基于ARM的智能家居远程控制系统 本科毕业论文

常州工学院毕业设计论文 I 摘 要 2l 世纪是 信息世纪 随着人们生活水平的不断进步 对于家居环境要求 也日益增高 如何将信息产业的最新成果 应用于构建一个舒适和谐的家居环 境 已日益引起人们的关注和重视 智能家居系统可以将相对独立的电器产品 智能 地连接在一起 提供全方位信息交换功能 帮助家庭内部及外部实现信 息畅通 从而优化生活环境 提高生活质量 该设计是一种基于 GPRS 网络的 以 ARM 和嵌入式 Linux 操作系统为基础的家庭网关无线接入方案 能通过手 机短信息对控制节点进行远程控制 智能家居远程控制系统的核心部分是一个 嵌入式服务器 系统通过环境采集模块获取家居环境 通过 GPRS 网将获取的 信息发送到用户手机 最后用户发送控制信息 经 ARM 微处理器处理后转由 红外线控制各家用电器集 系统带有键盘 具有良好的人机界面 用户还可以 通过键盘来设定系统的任务 系统留有丰富的功能扩展接口 本系统基于 B S 结构 具有软硬件资源丰富 成本低 功耗小 便于扩展 升级及维护等优点 具有一定实用价值 关键词 智能家居 ARM 嵌入式 Linux 系统 GPRS 技术 红外线 常州工学院毕业设计论文 II Abstract The 21 st century is the information century with the development of people S living standard the requirement of home environment is also increaSing It hasdrawn more and more attention to build a harmonious and comfortable horneenvironment using the latest achievement in the information industry The design is based on GPRS network to ARM and embedded Linux operating system based home gateway wireless access solutions through mobile phone short message to the control node for remote control Smart home remote control system is the core of an embedded server system through the acquisition module for the home environment the environment through the GPRS network will get the information sent to mobile phone users end user to send control information processed by the switch from the ARM microprocessor set of infrared control the household appliances System with a keyboard a good man machine interface Users can also configure the system through the keyboard to the task system left a rich extensions interface The system is based on B S structure with software and hardware resource rich low cost power consumption easy to expand upgrade and maintenance etc has some practical value Keywords Smart Home ARM Embedded Linux System GPRS technology Infrared 常州工学院毕业设计论文 III 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 第第 1 章章 绪绪 论论 1 1 1 智能家居的背景 1 1 2 智能家居的发展与现状 1 1 2 1 智能家居的发展与现状 1 1 2 2 国外智能家居的发展与现状 2 1 2 3 国内智能家居的发展与现状 3 第第 2 章章 总体设计方案总体设计方案 4 2 1 系统控制器设计方案的对比选择 4 2 2 方案的简介 5 2 3 系统关键模块的选用 6 2 3 1 微处理器的选择 6 2 3 2 环境模块的选择 7 2 3 3 系统通信方式的选择 8 第第 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 9 3 1 PC2138 概述 9 3 2 控制系统主电源设计 12 3 3 外围电路的设计 12 3 4 环境采集模块电路设计 16 3 5 红外遥控电路的设计 17 3 5 1 通用遥控编解码 译码电路 17 3 5 2 红外遥控电路系统框图 18 3 5 3 红外遥控发射电路 19 3 5 4 红外遥控接收电路 20 3 6 GPRS 模块 21 