基于单片机的智能家居控制系统的设计

1、目 录摘 要.i第1章 绪论 1.1智能家居的概念.1 1.2智能家居现状及发展趋势. 1 1.3课题研究目的和意义.1 第2章 系统核心控制系统的设计 2.1单片机的结构及工作原理. 1 2.280C51系列单片机的存储结构. 1 2.389C51单片机的引脚及功能.1 2.280C51系列单片机的工作方式及时钟电路. 1 2.280C51系列单片机的最小系统. 1 第3章 系统的总体设计 3.1系统的总体框图.1 3.2系统包含的功能. 1 第4章 各个模块的实现 4.1智能家居现状. 1 4.2课题研究目的.。.1 4.3课题研究意义. 1 第5章 系统的流程图 5.1智能家居现状及.

2、1 5.2课题研究目的.1 5.3课题研究意义. 1 第6章 结束语.参考文献.第 1 章 绪 论1.1 智能家居的概念 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，将与家居生活有关的各种子系统有机的结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、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，高品位且宜人的家庭生活空间；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，帮助家庭与外界保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效的安排时间，增强家居生活的安全性、舒适性，甚至合理控制各种能源的使用。1.2 智能家居的现状及发

3、展趋势自从比尔盖茨花费巨资在华盛顿湖畔建造智能豪宅吸引了众多目光，如今，智能化家电、智能化照明系统、智能化保安系统，甚至智能化小区等各种提法已经不再是纸上谈兵。中国智能化家居的前进步伐，开始越走越快。1.2.1目前我国智能家居市场的两大个特点一是市场潜力大。房地产业在我国的发展如火如荼，但作为其下游产业，智能家居在中低端市场占有率不高。二是产品多而杂。目前智能家居行业国家还没有统一的行业标准，使得很多中小企业各自为政，按自己对市场的理解来开发产品，相互间的产品不具兼容性，这种局面就好像春秋战国时期诸侯争霸的感觉。因此，今后几年智能家居市场会进入一个行业整合阶段，最终可能会出现几家规模比较大、品

4、牌影响力好的厂家。1.2.2智能家居相关技术的发展（1）现在越来越多的居民小区都实现了宽带连接，信息高速公路已经铺设到了家门口。智能家居建设和运行所依托的基础条件已经具备。（2）智能家居核心控制等配套技术的不断成熟和产品化，为智能家居的研发推广提供了根本保障，如单片机控制技术和液晶屏数字显示技术等的日益成熟。 随着消费者生活水平的提高，对时尚、科技智能、生活舒适的追求。越来越多的消费者会对智能家居抱有极大的兴趣，他们愿意关注、体验、购买。预计到2012年，大、中型城市估计约有80%的住宅要实现智能化。1.3课题研究的目的和意义 现代社会，商品经济竞争日益激烈，工作节奏不断加快，对于全身心投入到

5、工作中的人们来说，家务工作方面必然力不从心，家务管理已变成人们的一块心病。智能家居控制系统可以提供智能控制方案，使家庭主人在处理家务方面，既快捷又省心。还提供舒适健康的环境，可以监视室内湿度、温度，进而控制空调机的运行，达到人工模拟大自然的气息。使人们将来足不出户就能体验和享受到身临大自然的美好境地。加大了处理紧急情况的力度、增强了住户无人在家时的安全感，使人们能够全身心的投入工作，从而提高生活质量。一切发明和创造都是为了人类的生活更加方便和舒适。目前，在一线二线三线城市，甚至在一些农村家庭中，家用电器如热水器、电饭煲、微波炉、空调、洗衣机等几乎家家都有，并且在室内的分布具有随意性，根据家用电

6、器这一特点，家庭内的电力线遍布在家庭内的每个房间的适当位置；公用电话线通信资源遍及千家万户，并且家庭电话与外界的联系具有双向性和随时性的特点。人们可以随时随地地与家庭取得联系。随着生活质量的提高，在户外的时候人们非常希望能像在家里一样随时随地对家电进行远程控制。炎热的夏日里，主人可以在回家途中远程打开空调，回到家就能一扫在外面闷热、烦躁的心情，一缕缕凉风吹来如沐春风；可以远程启动微波炉、电饭煲等炊具，进家门便有热腾腾的饭菜。冷风凛冽的冬日里，可以让热水器提前烧好热水，到家之后可以马上洗个热水澡去除寒冷。同时，人们对安全防护越来越重视，例如煤气（天然气）泄漏、火灾、防盗等，人们希望在灾难没有发生

