家庭智能控制系统的说明书

摘要本设计采用STC89C52单片机作为控制芯片，设计一种智能家居系统，对家庭实现智能化管理。该系统由主控、安防、温度检测、线路监控等模块组成，各模块间的通信由RS-485总线实现。同时该设计选用GSM模块让用户对家居实现远程监控，达到远程控制家居的目的；本地控制是通过本地键盘和显示，进行人机交互，实现本地控制目的。整个系统达到安防、温度检测、电器控制等功能的远程和本地控制。【关键词】智能家居系统、单片机、GSM、远程控制、RS-485总线AbstractAkindofsmarthomesystembasedonthecontrolchipofSTC89C52singlechipisdesignedtomanagetheintelligenthome.Thesystemconsistsofcontrol,security,temperatureandhumiditydetectionmodules,usingControllerAreaNetwork(RS-485)bustocommunicateeachother.Atthesametime,thedesignallowsuserstochooseGSMmoduleforremotehomemonitoring,toachievethepurposeofremotecontrolathome;localcontrolthroughthelocalkeyboardanddisplayforHumanMachineInterface(HMI),toachievethepurposeoflocalcontrol.Thesystemiscapableofsecurity,temperatureandhumiditydetecting,andcontrollingelectricaldeviceremotelyandlocally.【Keywords】SmartHomeSystem；MCU；GSM；RemoteControl；RS-485bus1前言随着现代科学技术的飞速发展和人民生活水平的快速提高，尤其是手机等通信手段的普及以及微处理器的飞速发展，人们对其生活住宅环境的要求也越来越高。表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对安全性、智能性等方面也提出了更高的要求，因此智能家居系统也应运而生。现在国内很多小区安装了智能报警系统，大大提高了小区的安全度，有效保证了人们的人身财产安全，但是光有安防还不够，还需要更多智能性的功能，比如智能家用电器控制、智能温湿度控制等，这就需要一套智能家居系统，让居民对家居实现智能化远程控制，这将成为现代化家居系统的发展趋势。1.1智能家居系统的概念及一般功能智能家居系统（SmartHomeSystem）的概念最早出现于美国。它一般是指将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安装置，通过家庭总线技术连接到一个智能家庭控制器上，并把其中的一些设备和装置通过家庭网关接入互联网，以实现其现场和远程实时监视、控制、家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住户及环境的和谐与协调[1][3]。一般具有如下特征：(1)家庭中具备完善的、综合的安保防灾措施和生活服务的智能控制器；(2)家庭与小区及社会具有高度的信息交互能力；(3)家庭内部具备完善的安保措施、全面的设施监控管理和信息化的服务管理；(4)为家庭提供多媒体信息服务。智能家居系统一般具有如下功能：(1)庭联网功能；(2)短信收发功能；(3)防盗报警功能；(4)防灾报警功能；(5)求助报警功能；(6)场景控制功能；(7)定时控制功能；(8)远程控制功能；(9)联动控制功能。1.2智能家居的国内外现状及发展趋势智能家居与普通家居相比，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，增强家居生活的安全性、舒适性、甚至合理控制各种能源的使用。1.2.1国外发展现状在国外，智能家居常被称为“SmartHome”。目前，世界上许多计算机、通信、家电行业的巨人都认识到它的巨大市场潜力，纷纷进入这个领域。Cisco、Intel、Nortel、Motorola、Lucent、3Com、IBM、Ericsson和松下等公司都己开始建立智能信息家电和智能家居公司。目前已出现在市场上的智能信息家电和智能家居类的产品主要有:(1)美国的X-10系统，该系统是通过电力线作为网络平台，采取集中控制方式实现多种功能，目前在国内应用极少，这套系统的功能较为强大，但它暂时不具备在国内市场推广的条件。首先，它是基于美国的电力环境设计的，很难适应国内恶劣的电力线环境;其次，它的功能虽然强大，但是针对西方消费的习惯设计的，难以满足国内消费者的要求;最后，也是最为重要的因素，它的价格也是国内的房地产品和普通消费难以接受的。(2)德国的EBI系统，该系统采用的是预埋总线及中央控制方式实现各种控制功能，目前在国内应用极少。究其原因，一个是其工程要求较为复杂、严格;另一方面，由于它需要进行线路预埋，因此主要客户对象是新建小区的开发商，但它较高的价格是这些开发商所难以承受的，所以一直无法打开国内市场。(3)新加坡8X系统，该系统采用预埋总线和集中控制方式实现各种功能，同时，利用的产品可对系统进行扩展。目前该系统在国内有少量应用。应该说8X系统最大优势在于系统较为成熟，是比较适合中国国情的系统，在国内及东南亚市场有成功应用的范例，但在系统架构、灵活性、价格等方面还难以满足要求。首先，8X采用的预埋总线方式决定了它的切入点只能是新建小区，对于旧房改造这一潜在的巨大市场它无能为力;其8X集中控制的方式降低了用户的可选择性，前期投入成本较高，而这正是房地产商最为关心的问题[2]。1.2.2国内发展现状我国的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，主要采用国外的技术和产品阁，但也有一些企业推出了自己的产品，其中主要有:(1)清华同方的e-Home数字家园。清华同方智能家居控制系统是专门针对中国家庭设计的家庭自动化系统，遵循国际技术标准，采用嵌入式软、硬件技术，提供网络、网络节点及末端设备等全系列家庭自动化产品。系统可以提供的功能有:智能调光、家电管理、远程控制、家政保安、环境设置和窗帘控制等功能。清华同方的e-Home数字家园主要是在智能大厦、智能小区的建设中，提供完整的系统解决方案，产品以功能模块开发为主，采用国外成熟的智能家居标准之上。(2)海尔的“e家庭”。2000年9月海尔提出“e家庭”概念，并计划陆续推出以下的“e家庭”产品:家庭无线网络、整体智能厨房、整体卫浴、智能上网设备、ebook、掌上智能设备、指纹/瞳孔识别系统、TabletPC等产品。海尔的“e家庭”以海尔电脑作为控制中心，各种网络家电作为终端设备，以海尔移动电话作为移动数字控制中心。在技术方面，海尔与微软合作，利用微软的windowsMe技术和海尔的网络家电技术，使“e家庭”己具雏形，海尔己推出了网海尔的“e家庭”科隆的“现代家居信息服务集散控制系统”络洗衣机、网络冰箱、网络空调、网络热水器、网络微波炉等一系列信息家电的产品。(3)科隆的“现代家居信息服务集散控制系统”。