论文二稿 电气1301-201309438-刘隽颜

兰州交通大学毕业设计 论文 摘要 现代都市生活变得越来越快 普普通通的家居生活已经不能满足人们的生活 随 着电子科技的日益提升 无线家居控制系统也应运而生 无线家居控制系统对家中险 情实时监控 电器开关自动化 而且操作简单 方便 满足大多数人对现代家居系统 的要求 本次设计系统结构组成为外部传感器 单片机控制系统 GSM 短信模块和用户终 端四个部分 本次设计主要分两大部分 硬件部分和软件部分 硬件部分主要有单片 机模块 探测器模块 报警模块 LCD 液晶显示模块 步进电机模块和 GSM 短信模 块 软件部分主要有主程序设计 串口通信设计 GSM 短信收发设计 LCD 显示程序 设计 各个模块间配合工作 完成实时监测险情 发现险情立刻报警 向用户发送短 信 用户通过发送短信 来控制家中电器开关等功能 本次设计基于 51 单片机进行设计 通过 keil4 进行程序编写与调试 并进行实物 制作 通过实物测试 系统能够满足监控家中险情 显示家中安全状态 安防报警 发送报警短信 短信控制继电器与步进电机的开关等功能 关键字 家居控制系统 关键字 家居控制系统 GSM GSM 无线通信 安防报警无线通信 安防报警 兰州交通大学毕业设计 论文 I Abstract Modern city life has become faster and faster ordinary home life has been unable to meet people s lives with the growing electronic technology wireless home control system also came into being Wireless home control system for home dangerous real time monitoring electrical switch automation and simple convenient to meet most people on the modern home system requirements The design of the system structure for the external sensor microcontroller control system GSM massage module and the user terminal four parts This design is divided into two major parts the hardware part and the software part The main part of the hardware is the main program module the detector module the alarm module the LCD liquid crystal display module the stepping motor module and the GSM message module The software part mainly has the main program design the serial communication design the GSM message transceiver design and the LCD display program design Each module with the work to complete the real time monitoring of dangerous situations found danger immediately alarm to send text messages to users users by sending text messages to control the home electrical switches and other functions This design is based on 51 single chip design through keil4 program preparation and debugging and in kind production Through the in kind production test the system can meet