基于单片机的智能远程家电控制及安防系统的设计.doc

学校代码 11059 学 号 Hefei University 毕毕业业设设计计 论论文文 BACHELOR DISSERTATION 论文题目 基于单片机的智能远程家电控制及安防系统的设计 学位类别 工学学士 学科专业 自动化 作者姓名 导师姓名 丁健 完成时间 67 基于单片机的智能远程家电控制及安防系统的设计基于单片机的智能远程家电控制及安防系统的设计 中文摘要中文摘要 随着人民生活水平的提高和安全防范意识的增强 人们开始关心自己的生 活和工作环境 不但要求周边环境的舒适化和人性化 对居住工作环境的安全 化和智能化也提出了更高的要求 智能远程家电控制和安防系统将成为今后生 活中必不可少组成部分 GSM 网络是基于时分多址技术和频分多址技术的通信 网络体系 是我国覆盖面最广 功能最强 用户最多的数字蜂窝移动通信网 通过中国移动公司建成的无缝覆盖全国的 GSM 网 运用 GSM 短信技术传送警 讯信息 具有安全可靠 安装方便等优点 本设计采用 STC 12C5A60S2 单片机作为主控芯片 配合 GSM 的 TC35 模 块控制继电器 JQC 3FF 的闭合与关断 以达到远程控制家电的目的 安防系统 使用热释人体红外传感器作为信号采集模块 若检测到有人侵入住宅 则通过 GSM 模块发短信到用户手机完成报警功能 如何实现这些功能 在本论文的第 三四章有详细介绍 本设计为了更加方便操作 特别增加了 LCD12864 显示模块和按键 使用 户能更够加容易通过按键实现设防和撤防 关键词 关键词 GSM 串口通信 远程家电控制 串口通信 远程家电控制 I 67 THE DESIGN OF INTELLIGENT REMOTE HOME APPLIANCE CONTROL AND SECURITY SYSTEM BASED ON SINGLECHIP ABSTRACT With the improvement of people s living standards and security awareness people began to care about their living and working environment requires not only comfortable surroundings and humane safe working environment for living and intelligent also a higher requirements intelligent remote home appliance control and security systems will become an essential part of life GSM network is based on time division multiple access technology and frequency division multiple access technology communication network system is the most extensive coverage most powerful most users digital cellular mobile communication network Built through China Mobile s seamless GSM network covering the whole country the use of technology to send GSM SMS alert information with safe reliable and easy installation This design uses STC 12C5A60S2 microcontroller as the master chip with the TC35 GSM module control relay JQC 3FF closed and off in order to achieve the purpose of remote control home appliances security systems using pyroelectric infrared sensor body as a signal acquisition module if it was detected housebreaking send text messages via the GSM module to the user s phone to complete alarm function How to achieve these functions the third chapters in this thesis are described in detail In order to more convenient to operate This design added a LCD12864 display module and buttons allowing users to more easily achieved through the keys to arm and disarm Keywords GSM Serial communication Remote home appliance control II 67 