【《基于单片机的智能家居系统设计》9100字（论文）】

图3.1系统硬件原理图：图3.SEQ图\*ARABIC\s21系统硬件原理图3.2STC89C52概述STC89C52单片机的作用是控制各种传感器和外设，自行计算处理得到的数据和信号，并进行相应的操作，在工业生产中起到大脑的作用。相比于日常生活中使用的电脑，单片机只能称得上微小电路集成系统，能起到的作用非常有限，只能处理一些简单的控制工作。单片机的应用非常广泛，绝大部分电器都是采用单片机进行控制，家里的大家电，比如冰箱、空调、洗衣机、电视机，小到遥控器、鼠标、键盘、闹钟。其里面都包含一个或者多个单片机。STC89C52单片机相较于51单片机，拥有更大的存储器和RAM，采用MCS-51内核用于高强度计算，32个I/O口可以连接更多的外设和传感器，8K字节的FLASH存储器可以进行更多的计算缓存，521字节的RAM大大提高的反应速度。STC89C52单片机的烧录也非常简单，通过TX和RX口，采用对应的编译器就可以将程序烧录进去。是一款便宜、简单和高性能的单片机。3.3按键控制电路单片机的按键控制电路是由4个微动开关并联组成的电路，按键开关的检测其原理就是高低电平的检测。按键开关由于其拨动时间，难免产生误差，所以在编写按键函数时，要额外写一个去抖函数，提高精确性。本次设计人体红外和温度报警上限值就是通过按键设置的，同时还可以设置接收信息手机号码。按键1代表增，按键2代表减，按键3确定设定的值，按键4返回。按键控制电路原理图如图3.3所示：图3.3按键控制电路3.4电源电路与报警电路电源：电源座子的2口引脚接地，3口引脚仅仅起到固定的作用，没有特殊的用处，1口引脚连接到电源开关的3口引脚，电源开关的1、3口引脚和4、6口引脚的作用相同，用于电源的正极输出。电源开关的2、5口引脚作为单片机的接地引脚，在使用时采取相对的选择，即选择1、3口引脚作为输出，那么就要选择5口引脚作为接地引脚，选择4、6引脚作为输出端口，2口引脚则作为接地引脚。本次单片机的传感器和无线传输芯片的电压都在5V内，所以5V的电压足够满足。若有12V或者其他电压的传感器，则可以采取升压模块将5V提升到更高的电压，进行供电。本次设计的电源电路如图3.4.1所示：图3.4.1电源电路报警：当按键设置好烟雾温度浓度的上限值或者是开启防盗模数人体红外感应到有人后，单片机就进行循环监测，时刻监测温度和是否有人，并和报警上限进行比较。本次报警电路主要分为二部分，分别是蜂鸣器报警，短信报警。下面介绍一下蜂鸣器的工作原理，蜂鸣器是一种蜂鸣元器件，供电时就进行蜂鸣，操作非常简单。市场上有很多蜂鸣器,我们选择提供5V电源的蜂鸣器被认为是实用的。当我们使用蜂鸣器时,我们有一个小技巧。如果我们觉得蜂鸣器不够响,我们可以把蜂鸣器顶部的纸去掉。在本次设计中，当检测到温度或者人体红外浓度高于报警上限时，蜂鸣器报警。蜂鸣器电路如图3.4.2所示：图3.4.2蜂鸣器报警电路3.5LCD1602液晶显示电路当单片机系统检测到温度和人体红外农行都采集到之后，单片机控制显示器显示当前的温度和是否有人，这里我们选用操作简单的LCD1602液晶显示器作为输出显示器，其工作原理是利用液晶的特性，其显示内容可以根据电压进行控制，通过对电压的微调，从而显示出数字、字符、字母等一些数据。图3.7是LCD1602液晶屏的引脚图。在和单片机进行通信时，和P0口进行连接，中间要有上拉电阻进行连接。本次设计LCD1602液晶显示屏上展示检测到的温度、人体红外值和其报警上限值。其引脚连接图如图3.5所示：图3.5LCD1602液晶显示电路图3.6SIM800模块电路一旦检测到超过我们设置的温度或者烟雾上限值时，STM89C52单片机就会通过SIM800短信模块发送到设定的手机号上，。当人体红外感应模块检测到有人存在时，就会发送短信进行提示。本设计采用的通信模块为SIM800，此模块具有体积小，价格便宜，发送短信时间快等特点。被广泛的运用在通信设置中。电路中接二极管是为了防止发送短时后会产生一个较大的反向电流，击穿芯片。电解电容为1000UF为发送短信提供足够的条件。通信方式采用的是串口通信。GSM模块电路原理图如图3.6所示：图3.6sim800模块电路3.7温度传感器模块电路与人体红外传感器模块电路DS18B20传感器是市场上采用的温度传感器。此传感器占用的面积非常简单，精度为0.2.采用的是单总线的数据传输方式。