毕业设计论文-无线智能家居控制器.doc

目 录中文摘要、关键词I英文摘要、关键词II引言1第一章 方案论证及选择21.1设计任务要求21.2系统初步设计及可行性论证21.3微处理器选择41.4温湿度传感器选择41.5通信模块选择41.6监控器显示方式选择5第二章 硬件设计72.1控制器72.1.1 MCU及其最小系统电路72.1.2温湿度采集82.1.3光照采集电路92.1.4人体热释电红外采集102.1.5时钟电路112.1.6射频编码电路PT2262112.1.7无线发射模块F05R(315M)132.1.8与监控器通信Bluetooth模块142.1.9电源及指示电路152.1.10 TVS保护电路162.2监控器172.2.1 MCU及其最小系统电路172.2.2人机界面172.2.3与控制器通信Bluetooth模块182.2.4报警电路182.2.5电源及保护电路182.3被控终端192.3.1射频解码电路PT2272192.3.2无线接收模块J05U(315M)202.3.3驱动及继电器212.3.4电源电路22第三章 软件设计243.1双机通信协议243.1.1帧数据格式定义243.1.2通信内容及通信周期规定243.2控制器程序设计263.2.1整体程序流程273.2.2温湿度采集293.2.3光照及人体热释红外采集303.2.4时钟信息采集303.2.5电器控制协议及流程313.2.6与监控器通信313.3监控器程序设计313.3.1整体程序流程333.3.2人机界面设计343.3.3蜂鸣器报警373.3.4与控制器通信373.4上位机程序设计38第四章 系统仿真及实物制作394.1系统仿真394.2实物制作39结论41致谢42参考文献43附录44附录A：通信协议说明书44附录B：部分源程序46附录C：硬件原理图49附录D：硬件PCB图50基于AVR单片机的无线家居控制系统设计摘要：本文设计了一套基于AVR单片机的无线家居控制系统。系统采用了控制器、监控器、上位机和被控终端的框架结构。其中控制器完成了对时间信息、温湿度信息、光照信息、人体热释电红外传感器信号的采集，并将采集的信息按既定的通信协议，通过蓝牙串口模块发送给监控器，在收到监控器发送的电器控制命令后，对电器进行无线控制，以及收到通信检测信号后回复通讯正常信息。监控器在收到控制器发送的数据后，将相关信息显示在LCD屏上，监视器通过按键操作，可以发送电器控制命令，监控器还可以报警。被控终端接收控制器发送的开关控制命令，控制对应的家用电器。上位机的功能与监控器功能相似并且监控能力更加强大。本系统实物模型制作调试成功。关键词：智能家居；无线控制；AVR单片机；蓝牙串口；数据采集；通信；上位机Design of Wireless Controlling System in HomeBased on AVR MicrocomputerAbstract:This article is designed based on AVR microcontroller for wireless home control system. System uses a controller, monitor, PC, and charged with the terminal frame. Completed on time, which control information, temperature and humidity information, lighting information, the body heat pyroelectric infrared sensor signal acquisition, and the information collected in accordance with established communication protocol, which Lanya serial module sent to monitor the receipt of monitoring sends electrical control commands, the wireless appliance control, and communications test signal received back the normal communication of information. Monitor controller sends the data received after the relevant information will be displayed in the LCD screen on the monitor through the button operation, can send electrical