第第 4 章章 软件设计软件设计 24 4 1 系统控制中心的软件设计 24 4 1 1 系统软件设计 24 4 1 2 驱动程序的移植及设计 24 4 1 3 嵌入式数据库的选择及移植 25 4 2 应用软件设计 26 4 3 串行口子程序 27 4 4 DS18B20 温度传感器程序设计 28 4 4 1 DS18B20 初始化 28 4 4 2 DS18B20 读操作 29 常州工学院毕业设计论文 IV 4 5 QT图形界面设计 30 4 5 1 搭建 Qt 开发环境 30 4 5 2 设计用户界面 31 结束语结束语 32 参考文献参考文献 33 致致 谢谢 35 附录附录 36 附录 A 36 附录 B 37 常州工学院毕业设计论文 1 第 1 章 绪 论 1 1 智能家居的背景 现代人在一天紧张工作学习后 都想回家享受舒适温馨的欢乐时光 试想 一下 当我们拖着疲惫的身体回到家门前 电子门卫识别到我们的脸部将门锁 打开 免除翻包找钥匙的麻烦 随后是安防系统自动解除室内警戒 照明系统 会根据室内的光线 控制电灯的亮暗 空调系统会将室内温度控制在舒适状态 电冰箱会根据里面储藏的食物以及主人饮食的习惯 建议出晚餐的菜式 让先进的智能电子技术融入家居生活中 将有效地提高人们的工作效率 生活质量 家居安全 休闲娱乐 目前 智能家居系统是以计算机技术 综合 布线技术 自动化控制技术 通信网络技术 安全防范技术 监测监控技术 视频技术 音频技术等综合应用 以往的住宅和建筑里面的电器 照明系统 通信设备 安防设备都是独立工作 智能家居系统通过主控制器能够将分散在 家中的电子电器设备互联一起 实现家居智能化 同时 智能家居产品需要充分考虑系统的稳定性 安全性 实用性 兼容 性 扩展性 美观性和高性价比 以满足各个用户的要求 1 稳定性 智能家居的稳定性主要依靠主控制器的运作 因此 对于主控 制器的硬件及软件设计要求相当高 2 安全性 智能家居系统的安全性关乎我们的财产 私隐安全 主要体现 在数据加密技术 信息存储技术 3 兼容性 由于家用电器制造商有各自的生产标准 因此要求智能系统具 备 学习 功能 适应对不同品牌的电器进行控制 如自动匹配红外设备 无 线设备的遥控 1 2 智能家居的发展与现状 1 2 1 智能家居的发展与现状 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 常州工学院毕业设计论文 2 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 高品位且宜人的家居生活空间 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 帮助家居与外部保持信息 交流畅通 优化人们的生活方式 帮助人们有效安排时间 增强家居生的安全 性 舒适性 甚至合理控制各种能源的使用 家居智能的基本目标是 将家居中各种与信息相关的通信设备 家用电器 和家居安防通过家居总线技术 HBS 连接到一个家居智能化系统上进行集中或 者异地的监视 控制和家居事务性管理 并保持这些家居设施与住宅环境的协 调 1 2 2 国外智能家居的发展与现状 20 世纪 80 年代初 随着大量采用电子技术的家用电器面市 开始出现了 住宅电子化 HE Home Electronics 的概念 80 年代中期 将家用电器 通 讯设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体 形成了家居自动化概念 HA Home Automation 80 年代末 由于通信与信息技术的发展 出现了对 住宅中各种通信 家电 安保设备通过总线技术进行监视 控制与管理的商用 系统 这在美国称为智慧星 WH Wise Home 在欧洲称为时髦星 SH Smart Home 当时日本正处于房产市场低迷时期 日本建设省在推进智能建筑概念时 抓住用于住宅的总线技术的契机 提出了家居总线系统概念 HBS Home Bus System 而随着技术的继续发展和生物识别技术的实用性普及 智能化家居的 概念才真正体现了其本意 在好莱坞科幻大片中看到的那种智能化的家居系统 正在走进我们的生活 1998 年 5 月新加坡举办的 98 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会 上 通过在校内模拟 未来之家 推出了新加坡模式的家居智能化消化系统 它 的系统功能包括三表抄送功能 安防报警功能 可视对讲功能 监控中心功能 家电控制功能 有线电视接入 电话接入 住户信息留言功能 家居智能控制 面板 智能布线箱 宽带网接入和软件配置等 日本松下公司正在把 数码家庭 的概念应用到养老院 养老院的所有房 间都与局域网相连 装备多种测量仪器 触摸式显示屏 数码摄像机等 这样 每个居住者的体温 血压等多项数据传送到护理中心 实现远程医疗护理 美 常州工学院毕业设计论文 3 国麻省理工学院的实验室正在研究 智能房间 通过生物传感器探测人的行 为来自动控制和调节居住系统 日本大型住宅公司 Misawa Home 为解救购房者 对房屋防盗室 当遇到小偷闯入门时屋主可躲进去紧急避难 防盗室设有两道 厚重的门 其中内门只要从里面上锁后 外部无法靠人力打开 防盗室内装设 电话专线 电话线埋在地下 另外还可在屋内放置一个机器人 可以依歹徒恐 吓的声音来反应 并出声求救 发挥报警求救功能 1 2 3 国内智能家居的发展与现状 智能家居在我国经历了近 