7、之前或未造成重大损失之前，可以第一时间知道并和某些单位（消防队、警察局等）采取及时有效的措施。因此，智能家居控制系统诞生了。该系统以单片机为主控制器，并与电信公司、移动公司、联通公司合作结合GPRS导航系统对家用电器进行远程控制和对家中安全防护及时了解与处理。第 2 章 系统核心控制系统的设计单片机是一个大规模集成电路芯片，其本身不能完成特定的任务，只有当它与某些器件和设备有机地组合在一起并配以特定的程序，才能构成一个真正的单片机应用系统，完成特定任务。在单片机应用系统中单片机是核心器件。本章以8051系列单片机中的89C51单片机为典型例子，详细介绍单片机的硬件基础知识，包括单片机的结构、工

8、作原理、引脚功能、工作方式等内容。通过对典型单片机的学习，使读者达到举一反三、触类旁通的作用。2.1单片机的结构及工作原理任何一种型号的单片机内部都集成有CPU、存储器、I/O口、其他辅助电路（如中断系统、定时/计数器）、振荡电路等。单片机内的存储器分成只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)两种。ROM中存放的信息掉电后不丢失，因此常用来存放固定不变的程序和常数，所以有时直接称之为程序存储器；RAM中存放的信息掉电后丢失，因此常用来存放一些需要临时保存的数据或运算的中间结果，所以有时直接称之为数据存储器。单片机内的I/O接口分成两类：并行口和串行口。它们作为单片机与外设交换信息的桥梁，可以

9、将单片机的处理结果送给输出外设，也可以将输入外设的信息送给单片机以便进行处理。当单片机与外设通过并行口交换信息时，可以同时传送多位二进制信息，故传送效率高，但需要多条传输线，随着传送距离的加长，传输线造价不断提高。当单片机与外设通过串行口交换信息时，每次只只能传送1位二进制信息，故传送效率低，但需要的传输线少，适用于远距离的信息传输。2.1.1 89C51单片机的逻辑结构89C51单片机的基本组成功能框图如图1所示。由图1中可以看出，89C51单片机内部主要包含下列部件：一个8位的CPU（中央处理器）。它是整个单片机的核心，主要完成指令的运行控制、8位数据运算和位处理等操作。128B的RAM。

10、用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果和最终结果等。21个特殊功能寄存器。用以存放一些特殊的数据，也可以存放一般数据。4KB的Flash ROM。用于存放程序，也可以存放一些原始数据和表格等。4个8位的并行输入/输出端口(I/O口)。分别是P0口、P1口、P2口、P3口，主要用于完成外部设备数据的并行输入和输出。有些I/O口还有其他多种功能。两个16位的定时器/计数器。可以用来对外部事物进行计数，也可以设置成定时器，并根据计数和定时的结果对计算机进行控制。一个可编程的全双工异步串行口。UART串行口用以实现单片机与其他具有相应接口的设备之间的异步串行数据传送。中断系统。中断系统的主要作用是对

11、外部或内部的中断请求进行管理与处理。89C51的中断系统有5个中断源，两个中断优先级，可实现两级中断嵌套。振荡器及定时控制电路。振荡器用于产生单片机工作时所需的时钟脉冲；定时控制电路用于产生单片机工作时所需的内部和外部控制信号。图89C51的基本组成功能框图2.1.2 89C51单片机的编程结构及工作原理1. 89C51单片机的编程结构89C51单片机的编程结构如图2所示。图2 89C51单片机的编程结构图对于大多数单片机用户来说，并不需要十分详细地了解单片机编程结构中的具体线路，但是应该比较清楚地了解单片机的工作原理。2.单片机的工作原理单片机的工作就是执行程序。单片机执行不同的程序就能完成

12、不同的任务。程序是指单片机所能识别和执行的指令的有序集合。指令是指人向单片机发出的让单片机完成某种操作的命令。一条指令对应着一种基本操作。程序存放在程序存储器中（单片机内部有程序存储器）。存储器由许多存储单元组成，每个存储单元可以存放位二进制信息（个二进制位，通常称作1个字节），指令就在存储单元中存放，一条指令可能占用一个单元，也可能占用2个或3个单元。为了区分不同的存储单元，需要对存储单元进行编号，称这种编号为存储单元的地址。只要知道了存储单元的地址，就可以找到存储单元，在其中存储的指令就可以被取出，然后再被单片机执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的。在执行程序的

