智能家居定时开关设计毕业设计论文 精品.docx

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智能家居定时开关设计毕业设计论文精品

南京工程学院

自动化学院

本科毕业设计（论文）

题目：

智能家居定时开关设计

专业：

自动化（数控技术）

GraduationDesign（Thesis）

TheDesignofTimingSwitch

ofSmartHome

By

Supervisedby

Seniorexperimentalist

SchoolofAutomation

NanjingInstituteofTechnology

MAY,2012

摘要

论文设计完成的智能家居定时开关控制系统主要通过AT89S52单片机做为主控器实现，介绍了智能家居定时开关控制系统的结构、功能和特点。

家电控制的智能化已成为社会需求的新趋势。

基于微机控制系统的智能化家电使我们的生活更加便利。

而是否能够实现远程家电的开关控制，又是否能够随时查询电器的工作状况，或者能够事先对家电的定时开关做出控制，又成为越来越受关注的研究方向。

本论文重点介绍了以AT89S52单片机为主控制器的输入、输出硬件接口电路的设计，并对其特点做出阐述，并结合控制系统的功能要求，对软件设计的程序流程及实现的基本过程进行了说明。

该设计基本功能和组成包括：

以AT89S52单片机作为中央处理器，组成最小系统；修改和读取串行时钟；具有按键电路；具有手动和自动控制功能，控制四路继电器开关通断，通断状态由指示灯指示；具有与计算机通信的串行接口设计时钟电路，能修改和读出实时时间；具有串行通信接口；具有手动、自动控制电路及继电器开关控制电路；具有单片机程序下载接口和设计系统典型测试点电平或电压输出接口。

关键词：

智能家居；定时开关；AT89S52

ABSTRACT

ThispapercompletedthedesignoftheintelligenthomefurnishingtimingswitchcontrolsystemmainlythroughtheAT89S52microcontrollerasthemaincontrolunit,intelligenthomefurnishingtimingswitchcontrolsystemstructure,functionandcharacteristic.

Householdappliancesintelligentcontrolhasbecomethenewtrendofsocialdemand.Microcomputerbasedcontrolsystemforintelligenthomeappliancemakesourlifemoreconvenient.Butwhethercanrealizeremoteswitchcontrol,andwhethercaninquireelectricalwork,ortoadvancetotheappliancetimerswitchtocontrol,andhasbecomeincreasinglyconcernedabouttheresearchdirection.

ThispaperintroducestheAT89S52MCUasthemaincontrollerinput,outputhardwareinterfacecircuitdesignanditscharacteristics,explain,andthecombinationofthefunctionalrequirementofthecontrolsystem,thesoftwaredesignprocessandtherealizationofthebasicprocessexplained.

Thedesignincludes:

thebasicfunctionsandcompositionwithAT89S52microcontrollerasthecentralprocessor,consistingofminimalsystem;modifyandreadtheserialclock;akeycircuit;havingamanualandautomaticcontrolfunction,controlfourrelayswitch,on-offstatebytheindicatorlight;havingacomputerwiththeserialcommunicationinterfacedesignofclockcircuit,canmodificationandreadouttime;withserialcommunicationinterface;havingamanual,automaticcontrolcircuitandarelayswitchcontrolcircuit;singlechipprogramdownloadinterfaceanddesignsystemoftypicaltestpointleveloravoltageoutputinterface.

Keywords:

smarthome；timingswitch;AT89S52;

第一章绪论

1.1引言

智能家居概念的起源很早，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（UnitedTechno1ogiesBuildingSystem）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut）哈特佛市（Hartford）的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此也揭开了全世界争相建造智能家居的序幕。

智能家居又称智能住宅，在国外常用SmartHome表示。

与智能家居含义近似的有家庭自动化（HomeAutomation）、电子家庭（ElectronicHome、E-home）、数字家园（DigitalFamily）、家庭网络（HomeNet/NetworksforHome）、网络家居（NetworkHome）、智能家庭/建筑（IntelligentHome/Building），在中国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。