科隆集团推出的“现代家居信息服务集散控制系统”，有效地集成了家电智能控制、家电远程故障诊断及维护、远程互联网控制和家庭娱乐诸项功能。以上三种具有代表性的我国智能家居系统，是不同企业和科研单位从不同角度和立场理解智能家居的结果,由于智能家居系统现在还缺乏统一明确的国际标准，因此很多公司开发出的产品使用的是自己组网技术和信息交换协议，有的核心技术没有对外公开，技术复杂，不易掌握，有很多产品是针对特定的组网环境开发的产品，因此，限制了其使用的范围，而且由于是少数几家公司约定的技术，相关第三方产品缺乏，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，用户扩充系很不方便，限制了其进一步的发展。还有的系统成本太高，普通用户难以承受，所以也没能广泛推广使用。因此设计一个符合国情、符合国家规范的集远程控制和本地控制为一体的智能家居控制系统具有非常重要的现实意义和深远的历史意义。1.2.3智能家居系统的发展方向(1)向“一体化系统集成”方向发展。家居智能化需满足自动化管理、三表计量、安全防范监控、火灾报警、对讲呼叫、设备监控等六方面内容，把六项内容的智能化功能集成，从而降低成本，是其未来发展的一个方向。(2)向节能环保方向发展。智能化的本质之一是降低成本和提高效率，节能是降低成本的关键技术；环保是全球的要求，智能家居如何结合现有技术降低功耗、减少对家庭和小区的环境污染，提高生活环境的质量，这些也是其未来发展必须考虑的因素，也是“科学发展观”的最好实践。(3)向仿人智能化、网络化、人性化方向发展。仿人智能化是智能控制发展的必然趋势，它是当代高科技技术和生物学技术的高度综合和升华。因此，家居的智能化也必然向仿人智能化方向发展；网络化是信息技术、通信技术和计算机技术发展的必然趋势，是智能化的一个重要条件；人性化体现了“以人为本”的思想，是科学技术发展的目的和最终归宿。因此，也是智能家居未来的一个发展方向。(4)向规范化、标准化方向发展。我国智能家居发展较晚，新技术、新产品层出不穷，标准和规范还在制定之中。产品的规范化、标准化方面仍存在着许多问题；WTO的加入还需考虑和国际接轨的问题；规范化、标准化是智能家居快速发展、走入国际市场的必由之路。(5)向具有“中国特色”的家居智能化方向发展。家居智能化系统需要大量的适合中国国情的产品和运行软件，目前开发的软硬件产品的种类较少，水平较低。因此，这一方面的研究开发急需加强。而在我国现今的生活环境下，普通百姓在家庭装潢时对于智能家居系统暂时还处于陌生和不接受的状态，其中主要原因为智能家居系统的高昂成本让智能家居难以走进普通百姓家庭。在这样的环境下，研究新的智能家居系统就尤为主要，本设计主要以单片机为主要控制芯片，利用手机短信通讯，大大降低了成本，节能环保[4-6]。2系统设计的总体方案2.1设计任务及其要求基于单片机设计的一个家用智能总线式系统，能实现对任意房间的用电设备的控制，并能指示设备状态，能实现基于公用电话网的远程开关功能；能对门、窗的状态进行监控；能检测室内的温度并能进行调节，且具有防火防盗功能。要求：完成系统的方案选型，元件选择，软件设计。技术指标：(1)采用总线式连接；(2)能实现本地按键控制和远程控制。(3)能控制任意房间的用电设备，具有防火防盗功能。2.2设计目的本设计将利用中央控制器控制各个电路模块达到安防、温湿度检测、电器控制等功能的远程和本地控制。其设计模型图如图2-1所示。图2-1设计模型图2.2.1温度检测控制通过对室内温度监测，得到实际温度与设定温度比较值：当实际温度低于设定温度一定值时，在夏季关空调，在冬季开暖气；当实际温度高于设定温度一定值时，在夏季开空调，在冬季关暖气。当监测参数超标时及时给用户返回警告信息，同时，在一般情况下，用户可以用手机向中央控制器发送短信，查询实时环境参数。2.2.2安防报警当一氧化碳传感器、甲烷气体传感器检测到气体超过预设值时，门磁开关、窗户反射式传感器检测到有动作时，在设防状态下，现场就会有报警信息发送到用户手机上。用户通过手机短信了解和及时处理报警，如果是误报，可以取消报警，达到控制的目的。2.2.3电器控制电器控制主要是控制家用电器的电路通断，将家用电器的开关换成继电器，再由控制中心发送指令控制继电器的启闭，从而达到控制电器的目的。2.3家居智能化实现途径家居智能的基本目标是，将家庭中的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（HBS）连接到一个智能话的系统上进行集中或者异地的监测、控制，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。根据本设计的要求和目的，参考国内外相关技术的发展状况，根据我国住宅的实际情况，简单介绍几种家居智能化的实现途径。2.3.1中央控制器随着社会的发展和需求的提高，计算机也在不断地更新与发展。由于计算机的产生是应数值计算而产生的，因此长期以来计算机技术都是沿着满足大量高速数值计算而发展的，直到20世纪70年代，电子计算机在数字逻辑运算、推理、自动控制等方面显露出非凡的功能后，在各种控制领域开始对计算机技术发展提出了与传统大量高速计算完全不同的要求。这些要求是：面对控制对象、面对各种传感器信号、面对人机交互操作控制、能方便地嵌入工控应用系统中等。为了实现上述要求，近年来，单片微型计算机(简称单片机)应运而生，单片机一词最初是"SingleChipMicrocomputer”，简称SCM。随着单片机在技术上、体系结构上不断扩展其控制功能，单片机已不能用“单片微型计算机”来准确表达其内涵。国际上逐渐采用"MCU"(MicroControllerUnit”)来代替，形成了单片机界公认的、统一的名词。单片机一个是微型的电脑，麻雀虽小，五脏俱全，它内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件。要实现家居的智能化控制，需要一个中央控制器为数据进行处理和分析，同时控制完成各种智能化功能，这个处理器可以是计算机（PC机）和单片机（MCU），根据设计的要求和目的，选用单片机作为系统的中央控制器。它和PC机对比有以下几点优点：(1)成本低，耗能低，功能齐全；(2)设计简单，方便安装和携带；(3)有较强的抗干扰能力；(4)编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。2.3.2远程通信远程通信主要是指用户在外地通过某种通信方式控制整个智能家居系统。其方案主要有三种：一种是通过Internet网进行控制，一种是通过电力线进行控制，一种是通过电话网机进行控制[7]。(1)通过Internet网进行控制。随着网络技术的飞速发展，Internet技术在住宅小区的使用潜力日益突出，它可以为用户提供远程教育、网上购物、电子银行、住宅安全的状况的网上查询、家用电器的网上实时监控等方便、快捷的服务。(2)通过电力线进行控制。电力线通信技术（PLC）是把载有信息的高频加载于电力，用电力线传输，通过调制解调器将高频信号从电流中分离出来，传送到计算机或其他信息家电，以实现信息传递的一种通信方式。电力线通信技术有以下优点：信息家电可以通过电力线进行通信，无需另外布线，利用电源线实现智能家居网络成本较低，电力网是覆盖范围最广的网络，PLC技术可以轻松的渗透到每一个家庭，其应用范围广泛，网络的接入点是电源插座，数目较多且接插方便。