（农业机械化工程专业论文）智能小区管理控制系统的设计研究.pdf

摘要 随着现代科学技术的发展和人民生活水平的提高，居民对住宅的功能、质量提 出了更高的要求，智能化住宅以其安全舒适、信息通畅、服务完善而深受住户的喜 爱，智能住宅成为现代化住宅的发展趋势。因此研究并开发出适合人们要求的智能 化产品具有很重要的意义。在对国内外已有的智能小区管理控制系统进行分析后， 结合国内智能化住宅的实际要求，提出了一套多功能的智能小区管理控制系统的设 计方案，并实现了智能家居控制的设计。 本文设计的智能小区管理控制系统能通过远程控制和本地控制实现以下功能： 1 、实现人在异地通过电话网络对家中的用电设备进行远程控制。 2 、实现在近距离通过系统键盘控制家用电器设备的工作状态。 3 、实现安全防盗报警。 4 、实现三表( 电表、水表、气表) 的数据采集。 5 、实现实时时钟显示。 智能家居控制系统以c 8 0 5 1 f 0 2 0 增强型单片机为核心，进行智能控制。远程控 制功能的实现是利用已有的电话网络进行信号传输，达到控制目的；本地控制是通 过系统设置的键盘，进行人机交互，实现本地控制目的。系统通过主控c p u 检测各 种异常情况，进行报警。 论文总结了本课题研究的智能家居控制系统的特点。通过实例，介绍了智能家 居控制系统的应用方法。最后提出了系统功能的完善方向。 关键词：智能管理控制系统；远程控制；本地控制；双音多频 t h er e s e a r c ho nd e s i g no f i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ( i c m s ) f o r d w e l l i n gh o u s e s a u t h o r ：l vc h a n g f e i s u p e r v i s o r ：q i a nd o n g - p i n g m a j o r ：a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a n dt h er a i s i n go f p e o p l e s l i v i n gs t a n d a r d ，r e s i d e n t sp u tf o r w a r dt h eh i g h e rd e m a n do nt h eh o u s e f u n c t i o n sa n d q u a l i t y s m a r th o m ea r ep o p u l a rb e c a u s eo ft h e i rs a f e t y , c o m f o r t ，e x p e d i t ei n f o r m a t i o n a n dp e r f e c ts e r v i c e i nc o n s e q u e n c e ，t h e ya r el i k e l yt os t a n df o rt h et r e n do fm o d e m h o u s i n g s oi t sv e r yi m p o r t a n tt os t u d ya n dd e v e l o pi n t e l l i g e n c ep r o d u c t sw h i c hc a n m e e tt h er e q u e s to fp e o p l e b a s e do nt h ea n a l y s i so fs m a r th o m eb o t ha th o m ea n da b r o a da n dt h ec o n s i d e r a t i o n o fp r a c t i c a ld e m a n d so ns m a r th o m ei nc h i n a ，ad e s i g no fm u l t i f u n c t i o ns m a r th o m e c o n t r o ls y s t e mi sp u tf o r w a r d t h r o u g hr e m o t ec o n t r o la n dl o c a lc o n t r o l ，t h ed e s i g nc a np e r f o r mt h ef o l l o w i n g f u n c t i o n s ： 1 r e m o t ec o n t r o lo v e re l e c t r i ce q u i p m e n tt h r o u g ht e l e p h o n en e t w o r k 2 l o c a lc o n t r o lo v e re l e c t r i ce q u i p m e n t t h r o u g hk e yb o a r d 3 s a f e t ya l a r m i n g 4 d a t ec o l l e c t i o no f m e t e r so f e l e c t r i c i t y , w a t e ra n dg a s 5 o p e r a t i o no fr e a lt i m e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n ，i n t e n s i f i e ds i n g l ec h i pc 8 0 51f 0 2 0i st h ec o r eo ft h es m a r t h o m ec o n t r o ls y s t e m 。