【基于單片機的智能家居無線控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)12000字（論文）】

第一章、前言1.1研究背景及意義1.1.1研究背景隨著現(xiàn)代科學技術(shù)水平的不斷發(fā)展，特別是計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，工業(yè)自動化控制向著智能化、無線化方向發(fā)展。很多工業(yè)控制的終端是移動的，這需要智能化程度更高、更靈活簡便的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)來滿足全面自動化控制的需要，因此智能化無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有廣闊的應用前景。隨著電子信息技術(shù)迅猛發(fā)展，人們對智能窗戶的要求越來越強烈，方便及舒適的智能窗簾是適應現(xiàn)代化辦公和生活環(huán)境的迫切需要。智能窗戶控制系統(tǒng)必將成為未來住宅的發(fā)展趨勢，走進普通居民的窗戶，進一步提高居民的窗戶生活品質(zhì)與品味。智能窗簾作為其中的一個重要組成部分，其發(fā)展也標志著智能窗戶的發(fā)展程度，現(xiàn)在的智能窗簾控制系統(tǒng)集現(xiàn)代光、機、電為一體，是智能窗戶的理想選擇，盡力達到完美與和諧的統(tǒng)一。1.1.2意義本設計根據(jù)現(xiàn)代化家庭和生活環(huán)境的迫切需要，以單片機AT89C51為主控芯片，利用光強度傳感器BH1750FVI、溫濕度傳感器、紅外對管等傳感器設計一個實用智能窗簾控制器。其取代了傳統(tǒng)的手動推拉窗操作，以一種人性化的工作模式適應人們?nèi)找孀非蠛唵?、方便、舒適的生活方式。本設計中介紹了自動窗簾控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以及軟件設計過程，以盡最大可能滿足不同人對窗簾開閉的不同需求。系統(tǒng)的整體主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由單片機擴展的外圍電路以及各種實現(xiàn)單片機系統(tǒng)控制功能的接口電路組成；軟件部分主要由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)其特定控制功能的各種程序組成。本課題就是從各個角度來撰寫設計這個軟件和程序，利用在學校里學到的知識，最后做出課題和實物來。1.2研究內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)1.2.1研究內(nèi)容無線智能控制報警系統(tǒng)是智能化家居的重要組成部分，是應用傳感器等高科技技術(shù)，將危險信號進行處理和傳輸?shù)囊环N方式。其能夠在第一時間檢測到危險信號并對其進行報營。通過將危險信號反饋到相應的通訊設備上讓人們了解到危險信息，并及時的對危險情況做出處理，進而制止危險的進一步擴大和確保了住宅建筑物的安全。本研究使用單片機作為主機的火災報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時報警的火災情報，使用單片機控制效率、更先進的預防效果。及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，就會發(fā)出警報，實時火災防止偷竊、恢復經(jīng)濟損失具有良好的現(xiàn)實意義。在我國，智能安全系統(tǒng)將是未來發(fā)展的重點方向智能住宅建設，防火，防盜報警系統(tǒng)是當前火災報警的熱點。1.2.2系統(tǒng)總體方案論證（1）該設計主要包括硬件和軟件設計兩個部分。模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、顯示和報警模塊功能。（2）紅外防盜報警系統(tǒng)由熱釋電紅外傳感器、智能報警，按鍵控制電路，控制電路和相關(guān)的控制管理軟件。（3）鍵盤主要起到方便使用者的功能，使用者可以根據(jù)鍵盤的使用說明以及自己的需要來按下按鍵從而達到自己的目的，鍵盤的設計簡潔大方，這樣很好的實現(xiàn)人機交互。（4）顯示屏幕主要是顯示使用者所按下的按鍵所對應的數(shù)字，讓使用者能夠更加直觀的明白遠程控制家居在當前情況下所進行的工作。（5）AT89C51是遠程控制紅外熱釋電報警的核心控制部件，單片機的可編程性以及便于操作的特性都決定了使用AT89C51的核心控制作用。檢測火災、盜情信號，當有火災時，熱釋電紅外傳感器來檢測報警情況，如果有火災發(fā)生會自動觸發(fā)傳感器，實現(xiàn)災情報警通知。第二章、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)以及紅外無線技術(shù)2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.2.1設計基本功能無線智能控制報警系統(tǒng)是智能化家居的重要組成部分，是應用傳感器等高科技技術(shù)，將危險信號進行處理和傳輸?shù)囊环N方式。