基于蓝牙的家庭控制器设计

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毕业设计（论文）任务书题目基于蓝牙的家庭控制器设计专题主要内容及要求要求设计一个家庭控制器系统，能够实现：1）检测各类传感器信号，并显示各类传感信号2）能控制家电、门锁、灯光的电源开关及控制电灯的亮度3）实现三表的数据抄送4）具有吓阻、报警和语音服务功能。论文应能简要介绍蓝牙技术和无线通信系统的发展状况，针对蓝牙技术在无线通信中的应用进行综述，针对所给的任务要求能正确的分析、论证设计方案，通过软件设计和硬件设计实现方案，最终完成家庭无线控制器的设计。主要技术参数单片机控制方面：1）能够控制的输入传感器个数：8个2）能够控制的输出继电器个数：6个3）语音录放设计模式：8种4）灯光亮度等级：8级5）数据表：3个6）报警相应时间：5minutes进度及占完成日期日2009年4月2日—2009年4月14日通过查阅相关资料，完成家庭控制器的大体设计思路，对不同的方案进行论证。2009年4月14日—2009年4月20日 确定设计的原理和设计方法并且确定部分器件，完成开题报告。2009年4月21日—2009年4月30日 完成硬件原理图的设计与绘制。2009年5月1日—2009年5月10日 熟悉C语言编程，进行软件流程图的设计。并编写软件程序。209年5月10日—2009年5月20日完善程序设计方案，并且完成软硬件的仿真调试。2009年5月21日—2009年6月12日撰写并且完善毕业设计论文2009年6月22日 毕业答辩教学院长签字日期教研室主任签字日期指导教师签字日期第1页

#随着现在高科技和信息技术的快速发展，各种信息家电不断出现。如何更好的利用信息家电为提高人们的生活品质服务，使人们享受智能化带来的多元信息，以及安全、舒适与便利的生活环境。这就要求将这些各自独立的信息家电用网络连接起来，使之形成家庭控制系统，各种信息电器在这个平台上共享资源、协同工作，随时随地为家庭成员提供包括家居自动化、语音、视频、数据等各种服务。如何建立一个高效率、低成本的家庭控制系统以成为当今世界的一个热点问题。家庭控制系统采用先进的电子传感器技术、计算机技术和信息传感技术，在对家庭成员提供全方位的多功能服务的同时，也对住房内部的情况进行远程监控和实时管理，它包括家庭内部传输系统、家庭接入系统及智能传感/执行设备等几个部分。作为一个开放的、智能的、人性的集成型家居系统，家庭控制系统将信息家电、家庭安防设施、家居自动化与某一类型的网络进行等有机结合。从技术上讲，家庭控制系统能实现的功能有：对白色家电和其他设备的控制、调节和监测，比如灯光、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、各种手动的开关；沟通黑色家电和其他视频设备之间以及与外部世界之间的信息沟通，其中包括台式/手持计算机，同时还可以实现对它们的控制和监测；通过对外的接口，实现远程控制和信息交换，如：Internet、电话线、GSM技术等；紧急情况下的报警功能，报警功能往往通过预先设置的电话号码来实现。本文要设计一个家庭控制器，要求能够实现以下功能：检测各类传感器信号，并显示各类传感信号；能控制家电、门锁、灯光的电源开关及控制电灯的亮度；实现三表的数据抄送；具有智能，便捷、安防及远程控制的功能。通过研究蓝牙技术和家庭控制器的工作原理，确定选用金瓯的BCM04蓝牙模块作为无线数据传输模块、AT89系列的AT89C52单片机作为主控制器，GSMSMS手机短消息模块作为远程控制模块，采用传感器和继电器实现数据的采集和信号的控制。在仿真中使用基于Keil平台的C语言程序，用两个单片机模拟实现家庭控制器。基于蓝牙技术组建的家庭控制器，减少了家电间众多连线给人们带来的不变。同时，开放的智能家居系统结构使得人们能够简便地接入或移走嵌入了蓝牙模块的信息家电。本文以蓝牙技术为短距离无线通信手段，完善的控制和管理功能，使得人们不管是在家中还是在外出，都能了解家里的情况，控制设备的运行。本文所述的家庭控制器设计方案，整个方案功能齐全、操作简单，所需成本较低，可扩充性强。总之，随着蓝牙技术的不断发展，以此为基础的家庭控制器一定会给人们的生活方式带来质的飞跃。第1章绪论本课题的研究背景和现状随着人民生活水平的提高，家用电器日益增多，对各种家电的控制和家庭中各种情况的检测变得日益复杂。信息技术的快速发展，使得家庭信息终端的实现变为可能，要解决家庭内部各种信息电器、设备间的数据传输，以及与外部连接的信息传输，就必须实现家庭内部组网，信息家电网络中，各种信息家电主要有两种方式连接，有线连接和无线连接。目前，我国对基于网络技术的智能家居系统的研究还刚刚起步，主要集中在一些分散的智能家庭控制子系统的研究，如三表（电表、水表和天然气表）抄送子系统、门禁子系统、可是对讲子系统、医疗求助子系统等，这些子系统互相独立，不能实现信息共享，使得安装和使用和不方便，而只有利用网络技术，实现家庭内部和网络化，用统一的中央控制器将这些电器子系统以及电器设备连接起来，才能实现信息共享和家庭的远程智能控制。从技术的角度讲，实现一个集多种功能于一体的智能家居系统是可以的，也比较容易实现。但从实用的角度讲，家庭安全防范子系统、家庭状况实时远程监控子系统和远程家电控制子系统都是目前和未来几年内对人们非常实用的子系统。蓝牙技术蓝牙技术功能蓝牙是一种低功耗无线技术，蓝牙技术的设计初衷就是将智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数字信息的外部设备用无线方式连接起来，取代PC、打印机、传真机和移动电话等设备上的有线接口，进而形成一种个人网络，使得在其可达到的范围之内各种信息化的移动便携设备都能无缝地共享资源。