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 1 研究背景 1 1 2 智能家居的起源 1 1 3 智能家居在中国的发展现状 3 1 4 智能家居的发展前景 4 1 5 本章小结 4 第二章第二章 系统结构及工作原理系统结构及工作原理 5 5 2 1 无线远程家电控制的设计方案 5 2 1 1 控制终端实现方式 5 2 1 2 控制系统软件设计 5 2 1 3 无线通信实现方式的选择 5 2 2 系统的组成及功能介绍 6 2 3 本章小结 6 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 8 8 3 1 核心器件选型 8 3 1 1 TC35 模块 8 3 1 2 SIM 卡电路 10 3 2 单片机电源 11 3 2 1 电源模块电路图 11 3 2 2 LM7805 简介 11 3 3 热释红外传感器 12 3 4 时钟电路 13 3 5 单片机模块的设计 14 3 6 LCD12864 显示电路 15 3 7 家电控制模块 16 3 8 本章小结 16 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 1717 4 1 软件开发环境 17 4 2 主程序设计 17 4 3 远程控制模块设计 20 4 4 本章小结 21 第五章第五章 系统软硬件调试系统软硬件调试 2222 5 1 软件调试工具 22 5 2 程序调试时的常用窗口 22 5 3 GSM 远程控制模块调试 23 5 3 1 预计达到的目标 23 5 3 2 调试结果 24 5 4 本章小结 24 III 67 第六章第六章 结论结论 2626 6 1 系统总结 26 6 2 系统展望 26 致谢致谢 2929 附录一附录一 3030 附录二附录二 6060 附录三附录三 6262 0 67 第一章第一章 绪论绪论 随着科技的发展和人民生活水平的提高 越来越多的科技产品进入了人们 的日常生活 为人们的生活带来了极大的便利 特别是各种远程控制系统 更 是极大的方便了人们的日常生活 本设计是一种通过发短信对家用电器和各种 继电器进行远程控制的系统 通过它 人们可以随时随地使用手机来控制各种 家电或开关的状态 1 1 研究背景研究背景 随着经济的飞速发展 生活水平的日益提高 人们对居住的环境也有了更 高的要求 家居行业逐步走向绿色环保 高科技智能化的发展阶段 未来的主 流家居模式将是无线远程控制和远程安全防御 在千里之外就能手机遥控自己 的家用电器 实时监控家里的安全情况 早上离开家门的时候 只要控制面板 上按下 离家 模式 家庭的家居设备将逐渐关闭 安防设备开启布防 在有人 非法闯入家里的情况下及时发短信通知到用户 以确保家中安全 下班路上 拿起手机轻轻一按 热水器已经提前启动 为您舒舒服服的冲 个热水澡做好准备 空调已按您的指令自动打开 一进家门就是一个清凉的世 界 舒适宜 人 一身清爽之后 拿起自己的手机 随心操控各类设备 畅快的 享受数码高清大片带来的震撼 躺在软软的床上 遥控灯光让环境变得温柔 远离一天的嘈杂 享 受此时属于自己的静谧 入睡之前 窗帘在手机的指令下 徐徐拉上 带着刚才满眼的星光和您一同进入梦乡 这一切的智能化运作将 我们引入一个新的行业 就是智能家居 1 1 2 智能家居的起源智能家居的起源 智能家居概念的起源甚早 但一直未有具体的建筑案例出现 直到1984年 美国联合科技公司 United Techno1ogies Building System 将建筑设备信息化 整合化概念应用于美国康乃迪克州 Conneticut 哈特佛市 Hartford 的City Place Building时 才出现了首栋的 智能型建筑 从此也揭开了全世界争相建造智能 家居的序幕 最著名的智能家居要算比尔 盖茨的豪宅 比尔 盖茨在他的 未来之路 一书 中以很大篇幅描绘他正在华盛顿湖建造的私人豪宅 他描绘他的住宅是 由硅片 1 67 和软件建成的 并且要 采纳不断变化的尖端技术 经过7年的建设 1997年 比尔 盖茨的豪宅终于建成 他的这个豪宅完全按照智能 住宅的概念建造 不 仅具备高速上网的专线 所有的门窗 灯具 电器都能够通过计算机控制 而 且有一个高性能的服务器作为管理整个系统的后台 智能家居是IT技术 特别是计算机技术 网络技术 控制技术向传统家电 产业渗透发展的必然结果 由社会背景之层面来看 近年来信 息化的高度进展 通讯的自由化与高层次化 业务量的急速增加与人类对工作环境的安全性 舒 适性 效率性要求的提高 造成家居智能化的需求大为增加 此外在 科学技术 方面 由于计算机控制技术的发展与电子信息通讯技术之成长 也促成了智能 家居的诞生 20世纪80年代初 随着大量采用电子技术的家用电器面市 住宅电子化出现 80年代中期 将家用电器 通信设备与安全防范设备各 自独立的功能综合为一 体后 形成了住宅自动化概念 80年代末 通信与信息技术的发展 出现了通 过总线技术对住宅中各种通信 家电 安防设备进行监控与管 理的商用系统 这 在美国称为Smart Home 也就是现在智能家居的原型 智能家居最初的定义是这 样的 将家庭中各种与信息相关的通信设备 家用电器 和家庭安防装置 通过 家庭总线技术 连接到一个家庭智能系统上 进行集中或异地监视 控制 和家庭事务性管理 并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐 与协调 是智能住宅的基本单元也是智能住宅的核心 