《基于单片机的智能家居控制系统设计》4400字

基于单片机的智能家居控制系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u7830关键词：智能家居温湿度控制防火控制 2184621研究背景及意义及内容 278491.1研究背景及意义 2320801.2本文研究内容 3264882系统的总体设计 3204422.1系统设计功能方案 3139712.2总体方案设计 495912.3硬件设备 5101323硬件设计 519731适用于系统的硬件结构组合层，有关模块的硬件电路设计进行分析和论述。 5206093.1温湿度模块设计 5174463.2智能窗帘控制模块设计 687923.3火灾预警模块设计 79153.4防盗控制模块设计 8140503.5无线射频通信模块 9308834智能家居控制系统软件设计 9159404.1开发平台搭建与部署 9130304.2主要模块设计 1045795系统测试 1422004结论 16摘要：伴随着科技的飞速发展，人们对智能家居的关注也与日俱增。当前智能家庭网关市场及功能不完善，数据传输复杂，难以满足家庭需要。本文设计了基于互联网的智能家居网关，主控制器STC15F204EA，通讯网络是ESP8266无线Wi-Fi,光敏法确定厨房火灾报警的光感烟雾传感器，MQ-2型烟雾传感器于厨房火灾报警，本文设计的这个系统可以实现防盗功能，并且创建了自身的执行系统，且通过了各种测试。经试验验证，本文设计的智能家居控制系统稳定可靠，可广泛应用于各种家居生活环境。关键词：智能家居温湿度控制防火控制引言(绪论)伴随着智慧化进程的加快，使自动化的智能家居能够迅速的发展，改变着人们的起居方式，不断提高着人们的生活品质，也让生活更加安全便捷。当人们出行离家时，经常会担心家居电器等的安全问题，设计的这个系统，能够尽可能的帮助人们缓解这个情况，人们可以通过手机或电脑时时关注家里的状况。并且所具有的两种模式功能能够进行操作，让其能够在外出家里无人时对家庭安全更加放心有保障，在居家使用时的起居生活也会更加的顺畅舒适。1研究背景及意义及内容1.1研究背景及意义智能家居系统是一项综合技术。是多种现代化技术的结合（例：电力线、嵌入式单片机、无线通讯网络等），通过智能网络连接各种家庭设备（例：灯光、安防、空调、咖啡机等电器），使家庭生活的所有方面都更加有趣并且大大的减少人和物的使用。这个概念由来已久，它起源于美国，他使用起来比手工操作安全保护措施更加的简单、处理问题比较快、解决问题的效率高。能够更好地满足现代社会人们的安全保护需求。安防报警系统首先在欧美国家推广应用，八十年代才进入国内市场，起步较晚。所以从技术和普及程度等都远不及西方的一些国家，有很大的发展空间。普通的多功能智能家居安防系统需要手动使用，但一些设备安装位置有很多缺点，非常不方便，对用户需求容易出现的问题，采用一体化、远程信息网络化的系统较为有优势，为此低成本、使用方便、实时动态监控的智能家居监控系统就有很大的市场空间。1.2本文研究内容本文内容结构安排如下：（1）设计方案：说明设计原则和方案选择及选择理由，以及说明方案所具有的功能。（2）系统硬件设计：制作并分析电路原理，选取所需要的元器件。（3）系统软件设计：明确开发所用的工具，制作所涉及的流程或者功能图。（4）根据设计方案进行测试，并对数据进行分析。（5）结论。2系统的总体设计2.1系统设计功能方案（1）家居用电设备管理集中检测控制家用电器设备。即开机、查询、关机，改变家用电器的工作状态。移动设备上在用户操作完成后，将电力设备的工作状态进行即时实时显示。（2）报警功能在此基础上，实现远程实时数据采集处理，异常警报。（3）联网功能通过软件与系统连接，远程监控智能设备工作状态，分享资源，控制节能。