蓝牙可以随时随地用无线接口来代替有线电缆连接，具有很强的移动性，可应用于多种通信场合。蓝牙无线传输是通过RF（2.4GHZ）载波进行，功耗很低，传输速度快，可同时连接多个系统，采用蓝牙技术无需任何设置，只要两个蓝牙设备互相进入无线电平所允许的连接范围10米（如加大功率后可达100米）之内，蓝牙协议就会自动扫面检测，实现连接，进行信息的交换。其主要功能在于实现最高数据传输速率为1Mb/s,最大传输距离为10米（如加大功率后可达100米）的无线通信。它使用ISM频段（工业、科学和医学频段）传送话音和数据。蓝牙技术的最终目的就是要建立一个全球统一的无线连接标准，使得不同厂商生产的数字信息设备在近距离内不用电缆就可以很方便地连接起来，实现相互操作与数据共享。这种蓝牙无线连接方式是非常新颖的，凡是嵌入蓝牙技术的设备相互之间都能够自动进行联络与确认，利用相应的控制软件，不许用户干预就可以自动建立连接并传输数据免，去了用户安装和设置的繁琐工作。1.2.2蓝牙技术的特点该技术优势在于短距离无线数据传输，能非常方便的实现快速、灵活、低功耗、低成本的数据和语言通信。蓝牙提供点对点，点对多点的无线连接，使各类蓝牙设备之间进行信息交换。首先提出通信要求的设备是主设备（Master）,被动进行通信的设备为从设备（Slave）.通过时分多只（TDM）方式，1台主设备最多可与7台从设备进行通信。设备的主从身份仅在网络连接过程中有效，一旦连接关系取消，则主从身份也就随之取消。蓝牙技术的主要特点有：射频特性：蓝牙工作在全球通用的2.4GHZISM（即工业、科学、医学）频段。在此频段中，无需向专门管理机构申请频率使用权限。蓝牙采用时分双工方式，实现了全双工传输，其调制方式为BT=0.5的GFSK，调制指数为0.28〜0.35.并且蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，从而降低了设备的复杂性。蓝牙的传输距离为10米，增加其功率或加入外设可以使传输距离达到100米。跳频技术：蓝牙将2.4〜2.4835GHZ之间以1MHZ划分出79个频点，蓝牙根据微微网中主单元确定的调频序列进行调频。当对应单时隙包，调频速率可达到1600跳/s；对于多时隙包，跳频速率有所降低，但在建链是则提高到跳/s。跳频技术的采用使蓝牙的无线链路自身具备了更高的安全性和抗干扰能力。TDMA结构：蓝牙采用时分复用多路访问技术。其基带传输速率为1Mb/s,采用数据包的形式按时隙传送数据，每时隙0.625us.蓝牙系统支持实时的同步定向连接和非实时异步不定向连接。蓝牙技术支持1个异步数据通道和3个并发的同步语音通道或1个同时传送异步数据和同步语音通道。每个蓝牙设备在自己的时隙发送着数据，在一定程度上避免了无线通信中的“碰撞”和“隐藏终端”等问题。软件的层次结构：和许多通信系统一样，蓝牙的通信协议采用层次式结构。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用有所不同，大体分为计算机背景和非计算机背景两种方式，前者通过主机控制接口HCI（HostControlInterface）实现高、低的连接。后者则不需要HCI。层次结构使其设备具有最大的通用性和灵活性。根据通信协议，各种蓝牙设备无论怎任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其他蓝牙设备。从而构成主从网和分散网，实现系统提供的各种功能，使用起来时分方便。蓝牙通信的协议蓝牙技术由一组成为协议栈的技术协议规定，蓝牙协议栈分为四部分：图1.1蓝牙协议栈核心协议（Baseband、LMP、L2CAP、SDP）、电缆替代协议（RFCOMM）、电话传输控制协议（TSCBinary、AT命令集）、和选用协议（PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、Vcal、IrMC、WAE）。蓝牙协议栈如图1.1所示。蓝牙核心协议是由SIG制定的蓝牙专利协议组成，绝大部分蓝牙设备都需要核心协议（加上无线部分），而其他协议根据应用的需要而定。总之，无论电缆替代协议，电话控制协议和其他被采用的协议idoushi在核心协议基础上构成了面向应用的协议。核心协议是蓝牙专利协议，包括基带协议（aseBand）、连接管理协议（LMP）、逻辑链路控制和适配协议（）L2CAP以及服务发现协议（SDP）.基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备之间由射频构成的物理连接，蓝牙的射频系统是一个跳频系统，其任意数据包在指定实习、指定频率上发送，他使用查询和寻呼进程同步不同设备间发送频率和时钟，可谓基带数据包提供两种物理连接方式：面向连接（SCO）和无连接（ACL），而且在统一射频上可实现多路数据传送。ACL适合于数据包、SCO适用于语音和数据的组合。蓝牙基带协议是电路交换和分组交换的融合。所有语音和数据包都富有不同级别的前向纠错（FEC）或循环冗余校验（CRC），而且可进行数据加密。止匕外，不同数据类型（包括连接管理信息和控制信息）都分配一个特殊的通道。连接管理协议（LMP）负责蓝牙设备连接的建立。通过连接的发起、交换、核实，进行身份验证和加密，通过协商确定基带数据包大小。它还控制无线设备的电源模式和工作周期，以及微微网内蓝牙设备单元的连接状态。逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）是基带的上层协议，可以认为它和连接管理协议（LMP）平行工作。