世界上第一幢智能建筑1984年在美国康涅迪格州出现 当时只是对一座 旧式大楼进行了一定程度的改造 采用计算机系统对大楼的空 调 电梯 照明 等设备进行监测和控制 并提供语音通信 电子邮件和情报资料等方面的信息 服务 智能家居最早沿于英文Smart Home 早先更多提法是Home Automation家 庭自动化 因为早先涉及的产品都与家庭自动化产品和配件有关 自动化 智 能化是其重要特点 几年前 美国 欧洲和东南亚等 经济比较发达的国家先后 提出了 智能住宅 即智能家居Smart Home 的概念 其目标就是 将家庭中各 种与信息相关的通讯设备 家用电器和家庭保 安装置通过家庭总线技术 HBS 连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视 控制和家庭事务性管 理 并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调 智能家居 Smart Home 频繁出现在各大媒体上 成了人们耳熟能详的词汇 目前关于智能家居的称谓多种多样 诸如 电子家庭 Electronic Home e Home 数字家园 Digital family 家庭自动化 Home Automation 家庭网络 Home net Networks for Home 网络家居 Network Home 智能化家庭 2 67 Inte1ligenthome 等等几十种 尽管名称是五花八门 但它们的含义和所要完 成的功能大体是相同的 2 1 3 智能家居在中国的发展现状智能家居在中国的发展现状 智能家居至今在中国已经历了近10年的发展 从人们初最初的梦想 到今 天真实的走进我们的生活 经历了一个漫长而艰难的过程 提到智能化家居 人们立刻会联想到网络 冰箱联网 洗衣机联网 电视 机联网 微波炉联网 开发者高举智能家居大旗 宣称网络家电可以使生活 达到全数字化 让人们感到轻松方便 智能家居当然不止是这些 在国内 智能家居不是一个单独的产品 也不是传统意义上的 智能小区 概念 而是基于小区的多层次家居智能化解决方案 它综合利用计算机 网络 通讯 家电控制 综合布线等技术 将家庭智能控制 信息交流及消费服务 小区安防监控等家居生活有效地结合起来 在传统 智能小区 的基础上实现了 向 家的延伸 创造出高效 舒适 安全 便捷的个性化住宅空间 2000年 概念年 2000年是智能家居在中国的一个概念年 通过广播 电台 电视 报纸和杂志等诸多媒体的广泛宣传 相当一部分居民已 经接受了 智能家居这个概念 各小区的开发商在住宅的设计阶段也已经或多或少考虑了 智能化功能的设施 少数高档的住宅小区已经配套了比较完善的智能家庭网 络 并在房地产的销售广告中 已经开始将 智能化 作为其一个 亮点 来宣传 一 些对科技发展动向和市场趋势敏感的科研机构和有实力的公司 已经看到这个 市场的广阔前景 意识到这是一个难得的机遇 开始或已经研究和开发相关系 统和产品作了先期的部署和规划 2001年 研究开发年 智能家居毕竟在硬件和软件方面都具有一定的 难度 在数个月或一年的时间里是不可能研究开发成功的 国外完成这个 系统 的过程一般要经过3 5年的时间 当然在中国也许用不了这么长的时间 因为 已有了国外的一些经验可供参考 但估计2 3年的时间还是需要的 因 此 2001年是各个科研机构和公司从规划到实际研究和开发的关键一年 如同以往 相类似产品 如彩色电视机和VCD及DVD机 在我国的发展过程一样 有 些 机构和公司开始引进一些国外的系统和产品 在一些豪华的公寓和住宅中已经 看到了它们的踪迹 2002年 2003年 实验年 在这一年中 有相当一部分高档和中档的 住宅小区和私人住宅 将在控制和管理上实现一般意义上的智能化 宽带网将 3 67 进入一般居民的住宅和小区 为智能家庭网络功能的完善佐以一定的条件 国 内一些公司的网络产品将逐渐进入市场 一些国外的系统和产品也将在这一年 开始以较大的规模进入中国市场 开始在市场上与中国的产品接触 我国关于 智能家庭网络系统的各种标准将陆续出台 各种具有一定智能的可以上网的终 端产品 智能家电 设备 将根据这些标准陆续研发出来 并逐步进入市场 2003年 2004年 推广年 到2003 2004年 是智能家庭网络系统在 中国推广应用的两年 我国自行研制的系统已经较为成熟 并有能力与国外的 系统和产品相抗衡 新建的住宅和小区大部分将配备一定的智能化设施和设备 美国和欧洲将在2003年 2004年全面普及智能家庭网络 各种可连网的终端电 器 设备将大量出现在市场上 我国自行设计和生产的可连网的家用电器 设备也 将有相当的规模 2005年 2007年 普及年 我国在智能家居技术领域与欧美国家的差距 并不大 估计仅滞后2 3年 在这几年中 我国将全面普及智能家庭网络系统 和产品 即开始走进普通居民的家居中 在这个时期 整个市场将是以我国自 行研究和开发的系统和产品为主 国外的产品将在高档系统产品占有一席之地 真正智能家庭网络的大市场将在 2004 2007年中形成 3 2008年至今 智能家居行业在远程家电控制以及远程电子安防系统这两块 得到了飞速的发展 国内做智能家居的公司如雨后春笋般崛起 各大家电厂商 也把远程控制作为卖点 争夺国内家电行业的市场份额 1 4 智能家居的发展前景智能家居的发展前景 我国人口占世界人口的六分之一 这15亿左右的人口无疑形成了世界上最 具规模的需求市场 全世界没有任何一个国家可以相比中国的市场 这对智能 家居行业的发展是一种实实在在的保障 