智能家电控制系统 课程设计

沈阳理工大学课程设计 1 1绪论 1 1 智能家居的概念 现在随着智能小区的大行其道 大家对于小区的智能化已经不再陌生 进小 区大门 或楼栋门 要刷卡 有人按门铃不但可以与其对话 而且更能看到对方 的样貌小区里各重要位置都有电子眼时实监控 一旦有人非法入侵设防区域 控制台会立刻收到报警信号 但当问起智能家居与智能小区有什么异同时 很 多人把它跟智能小区混淆在一起 有不少人都误以为智能家居只不过是把这些功 能简化了装进每个家庭里而已 并没有什么本质上的区别 事实上 虽然这些安防系统的功能确实是智能家居所具备的 但这些只不 过是智能家居众多功能中的一小部分而已 它还包括了家庭里面的家居布线 智 能照明 背景音乐 场景控制 电动窗帘控制 无线遥控控制 集中控制所等众 多功能 这些都是智能小区所无法比拟的 智能家居不是微缩的智能小区 智 能小区里住宅也不一定是智能住宅 1 2 智能家居的功能 从技术上讲 智能家居所要实现的主要的功能有 1 对白色家用电器和其他设备的控制 调节和监测 比如微波炉 洗衣 机 灯光 电动窗帘 防盗报警器 自动门烟雾探测器 有害气体检测装置 温 度和湿度控制器 风量调节器 各种手动的开关和遥控器等 2 沟通黑色家电和其他视频设备之间以及与外部世界之间的信息通道 其中包括 台式 手持计算机 电视 录 摄像机 VCD DVD 和数码照相机等 同 时还可以实现对它们的控制和监测 3 通过对外的接口 实现远程控制和信息交换 如 电话线 有线电视 电缆 市电电源线 双绞线和无线通讯方式等 上面提到的功能中 牵涉到了 各种信息 例如电灯等家电设备 计算机等信息设备 这么多设备信息 智能家 居是如何区分和控制的呢 让我们看看智能家居的组成和各部分的特点 智能家居从信息流介质上看 具体可分为两大部分 1 控制网络如智能家居的基本结构图中右半部分所示 它主要是控制家 庭中各种设备的运行状况 如电灯的灭 亮和亮度控制 空调的启 停以及温度 和风量的控制 家庭安防系统的讯号采集和执行 各种开关量的输入 电动窗帘 的开启 关闭控制 室内各种物理量的探 如温度 湿度 各种气体含量等 四表 煤气表 电表 水表和暖气的热量表 数据的输出与指示等 控制网络 的特点是 在这个网络上传输的信息主要是控制信息以及一些物理量的参数 沈阳理工大学课程设计 2 信号的频率相对比较低 因此传输的速率可以比较低 一般在数十Kbps 就可 满足要求 但是信息传输的可靠性要求比较高 这是因为它传输的信息是各种 设备的控制信息 它的错误不仅可能导致设备的非正常工作 而且可能导致设 备的损坏 因此控制网络在技术上主要解决的问题是传输的可靠性 2 信息网络 在图中其它部分我们统称其为信息网络 它连接的设备有计算机 电视 音响系统 录像机 数码相机以及手机等等 在信息网络上传输的主要是音频和 视频信号 它们的频率带宽一般要高达数兆赫兹 因此要求信息网络上的信息传 输速率比较高 普遍应达到10Mbps以上 但相对说来 它的可靠性要求没有控制 信息那么高 因为视音频信息在传输的前后都有一定的处理 如信号的压缩和编 码 解压缩和解码 这些处理都有一定的容错能力 而且即使有瞬时的错误 也 只是影响瞬时的声音或图像的错误而对设备以后的运行几乎没有影响 因此信息 网络在技术上需要解决的主要问题是传输速率 即带宽 即在可能的条件下尽 可能提高信息网络的带宽 下面为提高网络带宽的几种常见方法 1 总线耦合器 BCU Bus Couple Unit 这是将家用电器 设备连接成一个网络的关键部分 也是网络总线与家用设 备之间的纽带 它的主要作用首先是在各个BCU之间实现信息的交换 实现对家 用设备的信号的获取 输入 或控制信号的输出 BCU对信息进行处理 并确 定信息是否要经总线或其它BCU作传送 此外 由于每个BCU可以连接多个家 用设备 因此它还需要确定信息的来源 2 家电控制信号的驱动部分 BCU无论在输入驱动的电压还是在输出电流驱动能力上都是很有限的 驱 动部分就是要将BCU输出的控制信号 放大 到足以驱动家用电器的能力 同时 也应将输入的微弱信号 放大 到BCU能够认可和接收的水平 3 家用电器 这是智能家庭中实际使用的设备 它与目前家庭使用的设备不同之处是 它们更具有灵活性 并应配置可以与BCU关状态的家用设备 如微波炉 电饭煲 等 几乎不用做太大的变动 