r e m o t ec o n t r o li sr e a l i z e dt h r o u g h s i g n a lt r a n s m i s s i o no v e r ，t e l e p h o n en e t w o r k l o c a lc o n t r o l i sr e a l i z e dt h r o wm a n m a c h i n ec o m m u n i c a t i o n c o n t r o l l e db ys y s t e mk e y b o a r d t h em a i nc p uw i l la l a r mw h e nt h e r ei ss o m eu n e x p e c t e d i n t e r r u p t t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a r th o m em a n a g e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e ma n da l s oe x e m p l i f i e si t sa p p l i c a t i o n a n df u r t h e r m o r e ，i th a sp u tf o r w a r ds o m e i d e a so nh o wt oi m p r o v et h es y s t e m k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ( i c m s ) ；i n t e l l i g e n tr e m o t e m e t e rr e a d i n gs y s t e m ( i r m r ) ；r e m o t ec o n t r o l ；n a t i v ec o n t r o l ；d t m f ( d u a l t o n e m u l t i f r e q u e n c y ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑兰垦盔些盘堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：么谤 签字日期：洲年易月，二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑j 垦盔些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑皇垦盔些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 线钎 签字日期：年月 日签字日期：o 杪谚年多月2 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 智能小区管理控制系统的设计与研究 1 1 国内外研究现状及发展趋势 1 绪论 智能家居是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、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； 还由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互功能，帮助家庭 与外部保持信息交流畅通，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、舒适性，甚至合理控制各种能源的使用u 1 。 不同国家，先后提出智能家居的方案不同。如早期新加坡的模式的家庭智能化系统包括三 表抄送、安防报警、可视对讲、监控、家电控制、有线电视接入、智能布线箱、宽带网络接入 等。而现在今天的智能家居控制系统将拥有更加丰富的内容，系统配置也越来越复杂，智能家 居包括网络接入、防盗报警系统、消防报警系统、电视对讲、远程报警、紧急求助、室内电器 自控管理、网上购物、视频点播、网上教育等等。 1 1 1 国外发展现状 在国外，智能家居常被称为“s m a r th o m e ”。目前，世界上许多计算机、通信、家电行业的 巨人都认识到它的巨大市场潜力，纷纷进入这个领域。c i s c o 、 i n t e l 、n o r t e l 、m o t o r o l a 、 l u c e n t 、3 c o m 、i b m 、e r i c s s o n 和松下等公司都已开始建立智能信息家电和智能家居公司h 。 