其能夠在第一時間檢測到危險信號并對其進行報營。通過將危險信號反饋到相應的通訊設備上讓人們了解到危險信息，并及時的對危險情況做出處理，進而制止危險的進一步擴大和確保了住宅建筑物的安全。自動窗簾控制系統(tǒng)具有以下幾個基本功能：（1）手動控制：該功能是根據(jù)用戶的需求通過按鍵進行窗簾的開關(guān)，此功能可以使窗簾的開閉處于任何一種狀態(tài)；（2）光照自動控制：系統(tǒng)可以根據(jù)用戶設定的光照強度值通過感光器采集光照自動開光窗簾；（3）時間控制：此功能是根據(jù)用戶設定的時間一次性開關(guān)窗簾，并顯示當前溫度。（4）溫度報警系統(tǒng)：可以自行設置溫度報警溫度。（5）時間顯示及鬧鐘系統(tǒng)：可以自行設置鬧鐘時間。（6）手動自動控制按鍵隨時切換。2.2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計基于紅外數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)設計的智能窗簾網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)，其典型的原理框圖為圖1.1。利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)的紅外技術(shù)來對整棟辦公大樓的窗簾進行集中控制管理。根據(jù)室外溫度、光照強度等參數(shù)控制窗簾或者窗戶，同時可以起到節(jié)約能源和美化整棟建筑幕墻的作用。但是這種方案把每個辦公室的溫度和光強的情況統(tǒng)一化了，沒有按照每個辦公室的實際需要而進行統(tǒng)一的管理和控制，使其在廣泛利用方面有一定的局限性。圖2.1圖2.1基于紅外技術(shù)的智能窗簾網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)開始程序初始化判斷窗簾初始化狀態(tài)打開關(guān)閉是否有強光或者較大濕度是否有弱光或者濕度低否否向紅外模塊發(fā)射關(guān)窗信號向紅外模塊發(fā)射開窗信號A根據(jù)光照來開閉窗簾主要原理是用光敏電阻采集外界的光強度，從光傳感器采集的信號利用信號校正電路放大，濾波后輸入單片機。傳入的信號由AT89C51單片機來控制，并且做出響應，以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止。顯示模塊是用來顯示自動窗簾控制器的各種狀態(tài)。鍵盤作為輸入設備，通過不同按鍵來控制單片機進行各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)。2.2紅外通信技術(shù)介紹2.2.1紅外通信系統(tǒng)基本組成紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一般由發(fā)射部分、信道部分和接收器三部分組成。發(fā)射部分：主要包括紅外發(fā)射器和編解碼控制器，其主要功能就是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行編碼后再發(fā)射出去；信道部分：信道是傳輸信息的載體，本系統(tǒng)是以紅外線作為傳輸媒介進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?；接收部分：主要包括紅外接收器和解碼控制器，其主要功能就是完成接收信號的正確解調(diào)和解碼。圖2.3所示的就是一個最基本的紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。圖2.3紅外通信系統(tǒng)基本組成2.2.2紅外通信系統(tǒng)工作原理紅外無線數(shù)據(jù)傳輸是利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳輸載體的一種無線通信技術(shù)。發(fā)送端將需要傳送的二進制數(shù)字信號調(diào)制到38kHz的載波上，并驅(qū)動紅外發(fā)射管將電信號轉(zhuǎn)換成光脈沖的形式發(fā)送出去；接收端將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過放大、濾波等處理后送給解調(diào)電路進行解調(diào)，最后還原為二進制數(shù)字信號后輸出。其實紅外通信的實質(zhì)就是對二進制數(shù)字信號進行調(diào)制與解調(diào)，這樣可以增加信號的抗干擾能力，以便利用紅外信道進行正確的數(shù)據(jù)傳輸。2.2.3通信協(xié)議紅外無線通信作為一種成熟的通信技術(shù)，目前已經(jīng)形成了標準的應用協(xié)議。紅外數(shù)據(jù)委員會(IrDA)作為一個工業(yè)機構(gòu)間協(xié)作組織于1993年由HP、COMPAQ、INTEL等發(fā)起成立，旨在建立開放的紅外數(shù)據(jù)通信標準。