在世界第一的市场国成长 发展 我 国本土的智能家居业一定会发展成最具市场效应 最受市场欢迎 最符合 市场 需求的智能家居行业 中国的市场不仅大 而且有着自己的独特性 中国人口 多 但经济发展区相对比较密集 不比欧美一些国家 国民有着独体别墅的居 住模式 国外的一些大的智能家居品牌 在此居住模式上已经形成独到的成熟 而中国的国民普遍的都是楼宇住宅居住模式 有此差别 中国的智能家居行业 的兴盛 相信指日可待 低廉的成本 有机遇 有市场 如此大好的环境 我 们的智能家居行业的发展也一定会为我们打造一个非常智能化的家居环境 并 在国际竞争中也牢牢占据有利地位 4 4 67 1 5 本章小结本章小结 本章介绍了什么是智能家居 智能家居的产生背景和目前在中国的发展情 况 还展望了智能家居系统的未来的发展前景 5 67 第二章第二章 系统结构及工作原理系统结构及工作原理 随着电子技术的发展 信息服务的普及 人们生活水平越来越高 人们 的生活节奏越来越快 由此 基于GSM 模块的远程家电控制应运而生 2 1 无线远程家电控制的设计方案无线远程家电控制的设计方案 2 1 1 控制终端实现方式 因为工作现场只限定在家庭里面 其控制器只需接收处理手机发来的开 关信息和处理传感器采集到数据信息以决定是否需要向用户进行打电话报警 对数据的处理和实时功能要求都不高 如果用功能强大的台式机作为主控制 器是一种浪费 而且安装也不方便 所以为了降低成本和控制功耗 本设计 选择了单片机作为主控制器 5 2 1 2 控制系统软件设计 本课题选择用基于单片机的设计方案 通常不需要移植操作系统 而且 系统的任务相对比较简单 在家庭环境下对实时性的需求也不高 所以采用 C 语言从系统底层开始直接编写控制程序就可以很好的达到要求 2 1 3 无线通信实现方式的选择 由于该课题的系统是对要实现远程控制继电器家电 对传输的信息量和 传输的速度要求都不高 无线通信方式只要操作简单性能可高即可 因此无 需使用 3G 网络 GSM Global System for Mobile 属于第 2 代 2G 蜂窝 移动通信技术 2 代的说法是相对于应用于 80 年代的模拟蜂窝移动通信技 术以及目前正逐渐进入商用的宽带CDMA 技术 模拟蜂窝技术被称为一代 移动通信技术 宽带 CDMA 技术被称为三代移动通信技术 即3G 6 GSM 有以下特点 GSM 是一个蜂窝网络 也就是说移动电话要连接到它能搜索到的最近 的蜂窝单元区域 GSM 网络运行在多个不同的无线电频率上 蜂窝半径范围根据天线高度 增益和传播条件可以从百米以上至数十公 里 实际使用的最长距离 GSM 规范支持到 35 公里 还有个扩展蜂窝的概 念 蜂窝半径可以增加一倍甚至更多 GSM 性能稳定 抗干扰能力强 其网络覆盖面积是目前所有无线通信方 6 67 式中最大的 而且发短信价格便宜 是普通人都能承受的价格 通过点对点 发短信进行远程控制家电 操作不复杂 即使从没接触过智能家居的人也能 轻松操作 便于该系统的普及 7 2 2 系统的组成及功能介绍系统的组成及功能介绍 本系统由单片机外围电路和 GSM 模块电路组成 单片机外围电路除了 包括单片机正常工作所必须的元件外 还包括键盘 复位及继电器控制电路 等 GSM 模块电路由 TC35 及其外围电路组成 在此以发光二极管的亮 灭来模拟家用电器的开 关作 此系统有两大功 能 用手机向 TC35 上的 SIM 卡发送启动 关闭发光二极管的信息 经单片 机处理后 将正式启动 关闭发光二极管 当启动 关闭成功后 系统会向手 机返回启动 关闭成功的信息 当系统的红外装置检测到有人非法进入房子后 系统经GSM 模块向事 先设定的电话号码拨打电话 实现安防报警功能 系统具体实现过程如图 2 1 所示 图 2 1 系统框图 2 3 本章小结本章小结 本章主要讲了无线远程家电控制的设计方案 控制终端选择基于单片机 的实现方式 无线通信方式选择 GSM 模块 系统由时钟电路 红外传感器 按键 LCD 显示模块 继电器家电 GSM 模块和单片机构成 7 67 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 系统主要功能为 实现短消息的收发 根据接收到的短消息控制相应的 模拟家电 实现对家用电器的远程控制 它主要由热释人体红外传感器模块 家电控制模块 主控制器 液晶显 示模块 GSM 通信模块及电源模块等组成 热释人体红外传感器模块的作 用是检测是否有人非法进入等信息 负责各类家电的开启与关闭本设计采用 远程家电控制模块 主控制的作用是对传感器检测到的信息进行分析处理 判断是否要进行报警 若需要则进行报警 否则继续在主程序中循环 若用 户发短信控制家电 主控制器需要解析短信并做相应的动作 测试系统和安 装系统以及演示时使用液晶显示模块LCD12864 主控制器的报警通道为 GSM 通信模块 同时也是用户远程控制的通道 负责信息的接收和发送 通 过这几个部分的协调工作 就完成了远程家电控制及防盗功能 8 当系统正常工作后 可以通过手机终端发送短信来操控家中电器运作 比如 下班前通过手机操控家中空调 电热水器 电饭煲的启动等 提高了 时间利用率 还可以开启或者关闭防盗监控系统 来监测是否有小偷进入住 宅 如果发生就会通过 TC35 无线通信模块自动拨打指定号码进行语音报警 3 1 核心器件选型核心器件选型 3 1 1 TC35 模块 TC35 是 Siemens 公司推出的新一代无线通信 GSM 模块 自带 RS232 通讯接口 可以方便地与 PC 