the danger of monitoring the home showing home security status security alarm send alarm SMS SMS control relay and stepper motor switch and other functions Key Words home control system GSM Wireless communication Security alarm 兰州交通大学毕业设计 论文 II 目录 摘要 I ABSTRACT II 目录 III 1 绪论 1 1 1 系统研究背景与意义 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 系统研究内容 2 2 系统总体设计 3 2 1 系统设计思路 3 2 2 系统工作原理 3 2 3 系统设计方案 4 2 4 单片机仿真软件 PROTEUS ISIS 5 3 系统硬件设 6 3 1 单片机模块电路 6 3 2 防盗探测器电路 7 3 3 火灾探测器电路 7 3 4 温湿度测量电路 8 3 5 LCD 显示电路 9 3 6 本地报警电路 9 3 6 1 声音报警电路 9 3 6 2 灯光报警电路 10 3 7 窗帘控制电路 10 3 8 GSM 模块电路 11 4 系统软件设计 11 4 1 主程序工作流程的设计 12 4 2 串口通信模块的设计 13 4 3 GSM 短信收发程序的设计 15 4 3 1 AT 指令简介 15 4 3 2 短信发送 15 4 4 LCD1602 显示程序的设计 16 4 5 步进电机程序的设计 16 4 5 1 设置正转和反转 17 兰州交通大学毕业设计 论文 III 4 5 2 步进电机运转指令 17 结论 17 参考文献 20 兰州交通大学毕业设计 论文 0 1 绪论 1 1 系统研究背景与意义 随着社会经济水平的发展 现在人们生活追求个性化 自动化 家装要求的档次 越来越高 生活家居人性化 智能化的要求使智能控制技术 在智能家居电子产品中 得到广泛运用 1 现代城市家庭生活单调 大多都是朝九晚五的工作 在白天 大多数家庭室内空无一 人 当家中发生某些险情 如火灾 盗窃等 户主很难及时发现 而现在大多住在多层 或高层楼内 邻里间也很难伸出援手 这种情况下 我们就需要一种安全可靠的智能管 家 无线通信技术的快速发展为现代化的智能家居系统提供了技术上的保障 无线智 能家居系统具有应用范围广 操作便捷等特点 能满足人们对现代家居的需求 1 2 国内外研究现状 智能家居的普及是未来社会发展的必然趋势 现在已经有很多国内外公司开始设计 制作各种基于家具住宅的无线智能系统 2 在无线智能家居的研发方面 国外的很多公 司的技术是领先我国的设计 3 美国比尔盖茨耗巨资建造的 未来之家 堪称智能家 居的佼佼者 豪宅内的一切都能根据主人或客人的意愿随意调节 澳大利亚的智能家居 能让房子里看不到一处开关 全自动化 除此之外 西班牙 日本 韩国等国家的智能 家居系统也在飞速发展 智能家居市场可谓是日新月异 数字化家居控制系统可以使得人们可以通过手机在任何时候 任何地点对家中电 器进行远程控制 比如下班途中预先将家中空调打开 让热水器提前烧好热水 这 一切的实现都仅仅是一个简单的短信 在最近几年间 我国企业对智能家居的发展也越发火热 最近十年 北京奥运会 上海世博会的成功举办 以及即将到来的北京冬奥会 举世瞩目的盛会也促使国内企业 重视起来了智能家居系统 智能家居行业的快速发展引来很多公司设计投资 小米 魅 族 海尔 三星等众多科技公司加入其中 也有安居宝 瑞朗波创等新欣企业开始自己 的智能家居研发工作 也取得了不错的成绩 加上国内房地产企业的飞速发展 万达 碧 桂园等企业也将智能家居加入到了自己的楼盘当中 随着现代通信技术和控制技术的 飞速发展 基于 GSM 网络的低成本无限智能家居控制系统将给广大普通居民家庭生活 方式带来变革 4 兰州交通大学毕业设计 论文 1 1 3 系统研究内容 无线智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术 控制技术 无线通信 技术等建立一个由家庭到小区的综合信息服务和管理系统 以此来提高居民住宅的安全 便捷的高端生活水平 本次设计在 51 单片机的基础上 进行基于 GSM 网络的无限智能家居控制系统设 计 在本次系统设计中 主要内容有进行各个软硬件模块设计 