【基于单片机的智能管家系统设计与实现5500字（论文）】

基于单片机的智能管家系统设计与实现目录TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 页共19页摘要摘要：本文综述了基于窗帘控制智能管家系统的设计与制作过程，介绍了设计制作一个完整的窗帘控制系统需要做的理论分析以及其制作过程。自动窗帘智能管家系统核心采用的是单片机Atmega16，其次利用了光照传感器、温度传感器、键盘显示接口电路以及电机等外围电路，整个系统在各模块的配合下可实现半自动控制、自动控制、定时控制等功能。该设计在理论层面上，用程序语言驱动各模块工作，实现系统的内在联系，在应用层面上则采用Protel软件进行原理图设计。当智能窗帘电路出现故障时，单片机采集智能窗帘电路采样点的电压后处理采集到的数据，实现自动报警功能。该系统基于可靠的硬件设计和稳定的软件算法实现题目基本要求。关键词：智能管家系统；光电传感器；ATMEGA16L；智能窗帘一、前言（一）研究思路智能管家系统的整体主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分由单片机扩展的外围电路以及各种实现单片机系统控制功能的接口电路组成；软件部分主要由单片机系统实现其特定控制功能的各种程序组成。图1:自动窗帘控制系统的硬件本设计中介绍了自动窗帘智能管家系统的硬件构成以及软件设计过程，以尽最大可能满足不同人对窗帘开闭的不同需求。（二）设计基本功能自动窗帘控制系统具有以下几个基本功能：（1）手动控制：该功能是根据用户的需求通过按键进行窗帘的开关，此功能可以使窗帘的开闭处于任何一种状态；（2）光照自动控制：系统可以根据用户设定的光照强度值通过感光器采集光照自动开光窗帘；（3）时间控制：此功能是根据用户设定的时间一次性开关窗帘，并显示当前温度。（4）温度报警系统：可以自行设置温度报警温度。（5）时间显示及闹钟系统：可以自行设置闹钟时间。（6）手动自动控制按键随时切换。（三）系统总体结构设计自动窗帘控制系统设计的总体框图如图2所示。光敏传感器光敏传感器信号调节电路控制信号Atmega16显示模块键盘模块步进电机图2:电动窗帘控制器结构框图根据光照来开闭窗帘主要原理是用光敏电阻采集外界的光强度，从光传感器采集的信号利用信号校正电路放大，滤波后输入单片机。传入的信号由Atmega16单片机来控制，并且做出响应，以实现电机的正转、反转与停止。显示模块是用来显示自动窗帘控制器的各种状态。键盘作为输入设备，通过不同按键来控制单片机进行各种运转状态。二、窗帘智能管家系统的硬件设计（一）单片机选用本套系统的主控制器ATmegal6是一种低功耗、高性能微控制器，封装图如图3所示。具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作，两个可编程的串行USART;可工作于主机/从机模式的SPI串行接口;具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。图3:ATmegal6的PDIP封装图图4:最小系统智能管家系统的支路控制系统是模拟窗帘控制系统的核心，该系统采用ATMEL公司的ATMEGA16L单片机作为主控制芯片来实现对受控对象的控制。与AT89S52相比，ATMEGA16L是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有速度快、输出电流大、工作电压范围宽、成本低等优点，是一款性价比很高的单片机。（二）单片机最小系统1、时钟模块硬件电路DS1302是一个高性能，低功耗的实时时钟芯片，DS1302与微控制器连接只需要三个线，采用三线SPI接口与CPU同步通信发送时钟信号或多个字节的RAM中的数据。DS1302对于每一位读者需要16个时钟脉冲，脉冲输入操作前8地址和写命令。DS1302实时数据读写、起止时间控制照明灯具。在此系统中，ATmegal6单片机为主要设备，DS1302的设备和从设备接收数据，发送数据。SCLK，I/O，RST。与7必须1；00意味着向芯片写入数据，读取数据从芯片到1；位6～位1选定芯片中的地址。后8个脉冲写入或读出数据。本次系统设计中系统时钟所采用的晶振为50MHz的有源晶振，该有源晶振主要采用3.3V的直流电源作为系统时钟电路的供电电源。