目前，IrDA規(guī)定了紅外物理層協(xié)議(IrPHY)、紅外鏈路訪問層協(xié)議(IrLAP)、紅外鏈路管理層協(xié)議(IrLMP)，并且還規(guī)定了一些專門的應用層協(xié)議。協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。圖2.3紅外通信協(xié)議結(jié)構(gòu)紅外物理層協(xié)議是規(guī)定了自由空間中點對點電器設備之間采用半雙工通信的紅外鏈接標準，規(guī)定串行紅外(SIR)數(shù)據(jù)發(fā)射速率分別至115.2Kpbs、0.576Mbps、1.152Mbps、4Mbps、16Mbps。鏈路訪問層協(xié)議是在物理層協(xié)議的基礎上進一步規(guī)定了通信協(xié)議中堆棧的分配。目前只對LOS方式作了規(guī)定，該鏈路協(xié)議適用于點對點或點對多點傳輸。紅外鏈路管理層協(xié)議為多個軟件應用能夠獨立、同時地操作入口提供支持，從而共享一個IrLAP連接。第三章、智能家居無線控制硬件設計3.1單片機小系統(tǒng)3.1.1單片機的選用微處理器AT89C51單片機作為主要控制器，是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高績效CMOS8有4k字節(jié)flash單片機可擦只讀程序存儲器和獲取數(shù)據(jù)128字節(jié)的隨機存取內(nèi)存(RAM)，設備采用ATMEL公司的高密度非易失存儲器技術(shù)，生產(chǎn)，和標準MCS-51指令，8-芯片，如果RST持續(xù)高水平，單片機復位狀態(tài)在循環(huán)。每次復位后，單片機程序?qū)牡谝粋€新的執(zhí)行。由設計的要求，只要做小型集成最小系統(tǒng)應用在小型控制單元。單片機開發(fā)系統(tǒng)仿真只能單片機，并沒有為用戶提供一般的最小系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖3.1所示。圖3.1最小系統(tǒng)圖圖3.2AT89C51單片機系統(tǒng)的硬件電路原理圖3.1.2時鐘模塊硬件電路DS1302是一個高性能、低功耗實時時鐘芯片DS1302和微控制器連接只需要三行，采用三線SPI接口與CPU同步通信發(fā)送時鐘信號或多個字節(jié)的RAM中的數(shù)據(jù)。在此系統(tǒng)中，AT89C51單片機為主要設備，DS1302的設備和從設備接收數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)。DS1302為每一位讀者需要16個時鐘脈沖，8地址前脈沖輸入操作和寫命令。本次系統(tǒng)設計中系統(tǒng)時鐘所采用的晶振為50MHz的有源晶振，活躍的晶體主要使用3.3V直流電源，該電源系統(tǒng)時鐘電路。該時鐘電路是單片機最小系統(tǒng)中常用的系統(tǒng)時鐘電路，因此該設計電路非?？尚校€(wěn)定性也很好。圖3.3時鐘模塊硬件電路圖3.1.3復位電路在MCS單片機系列，廣泛使用復位電路如圖3.4所示，其有效時間就持續(xù)24個振蕩周期以上才能完成復位操作。RST銷復位信號輸入，復位信號的有效高度，RST有一定寬度的脈沖，可以有效地實現(xiàn)電動自動復位和手動復位。在12MHz時鐘時，通常C7可取22μF，R2可取1kΩ，需持續(xù)2μs以上才能完成復位操作。圖3.4復位電路隨著時間的增加，電容電壓值增加緩慢，和RST銷上的電壓逐漸降低，當RST銷的電壓值降至較低水平，單片機恢復正常，呼吁電動復位。3.1.4單片機晶振電路眾所周知，單片機的正常運行離不開時鐘元件產(chǎn)生的時鐘頻率。而常用的時鐘元件為晶體振蕩器，其產(chǎn)生的晶振是單片機所有指令正常執(zhí)行的前提。這時的時鐘電路需要外界的定時原件來加以輔助，外部原件可通過XT2的進出兩個端口與電路連接，從而產(chǎn)生自激振蕩。這個外部原件一般都是一個并聯(lián)諧振電路，其中包含石英晶振和瓷片電容。其電路圖如下3.5所示。圖3.5單片機晶振電路3.2系統(tǒng)外接采集節(jié)點模塊電路3.2.1獨立控制鍵電路鍵盤是人機交互的重要部件。鍵盤包括2個獨立按鍵S2和S3，一端與單片機的P1.3和P1.4口相連，另一端接地，當按下任一鍵時，P1口讀取低電平有效。系統(tǒng)上電后，進入鍵盤掃描子程序，以查詢的方式確定各按鍵，完成溫度初值的設定。鍵盤操作模塊在電風扇底座部分有一個3x3小矩陣鍵盤，可以進行風的強度、類型、定時等系統(tǒng)設置，按鍵電路圖如圖3.6所示。圖3.6按鍵控制原理圖圖3.7遙控操作版面3.2.2LCD顯示模塊的電路設計液晶顯示采用LCD12864，這樣就算是在不使用計算機的情況下，控制系統(tǒng)系統(tǒng)也能正常運行，并且能具有直觀的可視性。在顯示模塊方面我們使用的是液晶屏，以下對液晶顯示屏作簡單的介紹。