机 单片机连机通讯 可以快速 安全 可靠地 实现系统方案中的数据 语音传输 短消息服务 Short Message Service 和 传真 TC35 模块的工作电压为 3 3 5 5V 可以工作在 900MHz 和 1800MHz 两个频段 所在频段功耗分别为 2w 900M 和 1w 1800M 模块有 AT 命令集接口 支持文本和 PDU 模式的短消息 第三组的二类 传真 以及 2 4k 4 8k 9 6k 的非透明模式 此外 该模块还具有电话簿功能 多方通话 漫游检测功能 常用工作模式有省电模式 IDLE TALK 等模式 通过独特的 40 引脚的 ZIF 连接器 实现电源连接 指令 数据 语音信号 及控制信号的双向传输 通过 ZIF 连接器及 50 天线连接器 可分别连接 8 67 SIM 卡支架和天线 TC35 模块主要由 ZIF 连接器 GSM 射频模块 GSM 基带处理器 供 电模块 ASIC 天线接口 闪存等六部分组成 作为TC35 的核心 基带 处理器主要处理 GSM 终端内的语音 数据信号 并涵盖了蜂窝射频设备中 的所有的模拟和数字功能 在不需要额外硬件电路的前提下 可支持 FR HR 和 EFR 语音信道编码 9 10 以下为 TC35 模块的接口设计 由图 3 1 可以看出 TC35 接口电路的设计并不复杂 在进行串口设计 时 虽然单片机串口管脚的工作电平为TTL 电平 TC35 模块串口管脚的 工作电平却是 CMOS 电平 但由于单片机的低电平和高电平的逻辑判断电 平可以实现与 TC35 的管脚进行连接 因此单片机的串口线可直接与TC35 模块串口进行连接 由于 TC35 模块的输入管脚需要分别通过 10K 的电 阻将其拉高 因此 DTR0 和 RTS0 这两个输出管脚需要接入两个 10K 的 电阻 TC35 模块的工作状态控制管脚 IGT 也要通过一个电阻拉高 平时该 管脚处于不工作状态 为高电平 另外工作状态控制管脚 IGT 还同时与单 片机的一般 I O 端口进行连接 这样通过单片机来实现对TC35 模块的工 作状态的控制 当 TC35 模块工作时 需要单片机在该管脚送低电平 TC35 模块用来指示 GSM 模块的工作状态的是 SYNC 管脚 为了便于指示 其工作状态 通常会连接一个指示灯 图 3 1 TC 35 ZIF 管脚接口电路 3 1 2 SIM 卡电路 SIM 卡是一个装有微处理器的芯片卡 它的内部有 5 个模块 并且每个模 VBATT 1 VBATT 2 VBATT 3 VBATT 4 VBATT 5 GND 6 GND 7 GND 8 GND 9 GND 10 POWER 11 POWER 12 VDD 13 AKKU TEMP 14 IGT 15 DSR0 16 RING0 17 RXD0 18 TXD0 19 CTS0 20 RTS0 21 DTR0 22 DCD0 23 CCIN 24 CCRST 25 CCIO 26 CCCLK 27 CCVCC 28 CCGND 29 VDDLP 30 PD 31 SYNC 32 EPP2 33 EPN2 34 EPP1 35 EPN1 36 MICP1 37 MICN1 38 MICP2 39 MICN3 40 JP202 TC35 ZIF VBATT R301 10K R303 10K R302 10K RXD0 TXD0 SIMPRES SIMRST SIMDATA SIMCLK SIMVCC GND IGT TBATT VBATT 9 67 块都对应一个功能 微处理器 CPU 8 位 程序存储器 ROM 3 8kbit 工作存 储器 RAM 6 16kbit 数据存储器 EEPROM 128 256kbit 和串行 通信单元 这 5 个模块被胶封在 SIM 卡铜制接口后与普通 IC 卡封装方式相同 SIM 卡的存储容量有 8KB 16KB 32KB 64KB 甚至 1MB 等 多为 16KB 和 32KB 11 其接口示意图如图 3 2 所示 图 3 2 SIM 卡接口示意图 图 3 2 所示的图为 SIM 座接口电路图 由图可以看出 SIM 座直接与 TC35 模块的 ZIF 连接器对应的 SIM 卡管脚进行连接 在需要的地方加了电容进行滤 波处理 当 SIM 座的管脚 7 与 TC35 模块的 SIMDATA 进行连接时 则用来模 拟 SIM 卡插入的情况 当 SIM 座的管脚 7 不与 TC35 模块的 SIMDATA 进行连 接时 则用来模拟 SIM 卡没有插入的情况 图 3 3 为 SIM 座接口电路 图 3 3 SIM 座接口电路图 1 2 3 4 5 6 7 8 JP203 SIM CCV CC CCV CC CCRST C301 1nf C302 100nf C303 100nf CCGND CCGND CCCLK CCIO 1 2 3 JP201 CCIN 1 CCIN CCIN 1 10 67 3 2 单片机电源单片机电源 3 2 1 电源模块电路图 单片机电源主要为整个系统提供 5V 工作电压 同时产生其他电路所需要 的高电平 它由三端电源模块 LM7805 将外部双 12V 交流电源经整流后变成 12V 直流电源 最后转换为 5V 如图 3 4 所示 图 3 4 单片机电源模块 3 2 2 LM7805 简介 LM78 系列是用在三端稳压集成电路作正电压输出时用到的器件 它采 用 TO 220 的标准封装 当稳压管温度过高时 稳压性能将变差 甚至损坏 因此在实际应用中 