而原来具有多种功能调节的家用设备 如电视可调 音量 频道 空调可调温度 风向及方向 音响系统可调音量 音质及自动换盘 等 则应由家用设备厂家做较大的变动 即每个家电应增加一个与BCU连接的 接口 以便可以接收来自BCU 的控制信号 以替代原遥控器的控制作用 和向 BCU送出自己的工作状态信号 以便监测 沈阳理工大学课程设计 3 4 通用遥控器 在一个智能家庭控制网络上的任何家用设备只需要通 过一个唯一的遥控器 就可以实现对它们的控制和监测 也就是说不仅可以控 制家用设备的工作如设备的启 停 工作状态和参数的改变等 还可以通过遥控 器进行监控 例如看到室内的温度 查看卫生间的灯是否已经关断 热水器是 否还在加热 这里的遥控器与家用电器的信息交换是可以双向进行的 而现 在家中的遥控器只是具有单向的控制作用 而没有逆向的监测功能 5 电话接口 这里的电话接口与家中的遥控器有异曲同工的作用 只是遥控器是在家中 的近距离的控制与监测而电话模块可以让电话手机在远距离作控制与监测 6 家庭网关 家庭网关是智能家庭网络上的一个重要部分 它是将单家庭网络与外部 世界 如局域网 Internet网或智能小区的子网络 沟通起来的关键部件 家 庭网关的设置 就象现在的计算机上了网络一样 可以到各个网站上去浏览各 种信息 可以收发 Email 等 同时也可以通过远程已经连接到Internet上的计算 机来控制和监测家庭中各种设备 1 3 智能家居的发展前景 技术 是智能家居的神经 在未来的一个完善的数字家庭中 将体现出当 前各种高技术的综合集成 因为要构成一个真正意义上的智能化家庭 必定是各 个学科的技术的交叉 因此要想构建一个真正的职能家居 需要多个行业 各家 IT 厂商进行支撑 1 4 本课题的目标及设计思路 本课题拟设计一个家电智能化控制系统 基于单片机技术及计算机技术 在本系统中以LED模拟待控制的8路家电 比如电视 空调 洗衣机等 在显示屏 上 显示LED灯的状态 模拟家电的开关状态 本系统仅是对智能家居系统中家电智能化控制作一个初步的探索 以及理论 分析 沈阳理工大学课程设计 4 2 工具介绍 2 1 Keil软件介绍 单片机开发中除必要的硬件外 同样离不开软件 我们写的汇编语言源程 序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法 一种是手工汇编 另一种是机器汇 编 目前已极少使用手工汇编的方法了 机器汇编是通过汇编软件将源程序变为 机器码 用于MCS 51单片机的汇编软件有早期的A51 随着单片机开发技术的 不断发展 从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发 单片机的开发软件也 在不断发展 Keil软件是目前最流行开发MCS 51 系列单片机的软件 这从近年 来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持 Keil即可看出 Keil 提供了包括C编译器宏汇 编 连接器 库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案通过一 个集成开发环境 uVision 将这些部份组合在一起 运行Keil 软件需要Pentium 或以上的CPU 16MB 或更多RAM 20M 以上空闲的硬盘空间 WIN98 NT IN2000WINXP 等操作系统 掌握这一软件的使用对于使用51系列 单片机的爱好者来说是十分必要如果使用C语言编程 那么Keil几乎就是你的不 二之选 目前在国内你只能买到该软件 而你买的仿真机也很可能只支持该软件 即使不使用C 语言而仅用汇编语言编程 其方便易用的集成环境 强大的软件仿 真调试工具也会令你事半功 2 2 Proteus 简介 Proteus 组合了高级原理布图 混合模式 SPICE PCB设计以及自动布线来 实现一个完整的电子设计系统 ISIS是Proteus系统的中心 它远不仅是一 个图 表库 Proteus的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统 可仿真各 种电路和IC 并支持单片机 元件库齐全 使用方便 是不可多得的专业的单 片机软件仿真系统 它是具有控制原理图画图的外观的超强的设计环境 