智能家居控制系统设计.docx

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智能家居控制系统设计

一、课题简介：

智能家居控制系统的主体在于家庭自动化，将来家庭自动化的主体是家电、照明等电气设备的控制。

家庭自动化系统能够通过集中或者分布式控制家庭内部照明或者其他家电，用户可以通过无线遥控或者网络、电话远程控制家庭内部设备。

更者，可以通过采用各式各样的传感器，由智能CPU采集信号并对家庭内部设备进行自动控制，家居自动化系统是将来智能家居的主要发展方向。

智能家居控制系统是可以定义为一个过程或者一个系统。

利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。

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。

还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，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。

二、选题依据（来源）及其意义：

随着科技的不断进步，人们对生活水平和生活质量的要求也相应的提高了，家居灯光的照明与人们生活息息相关，本设计通过对老式家居灯光控制系统进行改造，将原机的机械开关控制改为单片机红外线遥控控制，说明了单片机在现代家庭灯光智能控制中的适用性、灵活性、先进性。

通过对家庭灯光控制电路改造后，大大提高了人们的使用舒适感，使人们的生活提高了一个台阶。

本设计运用单片机作为红外发射和接收模块的主控芯片，采用8051系列单片机发射红脉冲，通过单片机解码来控制继电器的开合，进而控制灯光的导通与断开，同时控制晶闸管的导通时间，来控制灯光的亮暗程度。

这样一个遥控器就可以控制整个房间的灯光开关的开合与灯光的明暗程度，遥控器可以在房间内任意移动，用此方法，成本低，结构简单，体积较小，操作方便，只需按下相应的按钮就能对灯光进行控制，方便实用，在各行各业均具有较广泛的用途，发展前景良好。

本设计运用单片机作为红外发射和接收模块的主控芯片，采用8051系列单片机发射红外脉冲,通过单片机解码来控制继电器的开合,进而控制灯光的导通与断开，同时控制晶闸管的导通时间,来控制灯光的亮暗程度。

这样一个遥控器就可以控制整个房间的灯光开关的开合与灯光的明暗程度，遥控器可以在房间内任意移动，用此方法，成本低，结构简单，体积较小，操作方便，只需按下相应的键盘按钮就能对灯光进行控制，方便实用，在各行各业均具有较广泛的用途，发展前景良好。

三、本课题的实施方案

1.总体方案

通过对系统功能的定义，可以将基于单片机的红外遥控控制采用单片机控制的红外发射二极管发射脉冲，用一体化接收头接收，经单片机处理，执行相应的灯光控制功能。

整个系统控制将由AT89C52单片机芯片为核心构成，红外发射二极管发送脉冲，SM0038作为接收红外接收头，继电器作为控制灯管开关部分，晶闸管作为调光部分，流水灯作为模拟灯光控制部分。

设计任务：

用单片机，红外发射二极管，一体化接收头等实现红外遥控控制继电器，晶闸管流水灯的导通与断开。

设计要求：

完成该系统的软硬件设计，学习掌握采用单片机进行红外遥控控制的设计方法提高学习新知识、新技能的能力，培养独立设计的能力。

2.系统硬件电路设计

2.1系统硬件框图

根据系统功能要求，可以先大致勾勒出完成任务所需的系统硬件框图如下：

图2-1发射框图

图2-2接收框图

发射模块按下4*4键盘相应的按键，单片机通过红外发射二极管发射相应的脉冲，接收模块通过SM0038接收脉冲，送入单片机，进行处理，从而去控制继电器，晶闸管，流水灯的导通与断开，留有几个P口作为功能的扩展

2.2发射模块

发射模块采用4*4键盘，单片机，红外发射二极管等器件来实现红外发射功能。

2.2.1键盘模块

图2-3键盘电路图

矩阵式键盘的结构和工作原理：

在键盘中按键数量较多时，为了减少 I/O 口线的占用， 通常将按键排列成矩 阵形式， 如上图所示在矩阵式键盘中， 每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通， 而是通过一个按键 加以连接 。

一个并行口可以构成 4*4=16 个按键 ，直 接将端口线用于键盘多出了一倍 ，而且线数越多 区别就越明显 。

比如再多加一条线就可以构成 20 键的键盘， 而直接用端口线则只能多出一个键9 键，由此可见， 在需要的按键数量比较多时， 采用矩 阵法来连接键盘是非常合理的矩阵式结构的键盘显然比独立式键盘复杂一些 。

识别也要复杂一些 在上图中， 列线通过电阻接电源 ，并将行线所接的单片机 4 个 I/O 口作为输出端，而列线所接的 I/O 口则作为输入端，这样 当按 键没有被按下时， 所有的输出端都是高电平 代表无键按下 ；行线输出是低电平一旦有键按下，则输 入线就会被拉低 ，这样 通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。