control commands, monitors also can call the police. Charged terminal to receive the switch controller sends control commands to control the corresponding appliances. PC functions and monitor functions and monitoring capabilities similar to more powerful. Physical modeling of the system debugging success.Key words:Smart Home;Wireless Control;AVR microcontroller;Bluetooth Serial Port; Data Acquisition;Communication;PCII引言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，智能住宅已成为现代化住宅的发展趋势。当前国内的智能家居主要研究的内容有：1.对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等。2.沟通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：台式计算机、笔记本、电视、录像机、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。尽管中国的智能家居市场前景很大，国内智能家居行业也有着蓬勃发展的势头，但智能化家居的应用在中国并没有得到良好的推广和发展。究其原因主要在以下几点：第一，缺乏规范的、统一的行业标准。第二，安装、调试复杂,成本费用高。第三，功能华而不实，缺乏人性化。第四，缺乏完善的社会合作体系。为了规范智能家居市场,推进智能家居产品在住宅内的应用，改造和提升传统的装饰设计施工水平，中国室内装饰协会联结全国智能家居行业的企业、事业单位和社会团体，成立了智能化委员会。相信在中国室内装饰协会智能化委员会和各方力量的努力下，中国的智能家居产业终将构建完美产业链，迎来美好的明天。在当前智能家居行业蓬勃发展的社会环境下，本课题旨在初步设计一套智能家居无线控制系统模型，顺应时代发展势头。系统成型后，经过专业技术人员论证后可推向市场。第一章 方案论证及选择1.1设计任务要求利用AVR单片机设计一个智能家居控制系统。主要要求如下：1具有安全防范功能。2家用电器智能控制。3环境信息检测与智能控制。控制系统的方框图如图1.1所示。图1.1 控制系统方框图1.2系统初步设计及可行性论证根据设计要求，本文设计了一套无线控制及监控系统。初步设计系统框图如图1.2所示。图1.2 控制系统构架方框图系统由控制器、监控器、上位机和被控终端三部分组成。除控制器与采集部分采用有线方式外，其它几部分之间均采用无线方式进行数据和控制命令传输。论证1：本系统结构是否合理。参考结构一：采用单构架结构。即采集、控制、显示、命令输入、报警、驱动控制被控对象等功能集成在一起，由一个控制器集中实现所有功能。参考结构二：采用分工合作的集散式结构。即将采集和控制作为一部分，命令输入、报警和显示作为一部分，驱动继电器控制作为一部分，它们之间以既定的通信协议进行通信，传输方式可选择有线或无线方式。本系统的设计拟采用四部分构架，分别为控制器部分，监控器部分，被控终端及上位机。控制器主要负责采集信息和控制被控设备。监控器通过人机界面，显示控制器发送的采集信息，并可以向控制器发送控制命令以达到手动控制被控设备的目的，以及出现异常情况时驱动板载蜂鸣器报警。上位机通过VB设计的监控界面，实时显示室内环境和安防信息，并且用户可以通过点击鼠标来控制家用电器。被控终端仅接收控制器发送的控制命令，驱动继电器控制被控电器。采用这种控制器+监控器+被控终端+上位机监控的结构，其优点是很明显的，具体表现为：这种构架分工明确，可以使各部分各司其责，工作效率高。缺点在于需要通信，并且需要通信协议的支持。实现起来麻烦一些。通过比较，本系统采用集散式结构更合理。论证2：采用无线方式是否合适。参考方式一：有线方式。各部分之间通过连接线进行通信。参考方式二：无线方式。各部分之间通过无线电进行通信。与有线方式相比，无线方式有着显著的优势，主要在于：无线方式没有电线的束缚，铺设和安装更方便，室内更简洁；主人可以随时拿着监控器，在室内到处走动甚至可以放在床头，因而可以在很方便的了解家里的环境和安防状况，以及可以像使用遥控器一样对家用电器进行控制。当主人在家里使用电脑时，可以通过本系统的上位机软件，方便地实现室内信息监控，信息记录。