同CRT顯示器相比，LCD顯示器的平面顯示技術(shù)零件少、桌面占據(jù)少、耗電量較小，但CRT技術(shù)更為穩(wěn)定成熟。圖3.8AT89C51L單片機中LCD的電路圖圖3.9LCD系統(tǒng)總線圖在AT89C51L單片機的LCD控制器是用來傳輸視頻數(shù)據(jù)，有VD(23:0)共引腳23個用于傳送視頻資料，并產(chǎn)生諸如VDENS，VSYNC，VCLK，HSYNC等必要的控制信號，其中VDENS是數(shù)據(jù)有效標志信號端口，VCLK是像數(shù)時鐘信號端口，VSYNC是指幀同步信號端口，HSYNC是指行同步信號端口。3.2.3報警提醒模塊蜂鳴器使用PNP三極管進行驅(qū)動控制，蜂鳴器使用的是交流蜂鳴器。當在BEEP輸入一定頻率的脈沖時，蜂鳴器蜂鳴，改變輸入頻率可以改變蜂鳴器的響聲。因此可以利用一個PWM來控制BEEP，通過改變PWM的頻率來得到不同的聲響，也可以用來播放音樂。若把JP7斷開，Q4截止，蜂鳴器停止蜂鳴。圖3.10蜂鳴電路圖3.3智能家居傳感器模塊的選用3.3.1光敏傳感器窗簾自動控制系統(tǒng)的光控功能是可以根據(jù)光照的強弱來自動控制窗簾的開閉的，因此需要用到光照傳感元器件，在本設計中采用了光敏電阻。應用光控原理工作，天亮窗簾自動打開，天黑窗簾自動關(guān)閉。由運放組成比較電路，同向輸入端有兩個電阻分壓得到一個電壓值，作為基準電壓進行比較，而反相輸入端用一個光敏電阻對外部環(huán)境的光線進行采集，利用光敏電阻暗時電阻大，亮時電阻小的特點，來確定反向輸入端的電壓值。圖3.11光敏傳感器3.3.2溫度傳感模塊采用單總線專用技術(shù)，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（9位二進制數(shù)，含符號位）測溫范圍為-55℃-+125℃，測量分辨率為0.0625℃。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM，溫度傳感器，非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL，高速暫存器。DS18B20的管腳排列如圖3.12所示。圖3.12DS18B20管腳圖在硬件上，DS18B20與單片機的連接有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，I/O與單片機的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時UDD、GND接地，I/O接單片機I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5KΩ左右的上拉電阻.我們采用的是第一種連接方法，如圖2.12所示:把DS18B20的數(shù)據(jù)線與單片機的13管腳連接，再加上拉電阻。圖3.13溫度傳感電路圖3.3.3水管道泄漏檢測設計對于家庭水管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)來說，第一步應該進行采集壓力信號序列，然后進行相關(guān)的壓力信號的變化趨勢分析，從而可以對于家庭水管道正常運行狀態(tài)進行判斷，即是否是處于故障狀態(tài)。圖3.14基于個壓力傳感器的管道泄漏檢測示意圖一種基于4個壓力傳感器的管道泄漏檢測方案如圖3.14所示，根據(jù)傳感器檢測到負壓波的順序可以判斷負壓波是由于泄漏產(chǎn)生的還是正常操作而產(chǎn)生的。通過這種方法，可以基本判定負壓力波的性質(zhì)，避免誤報。用這種方法的好處是不需要使用流量計。負壓波的基礎上強化各傳感器數(shù)據(jù)采集的信號同步關(guān)系，通過采樣頻率與時間標簽的換算分別確定管道泄漏點上游和下游的泄漏負壓波的速度。3.4紅外數(shù)據(jù)傳感模塊3.4.1熱釋電紅外傳感器RE200B紅外傳感器工作原理與紅外線有關(guān)，當環(huán)境溫度改變時，這樣可以相互抵消，避免出現(xiàn)檢測誤差。通常RE200B熱電晶體的熱釋電紅外傳感器，氧化膜，過濾器，阻力和場效應晶體管結(jié)型場效應管的部分。無線電遙控器系統(tǒng)前端檢測部分主要是各種類型的探測器，最主要的是入侵探測器。紅外熱釋電晶體可以停止不需要或其他光進入傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖3.15所示。另外，兩個晶體的參數(shù)會同時發(fā)生變化，該傳感器使用時，D端接電源正極，S端為信號輸出、G端接電源負極。圖3.15紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖圖3.16熱釋電紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖在人們的經(jīng)驗知識體系的光調(diào)制器一般采用多樣型菲涅耳透鏡，發(fā)揮雙重作用的紅外輻射收集器和調(diào)制器。BISS0001由運算放大器，電壓比較器，控制器，狀態(tài)定時器延時時間和關(guān)閉時間計時器和其他特殊混合信號集成電路組成。