7 年的起步阶段 发展速度缓慢 这主要是因为 没有投入大量的资金 开发技术短期内也不成熟 但是随着建筑智能化行业协 会的成立及技术水平的不断提高 产品在市场上已逐步推广 前期主要集中在 一些分散的智能家居控制子系统的研究上 如三表抄送系统 门禁系统 可视 对讲系统等 随着集成技术 通信技术 互操作能力和布线标准的发展而不断 改进 实现它们之间信息共享 使得系统安装方便 使用灵活 目前 国内一 些传统家电业的巨头如海尔 创维 TCL 科龙 海信等也开始进入智能化家居 市场 而先进入该区域的一些企业基本都推出了各自的产品 如清华同方推出 的经济型的智能化家居设备 e home 数字家园 系统已经得到了一定程度的应 用 常州工学院毕业设计论文 4 第 2 章 总体设计方案 2 1 系统控制器设计方案的对比选择 对于整个智能家居系统 中央控制器是系统的核心 它主管了其他子设备 的协调工作 负责与远程控制端的连接 控制及数据的传输 因此 控制器称 得上是智能家居的大脑 选择一个合适的控制器设计方案 是系统设计重中之 重 以下是三种控制器设计方案 1 单片机处理器 无操作系统 选用高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8K bytes 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 ROM 器件采用高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元 其优点是单 片机的低功耗 低成本被广泛应用于自动化家电 设备中 其缺点是处理能力 仅有 8 位 处理速度较低 难以集成操作系统 本方案适用性较弱 2 ARM7 处理器 uCOS II 操作系统 ARM7 微处理器为低功耗的 32 位 RISC 处理器 适合用于对价位和功耗要求较高的应用 具有嵌入式 ICE RT 逻 辑 调试开发方便 代码密度高并兼容 16 位的 Thumb 指令集 对操作系统的支 持广泛 主频最高可达 130MIPS 高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂 应用 uCOS II 是一种可移植的 可植入 ROM 的 可裁剪的 抢占式的 实时 多任务操作系统内核 它被广泛应用于微处理器 微控制器和数字信号处理器 其优点是 ARM7 是一种低功耗处理器 该处理器同样具备低功耗优势 并且具备 32 位处理能力 可以出色应付相当多的控制设计 其缺点是 uCOS II 是专门为 计算机的嵌入式应用设计的 应用范围较窄 本方案适用性中等 3 ARM7 处理器 嵌入式 Linux 操作系统 ARM7 微处理器为低功耗的 32 位 RISC 处理器 适合用于对价位和功耗要求较高的应用 具有嵌入式 ICE RT 逻辑 调试开发方便 代码密度高并兼容 16 位的 Thumb 指令集 主频最高可达 130MIPS 高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用 嵌入式 Linux 是 以 Linux 内核为基础的嵌入式作业系统 它被广泛应用在移动电话 个人数字 助理 PDA 媒体播放器 消费性电子产品以及航空航天等领域中 得益于 Linux 的源代码开发 不存在黑箱技术 遍布全球 其优点是 Linux 免费 安 常州工学院毕业设计论文 5 全 稳定 应用范围广 在嵌入式上 服务器上 家用机 都有广泛应用 其 缺点是开发难度较大 本方案适用性较强 通过上述三种控制器设计方案的对比 本文选取第三种方案 2 2 方案的简介 本设计将构建一个基于 ARM7 和局域网互联通信的智能家居系统 系统采 用嵌入式 ARM 芯片为基础 以 Linux 为开发环境 设计一个基于 GPRS 无线 通信的嵌入式智能家居系统 系统总体框架如图 2 1 所示 电源模块 3 3V ARM微处理器 温度模块 气体模块 红外发射 GPRS 手机 红外接收 继电器 线圈 电源模块5V电源模块5V 红外 指令 图 2 1 系统框图 如上图所示 左边是环境采集模块 主要任务是采集家居环境信息发送到 ARM 微处理器 温度模块主要是检测室内的温度 以便用户随时了解并调节适 当的家居温度 气体模块主要是检测厨房的 CO 浓度 监控厨房的安全 如若发 现问题可及时做出调整 防止用户煤气中毒 下面是 GPRS 模块 主要任务是将 ARM 微处理器的信息传输到用户手机 再将用户的指示信息传输给 ARM 微处理 常州工学院毕业设计论文 6 器 完成远程的信息交流 中间是 ARM 微处理器 也就是本设计的核心 是各 信息的中转站 将接收到的环境模块采集到的信息处理后传输给用户 等待接 收到用户指示信息后 再将其处理发送红外指令到红外模块 左边是红外模块 主要功能是接收红外指令 经处理后控制家用电器 由于众多因素 本文以继 电器代替家用电器举例说明 2 3 系统关键模块的选用 2 3 1 微处理器的选择 处理器是各类节点的计算核心 所有的设备控制 任务调度 能协调 通 信协议转换 数据整合和数据转储都需要在这个模块的支持下完成 所以处理 器的选择在设计中是至关重要的 选择嵌入式系统处理器时主要需要考虑以下 几个方面 处理器性能 所支持的开发工具 所支持的操作系统 过去的开发 经验 处理器成本 功耗 代码兼容性及算法复杂性等 本设计将选用 ARM7 的开发板为智能家居系统的主控器硬件平台 下面介绍 几种 ARM 