实现点鼠标控制室内照明，客人来时点鼠标开门等操作，并可定时启停某个家用电器设备，如定时11点关闭电视机等定时控制。无线方式也存在着其不可抗拒的弱点，即系统稳定性不如有线方式的高。众所周知，无线电很容易受到外界环境的干扰，且无线通信易受障碍物的影响，而导致误码率增高，传输距离急剧减少。通过比较，选用无线方式更适合于本系统。1.3微处理器选择方案一：使用51单片机。51单片机是初学者首选的，具有指令多，编程易等优点，但是用于工程上，它的外围复杂，功耗高，处理速度慢等缺点便暴露无疑。典型代表为AT89C51、AT89S52，由美国ATMEL公司生产，后授权给中国台湾某公司生产和销售。方案二：使用AVR Mega系列单片机。Mega系列是美国ATMEL公司生产的AVR 8位单片机中的高端产品，由于市场和技术原因，市场占有率挺高，采用精简指令集系统。具有功耗低、处理速度快、性价比高等优点。方案三：使用MPS430，凌阳61单片机等16位单片机或者ARM系列32位单片机。由于本系统控制功能简单，没有必要为了提高性能而增加成本和开发难度。经过综合考虑，本题目采用第二套方案，选取IO口个数和ROM大小适合本系统的Mega8单片机。1.4温湿度传感器选择方案一：热敏电阻+电阻式或电容式湿度传感器+AD转换。本方案采用热敏电阻和电阻（电容）式湿度传感器，需要经过信号调理，放大，AD转换等环节。缺点是每个环节都可能出现问题，设计复杂，且自行设计需要标定，准确度存在着达不到要求的可能。优点在于批量硬件成本较低。方案二：DS18b20+集成湿度传感器。本方案采用集成式温度和湿度传感器，设计时可省去信号调理，AD转化等环节，集成传感器在出厂前已经进行了标定校准，准确度和精度高，使用方便。缺点是成本较高。方案三：集成温湿度传感器。本方案可选用SHT10、SHT11等国外产集成温湿度传感器，也可选用成本较低的国产DHT11等。其优点在于，相比于温湿度采集分体的方案二，本方案选取集成温度湿度于一体的集成传感器，可占用更少的IO口，系统工作更稳定，由于同时可读取到温度和湿度数据，设计工作量也减小不少。综合考虑：本系统选择第三种方案，选用国产的DHT11。1.5通信模块选择方案一：27M自制无线电收发电路。自制无线收发电路存在着很大的风险，首先调试不易，其次工作起来可能发生频率漂移，长时间工作不稳定，自行设计方案不太成熟。优点是一旦调试成功且能稳定工作，批量成本很低。方案二：PTR2000、J05U、F05V等315M/433M无线收发模块。这种无线收发模块市场上很多，技术也很成熟，已经广泛用到了无线遥控玩具，无线报警器，工业数据采集等场合。缺点是同类产品过多，同频干扰较强烈。方案三：nRF2401、JF24C等2.4G无线收发一体模块。2.4G无线收发模块采用跳频技术可以有效的减小同频干扰，具有信道多的优点，收发一体用起来比较方便。方案四：蓝牙串口模块。蓝牙串口模块工作稳定性高，速度相对较快，且可以很方便的与上位机的蓝牙适配器连接进行通信。缺点在于传输距离比较近，约10m左右，适合近距离数据传输，且成本高。综合考虑：本系统选择方案二和方案四，选用315M无线收发模块和蓝牙串口模块，分别用于控制器与被控终端通信，以及监控器与控制器通信。1.6监控器显示方式选择方案一：使用多位数码管显示。数码管的显示信息量有限，不能显示字符和中文，信息不够直观，且功耗较大，不适合手持式设备。方案二：使用LCD1602。LCD1602可以显示字符且功耗较低。但是显示面积小，不能显示中文，人机界面不够友好。方案三：使用LCD12864。LCD12864具有显示信息量大，显示面积大，可以显示中文，人机界面友好等优点。但其功耗稍大，且体积过大、分辨率低，不适合手持式设备。方案四：使用NOKIA5110 LCD图形点阵液晶显示。5110 LCD具有84*48点阵图形显示能力，可同时显示4行，每行7个的12*12汉字，或者显示6行，每行14个的6*8 ASCII码字符。显示信息量一般，且不带字库，显示信息量过大时，需占用单片机大量ROM或RAM空间，可外扩Flash解决此问题。优点在于体积小，分辨率高，功耗低，性价比较高等。方案五：使用TFT材质16K色或26万色彩色液晶显示。TFT材质LCD现已广泛用于手机、Mp4等数码产品，以及电脑液晶显示器、液晶电视等。具有色彩艳丽，分辨率高，显示信息量大等优点。缺点是功耗稍高，需要高压驱动，将可能会被近期新兴的LED彩色液晶屏逐步取代。本系统显示信息量不是很大，无需彩色显示而增加成本，且其驱动程序复杂，让作者望而却步。因此本系统不打算选择此方案。综合考虑：本系统选择方案四，选用NOKIA5110 LCD作为监控器显示设备。第二章 硬件设计系统硬件部分的整体框图如图2.1所示：图2.1系统整体方框图2.1控制器控制器硬件整体框图如图2.2所示。