13、过程中起关键作用的是CPU。CPU由运算器和控制器两部分组成，主要完成各种运算和控制。（1）运算器运算器的核心部分是算术逻辑运算单元ALU，可以完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码调整等算术运算和与、或、异或、求补、循环等逻辑操作。由图2可见，ALU有2个输入端和2个输出端，其中一个输入端接至累加器，接收由累加器送来的一个操作数；另一输入端通过暂存器接到内部数据总线，以接收来自其他寄存器的第二个操作数。参加运算的操作数在ALU中进行规定的操作运算后，一方面将运算结果送至累加器，另一方面将运算结果的特征或状态送程序状态字寄存器保存。由于所有运算的数据都要通过累加器，故累加器在微处理器中占有很

14、重要的位置。（2）控制器控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR，指令译码器ID、定时与控制电路PLA等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分的工作。程序计数器PC（Program Counter）是一个16位的加1计数器。其中存放的是ROM中存储单元的地址。在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的存储单元的地址，然后每从存储单元取一次内容，PC中的内容就会自动加1，以指向下一个存储单元，保证指令顺序执行。由此可见，程序计数器中存放的是下一条将要执行的指令所在的ROM存储单元的地址。CPU通过PC的内容就可以取得指令的存放地址，进而取得要执行的指令。一般程序中的指令是按顺序执行

15、的。若要改变执行次序，则必须将新的指令地址送至PC中。指令寄存器IR（Instruction Register）用来存放当前正在执行的指令代码。指令译码器ID（Instruction Delocler）用来对指令代码进行分析、译码，根据指令译码的结果，输出相应的控制信号。CPU执行指令时，由程序存储器中读取指令代码，将其送入指令寄存器，经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。定时与控制电路PLA用于产生各种操作时序。在运行时，单片机从ROM中取出指令，放至指令寄存器中，此后的操作就在这条指令的控制下进行。指令寄存器中的操作码被ID分析译码为一种或几种电平信号，这些信号与

16、时钟信号在定时与控制电路PLA中组合形成各种按一定节拍变化的电平或脉冲（即控制信息）。这些控制信息在CPU内部协调各寄存器之间的数据传送，指挥运算器完成各种算术或逻辑运算操作；对CPU外部发出地址锁存信号ALE、外部程序存储器选通信号PSEN以及读、写等控制信号。由于程序是由指令组成的，所以单片机执行程序的过程就是逐条执行指令的过程。单片机执行一条指令可分为取指阶段和执行阶段。取指阶段是从存储器中取出的指令的操作码送到CPU中的控制器；执行指令阶段是控制器对操作码译码后产生各种控制信号，在这些控制信号的作用下，单片机内部的各个部件动作，从而完成指令所规定的操作。下面通过指令的执行，简要说明单片

17、机的工作过程。第一步，编程。用汇编语言编程如下：，； ；把送给 ，； ；把中的内容与相加，并送回到中第二步，把程序送到存储器中。程序中的指令是一条条顺序存放的。上述程序存储情况如下：第三步，给单片机通电，单片机就自动执行该段程序。因为89C51系列单片机开机或复位后，程序计数器PC的内容为0000H，任何程序的第一条指令也都是从ROM的地址为0000H的单元开始存放，所以CPU先从ROM的0000H单元开始执行指令，过程如下。取第一条指令。CPU将PC中存放的存储单元的地址码0000H通过内部地址总线AB发送至ROM，选中ROM的0000H单元；CPU发送读控制信号，在读控制信号的作用下，被选

18、中的0000H单元的内容送到内部数据总线DB上，经数据总线传送到指令寄存器寄存。至此第一条指令的取指阶段结束。执行第一条指令。指令译码器接收来自指令寄存器的指令代码，对其进行分析、译码后输出相应的控制信号，这些信号与时钟信号在定时与控制电路PLA中组合形成各种按一定节拍变化的电平或脉冲（即控制信息）。根据控制器发出的控制信号可以知道，这条指令的功能是把6送到中，而6在0001H单元存放，故需要到0001H单元中取出6，送到A中。为此CPU将PC中的内容（PC=0001H，因为PC的初值是0000H，当PC中的0000H被送出后，PC中的值自动加1变为0001H）发送至AB，经过AB传送到ROM