它们的区别在于当业务数据不经过LMP时，L2CAP为上层提供服务。L2CAP向上层提供面向连接和无连接的数据服务。他采用了多路技术、分割和重组技术、群提取技术。L2CAP允许高层协议以64K字节收发数据包。虽然基带协议提供了SCO和ACL两种连接类型，但L2CAP只支持ACL.服务发现协议（SDP）在蓝牙协议栈中起到至关重要作用，它是所有用户模式的基础。使用SDP可以查询到蓝牙设备信息和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。除了上述协议外，规范中还定义了主机控制器接口（HCI），他是位于L2CAP层和LMP层之间的一层协议，他为基带控制其、连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。蓝牙的应用居家应用：通过使Bluetooth技术产品，人们可以免除居家办公电缆缠绕的苦恼。鼠标、键盘、打印机、膝上型计算机、耳机和场声器等均可以在PC环境中无线使用，这不但增加了办公区域的美感，还为室内装饰提供了更多创意和自由（设想，将打印机放在壁橱里）。此外，通过在移动设备和家用PC之间同步联系人和日历信息，用户可以随时随地存取最新的信息。Bluetooth设备不仅可以使居家办公更加轻松，还能使家庭娱乐更加便利：现在您不必撇开客人，单独离开去选择音乐。用户可以在30英尺以内无线控制存储PC或AppleiPod上的音频文件。Bluetooth技术还可以用在适配器中，允许人们从相机、手机、膝上型计算机向电视发送照片以与朋友共享。工作应用：通过Bluetooth无线技术，办公室里再也看不到凌乱的电线，整个办公室也像一台机器一样有条不紊地高效运作。PDA可与计算机同步以共享日历和联系人列表，外围设备可直接与计算机通信，员工可通过Bluetooth耳机在整个办公室内行走时接听电话，所有这些都无需电线连接。Bluetooth技术的用途不仅限于解决办公室环境的杂乱情况。启用Bluetooth的设备能够创建自己的即时网络，让用户能够共享演示稿或其它文件，不受兼容性或电子邮件访问的限制。Bluetooth设备能方便地召开小组会议，通过无线网络与其它办公室进行对话，并将干擦白板上的构思传送到计算机。消除台式机杂乱的连线，实现无线高效办公。Bluetooth无线键盘、鼠标及演示设备可以简化工作空间。将PDA或手机与计算机无线同步可以及时有效地更新并管理用户的联系人列表和日历。途中应用：具有Bluetooth技术的手机、pda、膝上型计算机、耳机和汽车等能够在旅途中实现免提通信，让用户身处热点或有线宽带连接范围之外仍能保持Internet网络连接，以及在PC和移动设备之间同步联系人和日历条目以访问重要信息。车载Bluetooth免提系统使司机能直接通过扬声器系统拨号，而其Bluetooth手机可放置在车内任何位置，因而得以保持双手紧握方向盘、双眼密切留意路况。即使是驾驶摩托车也能通过启用Bluetooth的头盔保持连接。娱乐应用：Bluetooth无线技术将很快实现使用无线耳机方便地欣赏MP3播放器里的音乐，抛弃妨碍我们使用跑步机、驾驶汽车或在公园游玩的电线。发送照片到打印机或朋友的手机也非常简单。现在，很多商店提提供打印站服务，让消费者能够通过Bluetooth连接打印拍照手机上的照片。在山上，通过Bluetooth连接将GPS设备链接到PDA上，就能知道您身在何处。地理寻宝和徒步旅行爱好者期待着到最新启用Bluetooth的设备来帮助他们确定路线和跟踪行程。1.3本课题的主要研究内容本文所介绍的系统在充分考虑了消费者的实际情况和系统的性价比之后，确定在家庭中采用蓝牙技术使各种信息电器和家庭中的各种检测情况工作在统一的平台上用计算机集中控制。本设计主要研究基于蓝牙的家庭控制器的具体实现问题，其主要研究内容如下：.家庭内的网络信息家电、三表系统、各类开关、安防监控设备的互相通信过程，也就是说家庭内部各种信息家电的互相连接，使各种设施统一规划在一个有序的状态下，以同一的管理，使之功能更强大、使用更方便、维护更容易、更易扩展新用途。这是本文的核心内容。2.如何实现家庭信息终端，也就是选择什么数据传输方式，选择什么器件或芯片来控制家庭信息终端，控制信息终端之间的数据传输和数据处理，3.研究蓝牙的通信协议，使得计算机和单片机之间根据通信协议保证数据传输的可靠性、准确性和实时性。第2章家庭控制器方案设计2.1设计思路根据任务书的要求，设计一个基于蓝牙的家庭控制器，可用于控制家电、门锁、灯光的电源开关及控制电灯的亮度；也可用于检测各路传感器信号，实现三表的数据抄送，并且具有吓阻、报警、语音服务等功能。要求能显示各路传感器信号。件的限制，不利于推广使用，因此这里使用单片机实现数据处理功能。因此用户只需要设计串口电路，就可以控制蓝牙模块实现数据传输功能。家庭控制器系统设计框架如图2.1所示。2.2方案论证本设计主要从以下几个方面来分析论证：蓝牙模块选择、显示器的选择、微处理器的选择、语音模块的选择和报警模块的选择。2.2.1蓝牙通信模块的选择蓝牙模块采用了CSR公司的单芯片BC020BC02内嵌BlueCore2芯片，并提供SPI、UART/USB、PIO、PCM接口。在天线和发射机输出端之间接入平衡-不平衡转换器。带通滤波器一般是无源器件,它的作用是滤除接收机不需要的频带内的信号，为低噪声放大器（LNA）提供选择性信号起到减小干扰的作用。BC02中采用了台湾ACX公司的集成带通滤波器和平衡不平衡转换器的器件FB2520，带通滤波器和平衡-不平衡转换器集成在一起集成度更高有效的减小了电路板的面积，该器件具有外型小巧，插入损耗低等优点，能够很好地完成平衡到不平衡端的转换和带通滤波的功能。