图2.2 控制器硬件整体框图2.1.1 MCU及其最小系统电路本系统经过第一章的论证，选用了ATmel公司生产的AVR 系列Mega8L-DIP封装单片机。Mega8L具有高性能、低功耗的特点，具有先进的RISC结构，内部集成两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/计数器和一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器。内部集成了可通过调整熔丝位选择的1M，2M，4M，8M的RC震荡作为时钟电路，不过精确度不高且有一定的温漂，由于本系统要进行串口通信对时钟要求较高，因此外接了7.3728M的晶振。Mega8L片内还集成了可选择不同延时的上电延时复位电路，不过为了稳定和调试方便，本系统也外接了上电自动复位和手动复位电路。图2.3所示为控制器部分的MCU最小系统电路原理图，其中C7是增加单片机工作稳定性的电源去耦电容。图2.3 控制器单片机最小系统电路原理图2.1.2温湿度采集温湿度传感器采用广州奥松电子有限公司生产的集成数字温湿度传感器DHT11。DHT11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湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在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。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便。DHT11的外形、电气连接及工作时序分别如图2.4、图2.5和图2.6所示。图2.4 DHT11外形图图2.5 DHT11与MCU电气连接图图2.6 DHT11工作时序图2.1.3光照采集电路光照采集电路的设计本着简单稳定的原则进行。如图2.7所示，D2是光电二极管，工作模式为反接方式，类似于稳压二极管。当光照很弱时，其内阻很大，在与R3，R11组成的串联分压电路中，其本身压降很大，使PNP三极管9015的基极电压很高，三极管不导通，发射极输出低电平。当光照强度增加到使光电二极管压降到一定程度时，三极管导通，输出高电平。单片机采集后通过判断高低电平即可知道光照强弱。可通过调节电位器R3进行标定，使三极管的关闭导通阀值固定在一个需要的数值。图2.7 光照采集电路原理图2.1.4人体热释电红外采集人体热释电红外检测模块是一种能够感应人体靠近或远离的传感器，模块将对人体的人体红外热辐射的信号转化成电信号，人体都有恒定的体温，一般在37左右，会发出特定波长的红外线(普通人体会发射10m左右的特定波长红外线)，人体热释电红外检测模块的菲涅尔透镜将热释的红外信号折射在PIR(热释电红外传感器)上，探测警戒区内红外线能量的变化。热释电红外传感器(PIR)将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异，信号被采集到伺服系统以后，由软件对该新采集的数据与系统内存中已经存在的前期探测数据进行延时比较，以判断是否真的有人等红外线源进入警戒区。本系统采用市售的人体热释电红外采集模块，外形如图2.8所示。内部集成了热释电红外传感器和红外传感信号处理器BISS0001。引出VCC(+5V)、OUT和GND三个引脚。模块上电后，当有人时，OUT引脚输出高电平，无人时模块将OUT端点平拉低，输出低电平。主控器通过判断与之对应连接的IO的电平即可判断有无人。图2.8 人体热释电红外传感器模块外形图2.1.5时钟电路时钟电路采用DS1302。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)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或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。在本系统中，DS1302与控制器MCU连接原理图如图所示。其中J12为备用电池，当系统掉电后，DS1302会自动切换至备用电池供电，时钟信息掉电不丢失，并且芯片可在备用电池的支持下继续工作。本系统时钟电路原理图如图2.9所示。图2.9 时钟电路原理图2.1.6射频编码电路PT2262PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平)，任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。编码芯片PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时，相应的数据脚也输出相应电平。