绘制电路图 用 Proteus 及 Keil 软件进行仿真验证 再对整个系统进行了系统测试 最后进行实物的制作 与实验 兰州交通大学毕业设计 论文 2 2 系统总体设计 2 1 系统设计思路 本次设计的系统组成如 2 1 所示 该系统结构组成为外部传感器 单片机控制系 统 GSM 短信模块和用户终端四部分 外部传感器 单片机控制系统 用 户 终 端 GSM短信模块 图 2 1 系统组成图 本系统由外部传感器采集数据 根据实时数据来发送报警监控和监控信号 并将报 警信号和监控信号送入单片机控制系统中 再通过 GSM 模块向户主发送险情短信 让户 主了解到家中具体发生的情况 2 2 系统工作原理 该设计工作原理如下 当系统处于正常工作状态下时 单片机模块采集各个安全防护传感器模块所发出的 实时数据 当家中有险情发生时 如有人入室 燃气泄漏 发生火势等 则在本地报警 模块在发出家中报警信号的同时 再通过 GSM 模块对户主发送与异常相对应的报警信 息 户主通过收到的报警信息 就可以了解到家中异常 并作出相应处理 如果家中没 有险情发生 户主也能用发送手机短信的方式控制家中电器设备的开与关 任务要求如下 1 具有防盗报警的功能 2 具有防火灾报警的功能 3 通过液晶显示屋内事实温度 4 发生异常发送报警短信 5 通过短信控制电机 兰州交通大学毕业设计 论文 3 2 3 系统设计方案 本次系统设计包括硬件设计和软件设计两大部分组成 硬件设计包括 单片机模块 防盗探测器模块 火灾探测器模块 温湿度测量模块 LCD 显示模块 本地报警模块 窗帘控制模块 GSM 模块等模块 结构图如 2 2 所示 软件设计包括 主程序模块 串 口通信模块 GSM 短信收发模块 LCD 显示程序模块 步进电机控制模块等 防盗探测器 火灾探测器 温湿度测量 无 线 接 收 模 块 单 片 机 复位电路时钟电路 GSM短信模块 用户终端 移动电话 GSM网络 串口通信 本地报警 电器开关控制 图 2 2 硬件结构图 在本次设计中 单片机模块是本次设计的核心 单片机硬件包括单片机 外围应用 电路和输入 输出设备等组成 软件即是各种工作程序的总称 兰州交通大学毕业设计 论文 4 在设计要求下 本次设计需要包含一下几个结构 1 单片机模块 本次设计的核心 用来接收各个模块发送来的信号并进行分析与 处理 包括复位电路和时钟电路 2 无线接收模块 该模块用来接收各个传感器发送来的信号 3 安全防范传感器模块 该模块包括防盗探测器 温湿度测量器 火灾探测器等 4 GSM 模块 保证可以与户主手机能够正常接收和发送短信 了解家中情况 控 制家中电器等 5 本地报警模块 该模块含有声音报警及灯光报警 完成家中室内的警告和安全 报警的作用 6 电器控制模块 该模块确保收到户主短信能够让电器正确的打开与关闭 2 4 单片机仿真软件 PROTEUS ISIS Proteus 单片机仿真软件是一款专业 功能强大的 EDA 工具仿真软件 该软件具有 以下特点 1 拥有绘制原理图功能 2 具有单片机及外围电路仿真 模拟电路仿真 数字电路仿真等仿真功能 3 拥有各种模拟仪器 如 信号发生器 示波器等 4 拥有软件调试功能 Proteus 单片机仿真步骤如下 1 运行 ISIS 新建一个设计文件 2 根据原理图 搭建电路图 3 双击单片机 加载 hex 文件 设置晶振频率 兰州交通大学毕业设计 论文 5 3 系统硬件设 3 1 单片机模块电路 单片机模块是系统设计中的大脑 当系统正常开启时 单片机会统计各个探测器 监视来的数据 进行对信息的分析与处理工作 再显示相应的信息 如果有险情发生 居室内进行报警的同时 同时发送短信息告诉户主家中险情 单片机主要包含复位电 路和晶振电路 1 复位电路 复位电路就是让系统通过该电路恢复到开始的状态的设备 其电路原理图如图 3 1 所示 图 3 1 复位电路 如图所示 当系统需要进行复位操作时 只用通过按下按键 S1 就能完成单片的 复位功能 2 晶振电路 晶振电路在单片机中起到制作时钟频率的作用 是指令运行的关键所在 单片机中 必不可少的一部分 时钟频率愈大 单片机的工作速度也就愈快 在本次系统设计中 选用了常用的 11 0592MHZ 的晶振 并搭配两个电容 组成电路 如图 3 2 所示 兰州交通大学毕业设计 论文 6 图 3 2 晶振电路 3 2 防盗探测器电路 在该电路中选用的是门磁开关 门磁开关其实就是一个内部拥有一个磁极的探测 器 门磁开关 开关部分由磁簧开关经引线连接 