系列的芯片 LPC2138 是飞利浦公司推出的基于 ARM7 内核的微控制器 它具有非常丰 富的外围模块 强大的处理和控制功能 较小的封装和很低的功耗使 LPC2138 特别适用于访问控制和 POS 机等小型应用 内置宽范围串行通信接口和 32kB 的片内 SRAM 非常适合于通信网关 协议转换器 软件 modem 语音识别 低端成像等应用 为其提供大规模的缓冲区和强大的处理功能 S3C44B0X 是 Samsung 公司推出的 16 32 位 RISC 处理器 3C44B0X 采 用了 ARM7TDMI 内核 0 25um 工艺的 CMOS 标准宏单元和存储编译器 它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用 S3C44B0X 的杰出特性是它的 CPU 核 是由 ARM 公司设计的 16 32 位 ARM7TDMI RISC 处理器 66MHZ S3C44B0X 通过提供全面的 通用的片 上外设 大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置 从而最小化系统 的成本 智能家居的主控器应具备高性能的处理能力 并行处理能力 性价比高 功耗低 丰富的外围接口 多总线协议支持 LPC2138 比较适合 常州工学院毕业设计论文 7 2 3 2 环境模块的选择 1 温度模块 温度模块承担了检测房屋内部温度的任务 有了采集的温度值微处理器就 可以作出判断 结合用户的需求做出相应的调整 对温度模块的要求是精度高 体积小 操作简单 LM75A 是一个高速 I2C 接口的温度传感器 可以在 55 125 的温度 范围内将温度直接转换为数字信号 并可实现 0 125 的精度 MCU 可以通过 I2C 总线直接读取其内部寄存器中的数据 并可通过 I2C 对 4 个数据寄存器进行 操作 LM75A 有 3 个可选的逻辑地址脚 使得同一总线上可同时连接 8 个器件 而不产生地址冲突 DS 18B20 数字温度传感器采用美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 可组 网数字温度传感器芯片封装而成 具有耐磨耐碰 体积小 使用方便 封装形 式多样 适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域 独特的单线接口方式 DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯 测温范围 55 125 固有测温分辨率 0 5 支持多点组 网功能 多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上 最多只能并联 8 个 如果数 量过多 会使供电电源电压过低 从而造成信号传输的不稳定 实现多点测温 而且在使用中不需要任何外围元件 比较方便 本设计是用于家居生活 对测温精度要求不是很高 主要是使用方便 价 格合理 所以选择 DS 18B20 比较合适 2 气体模块 气体模块主要是检测厨房的有害气体浓度 将其控制在安全范围 以保证 用户有良好的生活环境 石英振子微秤 QCM 由直径为数微米的石英振动盘和制作在盘两边电极构 成 当振荡信号加在器件上时 器件会在它的特征频率处发生共振 振动盘上 淀积了有机聚合物 聚合物吸附气体后 使器件质量增加 从而引起石英振子 的共振频率降低 通过测定共振频率的变化来识别气体 高分子气体传感器 对特定气体分子的灵敏度高 选择性好 结构简单 可在常温下使用 补充其 他气体传感器的不足 发展前景良好 常州工学院毕业设计论文 8 QM NG1 广普型气体传感器是采用目前国际上工艺最成熟 生产规模最大的 SnO2 材料作为敏感基体制作的广普型气体传感器 该产品的最大特是对各种可 燃性气体 氢气 液化石油气 一氧化碳 烷烃类气体 以及酒精 乙醚 汽油 烟雾等有毒气体具有较高的敏感性 家居的气体检测主要是检测厨房的煤气浓度 要求适合各种温度环境 而 且要对气体比较敏感 所以选 QM NG1 比较合适 2 3 3 系统通信方式的选择 1 红外模块 红外线技术的主要应用 设备互联 信息网关 设备互联后可完成不同设备 内文件与信息的交换 信息网关负责连接信息终端和互联网 红外传输是一种 点对点的传输方式 无线 不能离的太远 要对准方向 且中间不能有障碍物 也就是不能穿墙而过 几乎无法控制信息传输的进度 IrDA 已经是一套标准 IR 收 发的组件也是标准化产品 红外接口可以省去下载或其他信息交流所发 生的费用 由于需要对接才能传输信息 安全性较强 本设计主要是控制家用电器 只需近短程控制 而且要节约成本 红外 通信技术比较适合 2 无线射频 蓝牙技术是一项新兴的技术 它的主要目的是在全世界建立一个短距离的 无线通信标准 它使用 2 4 2 5 GHz 的 ISM Industry Scientific Medical 频段传 送语音和数据 运用成熟 实用 先进的无线技术来代替电缆 它提供了低成 本 低功耗的无线接口 使所有固定和移动设备通过微微网 PAN Per2sonal Area Network 连接起来 GPRS 是一种基于 GSM 系统的无线分组交换技术 GPRS 在数据业务的 承载和支持上具有非常明显的优势 资源共享 频带利用率高 用户只有在进 行数据传输时才占有系统资源 数据传输率高 GPRS 采用分组交换技术 每 个用户能同时占用多个无线信道 同一无线信道又可由多个用户共享 