智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。

智能家居集成是利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设备集成。

由于智能家居采用的技术标准与协议的不同，大多数智能家居系统都采用综合布线方式，但少数系统可能并不采用综合布线技术，如电力载波，不论哪一种情况，都一定有对应的网络通信技术来完成所需的信号传输任务，因此网络通信技术是智能家居集成中关键的技术之一。

传统意义上一般都认为智能家居是带来生活品质的提升，其实物联网智慧家居正在改变这些观点，最显著的变化就是实用、方便、易整合。

每一个家庭中都存在的各种电器，不管是号称智能的冰箱、空调还是传统的电灯、电视一直以来由于标准不一都是独立工作的，从系统的角度来看，他们都是零碎的、混乱的、无序的，并不是一个有机的、可组织的整体，作为家庭的主人面对这些杂乱无章的电器其消耗的时间成本、管理成本、控制成本通常都是很高的并且是非必要的。

智能家居实现的基础功能大概分为六类，分别为：

1、始终在线的网络服务，与互联网随时相连，为在家办公提供了方便条件。

2、安全防范：

智能安防可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。

一旦出现警情，系统会自动向中心发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而实现主动防范。

3、家电的智能控制和远程控制，如对灯光照明进行场景设置和远程控制、电器的自动控制和远程控制等。

4、交互式智能控制：

可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能；通过各种主动式传感器（如温度、声音、动作等）实现智能家居的主动性动作响应。

5、环境自动控制。

如家庭中央空调系统。

6、提供全方位家庭娱乐。

如家庭影院系统和家庭中央背景音乐系统。

1.2课题背景与意义

随着社会的发展，科技的进步，家电控制的智能化已成为社会需求的新趋势。

基于微机控制系统的智能化家电使我们的生活更加便利。

而是否能够实现远程家电的开关控制，又是否能够随时查询电器的工作状况，或者能够事先对家电的定时开关做出控制。

又成为越来越感兴趣的研究方向。

家电产品现已进入成熟期和稳定期。

市场规模稳步上涨，但竞争日愈剧烈，其核心部件。

即控制器性能及质量对企业产品的影响很大。

同时，经济快速发展，人们对于家庭生活的舒适程度也提出了越来越高的要求，尤其体现在家电的便捷方面。

在这个背景下，可以自主控制的家电控制系统，就逐渐显示出竞争力，这也符合时代发展的客观需要。

随着中国经济的快速稳步增长和迅速发展，家电厂家越来越意识到被喻为家电“芯片”的家电控制器的重要性，因而纷纷与专业的研发公司或厂家合作，开发符合市场需求的、具有行业领先水平的控制器。

目前关于家电控制器的研究和设计方案提出的很多，但仍有许多问题尚待解决，如没有统一的互操作规范等。

但是，一些领先技术已经开始被应用于今天的家电控制领域。

如：

电话远程控制、红外线遥控、语音识别等等。

如将语音识别技术应用到电器产品，来实现语音提示操作，从而使系统具有更加良好的操作界面等。

随着相关技术不断进步，互操作型智能家电必将向着调度智能化、灵活性和互操作性的方向发展。

从而进入寻常百姓家。

1.3智能家居定时开关系统完成的功能

智能家居定时开关设计，是以AT89S52单片机为控制核心，以DS1302为时间芯片构成。

单片机通过按键程序输入信息，产生控制信号，导入给时钟电路，使四路继电器能分时控制，实现定时开关功能。

同时能够通过按键电路手动控制继电器开通关断。

通过数码管显示时间，具有报警电路和串行接口，能够实现联机通信。

1.4本文的结构

本文以单片机的研发工程项目作为应用背景，对智能家居定时开关技术进行了研究。

全文共分为七章，各章的主要内容如下：

第一章扼要地介绍了智能家居的概念、特点与相关研究背景；

第二章介绍了主控器AT89S52单片机的功能作用；

第三章对系统硬件进行了研究，讨论了硬件的设计方法；

第四章对系统软件进行了研究，讨论了软件的设计方法；

第五章为硬件与软件的调试；

第六章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。

第二章单片机AT89S52的性能介绍

2.1单片机的概述

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机也被称为微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

