基于单片机的智能家居毕业设计正文最终版.docx
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基于单片机的智能家居毕业设计正文最终版
附录2：
电路原理总图
第一章绪论
1.1智能家居简介
随着现代科学技术的进步与发展，智能家居作为一个新生产业，目前处于一个导入期与成长期的临界点，市场消费观念还未形成，但随着智能家居市场推广普及的进一步落实，培育起消费者的使用习惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明。
正因为如此，国内优秀的智能家居生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究，一大批国内优秀的智能家居品牌迅速崛起，逐渐成为智能家居产业中的翘楚!
智能家居至今在中国已经历了近12年的发展，从人们初最初的梦想，到今天真实的走进我们的生活，经历了一个艰难的过程。
智能家居很早就出现在人们的定义当中，但很长时间以来都没有真正意义上的智能家居成型，到了1984年美国联合科技公司（UnitedTechnologiesBuildingSystem）将智能信息融入建筑设备中，在整合的基础上应用到了美国康乃迪克州哈特佛市的城市地标性建筑中时，出现了世界上的首栋智能化建筑，也正是从那时开始，智能化家居正式融入到现代生活中。
智能家居控制的发展关键在于设计理念以及经营者的心态，市场目标客户真正需要什么东西，如果只注重签单，不设身处地的为客户着想，不兼顾智能解决未来的发展，提供片面的智能家居解决方案，而不考虑客户的适用性，是不可取的，是急功近利的表现，这不仅降低了智能家居的应用效果，还不利于整个智能家居行业的发展。
智能家居控制系统的市场不是一般普通的商品买卖，而是一项系统性工程，它涉及到很多技术，涉及到人们生活的方方面面，智能家居控制系统的终极目标是一种理想，更是一种理念，要想智能家居控制系统有很好的发展，研发机构必须本着长远发展的心态，本着简化、实用、性价比高、适合市场的理念，虔诚研究人们的生活、习惯、精神文化等需要，并把它看最高目标，运用各种技术手段实现它。
在国内，智能家居不是单纯意义上的智能产品，也不能被狭义的理解为小区智能化，而是基于小区的多层次家居智能化解决方案。
它综合利用主控平台、无线连接及通信、设备管理、整体布局布线等手段，将住户智能化管理、交互共享及消费服务、小区安防监控等常见家居因素协调配合并最终整合为整体，在原有小区智能化的大面上延伸到小区内部室内家居的具体环节，构建出高效、舒适、安全、便捷的个性化住宅空间。
近几年，很多研发机构和厂商已经意识到家庭安全的重要性，把智能家居作为一个重要的方向和项目来研究，并纷纷投入大量人力财力，使智能家居真正的走向市场和产业化生产。
智能家居是一个具有交互能力的平台，并且通过平台能够把各种不同的系统、协议、信息和内容控制在相对独立的模块单元中中进行传输、交换。
它具有以下特点：
1）每个模块化系统在脱离了智能家居的前提下也能实现原有功能。
智能家居各模块交互过程中，各个模块化系统在脱离了整体化智能家居的平台时，仍然能够独立完成自己在原有整体系统中的功能，比如跨楼通讯、室内安全防护、多样的设备管理、家庭消费服务等。
每个单独的模块在整体系统的平台管理下独立运行的同时，平台又能能提取各个模块化系统的运行状态及实时数据，实现家居系统的连动机制。
2）品牌各异的产品在各有千秋的传输协议控制下仍能通过平台进行信息交流与数据传输。
由于交互平台的出现，分工明确的各模块化系统在交互平台的统一管理下，能够实现协调运作和运行数据的共享流通，为住户提供较大的取舍空间，并能根据业主需求真正实现独具个性的智能化家居设计。
而且，家居系统还有网络关卡这一功能，通过家居互动平台，达到在广域网的连接下，实现遥控管理和实时控制。
具有样式各异的主流控制端口，如对RS485、RS232、IP等信号都能实现控制和管理，并且还可以扩充添加国内外时下较为流行的控制端口，如EIB、Lonwork、CE-bus、Canbus，以及无线网络，如：
WiFi、GPRS、蓝牙等。
根据业主的需求和产品的更新换代及时填改各种总线接口、硬件连接端口和驱动软件等，风格迥异的连通方式、功能控制端口，为模块化系统的多种选择奠定了坚实的基础，只有智能家居系统不断扩大自身的兼容性和整合性，才能赢得更多不同需求的用户和业主。
3）智能终端（触摸屏）只能作为各个模块化系统的实时显示和控制信号传出端。
整个智能家居系统在交互平台的协调控制下有条不紊的运行，智能终端（触摸屏）只作为各模块化系统的实时显示和控制信号的发出端，具有多功能的智能终端配置便于操作。
而且，平台增加了智能终端的实时显示功能，保证其在各模块系统运行的同时，对系统的运行状态和结果进行实时记录和相关显示，让业主对当前系统状态一目了然，同时为系统运行的优化提速提供了基础。
