【基于单片机的家居管理系统9100字（论文）】

PAGEPAGE33PAGE30基于单片机的家居管理系统目录241041引言 194832系统设计 1162862.1整体介绍 1213492.2设计的主要内容和功能 166533系统硬件设计 3315153.1系统功能设计 3186953.2ST89C52RC概述 370723.3按键控制电路 3323003.4电源电路 4228303.5报警电路 4192393.6LCD12864液晶显示电路 529303.7SIM800模块电路 5272313.8温度传感器模块电路 617553.9人体红外传感器模块电路 7316263.10传感器及处理电路 774963.11烟雾检测模块 8240944系统软件设计 9310034.1软件主程序架构 9247254.2温度、烟雾控制 10199734.3防盗功能 11293314.4LCD12864显示流程图 12299504.5串口GSM函数流程图 13146974.6温度检测流程图 13300334.7按键子程序 1485924.8报警流程图 14191014.9烟雾浓度程序流程图 1574345系统的实现与测试 16307725.1总体实现步骤 16322115.2功能调试 16154406结论与展望 1953136.1结论 1925336.2展望 1916520参考文献 2026145附录1原理图 21引言智能家居通过将家庭为平台，将建筑与自动智能化合为一体的高效、便捷、舒适的居家环境。智能家居的出现使得建筑的功能不再仅仅作为居住使用，而是成为利用时间的工具，使人们的生活环境更为舒适、高效、安全和节能。物联网因其巨大的应用场景，所适用的环境也越来越多，智能家居就是物联网行业应用中家庭信息化产业的重要组成部分[1]。随着局域网络的普及，智能家居的功能逐渐多样起来，例如供远程控制空调的开关以保持屋内温度的恒定，远程开关热水器[2]。自动控制照明系统以及窗帘的自控等。同时可以提升安全等级例如防盗报警监测室内人员流动、火灾自动灭火报警等，使生活更加舒适、便利和安全。随着当前集成电路技术的不断进步，单片机也逐步走向微型化，集成化，性能化。单片机技术运用到智能家居中不仅可以让家居更舒适、便捷和安全，也更加直接的体现出了科技带给人们日常生活的便捷[3]。本文为应用单片机技术来制作智能家居。系统设计整体介绍本次设计控制核心为STC89C52芯片，温度、湿度等传感器做信息采集源，数据显示用LCD12864液晶屏，机短信为接收信号数据来源，并通过手机短信进行远程控制。设计的主要内容和功能本次设计的主要内容有两点内容其中一种为实现家居温度以及烟雾浓度并进行风扇以及水泵等操作降低室内温度和烟雾浓度，目的在于提升居家的舒适性和安全性。另一内容为防盗模式功能，即家中无人时，防盗模式开启，当有人进入时，报警电路进行声光报警并发送短信到手机端，重点体现了智能家居中的安防功能，保障人身财产安全。本次设计的主要功能包括温度检测、人体红外监测、按键设置电路、GSM短信发送、烟雾浓度检测以及控制功能。①温度检测：（1）采用DS18B20数字温度传感器进行检测。（2）将检测到的结果通过引脚发送给单片机。②人体红外检测检测：（1）采用人体红外传感器检测当前是否有人。③按键设置电路：（1）通过按键设置温度报警上限和防盗模式。（2）实现布防撤防。④GSM短信发送：（1）当检测到的烟雾温度大于报警值时，单片机发送报警短信。（2）当检测到的人体红外报警值时，单片机发送人体红外报警短信。（3）可以发送指令给单片机，直接获取数据。⑤烟雾浓度检测：（1）通过烟雾传感器检测当前空气中烟雾浓度含量。（2）通过ADC0832进行模数转换。⑥控制功能：（1）当温度过高时，通过开启风扇进行降温。（2）当烟雾浓度较高时，继电器驱动水泵进行灭火。图2-1智能家居系统框图在当前科技不断发展的条件下，智能家居的发展也进入到了发展的快车道[15]。