目前已出现在市场上的智能信息家电和智能家居类的产品主要有： ( 1 ) 美国的x _ 1 0 系统，该系统是通过电力线作为网络平台，采取集中控制方式实现多种功 能，目前在国内应用极少，这套系统的功能较为强大，但它暂时不具备在国内市场推广的条件。 首先，它是基于美国的电力环境设计的，很难适应国内恶劣的电力线环境；其次，它的功能虽 然强大，但是针对西方消费的习惯设计的，难以满足国内消费者的要求；最后，也是最为重要 的因素，它的价格也是国内的房地产品和普通消费难以接受的。 ( 2 ) 德国的e i b 系统，该系统采用的是预埋总线及中央控制方式实现各种控制功能，目前在 国内应用极少。究其原因，一个是其工程要求较为复杂、严格；另一方面，由于它需要进行线 路预埋，因此主要客户对象是新建小区的开发商，但它较高的价格是这些开发商所难以承受的， 所以一直无法打开国内市场。 ( 3 ) 新加坡8 x 系统，该系统采用预埋总线和集中控制方式实现各种功能，同时，利用的产 品可对系统进行扩展。目前该系统在国内有少量应用。应该说8 x 系统最大优势在于系统较为成 熟，是比较适合中国国情的系统，在国内及东南亚市场有成功应用的范例，但在系统架构、灵 活性、价格等方面还难以满足要求。首先，8 x 采用的预埋总线方式决定了它的切入点只能是 新建小区，对于旧房改造这一潜在的巨大市场它无能为力：其8 x 集中控制的方式降低了用户 的可选择性，前期投入。成本较高，而这正是房地产商最为关心的问题晦1 。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 1 1 2 国内发展现状 智能住宅的概念起源于美国，美国的智能住宅发展是最为迅速的。继美国之后，欧洲、日 本、新加坡等国家住宅智能化也得到了飞速发展幢3 1 。例如欧洲一个叫i n t e g e r 的组织于1 9 9 8 年建造了一座智能建筑，它包括环保、节能、智能控制等许多特色。德国费劳恩霍夫研究会与 1 1 家公司联手合作，建成世界首座样板智能住宅，其内部完全实现了电子化和网络化口1 。在我 国智能住宅这一概念推广较晚，但其发展的速度也很快，全国已建立了一些具有一定智能化功 能的住宅小区。 所谓的智能住宅是将家中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置，通过家 庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理， 并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。这些功能都是通过家居服务器来实现的，家居 服务器具有家庭总线系统，通过家庭总线系统提供各种服务功能，并能和住宅以外部世界相连 接。所以说家居服务器是智能住宅的核心，在智能住宅中的重要地位。 2 0 世纪9 0 年代中后期，国内的智能小区逐步兴起。我国的智能化住宅和智能化小区建设， 最初始于广州、深圳和上海等沿海开放城市，逐步向内地扩展哺1 。智能住宅在我国的初次出现 是在1 9 9 7 年。在建设部“9 7 跨世纪住宅小区案竞赛活动”中，上海中皇广场被建设部科技委 员会列为全国首家“智能住宅示范工程”开了全国智能住宅小区之先河。1 9 9 9 年，建设部勘察 设计司、建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程。示范工程 的目标是，在合理控制造价和执行国家建设标准的基础上，采用现代信息技术、网络集成技术， 通过精心设计、择优集成、精密施工，达到提高住宅使用功能、推进住宅质量换代、促进住宅 产业现代化的目标。同时通过示范，摸索出一套适合各地建设，并各具特色的住宅小区智能化 技术示范工程建设的设计、集成、施工等方面的经验，以点带面，在全国计划地全面推广。该 示范工程的正式启动，标志着我国智能化住宅小区的建设进入了新的发展阶段瞩 。 人们对智能小区的热情空前高涨，一时间全国上下许多大中城市的房地产商都将自己开发 兴建的住宅小区标以“智能小区”，甚至提出“a 型智“b e , 。j 、区”、“5 a 型智能小区”等，智能小区 成了房地产商开发销售的热点和卖点。但由于智能化小区缺乏统一的技术标准，智能化相关产 品不成熟，房地产开发商贪大求全，盲目追求智能化以及专业知识欠缺导致的鉴别能力不足等 原因，造成部分建成的小区智能化系统运行不正常，系统性价比低下，所使用的系统与设备不 符合标准化及开放性的要求。为此，建设部住宅产业化促进中心先后颁布了 全国住宅小区智 能化系统示范工程建设要点与技术导则等对智能小区的建设加以指导，上海市智能建筑试点 工作领导小组也适时颁发了 l 啪( s c o n o 国 y u t i r a n钿伪 e 刚瑚僵旧 n 艄衄n n 3 l 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 续表4 1 中断源、对应的向量地址、优先级和控制位一览表 宅时量2 溢出( 或饵彻 5 t t 2 ( i x x 斟，刀 y肌但冯m 牡s ) e 髓= 2 ) 率行， 谈接口 溉玎6 s 陌俾瑚口功 丫 琰；p 玛嗍 ( 班i o ) 侣瑾i 谚 岛国饵接口 o 卿啦b7笠俾国删ye ! 