PT2262具有以下特点：1.CMOS工艺制造，低功耗；2.外部元器件少；3.RC振荡电阻；4.工作电压范围宽：2.6-15V；5.数据最多可达6位；6.地址码最多可达531441种。PT2262的管脚信息如表2.1所示。表2.1 PT2262管脚说明名称管脚说明A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”(悬空)D0-D57-8、10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉Vcc18电源正端（）Vss9电源负端（）TE14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效；OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；OSC215振荡电阻振荡器输出端；Dout17编码输出端（正常时为低电平）应用中，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用。另外发射接收芯片的地址端口振荡电阻还必须匹配，否则接收距离会变近甚至无法接收，随着技术的发展市场上出现一批兼容芯片，在实际使用中只要对振荡电阻稍做改动就能配套使用，经验参数匹配如表2.2所示。表2.2 2262/2272发射接收编码芯片振荡电阻匹配参考表编码发射芯片编码接收芯片PT2262PT2260SC2260SC2262CS5211PT2272/SC2272/CS52121.2M无3.3M1.1M1.3M200K1.5M无4.3M1.4M1.6M270K2.2M无6.2M2M2.4M390K3.3M无9.1M3M3.6M680K4.7M1.2M12M4.3M5.1M820K本系统的无线发射部分电路原理图如图2.10所示。图2.10 控制器无线发射电路原理图2.1.7无线发射模块F05R(315M)无线发射模块采用安阳新世纪电子研究所生产的F05R。F05R是一款小体积、低电压、微功率无线发射模块；采用SMT工艺，声表稳频，性能稳定，特别适合低电压电池供电使用，无数据时休眠并符合FCC认证标准。具有超小体积，低电压、低功耗，无数据时休眠，符合FCC认证标准等特点。F05R的性能参数和引脚定义分别如表2.3和表2.4所示，其外型及引脚如图2.11所示。表2.3 F05R性能参数发射频率315MHz 433MHz(本系统选用315M)工作电压DC3V(2.1-3.5V)发射电流7mA/3V ( 连发 )发射功率8dBm传输速率1-10k频率稳定度10-5 声表稳频调制方式ASK外形尺寸9*15*4mm ( 宽*长*厚 )工作温度-40至+85表2.4 F05R引脚定义引脚功能1正电源3V2地GND3数据信号输入4外接天线图2.11 F05R外形、尺寸及引脚顺序2.1.8与监控器通信Bluetooth模块本系统采用了广州汇承信息科技有限公司生产的BLUETOOTH串口适配器，如图2.12所示。该蓝牙串口适配器具有如表2.5所示的参数：表2.5 蓝牙串口适配器参数频段2.40GHz-2.48GHz，ISM Band蓝牙协议BlueTooth V2.0协议标准功率等级Class2（+6dBm）接收灵敏度-85dBm操作电压3.3V（极限电压3.0V4.2V）工作温度-40至+105参考功耗等待搜索时35 mA，连上线时约8mA图2.12 蓝牙串口适配器模块外形蓝牙串口模块具有以下工作特性：1、蓝牙芯片采用向前纠错编码，通信效率更高，自动跳频，抗干扰能力强。模块上的LED灯频闪状态时表示正在配对。2、该种蓝牙串口适配器产品采用主从机工作模式，上电会自动进行配对，配对密码内置，主机和从机的配对密码相同便可成功配对。3、常亮表示配对完毕，此时串口功能已经启动。4、一主一从成对正常使用时灯不会灭。如主机和从机距离太远而断线，则主机和从机的灯一直闪，如果它们距离再靠近，则又会找在一起而自动连上。主机会记忆它配好的从机，一上电给主机就会找它记忆的从机地址，如果要主机配新的从机，则短路主机模块底板1、2脚一下（或两脚间加个按键），则主机会放弃原来配的从机，重新寻找新的从机。在本系统中，为了方便与上位机USB接口的蓝牙适配器进行通信，控制器部分所用蓝牙串口模块为从机，对应监控器部分采用主机。为了使用方便，本系统用蓝牙串口模块时，另外制作了一个转接板，引出VCC、GND、TXD、RXD四个引脚。其原理图和PCB图分别如图2.13和图2.14所示。图2.13 蓝牙串口模块转接板原理图图2.14 蓝牙串口模块转接板PCB图2.1.9电源及指示电路电源电路在很大程度上决定了一个系统的稳定性，因此电源电路的设计在本系统中也占据了重要的地位。