(3)通过电话网进行控制。基于Internet网进行控制和基于电力线进行控制的远程控制方案，都是组网成本较高、技术难度大，对维护者的技术水平要求也比较高，它适用于新建的中高档住宅。电话网络是一种技术成熟并且比较普及性的通信网络，那么从基于成本、实用性和大众化的考虑，决定本方案采用电话网络实现对系统的远程控制。基于已有的电话网络实现远程控制是网络控制中一种简单、廉价的控制方式，利用电话的远程控制主要是通过发送手机的短信息传送控制信息，通过对信息的分析得到相应的控制命令,达到控制目的。2.3.3本地通信本地通信是指各个模块之间的通信，主要是考虑模块运用的现场总线形式和个模块之间信号传输所用的介质。现场总线作为一种先进的工业控制技术，将当今网络通信与管理的观念带入工业控制领域。把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，将他们连成可以相互共同信息、共同完成自控任务的网络系统及控制系统。下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。1）RS-485/422采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A,B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以又极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mV电压。故传输信号在千米之外都是可以恢复。RS-485/422最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。RS-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。如果需要使用星型结构，就必须使用485中继器或者485集线器才可以。RS-485/422总线一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。2）CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域网）。最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M/1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。3）Lonworks。它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部７层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m（78Kbit/s），被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。此外较有影响的现场总线还有DeviceNet、PROFIBUS、HART、CC-Link、WorldFIP、INTERBUS、P-Net、SwiftNet等总线形式。由于RS-485总线的最高速率可以达到10M/s，所以作为智能家居系统，RS-485总线由于可靠性高、性价比高，是通信可靠性最高、实时性和灵活性最好的通信方式。而信号传输的介质是网络中发送方与接收方之间的物理通路，它对网络的数据通信具有一定的影响。常用的传输介质有：双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输媒介。(1)双绞线。双绞线简称TP，由两根绝缘导线相互缠绕而成，将一对或多对双绞线放置在一个保护套便成了双绞线电缆。双绞线既可用于传输模拟信号，又可用于传输数字信号。双绞线非常适合于短距离通信。(2)同轴电缆。同轴电缆由绕在同一轴线上的两个导体组成。具有抗干扰能力强，连接简单等特点，信息传输速度可达每秒几百兆位，是中、高档局域网的首选传输介质。(3)光纤。光纤又称为光缆或光导纤维，由光导纤维纤芯、玻璃网层和能吸收光线的外壳组成。具有不受外界电磁场的影响，无限制的带宽等特点，可以实现每秒几十兆位的数据传送，尺寸小、重量轻，数据可传送几百千米，但价格昂贵。(4)无线传输媒介。无线传输媒介包括：无线电波、微波、红外线等。在本设计中，选用有线双绞线作为本地通信的传输介质，首先在和无线传输对比上节约了成本，减少了无线对人体造成的辐射，和其他有线传输形式对比，则更容易实现，在智能家居系统设计里，是最优的选择。3单片机控制系统硬件电路设计本设计主要实现基于公用电话网络的本地控制和远程控制功能，其整体框图如下图3-1所示。图3-1系统整体框图3.1中央控制器—STC89C52型单片机单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机[11]。STC89C52是51系列单片机的一个型号，它是标检集团（STC）公司生产的。选用STC89C52单片机的理由：高可靠、超低价、低功耗、无法解密、程序下载简单。89C52是一个低电压，高性能CMOS的8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、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位中央控制器和Flash存储单元，功能强大的89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，STC89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，用STC提供的STC-ISP.exe工具将您原有的代码下载进STC相关的单片机即可,或用通用编程器编程.其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。其PDIP封装形式如图如图3-2所示。图3-2STC89C52的PDIP封装形式主要功能特性：·兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写(>1000次）FlashROM·256x8bit内部RAM·32个双向I/O口·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz·2个串行中断·可编程UART串行通道·共6个中断源·2个外部中断源·2个读写中断口线·低功耗空闲和掉电模式3.2RS-485总线·3级加密位·软件设置睡眠和唤醒功能3.2.1RS-485总线接口设计在本设计中，采用的是以89C51单片机为主控制器，MAX1487的电平转换芯片为驱动器与传输器的接口模块。如图3-3所示，此为RS-485总线的接口示意图。RS-485利用信号导线之间的信号电压差，通过传输线驱动器，把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信号传送；再通过传输线接收器，把点位差转换成逻辑电平，完成终端的信号接收。图3-3RS-485接口示意图对于单片机，我们通常采用MAXIM公司的MAX1487作为接口芯片。这里简要介绍MAX487的特性。MAX1487是专门为RS-485通信的半双工应用设计的小功率收发器,它含有一个驱动器和一个接收器。