用于GPS导航系统，水电煤气抄表系统，工业现场采控系统，可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器、PDA等设备进行无缝连接蓝牙模块主要有以下几个特点。（1）采用CSR主流蓝牙芯片CSRBlueCore2,单片蓝牙系统，蓝牙V1.1协议标准（2）2.4GHz无线调频接收与基带传输，传输范围10米（3）SMD类基本模组，内置陶瓷天线可置表面（5）板载闪存（8Mbits）（6）SPI接口可升级固件（6）停止,呼吸,保持和睡眠，低耗电模式（7）模块尺寸27.5mm*15mm*3mm（9）串口模块上底板带有RS232接口和TTL接口，任选一种接口使用，使用3.3至5V电源。串口对用户而言是透明的（10）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（11）工作电流：40mA休眠电流：小于1mA（13）波特率为9600,19200，38400，57600，115200用户可设置一般可供选择的显示器有以下3种，下面分别做具体介绍。.VFD显示器VFD显示器是由电子管发展过来的一种显示器件。它是真空二极管或三极管的一种改型。二极管的改型成为静态VFD,m极管的改型成为动态VFD。VFD显示器具有高清晰度、高亮度、宽视角、反应速度快和从红色到蓝色多种色彩等特点，显示效果好。当使用CIG（集成芯片玻璃）技术时，可集成VF驱动电路;具有可靠且使用寿命长等特点。但它需要5.5〜6.3V的灯丝电压，150〜450mA的灯丝电流，12~36V的阳极加速电压，15~36V的栅极电压。不考虑阳极和栅极电流，单灯丝功耗就大825mW，功耗相对来说较大，不适合在移动设备上使用。例外，它需要多级电压不同的供电电压，使用不方便。.LED显示器LED显示器是由LED发光二极管发展过来的一种显示器件。具有高亮度、高宽视角、反映速度快、可靠性高、使用寿命长等特点、但LED数码管只能显示数字和极少数几个英文字符，显示反调。而LED点阵显示器虽然能显示各种信息，但它的体积较大，适合于广告牌等需要大面积显示的地方，不适合移动设备。况且动态扫描有可能同时被点亮，此时按每段10mA电流来算也有80mA，如同时点亮段数更多，则电流会更大。.LCD液晶显示器LCD液晶显示器是利用光的偏振现象来显示的。一般也分为数字型LCD个点阵型LCD。前者用于显示简单字符，如时钟等；后者能显示各种复杂的图形和自定义的字符，因此应用比较广泛。LCD液晶器具有本身不发光、靠反射或透射其它光源发光的优点，同时具有功耗小、可靠性高、寿命长、体积小、电源简单等特点，非常适合于移动设备的使用。本设计采用点阵型LCD液晶显示器CGM-12232。该显示器具有122*32点阵，不仅可以显示数字，还可以显示中文、英文甚至图片等，体积只有61mm*19mm*5.7mm,功耗仅为5V*2.5mA=12.5mW（不开背光）。CPU的选择由于该系统包含对很多传感器采集数据的采样与处理，其中包括接收中断，IO检测，数据串的打包与发送，蓝牙控制命令的接收、处理以及工作状态的发送，并且要使用蓝牙模块与之相连，所以要求主控制器拥有独立的标准串口，所以主控器的选择要考虑以下方面：1）可以编程的IO口数量要充足，以满足传感器的扩展。2）指令的运算处理速度要快，以满足大量数据的采样与处理。3）要包含有足够的可编程的存储空间。4）要求有独立的串行口，以便和蓝牙模块、GSM模块通信。根据本设计的要求，根据收集的资料，选用Atmel的AT89C52单片机作为主控制器。AT89C52单片机具有低电压供电和小体积等特点，和适合便携手持式产品的设计使用，系统可用两节电池供电。语音模块的选择语音模块采用ISD4004语音芯片，ISD4004语音芯片采用CMOS技术，内含晶体振荡其、防混叠滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频功率放大器机高密度多电平闪烁存储阵列等。因此只需要很少的外围就可构成一个完整的声音录放系统。ISD4004语音芯片带SPI接口，录放音时间长，印制好，不需A/D转换，可重估记录10万次，断电后仍可以保存数据100年，语音内容分段存储，程序可以选定人一段作为录音、放音的起始地址报警模块的选择热释电红外传感器RE200B对人体信号进行检测，红外传感信号专用处理芯片选用BISS0001芯片对所采集信号进行初步处理。人体具有约37摄氏度的恒定体温，所以会发出波长约10um左右的红外线。热释电红外传感器RE200B济源市靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的。热释电红外传感器是一种新型敏感元件。制造热释电红外传感器的高热材料是一种广谱材料。它的探测波长范围为0.2〜20口山.为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片、此滤波片只允许某些波长范围的红外光通过，而阻止灯光、阳光和其它红外光通过。实际使用中热释电红外传感器前面必须安装菲涅尔透镜，可以提高传感器的灵敏度，扩大监视范围。它可以产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元件要求信号不断变化的特性。传感器的两个反向串联热释电元件轮流感受到运动物体，所以人体的红外辐射以红外脉冲的形式不断改变热释电元件的温度，使之输出一串脉冲信号，若人体在传感器前不懂则不会有输出。软件方案的设计在软件设计中遵循了模块化的设计思想，包括串口通信程序、传感器数据采集程序、继电器控制程序、语音服务程序、LCD显示程序等。