蝴雕揪 伍正】任印i - 1 ) a d 富口 匕较 白蝴s d 叨咖y e w a d c op 1 础嘞 a d 删- 2 ) 一 a e 难i 凹1 2 ) 疆僻：j 柚q 7 ) y 日啪班柚 可纂露计蠡嚣阵列 伪侣a c f h ( e 瑾l j )岱口i 3 0 l ( p l 甜- o ( 枷 i i ：较罩o 下降襁 蚀5 l oq 憾碍 i 目：即f p ( 曩呼 ( c v r o 斟4 )( e i e i 衄l 旬 i j ：较嚣o 上升沿 血罐l ia 彻e i 触h 撒 ( a r r a ：n 5 )c e 正1 n正口i 乃 比较i 下降嚣 o 曲嘶3 1 2c p l 髓 日c p i f p 口球 t 口玎i c n 国 c e 正l ，6 ) ( e 口1 日 比授l 上丹沿白阚 nc p l 髓e c p l rp c p u i ( c m c n 立c e 琵1 乃传口1 定时3 溢出 伽蝴1 4i f ， 目门p 乃 m 根煳刁 佳妲伍嘲 取盯yl 丹嘞 n 转莰结囊囱姗1 5 c d ( ：o c n j )c 班i )陋1 ) 一 定时4 墨出囱艄 1 6 讯口d n 力聃田段匀 f n 伍呦 d 口转换结雍 臼由篮81 7a d u n te d c i日虹i ( a d c j c n5 )皿& ，) 吼 丹毒中断6加蝴 l l嗽( 嘲l麟回暖棚p 麟 ( e 删 外瘁中断t 蝴1 9 嘟匿辞d 订噼 丹c 7 ( 日p 均 u 糊o 嘲 32 0 础l ( s 。o n l 期 e s lp s l 1 1 1 ( s o o r e i )征压2 田( 日托，田 外绵晶体鬻药鼍 锄娜旧2 l翱l d日n t d丹m 准鲁好 ( o s c x c n 7 )匹政7 )陬7 ) 4 2 2 芯片中断源优先级处理 每个中断源都可以被独立地编程为两个优先级中的一个：低优先级或高优先级。一个低优 先级的中断服务程序可以被高优先级的中断所中断，但高优先级的中断不能被中断。每个中断 在s f r ( i p ) 中都有一个配置其优先级的中断优先级设置位，缺省值为低优先级。如果两个中断 同时发生，具有高优先级的中断先得到服务。如果这两个中断的优先级相同，则由固定的优先 级顺序决定哪一个先得到服务。 表4 1 给出了中断源优先级，由表可知，复位的中断优先级最高，外部中断源( i n t o ) 优 先级为第二位，和外部中断源( i n t l ) 优先级为第三位，外部中断6 优先级占1 9 位和外部中断 7 的优先级占2 0 位。定时器中断优先级占第3 位，串口中断优先级占第5 位，a d 中断优先级 占第1 6 位。 4 2 3 系统中断处理 在本系统设计中，系统使用了4 个中断，用外部中断0i n t e r r u p t0 统计振铃次数，实时 时钟用定时器o 中断i n t e r r u p tl ，串行口通讯用串口通讯中断i n t e r r u p t4 ，a d 转换用a d c 0 3 2 智能小区管理控制系统的设计与研究 中断i n t e r r u p t1 5 。实时时钟部分用定时器0 中断i n t e r r u p t1 ，实现实时时钟显示及时间调 整的功能。系统工作时，设置定时器的工作方式，通过寄存器t m o d 进行设置，t m o d = o x 0 1 ，工 作在方式l ，1 6 位定时器计数器。串行口通讯用于实现电能表数据采集的功能；串行口通讯 用串口通讯中断i n t e r r u p t4 ，系统初始时，先对要设置发送、接收标志位，设置串口的波特 率。用定时器2 工作在方式1 作为波特率发生器，m 2 = 0 x f f ，t l 2 = o x f 9 ，t 2 c o n = o x 3 4 。串口设 置：s c o n o = o x 5 0 ，工作在方式l ，数据位是8 位。最终得到的波特率是1 9 2 0 0 ：振铃检测外部中 断0 ，用于实现统计振铃次数。 系统使用4 个中断时，中断优先级按自然级别的先后顺序处理。 4 3 安防报警硬件电路设计 报警系统由热释电传感器和烟雾传感器及门磁开关传感器构成的检测电路、接口电路、核 心芯片单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 电路、语音电路、d t m f 电路组成。系统工作时单片机在不断地查询， 当传感器检测有偷盗情况发生时，单片机相应的接口拉至低电平，单片机就立即启动蜂鸣器发 出声音进行近距离报普。启动语音电路播放事先录好的声音：有小偷，请注意! 与此同时，语音 电路又通过单片机和d t m f 电路拨打事先预存的电话号码，告诉用户有警情发生，达到系统设计 安防报警的目的。 如图4 4 所示，本系统中设置了三个替情探测接口p 2 5 、p 2 6 和p 2 7 。当单片机检测到 报警信号后向p 2 4 口发出高电平信号( 如图4 5 ) ，启动报警电路，蜂鸣器报警，同时拨通预存 电话号码，当电话接通后，蜂鸣器停止报警，并输出预存语音。例如：红外线传感器感应到有人 进入，则向单片机发送一个低电平，当单片机检测到这个信号后立即向p 2 4 口发送一个高电平 信号，q 1 0 1 被导通，蜂鸣器发出警报，假设单片机预存的电话号码为1 2 3 4 5 6 ，则单片机依次向 p c d 3 3 1 1 发出数据1 、2 、3 、4 、5 、6 ，由p c d 3 3 1 1 依次将数据转换成双音多频信号，通过电话 线发出，即拨打预存号码。