无 论用户的要求是快速实现复杂设计的仿真以及PCB 还是设计精美的原理图以供 出版 ISIS是您的最好工具 该软件的特点 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准 并在同类产品中具有 明显的优势 具有模拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外围电路组成的系统 的仿真 RS 一 232动态仿真 SPI调试器 键盘和LCD系统仿真的功能 有各 种虚拟仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器等 68000系列 8051系列 AVR系列 PIC12系列 PIC16系列 PIC18系列 Z80 系列 HC11系列以及各种外围芯片 沈阳理工大学课程设计 5 支持大量的存储器和外围芯片 总之该软件是一款集单片机和SPICE 分析于一身的仿真软件 功能极其强大可仿真 51 AVR PIC 2 3关键元器件介绍 2 3 1 AT89C52 单片机 本设计由于要求必须使用单片机作为系统的主控制器 而且以单片机为控 制器的设计 可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起 组成新型 的只需要改变软件程序就可以更新换代的 智能化测量控制系统 这种新型 的智能仪表在测量过程自动化 测量结果的数据处理以及功能的多样化方面 都取得了巨大的进展 再则由于系统没有其它高标准的要求 又考虑到本设计 中程序部分比较大 根据总体方案设计的分析 设计这样一个简单的的系统 可以选用带EPROM的单片机 由于应用程序不大 应用程序直接存储在片内 不 用在外部扩展存储器 这样电路也可简化 2 3 2 单片机系统简介 单片机最小系统 或者称为最小应用系统 是指用最少的元件组成的单片 机可以工作的系统 对51系列单片机来说 最小系统一般应该包括 单片机 晶振电路 复位电路 下面给出一个51单片机的最小系统电路图 沈阳理工大学课程设计 6 2 详细 说 明 如 下 1 由电容串联电阻构成 由图并结合 电容电压不能突变 的性质 可以 知道 当系统一上电 RST脚将会出现高电平 并且这个高电平持续的时间由电 路的RC值来决定 典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就 将复位 所以 适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位 一般教科书推荐C取 10u R取10K RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平 至于如何 具体计算 参考电路分析相关书籍 2 晶振11 0592MHz 得到9600波特率和19200波特率 用于有串口通讯的 场合 12MHz 在本电路中取12M 3 单片机 一片AT89S51 52或其他51系列兼容单片机 对于31脚当接 高电平时 单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行 当接低电平时 复位后 直接从外部ROM的0000H开始执行 3 系统硬件简述 3 1 单片机简述 由于此单片机应用在家用遥控器上 所以本设计选用了低功耗 低价格 小 管脚 28 脚 的AT89C52单片机 3 1 1 AT89C52概述 AT89C52 是美国ATMEL公司生产的低电压 高性能CMOS8位单片机 片 内含8kbytes的可反复擦写的只读 程序存储器 PEROM 和 256bytes的随机存取 数据存储器 RAM 器件采用ATMEL公司的高密度 非易失性存储技术生产 与 标准MCS 51指令系统及8052 产品引脚兼容 片内置通用8 位中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元功能强大AT89C52单片机适合于较为复杂控制场合 3 1 2 AT89C52 特性 AT89C52 主要功能特性表 兼容 MCS51 指令系统 8k 可反复擦写Flash ROM 32 个双向 I O 口 256x8bit 内部 RAM 3 个 16计数器中断 时钟频率0 24MHz 