串口通信程序主要完成接收计算机发送来的控制和检测命令，发送单片机处理后的数据给单片机；传感器数据采集程序对各路传感器信号进行采集，并且将采集结果送给LCD显示或启动报警；继电器控制程序是根据单片机的控制命令，控制各路电器的电源开光或电灯的亮度；语音服务程序是录入不同的声音或音乐，根据系统设计的模式，放出不同的语音；LCD显示程序。在软件设计平台的选取方面，8051单片机是目前国内外工业测量控制领域使用极为广泛的一类8位微控制器，世界上许多软件公司还都致力于8051单片机高级语言编译器的开发研究。C语言是一种特别适合于开发计算机操作系统的高级语言，德国Keil公司在开发单片机C语言编译器方面取得了相当大的成功，从编译器、调试器、实时操作系统到集成开发环境，全面支持8051、251、166等单片机主流产品及其众多的派生系列。Keil公司推出了一种全新的Windows集成开发环境uVision2,C51源程序经过优化编译后生成的代码，其效率接近与汇编语言生成的代码；支持所有8051系列单片机，提供对所有外围硬件部分的操作；无论在有无工作寄存器区转换的情况下，CX51都能产生快速中断代码；能够在整个应用程序中执行全局寄存器优化；所有应用工具均可产生详细警告信息和错误信息，帮助用户处理难于寻找的问题；支持再入功能和寄存器区的独立代码，便于中断服务程序和多任务应用程序的执行；采用分组方式执行代码分组和调试，用户程序代码可以轻松突破64KB空间的限制；文件查找功能，能在当前文件或全局文件中搜索指定的文本信息；集成仿真调试功能，允许在统一的uVision2环境下进入Debug调试器，提供纯软件模拟仿真调试(Simulator)和硬件目标版在线仿真调试(MONITOR-51)，可以进行应用程序代码综合性能分析和代码覆盖率分析。鉴于uVision2开发环境的优越功能，本文选用它来进行软件编写和调试。其界面如图2.2所示。在程序编译连接成功后，会生成与工程名字一样的HEX文件，此文件被许多的单片机支持，可以将该文件烧写到单片机中脱机运行。所有的程序模块均在WindowsXP环境下借助Keil模拟集成开发环境uVision2用3语言实现。以上介绍了系统的整体方案设计情况，有关家庭控制器的的具体实现将在第三章和第四章介绍。图2.2uVision2开发环境界面第3章家庭控制器的硬件实现由前面的分析系统硬件电路主要有金瓯BC02蓝牙模块、LCD液晶显示器、AT89C52单片机、语音芯片ISD4004、传感器电路、继电器电路、单片机上电复位、晶振电路和电源等部分组成。蓝牙模块接收的串行数据，送至单片机串行口，经处理后执行相应的功能：控制继电器的闭合与断开，从而控制家电的电源；设置语音服务模式。各路传感器检测的数据经单片机IO口送至单片机，经处理后从单片机串行口送至蓝牙模块，同时送至LCD液晶显示器或启动报警。LCD液晶显示器会定时更新，更新周期约为1s，上电复位电路为单片机上电提供上电复位。电源电路为各个电路提供稳定的+5V电源。本设计中使用本文中Protel99SE设计出了系统的原理图。Protel99SE是Protel99的升级版本，支持硬件电路图设计和仿真，并且可以由原理图的同步功能设计PCB，内部集成智能化的自动放置器和自动布线器，真正实现了全自动的设计，并可以规定走线宽度，间距，通孔直径大小，支持多层板设计，总体来说是一个优秀的原理图和PCB图设计工具。图为3.1家庭控制器硬件原理框图。图3.1家庭控制器硬件原理框图3.1主控制器及外围电路设计系统电路的主芯片采用美国Atmel公司的AT89C52Flash单片机，并与MCS-51系统产品兼容，具有8KB的系统内可重复编程Flash存储器，5V电源电压，包含256字节RAM，7个中断源，3个保密位。3个16为的定时器/计数器，实现定时和计数功能，以及低功耗空闲和掉电方式等一系列功能。AT89C52单片机的电源、复位、晶振振荡电路图如图3.2所示。复位电路。单片机上电，当振荡器正在运行时，只要持续给RST引脚两个机器周期的高电平便可完成系统复位。外部复位电路是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。系统采用上电自动复位。上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是VCC和电容器上电压之差，因而RST电压大小与VCC相同。随着充电的进行，电容器上电压不断上升，RST电压就随着下降，RET引脚上只要保持10ms以上高电平系统就会有效复位。电容C可取10〜33uF，电阻R可取1.2~10k。系统设计中C取10uF，电阻R取10k，充电时间常数为100ms.晶振振荡电路。XTAL1和XTAL2引脚分别构成片内振荡器反相放大器的输入和输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C1、C2构成并联谐振电路。当外接石英晶体时，电容C1、C2选30pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C1、C2选30pF选47pF.AT89C52系统中晶振可在0~24MHz选择。外接电容C1、C2的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在设计电路板时，晶振和电容应靠近单片机芯片，以便较少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。在系统设计中，为保证串行通信波特率的误差应选则11.0592MHZ的标准石英晶振，电容C1、C2为20pF。传感器电路设计传感器与单片机的PO直接连接，使用了光电隔离器TLP—521(GB)，实现了强电与弱电的隔离，并且为了增加驱动能力，使用集电极开路门芯片74HC14、74LVT245和限流电阻。传感器输入是采集信号，这样可以采集室内的信号，并且转换为以电流，电压或者逻辑电平表示的值，并且将其输出作为IO口的输入，通过AT89C52处理，以确定是否出现了异常情况，并将信号在LCD上显示出来。三表的数据采集是利用了在三表系统中根据表的转动设计成脉冲的个数，因此利用单片机来计算脉冲个数，进而再转化成数据信息，即可实现三表的数据抄送。如图3.3，图3.4所示。图3.2AT89C52单片机的电源、复位、晶振振荡电路图