本题目设计了基于51单片机的智能家居控制系统，重点研究于提升家居的舒适性于安全性，提升居住生活水平。家居中的烟雾、温度、是否有人通过等信息可以通过SIM800短信模块将数据发送到手机中方便远程查看与控制。系统硬件设计系统功能设计本次设计功能的实现采用模块化设计，将多个功能进行多个模块化操作。含有单片机主控制模块对其它模块发送来的数据进行分析以及控制其它模块的工作等。按键控制电路来设置温度烟雾功能的上限值以及防盗功能开关的控制等。电源电路为对主电路以及其它各个模块进行供电操作。报警电路是反馈电路，用来反馈当温度烟雾浓度超过设定上限以及检测到有人时的声光报警。LCD12864显示器实时显示当前温度，烟雾浓度等信息。温度传感器模块用来感应当前温度数值。烟雾传感器模块用来感应当前烟雾浓度数值。人体红外传感器模块为防盗模式功能的组成部分之一。ST89C52RC概述本设计所需采用的单片机型号为STC89C52RC。这个是由宏晶科技公司倾力推出的新型高速/低负载功耗/超强抗干扰智能单片机，指令和硬件代码都与传统8051单片式主机相同，相较于传统的STC89C51单片机，拥有更大的RAM和存储器。STC89C52RC单片机的烧录也非常简单，通过TX和RX口，采用对应的编译器就可以将程序烧录进去。是一款便宜、简单和高性能的单片机[16]。STC89C52RC单片机拥有40线引脚，为双列直插式。单片机的引脚联通了单片机和传感器等外设，提供了一个沟通的渠道，通过引脚，单片机才可以和传感器等外设进行信息的交互。但是单片机的引脚个数是有限的，如何最大限度的发挥单片机的功能，是非常有研究意义的。目前通过改善引脚体积和外观，采用双功能或者多功能的引脚，丰富单片机的功能，提高单片机的可用性[17]。图3-1STC89C52单片机封装引脚图按键控制电路单片机的按键控制电路是由4个微动开关并联组成的电路，按键开关的工作原理就是按下输出低电平松开高电平按键开关。由于按动难免会产生误差，所以在编写按键函数时，需要额外编写一个去抖函数来去抖。本次设计人体红外和温度报警上限值就是通过按键设置的。按键K1用来防盗开关开启或关闭，按键K2用来设置温度的上限和烟雾浓度的上限，按键K3用来增加数值，按键K4用来减少数值。图3-2按键控制电路电源电路本次的电源采用5V供电。本次实验中因带有SIM800模块电路，和继电器控制水泵所以电流比较大，所以输入电流为2A。电源插座U5POW用于连接外部的电源插头，电源开关SWITCH用于控制整个单片机的电路开和关。电源插座的1口引脚连接到电源开关的3口引脚，2口引脚接地。电源开关的3口引脚用于电源的正极输出与单片机的EA引脚和Vcc端口相连对单片机以及其它元件进行供电。图3-3电源电路报警电路报警电路主要有两个功能一个功能是当温度或者烟雾浓度超过设置的上限就会进行声光报警并发送短信，另一个功能是当人体红外传感器监测到有人时就会声光报警并发送短信。在本电路中通过按键K2来设置温度和烟雾浓度的上限值。通过按键K1选择是否开启防盗模式也可以通过手机远程开启或者关闭报警模式。当设置好温度和烟雾浓度上限时，单片机就开启进行循环监测，时刻监测温度烟雾浓度是否超过设置上限，当超出上限时进行声光报警并发送短信。当按键或者手机端开启防盗功能时，人体红外传感器检测到有人进入时，进行声光报警并发送短信。本次报警电路中由3部分组成，一部分是一个1KΩ的电阻（为防止三极管直接被导通无法控制，增加1KΩ的限流电阻），第二部分是一个PNP三极管（低电平导通），最后一部分就是蜂鸣器和LED灯。三极管采用PNP三极管，其主要功能是放大电流和电平特性，因为单片机电路的电流非常小，无法提供蜂鸣器所需的电流，经过三极管放大驱动电流后，电流放大200倍，放大后电流大约为500mA驱动蜂鸣器报警，同时增加1kΩ电阻防止LED灯被烧坏，完成声光报警的功能。图3-4蜂鸣器报警电路LCD12864液晶显示电路设计采用LCD12864液晶显示器作为输出显示器，可以显示中文和数字以及符号。