基于单片机的智能家居系统论文Word文档格式.docx

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指导教师:

艳红职称:

讲师

2013年5月10日

科技学院教务处制

基于单片机的小型智能家居系统的设计与实现

网络工程常盼盼

指导教师艳红

摘要：

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线、网络通信、音视频等技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的家庭日程事务管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性，实现环保节能的居住环境。

基于单片机的小型智能家居系统是以STC12C5A60S2芯片为控制核心，用单片机上不同的器件与PC机与单片机之间的通讯，将智能家居中的相应模块模拟展示出来。

系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成，其中硬件系统是以STC12C5A60S2芯片为核心的单片机开发板以与单片机外围发光二极管、数码管、蜂鸣器等功能模块。

以KeiluVision2为软件开发平台，通过串口实现PC机与单片机之间的通讯，从而达到PC机控制单片机的目的。

论文详细阐述了系统的开发与实现过程。

关键词：

智能家居；

KeiluVision2；

单片机；

STC12C5A60S2；

串口通信

1引言

1.1课题研究背景

进入21世纪，科学技术与生产力水平进入加速发展阶段，随之而来的是人类物质文化生活的极大提高。

随着人们生活水平的不断提高，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、安全与便利。

智能家居是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术，依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统，如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验[1]。

与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还将原来被动静止的结构转变为具有能动智慧的工具[2]，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金[3]。

智能家居的目标是用各种方法或设备使家居生活实现自动化、智能化，使家居变得更加舒适、安全和有效，从而提高人们的生活质量[4]。

1.2系统的主要功能

本系统以STC12C5A60S2芯片为核心，利用单片机的外围设备与串口通信开发、实现了以下几个功能模块：

（1）花样灯的控制，利用单片机上的二极管模拟电灯，根据不同的指令，按照预先设计好的程序，变换出不同的花样。

（2）音乐播放，利用单片机上的蜂鸣器模拟音箱，根据指令，按照预先设计好的程序，播放音乐。

（3）电机模拟窗帘，利用单片机上的步进电机模拟窗帘的开关，根据指令，按照预先设计好的程序，步进电机模拟完成窗帘的拉开、关闭。

（4）火灾报警，利用单片机上的热敏、光敏传感器，实时采集周围的温度以与光的强度，按照预先设计好的程序，若周围的温度升高且同时光强下降，则认为发生火灾，发出警报。

2整体设计

2.1总体介绍

本系统以STC12C5A60S2芯片为控制核心，温度，湿度等传感器为环境信息采集源，以串口通信控制为辅助，模拟了一个小型的智能家居系统。

在原有的机械式按键开关的基础上，采用串口通信，来控制各功能模块，实现了远距离实时控制。

此外在本次系统设计中，采用了多种传感器相结合，根据各传感器采集的数值进行火灾报警自动化控制。

2.2系统设计方案

根据设计要求，系统提供了包括了核心控制模块，串口通信模块，花样灯模块等等。

系统的整体框图如图1所示。

图1系统整体框图

3硬件系统设计

3.1硬件系统概述

小型智能家居系统的核心是单片机的主芯片，因此首先要确定单片机与所用主芯片的类型。

单片机具有高集成度、体积小、高可靠性、控制功能强、低功耗、易扩展、优异的性价比等特点，在机电一体化、实时过程控制、办公自动化设备、计算机网络和通信、航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域得到了广泛的应用[5]。

小型智能家居系统要求能够实时控制并通过串口传输数据，根据上述的要求，系统选用STC公司的以STC12C5A60S2芯片为主芯片的51核心板单片机，该核心板支持DIP40封装的STC系列单片机、AT89S5X系列单片机，带USB转串口模块，能为STC系列单片机编程，能与PC进行串口通信。

本系统硬件原理图如图2所示：

图2硬件系统图

3.2硬件系统的功能模块

3.2.1电源模块

电源部分是整个系统的基础，这部分的稳定工作对整个单片机硬件系统的稳定工作起着至关重要的作用，单片机带有先进的系统控制与电源管理模块[6]。

单片机开发板支持以下两种供电方式：

（1）通过PC机的USB口提供的+5V电源，如图3所示，即为通过USB为系统供电。

（2）外部7-12V（最好使用9V）直流稳压电源适配器供电，通过电源接口JP1输入电源。

通过手动控制开发板上的K1开关来打开和断开系统供电，当K1开关拨至“ON”位置，发

光二极管点亮指示系统上电。

图3主板供电系统原理图

3.2.2串口模块

◆串行通讯基本概念

计算机与外界的信息交换称为通信[7]。

常用通信方式有两种：

并行通信与串行通信，简称并行传送和串行传送。

并行传送具有传送速度快，效率高等优点，但传送多少数据位就需要多少根数据线，传送成本高；

串行传送是按位顺序进行数据传送，最少仅需要一根传输线即可完成，传送距离远，但传送速度慢[8]。

串行通信又分同步和异步两种方式。

这两种通信方式的区别在于发送设备时钟与接收设备时钟是否严格一致。

同步通信中，在数据传送开始时先用同步字符来指示（常约定1-2个），并由同时传送的时钟信号来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，接着就连续按顺序传送数据。

