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嵌入式系统
Abstract
Thissmarthomecontrolsystemismainlycomposedofwirelesstransmissionmodule，GSMcommunicationmodule，temperatureandhumiditymodule,speechmodule,gas,smokealarmmoduleandkeyboardinputmoduleanddisplaymoduleinhuman-computerinteraction,gassmokealarmmodule,etc.And,thesystemisdividedintothemainunitmoduleandsubmodule,themicrocontrollerofunitmoduleisATmega16andthemaincontrollerofsubmoduleisAT89S52,theytransmitinformationthroughwirelessmoduleNRF24L01.
Themainunitmoduleisresponsiblefordisplaying,settingtheinitialvalue,etc.andthencomparingthedatawhichissendbyunitmodulewiththedataofthesystem,oncefoundabnormaldata,theinformationoftheroomwillbesenttothehostthroughGSMmodule,ifthehostdidnotrespondwithintheprescribedtime,thenitwillcallthehostdirectly,andbroadcasttheriskinformationoftheroom.Theunitmoduleisresponsiblefordatacollection,includingthevaluesofthetemperatureandhumidity,thegasdensityandsmokestateinformationinsidetheroom,andthevaluesofthecollectedisregularlysenttothehostthroughthewirelessmoduleNRF24L01.Thisgraduationdesignisatypicalofembeddedsysteminsmarthomecontrolsystem,providingtheexperienceforhigherspecificationsofthedesignofsmarthomeorotheraspectsofembeddedsystemdesign.
KeyWords：
Smarthome;
GSMremotemonitoring;
Tonewarning;
EmbeddedSystem
目录
摘要I
AbstractII
目录III
1绪论1
1.1智能家居背景及其发展趋势1
1.2嵌入式系统、物联网和智能家居1
1.3论文主要设计内容及任务3
2总体方案设计4
2.1总体方案论证4
2.1.1微控制器的选择4
2.1.2人机交互之显示器件的选择7
2.1.3模块间通信器件的选择9
2.1.4语音播报器件选择10
2.1.5远程通信模块的选择12
2.2检测器信号采集与分析15
2.2.1煤气浓度传感器15
2.2.2烟雾传感器16
2.2.3温湿度传感器17
2.3系统的总体设计方案18
3系统的硬件电路设计20
3.1单片机最小系统设计20
3.1.1AT89S52单片机20
3.1.2AVR系列ATmega16单片机硬件电路设计21
3.2ATK-SIM900A模块硬件电路设计22
3.3语音模块23
3.4LCD12864模块接口电路23
3.5环境温湿度检测模块电路图：
24
3.6环境中煤气浓度和烟雾浓度的检测模块硬件单路：
4软件系统程序设计与实现25
4.1程序的编译软件和下载软件25
4.1.1ICCAVR25
4.1.2下载软件ProgispISP26
4.2整体程序设计27
5系统的调试和结论30
5.1ICCAVR和ProgispISP调试系统31
5.2串口调试工具31
5.3字符编码切换工具32
5.4实物图34
6总结35
参考文献35
致谢37
大连大学学位论文版权使用授权书38
1绪论
1.1智能家居背景及其发展趋势
随着全球经济的快速发展，以及电子科技的广泛应用，人们对生活质量的要求也越来越高，而智能化电子产品的不断更新推进智能家居综合控制系统的出现，使得人们的生活更加的便利，为人们的提供一个享受生活的广阔平台[2]。
智能家居集合了先进的网络通信技术、计算机技术、自动化控制技术、无线电技术，促使人们的日常生活实现现代化，以及居住环境的安全化、舒适化。
智能家居已经融入到人们生活的各个方面，极大地满足了人们对生活质量的要求并且对人们的生活习惯产生了很大的影响。