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 2 个外部中断源 共 6 个中断源 2 个读写中断口线 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 沈阳理工大学课程设计 7 3 2 串口通信简介 RS232 串口针脚定义9 针接口针脚定义 Pin 1CDReceived Line Signal Detector Pin 2RXDReceived Data Pin 3TXDTransmit Data Pin 4DTRData Terminal Ready Pin 5GNDSignal Ground Pin 6DSRData Set Ready Pin 7RTSequest To Send Pin 8CTSClear To Send Pin 9RIRing Indicator 1 调制解调器 CD 载波检测 2 调制解调器 RXD 接收数据 3 PC TXD 发送数据 4 PC DTR 数据终端准备好 5 GND 信号地 6 调制解调器 DSR 通讯设备准备好 7 PC RTS 请求发送 8 调制解调器 CTS 允许发送 9 调制解调器 RI 响铃指示器 3 3 51 单片机与PC机的串口信 51 单片机有一个全双工的串行通讯口 所以单片机和电脑之间可以方便地 进行串口通讯 进行串行通讯时要满足一定的条件 比如电脑的串口是RS232电 平的 而单片机的串口是TTL电平的 两者之间必须有一个电平转换电路 我们 采用了专用芯片MAX232进行转换 虽然也可以用几个三极管进行模拟转换 但 是还是用专用芯片更简单可靠 我们采用了三线制连接串口 也就是说和电脑的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 电路如下图所示 MAX232的第10脚和单片机的11脚连接 第 9 脚和单片机的10脚连接 第15脚和单片机的20脚连接 沈阳理工大学课程设计 8 4 系统硬件设计 4 1 单片机系统框 AT89C52 单片机最小系统由复位电路 电源电路及单片机构成 单片机的 时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准 复位操作则使单片机的片内电 路初始化 使单片机从一种确定的初态开始运行 单片机的时钟信号通用两种电路 形式得到 内部振荡方式和外部振荡方式 由于单片机内部有一个高增益反相放大 器 当外接晶振后 就构 成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲 当 MCS 5l系列单 片机的复位引脚 RST 全称RESET 出现2个机器周期以上的高电平时 单片机就执 行复位操作 如果RST持续为高电平 单片机就处于循环复位状态 根据应用的要 求 复位操作通常有两种基本形式 上电复位和上电或开关复位 上电复位要求接 通电源后 自动实现复位操作 上电或开关复位要求电源接通后 单片机自动复位 并且在单片机运行期间 用开关操作也能使单片机复位 单片机的复位操作使单片 机进入初始化状态 其中包括使程序计数器PC 0000H 这表明程序从0000H 地址 单元开始执行 系统复位是任何微机系统执行的第一步 使整个控制芯片回到默认 的硬件状态下 51 单片机的复位是由RESET引脚来控制的 此引脚与高电平相接超 过 24 个 51 单片机即进入芯片内部复位状态 而且一直在此状态下等待 直到 RESET引脚转为低电平后才检查 EA 引脚是高电平或低电平 若为高电平则执行芯 片内部的程序代码 若为低电平便会执行外部程序 4 2 稳压直流电源设计 沈阳理工大学课程设计 9 本系统设计为5V直流稳压电源给系统供电 AC220市电经220V 9V变压器 变压 然后经桥式整流电路 再经电容滤波电路 经7805稳压管稳压 再进行 二次滤波 输出较稳定的5V电压 给本系统供电 流程图如下图所示 AC220V 交流电降压整流 滤波稳压滤波 本系统在实际制作过程中基于成本考虑 本设计未做电源这一部分 而是 用USB连接线 代替了电源的制作 因电脑现已非常普及 从电脑的USB口取 5V电源 亦非常方便 4 3 矩阵键盘的设计 矩阵按键部分由8个轻触按键 单片机的 P2 口检测及按键状态 并记录相 