家居智能信息仪软件设计

1.模块、整体框架由于功能较多，所以应采用模块化设计，将各个功能模块化，通过各模块与单片机之间的通讯，来实现各个功能，更具各种功能，将各个功能划分汇总为 9个模块，具体如下：（1）单片机最小系统模块单片机最小系统是单片机工作的基础，它包括晶振电路和复位安路，能更好的保证单片机的正常稳定工作。（2）时钟模块DS1302时钟芯片是完成设计要求的最基本的核心部件之一。兼容单片机的实时时钟芯片有很多种，各性能指标各有差异，硬件的选取尤为重要，要考虑满足性能要求、兼容性以及参考主流设计，我们尽可能使用串行方式连接。（3）温度湿度检测模块DHT11采用可与单片机很好连接实现功能的温度传感器。熟悉了解常用温度传感器的原理和接口电路，加以比较之后确定型号，以便绘制电路原理图和电路 PCB 图。考虑传感器布局。（4）一氧化碳浓度检测与报警模块MQ7/蜂鸣器/LED 灯采用可与单片机很好连接实现功能的气体传感器。利用互联网、专利论文对各种 CO 传感器进行比对选择，选出一款性价比高的传感器，报警模块，可采用单片机驱动蜂鸣器来完成。考虑各个部件布局。（5）显示模块12864采用 LCD 显示技术。完成多功能日历显示和一些必要的指示，由于显示内容较多，所以要选择相对较大的显示器来完成显示。（6）按键模块根据功能需要需要确定按键的数目、各个按键功能，按键的布局等，每个按键的通断形式也应考虑到。（7）热释红外报警模块HC-SR501这是一款家用型电子日历，加上热释红外报警模块可以实现室内防盗，可检测一定距离内的人体来发出信号报警，报警采用蜂鸣器。（8）噪音检测模块可对噪音进行检测，并可以检测声音的大小。家里需要保持一定的舒适度，噪音不可过大，否则会给正常的家居生活带来影响。因此设计了噪音检测模块，来检测周边的噪音。（9）外观设计和相关定义模块确定其外形和尺寸，也应考虑美观和安放性能。相关定义主要是指对产品具体操作的说明，即如何让用户方便的使用。2.各模块实现方法1.STC89C52STC89C52 是一种带 8K 字节闪存，高性能 CMOS 的微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。STC89C52 单片机各引脚和总控制电路图如下： 单片机模块STC89C52液晶显示模块QC12864B时钟模块 DS1302温湿度检测模块 DHT11CO 检测模块MQ-7遗忘提醒模块防盗报警模块HC-SR501声音采集检测模块基本功能进阶功能图 3-2 STC89C52 引脚图STC89C52 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 X1 和 X2 分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图(a) 所示，在 RXD 和 TXD 引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在 1.212MHz 之间选择，电容值在 530pF 之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图（b）所示，RXD 接地，TXD 接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于 12MHz 的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟 P1 和 P2，供单片机使用。（a）内部方式 （b）外部方式单片机时钟STC89C52 复位及复位电路。复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC 初始化为 0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除 PC 之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表所示。复位状态表寄存器 复位状态 寄存器 复位状态PC 0000H TCON 00HACC 00H TL0 00HPSW 00H TH0 00HSP 07H TL1 00HDPTR 0000H TH1 00HP0-P3 FFH SCON 00HIP XX000000B SBUF 不定IE 0X000000B PCON 0XXX0000BTMOD 00HSTC89C52 的 RST 引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续 24 个振荡周期(即二个机器周期)以上。STC89C52 各个引脚作用：1)主电源引脚（2 根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V 电源；GND(Pin20)：接地线2)外接晶振引脚（2 根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端；XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端3)控制引脚（4 根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。4)可编程输入/输出引脚（32 根）STC89C52 单片机有 4 组 8 位的可编程 I/O 口，分别位 P0、P1、P2、P3 口，每个口有 8 位（8 根引脚） ，共 32 根。PO 口（Pin39Pin32） ：8 位双向 I/O 口线，名称为 P0.0P0.7P1 口（Pin1Pin8） ：8 位准双向 I/O 口线，名称为 P1.0P1.7 P2 口（Pin21Pin28） ：8 位准双向 I/O 口线，名称为 P2.0P2.7 P3 口（Pin10Pin17） ：8 位准双向 I/O 口线，名称为 P3.0P3.7STC89C52 主要功能如表所示：主要功能特性主要功能特性兼容 MCS51 指令系统 8K 可反复擦写 Flash ROM32 个双向 I/O 口 256x8bit 内部 RAM3 个 16 位可编程定时/ 计数器中断 时钟频率 0-24MHz2 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2.DS1302DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟日历芯片，附加 31 字节静态 RAM，采用 SPI 三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和 RAM 数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小于 31 天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达 2.55.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。