（4）情景模拟具有情景模拟功能智能家居控制系统应能模拟用户对家庭照明系统及部分电器的使用习惯，可以设置生活化情景模拟，控制部分家电，形成家里有人的情景达到防盗的功能。（5）人性化的操作界面现在智能设备的操作界面功能越来越强大，大多数已经放弃传统的菜单式选择方式，通过图标等控制，操作更简洁人性化，因此，在进行系统操作界面的设计时，优先选择图形操作界面，应尽量简洁，并考虑用户的操作习惯。2.2总体方案设计2.2.1硬件方案设计如图1，单周期STC15F204EA单片机指令执行速度快,另外可以升级软件通过远程操控。图1框架图2.2.2软件架构设计如图2是系统整体框架。图2整体结构Bootloader的作用是对系统数据设置成原始值，并为系统内核提供服务，从而完成内存空间的映射。2.3硬件设备STC15F204EA单片机、SHT11温湿度传感器等设备。3硬件设计适用于系统的硬件结构组合层，有关模块的硬件电路设计进行分析和论述。3.1温湿度模块设计3.1.1温度控制系统结构显示器实时显示用户键盘自主设置的温度，设置合适温度。图3温度控制系统3.1.2温湿度的硬件电路SHT11数字温湿度传感器特点：高度集成；接口简单，传输可靠；编程调节精度内置A/D转换器；测量精度高；封装尺寸小；如图4：由电容聚合型湿敏元件和温度敏感元件组成。放大器放大信号，A/D转换器转换，二线串行数字接口输出数字信号。SHT11内有加热器在内部，加电后温度提高约5℃，且增加功耗。验证传感器元件性能通过加热前后的数据。加热可以缩短响应时间，提高测量精度。图4SHT11内部结构3.2智能窗帘控制模块设计3.2.1智能窗帘控制系统结构从图5中可以看出，智能窗帘控制系统通过感光传感器将光强进行数据处理，然后传输到单片机，再驱动电机关闭或打开窗帘。图5智能窗帘控制系统结构框图3.2.2电动窗帘硬件电路本文主要采用GY-30光敏电阻进行光照度的检测。（1）I2C总线接口。（2）光谱的范围是人眼相近。（3）照度数字转换器。（4）范围广、分解高。（5）低电流关机功能。（6）50Hz/60Hz光噪声reject-function。（7）1.8V逻辑输入接口。（8）无需任何外部零件。（9）光源依赖性小。（10）可以选择2种类型ICslave-address。（11）小测变异（+/-20%）。（12）的红外线的影响很小。具体电路图如下所示：图6GY-30光照采集电路图按图7所示，设计了基于L9110驱动芯片的电动窗帘。本芯片适用于电机的控制和驱动。单片机向芯片发送PWM信号，控制电机的正反转和速度。图7原理图3.3火灾预警模块设计3.3.1厨房防火控制系统结构如图8，对厨房安全准确把握，模拟电压经火焰、烟感传感器经A/D转换，单片机处理转换后由数码管显示火焰及烟雾程度，超过设定值时，启动报警。图8厨房防火控制系统3.3.2厨房防火控制电路设计利用MQ-2型烟雾传感器报警。MQ-2烟雾传感器可以将可燃气体含量转化为电压或电流信号，单片机完成控制处理、信号发送等功能，有效地实现了对火情的探测。硬件电路原理：MQ-2型烟雾传感器在容易燃烧的气体中，导电性随可燃气体含量增加而增强。图9为电导变化的信号输出。图9MQ-2硬件电路图硬件电路：VCC接5V电源正极；Dout为数字信号输出端，可直接与STM32F103ZET6MCUI/O接口连接；Aout为模拟信号输出端，可接AD转换模块输入口；GND为5V电源负极。放大传感器所测出的烟雾浓度值对应的电压信号，转换至更大的电压信号送至单片机。3.4防盗控制模块设计3.4.1防盗控制系统结构如图10所示，报警器模块有两个功能：报警灯报警和声响报警。如果采集到的数据之间有较大差异，则启动报警，通知警卫。图10防盗控制系统框图3.4.2防盗控制电路设计为了使防盗的功能覆盖面积更大，我们采用了热释红外传感器加菲涅尔透镜来增加其涵盖范围，大致基本起居空间。可监测范围大，灵敏性高，可靠性强，成本低。选择BISS0001芯片，只需少量外接分立件，就能构成一种实用、灵敏、被动的热释电红外线探测装置。有重复和非重复触发两种工作方式。下面的图11显示了它的电气原理图。图11热释红外线检测电路3.5无线射频通信模块采用集成度高、功耗低、小型化的ESP8266芯片，其适合用于无线控制领域。可通过