用户电话接通后，蜂鸣器停止报警，启动i s d l 4 2 0 语音芯片，终止 当前的一切的语音输出，发出预存的语音提示：有小偷，请注意! l r h e d e 矗， 图4 4 传感器与单片机接口电路图 4 4 电表数据采集模块 鼍7 图4 5 报誉电路图 我国现在采用的是将电表、水表、气表安装在用户室内或楼道内。现在的管理系统仍是采 用传统人工抄表方式，即人工挨家挨户抄取电能表数据，这样不可避免地存在以下问题：统计的 3 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 数据不准确，无法反映用户的真实的用电情况；数居采集的不及时，无法实反映系统状况，不 能对用户有效监控；操作难以规范，造成不明的损失，给国有资源带来损失；人工抄表耗费大 量人力而且效率低，入户抄表打扰了用户，甚至还会引发不安全因素，如有些犯罪嫌疑人冒充 收费人员入室作案而影响了社会治安。为避免上述问题的发生，自动抄表系统应运而生。 自动抄表系统a m r s ( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ) 是与住户密切相关的一个智能化 系统。自动抄表系统主要由上位微机、管理软件、数据集中器、数据采集器以及各种远传能耗 基表等组成。是一种不需要人员到达现场就能完成抄读用户各种能耗信息的智能化多用户远程 集中抄表装置拉。 自动抄表系统一般分为四个部分：前端采集装置、数据采集处理装置、传输线路、中心控 制平台。本系统是家居控制器主要是对前两部分进行设计，主要讨论对电能的采集、处理。 ( 1 ) 前端数据采集装置：是指具有脉冲或电信号输出的电表、水表、气表等计量装置。 ( 2 ) 数据采集处理部分：采用单片机系统来完成。其主要功能是对三表数据进行计数、存 储、显示以便用户查询并且为上一级的上位机采集数据工作作好准备。 4 4 1 前端数据采集 随微电子技术、传感器技术、计算机技术及现代通讯技术的发展，研制电能表自动抄表系 统便提到日程上来了。而且，由于计算机技术和通讯技术的飞速发展，大大促进社会生产力和 国民经济的发展，带动了工厂自动化、办公自动化和家庭自动化的发展，而电能表自动抄表系 统是趋于大力发展中的智能建筑、楼宇自动化的重要组成部分，是家庭自动化的必然。因而日 益受到关注。 传统的电能表为机械式电能表，它是利用电表中的电压元件和电流元件在铝盘上产生的移 进磁场而感生的电涡流，与磁场互相作用而产生的铝盘转距作为动力来驱动由蜗杆、蜗轮及齿 轮组等元件构成的传动机构，从而带动转动式机械计数器的滚轮组来反映铝盘的转数的。由于 铝盘的转数n 与负载功率p 和时间t 成正比，且有 n = c p t = c a 式中，n 为铝盘的转数，a = p t 为负载在时间t 消耗的电能7 1 ( 单位：k w h ) ，c 为电能表的 常数( 单位：r k w h ) 。因此，可用机械计数器的滚轮组上的数字显示累计电能( k w h 即度数的火 小) 。显然，机械计数器的结构是不能满足自动抄表系统的要求。为能实现电能表的自动抄表， 一种方法是在原有各表的基础上进行改装，借助于相应的传感器把原来的机械式计数器的电能 表变成有脉冲输出，不致将它们废弃：另一种方法是就直接采用电子脉冲式电能表，它能输出 + 5 v 脉冲信号，但必须外加一个+ 5 v 电源和一个上拉电阻，就可以直接与数据采集的单片机相连。 电子式电能表原理框图如图4 6 所示。 3 4 i 电压采样卜 叵 电子乘法罂 须率转换馨 分须电路 l 电澈采样卜币蕊 图4 6 电子式电能表原理框图 智能小区管理控制系统的设计与研究 其工作原理是：输入电能表的电压、电流信号经分压、分流器取样，输入到电子乘法器中 相乘，得到一个与功率成正比的模拟电压( 电流) ，该电压( 电流) 经频率转换器转换成频率信号， 在一段时间内计数，便得到这段时间内的电能值。频率信号经分频器分频后，一路频率较高的 脉冲信号经过光电隔离送出，供外部计量抄表使用；另一路频率较低的脉冲信号直接驱动一体 化计度器，记录电能埋引。 生产电子式电能表的厂家不同，电能表输出多少个脉冲代表1 度电的脉冲数也不同。如有 1 2 0 0 个、1 0 0 0 个、2 0 0 0 个、2 4 0 0 个、2 8 0 0 个、3 2 0 0 个脉冲等代表l 度电。 4 4 2 数据采集处理部分 本设计中数据采集处理部分采用单片机来完成。此部分的主要功能是对三表数据进行计 数、存储、显示以便用户查询并且为上一级的抄表工作做好准备。其原理图如图4 7 所示。 s h 彩t c s l f 0 2 0 图4 7 三表数据采集处理框图 4 4 3 电表智能通讯系统 r s 一2 3 2 c 3 “1 是串行通讯中最为广泛的通讯方式，只需简单的硬件电路和软件设计可实 现单片机与计算机的全双工通讯。但由于p c 机的r s 一2 3 2 接口采用的是e i a 电平，而单片机串 行口的输入输出均为1 v r l 电平，因此要实现此机和单片机的串行通讯，其接口必须经过电平转 换，l t 们x 2 3 2 1 为串行电平转换芯片。 ( 1 ) 介绍r s - 2 3 2 c 异步串行通信标准接口 一个完整的r s - 2 3 2 c 应是一个2 5 针的d 型插头座，本系统采用2 5 针的简易9 针d 型插头 座，表4 2 列出几个引脚信号的定义及2 5 针与9 针引脚的对应关系。 数据终端设备与数据通信装置采用r s 一2 3 2 c 接口实现通信，最少可用3 个引脚( 2 ， 3 ，5 脚) 就能正确通信。 表4 2r s - 2 3 2 0 接口儿种引脚信号的定义 9 竹衢针信号方向功能 32们o发送致据 23肿i 接收教据 7t嗣瞎o 请求传送 85c i si 清除发送 66汀i 致据通信装置准备就绪 57s g 信号公共参考地 1 8di 数据载波检测 i 2 0 叨to 敷据终塌设备准备兢绪 92 2r ii 振铃指示 3 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 r s 一2 3 2 c 的电气特性：r s 一2 3 2 c 的逻辑电平以公共地为对称，其逻辑0 电平规定在+ 3 - + 1 5 v 之间，逻辑1 电平规定在一3 一1 5 v 之间；而传统的c o m s t t l 逻辑电平是以地为标准不对称设 置，其逻辑0 电平规定为小于o 7 v ，逻辑1 电平规定为大于3 2 v ，因此r s - 2 3 2 c 和单片机之间 电平不兼容，所以，两者通信时必须进行电平转换加上适当的接口电路。r s - 2 3 2 c 标准推荐的 最大电缆长度为1 5 米，即传输距离一般不超过1 5 米。 ( 2 ) 介绍m a x 2 3 2 芯片 m a x 2 3 2 为串行电平转换芯片。如图4 8 所示，器件内部集成了电荷泵和一个电压变换器， 它能将+ 5 v 或者更低的电压变换成r s - 2 3 2 所需的l o v 以上的电压。 ? 霉0 1 6 一 基蓦：二争v + 爿 j 一c 2 + l k 一1 0 v v 一 1 ：晓一电压转撬 z 上l l群品0 卜一 十i 冒 l 一 h + 5vii 厂 一 柏0 卜一 7 一l 一7 一 一 ，j 1 2r 1 一1 一量1 - ，j ；：， n0 m z ，1 ! u n o a n d 吉 图4 8i k x 2 3 2 管脚图 除了共同接地端之外，将p c 串行口上的两根信号线r x d ( d b 9 的2 脚) 和t x d ( d b 9 的3 脚) 与m a x 2 3 2 芯片的7 脚和8 脚相连，即可实现通讯。 电表智能通讯系统方框图如图4 9 所示，实验调试时用一个单片机a t 8 9 c 5 1 的最小系统产 生脉冲模拟电能表发送电脉冲数据，相当于三表输出的脉冲个数。而智能控制系统已做成标准 化的r s 一2 3 2 接e l ，即在主控c p uc 8 0 5 1 f 0 2 0 与r s - 2 3 2 接e l 之间，加了m a x 2 3 2 电平转换。目的 是便于扩展。那么要实现计量单片机a t 8 9 c 5 1 的最小系统输出电表脉冲个数，则必需再一次经 过m a x 2 3 2 电平转换。 r 一一一一下一一一一1 3 6 智能小区管理控制系统的设计与研究 图4 1 0 是智能控制系统中主控c p uc 8 0 5 1 f 0 2 0 与r s 一2 3 2 之间接口电路图，j 2 1 1 为系统 与单片机a t 8 9 c 5 1 的最小系统产生脉冲模拟电能表相连，实现电能表与主控c p u 间的数据通讯， 而j 2 1 2 为扩展接口。 4 5 键盘模块设计 图4 1 0 电表智能通讯接口电路图 系统通过键盘控制本地家电工作状态、输入预存电话号码、调整时间等，若采用一般的行 列控制按键，则又需要很多i 0 自，为解决这个问题，系统采用了p s 2 标准键盘。p s 2 标准 键盘与单片机接口只需2 个口就可实现数据通讯。 单片机接口电路与p s 2 键盘接口电路如图4 1 1 所示，单片机r 的p 1 5 、p 1 4 口分别与 p s 2 键盘的s d a ，s c k 相连。当按下一个键时，在键盘发送时钟s c l k 的作用下，将该键所对应 的键值数据s d a t a 发送出去，该数据一共有1 1 位，其中第一位为起始位( 低电平) ：8 位数据位 ( d o d 7 ，低位在前) ：一个奇偶校验位；一个停止位( 高电平) 。 图4 1 1p s l 2 键盘与单片机接口电路图 3 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 软件设计流程图4 1 2 如下：系统初始化后，先判断有无键按下，若没有，则返回等待；若 有则判断键值，根据键值，调用入相应的子程序入口，执行相应的操作。 4 6 显示模块设计 图4 1 2 键盘流程图 本系统设计要显示的信息有：要拨打的电话号码、时间、实时采集表示用电量的脉冲数、 温度、显示被控的家用电器的名称等。显示采用l c d 液晶显示器，l c d 体积小，重量轻，功耗 极低，应用十分广泛。 为便于说明，根据顺序把此显示屏幕分成左右三块，上下八行。 第一块第一行，第二块第一行：显示报警状态，如果三个传感器中的任意一个输出有效报 警电平则在此行有惊叹号显示。 第一块第二行，第二块第二行：显示电表读数。 第一块第三行，第二块第三行：显示水表读数。 