3.4.2紅外無線發(fā)射電路設計振級由晶體管VT1與電容C2、C3、C4、C5、變?nèi)荻O管C3和電感L1組成西勒振蕩器。振蕩信號由C7弱耦合到射隨器，然后送至功放。在數(shù)據(jù)采集模塊的一部分，系統(tǒng)采用STC89C51單片機作為前端產(chǎn)業(yè)聚集中心控制單元，主要完成數(shù)據(jù)收集處理。圖3.17無線遙控發(fā)射電路2.4.3紅外無線電接收電路遙控器紅外傳感器接收到紅外信號BISS0001產(chǎn)出損失SCMP1.0口，TEL0表示接STC89C51是的P1.0口，通過對P1.0電平的判斷。鑒頻電路采用MC3361。本振為27MHz，與高放送來的信號進行混頻，產(chǎn)生500KHz的中頻信號。此信號通過窄帶陶瓷濾波器（FL）送回MC3361進行鑒頻。無線電遙控接收電路如圖3.18：圖3.18無線電遙控接收電路3.5PC機串口通信電路設計51單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。為了使單片機能夠與PC機進行紅外無線通信，在設計時，系統(tǒng)特增加了串口電路，串口通信部分只設在主機電路部分，在從機電路中不設此模塊。因為電腦的串口是RS—232C接口，是符合EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）RS—232C規(guī)范的外部總線標準接口。在單片機與PC機通信電路之間應添加轉(zhuǎn)換電路將TTL或CMOS電平與RS—232C電平進行相互轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)設計中選用的是MAXIM公司的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，MAX232C屬于MAXIM公司的通用串行接收/發(fā)送驅(qū)動芯片，芯片引腳如圖3.19所示。其實它就是起一個電壓變換作用，將高電平變成低電平，低電平變成高電平，但與普通的反向器又有所不同的是它還具有升壓的功能。圖3.19MAX232引腳圖MAX232外部電路也非常簡單，只需接幾個0.1uF電容就可以了；典型應用如圖3.20所示。圖3.20MAX232典型應用原理圖PC機和MAX232接口的連接非常簡單，在一般的應用中，只需有三條線即可完成通信，分別是串口接頭DB9的第2腳RXD與MAX232的輸出相連，第3腳TXD與MAX232的輸入相連，然后在共地，最后，通過串口線連接到電腦的串口上就可以實現(xiàn)單片機與PC機的串行通信了，不過在通信的過程中一定要特別注意雙方的波特率一定要相同，否則，通信是不可能成功的，具體的電路如圖3.21所示。圖3.21PC機與MAX232的電路圖第四章、智能家居無線控制軟件系統(tǒng)設計4.1匯編語言由于C語言具有功能豐富，表達能力強，使用靈活方便，應用面廣，目標程序效率高，可移植性好等特點，固我們選中其為開發(fā)語言，用AT89C51開發(fā)的ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境為開發(fā)平臺。AT89C51使用C語言編程基本規(guī)則。在應用系統(tǒng)的程序設計中，若所有的編程任務均由匯編語言來完成，其工作量巨大，并且不易移植。由于AT89C51的程序執(zhí)行速度較高，存儲器的存儲速度和存儲量也很高，因此，C語言的特點充分發(fā)揮，使得應用程序的開發(fā)時間大為縮短，代碼的移植十分方便，程序的重復使用率提高，程序架構(gòu)清晰易懂，管理較為容易等等。因此，C語言的在AT89C51編程中具有重要地位。在AT89C51程序的開發(fā)中，需要大量讀寫硬件寄存器，盡量縮短程序的執(zhí)行時間，因此部分初始化代碼一般使用匯編語言來編寫，比如AT89C51的啟動代碼，AT89C51的操作系統(tǒng)的移植代碼等，除此之外，絕大多數(shù)代碼可以使用C語言來完成。C語言使用的是標準的C語言，嵌入式AT89C51開發(fā)環(huán)境實際上是C語言的一個集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)環(huán)境和AT89C51硬件密切相關(guān)。將匯編程序以文件的形式加入項目當中，通過ATPCS（AT89C51/ThumbProcedureCallStandard）的規(guī)定與C程序相互調(diào)用與訪問。4.2統(tǒng)軟件總設計主程序構(gòu)成無限循環(huán)，主要完成單片機初始化，關(guān)中斷，菜單顯示內(nèi)容初始化，按鍵控制，電機運行，計時等功能。主程序軟件設計流程圖如圖4.1所示。開始開始關(guān)中斷設置推顯示短路帽？觸發(fā)控制外部觸發(fā)？設置時間到點？開始計時電機工作完成？電機停止YNYNNYYN圖4.1主程序軟件設計流程圖啟動主程序，先關(guān)中斷并且設置堆棧，接著初始化寄存器，初始化顯示內(nèi)容；然后根據(jù)短接帽是否連接執(zhí)行相應的操作。