在智能家居的交互平台里，系统能收录和存储各模块化系统的运行数据，对各模块的有效运行提供有效的数据数据，并可以根据历史的运行数据，总结出不同业主的的使用习惯和某种行事规律，让系统能够实现自学习，以便更好的服务业主。
4）控制软件可编程（DIY），提供信息服务。
此系统方便用户改变控制逻辑、控制方式、操作界面，用户的控制逻辑、操作界面可以自定义、可以DIY。
在当前流行的家居智能控制系统中，信息服务是一个特别关键而且无法取代的重要环节，配备了信息服务后，它让智能家居系统在越变越聪明的同时，更给我们的日常生活带来了相当一部分的实时资讯和新闻资源，使得智能家居更贴近我们的生活，就像一个勤恳的“大管家”一样，让智能家居变得更加真切有形，就像它不是虚拟在呆板的程序控制中，而是和我们进行交流。
这样的智能家居或许更是现在越来越多的业主的追求。
信息服务可以涵盖多个方面，比如生活小常识、体育资讯、新闻汇总、奇闻趣事等，可以涉及到教育、消费、交通、健康养生等多个方面，让生活乐趣无穷，这应该是智能家居的最高追求。
最终，家居的智能化应该不单单是控制的系统，而应该更多的联系实际生活，让它真正融入到我们的实际信息生活中去。
5）多种控制手段。
在日常家居生活中，为了使我们对家庭的控制系统能随时掌控、需要的信息随时获取，操作终端的形式非常重要，多种形式的智能操作终端是必不可少如：
智能遥控器、移动触摸屏、电脑、手机、PDA等。
智能家居通过各个子系统的相互协调实现不同的功能，它有几个突出的功能：
1．随时在线的网络服务，保持时刻出于联网状态，为将来的远程办公奠定了基础。
2．危险防护：
智能家居的危险防护模块必须24小时监测异常情况的发生，并能及时作出反应。
比如外来人员的非法闯入、烟雾感知等，系统能随时根据实际情况启动相应的反应机制。
假如意外情况发生，系统能自行控制住异常情况的进一步恶化，并及时通知主人或相关部门，最大程度的保证主人的家居和财产安全。
3．家用电器的远程智能遥控管理，比如对家用电饭锅的何时启动的远程控制，只需业主的一条短信，就能达到远程控制的效果，空调等也有类似远程控制，真正达到主人随时控制家居状态的目的。
4．互动式人性化管理：
系统能够利用GSM的通信模块和语音芯片对家居内部家用电器的语音控制，利用很多系统中设置的如温度传感器，光敏电阻等，保证家居系统的主控模块及时响应，实现家居系统的联动响应。
5．环境自行管理。
通过各种传感器的感知，并启动响应机制，保证家居室内环境的适宜。
6．保证智能化的娱乐机制。
7．高标准的居室环境。
小到卫生间、厨房，大到卧室甚至整个客厅，都能保证高质量的环境系统，时时处处给主人最适宜的居住条件。
8．家庭信息服务：
通过形式各样的信息资源，提供给业主最周到的信息服务，让主人在居家的同时，能够全方位、多层面的了解各方面的有价值的信息，让家庭信息服务不再形同虚设。
9．家庭理财服务：
通过家庭内部的联网系统，业主可以实时管理自己在银行的账户和理财信息，并时刻提醒业主的消费账单等情况，保证主人的财产时刻处于主人的管理之中。
10．系统的智能化维护：
业主利用家庭内部的网络系统，进入家居制造商的相关网页，对家居系统的安全隐患、软件和驱动更新等进行下载后，导入家庭内部家居系统，实现家居系统离线的自行故障检测和修复，以及新功能的不断扩建。
1.2智能家居的现状
现如今中国的智能家居市场存在参差不齐的现状，各大、中、小厂家各自为政，种类繁多且互不兼容，使得智能家居市场面临瓶颈。
智能家居厂家多集中在发达的东部沿海地区，且没有形成规模化生产，与国外的产品相比而言，无论从品牌影响力还是功能实效上，都存在很大的差距。
由于市场分布的不均匀，沿海经济发达地区和内地的许多城市虽已接收了智能家居的概念，然而北方和大部分中西部地区在相对排斥和陌生的同时，更潜藏着内在的巨大市场潜力。
此外，由于智能家居系统还缺乏统一明确的国际标准，许多公司开发出的产品都是基于自己组的网络和信息交换协议，很多产品是针对特定的组网环境开发的，部分核心技术没有对外公布，技术复杂，直接导致了使用范围的局限性。
再者，缺乏对应的第三方产品，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，不利于产品的扩充，因而进一步局限了产品的发展。
再加上，有的系统成本过高，严重影响了产品的普及。
1.3智能家居的发展趋势
作为智能家居的核心系统的智能家居的控制系统，它的设计功能的完善必将推动住宅智能化的发展。
而系统功能的集成化、用户使用的傻瓜化以及市场的平民化将是智能家居控制器的发展趋势，系统也将逐步迈向绿色化。
最终，我想全人类的梦想是智能家居控制系统将囊括所有的家事杂物，让我们真正的享受舒适温馨的家庭生活。
智能家居控制系统应该提供高效、舒适的家居环境，确保住户的生命财产安全；随时监测并可以远程遥控家居室内的温度、亮度及风速等多个环境因素，保证最适宜的家居环境。