由于社会对智能化家居的巨大需求，智能家居正在快速的发展。
智能家居控制系统主要功能包括远程通信、控制、安全监控、火灾煤气报警以及自动化设备等[13]。
随着科学技术的飞速发展，各种传感器层出不穷，功能也越来越完善，而且现在的传感器生产已经非常的规范化、标准化，这是智能化家居控制系统检测部分强大的后盾。
智能家居最早起源于美国，并且至今已经在美国快速前进了30个年头。
目前，全球最大的占地3359公顷的智能化住宅群就在美国，大约有8000栋智能化小别墅组成。
此外，在日本、欧美、韩国和新加坡等地，智能家居也快速地发展起来了。
智能家居使得家庭生活的智能化，这是当今计算机通讯技术与网络技术、自动化控制技术以及无线电技术的最最人性化的应用，给人们带来了极其方便的生活体验。
现如今，通过远程电话控制或者因特网，不论你身在何时何地，你都可以实时监控家里的情况并且实时控制家里面的智能化设备，为人们的生活提供极大地便利，大大地节约了人们的宝贵时间。
随着在21世纪全球的信息化、智能化和自动化以及物联网的飞速发展，智能家居必将成为未来最潮流、最时尚的家居装饰系统[19]。
1.2嵌入式系统、物联网和智能家居
嵌入式系统是用来监视或者控制机器、工厂、装置等大规模设备的系统。
嵌入式系统以计算机技术为基础、以应用为中心、软硬件可裁剪、可靠性、功能、成本、体积、功耗严格要求的计算机系统。
嵌入式系统是一种专用的计算机控制系统，作为装置或设备的一部分。
一般来讲，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板[20]。
而事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、录像机、微波炉、汽车等，都使用嵌入式系统，而且有些嵌入式系统还包含了操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序（裸机）实现整个控制逻辑。
图1.1智能家居设想图
SmartHome,SH.智慧家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境[1]。
智能家居是在互联网的影响之下的物联化体现。
智能家居它是通过物联网技术将各种设备（如照明系统、音视频设备、窗帘控制、安防系统、空调控制、数字影院系统、三表抄送以及网络家电等）连接到一起，提供照明控制、家电控制、窗帘控制、防盗报警、电话远程控制、室内外遥控、暖通控制、环境监测、红外转发以及可编程定时控制等多种手段和功能。
与普通家居相对比，智能家居不但具有传统的居住功能，而且信息家电、兼备建筑、设备自动化、网络通信，集系统、服务、管理、结构为一体的高效、便利的居住环境，并提供全方位的信息交互功能[3]。
帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，增强家居生活的安全性，帮助人们有效安排时间，甚至为各种能源费用节约资金。
智慧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（UnitedTechnologiesBuildingSystem）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州哈特佛市（Hartford）的城市地方建筑时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕[6]。
图1.2智能家居内部系统图
1.3论文主要设计内容及任务
课题所设计智能家居远程控制装置设备包括：
煤气泄露报警模块、烟雾报警模块、语音提示模块、GSM远程手机通信控制模块、LCD12864显示模块、DHT11温湿度检测模块、NRF24L01无线模块等。
主要设计任务：
（1）家庭煤气浓度的监视：
按照预先设定的程序，实时监控家里面的煤气浓度。
一旦浓度异常，便会自动打开窗户语音通报并且将家庭煤气浓度状况通知家庭主人。
（2）家庭状况的实时显示更新：
LCD12864为人机交互中显示部分，实时动态的显示当前室内温湿度、煤气、烟雾状态。
（3）语音播报功能：
家中一旦出现异常（煤气泄漏、火灾等），会及时语音播报，提醒主人赶紧采取紧急处理措施，同时具有整点报时功能。
（4）GSM远程通信：
每隔一段时间（可以设置）会向主人发送一条短信，报告主人现在家里环境状况，其中包括：
煤气浓度状态、烟雾浓度状态、温湿度状态，主人会根据需要发送具体控制指令，包括打开窗户、控制供暖设备等。
（5）无线通信模块：
承担近距离通信，将分模块与主模块联系在一起，主模块综合处理分模块通过无线模块发送的数据。
（6）无线红外：
控制家中的电风扇或者设置系统参数。
2总体方案设计
在智能家居设计过程中，核心方案部分主要有核心控制器的选择、无线传输模块设计、环境变量检测设计方案、控制算法设计方案。
本章的主要内容将分析这些模块常用的解决方案，并且加以比较，选择出适合本系统的设计方案。
2.1总体方案论证
2.1.1微控制器的选择
①选择一：