19、，选中ROM的0001H单元；CPU发送读控制信号至存储器；在读控制信号的作用下，存储器送出选中的0001H单元的内容（03H），经DB传送到A中。取第二条指令。CPU将PC（PC中存放的是0002H）中的内容发送至AB，经过AB传送到ROM，选中ROM的0002H单元；CPU发送读控制信号，经内部控制总线CB传送到存储器；存储器送出选中的0002H单元的内容，经DB传送到CPU内部的指令寄存器。执行第二条指令。指令译码器接收来自指令寄存器的指令代码，对其进行分析、译码后输出相应的控制信号，这些信号与时钟信号在定时与控制电路PLA中组合形成各种按一定节拍变化的电平或脉冲（即控制信息）。根据控制

20、器发出的控制信号可以知道，这条指令要把2与A中的数相加，而2在下0003H存放（0003H在PC中存放），故需要到0003H单元中取出2，送到运算器的输入端。为此CPU将PC中的内容发送至AB，经过AB传送到存储器，选中存储器的0003H单元；CPU发送读控制信号，经CB传送到存储器；存储器送出选中的0003H单元的内容，经DB传送到运算器的输入端，经过运算后将运算结果送回A中存放。此时A中存放的是运算结果（08H）。注意：当CPU执行完这段程序时PC0004H。请读者自行思考原因。由上述过程可见，当CPU将程序中的指令一条条取出并执行完时，也就完成了用户赋予它的任务。2.2 80C51系列单

21、片机的存储器结构存储器是单片机的主要组成部分，用于存储数据和程序。89C51单片机内部有4KB的Flash ROM和128B的RAM以及21个特殊功能寄存器。当片内ROM不够用时，可以向片外扩展ROM；当片内RAM不够用时，可以向片外扩展RAM。本节介绍89C51单片机内部的存储器。2.2.1程序存储器程序存储器（ROM）用来存放编制好的程序及表格常数。89C51单片机内部ROM的地址空间为0000H0FFFH。89C51单片机ROM空间配置如图3所示。对于80C51系列单片机来说，其程序存储器中0000H002AH单元是保留给系统使用的，一般用户程序不占用这些单元。这些程序存储器单元有两类特

22、殊的功能：一类是0000H0002H单元。由于单片机加电或复位后程序计数器PC的值为0000H，故CPU总是从0000H单元取指令，并执行程序。因此，如果用户程序不是从0000H单元开始存放，则应在0000H开始的单元中存放一条无条件转移指令（该指令需要占用3个单元）以改变PC值，使其转移到用户程序所在的地方去执行。正因如此，当系统不使用片内ROM，而使用片外ROM时，片外ROM必须0000H从地址开始扩展，否则系统复位后将找不到要执行的程序。 图3ROM空间配置图另一类是0003H002AH共40个单元。该组单元平均分为5组，每组8个单元，被保留用于存放中断服务程序。因此，对于89C51单片

23、机来说，用户程序最好放在002BH单元之后。2.2.2数据存储器数据存储器（RAM）用于存放经常要改变的中间结果和标志位，实现数据的暂存。89C51单片机内部共有128个RAM单元，地址空间为00H7FH。89C51单片机RAM空间配置如图4所示。图4RAM空间配置图89C51片内的128B RAM单元分成3个区：工作寄存器区（00H1FH）、位寻址区（20H2FH）和通用RAM区（30H3FH）。工作寄存器区（00H1FH）工作寄存器区共32个单元。这32个单元分为4组，每组有8个RAM单元，分别对应于8个工作寄存器R0R7，组号依次为0、1、2和3。在任一时刻，CPU只能使用一组工作寄存器，被使用的那组寄存器称为当前工作寄存器组。若在应用程序中并不需要4组工作寄存器，那么其余的工作寄存器空间可作为一般的RAM单元使用。通过对特殊功能寄存器PSW中的RS1、RS0位的设置可以选择哪一组为当前工作寄存器组，选择方法如表1所示。表1工作寄存器组选择使用当前工作寄存器为CPU提供了便利的数据存储，提高了单片机的运行速度和编程的灵