同时检查空气成分，提高空气质量；调节音响，电视等娱乐设施，愉悦心情；合理利用太阳能，灵活应对周遭环境的变化，尽可能的节约能耗，达到合理利用资源；提供现代化的通信、信息服务。
我们知道，虽然智能家居在目前已经取得了初步的成功，但是距离真正意义上的“智能化”，还是有很长距离的。
而智能家居的发展趋势主要有以下几个大方向：
1）智能化、人性化
随着人工智能的不断发展和机器人的出现，智能化已经不再那么遥远，毋庸置疑，智能化是智能控制的必然趋势。
因此，家居的智能化也必然向智能化方向发展。
同时，智能化的出现本来就是为了更好的服务于人们的生活，所以，更富人性化的家居系统也将成为智能家居未来的一个重要方向。
2）节能环保
智能化的本质之一是降低投入成本，提高产出效率，而节能是降低成本的关键。
而当前人们日益增强的环保意识，也使得绿色、环保这两个重要指标成为考核未来家居的重要参考标准，甚至是首要考虑因素。
在住宅实现了基本的智能化后，营造绿色生态的住宅，提高生活环境质量，必然成为未来智能家居的追求目标。
3）一体化
既然作为智能家居系统，各模块功能的协调配合而成的一体化，自然成了又一重要发展方向。
把各个模块智能化的功能集成，在降低成本的同时，也带来了一体化的智能家居。
4）成本低廉化
如果智能家居想开拓更大的市场，走进更多的用户住宅，高昂的投入费用会成为很多家庭选择的最大阻碍，因此，怎样从不降低智能化家居质量的同时，实现最大的低投入，让更多的消费者接受，也是智能化发展重要考虑方向。
1.4智能家居的研究意义
随着人们生活水平的不断提高，生活节奏的加快，人们不断的对居住环境提出更高的要求，越来越注重家庭生活中每个成员的舒适、安全和便利，因此从市场需求的角度来说，智能家居必然是前景广阔。
因此设计一个符合国家国情和规范的集远程控制和本地控制为一体的智能家居控制系统是非常具有现实意义的，且势在必行。
虽然智能家居经过十几年的蓬勃发展，很多功能已趋于完善和成熟，智能化家居系统的应用也越来越广泛，然而生活中的智能家居所展现出的智能化，与业主所理想的智能化还存在较大差距。
而这也推动了智能化技术在家居领域的纵深发展，并为各类智能化家居新产品的设计和研发增加了动力，同时新产品的出现，也大大丰富了智能家居系统的厚度。
因此，将智能家居作为这次研究的主要内容具有很大的现实指导意义。
本文研究的目的就是设计一个简捷有效智能家居控制系统，从温度、光线信号的采集，到LCD实时显示，并根据采集的信号不通采取相应的应对机制，以及在异常情况下实现声光报警和远程通知家主报警，从而实现基本的智能家居功能。
第二章智能家居系统方案设计
2.1系统的功能实现
智能家居系统首先要保证家居安全，因此要有相应的功能模块实现主人不在家情况下有无人员闯入，并决定是否出于报警状态。
在出于报警状态时，如果监测到人员闯入要出现声光报警。
与此同时，通过手机短信向主人报警。
另外还要单独具有一个家庭辅助功能，根据光线强弱决定是否开关窗帘，还可以定时控制家用电饭锅，空调，饮水机等。
智能家居控制系统对整个家庭内部环境进行监测和及时应对的系统，核心部分是单片机，通过与其他个监测模块和执行模块的连接，实现对室内环境的整体改变和各元件的控制。
首先，主控元件对接收到的数据（如光线强暗，温度高低）通过LCD显示模块进行实时显示，使室内情况一目了然。
然后根据各信号采集模块传送给单片机的数据，作出应对执行，实现家居系统的智能控制。
图2-1系统总体框图
2.2单片机的选择
首先将所需器件罗列，根据与单片机相连的各器件，确定整个系统所需与单片机连接的管脚数，通过查资料，由于检测人员的有无模块采用了接热释电人体红外传感器的方法，在不采用扩展的情况下，选取了STC12C5A60S2这个单片机。
因为此单片机增加了P4口，即ALE和NA接口有第二功用，可作为普通的I/O口使用，省去了扩展的麻烦。
而且此单片机内部自带A/D转换，将光敏电阻所得信号直接接在单片机的P1.0端口，这样，在光敏电阻采集模拟信号的时候，可不用转换成数字量而直接接入单片机，便于单片机的控制。
2.2.1STC12C5A60S2单片机简介
在众多的51系列单片机中，要算国内STC 公司的1T增强系列更具有竞争力，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASH ROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。
而且STC系列单片机支持串口程序烧写。
显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。
写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。
重要的一点STC12C5A60S2目前的售价与传统51差不多，市场供应也很充足。
是一款高性价比的单片机。