采用ATMEL公司的AT89S52单片机微控制器作为中央处理单元。
②选择二：
采用Cortex-M3CPU微处理器作为中央处理核心单元。
③选择三：
采用AVR单片机Mega系类中的Mega16L作为中央处理核心单元。
比较论证：
选择一AT89S52虽然比MCS-51的功能多一点点，但还是不足以满足本系统的控制要求，如果采用这个处理器，则需要增加极其复杂的外围电路，资源的匮乏，给程序的编写也增加了极大地复杂性。
选择二是ARM7架构，Cortex-M3丰富的资源，强大的数据处理能力，能够大大的满足本系统设计的需要，但是本系统用不到那么多的资源，将其运用到本系统有“大炮打蚊子”——大材小用的弊端，并且从成本上考虑，也是很不划算的。
AT89S52的内部资源以及性能指标[13]：
①高性能、低功耗、8位微控制器。
②指令系统与8051完全兼容
③8KB在系统可编程（ISP）Flash闪存存储器
④1000次的擦写周期
⑤全静态操作，范围：
0—33MHz
⑥三级加密的程序存储器
⑦3个可编程的16位定时器/计数器
⑧32个可编程的I/O端口线
⑨8个中断源
⑩一个看门狗定时器
⑪一个全双工UART串口通道
⑫低功耗空闲模式和掉电模式
⑬掉电后，通过中断可以唤醒CPU
⑭双数据指针
⑮掉电标志符
引脚说明：
P0口：
P0口是一组8位的漏极开路的双向I/O口。
当是输出口的时候，每位I/O能够驱动8个TTL逻辑电平，将P0端口写“1”的情况下，P0口将作为高阻抗输入，当CPU访问外部程序或者数据存储器的时候，P0口也被用作低8位地址/数据复用。
在这种模式的情况下，P0没有内部上拉电阻。
在flash编程时候，P0口也可以用来接收指令字节；
在程序校验的时候，输出的是指令字节。
程序校验时，需要将其外部上拉电阻[14]。
P1口：
P1口与P0口相比是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲器能够驱动4个TTL逻辑电平。
在flash编程和校验时，P1口能够接收低8位地址字节数据。
除此之外，P1.0和P1.1还可以分别作定时器/计数器2的外部计数（P1.0/T2）输入引脚以及定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）引脚。
表2.1P1口的复用功能
P1口引脚
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：
在系在系统编程统编程用
P1^6
MISO：
P1^7
SCK：
在系统编程用
P2口：
这和P1口一样，也是一组具有内部上拉电阻的8位双向的I/O端口，也能够驱动4个TTL逻辑电平，对P2口写“1”的时候，内部上拉电阻，此时可以作为输入使用，是一组伪双向I/O口，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时，P2口送出的是高8位地址，这种情况下，P2口内部使用很强的内部上拉发送“1”。
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。
在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2端口输出的是P2锁存器的内容[18]。
P3口：
P3口与P1、P2口一样，也是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器也是能够驱动4个TTL逻辑电平。
P3口亦作为AT89S52第二功能（特殊功能）来使用，如下所示。
在flash编程和校验时，P3口也可以用来接收一些控制信号。
表2.2P3口的第二功能
P3口引脚
特殊功能
P3^0
RXD：
串行通信输入口
P3^1
TXD：
串行通信输出口
P3^2
INTO：
外部中断0
P3^3
INT1：
外部中断1
P3^4
TO：
定时器/计数器0
P3^5
T1：
定时器/计数器1
P3^7
RD：
外部数据存储器读信号选通
P3^6
WR：
外部数据存储器写信号选通
8位的AVR单片机是具有16KB的系统内可编程Flash的单片机，比AT89S52整整多了一倍。
ATmega16单片机是基于增强型RISC结构的高性能、低功耗的8位CMOS微处理器。
由于它先进的指令集以及单时钟周期的指令执行时间，ATmega16可以达到1MIPS/MHz的数据吞吐率，大大减缓系统在处理速度和功耗之间的矛盾。
由于其优越的处理性能以及丰富的系统资源，在中端智能化产品中应用相当普遍，接下来看看其内部资源[17]：
①先进的RISC结构：
简单指令结构
②大部分指令的执行时间为单时钟周期，共有131条指令
③8位通用寄存器有32个
④两个8位定时/计数器，一个18位的定时/计数器
⑤全静态工作
⑥工作于16MHz时钟下时，最大数据吞吐量达到16MIPS
⑦硬件乘法器只需要两个时钟周期
⑧非易失性数据存储器和程序存储器
⑨片内数据存储器：
16K字节的系统内可编程Flash+512字节的EEPROM，电