这个传感器抗干扰能力非常的强，经常用于高炉测温、机房检测、家庭温度控制等方面适合于很多空间比较小的场合和数字温度检测等领域。这款温度传感器转换时间为75ns，检测的结果以数字量方式串行传送。单片机将检测到的数据解析，得出温度的具体数值，最终显示在液晶屏上。温度菲涅耳透镜具有两种功能：一种是聚焦功能，第二种是将检测区域划分为几个明暗区域，以便进入检测区域的移动物体可以以温度变化的形式在PIR上产生热解红外信号。图3图3.7信号产生输出示意图3.8传感器及信号处理电路3.8.1红外线传感器检测对象检测对象菲涅尔透镜热释电红外传感器信号处理电路Vm图3.8.1人体检测电路组成框图3.8.2信号处理电路本设计采用BIS0001来完成对传感器输出信号的处理。以及封锁时间定时器等构成。BIS0001的引脚图如图3-5所示图3.8.2BIS0001的引脚图由BIS0001构成的信号处理电路如图3.8.3所示。图3.8.3BIS0001的红外开关应用电路图3.9烟雾检测模块本设计中采用的MQ-2型烟雾报警器的材料是二氧化锡半导体，它是一种表面的离子式N型半导体。当温度在200~300°C时，空气中的氧被二氧化锡所吸附，吸附了氧的负离子，减少了其中的电子密度，进而增加了它的电阻值。但接触到烟雾后，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，这样会让电导率同样发生变化。利用这特征我们就可以得到这种烟雾存在的信息。ADC0832模数转换器电路如下：图3.9ADC0832模数转换器电路3.10继电器控制电路与复位按键当发生烟雾报警的时候，单片机会控制继电器闭合开启水泵灭火。 电磁继电器工作原理和特性：图3.10.1继电器原理图本次设计是按键复位方式，复位其实也可以理解为单片机程序从头开始跑，因为单片机做跑程序的时候不会向人一样来进行思考，要不就是根据指令来处理数据，比如中断等。单片机所指的初始化，其实就是程序从头开始跑。我们经常减见到的现象比如电脑死机，我们需要重新启动一下电源才可以。它可以让CPU和其他功能处于一个初始状态，而且这个状态会从单片机的main函数开始工作。以8051为内涵的51单片机在跑程序的时候需要初始化一下，其实这我们编写程序的时候就可以知道，很多模块或者是芯片在写程序的时候都通常需要来写一个初始化。这样不单单可以让以前放入的数据进行一个清理。所以单片机复位是看起来比较简单其实是一个很复杂的一个操作过程。任何单片机都有复位按键，在断电后也会要求复位，比如当程序运行到有问题卡死时也需要进行复位按键操作，通常采用上电复位和按键复位这两种方式。按键复位电路如图3.10.2所示，图3.10.2复位电路图四软件系统设计4.1软件主程序架构当硬件端设计调试完成后，就要针对单片机和外设传感器进行软件设计。系统设计首先要构思清楚，首先画一个流程图，然后按照传感器先后顺序，进行系统设计。首先各个硬件开始初始化，温度传感器，人体红外传感器，LCD1602液晶屏，蜂鸣器，SIM800短信模块，之后各个模块开始工作，实时检测烟雾温度、是否有人，并进行相应的报警操作。启动的步骤为：GSM模块初始化，温度传感器检测当前温度，人体红外浓度传感器检测当前人体红外浓度。按键设置温度报警上限和人体红外浓度报警上限。当超出温度或者人体红外报警上限值时，蜂鸣器报警，对应的LED报警指示灯亮起，同时SIM800模块发送报警短信到手机。紧急按键用于发送紧急短信。4.2LCD1602显示流程图 本次设计采用LCD1602液晶屏作为显示器，LCD1602液晶显示屏上电后，进行LCD1602子函数中，首先进行屏幕初始化操作，屏幕上的数据清零，内部存储清空。之后和单片机进行双向通信，单片机控制显示屏亮度和显示内容，延时一定时间后，进入数据写入操作，将检测到的温度和是否有人显示在液晶显示屏上。此外，在设置温度和人体红外报警值上限时，根据按键操作，屏幕上实时变换数值。单片机操控写入引脚写入要显示内容的命令。之后显示屏执行指令，将内容显示出来。LCD1602显示流程图如如4.2所示：图4.2LCD1602初始化流程图4.3串口GSM函数流程图当GSM模块和单片机连接好后，插入一张SIM卡，进行供电，按下GSM模块的开关，电源指示灯亮起。首先进行串口初始化，这时LCD1602液晶显示屏上显示GSMINIT，之后单片机开启总中断，当有信号输出后，进入总中断，然后开启串口中断，当需要发送短信时，进入串口中断。