GPRS 支持 X 25 协议和 IP 协议 可与现有的数据网络进行互通互连 通信成本低 鉴于 GPRS 技术通信成本低 传输稳定 又无需繁琐布线 能美化家居环 境的特点 本文将 GPRS 技术应用于智能家居系统的数据传输 常州工学院毕业设计论文 9 第 3 章 硬件电路设计 硬件电路是保证整个测控系统正常工作的基础 其性能优劣直接影响到整 个测控系统工作的可靠性 安全性和连续性 硬件电路的设计过程中 始终以 实用化为最终目标 其原则为 1 努力提高智能控制系统的工作稳定性 2 提高无线通信质量 增大无线通信的覆盖范围 3 从用户的角度出发 方便安装 调试 运行 维护 4 在满足性能要求的前提下 尽量简化硬件系统 降低系统的总体成本 对于 ARM 控制系统 有类似单片机的最小工作系统 如电源 晶振 复位 电路 由这些外围电路 组成 ARM 控制系统的最小工作系统 3 1 PC2138 概述 LPC2138是飞利浦公司推出的基于ARM7内核的微控制器 它具有非常丰 富的外围模块 强大的处理和控制功能 较小的封装和很低的功耗使LPC2138 特别适用于访问控制和POS机等小型应用 内置宽范围串行通信接口和32kB的 片内SRAM 非常适合于通信网关 协议转换器 软件modem 语音识别 低 端成像等应用 为其提供大规模的缓冲区和强大的处理功能 多个32位定时器 2个10位8路的ADC 1个10位DAC PWM通道 47个GPIO以及多达9个边沿或 电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用系统 LPC2138的引脚图如 下图所示 LPC2138 复位电路 串口电路电源 晶振 SDRAM Nand Flash JTAG 图 3 1 ARM 最小工作系 统 常州工学院毕业设计论文 10 图 3 2 LPC2138 引脚图 1 LPC2138主要特性 1 32位ARM7TDMI S核 超小LQFP64封装 2 32kB的片内静态RAM和512kB的片内Flash程序存储器 128位宽度接口 加速器可实现高达60MHz工作频率 通过片内boot装载程序实现在系统编程 在 应用编程 ISP IAP 单扇区或整片擦除时间为400ms 256字节行编程时间为 1ms 3 Embedded ICE RT和嵌入式跟踪接口通过片内Real Monitor软件对代码进 行实时调试和高速跟踪 4 2个8路10位的A D转换器 共提供16路模拟输入 每个通道的转换时间 低至2 44us 5 1个10位的D A转换器 可产生不同的模拟输出 6 2个32位定时器 计数器 带4路捕获和4路比较通道 PWM单元和看门狗 7 实时时钟具有独立的电源和时钟 可在节电模式中极大地降低功耗 8 多个串行接口 包括2个16C550工业标准UART 2个高速I2C接 常州工学院毕业设计论文 11 151 400kbit s SPITM和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP 9 向量中断控制器 可配置优先级和向量地址 10 小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I O口 可承受5V电压 11 多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚 12 通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率 13 片内晶振频率范围 1 30MHz 14 低功耗模式 空闲和掉电 15 可通过个别使能 禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗 16 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒 17 单电源 具有上电复位 POR 和掉电检测 HOD 电路 18 CPU操作电压范围 3 0V 3 6V 3 3V 10 I 0口可承受5V电压 2 LPC2138功能框图 LPC2138 由 ARM7TDMI S 内核 局部总线 外围总线 AMBA 总线 各类外设接口和调试模块组成 功能框图如下图所示 常州工学院毕业设计论文 12 图 3 3 PC2138 功能框图 3 2 控制系统主电源设计 控制系统需要从 220V 的交流市电中获取电 而控制系统中的 ARM 处理机及 其外围电路均需要一个稳定的直流工作电压 因此 需要通过整流 滤波和稳 压等电路 将 220V 的交流电压转为可供系统使用的工作电压 图3 4 系统电源电路 SPXl117 是 Sipex 公司生产的 LDO 芯片 其特点为输出电流大 输出电压 精度高 稳定性高 SPXl117 系列 LDO 芯片输出电流可达 800mA 输出电压 常州工学院毕业设计论文 13 的精度在 1 以内 还具有电流限制和热保护功能 广泛应用在手持式仪表 数字家电 工业控制等领域 使用时 输出端接入了一个 4 7uF C4 的钽电容 来改善瞬态响应和稳定性 SPX1117 引脚图如 3 5 下图所示 图 3 5 SPX1117 引脚图 3 3 外围电路的设计 1 晶振电路设计 LPC2138 内部有时钟管理模块 有 2 个锁相环 其中 MPLL 产生 CPU 主 频 FCLK AHB 总线外设时钟 HCLK 和 APB 总线外设时钟 PCLK UPLL 产生 USB 