它的特点是具有限斜率的驱动器，即驱动器发送的数字信号，其边缘的斜率是受限制的，可以使电磁干扰（EMI）减至最小，并减少因电缆终端不匹配而产生的反射影响，因此可以高达250kbps的速率无误差的传送数据。而其它如MAX481，MAX485则不具备这种功能，在传输的准确性就要差一点。MAX1487的特点是：*无误差数据传送的限斜率驱动器*0.1µA低电流关闭方式*-7V～+12V共模输入电压范围*三态输出*半双工工作方式*工作电源为单一的+5V*总线可接128个收发器*限流和热敏控制电路为驱动器提供过载保护因为MAX1487的输入阻抗为48KΩ，允许在一条总线上接128片MAX1487。标准的RS-485接收器的输入阻抗是12KΩ，总线上最多可以接32个收发器。所以MAX1487可以和其他收发器任意组合，只要总负载小于或等于32个单位负载，则可以接在总线上。所以采用32个MAX487共用一条总线是完全可行的。下图3-4为MAX1487的典型的工作电路模型：图3-4MAX1487工作电路模型从上图我们可以看到MAX1487是八脚封装芯片，下表是它的引脚说明。表3.1MAX487引脚功能引脚名称功能1RO接受器输出端，A-B>200mV,RO=1,A-B<200mV,RO=023接收器使能端，为“1”时输出被禁止，为“0”时，允许接收器输出。DE驱动器使能端，为“1”时允许驱动器工作，为“0”时，驱动器禁止，输出为高阻。45678DI驱动器输入端GNDA地同相接收器输入和同相驱动器的输出端反相接收器输入和反相驱动器的输出端正电源输入端，4.75～5.25VBVcc由MAX1487收发器组成的差分平衡系统,抗干扰能力强,接收器可以检测到低达200mV的信号,传输的数据可以在千米外得到恢复,因此特别适用于远距离通信.因此选用MAX1487组成满足RS-485标准的通信网络.值得注意的是传输线地选择和阻抗匹配.在差分平衡系统中,一般选择双绞线作为信号传输线,因为双绞线在长度,方向上完全对称,因此它们受到外界干扰程度完全相同,干扰信号以共模方式出现.在接收机地输出端由于共模干扰受到抑制,所以实现了信号的可靠传送。而由于信号在传输线上传送，若遇到阻抗不连续的情况，会出现反射现象，从而影响信号的远距离传送，尽管MAX1487能够减少反射的影响，但是还是要采用匹配的方法来消除反射。因此通常会在传输线的末端接120Ω的电阻，进行阻抗匹配。由于在本设计中主机只用来接收数据，从机只用来发送数据，因此完全可以将主机连接的MAX1487芯片的/RE和DE两使能引脚接地，而将与从机相连的MAX1487芯片的两使能端接高电平，从而实现两机的串行通讯。RS-485总线控制器接口模块原理图如图3-5所示。图3-5RS-485总线电路图3.3上位机3.3.1键盘模块键盘是有让干个按键组成的，它我单片机最简单的输入设备。操作员通过键盘输入数据目录，实现简单的人机对话。按键就是一个简单的开关，相当于开关闭合；当按键松开时，相当于开关断开。按键在闭合和断开时，会存在抖动现象，按键的抖动时间一般为5-10ms，抖动可能造成一次按键的多次处理问题。应采用措施消除抖动的影响。按键抖动的波形图如图3-5所示。图3-5按键抖动的波形按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的,一般为零点几秒至数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理,必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态,并且必须判别到键释放稳定后再作处理。按键的抖动,可用硬件或软件两种方法。(1)硬件消抖：在键数较少时可用硬件方法消除键抖动。以RS触发器作为常用的硬件去抖电路如图3-6所示。图3-6RS触发器消抖图中两个“与非”门构成一个RS触发器。当按键未按下时,输出为1;当键按下时,输出为0。此时即使用按键的机械性能,使按键因弹性抖动而产生瞬时断开（抖动跳开B）,按键不返回原始状态A,双稳态电路的状态不改变,输出保持为0,不会产生抖动的波形。也就是说,即使B点的电压波形是抖动的,但经双稳态电路之后,其输出为正规的矩形波。这一点通过分析RS触发器的工作过程很容易得到验证。(2)软件消抖：如果按键较多,常用软件方法去抖,即检测出键闭合后执行一个延时程序,产生5ms～10ms的延时,让前沿抖动消失后再一次检测键的状态,如果仍保持闭合状态电平,则确认为真正有键按下。当检测到按键释放后,也要给5ms～10ms的延时,待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。下面介绍两种常见的键盘电路及其程序。(1)独立式键盘。独立式键盘中，每个按键的都占用一个I/O口线，每个按键电路相对独立，如图3-7所示，I/O口通过按键与地连接。在读取I/O口无内部上拉电阻需要加上拉电阻，STC89C52的P0口就没有上拉电阻，独立式键盘接此口时必须外接上拉电阻。(2)行列式键盘。独立式键盘只适合按键少的场合，否则占用的端口太多。按键较多时，常采用行列式键盘电路。但行列式键盘的管理程序较复杂，需要采用键盘扫描技术，常用的键盘扫描方式有：扫描法、反转法、状态矩阵法等。I/O端线分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上，按键按下时，行线与列线发生短路。其特点是：占用I/O端线比较少，但是软件的结构较复杂，适用于按键较多的场合，图3-8是一个44行列式键盘电路，可得到16个按键。图3-7独立式键盘图3-844行列式键盘3.3.2显示模块显示模块采用1602液晶显示。所谓1602是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。常见的1602显示硬件电路接线图如图3-9所示[13]。图3-91602显示硬件电路接线图字符型LCD1602通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光控制线、电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，引脚定义如表3-1所示.表3-11602引脚定义表表3-2中文字符码与字字符字模关系对照表1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，如下表3-2所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。其中文字符码与字字符字模关系对照表如表3-2所示[7]。表3-2中的字符代码与我们PC中的字符代码是基本一致的。因此我们在向DDRAM写C51字符代码程序时甚至可以直接用P1＝'A'这样的方法。PC在编译时就把“A”先转为41H代码了。基本操作时序：读状态输入：RS=L，RW=H，E=H输出：DB0～DB7=状态字写指令输入：RS=L，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=指令码输出：无读数据输入：RS=H，RW=H，E=H输出：DB0～DB7=数据写数据输入：RS=H，RW=L，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=数据输出：无3.3.3GSM模块目前，国内已经开始使用的GSM模块有很多，而且这些模块的功能、用法差别不大。