定型封装而成 磁铁部分由对应的磁场 强度的磁铁封装于塑胶或合金壳体内 当两者分开或接近至一定距离后 引起开关的开 断从而感应物体位置的变化 5 当磁体与开关之间的距离在 0 5 厘米以内时 开关处于 闭合状态 将不会发出报警信号 一旦开关与磁体之间的距离超过了 0 5 厘米时 开关就 会变成开启状态 让放到探测器电路的电平发生变化 让探测器发出报警信号 设计中 采用的门磁开关内部电路原理如图 3 3 所示 图 3 3 门磁内部电路原理 3 3 火灾探测器电路 本系统火灾探测器选用传感器 MQ 2 其使用的气敏材料是在清洁空气中电导率 较低的二氧化锡 SnO2 7 MQ 2 烟雾传感器内部的而氧化锡对烟雾很敏感 电路如 图 3 4 所示 兰州交通大学毕业设计 论文 7 图 3 4 烟雾传感器内部电路 当屋内有煤气泄漏或有烟雾产生时 探测器检测到异常 内部的电阻将会立刻减 小 使 MQ 2 中的比较器输出低电平 让灯光亮起 3 4 温湿度测量电路 DHT11 探测器是一个温湿度一体化的数字传感器 6 DHT11 通过数字模块采集技 术和温湿度传感技术 确保传感器安全 可靠 稳定的运行 温湿度传感器内部有电阻 式感湿元件和 NTC 测温元件 6 DTH11 具有高质量 响应快 抗干扰强 性价比高等 特点 DTH11 温湿度传感器在进行信号检测处理的过程中需要调用校准系数 而这些 系数是以程序的形式储存在 OTP 内存中 DHT11 接线方式为单线制串行接口 这种接 线方式让集成方式更为简易 DHT11 为 4 针单排引脚封装 这种封装方式能让用户自 由调整 简单好用 电路如图 3 5 所示 图 3 5 温湿度测量电路 兰州交通大学毕业设计 论文 8 3 5 LCD 显示电路 在该设计中显示电路用来显示室内的温度湿度等情况 所需显示内容较多 LCD1602 液晶显示模满足本次设计的需要 LCD1602 液晶显示模块是系统设计中常用的显示各种字符的点阵型液晶显示模块 LCD1602 液晶显示的内容为 16 2 能够出现两排字 LCD1602 各个引脚具体的功能见 附录 LCD 1602 液晶显示器通信方式为串行通信 LCD 1602 液晶显示器通信方式为串 行通信 LCD1602 液晶显示电路如图 3 6 所示 图 3 6 液晶显示电路 图中 RV1 为 10K 点位器 能改变屏幕亮度 3 6 本地报警电路 该电路由两部分组成 3 6 1 声音报警电路声音报警电路 电路如图 3 7 所示 兰州交通大学毕业设计 论文 9 图 3 7 声音报警驱动电路 3 6 2 灯光报警电路灯光报警电路 电路如图 3 8 所示 图 3 8 灯光报警电路 当单片机模块收到检测到的有险情后 如果满足相应条件就同时让两个电路工作 惊吓到匪贼或进行报警 单片机所供给的电流比较小 不满足让蜂鸣器发出报警声 这里就要加入一个三极管来放大电流 3 7 窗帘控制电路 因为窗帘的关闭与开启需要通过控制电机来实现 但直流电机的转动圈数不好控制 所以本系统通过一个步进电机来控制窗帘的打开与关闭 ULN2003a 芯片可以控制 5V 步进电机的正常工作 窗帘控制电路如图 3 9 所示 兰州交通大学毕业设计 论文 10 图 3 9 窗帘控制电路 3 8 GSM 模块电路 单片机模块受到报警信号同时还会向户主发送险情短信 短信收发通过 GSM 模块 实现的 本次设计中使用的 GSM 模块型号为 SIM800 SIM800 是芯讯通公司设计的 GSM 模块 它具有多种通信功能 SIM800 体积小 能耗低 有相当完善的接口 在发送险情短信过程中 通过串口发送 AT 指令完成单片 机模块与 GSM 模块之间的通信 GSM 模块接口图如图 3 10 所示 图 3 10 GSM 接口图 兰州交通大学毕业设计 论文 11 4 系统软件设计 4 1 主程序工作流程的设计 在系统正常工作时 要让所有的模块都回到最初的设计 这就是初始化环节 主 要初始化模块包括单对片机的定时器 中断模块 串行通信模块 LCD 显示模块 输 入和输出端口 GSM 等各个模块 在初始化完成之后 系统进入中断状态 当按下按键 进入布防状态后 单片机模块通过不同传感器所发送出的各种信号进 行的处理 如果有报警信号发出 单片机模块会将会让本地报警模块和通过串口通信通 过 GSM 让家中警报响起同时向户主发送报警短信 告知户主家中发生的险情 当取消布防后 单片机也将取消各个模块的报警状态 再对所有程序进行初始化操 作 主程序工作流程中主要模块有中断程序模块 