AT指令对ESP8266模块进行配置，系统通过STM32F103单片机发送AT指令对其进行初始配置。如图12，ESP8266是高度集成的最小系统芯片，MCU的联网功能通过串口与主控板进行数据通讯完成。支持SOC设计，通过IO口直接控制外部安装。图12电路图4智能家居控制系统软件设计4.1开发平台搭建与部署MDKEIL是单片机使用的编程软件。使用最新的μKeilVision5，一个功能强大的仿真编译软件可以完美匹配M3-Cortex单片机内核.J-LINK调式可以在线上，程序可移植性很强，被程序员们广泛使用。KeilC51系列软件兼容单片机C语言软件开发系统。Keil软件集成了许多强大的现代化的编译工具，提供了一个良好的平台程序员让使用++C/C语言程序设计。举例来说，51系列MCU就是用原始版本的语言编写的，KeilVision2。用Visio绘制所需图表。图形分类简明，自带图库供用户需求，工具简单易操作，可以非常方便的进行图形细节的修整和添加。既方便上手，又不缺乏专业技能。该系统操作简单，方便，可以灵活进行图形绘制，智能图形技术的采用，优化了用户的使用感。自带电气元件库而且绘制流程图、基本框图等。可用于绘制电路图，是一种简单易行的绘图软件。Visio软件就是因为这些突出的优点而被众知使用。4.2主要模块设计4.2.1模数转换器数据采集程序单片机有两个模数转换电路,可最多共享21个外通道。执行模式多样。每次采样所完成时间可以不超过1秒。如图13。 图13流程图RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_ADC1，ENABLE）RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOC，ENABLE）；4.2.2温度控制如图14，启动了单片机之后，手动的设置温度的最高值和最低值，显示当前温度，判断是否超出范围。如果是，启动继电器，控制空调开启，同时继续监测室内温度；如果没有超出范围，则继续检测。图14流程图4.2.3窗帘的控制流程图15窗帘的控制系统如图15，启动单片机，传感器收集信息，感应光强度范围（>1000Lux，<5Lux），判断是否在限制范围内，不在则启动直流电动机，当帘幕接触到轻触开关时，电动机停止。4.2.4火灾预警流程如流程图：启动了单片机后，传感器进行数据检测和判断，检测数值达标情况，如果数据超过了标准值则启动报警装置，如果没有，则继续判断检测。当报警装置启动后，需要人工还原装置。图16防火预警系统4.2.5盗窃预防控制流程热释红外线检测节点的程序设计也是使用Z-StackAPP中的应用程序框架，再在其中添加RE200B的信号处理电路BISS0001的驱动程序构成。如图17，单片机上电后，初始化，热释电红外传感器感应非法闯入的人员的进出情况，有进入则声光报警启动10秒后停止报警，然后循环工作，监测信号触发情况，等待报警，使报警装置继续工作。 图17家居防盗控制系统 5系统测试为了对系统的功能进行检测，具体以温湿度为例，对其进行检测，检测结果如下：打开电源进入页面，操作界面见图18。使用者按下温湿键，温湿资料会显示在相应的方块上。使用者设定温湿度，当环境温湿度发生变化时，可自动启动电机模组，模拟空调及除湿装置，配合恒温恒湿智能管理功能。图18运行界面测试结果：结论我国人民群众的生活质量水平在这个经济高速发展的时代中对比八十年代早已产生了天翻地覆的变化。新兴产业力量庞大，科学技术实力也在日益增强，带动着整个国