本设计采用的是西门子TC35系列的TC35i。其中西门子的TC35系列模块性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证。所以本设计选用的是西门子TC35系列的TC35i。这种无线模块功能上与TC35兼容，设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积。TC35i如图3-10所示[14-17]。图3-10TC35i(1)TC35i介绍TC35i是西门子最新推出的无线通信模块，功能与TC35兼容，设计紧凑。TC35i与GSM2／2+兼容，双频(GSM900/GSMl800)工作，带有RS232数据口。符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，且易于升级为GPRS模块。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音和短消息提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。TC35i有40个引脚，通过ZIF连接器引出。这些引脚可划分为5类，即电源、数据输入／输出、SIM卡、音频接口和控制。1～14引脚为电源部分，其中l～5引脚为电源电压输入端VBATT+6～10引脚为电源地GND，ll～12引脚为充电端，13引脚为对外输出电压(供外部电路使用)，14引脚ACCU／TEMP接负温度系数的热敏电阻；24～29引脚为SIM卡连接端；33～40引脚为语音接口用来接电话手柄。15、30、31和32引脚为控制部分，15引脚为启动线IGT(Ignition)。当TC35i通电后必须给IGT一个大于100mV的低电平，模块才能启动。30引脚为RTCbackup；31引脚为掉电控制；32引脚为SYNC，16～23引脚为数据输入／输出端。电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分。充电电池为整个系统提供3.6V工作电压．同时产生MAX232所需要的高电平：三端电源模块LM7806将外部12V直流电源转换为6v．连接至ZIF连接器的11、12引脚。在充电模式下可为TC35i提供6V／500。mA的充电电源。启动电路由漏极开路三极管和上电复位电路组成。模块上电10ms后(电池电压须大于3V)，为使之正常工作，必须在15引脚(IGT)施加低电平信号，至少保持100ms且该信号下降沿时间小于1ms，启动后15引脚应保持高电平。数据通信电路主要实现短消息收发、与PC机通信、软件控制等功能。TC35i的数据接口采用串行异步收发，符合RS-232接口电路标准。工作在CMOS电平(2.65V)。数据通信电路以MAX232为核心实现电平转换及串口通信。(2)模块中与SMS有关的GSMAT指令介绍GSM引擎模块提供的命令符合GSM07．05和GSM07．07规范GSM07．07中定义的ATCommand接口。提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口：GSM07．05对短消息作了详细的规定。在短消息模块收到网络发来的短消息时，能够通过串口发送指示信息，数据终端设备可以向GSM模块发送各种命令。与SMS相关的若干GSMAT指令如表3-3所示。表3-3与SMS相关的若干GSMAT指令表(3)PDU编码规则目前，发送短消息常用Text和PDU(ProtocolDataUnit，协议数据单元)模式。使用Text模式收发短信代码简单，实现起来十分容易，但最大的缺点是不能收发中文短信：而PDU模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。PDU模式收发短信可以使用3种编码：7_bit、8_bit和UCS2编码。7_bit编码用于发送普通的ASCII字符，8_bit编码通常用于发送数据消息，UCS2编码用于发送Unicode字符。一般的PDU编码由ABCDEFGHIJKLM十三项组成。A：短信息中心地址长度，2位十六进制数(1字节)B：短信息中心号码类型，2位十六进制数。C：短信息中心号码，B+C的长度将由A中的数据决定。D：文件头字节，2位十六进制数。E：信息类型，2位十六进制数。F：被叫号码长度，2位十六进制数。G：被叫号码类型，2位十六进制数，取值同B。H：被叫号码，长度由F中的数据决定。I：协议标识，2位十六进制数。J：数据编码方案，2位十六进制数。K：有效期，2位十六进制数。L：用户数据长度，2位十六进制数。M：用户数据，其长度由L中的数据决定。J中设定采用UCS2编码，这里是中英文的Unicode字符。(4)TC35i与单片机的硬件接口电路TC35i模块主要由GSM基于处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。通过ZIF连接器与单片机实现电路接口，该接口读取或发送TC35i模块中的数据，将是本文论述的重点，也是TC35i应用的核心。TC35i与单片机的硬件接口电路如图3-11所示。图3-11TC35i与单片机的硬件接口电路3.4下位机3.4.1安防模块安全问题是全社会共同关注的一件大事，因此安防是各行业，尤其是具有潜在危险的高风险行业所必需重视的一项工作。一个完善的智能化家居，具有便捷、安全、舒适、高档的生活环境，确保每一个住户的生命财产的安全，是本系统基本的用途，创造一个家居的理想空间是本系统的目的所在。本系统的安防是由下位机安防模块和各种前端探测器组成。前端探测器可分为门磁、窗户反射式传感器、烟雾探测器、煤气探测器等。当有人非法入侵，或家里煤气泄漏，设备及线路产生大量烟雾时将会触发相应的探测器，家庭报警主机会立即将报警信号以手机短信的形式发送到用户手机上，以便用户及时了解和处理紧急事情。（1）传感器的选择：1)门磁开关：主要由开关和磁铁两部分组成,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，封装于塑胶或合计壳体内，当两者分开和接近至一定距离后，引起开关的开断从而感应物体位置的变化。这里选用北京百科博计算机技术开发有限公司生产的CKMPS门磁开关。2)窗户反射式传感器：将红外线反射型传感器安装在门窗的两侧或通道的位置，当有人进入时红外线反射型传感器就会检测出来，给单片机送去高电平，启动防盗报警系统工作。红外线反射型传感器甚至可组成对射的检测系统，以提高控制范围。这里选用3）烟雾探测器：烟雾传感器通常安装在客厅等家用电器以及布线较密集的场合。一般传感器顶部为一个防风的进烟口，后部则带有不锈钢滑动触片，用于与探测器底座连接。探测器内部有一个印刷电路板，电路板上的一侧安装有一个离子腔，其中有Am241的辐射源，电路板上的另一侧安装有地址截获、信号处理和系统通信的电路。探测器安装在探测器底座上时，由系统中的报警控制盘提供电压和电流给探测器，使探测器处于待命工作状态。此时探测器内部的辐射源在离子腔内部产生电离，自动形成正、负离子，并产生一个极小的电流和电压。由于设备及线路在燃烧前会产生大量烟雾，烟雾粒子经探测器的进烟口进入离子腔后，其中的正、负离子会吸附在这些烟雾粒子上，造成正常的电流和电压发生变化。