下图中引脚VSS是电源接地端与单片机的GND相连。引脚VDD是LCD12864显示器供电端电源为5V。引脚VO是用来控制显示屏的显示亮度通过滑动变阻来对其进行控制。引脚RS是用于选择寄存器，在高电平时为数据寄存器，在低电平时为指令寄存器。引脚RW是用于数据的读写。引脚EN引脚为使能端，高电平读取信息，低电平执行指令。引脚DB0-DB7是8位双向数据段口，引脚PSB和引脚NC是背景灯的电源引脚。在和单片机进行通信时，和P0口进行连接，中间要有上拉电阻进行连接。本次设计LCD12864液晶显示屏上展示检测到的烟雾温度、人体等信息。图3-5LCD12864液晶显示电路图SIM800模块电路本设计采用的通信模块为SIM800L，此模块具有体积小，价格便宜，发送短信时间快等特点。被广泛的运用在通信用途的设置中。本次实验中如果检测到超过设置的温度或者烟雾上限值时，STM89C52RC单片机就会通过P3.0写入引脚将发送数据发送到SIM800短信模块中的读入端口，然后再发送到设定的手机接收端上。当人体红外感应模块检测到有人存在时，就会发送短信进行提示。本模块的作用为将数据以短信的形式发送到手机中。电路图中接二极管是为了防止发送短信后会产生一个较大的反向电流，击穿芯片。图中通信方式采用的是串口通信。模块连接单片机中需连接特定的端口，TXD为发送端连接单片机中P3.0引脚，RXD为接收端连接单片机中P3.1引脚。因SIM800L电路原理图较为复杂，图中U14为SIM800L简图。U14接口1为SIM800L中的接地线，接口2为将已发送短息的信号发送到单片机中，接口3为接收来自单片机中的信号。接口5与接口1相连串接一个1000UF的电解电容为发送短信提供足够的条件。图3-6sim800模块电路温度传感器模块电路本次设计采用DS18B20温度传感器模块。DS18B20采用单总线双线串行通信协议。本次电路中温度信号的采集过程首先是STC89C52单片机发起开始采集信号，通过P1.6引脚发送给DS18B20，之后DS18B20反向单片机发送响应，同时将采集到的信息按照40位数据帧格式进行输出，将最高位在前。单片机将检测到的数据与设置的温度上限进行比较，若超出上限单片机进行下一步工作通过P2.0引脚发送给报警电路进行声光报警同时将温度数据通过P3.1引脚发送给SIM800短信电路通过短信发送到手机端，同时单片机信号通过P1.7引脚开启风扇进行降温。当单片机将温度传感器发送来的数据与设置的上限值进行对比后，发现温度低于设置上限时，发送信号关机风扇同时停止声光报警。单片机发送指令给LCD12864显示温度数据，可以更加直观地看到当前温度数值。DS18B20中，接口3为接地端，接口1连接单片机中的VCC端，进行对DS18B20模块的供电，接口2与单片机中的P1.6引脚相连作用为温度数据的传送。图中R11为10KΩ电阻是为了保持通信质量添加上拉电阻使其保持为高电平以保持电路工作。图3-7温度传感器电路人体红外传感器模块电路本次设计中的防盗功能的一个重要元件就是红外传感器模块。其工作原理主要是可以感应到微弱的人体红外信号然后将微弱的红外电信号输入到装置中的第二部分BIS0001芯片中，作用为将其中的电信号去除干扰，进行放大处理，产生高电平信号，最后输出信号给单片机进行识别。人体红外传感器中接口2线路中增加1K电阻进行限流，当检测到有人后，人体红外输出高电平经过三极管进行放大电流，此时三极管导通输出低电平，将信号发送到引脚P3.3中，这个时候单片机就知道当前为有人然后通过引脚P2.0将数据发送到报警电路中进行声光报警同时通过P3.1引脚SIM800模块发送短信并报警。人体红外接口3是电源为其供电端口电压为5V，接口1为接地端。图3-8人体红外感应电路传感器及处理电路红外辐射传感器检测是一种非激光接触检测形式的人体监视辐射检测。