模块的时钟 OM3 OM2 都接地时主时钟源和 USB 模块时钟源都由外接 晶振产生 1 在 XTIpll 和 XTOpll 之间连接主晶振 可以选择 12MHz 晶振 通 过内部寄存器的设置产生不同频率的 FCLK HCLK 和 PCLK 在 XTIrtc 和 XTOrtc 上需要接 32 768 kHz 的晶振供 RTC 模块使用 同时在 MPLLCAP 和 UPLLCAP 上也要外接 5pF 的环路滤波电容 图 3 6 系统晶振电路 SPX117 3 PIN SOT 223 132 GND ADJVnVout 常州工学院毕业设计论文 14 2 复位电路 LPC2138 的 J12 引脚为 nRESET 复位引脚 nRESET 上给 4 个 FCLK 时间的低 电平后就可以复位 可以设计复位电路 其中上电复位是靠 RC 电路特性完成 开关二极管 1N4148 在手动复位时对电容起快速放电的作用 因此可以把复位电 平快速拉到 0V 反响门 74HC14 可以起到延时作用 保证有足够的复位时间 图 3 7 系统复位电路 3 串口电路设计 在本系统对 GPRS 的应用中 需要通过串口的方式将控制器与这两个无线模 块连接起来 控制器通过串口发送指令 实现多 GRPS 模块的控制及数据的传输 图 3 8 串行接口电路 LPC2138 的 UART 提供了三个同步串行 IO 口 上图是 COM0 的连接方 常州工学院毕业设计论文 15 式 串口数据的收发有查询方式 中断方式和 DMA 方式等 这些可以在 UCON0 UART channel 0 control register 寄存器中设置 UTXH0 UART channel 0 transmit buffer register 把要发送的数据写入此寄存器 URXH0 UART channel 0 receive buffer register 读此寄存器获得串口接收的数据 串口一般可以用作程 序运行信息的输出和程序调试 4 键盘接口 P0 作为一般 I O 口时 由于内部没有上拉电阻 P0 口就处于是高阻浮空状 态 如果加上外部上拉电阻 输出就变成了高电平 1 用 P0 口做键盘扫描电路 时 每个 I O 口在同一个时间点必须有一个固定的状态 高电平还是低电平 这样就必须给 P0 口加上拉电阻 将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平 同时起限流作用 单片机在读 I O 状态时 为了确保读出正确的数据 必须通 过指令将端口的位锁存器置 1 关闭输出驱动场效应管 如图 3 12 所示 就可 以读出六种状态 分别是 0XFE 0XFD 0XFB 0XF7 0XEF 0XDF 这样 就对应了六种功能 游标上移 游标下移 选中 启动 停止 返回 具体在 实现时 还有一个关键的问题需要解决 按键消抖动 由于硬件消抖的成本 高 且电路复杂 具体在实现的过程中通过软件消抖来实现 图 3 9 独立式按键电路 常州工学院毕业设计论文 16 5 蜂鸣器驱动电路 如图 3 10 所示 峰鸣器使用 PNP 三极管 QPB 进行驱动控制 当 P4 6 控制电平输出为 0 时 QPB 导通 蜂鸣器蜂鸣 当 P4 6 控制电平输出为 1 时 QPB 截止 蜂鸣器停止蜂鸣 QPB 采用开关三极管 8550 其主要特点是发大倍数高 hFE 300 最大集电极电流 ICM 1500mA 特征频率 fT 100MHz RPB 用于限制 QPB 的基极电流 当 P4 6 控制电平输出为 0 时 RPB 的电流可以通过公 式 3 1 计算得出 即 3 1 mAA RPB V I eb r 9145 0 10145 9 4700 7 055 4 假设 QPB 工作在发大区 则 Ic Ib 300 0 9145 274 35mA 而直流蜂鸣器一般在 5V 电源下的工作电流约为 42mA 反过来说 只要 Ic 42mA 蜂鸣器上的电压就可以达到 5V 此时 UEC 0V 即 Ued Uec QPB 为深度饱和导通 可为蜂鸣器提供足够的电流 图 3 10 蜂鸣器驱动电路 3 4 环境采集模块电路设计 1 温度采集模块 在本设计中有较多的坏境采集模块 系统使用 DS18B20 作为环境温度采集 的传感器 控制器只需要完成对 DS18B20 的底层驱动 将读取的温度值在 LCD 常州工学院毕业设计论文 17 界面进行显示 图 3 11 DS18B20 测量电路 其中 Data 为数字信号输入 输出端 GND 为电源地 VCC 为外接供电电源输 入端 在寄生电源接线方式时接地 由于 DS18B20 使用单总线通信技术 因此该芯片的接线电路非常简单 不 需要其他外围器件 极大地简化电路的设计 但是 为了能确保控制器的 IO 口 与传感器之间的通信质量 在数据 IO 口加接 10K 的上拉电阻 2 气体采集模块 QM NG1 内部包括有 1 个独立的 高增益 内部频率补偿的运算放大器 输入失调电压只有 5 V 这一点对于气体调理电路而言是必不可少的 适合于 电源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模式 在推荐的工作条 件下 电源电流与电源电压无关 它的使用范围包括传感放大器 直流增益模 块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 常州工学院毕业设计论文 18 图 3 12 气体检测电路 如电路图所示 连接煤气传感器的测试电路 