这种传送方式对硬件结构要求较高。

异步通信中，接收器和发送器有各自的时钟，它们的工作是非同步的，异步通信用一帧来表示一个字符，其容如下：

一个起始位，仅接着是若干个数据位，图4中传输45H的数据格式。

图4串口通信传输45H的数据格式

另外一个字符应包括以下信息：

（1）起始位：

对应逻辑0（space）状态。

发送器通过发送起始位开始一帧字符的传送。

（2）数据位：

起始位之后传送数据位。

数据位中低位在前，高位在后。

数据位可以是5、6、7、8位。

（3）奇偶校验位：

奇偶校验位实际上是传送的附加位，若该位用于奇偶校验，可校检串行传送的正确性。

奇偶校验位的设置与否与校验方式（奇校验还是偶校验）由用户需要确定。

（4）停止位：

用逻辑1（mark）表示。

停止位标志一个字符传送的结束。

停止位可以是1、1.5或2位。

◆MCS-51单片机的串行接口

MCS-51单片机串行口寄存器结构如5图所示。

SBUF为串行口的收发缓冲器，它是一个可寻址的专用寄存器，其中包含了接收器和发送器寄存器，可以实现全双工通信。

但这两个寄存器具有同一地址（99H）。

MCS-51的串行数据传输很简单，只要向发送缓冲器写入数据即可发送数据，而从接收缓冲器读出数据即可接收数据。

图5MCS-51单片机串行口寄存器结构图

◆串行通信标准

RS232和RS485是两种典型的串行通信标准，两种标准的主要区别有：

（1）传输距离。

RS485传输距离要比RS232大很多。

（2）接口电平。

RS485的接口电平比RS232电平降低了。

（3）传输速率。

RS485最高传输速率可达到10Mbps。

图6RS485原理与实物图

对于软件编程方面，RS485和RS232完全一致，但是由于485数据传输为差分方式，需要同样具有485接口的硬件，才能实现数据收发，所以在本系统中选用操作起来相对简单的RS232。

◆RS232硬件电路

51单片机有一个以上全双工的串行通讯口，所以单片机和计算机之间可以方便地进行串口通讯。

进行串行通讯时要满足一定的条件，两者之间必须有一个电平转换电路，本系统采用了专用芯片MAX3232进行转换。

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。

主要特点有：

（1）符合所有的RS-232C技术标准

（2）只需要单一+5V电源供电

（3）片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-

（4）功耗低，典型供电电流5mA

（5）部集成2个RS-232C驱动器

（6）部集成2个RS-232C接收器[9]

图7MAX3232的原理图

本系统采用了三线制连接串口，也就是说计算机的9针串口只连接其中的3根线：

第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD，这是最简单的连接方法，但是对本系统来说已经足够了。

电路如图8所示。

图8串口原理图

图9串口模块实物图

3.2.3核心板模块

图10核心板结构图

◆功能描述：

（1）51核心板支持DIP40封装的STC系列单片机、AT89S5X系列单片机。

（2）带USB转串口模块，能为STC系列单片机编程，能与PC机进行串口通信。

（3）通过P0口的“5V”管脚供电（作为主板的核心板使用时），无需重复在核心板上对USB供电。

（4）提供ISP下载接口，为AT89S5X系列单片机编程。

图11核心板电路原理图

3.2.4LED模块

LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。

LED耗电非常低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。

工作电流是2mA-30mA。

对于贴片LED，参考压降如下：

红色的压降为1.82-1.88V，绿色的压降为1.75-1.82V，橙色的压降为1.7-1.8V，蓝色的压降为3.1-3.3V，而压降是通过电阻获得的，电阻大小由图12中的公式来决定。

本系统所用的NBC61-V2.0开发板上的电阻为470欧。

图12LED电阻计算公式

图13LED模块电路原理图

根据原理图分析可知，当由IO口控制的J13被置低（即连接到LED负极）时，发光二极管导通，被点亮。

3.2.5蜂鸣器模块

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、机等电子产品中，作发声器件。

蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜震动发声的，因此需要一定的电流才能驱动它。

单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路，图14为蜂鸣器驱动电路，使用的是ULN2003芯片来放大电流，驱动蜂鸣器。

图14蜂鸣器驱动电路

图15ULN2003部结构

图16ULN2003等效电路

如图14所示，蜂鸣器的正极接到VCC电源上面，蜂鸣