⑩可擦除寿命10000次
⑪具有独立锁定位的可选Boot代码区
⑫片内SRAM具有1KB
⑬对锁定位进行编程可以实现程序的加密
⑭一个JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）符合JTAG标准的边界扫描功能
通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程以及两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器；
一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；
具有独立振荡器的实时计数器RTC；
四通道PWM；
8路10位ADC；
8个单端通道；
TQFP封装的7个差分通道；
个具有可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道；
面向字节的两线接口；
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（WatchDog）；
表2.3ATmega16引脚及功能
引脚标号
功能
A/VCC
模拟/数字电路电源
AREF
A/D转换模拟基准输入引脚
PA~PD
双向I/O口
TXD
USART输出引脚
A/D转换参考电压
RESET
复位引脚
RXD
USART输入引脚
XTAL1/2
外部晶振输入引脚
OC1A
PWM波形输出端
注：
USART是一个高度灵活的串口通讯接口，是UART增强版。
USART是通用同步和异步串行接收器和转发器的英文缩写
2.1.2人机交互之显示器件的选择
采用LCD1602作为人机交互之显示部分。
采用LCD12864CPU作为人机交互之显示部分。
选择一LCD1602属于工业字符型液晶，之所以称为1602，是因为它可以显示两行字符，每行16个字符共32个字符。
LCD1602内部存储器已经存储了160个不同的字符图形，包括英文字母大小写、阿拉伯数字、标点符号和日文假名等，功能不可谓不全，但是，这个模块只能显示字符，不能显示汉字。
图2.1LCD1602字符液晶实物图
选择二带中文字库的LCD12864是一种具有4位/8位并行或者是2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体的中文字库的液晶显示模块；
其显示分辨率为128×
64点,128个16*8点ASCII字符集，和内置8192个16*16点汉字。
利用这个模块灵活的方便、简单的操作指令和接口方式，可构成中英文和图形混搭的人机交互丰富的图形界面。
可以显示8×
4行的16×
16点阵的汉字。
出此之外还可完成图形显示。
而且低电压低功耗的功能能够满足很多产品的设计。
拿该模块构成的液晶显示方案与LCD1602显示模块相比，不论是在显示内容的丰富性上还是显示字节的数量上，亦或是该模块的性价比，都要比LCD1602强大很多很多[16]。
图2.2LCD12864液晶实物图
表2.4LCD12864引脚及功能
管脚号
管脚名称
电平
功能与作用
1
VSS
0V
电源负极
2
VCC
3.0-5V
电源正极
3
V0
-
对比度亮度的调整
4
RS（CS）
H/L
RS=1：
DB7-DB0输入数据
RS=0：
DB7-DB0输入指令
5
R/W（SID）
“1”：
数据被读到DB7-DB0
“0”：
DB7-DB0数据写到IR或DR
6
E（SCLK）
使能
7
DB0
数据线（三态）
8
DB1
9
DB2
10
DB3
11
DB4
12
DB5
13
DB6
14
DB7
15
PSB
八位或者四位并口的方式
串口方式
16
NC
空引脚
17
/RESET
复位，低电平有效
18
VOUT
LCD驱动电压输出
19
A
VDD
背光正
20
K
背光负
串行数据传送共分三个字节24位完成：
第一字节：
串口控制的格式：
11111AB0
11111为起始数据
A：
为数据传送方向的控制：
1表示数据从显示到MCU，0表示数据从MCU到显示
B：
为数据的类型选择，1表示数据，0表示指令
第二字节：
八位数据的高四位格式：
DDDD0000
第三字节：
八位数据的低四位格式：
0000DDDD
2.1.3模块间通信器件的选择
2择一：
采用315M带编码的无线收发器件作为模块间通信。
采用NRF24l01作为模块间通信。
选择一315M带编码的无线收发器用起来特别简单，不同的模块有不同的接口，可以有一路、两路、四路、八路等等，根据系统的需要选择不同的模块，编程简单。
但是这个模块天线的位置对接受效果影响很大，而且天线尽可能的要伸直，还要远离屏蔽体、干扰大的地方[11]。
图2.3315M无线模块实物图
NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括：
频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。
输出功率频道选择和协议
图2
升级会员 