第一块第四行，第二块第四行：显示冰箱控制状态。 第一块第五行，第二块第五行：显示电饭煲控制状态。 第一块第六行，第二块第六行：显示空调控制状态。 第一块第七行，第二块第七行：显示时间。如果开机后没有调整过则显示为”t i m ： x x ：x x ：x x ”；如果正在调整，显示为“h d j t i m ：x x ：x x ：x x ：如果调整完毕，显示为“r e a l t i m ： x x ：x x ：x x 。具体的调整方法将在后面介绍。 第一块第八行，第二块第八行：显示键盘的输入值，调试时间用。 第三块第一行，第三块第二行：显示串口0 接收的数值，调试时候用。 第三块第三行，第三块第四行：显示当前环境温度值。 3 8 智能小区管理控制系统的设计与研究 第三块第五行，第三块第六行：显示传感器2 报警时候所要拨打的电话号码。 第三块第八行：显示电话控制时候通过电话发送的控制指令。 本系统采用l c d l 9 2 6 4 单色液晶。其内部结构框图如图4 1 3 所示。 图4 1 3l c d l 9 2 6 4 液晶内部结构框图 图4 1 4 为c p uc 8 0 5 1 f 0 2 0 与l c d 的连线图。p 4 o 与r i 相接，控制寄存器选择，高电平 时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。p 4 1 与r w 相接，控制读写，高电平时进行读 操作，低电平时进行写操作。p 4 2 与e 相接，e 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命 令。p 4 3 、p 4 5 、p 4 6 分别控制液晶屏的左、中、右的选择，c s 低电平有效。p 5 0 、p 5 1 、p 5 2 、 p 5 3 、p 5 4 、p 5 5 、p 5 6 、p 5 7 分别与l c d 的数据线d b o 、d b l 、d b 2 、d b 3 、d b 4 、d b 5 、d b 6 、 d b 7 相连。p 4 4 与液晶显示器的复位端相连，低电平有效。在v d d 和v o u t 间n - - 个i o k 电位器 控制液晶的对比度。 p l0 r s p 噜1 r t p 4 2e舶 p 4 3 c s 2 s ，z v o 1 p 4 5 j n 6 c s 3 m 4i 岍 v o u t c 8 0 5 l f 0 2 0 l c d1 9 2 6 4 p 5 o d b 0 p 5 1 d b l p 5 2 d b 2 p 5 3 d b 3 p 5 td b t p 5 5 d b 5 p 5 6d b 6 p 5 7 d b 7 图4 1 4l c d 与单片机的接口图 1 0 k 3 9 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 4 7 复位及供电电路 4 7 1 复位电路 微控制器在上电时状态并不确定，将造成微控制器不能正确工作。为解决这个问题，所有 微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个确定的状态。这个复位逻辑需要 一个复位信号才能工作。复位是使单片机从初始状态开始运行用户应用程序的基本手段。一些 微控制器在上电时自身会产生复位信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信号。因为这个 信号会使微控制器初始化为某个确定的状态，所以这个信号的稳定性和可靠性对微控制器的正 常工作有重大影响。本系统采用上电复位和人工复位两套电路，系统的芯片c 8 0 5 1 f 0 2 0 是低电 平复位，电路图如图4 1 5 所示。当单片机电路板接通电源时，上电复位电路可保证单片机可靠 复位：人工复位电路是在单片机电路板运行失控时，由人工按复位键强迫单片机从复位状态起 重新运行用户程序的手段。若系统复杂，复位电路则采用专用的复位芯片。如果系统需要手动 复位，则可以选择s p 7 0 8 s c n n 别；如果系统不需要手动复位，则可以选择m a x 8 0 9 h2 1 。复位芯片 的门槛电压的选择至关重要。 s 1 0 1 - l 图4 1 5 复位电路图 如图4 1 5 示，上电瞬间，r s t 端的电位与地电位相同，复位功能起作用，芯片复位。随 着电容的逐步充电，充电电流减小，r s 牙电位逐渐上升，电容两端电压很快上升至电源电压， 芯片开始工作。 4 7 2 供电电路 本系统中主控c p u 的供电电压为直流3 3 v ，电路如图4 1 6 所示：2 2 0 v 的交流电先经过一 个典型的直流滤波电路，为供电电路提供所需电压。经过a m s i i l 7 - 5 0 稳压芯片后输出5 v 直流 电压v c c ，发光二极管亮提示有电压输入，再次滤波后，再经a m s i i l 7 - 3 3 稳压芯片输出3 3 v 直流电压v ，供给单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 使用。 因电路中有集成运算放大器、继电器等元器件，所以在供电系统中加入一个d c d c 0 5 1 2 1 2 的电源模块，为其提供1 2 v 电源。 