应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器 因为 LM78 系列按照固定电压值来设计的 要想获得获得不同的电压和电流 就 需要接入适当的外部器件 例如当制作中需要一个能输出 1 5A 以上电流的稳压 电源 通常采用几块三端稳压电路并联起来 使其最大输出电流为 N 个 1 5A 但应用时需注意 并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家 同一批号 的产品 以保证参数的一致 LM7805 表示输出电压为正 5V 其极限输入电压 是 36V 最低输入电压为输出电压的 3 4V 以上 78 系列集成稳压的三个引 脚为 1 脚为接地端 2 脚为输入端 3 脚为输出端 其管脚图如图 3 5 11 67 图3 5 LM7805 管脚图 3 3 热释红外传感器热释红外传感器 热释红外传感器主要是由一种高热电系数的材 料 如锆钛酸铅系陶瓷 钽酸锂 硫酸三甘钛等制 成尺寸为 2 1mm 的探测元件 在每个探测器内装入 一个或两个探测元件 并将两个 探测元件以反极性 串联 以抑制由于自身温度升高而产生的干扰 由 探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号 经装在探头内的 场效应管放大后向 外输出 为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离 一 般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜 该透镜用透明塑料制成 将透镜的上 下两部分各分成若干等 份 制成一种具有特殊光学系统的透镜 它和放大电路 相配合 可将信号放大 70 分贝以上 这样就可以测出 10 20 米范围内人的行动 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理 在探测器前方产生一个交替变化的 盲区 和 高灵敏区 以提高它的探测接收灵 敏度 当有人从透镜前走过时 人体发出的红外线就不断地交替从 盲区 进入 高灵敏区 这样就使接收到的 红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入 从而强其能量幅度 人体辐射的红外线中心波长为 9 10 um 而探测元件的波长灵敏度在 0 2 20 um 范围内几乎稳定不变 在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗 口 这个滤光片可通过光的波长范围为 7 10 um 正好适合于人体红外辐射的 探测 而对其它波长的红外线由滤 光片予以吸收 这样便形成了一种专门用作 探测人体辐射的红外线传感器 12 热释红外传感器有诸如本身器件功耗很小 本身不发任何类型的辐射 有 较好的隐蔽性 价格便宜等一系列优点 但是它也存在一些缺点 如对各种热 源 光源很敏感 容易因起误报警 环境温度和人体温度接近时 探测和灵敏 度明显下降 有时造成短时失灵 被动红外穿透力差 人体的红外辐射容易被 遮挡 不易被探头接收 3 4 时钟电路时钟电路 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能 低功耗 带 RAM 的实 12 67 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 5V 5 5V 采用三线接口与 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或 RAM 数据 DS1302 内部有一个 31 8 的用于临时性存放数据的 RAM 寄存器 DS1302 是 DS1202 的升级产品 与 DS1202 兼容 但增加了主电源 后备电源双电源引脚 同时提供了对后备电 源进行涓细电流充电的能力 DS1302 的引脚排列 其中 Vcc1 为后备电源 VCC2 为主电源 在主电源 关闭的情况下 也能保持时钟的连续运行 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 两者中的 较大者供电 当 Vcc2 大于 Vcc1 0 2V 时 Vcc2 给 DS1302 供电 当 Vcc2 小于 Vcc1 时 DS1302 由 Vcc1 供电 X1 和 X2 是振荡源 外接 32 768kHz 晶振 RST 是复位 片选线 通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数据传送 RST 输入有两种功能 首先 RST 接通控制逻辑 允许地址 命令序列送入移位 寄存器 其次 RST 提供终止单字节或多字节数据传送的方法 当 RST 为高电 平时 所有的数据传送被初始化 允许对 DS1302 进行操作 如果在传送过程 中 RST 置为低电平 则会终止此次数据传送 I O 引脚变为高阻态 上电运行 时 在 Vcc 2 0V 之前 RST 必须保持低电平 只有在 SCLK 为低电平时 才 能将 RST 置为高电平 I O 为串行数据输入输出端 双向 后面有详细说明 SCLK 为时钟输入端 图 3 6 为 DS1302 的引脚功能图 图 3 7 为引脚接线图 图 3 6 DS1302 引脚功能图 图 3 7 引脚接线图 DS1302 的控制字如表 1 所示 控制字节的最高有效位 位 7 必须是逻辑 1 如果它为 0 则不能把数据写入 DS1302 