4.3系統(tǒng)軟件子程序設計4.3.1步進電機程序設計步進電機程序設計的主要任務是：（1）判斷旋轉(zhuǎn)方向；（2）按順序傳送控制脈沖；（3）判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。步進電機工作流程圖如4.2所示。開始開始步進電機正轉(zhuǎn)？傳送正轉(zhuǎn)的脈沖序列傳送反轉(zhuǎn)的脈沖序列傳送步數(shù)是否完畢？傳送步數(shù)是否完畢？返回圖4.2步進電機工作流程圖4.3.2鍵盤程序設計在單片機處理按鍵操作后都延時5ms，如果確定是按鍵后再延時12ms，這樣基本可以避免鍵盤的抖動。然后由單片機運行鍵碼分析，并執(zhí)行相應的命令，顯示并且返回。圖4.3是鍵盤設計流程圖。兩次調(diào)用顯示程序兩次調(diào)用顯示程序返回開始按鍵？調(diào)用顯示程序延時分析按鍵，執(zhí)行YN圖4.3鍵盤設計流程圖在單片機應用系統(tǒng)設計中，系統(tǒng)有兩性能很大一部分取決于鍵盤處理程序。在該設計中用以下思路設計的鍵處理程序。4.3.3系統(tǒng)顯示子程序因為通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，使單片機的數(shù)據(jù)以16進制儲存于寄存器當中，為了讓LED顯示需要轉(zhuǎn)換為BCD碼。本次采用軟件消抖，通過調(diào)用子程序延時來解決，可以很好地解決單片機的抖動問題。驅(qū)動HD7279驅(qū)動HD7279選擇段、位碼LED顯示數(shù)據(jù)傳輸YNLED閃爍LED閃爍≤2m≥15m圖4.5LED顯示子程序流程圖4.3.4溫度測量子程序DS18B20程序流程圖如圖4.6所示：開始開始調(diào)初始化子程序設置跳過ROM命令CCH，調(diào)寫命令子程序設置啟動溫度轉(zhuǎn)換命令44H，調(diào)寫命令子程序調(diào)延時子程序調(diào)初始化子程序設置匹配命令BEH，調(diào)寫命令子程序設置溫度數(shù)據(jù)存放位置，調(diào)寫命令子程序讀出數(shù)據(jù)結(jié)束圖4.6DS18B20程序流程圖由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送。因此，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。系統(tǒng)還有一個循環(huán)顯示數(shù)碼管程序編輯及小部分元器件控制程序。4.3.5紅外無線通信數(shù)據(jù)傳輸程序根據(jù)無線電紅外系統(tǒng)硬件設計和電路原理，根據(jù)硬件連接和每個模塊的特點和功能芯片實現(xiàn)，初始化，包括紅外模塊輸入端口，端口輸入/輸出的單片機、串行端口輸入/輸出模塊的輸入端口。主程序的流程是通過紅外模塊接收光信號信息，然后傳送到單片機進行A/D轉(zhuǎn)換。整體方案方框圖如圖4.7所示。圖4.7紅外發(fā)射程序控制流程圖發(fā)射部分的主程序，先進行初始化，然后執(zhí)行鍵盤掃描。右邊是按鍵掃描程序，先是程序不斷掃描鍵盤是否有按鍵按下，如果有按鍵按下，便調(diào)用發(fā)射子程序和顯示子程序。圖4.8是紅外接收端的主程序，首先還是要進行初始化，然后依據(jù)設定的顯示亮度數(shù)據(jù)設定調(diào)光脈沖延時值。圖4.8接收模塊流程圖4.3.6水管泄露檢測流程采用負壓波法作為家庭水管道泄漏檢測的方法。在采用負壓波對管道泄漏進行檢測定位時，為減輕工況調(diào)整引起的干擾，在管道兩端各安裝兩個壓力傳感器，用于確定負壓波的傳播方向，該方法能夠有效地減少誤報率。水泄露檢測系統(tǒng)可以在很短的時間內(nèi)完成段是否出現(xiàn)泄露的判斷同時找到泄露點位置。圖4.9水泄露檢測流程圖4.4ZigBee設備程序設計4.4.1基于ZigBee的無線信息采集與傳輸ZigBee是一種高可靠的無線網(wǎng)絡，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡基站，通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。組建ZigBee網(wǎng)絡主要包括兩個步驟：網(wǎng)絡初始化、節(jié)點加入網(wǎng)絡。如圖4.10所示為ZigBee組網(wǎng)流程中的主要環(huán)節(jié)。圖4.10ZigBee組網(wǎng)流程圖除此之外，每一個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉(zhuǎn)任務的孤立的子節(jié)點（RFD）無線連接。