经实际电路测试，该时钟电路可以稳定输出50MHz的时钟频率，在示波器中实际测试观察可以看到频率中的纹波很小几乎可以忽略不计，该时钟电路是单片机最小系统中常用的系统时钟电路，因此该设计电路非常可行，稳定性也很好。图5:时钟模块硬件电路图2、复位电路本文采用广泛的单片机ATmegl系列、复位电路如图6所示，有效时间超过24振荡周期可以完成复位操作。当系统处于正常工作状态，和振荡器稳定，如果有其他高水平销和维护两个机器周期(24)振荡周期以上，CPU可以响应和重置系统。RST销复位信号输入，复位信号的有效高度，RST有一定宽度的脉冲，可以有效地实现电动自动复位和手动复位。从其他ATmegal6复位信号芯片的施密特触发器的输入。在12MHz时钟时，通常C7可取22μF，R2可取1kΩ，需持续2μs以上才能完成复位操作。图6:复位电路随着时间的增加，电容电压值增加缓慢，和RST销上的电压逐渐降低，当RST销的电压值降至较低水平，单片机恢复正常，呼吁电动复位。3、单片机电源的设计utu2410-S-V3.02410开发板电压设计采用5V输入主板，经电压稳压，提供I/O端口需要的电压3.3V。要核心板上采用稳压模块供CPU内核电压（2.5V或1.8V）电源电路如图7所示。LCD的CCFL背光使用12v电源控制电路，稳压电源直接提供的，地板使用5v电源电路，稳压电源直接提供的。图7:电源电路设计图12V转5V（三）系统外围电路设计1、独立控制键电路键盘是人机交互的重要部件。键盘包括2个独立按键S2和S3，一端与单片机的P1.3和P1.4口相连，另一端接地，当按下任一键时，P1口读取低电平有效。系统上电后，进入键盘扫描子程序，以查询的方式确定各按键，完成温度初值的设定。键盘操作模块在电风扇底座部分有一个3x3小矩阵键盘，可以进行风的强度、类型、定时等系统设置，按键电路图如图8所示。图8:按键控制原理图2、LCD显示模块的电路设计液晶显示采用LCD12864，这样就算是在不使用计算机的情况下，控制系统系统也能正常运行，并且能具有直观的可视性。在显示模块方面我们使用的是液晶屏，以下对液晶显示屏作简单的介绍。同CRT显示器相比，LCD显示器的平面显示技术零件少、桌面占据少、耗电量较小，但CRT技术更为稳定成熟。图9:ATMEGA16L单片机中LCD的电路图图10:LCD系统总线图在ATMEGA16L单片机的LCD控制器是用来传输视频数据，有VD(23:0)共引脚23个用于传送视频资料，并产生诸如VDENS，VSYNC，VCLK，HSYNC等必要的控制信号，其中VDENS是数据有效标志信号端口，VCLK是像数时钟信号端口，VSYNC是指帧同步信号端口，HSYNC是指行同步信号端口。3、报警提醒模块蜂鸣器使用PNP三极管进行驱动控制，蜂鸣器使用的是交流蜂鸣器。当在BEEP输入一定频率的脉冲时，蜂鸣器蜂鸣，改变输入频率可以改变蜂鸣器的响声。因此可以利用一个PWM来控制BEEP，通过改变PWM的频率来得到不同的声响，也可以用来播放音乐。若把JP7断开，Q4截止，蜂鸣器停止蜂鸣。图11:蜂鸣电路图（四）智能管家系统的传感器模块选用1、光敏传感器窗帘智能管家系统的光控功能是可以根据光照的强弱来自动控制窗帘的开闭的，因此需要用到光照传感元器件，在本设计中采用了光敏电阻。应用光控原理工作，天亮窗帘自动打开，天黑窗帘自动关闭。由运放组成比较电路，同向输入端有两个电阻分压得到一个电压值，作为基准电压进行比较，而反相输入端用一个光敏电阻对外部环境的光线进行采集，利用光敏电阻暗时电阻大，亮时电阻小的特点，来确定反向输入端的电压值。图12:光敏传感器2、温度传感模块采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM，温度传感器，非挥发的温度报警触发器TH和TL，高速暂存器。DS18B20的管脚排列如图13所示。图13:DS18B20管脚图在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5KΩ左右的上拉电阻.我们采用的是第一种连接方法，如图14所示:把DS18B20的数据线与单片机的13管脚连接，再加上拉电阻。图14:温度传感电路图（五）步进电机驱动板考虑到智能管家系统的实时性和控制的精确性，本课题用ATMEGA16L单片机设计了步进电机的控制器单独对电机进行控制。