中 位 6 如果为 0 则表示存取日 历时钟数据 为 1 表示存取 RAM 数据 位 5 至位 1 指示操作单元的地址 最 低有效位 位 0 如为 0 表示要进行写操作 为 1 表示进行读操作 控制字节总是 从最低位开始输出 表 1 DS1302 的控制字节 13 67 1 RAM CKA4A3A2A1A0 3 5 单片机模块的设计单片机模块的设计 STC12C5A60S2 是 STC 生产的单时钟 机器周期 1T 的单片机 是高速 低 功耗 超强抗干扰的新一代 8051 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 但速度快 8 12 倍 内部集成 MAX810 专用复位电路 2 路 PWM 8 路高速 10 位 A D 转换 250K S 针对电机控制 强干扰场合 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编 程 亦适于常规编程器 STC5A60S2 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 1024 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位定时 器 计数器 一个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 STC12C5A60AD S2 系列带 A D 转换的单片机的 A D 转换口在 P1 口 有 8 路 10 位高速 A D 转换器 速度可达到 250KHz 25 万次 秒 8 路电压输入 型 A D 可做温度检测 电池电压检测 按键扫描 频谱检测等 上电复位后 P1 口为弱上拉型 IO 口 用户可以通过软件设置将 8 路中的任何一路设置为 A D 转换 不须作为 A D 使用的口可继续作为 IO 口使用 13 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 单片机作为主控单元 在系统中起着核心作 用 在本系统中单片机主要控制 TC35 模块的启动时序 AT 指令的发送 数据 接收和继电器的输入电平 单片机通过串口与 TC35 模块通信 包括传送命令 和传输数据 通过正确的 AT 指令对 TC35 模块进行初始化和通信数据的接收 发送 系统上电以后 首先由单片机控制启动 TC35 若 SIM 卡正确安装 则 控制板上的 LED 会快速闪烁 反之会慢慢闪烁 然后由单片机控制 TC35 完成 模块的初始化 当有新短消息到达时 由 TC35 模块向单片机发送指令 单片 机读取短信内容 并对其进行解码 并根据短信内容控制 I O 口输出高低电平 控制继电器动作 完成对家用电器开启与关闭的控制 然后重复上述过程 14 67 图 3 8 控制模块接口 3 6 LCD12864 显示电路显示电路 带中文字库的 12864 是一种内部含有国标一级 二级简体中文字库的点阵 图形 具有 4 位 8 位并行 2 线或 3 线串行三种接口方式的液晶显示模块 它 在同等价位的液晶显示模块中优势明显 具有 128 64 的显示分辨率 16 16 点 阵汉字内置 8192 个 16 8 点 ASCII 字符集有 128 个 基本上能满足日常的显 示需求 该模块一屏可以显示 32 个 16 16 点阵汉字 也能显示简单的图形 可 以构成全中文人机交互图形界面 而且同图形点阵液晶显示模块相比 其功耗 更低 硬件电路更简单 价格也更便宜 该模块可分串口 并口通讯方式 本 系统采用串口方式通讯 如图 3 9 所示 基本特性 1 低电源电压 VDD 3 0 5 5V 2 显示分辨率 128 64 点 3 内置汉字字库 提供 8192 个 16 16 点阵汉字 简繁体可选 4 内置 128 个 16 8 点阵字符 5 2MHZ 时钟频率 6 显示方式 STN 半 透 正显 7 驱动方式 1 32DUTY 1 5BIAS 8 视角方向 6 点 9 背光方式 侧部高亮白色 LED 功耗仅为普通 LED 的 1 5 1 10 10 通讯方 式 串行 并口可选 11 内置 DC DC 转换电路 无需外加负压 12 无 需片选信号 简化软件设计 13 工作温度 0 55 存储温度 20 60 15 67 图 3 9 12864 显示模块 3 7 家电控制模块家电控制模块 本系统选用继电器来控制家电的开启与关闭 继电器实际上是用较小的电 流去控制较大电流的一种 自动开关 具有动作快 工作稳定 使用寿命长 体积小 功耗低等优点 电磁式继电器一般由铁芯 线圈 衔铁 触点簧片等 组成的 只要在线圈两端加上一定的电压 线圈中就会流过一定的电流 从而 产生电磁效应 衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯 从而带动衔铁的动触点与静触点 常开触点 吸合 当线圈断电后 电磁的吸 力也随之消失 衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置 使动触点与原来 的静触点 常闭触点 吸合 这样灵敏的吸合 释放 从而达到了在电路中的 导通 切断的目的 基于继电器的上述特点本设计中选用 JQC 3FF 型固态继电 器作为家电控制的执行部件 14 3 8 本章小结本章小结 本章主要讲了该系统的硬件组成 详细说明了核心器件选型的理由 一一 介绍了系统中使用的器件 并设计了各个模块的硬件电路图 系统整体电路图 