在智能窗戶控制系統(tǒng)中，窗戶內(nèi)網(wǎng)采用的是星狀網(wǎng)絡，當通過串口與PC機相連的協(xié)調(diào)器上電后會開始組網(wǎng)，組網(wǎng)完成后，此協(xié)調(diào)器具有控制器的功能，隨著另外兩個終端設備的加入，系統(tǒng)的窗戶內(nèi)網(wǎng)已經(jīng)完善，開始進行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)的采集與傳輸流程圖如4.11所示：圖4.11協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)的采集與傳輸4.4.2Z-Stack協(xié)議棧研究針對ZigBee協(xié)議開發(fā)的Z-Stack是一種半開源協(xié)議棧。主要用來幫助開發(fā)人員能夠更加方便的使用德州儀器公司生產(chǎn)的一系列ZigBee芯片來進行產(chǎn)品開發(fā)。與ZigBee協(xié)議形成相對應，Z-Stack也采取分層的編程設計，下面依據(jù)Z-Stack在IAR軟件開發(fā)環(huán)境的目錄從上到下的順序。ZigBee網(wǎng)絡組建好后，已經(jīng)可以進行通信，但是要完成具體應用，還需要每個通信節(jié)點遵循相同的控制協(xié)議?？刂茀f(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)的格式及時序，使每個通信節(jié)點能夠解析數(shù)據(jù)的含義，準確完成預定的功能，網(wǎng)絡中每個通信節(jié)點都必須遵循控制協(xié)議。4.4.3ZigBee設備程序框架及設備初始配置如圖4.12所示，ZigBee設備的程序框架包括:ZigBee設備硬件驅(qū)動接口、用戶應用程序、操作系統(tǒng)。在Z-stack的操作系統(tǒng)中可根據(jù)實際應用的需要編寫不同的應用程序，通過ZigBee設備硬件驅(qū)動接口來實現(xiàn)設備的控制。圖4.12ZigBee設備的程序框架本文對ZigBee設備中的預先設計的任務定義不同的ID，當觸發(fā)相關(guān)的任務時，可以通過ID進行調(diào)度，當同時啟動若干個任務時，也可以通過ID號對不同的任務進行區(qū)分，同時也可以根據(jù)事先設計好的ID對應程序的優(yōu)先級來確定運行順序。ZigBee設備第一次加入網(wǎng)絡時，需要對其功能進行定位并初始化，若節(jié)點加入網(wǎng)絡后并未設置其功能，則系統(tǒng)默認為協(xié)調(diào)器設備。如圖4.13所示，ZigBee設備可以設置不同的功能按鍵，并對不同的案件預設不同的配置。圖4.13ZigBee設備的初始化配置流程4.5物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)4.5.1網(wǎng)絡通信協(xié)議設計智能家居系統(tǒng)要實現(xiàn)遠程訪問家中設備的功能，必須將設備與Internet網(wǎng)絡相連，通過在互聯(lián)網(wǎng)上交換客戶端和服務器端的數(shù)據(jù)，在物理網(wǎng)絡與互聯(lián)層之間將IP數(shù)據(jù)包采用一定的數(shù)據(jù)鏈路進行接收和發(fā)送，實現(xiàn)設備的網(wǎng)絡公有化。而實現(xiàn)網(wǎng)絡通信功能，則必須通過TCP/IP協(xié)議棧的介入才能完成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的交互功能。對于運行有嵌入式操作系統(tǒng)的微控制器的硬件設備，通常會將一個集成有TCP/IP協(xié)議棧的文件系統(tǒng)一直到系統(tǒng)操作系統(tǒng)中。本系統(tǒng)TCP協(xié)議采用了一系列簡化機制，保證系統(tǒng)功能前提下提高系統(tǒng)的軟硬件資源利用率。4.5.2以太網(wǎng)驅(qū)動設計以太網(wǎng)通信模塊是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點實現(xiàn)與外部網(wǎng)絡連接的關(guān)鍵，是本軟件系統(tǒng)的重點模塊之一。為實現(xiàn)設備的聯(lián)網(wǎng)功能，開發(fā)者需自行添加底層網(wǎng)口驅(qū)動程序。DM9000數(shù)據(jù)驅(qū)動流程如圖4.14所示。對于其他以太網(wǎng)通信參數(shù)的設置，主要包括在uipopt.h的頭文件里，用戶可根據(jù)系統(tǒng)需求在該文件中設置本機的MAC地址、網(wǎng)關(guān)地址、uip_buf緩沖區(qū)的大小以及支持的最大TCP事件連接數(shù)等參數(shù)。圖4.14DM9000數(shù)據(jù)驅(qū)動流程4.5.3Web服務器的實現(xiàn)本設計在Web頁面將控制攝像頭和空調(diào)溫度調(diào)節(jié)命令的請求發(fā)送給服務器端，也就是遠端STM32主機，STM32執(zhí)行相應程序后，可遠程控制空調(diào)，也可將照片數(shù)據(jù)回傳到頁面上，實現(xiàn)動態(tài)交互功能。具體實現(xiàn)過程，如圖4.15所示。圖4.15Web服務器軟件實現(xiàn)流程第五章、PCB板設計與仿真5.1PCB板設計電路原理圖設計好之后，需要制作PCB電路板。