图3.3传感器电路原理图RE200B的D、G、S端分别为电源端、地端和目标输出电压端。输出信号VO接单片机，供其读数。单片机根据VO的数值来判断是否有人体经过，并决定是否启动语音报警。BIS0001就是有运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时其等构成的数模混合专用集成电路。他采用CMOS工艺、数模混合，具有独立的高输入阻抗运算放大器，内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰。它有两种工作方式共选择，通过将引脚A置1或置0可设置为可重复触发方式和不可重复触发方式。本系统选择可重复触发，在将传感信号进行与处理后，通过双向鉴幅器可检测出有效触发信号VS，由于选择的是可重复触发方式，VS可重复触发VO为有效状态，并可促使VO在延时周期T内一致保持有效状态。延时周期的大小可通过R1和C1调节。在T时间内，只要VS发生上跳变，VO就会从VS上跳变时刻起继续延长一个T周期；若VS保持为“1”状态，则VO一直保持有效状态；若VS保持为“0”状态，则在T周期结束后VO恢复为无效状态，并且在封锁时间T时间内，任何VS的变化都不能触发VO为有效状态。图3.4热释电红外传感器继电器输出电路设计继电器的输出是实现控制信息家电，包括门锁、电灯、电动窗帘、电器等的开关，另外通过可控硅控制电灯的亮度。其具体的原理体如图3.5所示。图3.5继电器控制输出部分AT89C52产生可控硅控制的移相脉冲，移相角的改变实现导通角的改变，即当移相角较大时，可控硅的导通角较小，输出电压较低，电灯较暗；当移相角较小时，可控硅的导通角较大，输出电压较高，电灯较亮。当AT89C52的P0.6为低电平是，9012三极管导通，三极管集电极电流驱动光耦合器导通，是可控硅的G极产生脉冲信号触发可控硅导通；当AT89C52的P0.6口为高电平是，9012三极管、光电耦合器、可控硅都处于截止状态，其电路设计原理图如图3.6所示。图3.6可控硅电灯亮度控制电路电灯的亮度由8段数码管显示，其中P1.0P1.2作为数码管的二进制数据输出，显示数字0—7，7代表最亮，0代表最暗，采用4511集成块硬件译码显示数值，其具体的原理图如图3.7所示。图3.7电灯亮度显示电路3.4语音电路设计麦克风用于录入语音，可完成普通的现场录音。在放音电路中，输出端选用低电压通用集成功率放大器LM386-1的典型应用电路作为扬声器LS1的驱动电路。语音电路原理图如图3.8所示，ISD4004通过SPI接口传输数据，SPI接口共使用4条信号线：主机输出片选，串行时钟线SCLK，主机输出/从机输入的信号线MOSI以及主机输入/从机输出的信号线MISO。SPI接口是串行扩展的全双工同步通信口，主机方式传送数据的最高速率达1.05Mbps。由于AT89C52没有SPI接口，所以采用模拟SPI接口同ISD4004进行数据传输；同时因为无主机输入，所以不需要MISO线。将片选、主机输入/从机输出的信号线MISO、串行时钟线SCLK分别接在单片机的P0.5、P0.6、P0.7口。ISD4004主要引脚说明：片选，此端为低电平是选中芯片。VCCA、VCCD,供电电源3V。OUT,音频输出端，可驱动负载。IN+、IN-,录音信号同相、反相输入端。MOSI,串行输入端。主控器件应在串行时钟上升沿前半个周期将数据放到此端，共上口4004输入用。SCLK,时钟输入端。由主控制器产生，用于同步MOSI和MISO的数据输入。AMCAP,自动静噪音控制端。VSSA、VSSD,地线。ISD4004通过SPI接口传输数据的步骤如下:串行数据传输开始与片选下降沿，在数据传输器件，片选必须保持为低电平。从控制器发出来并出现在引脚MOSI上的数据，在SCLK上升沿被锁入ISD4004，在SCLK下降沿，将ISD4004中送出的数据放到引脚MISO，共控制器读取。(3)ISD4004从控制器输入指令和地址后才能开始录/放操作。指令格式是8位控制码加16位地址码，或8位控制码(不带地址码)。ISD4004在进行任何操作时，如果遇到EOM或VOF，则产生一个中断，该中断状态在下一个SPI周期开始被清除。所有指令操作都在片选端为高时执行。图3.8语音电路原理图电源电路设计根据AT89C52的供电要求，采用DC9V转DC5V电路给AT89C52供电，下面是电源供电部分。电源电路由桥式整流、滤波电容、7805集成稳压器及电源指示灯组成。交流电经过桥式整流变成直流电，在经过电容滤波，7805集成稳压其稳压成为稳定的+5V电源。用一个发光二极管指示灯指示电源状态。还可以使用5V电源直接供电。在放音电路中，输出端选用低电压通用集成放大器LM386M-1的典型应用电路为扬声器LS1的驱动电路。在电路中LM386M-1的1脚和8脚间外界10uF的旁路电容，可是电路的放大倍数提高200倍。ISD4004的工作电压是3V，可以通过变压电路转变为3V。其电源电路原理图如图3.9所示图3.9电源电路原理图单片机和蓝牙接口电路CSR公司的蓝牙模块BC02输出引脚功能介绍图下：Pin1：串行口2的数据输出端。