利用机器采集人体内所随时发出的辐射光谱和红外辐射，并将通过监视检测到的红外光谱和辐射人体内的辐射检测信息转变成人体相应的激光电压和辐射频率检测信号。检测对象检测对象菲涅尔透镜热释电红外传感器信号处理电路Vm图3-9人体检测电路组成框图在红外传感器接收到人体发出的辐射后，会将信号发送到BIS0001芯片中级信号处理模块，其作用为去除干扰并进行放大处理，然后产生高平信号，之后将信号发送到单片机中。BIS0001芯片由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成。图3-10BIS0001的引脚图OP1运算放大器的作用为将红外传感器的输出信号作第一级放大，然后C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号VS去启动延迟时间定时器，输出信号V0经晶体管T1放大驱动继电器然后信号通过引脚输入到单片机中进而单片机通过引脚将信号发送到报警电路进行声光报警以及短信发送电路进行短信发送。烟雾检测模块在本产品设计中所需要采用的MQ-2型烟雾监测报警器所用的导体材料主要为一种二氧化锡半导体，它们所采用的材料是一种表面的离子式N型半导体[20]。例如，当空气温度保持在200~300°C时，空气间隙中的硫化氧被一种新的二氧化锡所直接驱动吸附，吸附着这种硫化氧的锡是正负离子，减少了其中的电子密度，进而增加了它的电阻值。烟雾传感器实时将数据发送到单片机中，当单片机与温度上限值进行比较，当超过烟雾浓度上限，单片机通过P2.0引脚接通报警电路进行声光报警，同时通过P3.1引脚发送烟雾数据通过SIM800进行烟雾浓度报警，通过P1.4引脚控制水泵开启。当单片机通过烟雾传感器发出的烟雾浓度值低于上限时，单片机控制报警电路停止报警同时关闭水泵。单片机发送指令给LCD12864显示烟雾浓度数据，可以更加直观地看到当前温度数值。图3-11烟雾传感器模块当发生烟雾报警的时候，单片机会控制继电器闭合开启水泵灭火。 继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。当它的输入输出容量(包括例如输入电压、电流、温度等)已经无法达到电路规定的电流值时，继电器就可能会被需要的电流控制进入输出整流电路切断引起电流导通或者是电路断开。输入信号测量主要可以分为被动电气输入测量(主要例如空气电流、电压、频率、功能参数等)和非被动电气输入测量(主要例如电气温度、压力、运行运动速度等)两大类。继电器在结构设计上必须具备了电机动作迅速、工况稳定、使用寿命长、体积小等基本特征。如图所示当单片机信号从引脚P1.4发出后，继电器磁力回路工作，接口4变为接口5水泵开启。JDQ-5为继电器，接口3为其供电，当水泵开启时开关调到5水泵开启工作，在开关调整的瞬间电压会突然增大，为防止元件损坏，增加一个二极管单向导电。三极管的作用为当P1.4引脚输出低电平时通往继电器的线路导通，LED灯被点。图3-12继电器电路图系统软件设计软件主程序架构本次实验软件程序根据硬件原理图进行编写，本次软件程序主要有两个功能，一个是温度、烟雾浓度控制另一个为防盗功能的开启。主程序设计首先进行各电子器件的初始化，然后开启温度、浓度控制程序，当此程序运行结束之后进行防盗功能程序的运行，当防盗功能开启时，防盗功能程序运行。若没有开启则循环上述程序等待防盗功能的开启。图4-1主程序流程图温度、烟雾控制启动步骤为：GSM模块初始化，温度传感器监测当前温度，烟雾传感器监测当前烟雾浓度，LCD12864显示。按键设置温度上限和烟雾浓度上限。当超出温度或浓度时LED灯闪烁并报警发送短信。图4-2温度、烟雾控制子程序流程图防盗功能启动步骤为：GSM模块初始化，人体红外传感器初始化，LCD12864显示。按键开启防盗模式或远程开启防盗模式。检测到有人时蜂鸣器报警并发送短信。