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期为1T的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的全新型的51单片机，能够完全识别传统51单片机的指令代码，在这基础上，运行速度却快了8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路，8路高速10位A/D转换（250K/S），2路PWM，特别适合电机控制的干扰严重的场合。
2.2.2STC12C5A60S2单片机基本特点：
1.属于增强型的51单片机内核，1T高速运行速率，单时钟的机器周期，全部兼容传统51单片机的指令代码；
2.工作电压：
STC12C5A60S2的正常工作电压范围：
5.5V-3.3V（即5V单片机）；
3.单片机工作频率：
0-35MHz，约为传统的51单片机的0～420MHz；
4用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节；
5.片上集成1280字节RAM；
6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：
准双向口弱上拉（传统51单片机的I/O口），可设置成四种模式：
准双向口弱上拉，推挽强上拉，仅为输入/高阻，开漏。
每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA；
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），不需要特定的编程器，也不用专用的仿真器，可直接经过端口（P3.0/P3.1）进行程序的下载，速度极快；
8.有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）；
9.内部自带看门狗；
10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；
11.外部掉电检测电路：
由于低压门槛比较器设置在P4.6端口，5V供电的单片机的比较门限为1.32V，误差为+/-5%，3.3V供电的单片机为比较门限为1.30V，误差为+/-3%；
12.内部自带时钟电路：
外部高精度晶振时钟，内部R/C振荡器（温漂为+/-5%到+/-10%以内）。
用户在进行程序下载时，可以对使用内部R/C振荡器还是外部晶振时钟自行选择，在常温状态下，5V单片机的内部R/C振荡器频率11MHz～15.5MHz，3.3V的单片机则为8MHz～12MHz；如果对时钟电路的要求精度不是太高，，可以考虑使用内部自带时钟，但由于制造误差和温漂等客观因素的影响，所以应该以实际为准；
13.16位定时器共有4个：
其中，由2路PCA模块可再实现2个16位定时器的功能，另外两个与传统的51单片机相同，即16位定时器T0和T1，和做串行通讯的波特率发生器。
这就是STC12C5A60S2的四个16位定时器；
14.两个时钟的输出端口，信号在T0溢出时可经过P3.4端口输出时钟，同样的，在T1端口溢出的信号也可在P3.5端口输出时钟；
15.7路的外部中断I/O口，传统的51单片机中断是由下降沿或低电平触发的，而且，此单片机增加了上升沿触发中断的PCA模块，外部中断可唤醒单片机的PowerDown模式，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RXD/P3.0，CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2），CCP1/P1.4（也可通过寄存器设置到P4.3）；
16.两路的PWM和2路的可编程计数器阵列（PCA）：
在实际运用中，无论是实现两个外部中断，还是作为两个定时器，亦或是当作两路的D/A使用，均可实现；
17.内部自带A/D转换模块，8路的A/D转换，高速的转换速率，10位精度的ADC，都为系统的A/D转换提供了良好的优势；
18.通用的全双工异步串行端口（UART），由于STC12C5A60S2系列是高速的51单片机，因此它的多端口口可以由定时器或PCA软件实现；
19.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RXD2/P1.2（可通过寄存器设置到P4.2），TXD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）；
20.工作温度范围：
-40 ~ +85℃（工业级） / 0 ~75℃（商业级）；
21.封装：
PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48；
当I/O端口口不够时，可通过74HC164/165/595进行端口的扩展，还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU，三线通信，还多了串口。