Pin2：串行口2的数据输入端。Pin3：掉电模式控制端。Pin4：+5VCC电源输入端。Pin5：GND接地端。Pin6：串行口1的数据输出端。Pin7：串行口1的数据输入端。Pin8：LED指示端。单片机和蓝牙模块接口原理图如图3.10所示。蓝牙模块BC02的串行口1使用的是CMOS/TTL电平，串行口2使用的是RS-232电平。由于计算机串行通信使用的是RS-232电平，单片机使用的是CMOS/TTL电平。因此在本系统中蓝牙模块用串口2（USB口）与计算机的USB口相连，而蓝牙模块与单片机通信直接用串行线相连。图3.10蓝牙模块接口原理图单片机和液晶显示器接口电路液晶驱动IC（SED1520F0A）的基本特性如下：具有低功耗、供电电压范围宽等特点；（2）具有16common和61segment输出，并可外接驱动IC扩展驱动；具有2560位显示RAM；（4）遇有与68系列或80系列相适配的MPU接口功能，并有专用的指令集，可完成文本显示或图形显示的功能设置。工作参数介绍如下：（1）逻辑工作电压（VDD~VSS）为2.4~6.0V；LCD驱动电压（VDD~VLCD）为3.0~13.5V；（3）工作温度（12）为0〜55摄氏度（常温）或-20〜70摄氏度（宽温）；（4）保存温度（1$土8）为-10~70摄氏度；电气特性（Ta=25摄氏度，VDD=5.0V）（1）输入高电平川小）为3.5V;（2）输入低电平川工）为0.55V;输出高电平川。^为3.75V;（4）输出低电平川。1）为1.0V;（5）工作电流为2.0mA。液晶显示器CGM-12232的引脚功能介绍如下：Pin1：VDD正电源输入。Pin2：GND地。Pin3：LCD驱动电压，调对比度。Pin4：接口时序选择。Pin5：芯片1使能信号，高电平有效。Pin6：芯片2使能信号，高电平有效。Pin7：读/写控制端，高电平读，低电平写。Pin8：数据/指令选择端，高电平为数据，低电平为指令。Pin9~Pin16：液晶并行数据。Pin17：背光LED阳极。Pin18：背光LED阴极。单片机与液晶显示器接口电路图如图3.11所示。CGM-12232的Pin9~Pin16接单品及P2口进行数据传输，Pin5~Pin84根控制线接P1.3〜P1.6口。LCD液晶显示器的背光LED灯采用三极管驱动控制。图3.11单片机和液晶显示器接口电路原理图以上就是硬件电路的实现方法和原理图表示，与之相应的软件设计部分将在第四章描述。第4章家庭控制器的软件设计4.1系统软件设计原理根据题目要求和要实现的功能,程序在初始化后，进入死循环等待控制命令，一旦接收到从PC机串口发送命令，分析命令码字，执行不同的操作。可得主程序流程图如图4.1所示:图4.1系统主程序设计流程图在程序设计中，采用通信协议的做法，进入程序后，首先完成单片机的IO口、串口0、变量等初始化，与PC机串口通信信任连接建立后，再调用串口通信程序，单片机就开始收发数据。收到数据后首先分析，如果是控制的命令，则控制继电器的开关，实现开关量的控制，控制家庭中的家电，门锁，灯光等设备的停止与工作；如果是设置命令，则调用语音子程序设置语音服务模式；如果为查询命令，则调用传感器采集程序得到相应的传感器信息，并且调用将采样信息在LCD显示器上显示出来，热释电红外传感器连接外部中断（P3.2口），当发现异常情况时，启动报警。4.2串口通信程序蓝牙模块内置透明固件，可以直接当串口使用：首次和电脑连接时需配对，以后就随连随用。模块通电后模块上的指示灯是快闪，也就是配对准备状态，需在30秒内配对，如果30秒内没配对，就变为慢闪进入等待状态。输入密码后，设备将彼此验证并完成建立信任连接。如果你30秒内没配对，再配对时需将模块拿下再重新插上。蓝牙模块和电脑连接后就是快闪，如果有数据传送，就是长亮。初始化将串行口的工作方式设为2，为11位数据的异步通信口。设置串行口的工作方式，SCON的控制字为50H,即设定工作方式为2,SM2=0,不论收到的RB8为0还是1,均可以使收到的数据进入SBUF,并激活接受中断标志位RI,每接受完一个串行帧，有硬件置位，再有软件清除。波特率固定为晶振频率的1/64，晶振频率为11.0592MHz，定时器T1设为8位自动重载模式，用于产生波特率，TH1与TL1初值均赋值为FDH。将EA赋为1，设为中断总允许状态。电源控制寄存器PCON清零，使波特率不倍增。TR1置1,启动定时器1,并且IE置0，关闭任何中断。发送数据发送8位的传感器采集数据和16位的三表数据。建立循环,先把三表数据的低8位放入SBUF中，等待传送，此时TI置位，接着再将TI清零。接着三表数据高8位，放入SBUF中，等待传送；而传感器采集数据直接放入SBUF中，等待传送。接收数据接收计算机发来的控制命令，在串行接收中断标志RI=0的条件下，置允许接收位REN=1,就会启动接收过程，一帧数据进入输入移位寄存器，并转载到接收SBUF中，同时使RI=1.然后把SBUF的数据放入变量receive中，检测其数值.根据下表中的约定分析接收的数据为哪种控制命令。表4.1控制命令表控制模式模式命令相应功能00000000电灯打开00001门打开00000010电器启动00011窗帘打开00100窗帘关闭00100000灯最暗00001灯较暗00010灯次暗00011灯亮度适中00100灯稍亮00101灯次亮00110灯较亮00111灯最亮01000000语音模式100001语音模式200010语音模式300011语音模式400100语音模式500101语音模式600110语音模式700111语音模式8LCD液晶显示器程序CGM-12232型LCD液晶显示器软件设计从底层写起，逐步提高，最后完成显示一个code区域的数据功能。