图4 1 6 系统供电电路图 智能小区管理控制系统的设计与研究 4 8 本章小结 本章首先简介了微处理器c 8 0 5 i f 0 2 0 芯片的性能特点，详细说明了单片机外围接口电路， 说明了单片机的中断源及系统中断处理方法，简明了系统采用键盘模块设计、显示模块设计、 复位电路设计和供电电路的硬件电路及工作过程。 5 系统软件设计 “软件”是系统控制的灵魂，灵活性很强，可以根据系统的要求和功能而变化。在硬件结 构一定的情况下，单片机的智能性都是由软件实现。 在本系统中，软件结构采用模块化设计，各功能程序分别编写和调试。各模块调试成功后， 再将所有模块连接起来，构成系统的软件。这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于编程、 调试、维护及协作。 5 1 系统软件设计注意事项 系统软件是根据系统的控制功能而设计的，在本系统中，软件设计应注意以下几点： ( 1 ) 软件结构按功能要求模块化，子程序化。便于调试，链接与修改。 ( 2 ) 合理分配引脚，合理使用中断。 ( 3 ) 程序存储区和数据区要合理规划，既要节约存储空间，又要使程序简单。 ( 4 ) 编写程序注意规范化，适当作出注释，以便于交流。 ( 5 ) 采用必要的软件抗干扰措施，提高系统运行的可靠性。 5 2 系统主要子程序 系统的控制程序主要是完成各种标志的产生与判断，根据相应的标志执行对应的控制程 序，系统的控制程序是一个无限的循环结构。系统上电后，首先完成系统初始化，随后进入一 个无限循环过挫。在这个循环过程中通过不断设置、查询各个状态标志，调用相应的子程序来 完成相应的控制功能。系统的主要子程序如一f ： 5 2 1 接收电路子程序 接收电路是远程控制系统中的电路。主要实现对d t m f 信号音振铃的检测，主控c p u 控制模 拟摘机，根据语音提示，进行相应操作，最终完成远程控制的功能。接收子程序流程如图5 1 所示。系统对外部中断0 ( e x o ) 初始化，p 1 2 口为检测振铃次数端口。对中断次数进行判断， 不够4 次，返回：是4 次，主控c p u 发控制模拟摘机信号，使p 3 2 口置高电平，控制电话线路 接通，完成模拟摘机的功能。播放语音提示：输入密码。对密码进行判断，不正确，就挂机返回： 密码正确，根据语音提示，等待输入执令，并完成相应动作，直至有“# ”输入结束操作，再开 中断，判断下次呼叫，中断返回。 4 1 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 5 2 2 发送电路子程序 图5 1 接收子程序流程图 发送电路是远程报警控制系统中的电路。主要实现有警情发生时，将事先存放在c p u 中的 报警电话号码取出，发送到电话线上，最终实现远程报警的功能。子程序流程如图5 2 所示。 系统对p c d 3 3 1 1 初始化，将“s t r o b e ”置低电平，使之不影响芯片的待机状态。系统中传感器 检测是否有警情发生，若没有则返回继续判断；若有将事先存放在c p u 中的报警电话号码取出， 经p c d 3 3 1 1 译码成d t m f 格式，发送到电话线上，实现发送电话号码的功能，直至终止符，返回 主程序。 5 2 3 家电控制模块软件设计 初始化p c d 3 3 11 s t r o b e = 。0 致c p u 中预存电话号硝 将号码变成d t 玎格式 发送号码， 直至终止符 返回 图5 2 发送子程序流程图 本地控制实现近距离控制家用电器的工作状态。子程序流程如图5 3 所示。在本地按“木” 键，进入本地控制模式。输入号码键，控制号码键相对应的家用电器的用电情况，相对应的发 光二极管点亮，说明电器工作。输入完毕，按“b a c ks p a c e ”键结束按键控制，返回主程序。 4 2 智能小区管理控制系统的设计与研究 5 2 4 报警电路子程序 图5 3 本地控制子程序流程图 报警电路主要完成警情检测，播放报带语音，呼叫报警电话的功能。报普流程如图5 4 所 示。系统只设有三个传感器分别接单片机的p 2 5 、p 2 6 、p 2 7 ，系统初始化将p 2 5 、p 2 6 、p 2 7 置“1 ”，由于核心芯片c 8 0 5 1 f 0 2 0 本身的i 0 口多，使用灵活，可以设置多个i 0 口作为查询 检测引脚，安放在家庭内部的各个需要检测的地方。三个传感器通过接口与单片机电路相连， 一旦有警情发生，相应的端口会出现电平变化，置，”0 ，此时蜂呜器发声，并播放报警语音提 示。单片机控制发送电路，接通外线，通过d t m f 电路，拨打预存的电话号码，告诉主人或小区 门卫，拨打电话没有接通，就拨打1 1 0 报警，达到系统设计安防报警的目的。 图5 4 报警系统流程图 4 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 5 2 5 电表智能通讯子程序 ( 1 ) 模拟电能表的电能量发送子程序 说明：因为电子式电能表输出的电能量是电脉冲信号，调试时没有现成的电子式电能表， 因此实验调试程序时，用单片机a t 8 9 c 5 1 最小系统产生电脉冲信号，模拟电子式电能表的电能 量。 电表智能通讯电路主要是通过单片机实现模拟电表