有主电源和备份电源双引脚，而且备份电源可由大容量电容（1F）来替代。需要强调的是，DS1302 需要使用 32.768KHz 的晶振。DS1302 读写和控制说明。DS1302 的数据读写方式有两种，一种是单字节操作方式，一种是多字节操作方式。每次仅写入或读出一个字节数据称为单字节操作，每次对时钟/日历的 8 字节或 31 字节 RAM 进行全体写入或读出的操作，称其为多字节操作方式。当以多字节方式写时钟寄存器时，必须按数据传送的次序依次写入 8 个寄存器。但是，当以多字节方式写 RAM 时，不必写所有 31 字节。不管是否写了全部 31字节，所写的每一个字节都将传送至 RAM。DS1302 有关日历、时间的寄存器共有 12 个，其中有 7 个寄存器（读时 81h8Dh，写时 80h8Ch ），存放的数据格式为 BCD 码形式，其寄存器如下列表：寄存器时序图如下：时序图为了启动数据的传输，CE 引脚信号应由低变高，当把 CE 驱动至逻辑 1 的状态时，SCLK 必须为逻辑 0，数据在 SCLK 的上升沿串行输入。无论是读周期还是写周期，也无论送方式是单字节传送还是多字节传送，都要通过控制字指定40 字节中的哪个将被访问。在开始 8 个时钟周期把命令字（具有地址和控制信息的 8 位数据）装入移位寄存器之后，另外的时钟在读操作时输出数据，在写操作时输入数据，所有的数据在时钟的下降沿变化。所有写入或读出操作都是先向芯片发送一个命令字节。对于单字节操作，包括命令字节在内，每次为 2个字节，需要 16 个时钟；对于时钟/日历多字节模式操作，每次为 7 个字节，需要 72 个时钟；而对于 RAM 多字节模式操作，每次则为 32 字节，需要多达256 个时钟。3.DHT11DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期的稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强。性价比极高等优点。每个 DHT11 传感器都在极为精确的温度校验室进行校准。校准系数以程序的形式存储在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串口接口，使系统集成变得简单便捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达 20 米以上，使其成为各类应用的最佳选择。产品为 4 针单引脚封装。连接方便。下图为DHT11 图和引脚图。 DHT11 实物图和引脚图DATA 用于微处理器与 DHT11 之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间 4ms 左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下: 一次完整的数据传输为 40bit,高位先出。 数据格式:8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据 +8bi 温度整数数据+8bit 温度小数数据 +8bit 校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bi 温度整数数据+8bit 温度小数数据”所得结果的末 8位。用户单片机发送一次开始信号后,DHT11 从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11 发送响应信号,送出 40bit 的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11 接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11 不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。图 3-11 DHT11 通讯时序图4.MQ7MQ-7 气体传感器的气敏材料，是用在清洁空气中电导率低的二氧化锡(SnO2)。采用高低温循环检测方式低温（1.5V 加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0V 加热）清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-7 传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。下图为 MQ-7 一氧化碳传感器模块外形图。MQ-7 实物图MQ-7 一氧化碳传感器参数和特点：a)尺寸：32mm X22mm X27mm 长 X 宽 X 高b)工作电压：直流 5 伏c)具有信号输出指示。d)双路信号输出（模拟量输出及 TTL 电平输出）e)TTL 输出有效信号为低电平。 （当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机） f)模拟量输出 05V 电压，浓度越高电压越高。g)对一氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性。h)具有长期的使用寿命和可靠的稳定性MQ-7 一氧化碳传感器模块引脚：MQ-7 模块引脚5.HC-SR501、菲涅尔透镜菲涅尔透镜 (Fresnel lens) ，又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的。透镜的要求很高。一片优质的透镜必须表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在 1mm 左右，特性为面积大、厚度薄及侦测距离远。菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。热释电红外传感器不加光学透镜式其检测距离通常小于 2m，而加上光学透镜后其检测距离通常大于 7m。菲涅尔透镜是根据菲涅尔原理制成，其作用主要有两个，一个是聚焦作用，即将探测空间内的红外线有效地集中在热释电传感器上；二是将探测区域分为若干个明区和暗区，使得进入探测区域的移动物体能以温度不断变化的形式在热释电红外传感器上产生变化的热释红外信号，这样热释电红外传感器就可以产生相应的控制信号。热释电红外传感器是报警器的核心部件，它可以把人体的红外线信号转换为电信号以供信号处理部分使用。红外线通常被称为“热线” ，在自然界，只要物体本身的温度高于绝对零度，都会向外发射红外线，红外线的波长与物体温度有关，人体体温比较恒定，约为 37，所以会发出特定波长 10m 左右的红外线，将人体所辐射出来的红外线有效地集中在热释电红外传感器上，通过热释电红外传感器将收集到的人体红外信号转换为电信号，从而完成对人体的检测。热释电红外传感器通常采用 3 引脚金属封装，3 个引脚分别为电源端（内部开关 D 极） 、信号输出端（内部开关 S 极） 、接地端（DROUND） 。6.声音采集检7.128648.PT2272PT2262 和 PT2272 是一对遥控编码、解码