并在输出端加入一个固定电 阻 测量电阻两端的电压变化 用两个稳压源对煤气传感器提供 5V 和 12V 电 压分别作为加热和信号源 经过电阻后输出测得数据 经测试 在没有煤气的 情况下 测得输出电压是随着加热时间的长度变化而逐渐下降 当检测到煤气 时 输出电压瞬间增加到一个稳定值 增加幅度从 0 2 5V 左右 变化幅度大小 可以表现出传感器的灵敏度和煤气浓度大小 3 5 红外遥控电路的设计 3 5 1 通用遥控编解码 译码电路 现代遥控技术中普遍采用码分制传输多路复用的控制信号 即用不同的编 码表达多种遥控指令 接收机收到信号后按一定的编码规则进行解码 使用专 用的编码 译码集成电路 电路简单 调试方便 可靠性高 应用广泛 VD5026 5027 就是一种通用遥控编码 解码集成电路 其中 VD5026 编码电 路为 8 位编码发射电路 可扩展为 12 位 VD5027 有相应与 VD5026 的 12 位 的信息接收地址 该电路为 CMOS 器件 工作电压范围宽 2 6V 耗电省 静态电流仅 1传A 内部含有振荡器 只要一个外接电阻就可以工作 VD5026 编码器是 个 8 位编码发射器 但它可扩展成 12 位使用 其第 1 8 脚为编码输入端 每个输入端三种状态 即 0 1 开路 其中 0 态代表低电平 1 态代表高电平 开路 表示悬空 因此其 8 个输入 常州工学院毕业设计论文 19 端可组成 38 6561 个不同的编码 如果需要更多的编码 则电路还可扩展使用 将输入端改为 4 态连接方式 此时第 1 脚为第 4 种状态的公共端 其它第 2 8 脚与 1 脚相连时成为第 4 种状态 这样电路可构成 47 16 384 个编码 若将第 10 13 脚作为编码地址线与第 1 8 脚联合 则电路可构成 12 位编码地址线 此时编码数可达 411 419 430 个 10 13 脚是四路数据信号 可以同时发送四个 相互独立的遥控信号 14 脚 TE 低电平时 VD5026 将 8 位地址信号 4 路数据 信号编码后从 17 脚 DOUT 端输出 注意该端的常态为高电平 15 16 脚外接 振荡电阻 通过外接一个电阻决定片内振荡器的频率 振荡频率为 fosc 1600 R kHz R 即为外接电阻 单位是 k 18 脚为正电源 9 脚为接 地端 VD5026 的电源电压为 2 6V VD5027 译码接收器的第 1 8 脚是地址线 当发射电路发射出的地址码与 VD5027 预置的编码相同时 VD5027 的第 10 13 脚将有数据输出 此数据输 出与 VD5026 的第 10 13 脚所置数据相同 而当发射编码与接收译码编码相同 时 VD5027 的第 17 脚有高电平输出 这样我们利用上面 VD5026 5027 编码 译码的特性就可构成各种功能的红外 或其它 遥控电路 3 5 2 红外遥控电路系统框图 现在很多的家用电器都是由直流电动机提供 遥控电路的任务就是对直流 电机实施正反转遥控操作 根据设计要求 红外遥控系统的发射器应包括以下 功能模块 其系统框图见图 3 13 遥控指令 载波振荡 编码器 红外驱动 红外接收 解码器 双稳态触发器1 双稳态触发器2线圈驱动2 线圈驱动1 图 3 13 红外遥控电路系统框图 40kHz 载波振荡器 产生红外遥控信号中所需的 40kHz 载波振荡波形 要 求可以通过红外遥控编码信号进行控制当编码信号为时振荡 编码信号为 0 时 停止振荡 由于要和接收电路中的滤波电路配合 要求振荡频率误差不超过 0 5kHz 频率稳定性传f0 f01 1 1 G3 G2 G1 A 25V B T2 T1 T3 T4 传传传传传传 VC C J 常州工学院毕业设计论文 38 附录 B 功能 linux 下的红外驱动程序 使用说明 基于 ARM 嵌入式 Linux 平台下驱动红外无线模块 include include include include include include include include include include include typedef unsigned int uint16 typedef unsigned char uint8 和引脚相关的宏定义 define CSN LPC2138 GPF3 define CSN OUTP LPC2138 GPF3 OUTP define MOSI LPC2138 GPF4 define MOSI OUTP LPC2138 GPF4 OUTP define IRQ LPC2138 GPG3 define IRQ OUTP LPC2138 GPG3 OUTP define MISO LPC2138 GPG0 define MISO INP LPC2138 GPG0 INP define SCK LPC2138 GPG5 常州工学院毕业设计论文 39 define SCK OUTP LPC2138 GPG5 OUTP define CE LPC2138 GPG6 define CE OUTP LPC2138 GPG6 OUTP define DEVICE NAME NRF24L01 设备名称 在可以 proc devices 查看 define NRF24L01 MAJOR 241 主设备号 define TxBufSize 32 uint8 TxBuf TxBufSize 0 x01 0 x02 0 x03 0 x4 0 x05 0 x06 0 x07 0 x08 0 x09 0 x10 0 x11 0 