系统的报警控制盘对探测器内部这种电流和电压的微小变化过程进行监视，直至达到一定程度后就会发出报警信号。这里选用日本生产的模拟量离子感烟探测器NIS-05A。4）煤气探测器：煤气探测器一般安装在厨房内，其基本工作原理是基于气敏元件表面气体的化学吸附作用与解吸附作用。他们的气敏素子，使用空气中电导率低的二氧化锡。当存在检知对象气体时，传感器的电导率随空气中气体浓度增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。所以本次设计选用FIGARO公司生产的TGS813传感器。（2）信号采集放大电路的设计由于气体传感器采集的电信号一般很小，而且存在共模成分，需要经过放大电路放大，而之后方可进行A/D转换。气体传感器输出的信号幅度很小，存在着不同程度的电磁干扰，因此在本设计中，放大电路采用仪表放大器AD623，对来自传感器的信号进行精密放大，同时抑制共模成分提高信号质量。AD623是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源（+3V到+12V）下提供满电源幅度的输出。AD623允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到更好的用户灵活性，且符合8引脚的工业标准引脚配置。AD623通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比（ACCMRR）而保持最小的误差，且具有较宽的共模输入范围，它可以放大具有低于地电平150Mv共模电压的信号。AD623的使用特点是：使用一只外接电阻设置增益G，其中G可达1000，从而给用户带来极大方便，计算公式为G=1+1000KΩ/Rti。AD623的引脚排列为下图所示。图3-AD623引脚排列（3）A/D转换电路的设计从烟雾传感器和煤气传感器输出的信号为模拟量，该模拟量需要运放后送入A/D转换器。本系统运放采用AD623仪用放大器实现，运放后的信号送入A/D转换器。在本系统中，采用德州仪器公司（TI）的新型模数转换器TLC2543，作为A/D转换器。TLC2543具有12位的分辨率，使用开关电容逐次逼近技术完成AD转换过程。提供的最大采样率为66KSPS，供电电路仅需1mA。它除具有高速的转换器和通用的控制能力外，还具有灵活的串行接口。每个器件有三个控制输入端：片选(CS)、输入/输出时钟（I/OCLK）及地址数据输入端（DATAINPUT）。它还可以通过一个串行的3态输出端（DATAOUT）与主处理器或其他外围的串行口通讯，输出转换结果。通过编程器件的DATAINPUT管脚串行输入的8位通道/方式控制节的高4位（MSBs）,可选择11个模拟输入通道中的任一个。TLC2543的引脚排列图如下。图3-引脚说明：AIN0-AIN10为模拟输入端。CS为片选信号，由高到低有效，由外部输入。DATAINPUT为串行数据输入端。DATAOUT为A/D转换结果的三态串行输出端。EOC为转换结束端,向外部输出。CLK为I/O时钟，由外部输入。REF+为正基准电压端，一般接+5V。REF-为负基准电压端，一般接地。VCC为电源,一般接+5V.GND为电源地。（4）传感器接口连接的设计由于烟雾传感器和煤气传感器输出的是模拟量，所以需要信号放大与A/D转换。而门磁开关和反射式传感器输出的是数字量，所以直接与单片机的I/O口相连接。其安防模块的总体电路图如下图所示。图3-（5）布防和撤防状态下的切换由于系统在家中无人监控的工作，所以系统布防和撤防状态转换很有必要。在单片机RAM中设置了相关的状态命令，如：”布防状态”、“撤防状态”、”复位”等，当家中有人时可以通过短信的方式设置系统的状态，此时在室内活动不回产生任何报警。外出时，可以设置系统工作模式在”布防状态”，此时系统就可以工作了。需要注意的是，当系统监测到报警时，会延迟一段时间在监测是否有报警信号，若存在又没有撤防，则开始短信报警。这个设计很有必要，因为主人离开自治的布防区时需要一段时间，如果没有这个延迟，则可能引起误报。将本系统成品应用于家中，当家中无人监控时，通过短信方式通知系统工作方式在设防状态。煤气传感器的报警阈值为2000ppm，相应时间为1s。门有剧烈振动时，门磁开关就会工作。报警信息通过室内传感器检测数据发送到下位机的89C52，确认报警后通过RS-485总线发送数据到上位机89C52，控制MC35i通知用户。系统的稳定性主要受到传感器的精度、TC35i的稳定性和GSM网络稳定性的影响。3.4.2温度检测控制模块本文提出了基于GSM的远程温度监测系统，采用美国Dallas公司生产的DSl8B20数字温度传感器，通过现有的GSM网络将监测结果以短信方式发送至相应的监控终端(如手机、PC机)。系统具有结构简单、可靠性高、成本低等特点，可广泛应用于桥梁混凝土测温、电力电缆火灾监测、粮仓及物资仓库温度监测。(1)硬件设计模块主要完成温度的检测，然后将温度信息通过RS-485总线传输给上位机，通过GSM无线通信模块发送到用户手机，用户通过手机短信掌控家居的温度情况。系统硬件主要有89C52单片机及外围电路、温度传感器(DS18B20)和GSM无线通信模块(TC35i)组成。上位机控制GSM无线通信模块收发短消息，接收各下位机采集的温度数据,然后对数据进行显示、处理。下位机实现温度数据的采集、和传输到上位机。上位机和下位机通过RS-485总线实现数据通信。实现了基于GSM网络的温湿度检测模块。温湿度检测模块结构如图3-所示。图3-12温度检测模块结构图(2)温度检测元件温度检测电路采用Dallas公司生产的1-Wire接口数字温度传感器DSl8B20，它采用3引脚T0-92封装：温度测量范围为-55℃～+125℃．编程设置9～12位分辨率。现场温度直接以1-Wire的数字方式传输。大大提高了系统的抗干扰性。多个DSl8820可并联至3或2根总线上．CPU只需1根端口线就能与多个DSl8820通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。温度检测电路原理图如图2所示，主机控制DSl8820实现温度转换，DSl8820采用外接电源方式，其VDD端采用3v～5.5V电源供电。DS18B20的硬件电路接线图如图3-所示。图3-13DS18B20的硬件电路接线图3.4.3电器控制模块电器控制模块采用单片机控制继电器开/关的方法来实现控制电路的通断，从而达到控制电器开关的功能。其硬件电路图如图3-15所示。要控制一个电器的开/关，只需要将此电器的电路上串一个继电器常开触点，单片机控制单片机的一个I/O口从高变为低，则U3中发光二极管导通，使得右边的光敏三极管导通，Q3作为开关功能使继电器线圈得电，在电器电路上的继电器常开触电闭合，则相当于将电器的开关打开了，这就达到了开电器开的功能。当单片机的一个I/O口从低变为高时，发光二极管熄灭，光敏三极管断开，Q3断开，继电器失电，电器电路断开，这就达到了关电器的功能。图3-15电器控制模块硬件电路图3.4.4线路监测模块在单片机系统的实际应用中，经常会遇见这样两种情况：第一种是系统电压瞬时欠压导致单片机程序“跑飞”，使系统不能正常工作；第二种是系统意外掉电导致重要数据丢失而不能恢复。为了避免这两种情况的发生，需要加上掉点监测和保护电路，以提高系统的抗干扰性和安全性。