此单片机是国内STC公司生产的1T运算速率的增强型新一代51单片机，指令代码完全兼容传统的8051，运算速度快了8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S）。
内部自带看门狗电路，在诸多功能集一身的基础上，STC12C5A60S2目前售价与传统的51差不多，市场供应充足，因此是一款高性价比的单片机。
图2-2STC12C5A60S2引脚图
2.2.3STC12C5A60S2单片机的主要特性
①Flash工艺程序存储器，可以用电的方式瞬间擦擦、改写，而且支持串口程序烧写；
②工作频率范围：
0~35MHz，相当于普通8051的0~420MHz；
③片上集成1280字节RAM；
④2个时钟输出口，可由T0/T1的溢出在P3.4/P3.5输出时钟；
⑤4个16位定时器；
⑥如ALE、NA端口有第二功能，可以作为普通的I/O口接入元器件；
⑦36可编程I/O线；
⑧低功耗的闲置和外部掉电检测电路；
⑨内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻接地）；
单片机STC12C5A60S2成为本设计中智能家居系统的主控元件，多端口的输入/输出，增强型的51单片机等特点，都使得此单片机有更大的优势，来控制整个家居系统的各个功能模块的协调运作。
第三章系统硬件选择及模块电路设计
系统的硬件选择决定着整个智能家居系统的功能和质量，因此在选件前必须做好充分的准备工作，无论是资料的查阅还是同类型器件优缺点的比较及取舍，都非常重要。
有时可能某个元器件的微弱误差引起整个系统的失误或失败。
所以在硬件的选取工作上一定要细致，全面比较，综合考虑，在结合性价比的同时更主要功能的实现。
硬件选取后，接下来的工作就是模块电路的连接及整合，根据所选硬件和关键芯片的工作原理和接线方式，进行相关模块电路的设计，在充分考虑可行性的同时还要注重功能实现的简便快捷和准确性。
3.1电源电路模块的设计
系统的主控和核心单元STC12C5A60S2的工作电压为5V直流，而常用家居电源电压均为220V交流，因此若要整个家居系统正常工作，必须提供合理的电源电压，所以需要进行必要的电压转换。
常见的三端稳压集成电路有正电压输出的LM78xx系列和负电压输出的LM79xx系列。
由此我们我们知道，三端IC是指分别由输入端、接地端和输出端这三条引脚输出的一种稳压用的集成电路。
本设计中选用LM78xx系列，由于本设计中需用到两个不同的直流电源，即+5V和+12V，则电路原理图如下：
图3-1电源转换电路
电源电路工作原理：
由于LM78xx系列的三端稳压器都有一个所谓的“压损”问题，也就是稳压时所导致的输入电压与输出电压的落差值（稳压损耗），一般压损为2.5V，所以要想得到想要的稳压值，必须使输入端高于所需值+压损值，综合LM7805和LM7812的输入电压范围，变压器变压后所得的电压分别为9V和15V。
5V电源的获得方式如下：
首先220V交流电经过一个变压比约为1：
24的小型变压器变为9V交流电压，然后通过4个二极管组成的桥式整流器进行整流，滤去大部分纹波电压，输出信号通过电容再次进行滤波，防止产生自激振荡。
然后通过一个三段集成器LM7805得到一个5V直流电源，在输出端再接入电容来滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态效应。
最后得到一个稳定的+5V直流电源输出。
同理，当经过整流桥的电流流经LM7812时，最终经过滤波和稳压，得到一个稳定的+12V电压输出。
3.2温度检测模块电路设计
智能家居的一个主要控制对象就是住户室内温度，适宜的温度为主人提供良好的家居环境，这样一来，温度检测与控制模块就成了首先应该实现的功能。
在测温电路中选取了数字温度传感器DS18B20。
它独特的一线接口，耐磨耐碰，体积小，并能直接输出温度的数字信号，便于单片机控制。
3.2.1温度传感器器件介绍
DS18B20内部结构主要由64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器四大部分构成。
内部结构如下图所示：
图3-2DS18B20内部原理图
DS18B20工作原理：
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
DS18B20测温原理是：
受温度影响很小的低温度系数晶振，产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
随温度变化其振荡率明显改变的高温度系数晶振，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值
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