本系统拟采用市电直接供电，选用了市售的AC220V到DC5V/3W的开关电源，它具有体积小，稳定性高的特点。为了使本系统供电更加稳定，在设计电源电路时，串入了防止正负极反接的二极管1N4007，输入部分加入330UF电解电容进行滤波，并加入了集成稳压芯片7805进行进一步的稳压，输出部分加入220UF电解电容和104瓷片电容进行低频和高频滤波，使电源的纹波更小，从而使系统工作得更稳定。电源电路采用两路供电。除了上述的开关电源供电外，本电源电路还设计了另一路的USB供电通道，供电通道切换通过开关K1进行。为了防止负载的变化或者负载短路导致负载受损，本电源电路设计了快恢复保险管X025。另外加入了由限流电阻R1和发光二极管LED1组成的电源指示电路。电路原理图如图2.15所示。图2.15 控制器电源及电源指示电路原理图2.1.10 TVS保护电路TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR）或称瞬变电压抑制二极管是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品，其电路符号和普通稳压二极管相同,外形也与普通二极管无异,当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（最高达1*10-12秒）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。TVS具有体积小、功率大、响应快、无噪声、价格低等诸多优点，应用十分广泛，如：家用电器；电子仪器；仪表；精密设备；计算机系统；通讯设备；RS232、485及 CAN等通讯端口；ISDN的保护；I/O端口；IC电路保护；音、视频输入；交、直流电源；电机、继电器噪声的抑制等各个领域。它可以有效地对雷电、负载开关等人为操作错误引起的过电压冲击起保护作用。为了减小MCU的IO口受到外接干扰而损坏的可能性，本系统设计了如图2.16所示的IO口保护电路，即在IO口和GND之间接入一个瞬态抑制二极管（TVS）P6KE6.8，当IO口上的电压低于6.8V正常工作时，瞬态抑制二极管不导通相当于开路，而当IO口受到外界干扰时，如产生高达数千伏的静电，瞬态抑制二极管会在极短时间内，内阻急剧下降，会使IO口电压钳位到6.8V以下，从而起到保护IO口的作用。另外，电源VCC上也接入了这种保护，当VCC电压高于6.8V时，瞬态抑制二极管也会起到同样的保护作用。图2.16 控制器信号采集IO口保护电路原理图2.2监控器监控器硬件整体框图，如图2.17所示。图2.17 监控器硬件整体框图2.2.1 MCU及其最小系统电路监控器最小系统电路与控制器的最小系统电路类似，省去了上电复位电容和手动复位电路。如图2.18所示。MCU信息详见2.1.1介绍。图2.18 监控器MCU最小系统电路原理图2.2.2人机界面人机界面由三个独立按键和一个NOKIA5110液晶显示屏组成。LCD显示当前日期时间、室内温湿度、光照、有无人、电器开关状态、在线/离线等信息。三个按键分别为功能(向前)键、后退键和确认键。电路原理图如图2.19所示。图2.19 监控器人机界面原理图2.2.3与控制器通信Bluetooth模块监控器用蓝牙模块除了为主机模式外，其他信息与控制器用蓝牙模块相同，详见1.1.8所述。2.2.4报警电路报警电路采用压电式蜂鸣器，由于AVR单片机的IO口驱动能力强，灌电流20mA，可直接驱动LED、继电器、晶闸管等设备，因此本系统在设计报警电路时，省去了驱动部分。报警电路如图2.20所示。图2.20 监控器报警电路2.2.5电源及保护电路采用3.8 V的锂离子电池供电，可以提供相对稳定的电压和纯净的电流。锂离子电池具有比能量高、使用寿命长、额定电压高、具备高功率承受力、自放电率很低、重量轻、高低温适应型强、绿色环保等特点。适合用于手持式设备的供电。本系统电源及保护电路如图2.21所示。J1为锂离子电池接入端，当K1切换至供电状态时，锂电经D2二极管1N4007后降压至3.1-3.3V供电给系统。当K1切换至充电状态后，切断了系统的电源输入，从J5插入锂离子电池专用充电器后，充电电流通过D1低压降二极管1N60给锂离子电池充电。与控制器的电源保护电路一样，监控器的电路设计时也加入了快恢复保险管X025，用以防止短路和大电流放电对锂离子电池和负载造成伤害。图2.21 监控器电源及保护电路原理图2.3被控终端硬件整体框图如图2.22所示。图2.22 被控终端硬件整体框图2.3.1射频解码电路PT2272PT2272的说明见2.1.6介绍。本系统中，PT2272解码部分电路原理图和PCB图分别如图2.23和图2.24所示。