掉电监测和保护电路能够监测到电源电压的下降。当电源电压还没有降到危及系统正常工作的电压以前就及时发出警告信号，单片机系统在收到此信号后，立即转入中断服务程序进行数据的保护和备用电源的切换工作，待干扰脉冲或系统重新上电后恢复被保护的数据。过去常用分立元件、后备电池和RAM构成这种电路。随着集成电路技术的发展，出现了不少专用的电源监测芯片，这里我们就用MAXIM公司的MAX813L和DALLAS半导体公司的DS12887构成一种实用的掉电检测和保护电路。（1）MAX813L芯片的主要性能和特点MAX813L有8条引脚双列直插式封装（DIP）和小型封装（SO）两种形式。除了具备手工复位功能外,还能够在上电、掉电以及降压情况下提供复位信号。当VCC降到低于4.65V门限电压时RESET变为高电平,在VCC上升超过4.65V门限电压后能保持复位信号200ms;当VCC降到1V时仍能保证复位输出处于正确的状态。MAX813L同时还能对系统电源前端监测,当PF1输入低于1.25V时,PF0则输出低电平,以供单片机通过中断对现场数据进行保护处理。MAX813L还具有看门狗的功能,确保单片机系统受干扰后程序亦能自动恢复正常。MAX813L外围所需元件很少,电路可靠性高,价格低廉。其引脚图如下图所示。图引脚功能说明如下：——1)手动复位输入端（MR）当该端输入低电平保持140ms以上，MAX813L就输出复位信号.该输入端的最小输入脉宽要求可以有效——地消除开关的抖动。MR与TTL/CMOS兼容。2)工作电源端（VCC）：接+5V电源。3)电源接地端（GND）：接0V参考电平。4)电源故障输入端（PFI）：当该端输入电压低于1.25V时，5号引脚输出端的信号由高电平变为低电平。————5)电源故障输出端（PFO)：电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时输出由高电平变为低电平。6)看门狗信号输入端（WDI）：程序正常运行时，必须在小于1.6S的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过1.6S该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。7)复位信号输出端（RST）：上电时，自动产生200ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。————8)看门狗信号输出端（WDO）：正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。（2）DS12887芯片的主要性能和特点DS12887是双列直插式24脚实时时钟芯片,它内部有锂电池、114字节非易失性静态RAM、写保护电路和百年日历,无需外接晶振和备份电源,在掉电情况下能够自动切换到内部锂电池供电,保护存储信息不丢失和时钟不停止。图是DS12887的管脚图。图引脚功能说明如下：1)AD0-AD7:地址/数据复用总线2)NC：空脚3)MOT：总线类型选择（MOTOROLA/INTEL）4)CS:片选信号5)AS:ALE6)R/W:在INTEL总线下作为/WR7)DS:在INTEL总线下作为/RD8)RESET:复位信号9)IRQ：中断请求输出10)SQW：方波输出11)VCC：+5V电源12)GND：电源地(3)电路结构及其应用当系统电源电压端VC瞬时欠压或意外掉电时,MAX813L的PF0端输出低电平,送入89C51的外部中断输入脚;89C51单片机系统进入中断服务程序,保存数据到DS12887的RAM中,然后进入掉电工作方式。此时89C51时钟停止,振荡器关闭,地址/数据总线处于悬浮状态,不会对DS12887的RAM产生误操作。当系统电源恢复后,MAX813L的RESET端输出能保持200ms的高电平,使89C51复位,恢复系统正常工作,在程序开始时恢复数据。其电路图如下图所示。图3.5其它部件的设计3.5.1时钟电路(1)晶振电路51系列单片机的时钟信号通常采用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。内部振荡方式是在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器，如下图3-16所示。图中C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值一般在5-30pF。晶振常选用频率为6MHz、12MHz或24MHz的，采用串口时长使用11.0592MHz的晶振。内部振荡方式得到的时钟信号比较温度，应用较多。外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。电路如图图3-17所示。由于XTAL1的逻辑点评不是TTL的，因此建议外界一个4.7Ω-10KΩ的上拉电阻。图3-16内部振荡方式图3-17外部振荡方式图图（2）单片机的时序单位单片机的时序单位如图3所示。图单片机的时序单位时钟周期P：为单片机提供定时小号的振荡源的周期（晶振周期或外加振荡源周期）。状态周期S：2个振荡周期为一个状态周期，用S表示。两个振荡周期作为两个接拍分别称为节拍P1和节拍P2。机器周期:1个机器周期含6个状态周期，用S1、S2、S3、S4……S6表示，共有12个时钟周期组成。指令周期：执行一条指令所需的时间。1个指令周期依据指令不同而不同，可有1-4个机器周期组成。在本设计中，就采用了内部振荡的简单电路实现晶振。3.5.2复位电路（1）复位后各寄存器的状态复位是完成单片机内电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始工作。单片机的杜威引脚RST保持两个时钟周期的高电平将使单片机复位，复位后片内各寄存器的状态如下表3-4所示。表3-4复位后片内各寄存器的状态注：X代表随机状态另外，在复位有效期间（即高电平），单片机的ALE引脚为高电平，且内部RAM不受复位的影响。（2）复位电路根据应用要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和按键复位。最简单的上电复位电路如下图3-19所示。工作原理为：上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持两个时钟周期以上的高电平，就能使单片机有效地复位。图3-20为上电与按钮复位电路。图3-21为采用专用芯片MAX810的复位电路，它可以使复位更为可靠。本设计中采用了按键复位的电路画法，起硬件电路图如下图3-22所示。图上电复位电路图上电与按键复位电路图采用专用芯片MAX810的复位电路3.5.4电源电路图本设计中的复位电路最后来完成的是最基本,最必须的电源部分安装调试,任何电路都离不开电源部分,单片机系统也不例外,而且我们应该高度重视电源部分,不能因为电源部分电路比较简单而有所忽略,其实有将近一半的故障或制作失败都和电源有关,电源部分做好才能保证电路的正常工作。电源电路的硬件电路图如图3-24所示。电源部分兵分两路,一路直接提供12伏的直流电源,主要是提供给继电器使用的,另一路通过三端稳压芯片7805稳压成5伏直流电源提供给单片机系统使用,右边两个电容是5伏电源的滤波电容,电阻和绿色的LED组成5伏电源的工作指示电路,只要电源部分正常,绿色的LED1就会点亮,我们可以根据这个LED来判断整个电源部分是否工作正常,电源部分就是下面图像中需要安装的元件。