　　早期的单片机都是8位或4位的。

其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。

基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。

随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。

90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。

随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。

而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。

而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。

事实上单片机是世界上数量最多的计算机。

现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。

手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。

而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。

汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！

单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

单片机有以下的硬件特性：

1、单片机集成度高。

单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031无）、128B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口。

2、系统结构简单，使用方便，实现模块化。

3、单片机可靠性高，可工作到10^6-10^7小时无故障。

4、处理能力强，速度快。

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等都运用了单片机的功能。

2.2单片机AT89S52简介

2.2.1AT89S52概述

AT89S52是一种低功耗，高性能CMOS8位控制器，具有8K在线系统可编程存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

2.2.2功能简述

AT89S52单片机共有40个引脚，分为P0、P1、P2、P3口以及控制口、电源和时钟引脚，芯片管脚具体如图2.2所示。

AT89S52具有以下标准功能：

40个引脚，8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，6个中断源，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2钟软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

AT89S52的芯片引脚如图2.2所示。

由于它的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是很经济的.该芯片具有如下功能：

①有1个专用的键盘/显示接口；②有1个全双工异步串行通信接口；③有2个16位定时/计

数器。

这样，1个89S52，承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。

89S52有40个引脚，有32个输入端口（I/O），有2个读写口线，可以反复插除。

所以可以降低成本。

图2.1AT89S52芯片引脚图

2.2.3管脚说明

P0口（32脚~39脚）：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

在FLASH编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口（1脚~8脚）：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）,具体如表2.1所示。

在FLASH编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

表2.1P1口第二功能表

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

P2口（21脚~28脚）：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在FLASH编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口（10脚~17脚）：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表2.2所示。

值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。

在FLASH编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

Vcc（40脚）：

接+5V电压。

Vss（20脚）：

接地。

RST（9脚）：

当振荡器工作时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。

XTAL1（19脚）：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2（18脚）：

振荡器反相放大器的输出端。

/PSEN（29脚）：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

ALE//PROG（30脚）：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

/EA/VPP（31脚）：

外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

表2.2P3口第二功能表

引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行口输入端）

P3.1

TXD（串行口输出端）

P3.2

/INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）

P3.3

/INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）

P3.4

T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）

P3.5

T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）

2.2.4AT89S52单片机主要特征

1、兼容MCS-51指令系统。

2、32个可编程I/O口线。

3、3个16位可编程定时/计数器。

4、全双工UART串行中断口线。

5、8个中断源。

6、中断唤醒省电模式。

7、看门狗（WDT）电路。

8、灵活的ISP字节和分页编程。

9、4k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM。

10、4.5-5.5V工作电压。

11、时钟频率0-33MHz。

12、128x8bit内部RAM。

13、低功耗空闲和省电模式。

14、3级加密位。

15、软件设置空闲和省电功能。

16、双数据寄存器指针。

17、全双工UART串行通道。

第三章系统硬件设计

3.1系统总体设计

温度计电路设计总体设计方框图如图3.1所示，控制器采用单片机AT89S52，采用DS1302作为时钟芯片。

图3.1总体设计方框图

3.2单片机最小系统设计

单片机最小系统：

所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统。

一般来说，它包括单片机，晶振电路和复位电路。

3.2.1复位电路

为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，而复位电路设计的好坏，直接影响整个系统的可靠性。

许多用户在设计完单片机系统并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作。

单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡期稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

目前，单片机的复位方式主要有2种，即手动复位和上电复位，本设计中采两种复位方式都被采用。

复位电路如图3.2.1所示:

图3.2复位电路

通电前电容C1两端电压都为0，通电后C1正极电压为+5V，由于电容两端电压不能突变，所以RST端也为+5V为高电平，由公式（3-1）可算出RST端高电平持续时间为34.5ms远远大于单片机两个机器周期2.17us，因此单片机复位，这就是上电复位。

（3-1）

其中，U0为初始电压，τ=RC。

通电一定时间后，当按下按键S1，RST端电压大约为4.2V为高电平，因为按键的时间肯定会超过了两个机器周期，所以单片机复位，这就是手动复位的过程。

其中，电阻R1、R2起分压作用