图4-3防盗控制子程序流程图LCD12864显示流程图为了更加直观的显示温度信息，遂采用LCD12864显示器作为本次设计的显示端，首先进行硬件初始化，然后将硬件存储信息清除，使其初始化后显示为初始信息，之后程序执行信息导入，单片机对显示器进行内容导入，显示器显示数据。按键功能可以对显示器进行操作，当在设置温度和人体红外报警值上限时，根据按键操作，屏幕上实时变换数值。单片机操控写入引脚写入要显示内容的命令。之后显示屏执行指令，将内容显示出来。图4-4LCD显示子程序流程图串口GSM函数流程图当GSM模块和单片机连接好后，插入一张SIM卡，进行供电，按下GSM模块的开关，电源指示灯亮起。首先进行串口初始化，这时LCD12864液晶显示屏上显示GSMINIT，之后单片机开启总中断，当有信号输出后，进入总中断，然后开启串口中断，当需要发送短信时，进入串口中断。之后启动定时器1，一定时间后发送报警短信，然后设置串口的工作方式，这里设置1，最后给定时器设置初值，整个流程进行完毕。串口的作用是单片机和SIM800模块之间进行通信，将报警短信发送给设定的手机号。串口初始化流程图如图4.3所示：图4-5GSM串口初始化流程图温度检测流程图开启开关电源后，温度传感器开始工作，首先将温度传感器放置在空气中，然后进入温度监测子程序中，温度传感器将空气中的温度转换成电信号进行输出，单片机接收到数据后进行计算，之后显示在LCD12864液晶显示器上。DS18B20数字温度测温模块首先初始化，然后读取DS18B20数字温度测温模块序列号，发送跳过RAM信号，之后进行温度转换，随后复位DS18B20数字温度测温模块，若无中断，则读取数据，若有中断，则继续回归到复位操作。图4-6温度检测流程图按键子程序按键作为实现本次设计功能的基础，四个按键各司其能，K1按键控制防盗功能的开闭，K2按键设置温度、烟雾浓度的初始值，K3按键设置温度设置值的增加，K4按键设置烟雾浓度的减少。在主程序执行后执行子程序，子程序循环检测按键的电平信号，当按键的电平信号转变为低电平时说明按键按下，程序执行输出。图4-7按键流程图报警流程图当主程序执行完成之后，开始执行报警子程序。报警子程序一直检测来自单片机输出的电平信号，当单片机发出出发报警信号时，程序触发报警，开启声光报警。图4-8报警流程图烟雾浓度程序流程图当烟雾采集到当前的数据后，把模拟量传输给ADC0832进行处理，然后ADC0832进行初始化，然后进行读取数据，把当前读取的信息转换为数字量，换算成当前的电压值。图4-9通信模块流程图系统的实现与测试总体实现步骤实现的过程中首先对整个电路的原理框图和工艺流程图进行了绘制，通过AltiumDesignerRelease10软件直接进行了电路图的绘制，之后进行实物焊接。然后再根据所接线路的原理图对所接的线路进行编程，之后把这些文件直接加载到工程中，生成"*.hex"的文件。最后将AT89C52芯片直接插到一个需要下载的开发板中，然后再次打开需要下载的软件，通过其中的"*.hex"进行运动和编译，载入并连接到下载的芯片上即可。功能调试在硬件电路连接完成后接下来进行实物的功能调试，首先接通电源，开启开关，发现显示器的屏幕亮起以及SIM800元件的指示灯点亮，显示器出现“CSMINIT”式样。等待一段时间后发现显示器没有变化，之后通过排查发现SIM800没有插入移动卡，硬件一直处于调试状态，关闭电源，插入移动卡之后重新打开电源，显示器显示温度值，烟雾值，防盗模式的开启提示。初始化成功。图5-1通电初始化图LCD12864显示屏页面分为四行，上面显示测得的温度和烟雾浓度，单位是摄氏度和百分比，下面显示防盗模式的状态。图5-2LCD12864显示接下来进行温度烟雾值超过上限报警功能测试。首先按下按键开关K2，设置温度值的上限，然后按K4将温度上限减少到26度（为方便测试将温度设置为易于达到值）。图5-3温度上限设置在设置完温度上限之后按下K2按键设置烟雾上限值，按下K4烟雾浓度上限减少，将烟雾浓度设置为15%（为方便测试将烟雾浓度设置为易于达到值）。