居为了达到简单舒适方便的生活环境的要求，应该加入多一些的电器控制。如对电视，空调，窗帘等家电的控制。（3）智能化程度不够完美，本设计所实现的智能家居并不是完全的智能化，还是需要人工操作的。但未来的智能家居应该是完完全全的智能化，控制器能通过各方面的检测和自己的数据分析来实现各个功能，以此来提供一个真正的简单便捷舒适的家庭环境。6.3未来展望未来，智能家居将会突破传统意义上简单的家电控制，它是一个更大范围内的控制，大致可以概括为以下几方面：（1）家庭安防中心：家庭安防设备，如摄像头、红外探测器、烟雾探测器等，一旦接入物联网，主人就可以在任何时刻任何地点了解家里的安全动态。（杜成仁，2020）（2）家庭医疗中心：家庭若有老人和小孩，可在合适位置安放摄像头，了解他们的状况。家用医疗器械，如血压计等连接物联网，与社区医院联网，便可方便医生实时了解病人的身体状况，及时做出治疗。（3）家庭数据中心：家庭里的大量数据资料，如电影、音乐、游戏等，可以通过物联网，海量存储到网络数据服务器上，方便随时查看。常用的家庭信息，如天气预报、咨询信息等可以通过连接入网的家庭终端设备及时了解到。（4）家庭商务中心：商务中心可以完成一系列的，如缴费、支付、购物的任务，让主人可以足不出户完成各种琐碎的日常生活。此外还有家庭娱乐中心，家庭教育中心、家庭沟通中心、社区业务中心等。参考文献杜成仁.智能家居的发展趋势[J].智能建筑与城市信息，2020，7：92~93。郝建国，赵英杰.通用集成电路大全[M].北京：人民邮电出版社，1997。何利民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2021。康华光.电子技术基础（模拟部分）第5版[M].北京：高等教育出版社，2018。康华光.电子技术基础（数字部分）第5版[M].北京：高等教育出版社，2018。雷春艳.数字家庭网络及未来展望[J]通讯与信息技术，2017，(04)：62~64。刘艳玲.采用MAX232实现MCS-51单片机与PC机的通信[J].天津理工学院学报，1999，15（2）：57～61。沙占友.集成化智能传感器原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2022：198~222。王琴放，张凡.单片机原理及应用[M].北京：电子工业出版社，1997：3~203。王卫星，邓小玲，代芬等.单片机原理与应用开发技术[M].中国水利水电出版社，2018。王志良，王鲁.智能家居技术的现状与发展[J].IntelligentBuilding.2020，（127）：13~15。徐爱钧，彭秀华.单片机高级语言C51应用程序设计[M].北京：电子工业出版社，1999。徐顺成.实用电子技术与电子产品汇编[M].北京：电子工业出版社，1993。DALASSemiconductorAutomaticIdentificationDataBook[M]，1995.DJCook.MavHome:AnAgent-BasedSmartHome[C].Proc.of1stIEEEInt.Conf.PervasiveComputingandCommunications(PerCom’03):521~524.SiemensTC35/TC37HardwareInterface

DescriptionVision03.10.附录B本次系统设计的所有程序（1）main.c：#include<reg52.h>#include<string.h>#include<keyboard.h>#include<at24c02.h>#include<gsm.h>voidmain(){ UART_init(); init(); i=7; num2=0; led=1; bell=1; state=0; people=1; length=0; door=1; set_control=0; delay(5000); password_init[0]=read_add_24c02(0x00); password_init[1]=read_add_24c02(0x01); password_init[2]=read_add_24c02(0x02); password_init[3]=read_add_24c02(0x03); password_init[4]=read_add_24c02(0x04); password_init[5]=read_add_24c02(0x05); flag=0; wrongtimes=0; flag=0; flag1=0; flag2=0; flag3=0; while(1) { if(people==0) { call(); bell=0; led=0; } else { led=1; bell=1; } switch(flag) { case0: P1=0xf7; temp=P1; temp=temp&0xf0; while(temp!=0xf0) { delay(50); flag=keyscan(); } if(flag2==0) { conduce();//介绍界面， flag2=1; } break; case10: //开锁程序，当输入密码错误次数在三次时，立即报警 //按重启键才能停止报警 switch(flag1) { case0: if(num2<6) { i=7; for(test_init();num2<6;test_password()); } delay(1000); if(compare(password_init,password)==1) { bell=0; delay(200);//蜂鸣器响的时间 bell=1; wrongtimes++; LCD_write_com(0x80); for(c1=0;c1<16;c1++)//显示"CodesError!!" { LCD_write_data(table7[c1]); delay(1); } LCD_write_com(0x80+0x40); for(c1=0;c1<16;c1++) { LCD_write_data(table8[c1]); delay(1); } if(wrongtimes>=3) //WRONG { door=1; call(); led=0; bell=0; flag1=1; } } else { led=1;door=0;bell=1; flag=0;flag2=0; LCD_write_com(0x80); for(c1=0;c1<16;c1++)//显示"CodesIsTure!" { LCD_write_data(table6[c1]); delay(1); } LCD_write_com(0x80+0x40); for(c1=0;c1<16;c1++) { LCD_write_data(table8[c1]); delay(1); } } //TURE delay(3000); door=1; num2=0; break; } break; case