即从向LCD液晶显示器发送一字节数据或指令写起，逐步上升，最后到画出一个指定开始列，上下层，图形的宽度，图形指针固定高度为16的图。汉字和数字字符都是通过“画”这种图来得到的。(1)向LCD液晶显示器发送一字节数据或指令子程序程序原型如下：调用方式：voidsend_mi(ucharinstuction)函数说明：发指令instuction到主窗口。调用方式：voidsend_si(ucharinstuction)函数说明：发指令instuction到从窗口。调用方式：voidOutMD(uchari)函数说明：发数据data到主窗口。调用方式：voidsend_sd(uchardata)函数说明：发数据data到从窗口。首先确定要向主芯片，还是从芯片发送，然后判断芯片是否忙，忙则等待，不忙则可以发数据或指令，然后把选中的芯片取消选中。(2)芯片判忙子程序函数原型如下：调用方式：voidwait_ready(void)函数说明：等待LCD内部操作完成，判忙。芯片判忙是本系统唯一读LCD液晶显示子程序。读取当前LCD状态，以判断LCD是否忙，用到的是读状态指令这条指令。读出数据和0x80相“与”，直到结果为0为止也就是等待读状态指令里面读出的BUSY位为止，说明芯片不忙。(3)LCD液晶屏初始化子程序程序原型如下：调用方式：voidlcd_init(void)函数说明：12232LCD液晶屏初始化，开机后仅调用一次。仅开机时调用一次，主要负责设置LCD液晶屏的一些状态。主要包括：主、从芯片复位；关主、从芯片显示；设置主、从芯片动态显示；设置主、从芯片1/32占空比；设置主、从芯片时钟线模式；主、从芯片改写指令结束；设置主、从芯片起始行0行起始列0列；液晶初始化返回。(4)清屏子程序程序原型如下：调用方式：voidlcd_clr(void)函数说明：清屏。起始清屏子程序是在整个画面上画一个空白的图片。SED1520F0A类似与FlashROM芯片，但刚好与FlashROM相反°FlashROM置0是只要把0写进去即可，置1则需要擦除；可以在原来1的基础上把1变为0，而不可以把0变为1.而SED1520F0A可以把原来的0变为1,但不可把原来的1变为0，即与FlashROM相反。因此在每次要重新显示画面时必须调用清屏程序。(6)画图子程序程序原型如下：调用方式：voiddraw_bmp(ucharcol,ucharlayer,ucharwidth,uchar*bmp)函数说明：画一个图，横坐标是col,layer表示上下层，width是图形的宽，高固定为16,bmp是图形指针，使用Zimo3Pro软件，采用纵向取模，字节倒序得到数据。画图子程序是LCD初始化完成后，对LCD液晶显示器惟一的操作函数，是操作LCD液晶显示器的基础。显示子程序显示子程序将传感器采集的数据、三表数据选择一个显示到LCD液晶显示器。.显示传感器采集数据对应的显示格式为：“XXXXXXXX”。显示的信息为：厨房温度：适中/过高阳台温度：适中/过低过高或较低的范围根据不同季节而设置。传感器信号为1时显示时钟，为0时显示过高（过低）。由于各路传感器是分别接在单片机IO口上的，在进行显示前必须将8路传感器信号排列先后顺序,循环轮流显示各路信号。一次显示两路信号,分为上下层显示。具体流程图如图4.2所示。.水、电、煤气三表数据显示对应的显示格式为：“XXXX”。显示的信息为：使用水量 1XXXX.X在设计中规定水流过一定的数量后单片机计算一个脉冲，根据脉冲数和所规定的数量值最后算出水的实际数量。电表和煤气表也是同样的计数原理。具体流程图如图4.3所示。：处理第2组的二进制数据：处理第4组的二进制数据返回图4.2传感器信号显示程序流程图图4.3水/电/煤气数据显示流程图4.5语音子程序单片机控制ISD4004放音时必须严格按照以下步骤操作：首先要调用上电指令，然后至少延时25ms,接着设置放音起始地址（在ISD4004中，每段语音都对应一个起始地址）和调用放音指令。系统调试可以首先测量ISD4004的工作电压是否3V，如果是则进入下级调试。再看是否可以送入放音地址，是否可以放音，对此可以测量OUT引脚的电压，若为1.2丫左右，则说明可以读入放音地址，如果没有听到放音则调试后级放音电路，看是否是后即电路有问题。由于单片机没有SPI接口，语音录放时必须采用软件模拟实现同ISD4004数据传输。具体流程图如图4.4所示。图4.4语音子程序流程图下面是部分关键程序：voidfangyin()//放音操作{powerup();//上电操作delay_25ms();〃延时25mssetplay();//设放音地址play();//放音delay_20s();〃连续放音20s}voidluyin(){powerup();//录音操作delay_25ms();setrecord();//设置录音地址record();//录音delay60s;//录音1秒}voidpowerup{uchark=0x20; //k为上电指令CS=0;tranfer(k); //传送kdelay_25ms();CS=1;}语音服务功能具有较高的实用价值，采用中断的方式进行模式设定。仿真时先按下一个和单片机外部中断口连接的按键，产生一个中断，使单片机从检测子程序中跳出，进入模式设定子程序，通过键盘进行模式设定，设置完毕，单片机返回检测子程序。例如，主人正在休息不希望他人打扰，则可设置为模式1，当他人按门铃是，语音芯片播放预置内容，如“对不起，主人正在休息，请稍后再来。”根据使用需要，可以将自己的声音甚至音乐录入语音芯片之中，通过不同的模式设定实现多种语音服务。传感器数据采集程序图4.5传感