应的键值 指示相应的指示灯亮 并同步把相应信息通过串口传给 PC机 图 2 2 键盘硬件 图 沈阳理工大学课程设计 10 指示灯硬件图 4 3 1 键连击现象的克服和处理 当我们按下某个键时 对应的功能便会通过键盘分析程序得以执行 如果在 操作者释放之前 对应的功能多次执行 如同操作者在连续不断的操作该键一样 这种现象就称为连击 连击先可用图4 2 3所示流程图的软件方法来解决 当某 个键按下时 首先进行软件去抖处理 确认键被按下后 便执行与该键相对应的 功能 执行完后不是立即返回 而是等待键释放之后再返回 使每一次按键只被 响应一次 从而达到避免连击的目的 如果把连击现象加以利用 有时会给操作 者带来便利 例如在某些仪器中 因设计的按键很少 没有安排0 9数字键 只 设置了一个调整键 这时需要采用加1或者减 1 的方法来调整有关参数 但当调 整量较大时就需要多次按键 使操作者很不方便 如果允许存在连击现象 我们 只要按住键不放 参数就会不停的加1 或者减 1 会让操作比较方便 快捷 具体实现流程图如图4 2 3所示 其中加入的延时环节是为了控制连击的速度 沈阳理工大学课程设计 11 读键读键 延时去抖延时去抖 执行执行 等键释放延时 图 4 2 3 键连击现象的处理图 4 2 3 键连击现象的合理利用 4 4 液晶显示驱动电路的设计 4 4 1 原理图设计 沈阳理工大学课程设计 12 4 4 2 液晶显示的原理分析 液晶显示的原理是采用的有机化合物 在电压的作用下 使化合物的排列 发生偏转 从而使光的折射角发生偏转 造成透射的程度不同 从而使液晶模 块从表面看起来有不同的亮度 所以 液晶必须要在光的照射下才能够显示 这一点与发光二极管从原理上来说是完全不同的 12864采用的是点阵式液晶 分为128X64个点 即有1204个字节 也是说每一个ROM内存单元对应一个点 阵 如何对其驱动是对12864 的主要难点 对于其驱动大致可以分为 初始化 设置起始位显示 输送数据几大块 初始化主要的就是按照芯片手册来 设置 起始位数据显示位置 主要是要搞清楚ROM的对应地址 12864分为左半屏面 和右半屏面 其中左边占64边占64列共128列 行分为64行 又将其分为 8 页 每一页占8 行 列的起始地址为40H 行的起始地址为B8H 5系统仿真 5 1 仿真原理图 沈阳理工大学课程设计 13 5 2 主程序流程图 沈阳理工大学课程设计 14 5 3 键盘扫描及 LED 状态处理流程图 沈阳理工大学课程设计 15 5 4 串口中断服务流程图 沈阳理工大学课程设计 16 6设计总结 随着集成电路和计算机技术的迅速发展 使智能家居的整体水平发生巨大变 化 传统的家电控制方式逐步的被智能化所取代 智能家居的核心部件是单片机 因其极高的性价比得到广泛的应用与发展 从而加快了智能家居的发展 7 致 谢 经过两周的忙碌和工作 本次课程设计设计已经接近尾声 作由于经验的匮 乏 难免有许多考虑不周全的地方 如果没有导师的督促指导 以及一起工作的 同学 们的支持 想要完成这个设计是难以想象的 在这里要感谢我的课程设计老师 他平日里工作繁多 但在我做毕业设计的 每个阶段 从外出实习到查阅资料 设计草案的确定和修改中期检查 后期详细 设 计等整个过程中都给予了我悉心的指导 我的设计较为复杂烦琐 但是指志 老师 仍然细心地纠正图纸中的错误 除了敬佩付老师的专业水平外 他的治学 严谨和科学研究的精神是我永远学习的榜样 并将积极影响我今后学习和工作 最后还要感谢我的同学们正是因为有了你们的支持和鼓励 此次课程设计才会顺 利完成 沈阳理工大学课程设计 17 8参考文献 1 赵茂泰 智能仪器原理及应用 M 北京 电子工业出版社 2004 2 何希才 传感器及其应用实例 J 北京 机械工业出版社 2004 1 3 李群芳 单片机微型计算机与接口技术 M 电子工业出版社 4 周立功 单片机实验与实践 M 北京航空航天大学出版社 2004 6 沈阳理工大学课程设计 18 9附录 附录1 整机系统原理图 附录2 实现程序 include define uchar unsigned char define uint unsigned int typedef unsigned char byte typedef unsigned int word typedef unsigned