图2.23 射频解码电路PT2272电路原理图图2.24 射频解码电路PT2272电路PCB图2.3.2无线接收模块J05U(315M)无线接收模块采用安阳新世纪电子研究所生产的J05U。J05U是一款特小体积，超低功耗，高灵敏度的OOK/ASK超外差接收模块，工作在315.0MHz 433.92MHz频段。芯片内包括一个低噪声放大器（LNA），一个下变频混频器，一个片上锁相环（PLL）的集成压控振荡器（VCO）和环路滤波器，一个 OOK/ASK 的解调器，数据滤波器，比较器和片内稳压器。高度集成了超外差接收电路的所有功能。具有较高的接收灵敏度和稳定性。并具有较宽的工作温度范围和较宽的电压范围。芯片指标符合欧洲或北美管理标准。J05U具有如表2.6所示的性能参数。表2.6 J05U的性能参数表工作频率315/433.92Mhz（固定频点）（本系统采用315M）数据速率10 K /秒(最高 )调制方式OOK/ASK接收灵敏度-11 2 dBm(ASK 2Kb/s)数据接口DATA串口数据工作电压2.1-5.5V（推荐：3V或者5V）接收电流2.5mA (唤醒状态)待机电流1uA（CE置0休眠状态)启动时间5mS天线形式外接 20cm天线参考距离300米(配10mW发射加天线，PT2262编码/2272解码。开阔地)模块尺寸2 0*1 1* 6 mm（长*宽*厚）J05U的外型尺寸如图2.25所示。图2.25 J05U的外型尺寸引脚功能描述如表2.7所示。表 2.7 J05U引脚描述引脚名称引脚号描述VDD1+2.1-5.5VGND2地CE3拉高工作，悬空或置0休眠，可直接连VDDDATA4数据输出 0-VDDANT5连接到外接天线在本系统中，J05U接收的信息通过PT2272解码后送至单片机。如2.3.1中图2.23所示。2.3.3驱动及继电器驱动和继电器部分电路原理图如图2.26所示。图2.26 被控终端驱动及继电器电路原理图2.3.4电源电路为了减小体积和节约成本，被控终端的电源采用阻容降压方式直接从AC220V市电取电，经过整流和滤波后，再通过集成稳压芯片进行稳压输出12V和5V供系统使用。阻容降压的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流，虽然有电流流过，但在电容器上并不产生功耗，因为如果电容是一个理想电容则流过电容的电流为虚部电流，它所做的功为无功功率。电容降压实际上是利用容抗限流而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。限流电容必须采用无极性电容，绝对不能采用电解电容。而且电容的耐压须在400V以上。最理想的电容为铁壳油浸电容。当电容连接于交流电路中时，其容抗计算公式为：XC = 1/2f C(2-1)式中，XC表示电容的容抗、f 表示输入交流电源的频率、C 表示降压电容的容量。流过电容降压电路的电流计算公式为：I = U/XC(2-2)式中I表示流过电容的电流、U表示电源电压、XC表示电容的容抗。在220V、50Hz的交流电路中，当负载电压远远小于220V时电流与电容的关系式为：I = 69C(2-3)其中C的单位为uF，I的单位为mA。与电容并联的电阻为泄放电阻，其作用为：当正弦波在最大峰值时刻被切断时，电容上的残存电荷无法释放，会长久存在，在维修时如果人体接触到电容的金属部分，有强烈的触电可能，而并联电阻的存在，能将残存的电荷泄放掉，从而保证人机安全。泄放电阻的阻值与电容的大小有关，一般电容的容量越大，残存的电荷就越多，泄放电阻就阻值就要选小些。经验数据如表2.8所示。表2.8 阻容降压电路中电容对应并联电阻经验阻值选取电容值(uF)0.470.6811.52并联电阻阻值(欧)1M750K510K360K200-300K本系统基于阻容降压原理设计的电源电路如图2.27所示。图2.27 被控终端电源电路原理图阻容降压适合恒流供电的系统，本系统的主要负载4个继电器，由于不一定同时工作，即便负载电流是可变的，但在一定时间内即下一次打开或关闭某个继电器前，其负载电流是固定的，因此也可以采用此种供电方式。本系统被控终端经实验测定，静态负载电流为2.6mA，最大负载继电器全开时为83mA，留一定裕度按100mA计算，取阻容降压的电容值为1.5uF，选用耐压值400V的无极性涤纶电容，对应泄放电阻R3阻值选取360K。第三章 软件设计3.1双机通信协议3.1.1帧数据格式定义帧类别(1 Byte)+帧长度(1 Byte)+帧数据(N byte)+校验和(1 Byte)，如表3.1所示。表3.1 帧数据格式帧类别帧长度帧数据校验和长度(1 Byte)(1 Byte)(N byte)(1 Byte)功能规定了本帧数据的用途指明本帧数据的数据长度（不包括帧类别和校验和）本帧数据的主内容用于检测本帧数据是否出错（可选）不同帧类别的含义如表3.2所示。