x12 0 x13 0 x14 0 x15 0 x16 0 x17 0 x18 0 x19 0 x20 0 x21 0 x22 0 x23 0 x24 0 x25 0 x26 0 x27 0 x28 0 x29 0 x30 0 x31 0 x32 NRF24L01 端口定义 define CE OUT LPC2138 gpio cfgpin CE CE OUTP 数据线设置为输出 define CE UP LPC2138 gpio pullup CE 1 打开上拉电阻 define CE L LPC2138 gpio setpin CE 0 拉低数据线电平 define CE H LPC2138 gpio setpin CE 1 拉高数据线电平 define SCK OUT LPC2138 gpio cfgpin SCK SCK OUTP 数据线设置为输出 define SCK UP LPC2138 gpio pullup SCK 1 打开上拉电阻 define SCK L LPC2138 gpio setpin SCK 0 拉低数据线电平 define SCK H LPC2138 gpio setpin SCK 1 拉高数据线电平 define MISO IN LPC2138 gpio cfgpin MISO MISO INP 数据线设置为输 出 define MISO UP LPC2138 gpio pullup MISO 1 打开上拉电阻 define MISO STU LPC2138 gpio getpin MISO 数据状态 define IRQ OUT LPC2138 gpio cfgpin IRQ IRQ OUTP 数据线设置为输出 define IRQ UP LPC2138 gpio pullup IRQ 1 打开上拉电阻 常州工学院毕业设计论文 40 define IRQ L LPC2138 gpio setpin IRQ 0 拉低数据线电平 define IRQ H LPC2138 gpio setpin IRQ 1 拉高数据线电平 define MOSI OUT LPC2138 gpio cfgpin MOSI MOSI OUTP 数据线设置为 输出 define MOSI UP LPC2138 gpio pullup MOSI 1 打开上拉电阻 define MOSI L LPC2138 gpio setpin MOSI 0 拉低数据线电平 define MOSI H LPC2138 gpio setpin MOSI 1 拉高数据线电平 define CSN OUT LPC2138 gpio cfgpin CSN CSN OUTP 数据线设置为输出 define CSN UP LPC2138 gpio pullup CSN 1 打开上拉电阻 define CSN L LPC2138 gpio setpin CSN 0 拉低数据线电平 define CSN H LPC2138 gpio setpin CSN 1 拉高数据线电平 NRF24L01 define TX ADR WIDTH 5 5 uint8s TX address width define RX ADR WIDTH 5 5 uint8s RX address width define TX PLOAD WIDT 32 20 uint8s TX payload define RX PLOAD WIDTH 32 20 uint8s TX payload uint8 TX ADDRESS TX ADR WIDTH 0 x34 0 x43 0 x10 0 x10 0 x01 本 地地址 uint8 RX ADDRESS RX ADR WIDTH 0 x34 0 x43 0 x10 0 x10 0 x01 接 收地址 BC7210 寄存器指令 define READ REG 0 x00 读寄存器指令 define WRITE REG 0 x20 写寄存器指令 define RD RX PLOAD 0 x61 读取接收数据指令 define WR TX PLOAD 0 xA0 写待发数据指令 define FLUSH TX 0 xE1 冲洗发送 FIFO 指令 define FLUSH RX 0 xE2 冲洗接收 FIFO 指令 define REUSE TX PL 0 xE3 定义重复装载数据指令 define NOP 0 xFF 保留 常州工学院毕业设计论文 41 SPI BC7210 寄存器地址 define CONFIG 0 x00 配置收发状态 CRC 校验模式以及收发状 态响应方式 define EN AA 0 x01 自动应答功能设置 define EN RXADDR 0 x02 可用信道设置 define SETUP AW 0 x03 收发地址宽度设置 define SETUP RETR 0 x04 自动重发功能设置 define RF CH 0 x05 工作频率设置 define RF SETUP 0 x06 发射速率 功耗功能设置 define STATUS 0 x07 状态寄存器 define OBSERVE TX 0 x08 发送监测功能 define CD 0 x09 地址检测 define RX ADDR P0 0 x0A 频道 0 接收数据地址 define RX ADDR P1 0 x0B 频道 1 接收数据地址 define RX ADDR P2 0 x0C 频道 2 接收数据地址 define RX