串口通信模块 步进电机控制模块 GSM 短信模块 LCD 显示模块等 下文将进行具体分析 主程序主流程图如图 4 1 所示 兰州交通大学毕业设计 论文 12 开始 初始化程序 传感器采样 是否异样 发送GSM短信 Y N Y N 报警组合方案 接收短信 报警处理 结束 图 4 1 主程序工作主流程图 4 2 串口通信模块的设计 在串口通信模块的设计中 报警主模块要在工作发生险情时向 GSM 模块发送短信 这需要设计串口通信在单片机与 GSM 模块之间 串口通信模块的流程图如图 4 2 所示 兰州交通大学毕业设计 论文 13 单片机模块向 SIM800 模块发送短信内容和所需控制命令 单片机模块与 SIM800 模块 是通过由收 发引脚组成的串口所相互连接的 开始 初始化串口 打开串口 开始接受 根据协议格式进行数据 处理 将数据添加至数据库 关闭串口 查询数据 结束 Y N 图 4 2 串口通信流程图 首先要对串口进行初始化操作 才能进行串口通信程序的编写 对串口进行初始 化工作前 要设置波特率 SIM800 模块的波特率默认是 9600bps 在串口通信当中 接收 双方必须实现波特率相同 所以本次设计中要将单片机波特率设置为同样的 9600bps 兰州交通大学毕业设计 论文 14 将定时器设置成方式 2 具体公式如下 4 1 1256 1232 2 串串串串串 SMOD TH fosc 因为 SMOD 0 所以 T1 的初值为 0 xFD M0592 11fosc 4 3 GSM 短信收发程序的设计 4 3 1 AT 指令简介指令简介 AT 指 Attention AT 指令通常在 PC 和终端设备间的连接与通信上被运用 8 AT 指令运用示意图如图 4 3 所示 图 4 3 运行示意图 4 3 2 短信发送短信发送 当系统发现有险情发生是 必须发送对应短信通知用户 该功能由单片机与 GSM 模块 SIM800 之间的串口通信实现 单片机模块通过串口向 SIM800 发送 AT 指令来控 制给户主发送短信 1 GSM 模块初始化 为了确保短信的准确发送 给户主手机发短信前必须进行基本参数设置 在程序内 以上指令都是用字符串的形式储存在各个指令数组之内 串口通信程序 中的串口字符串发送程序将 AT 指令数据通过串口发送给 M590 模块 9 如果如果 SIM800 芯片成功接受了这些设置 SIM800 芯片会发送 OK 字符 确保初 始化的顺利完成 设计中在每个指令发送后均要检测返回值 2 短信内容的处理 GSM 模块初始化完成后 通过设定户主号码并调用短信就能实现短信的自动发送 功能 本系统设计中各种警报 如火灾 盗窃等 通过各自对应的警报短信内容发给户 主 这样就能让户主清楚知道家中所出现的险情 因此先对短信内容进行定义字符串的 处理 然后在外部中断程序中根据各种的报警内容来源来调用相应的短信发送程序 给户 主发送正确的短信内容 兰州交通大学毕业设计 论文 15 4 4 LCD1602 显示程序的设计 LCD1602 液晶显示屏内含有驱动芯片 所以与单片机模块间实现数据显示需要并行 数据通信 LCD1602 显示电路的程序流程图如图 4 4 所示 开始 LCD1602初始化 光标定位 显示字符 结束 图 4 4 LCD1602 显示程序流程图 如果要在 LCD1602 上显示各种信息 一定要给信息显示的位置进行定位 信息定位 参数如下 void LCD disp char uchar x uchar y uchar dat 函数内的两个参数 x y 决定在 LCD 显示屏所显示字符位置 参数 x 定位的是 X 轴方向位 一般值为 0 16 参数 y 定位的是 Y 轴方向位置 一般值为 1 2 10 兰州交通大学毕业设计 论文 16 4 5 步进电机程序的设计 由于需要电机控制窗帘开启与闭合 窗帘模块需要一个步进电机来控制 本次设计 中采用了 5V 四相五线步进电机和 ULN2003a 驱动芯片来实现窗帘的开闭 4 5 1 设置正转和反转设置正转和反转 步进电机的正转和反转设置如下 unsigned char code F Rotation 4 0 x10 0 x20 0 x40 0 x80 unsigned char code B Rotation 4 0 x81 0 x41 0 x21 0 x11 其中 F Rotation 4 为正转表格 换算成二进制为 0001 000 0010 0000 0100 0000 1000 0000 同理 B Rotati