之后按下K2进入正常界面，显示器显示当前温度和烟雾值。图5-4烟雾上限设置手握住DS18B20传感器，通过热传递将手的温度传递到单片机中，看显示器发现温度值在不断的上升，当温度达到26度时报警电路正常工作进行声光报警，短信模块也正常工作发送温度超标短信，风扇开启主动降温功能。当温度低于26度时停止声光报警，风扇停止工作。图5-5温度报警短信对着烟雾传感器哈气，显示器显示烟雾浓度，哈气可以提升烟雾浓度，当烟雾浓度超过设定的15%时，进行声光报警，短信模块也正常工作发送温度超标短信，同时水泵开始工作，进行烟雾浓度的稀释，待烟雾浓度达到设置的合理范围值时，水泵停止工作，蜂鸣器停止报警，LED灯熄灭。图5-6烟雾浓度报警短信红外报警有两种控制模式，当按下K1键开启防盗模式时，人体红外感应装置开始工作，用手接近红外传感器，蜂鸣器报警，LED报警灯亮起，单片机通过SIM800发送短信到手机上，可以看到手机接收到短信。关闭防盗模式时在按下K1键可以关闭防盗模式LED报警灯熄灭，蜂鸣器停止报警。图5-7防盗模式报警手机远程控制防盗模式的开启和关闭可以通过发送短信进行。开启防盗模式手机发送“开启防盗”防盗模式开启。图5-8短信开启防盗模式关闭防盗模式手机发送“关闭防盗”防盗模式关闭。图5-9短信关闭防盗模式至此，所有功能测试完成。结论与展望结论本设计论文系统地描述了基于STC89C52单片机的防火防盗报警系统功能和思路以及对各个芯片的相关说明和使用方法。在设计单片机系统的时候，一开始就要考虑很多的问题，包括整个单片机系统的工作原理，各个传感器芯片的选型、每一个单片机和传感器的引脚功能、各个传感器模块和芯片使用的优缺点，单片机系统的硬件设计，焊接时的电路连接以及最终的程序编写等。在实物的连接中有一些问题，例如烟雾传感器模块在连接工作中过度发热，监测浓度显示直接达到90%以上，立即断电仔细排查后发现是烟雾传感器排线问题，修改后监测正常。在本设计中还有很多的缺陷，例如温度检测时仅仅监测温度的上限值，没有设置温度的下限值，导致此设备无法在温度较低的地区使用仅适合用于温度较高的地区有局限性。展望智能家居的行业发展代表了当前我国智能自动化行业应用的一个分支，随着未来微电子技术的不断进步，智能家居行业也会向着智能化、微型化、精确化发展。旧的技术不断被新技术所替代。本次智能家居的研究虽然基本达到了智能家居的设计要求，但将来会有更加先进的技术所替代，可以对本次设计进行技术升级。此次设计主要的功能就是监测温度、浓度以及监测人体红外并进行自动报警，涉及到了大量的传感器、按键、显示屏和蜂鸣器，零件繁多可以将零散的电子器件进行整合，进行电路一体化。还可以额外增加蓝牙模块或者WIFI模块并设计APP应用程序更加具体的直观的实时将监测结果远程发送到手机端进行展示并进行远程控制。这样整体功能更加丰富，也为以后防火防盗报报警系统打下了未来的走向。当前设计后的产品还不成熟，可以通过更多的传感器来对智能家居进行监测，以提升居家的舒适性与安全性。例如增加智能灰尘检测功能，当检测到地面灰尘过多就会自动开启扫地机器人进行工作等。参考文献[1]陈国嘉.智能家居[M].人民邮电出版社:，201605.242.[2]唐亮.我国物联网产业发展现状与产业链分析[D].北京邮电大学，2010.[3]童晓渝，房秉毅，张云勇.物联网智能家居发展分析[J].移动通信，2010，34(09):16-20.[4]赵新江.智能家居强势崛起[J].理财，2014(10):30-31.[5]童晓渝，房秉毅，张云勇.物联网智能家居发展分析[J].移动通信，2010，34(09):16-20.[6]张桂青，鹿曼，汪明，李成栋，彭伟，段新美，纪祥和.智能家居的“春天”来了[J].计算机科学，2013，40(S1):398-402.[7]袁义.物联网环境下基于Zigbee技术的信息家居系统研究[J].中国科技投资，2013(Z1):27.[8]Alilou