首先要得到正確的網(wǎng)格表，對于某些原件的固定用腳等原理圖上沒有的焊盤定義到與它相通的網(wǎng)絡上，沒有任何物理連接的可定義到地或保護地等。另外需要注意的是電源線和地線就要寬一些，強電和弱電要做好隔離，模擬地和數(shù)字地也要隔離開。設置好線與器件之間的安全距離，對于復雜有特殊要求的地方建議使用手工布地線和強電線。在自動布線功能設置好之后，開始自動布線。如果不能完全布通，可以手工繼續(xù)。完成后做DRC檢驗。最終，設計出PCB板如下圖所示。圖5.1、圖5.2、圖5.3、圖5.4分別為顯示板元件面主控板絲印面、主控板元件面、主控板焊接面。本文設計的基于單片機的多路報警系統(tǒng)硬件平臺為基礎，通過顯示器接口連接LCD顯示器，通過工程面板接口連接工程面板，從而組成一套完整的報警裝置。圖5.1顯示板圖圖5.2主控板絲印面圖5.3主控板元件面圖5.4主控板焊接面5.2各模塊調(diào)試5.2.1電機模塊調(diào)試電動機模塊P1=(P1&0x0f)|(0xf0&FFW[j]使得P1的高字節(jié)（FFW[j]的值依j的變化次循環(huán)）在不影響P1低字節(jié)的變化，去驅(qū)動步進電機。調(diào)節(jié)延時函數(shù)即控制電動機轉(zhuǎn)速。FFW數(shù)組的值為{0x1f，0x3f，0x2f，0x6f，0x4f，0xcf，0x8f，0x9f}，這樣滿足電動機正轉(zhuǎn)。同理同理可以利用REV數(shù)組的值為{0x9f，0x8f，0xcf，0x4f，0x6f，0x2f，0x3f，0x1f}完成電動機反轉(zhuǎn)。5.2.2時鐘模塊調(diào)試經(jīng)過24小時過5秒的走時，測出和網(wǎng)絡時間吻合，如圖5.5時鐘電路和程序正常。（a）測試前的走時（a）測試前的走時（b）24小時之后的走時圖5.6時鐘走時測試調(diào)試5.2.3濕度模塊調(diào)試圖4.13所示為室內(nèi)濕度值和向濕度傳感器加濕氣的比較（濕度值55%RH增加到81%RH），濕度傳感器模塊工作正常。（a）室內(nèi)濕度值（a）室內(nèi)濕度值（b）加濕氣后的濕度值圖5.7濕度傳感器調(diào)試5.2.4光線模塊調(diào)試在對著窗子較強的光線強度和室內(nèi)燈光調(diào)試對比(光線強度由224Lx減少到148Lx)測試圖如圖5.8所示。圖5.8光線強度傳感器測試調(diào)試圖5.8光線強度傳感器測試調(diào)試5.2.5紅外遙控按鍵解碼及調(diào)試將遙控器按鍵面板如圖5.9所示的按鍵解碼，其對應的鍵值為圖5.10所示。00FF453A00FF463900FF473800FF443B00FF403F00FF433C00FF077800FF156A00FF097600FF166900FF199600FF0D7200FF0C7300FF186700FF5E2100FF087700FF1C6300FF5A2500FF432D00FF522D00FF4A35開開停關(guān)手/時間確定0設置123456789圖5.9遙控版面重新設計圖5.10遙控解碼值5.2.6紅外對管模塊調(diào)試將電路按照圖連接起來，測得P00和P01的電壓都0.2V，用一張透光性不強的布料穿過紅外對管，此時，接收管截止，測得P00和P01的電壓都4.6V。2個全局變量openall（完全打開）和closeall（完全關(guān)閉）分別為P00和P01的值，用于反饋信號（0.2V為低電平、4.6V為高電平），此時能夠使得電動機在窗簾完全打開和完全關(guān)閉時停下來。5.3系統(tǒng)整體調(diào)試結(jié)果經(jīng)模塊調(diào)試，各模塊的工作正常。將整體程序燒錄，系統(tǒng)整體整體工作如下：首先，程序初始化，其包括單片機、液晶、各傳感器等模塊的初始化。然后，進入界面后按照DS1302原有的時間進行走時，該界面也提供一個萬年歷的功能，可以有用遙控查看時間（包括年、月、日、時、分、秒、星期的查看），如果不進行時間調(diào)整，就直接進入自動模式和手動模式的任意切換，默認下為自動模式。其中，圖5.11為用遙控設置預設值的工作界面；圖5.12為自動模式下光強變化工作圖片，預設置的最適宜光強為150Lx，室內(nèi)光強控制在窗簾在150+20Lx，如大于170就關(guān)閉窗簾調(diào)整，小于130則打開窗簾調(diào)整。圖5.13是手動模式下關(guān)窗工作圖片，在此工作模式下，窗簾的開關(guān)不受預設值控制，只可以用遙控進行開關(guān)或者停等操作。圖5.11遙控設置預設值工作圖片圖5.11遙控設置預設值工作圖片圖5.12自動模式下光強變化工作圖片圖5.12自動模式下光強變化工作圖片圖5.13手動模式下關(guān)窗工作圖片圖5.13手動模式下關(guān)窗工作圖片第六章、結(jié)論與展望本次設計系統(tǒng)地介紹了自動窗簾控制系統(tǒng)的硬件電路設計以及軟件設計。在總體方案設計中以光敏電阻和雨滴傳感器作為信號的傳感器，使得設計的檢測部分穩(wěn)定、準確。以步進電機作為信號輸出的執(zhí)行原件，控制簡單，容易實現(xiàn)。AT89C51單片