步进电机的驱动电压，本系统选用的驱动电压为机车电源电压110V。步进电机驱动模块为智能窗帘的正常行驶提供动力，本系统选用的步进电机是L298N型功率为70W的空心杯转子步进电机，考虑到该电机所需要的输入电压和输入电流都很大，所以驱动芯片选用美国公司生产的L298N驱动器。使用PWM波进行占空比调速，参数配置方便而且可调性更高，电机正反转时还有LED指示灯显示控制效果，非常直观方便。图15:电机驱动L298N电路图三、智能窗帘系统的软件设计（一）统软件总设计主程序构成无限循环，主要完成单片机初始化，关中断，菜单显示内容初始化，按键控制，电机运行，计时等功能。主程序软件设计流程图如图16所示。开始开始关中断设置推显示短路帽？触发控制外部触发？设置时间到点？开始计时电机工作完成？电机停止YNYNNYYN图16:主程序软件设计流程图启动智能管家系统的主程序，先关中断并且设置堆栈，接着初始化寄存器，初始化显示内容；然后根据短接帽是否连接执行相应的操作。（二）系统软件子程序设计1、步进电机程序设计步进电机程序设计的主要任务是：（1）判断旋转方向；（2）按顺序传送控制脉冲；（3）判断所要求的控制步数是否传送完毕。步进电机工作流程图如17所示。开始开始步进电机正转？传送正转的脉冲序列传送反转的脉冲序列传送步数是否完毕？传送步数是否完毕？返回图17:步进电机工作流程图表1:步进电机转向表橙黄粉蓝十六制（P1口）10000X0811000X0C01000X0401100X0601000X0200110X0300010X0110010X092、键盘程序设计在操作按键时，无论是按下还是松开，触电在闭合和断开时均会产生抖动，此时逻辑电平是不稳的，如果得不到正确的处理，可能会引起单片机对按键命令的错误执行。解决这个问题的简单方法是利用软件延时。在单片机处理按键操作后都延时5ms，如果确定是按键后再延时12ms，这样基本可以避免键盘的抖动。然后由单片机运行键码分析，并执行相应的命令，显示并且返回。图18是键盘设计流程图。两次调用显示程序两次调用显示程序返回开始按键？调用显示程序延时分析按键，执行YN图18:键盘设计流程图在单片机应用系统设计中，系统有两性能很大一部分取决于键盘处理程序。在按键时按得快了没有反应，按慢了一连响应几次，总给人迟钝感，不能使人满意。在该设计中用以下思路设计的键处理程序。3、定时程序设计定时程序的主要作用是在用户设定的时间后能够使单片机收到一个中断信号，从而发出相应的指令，控制窗帘的开关。时钟芯片发出50ms的信号给单片机后，计数器开始工作，计数器记到20，则时间即为1秒，秒单元加1，当秒单元计数到60，分单元加1，此时秒单元清零。当时单元计数到24.时单元清零。图19是定时程序流程图。开始开始计数器满20秒加1秒满60分满60时加1时满24清零返回图19:定时程序流程图4、报警子程序程序设计蜂鸣器在其两个保险丝只有3至15v直流电压，可以产生大约3KHZ的声音蜂鸣器振动。可以使用一个晶体管驱动程序。报警程序设计如图20所示。超速报警电路超速报警电路报警鸣音不报警判别触发信号YN图20:报警程序流程图5、系统显示子程序因为通过模数转换模块，使单片机的数据以16进制储存于寄存器当中，为了让LED显示需要转换为BCD码。本次采用软件消抖，通过调用子程序延时来解决，可以很好地解决单片机的抖动问题。驱动HD7279驱动HD7279选择段、位码LED显示数据传输YNLED闪烁LED闪烁≤2m≥15m图21:LED显示子程序流程图6、温度测量子程序DS18B20程序流程图如图22所示：开始开始调初始化子程序设置跳过ROM命令CCH，调写命令子程序设置启动温度转换命令44H，调写命令子程序调延时子程序调初始化子程序设置匹配命令BEH，调写命令子程序设置温度数据存放位置，调写命令子程序读出数据结束图22:DS18B20程序流程图由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送。因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。系统还有一个循环显示数码管程序编辑及小部分元器件控制程序。四、结论本次设计系统地介绍了窗帘智能管家系统的硬件电路设计以及软件设计。在总体方案设计中以光敏电阻和雨滴传感器作为信号的传感器，使得设计的