见附录 2 16 67 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 单片机系统除了必要的硬件支持外 还需要进行软件设计 主要由主程序 中断程序 按键处理程序等组成 根据本课题的实际情况 系统将人体红外传感器 GSM 短信控制及报警 LCD 显示 时钟电路这些功能模块分别建立成不同的任务 这样即利于管理 又增加程序的可读性 4 1 软件开发环境软件开发环境 KEIL uVISION4 是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一 它支持众 多不同公司的 MCS51 架构的芯片 它集编辑 编译 仿真等于一体 同时还 支持 PLM 汇编和 C 语言的程序设计 它的界面和常用的微软 VC 的界面 相似 界面友好 易学易用 在调试程序 软件仿真方面也有很强大的功能 4 2 主程序设计主程序设计 主程序是对整个系统框架的描述 本系统主程序的功能是上电后 完成系 统的初始化 等待按键控制端信息命令的到达 并根据信息内容完成响应的动 作 在各模块初始化完成后 主控制器先采集一次各传感器的监测数据 并将 采集到的数据通过 LCD 显示出来 然后进入系统的主循环 在循环中 首先采 集数字式温度传感器的监测数据和热释人体红外传感器的数据 当主控制器完 成对传感器传回数据的分析后 若人体红外传感器发生高低电平的变化 则通 过 TC35 模块发送给用户进行相应的报警 主程序流程图如图 4 1 所示 17 67 图 4 1 主程序流程图 主程序 include DS1302 h include LCD12864 h include time1 h include GSM h include key h include HW h unsigned char LCD3SFlage 0 LCD3S 扫描 一次 unsigned char GSMFlage 0 人体红外打电话 报警标志位 18 67 extern unsigned char idata KEYServiceFlage 用在 RIService 函 数中当按键处理时要停止 LCD 刷新显示 extern unsigned char Time1LCDDisplayFlage 定时器 1 500MS 刷新一次时间 extern unsigned char HWLCDDisplay 撤防 设防 标志位 extern unsigned char GSMCallFlage 打电话标志位 void main SP 0X80 堆栈 UARTInit LCDInit LCD 显示初始化 LCDDisplayString 显示字符串 LCDDisplayCheFang 显示 撤防 LCDOpenLed1 LCDShutLed1 LCDOpenLed2 LCDShutLed2 LCDOpenLed3 LCDShutLed3 DS1302SetTime 设定 DS1302 的初始值 HWInit 初始化把 P15 置高阻 Time1Init 定时器 1 初始化 定时 1MS ES 1 GSMTextInit while 1 if KEYServiceFlage 0 Time1LCDDisplayFlage 0 LCD3SFlage 19 67 if LCD3SFlage 7 LCD3SFlage 0 LCDDisplayString 显示字符串 LCDLockDisplay key scan 按键扫描程序 key service 按键处理函数 if HWLCDDisplay 1 设防 人体红 外检测标志位 HWReport 人体红外报警函 数 GSMFlage 1 if GSMFlage 1 GSMFlage 0 GSMCallFlage 0 GSMRECMessage 4 3 远程控制模块设计远程控制模块设计 当发送短消息控制继电器时 通过 TC35 模块解析 GSM 信息 系统进入串 口中断子程序 控制相关继电器 程序框图如图 4 2 所示 20 67 图 4 2 串口中断程序 在 GSM 模块收到一条短信息后 通过串口将短消息送入处理器 使得处 理器产生了一个接收中断 然后处理器接收短信内容并进行分析 按照分析的 结果对家居进行相应的控制操作或数据传送 当主控模块收到来自家居内部的 报警信号时 就将己经设定好内容的短信息通过 GSM 模块发送给用户手机 15 16 在整个系统中 TC35 通信模块是系统与外界进行数据交换的核心 在数据 通信中 采用串口中断服务进行收发数据 其中 发送中断采用将标志位置 0 的方式解决数据发送问题 接收中断先将数据拷贝到预设的数据存储区 然后 判断接收到的数据是否为有新短消息到达的通知 如果有 则将短消息到达标 志位置 1 如果没有 则将标志位置 0 最后 通过判断短消息到达标志位 来执行是否读取短消息 避免了没有短消息而不断空读取数据的问题 按照分 析的结果对家居进行相应的控制操作或数据传送 17 18 完整程序见附录 1 4 4 本章小结本章小结 本章主要讲了该系统实现各个模块功能所需要的软件 先介绍了单片机的 编程环境 然后从主程序流程图出发 着重讲了远程控制模块 即 GSM 模块 的编程 21 67 第五章第五章 系统软硬件调试系统软硬件调试 5 1 软件调试工具软件调试工具 单片机开发中除必要的硬件外 同样离不开软件 我们写的源程序要变为 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