图电源电路的硬件电路图注意事项：(1)有极性的电解电容正负不要颠倒,引脚长的哪个为正极；(2)三端稳压7805不要装反,可以参照图片位置画图；(3)LED极性不要颠反,引脚长的哪个为正极；最后用万用表测量＋12V和＋5V输出是否正常。4系统软件设计4.1RS-485总线程序设计（一）多机通讯原理在RS-485总线方式构成的多机通讯系统中，一般采用主从式结构：主机控制多个从机，做为从机的单片机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制；并且在一个多级系统中，只有一台主机，各台从机之间不能相互通信，即使有信息交换也必须通过主机转发。采用RS-485构成的多机通讯系统原理框图如图所示。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，使得正常传输信号无毛刺。匹配电阻的取值应该与总线的特性阻抗相当。当总线上没有信号传输时，总线处于悬浮状态，容易受干扰信号的影响。所以将线路两端的正端A+和负端B-间各接一个120Ω的电阻，形成一个电阻网络。当总线上没有信号传输时，正端A+的电平大约为3.2V，负端B-的电平大约为1.6V，即使有干扰信号，却很难产生串行通信的起始信号0，从而增加了总线抗干扰的能力。图4.1采用RS－485构成的多机通讯原理框图（二）通信协议设计为保证通信进行,首先做到单片机的串行口与主控机串行口的设置保持一致,即数据格式一致、通信波特率相同。如果是多点通信,每个从机要分配一个地址码。系统中协议有三种帧格式:呼叫帧、应答帧和数据帧。呼叫帧由主机发出，应答帧只能由从机发出，当从机收到呼叫帧后,把本机地址和当前状态回发给主机。设置开机自检、自诊断程序,机器不能带病工作;如果需要,还可以设置在工作空闲时或定时自检程序。在多机通信系统采用主从式结构中。数据通信总是由主机发起。主机处于发送状态“说”时,从机总是出于“听”状态。若主机发送的地址信息与本地从机相符,则接收该数据,否则,继续“听”总线上的数据。若从机需要发送数据,则必须等到主机轮询本地从机时,才可提出请求。这种网络模式下从机不会“侦听”其他从机对主机的响应,这样就不会对其他从机产生错误的响应。主从式多机通信协议中,通信速率设为19.2kbps.系统上电或复位后,使所有从机的SM2位置1,处于只接收地址帧监听状态。主机向从机发送一帧地址信息,从机接收到地址帧后,将其与本地地址比较,判断是否一致。若与本地地址相符,则清除SM2,同时发送应答帧,进入通信状态;其他与本地地址不相符的从机则保持SM2位不变,继续监听。主从机均以中断方式进行通信,程序流程如图3-所示。A主机发送主程序B主机中断接收子程序C从机中断接收子程序图4-2多机通讯流程图4.2DS18B20温度采集程序设计DS18B20的温度采集的程序步骤为：初始化18B20→单片机读取温度→计算温度，将温度保存在指定的寄存器位里面，等待显示程序调用显示，当下次调用温度采集的程序时，再循环此步骤，其程序如附录所示。4.3GSM模块程序设计GSM模块的程序设计以报警为例说明此模块的程序设计。其程序主要包括系统的初始化主程序和报警中断子程序。在主程序中设置工作的状态，包括系统是否布防，撤防等，中断子程序中根据系统工作状态及报警信息进行报警。主程序流程图如图4-4所示，中断子程序流程图如图4-5所示。图4-3GSM模块程序流程图图4-4中断子程序流程图单片机与TC35i的软件接口其实就是单片机通过AT指令控制手机的控制技术，首先设置TC35i模块的工作模式：AT+cMGF=n，n=0为PDU模式；n=l为文本模式；通常设置为PDU模式，在这种模式下，能传送或接受透明数据(用户自定义数据)。AT+CMGR=n为读TC35i模块短消息数据，n为短消息号。AT+CMGL=n为列出TC35i模块内的短消息，n=0是未读的短消息，n=l位已读的短消息，n=2位未发送的短消息，n=3为已发送的短消息n=4为所有短消息。AT+CMGD=n为删除TC35i模块的短消息，n为短消息编号。软件编程通过向TC35i写入不同的AT指令能完成多种功能，如网络登陆、读取SIM卡上电话号码、发送SMS消息、接收SMS消息等。其程序详见附录2-1.AT指令的指令符号、常数、PDU数据等都是以ASCII编码形式传送：传送透明数据必须把TC35i模块的工作模式设置为PDU模式；单片机向TC35i模块发送每一条指令后。必须以回车符作为该条指令的结束，例如单片机向手机发送“AT+CMGF=0”这条指令，其ASCII编码序列为“41H、54H、2BH、42H、4DH、47H、46H、3DH、30H、0DH”，最后一个字节0DH就是回车符，表示该条指令结束，如果没有这个回车符，手机将不识别这条指令。当TC35i模块接收到一条完整的AT指令后，TC35i模块并不立即执行该条指令，而是先把刚才接收到的AT指令的ASCII编码序列全部反发送出来(含0DH)；其次发送一个回车符和一个换行符的ASCII编码，即ODH和0AH；然后执行该指令。单片机读取TC35i模块的PDU数据时，原始数据应该是16进制数，但读回的数据仍然是ASCII表示的16进制数。这样一个字节的16进制数就变成了2个字节的ASCII码。但是PDU数据包中的数据字节长度部分仍然是实际字符长度。而不是变成ASCII码的字节长度，这在编程时应特别注意，否则，接收的数据就不完整。单片机接收到PDU数据包数据后，须将其恢复成16进制数据，其算法如下：设a为接收的ASCII码，b为转换后的16进制数。那么如果a<39H，则b=a一30H；如果a>39H，则b=a一30h一07H。最后把前后两个数合并为一个字节。TC35i模块向单片机应答PDU数据包的字节数时不包括前9个字节数据，但向单片机传送PDU数据包时，包括这9个字节的数据。例如，如果TC35i模块应答的PDU数据长度为50．而实际向单片机传送的16进制数据为59字节，ASCII码为2x59字节，所以单片机必须按2x59个字节接收PDU数据。4.41602显示程序设计在本设计中，显示主要用于本地控制，用户方便的了解现场的情况，便于操作现场，其主要内容包括，报警/消除的状态显示，电器开/关的显示，温湿度的显示等。下面就温度显示作简单介绍：由于1602是显示两行各16个字符的液晶显示器，所以当需要显示当前的温度时，例如25.4度，首先显示不变的字符如第一行的“temperature：”和第二行的“。C”，代表显示的温度是以摄氏温度方式显示的，让后需要将显示的温度写进第二行预留的前四位，具体方法是：当温度传感器的温度计算完后，温度的十位、个位分别放在3个寄存器位里面，现在只需要将这三个位的数据分别写入显示器第二行的第一、二、四位即可，第三位写小数点“.”，详细程序见附录。4.544键盘程序设计行扫描法是确认有键闭合后，逐行（或逐列）置低电平，并读入列（或行）状态，如果出现非全1状态，那么0状态的行、列交点就是被按下键。扫描法的流程图如图4-6所示，其简单的参考程序如附录5-1所示。图4-6扫描法的流程图5系统典型部分仿真5.1仿真软件proteusProteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点