矩阵式键盘的按键识别方法

确定矩阵式键盘上任何一个键被按下通常采用 行扫描法 或者 行反转法 行扫描法又称为 逐行或列扫描查询法 它是一种最常用的多按键识别方法 因此我们就以 行扫描法 为例介绍矩阵式键盘的工作原理

1 判断键盘中有无键按下

将全部行线 X0-X3 置低电平 然后检测列线的状态 只要有一列的电平为低 则表示键盘中有键被按下而且闭合的键位于低电平线与4 根行线相交叉的4 个按键之中,若所有列线均为高电平 则表 示键盘中无键按下

2 判断闭合键所在的位置

在确认有键按下后 ,即可进入确定具体闭合键的过程 .其方法是:

 依次将行线置为低电平即在 置某根行线为低电平时 ,其它线为高电平当确定某根行线为低电平后 再逐行检测各列线的电平状态 ；若某列为低 ，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

2.2.2主控模块

一、主控模块功能分析

在本系统中，主控模块居于非常重要的地位。

它是整个系统的中枢，系统运行所需的每个操作指令都要由其发出。

它一方面控制着红外脉冲的发射，另一方面也控制着红外脉冲接收后的处理功能。

最重要的是，遥控控制的主要模块由打片机控制，，从而使整个系统进行正常的运转和工作。

针对以上分析本系统主控模块中的单片机芯片采用了AT89S52芯片，此芯片功能强大，能够完全满足系统运行的需求。

二、红外发射二极管

红外线发光二极管，发光元件的种类很多，依光谱大致可分为红外线发光元件及可见光的发光元

件。

红外线发光元件，是以砷化镓（GaAs）的红外线发光二极管（也称红外线发射二极管）为主体。

三、数码管工作原理

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

1静态显示驱动：

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：

），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

　　②动态显示驱动：

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔"a、b、c、d、e、f、g、dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

数码管外形及内部原理图如下：

图2-10数码管外形及内部原理图

使用LED显示器时，要注意区分这两种不同的接法。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码。

七段数码管加上一个小数点，共计8段。

因此为LED显示器提供的编码正好是字节。

四、灯光控制模块

一、继电器工作原理

继电器就是电子机械开关，它是用漆包铜线在一个圆铁芯上绕几百圈至几千圈，当线圈中流过电流时，圆铁芯产生了磁场，把圆铁芯上边的带有接触片的铁板吸住，使之断开第一个触点而接通第二个开关触点。

当线圈断电时，铁芯失去磁性，由于接触铜片的弹性作用，使铁板离开铁芯，恢复与第一个触点的接通。

因此，可以用很小的电流去控制其他电路的开关。

整个继电器由塑料或有机玻璃防尘罩保护着，有的还是全密封的，以防触电氧化。

本设计中通过P口输出地高低电平来确定继电器的开关的开合，从而决定了继电器控制端的导通和断开。

3、晶闸管工作原理

3.1红外发射控制

图3-1红外发射流图

3.2红外接收控制

图3-2接收流图

4调试与总结

在硬件电路焊接和软件程序设计分别完成的基础之上，进行软硬件的结合与调试。

通过下载将在电脑上已完成的程序下载到单片机芯片中。

在调试中发现硬件会出现什么问题，通过反复的调试与实验，可以证明该系统除晶闸管控制没完成外，能够完成设计所需的其他的基本要求。

即能够方便准确的控制开关。

现在家居灯光多数是由几十个高亮度发光二极管组成，经考虑，可以通过单片机控制发光二极管的导通个数，来控制灯光的亮暗程度，对于本次设计的遥控器，根据其他电器内部解码不同，只需改变一下遥控中主控芯片单片机的红外编码，即可以达到家电的智能控制。

四、论文（设计）工作进程：

日期安排

工作内容

前期

2010.11.30—12.6

下达任务书，了解工作原理

1－2

2010.12.6—13

编写毕业设计开题报告,确定设计思路

2－6

2010.12.14-2011.1.8

查阅参考文献,查看实物，确定论文方案。

6－9

2011.1.9-2011.2.21

设计并准备论文

9－11

2011.2.22-5.21

设计并编写论文

12

2011.5.21-5.31

13

2011.6.8-10号

修改设计及论文

整理资料准备答辩

五、主要参考文献：

[1]李群芳肖看单片机原理接口及应用，清华大学出版社，2005.3

[2]李华MCS-51系列单片机使用接口技术〔M〕，北京航空航天大学出版社，1993；

[3]黄明C语言课程设计，北京，电子工业出版社，2006.6

[4]谢淑如郑光钦杨渝生ProtelPCB99SE电路版设计，清华大学出版社，2001；

指

导

教

师

意

见

本栏填写：

1、评语：

某某同学的题为《……》的毕业论文（设计）的开题报告较好（或一般），同意开题。

或此开题报告较好（或一般），同意开题。

2、说明同意或不同意开题的理由：

3、建议：

指导教师（签名）：

年月日

专业意见

专业主任（签名）：

年月日