表3.2 帧类别含义帧类别 此种帧类别功能0xF0控制器发往监控器的通讯检测数据(0xDD)0xF1控制器发往监控器的通讯成功回复数据(0xEE)0xF2控制器发往监控器的采集信息数据0xFA监控器发往控制器的通讯检测数据(0xDD)0xFB监控器发往控制器的通讯成功回复数据(0xEE)0xFC监控器发往控制器的电器控制命令数据0xFD监控器发往控制器的设置时间控制命令数据3.1.2通信内容及通信周期规定3.1.2.1通讯检测A、监控器每隔5s向控制器发送通讯检测指令一次B、控制器收到后回复通讯成功指令C、监控器收到控制器回复的成功通讯的指令后，置在线(离线)标志位3.1.2.2收发数据A、控制器每隔2s向监控器发送一次数据B、监控器随机（根据操作）向控制器发送电器控制命令C、控制器在收到电器控制命令后，分析后，随即切换地址向被控终端发送控制命令3.1.2.3控制器发往监控器的数据A.控制器发往监控器的通讯检测数据，如表3.3所示：表3.3 控制器发通讯检测数据帧类别长度数据校验和0xF00x010xDD0xXXB.控制器发往监控器的通讯成功回复数据，如表3.4所示：表3.4 控制器回复通讯成功数据帧类别长度数据校验和0xF10x010xEE0xXXC.控制器发往监控器的采集信息数据(举例)，如表3.5所示：表3.5 控制器发采集数据帧类别长度数据校验和0xF21010 4 25 14 47 5 20 30 0x01 0x000xXX注释：表中数据栏含义：10年4月25日14时47分周5 温度20度 30%相对湿度 光照超阀值无人3.1.2.4监控器发往控制器的数据A.监控器发往控制器的通讯检测数据，如表3.6所示：表3.6 监控器发通讯检测数据帧类别长度数据校验和0xFA0x010xDD0xXXB.监控器发往控制器的通讯成功回复数据，如表3.7所示：表3.7 监控器回复通讯成功数据帧类别长度数据校验和0xFB0x010xEE0xXXC.监控器发往控制器的电器控制命令数据(举例) ，如表3.8所示：表3.8 监控器发电器控制命令帧类别长度数据校验和0xFC0x010x000xXX注释：表中数据栏含义：电器全部关闭，共8位，每位为0关闭，为1打开。D.监控器发往控制器的设置时间控制命令数据(举例)，如表3.9所示：表3.9 监控器发设置时间控制命令帧类别长度数据校验和0xFD0x0820 10 4 30 23 59 55 50xXX注释：表中数据栏含义：2010年04月30日23点59分55秒星期五3.1.2.5附录附采集信息、控制信息、通讯检测及回复等数据详细信息，如表3.10所示。表3.10 数据详细信息数据信息类别长度(字节)备注日期时间5xx xx xx xx xx(年月日时分)温度1xx(uchar型)湿度1xx(百分比形式)光照1xx(是否超过阀值，1或0)人体热释1xx(有无，1或0)控制插座门窗1xx(高四位插座，低四位门窗，1为开，0为关)通讯检测发10xDD(控制器发往监控器)通讯检测发10xDD(监控器发往控制器)通讯检测收10xEE(控制器发往监控器)通讯检测收10xEE(监控器发往控制器)3.2控制器程序设计声明：本设计的全部程序均采用ImageCraft的ICC AVR单片机开发软件，版本号为Version 7.22 Built Jun 24 2009。控制器程序用到的全局变量如表所示。表3.11 控制器程序用到的全局变量类别变量名变量类型变量初始值占用字节数功能数据区time_buf8uchar20,10,1,1,0,0,0,58采集的时间临时存储区wendu2;uchar全02采集温度存放区shidu2uchar全02采集湿度存放区DHT_temp5uchar全05收到的温湿度传感器数据临时存储区data13uchar0xF2,10,0x10,0x05,0x05,0x23,0x59,0x03,0x21,0x31,0x00,0x00,0xFF13待发送的采集数据缓冲区命令收发类com_test4uchar0xF0,0x01,0xDD,0xff4通讯检测指令存放区com_ok 4uchar0xF1,0x01,0xEE,0xff4通讯成功回复指令存放区receive_com_test4uchar全04控制器收到的通讯检测数据区receive_com_ok4uchar全04通讯检测成功回复数据区receive_dk4uchar全04收到的控制电器命令存放区receive_settime11uchar全011收到的设置时间命令存放区串口类UDR_datauchar01串口接收到的数据UDR_INDEXuchar01帧类别索引store_addruchar01送存地址索引计数countuint02通讯检测计数标志位DIANQI_CTRLuchar01电气控制标志位为1允许发送控制命令3.2.1整体程序流程控制器需要