之后启动定时器1，一定时间后发送报警短信，然后设置串口的工作方式，这里设置1，最后给定时器设置初值，整个流程进行完毕。串口初始化流程图如图4.3所示：图4.3GSM串口初始化流程图4.4温度检测流程图开启开关电源后，温度传感器开始工作，DS18B20数字温度测温模块首先初始化，然后读取DS18B20数字温度测温模块序列号，发送跳过RAM信号，之后进行温度转换，随后复位DS18B20数字温度测温模块，若无中断，则读取数据，若有中断，则继续回归到复位操作。图4.4温度检测流程图4.5按键子程序本次设计按键电路功能不多，分别是设置温度和人体红外浓度报警上限值和接收报警短信的手机号码。单片机的按键具有4个引脚，相同的一侧是连接的，4个按键并联在一起，只要将相同的引脚连接一起即可。按键的工作原理就是对低电平信号的检测，在主程序中，循环执行检测，一旦检测到按键低电平信号，单片机产生信号中断，进入按键子程序中。4个按键分别表示加、减、确定、返回。在不同页面表示不同的功能。分别用4个函数执行不同的操作，注意进行延时操作，防止误差。按键可以用来设置温度和人体红外的报警上限，接受短信号码。流程图如4.5所示：图4.5按键流程图4.6报警流程图主函数执行后，一直检测是否发生中断，首先通过按键设定好温度和人体红外浓度的报警上限，然后检测是否超出上限值，人体红外感应模块是否发出开关信号，烟雾温度和人体红外通过循环函数判断其值是否超出上限，当报警时，蜂鸣器报警，对应的LED报警指示灯亮起，同时SIM800发送报警短信到对应的手机上。报警流程图如图4.6所示：图4.6报警流程图4.7烟雾浓度程序流程图当烟雾采集到当前的数据后，把模拟量传输给adc0832进行处理，ADC0832进行初始化后，因为ADC0832有2个通道，所以要进行选择，本次设计选择的数据通道为0，然后进行读取数据，一个字节为8位，进行一位一位读取，把当前读取的信息转换为数字量，换算成当前的电压值。如图4.7所示：图4.7通信模块流程图五系统调试5.1焊接调试准备好所有的材料和电烙铁，按照设计好的电路板原理图，开始单片机电路板的焊接。首先将插排焊接上去，之后焊接单片机最小系统的晶振和复位电路。确定好LCD1602液晶显示屏位置，将上拉电阻焊接在P0口，之后通过导线连接显示屏。后面分别焊接各个传感器模块，温度传感器，人体红外浓度传感器，AD数模转换，震动传感器，SIM800短信模块，蜂鸣器，电源电路。最后用导线将各个模块按照电路图连接起来，确保没有出现短路现象。STC89C52单片机用烧录器将编译好的软件烧录进去，最后插入到插排上。用5V直流电源供电，按下开关，观察LCD1602液晶显示屏是否正常显示，正常显示后，说明显示电路正常，之后观察其他传感器是否正常工作，显示屏上是否有输出，如果正常显示，则一切都没问题，当出现问题时，就要找出具体出问题的部分，逐一解决。温度检测流程图如图5.1所示：图5.1温度检测流程图5.2功能调试单片机焊接测试没问题后，进行功能调试，测试软件是否正确。首先给单片机重新上电，这是LCD1602液晶屏和SIM800首先进行初始化操作，LCD1602液晶屏上应该出现“GSMINIT”，这一步没问题后，接下来测试各个传感器功能。LCD1602显示屏页面分为两行，上面显示测得的温度和人体红外浓度，单位是摄氏度和浓度，下面显示报警上限。将温度传感器和人体红外传感器放置于室内，检测几秒后，可以在LCD1602液晶显示屏上看到对应的温度、浓度值。按下按键，可以在LCD1602液晶显示屏上设温度和浓度报警的上限值。将温度传感器握在手中，使其超过设定的报警上下限值，这时蜂鸣器报警，点燃纸并放置在人体红外传感器下面，这时蜂鸣器报警。对应的LED报警灯亮起，单片机通过SIM800发送短信到手机上，可以看到手机接收到短信。可以观察到，报警时震动传感器工作，用于警示。按下紧急按键，可以在手机上接收到紧急短信。至此，所有功能测试完成。首先打开烧录软件然后查看端口号如下图所示：如果驱动都安装正确点击串口号，可以看到当前串口为串口3然后通过串口ttl选择程序的hex文件就可以下载程序点击串口助手 需要观察以下几点：要保证当前的串口号和打开的串口一样选择文本模式波特率一般是9600最后点击打开串口就可以了六总结从论文选题到毕业设计完成大概经过了三个多月的时间，在此期间，我查阅了很多资料，阅读了很多篇论文，终于完成了这个毕业设计。我做的这个系统是基于单片机的智能家居系统，主要实现家庭防火防盗的功能，单片机控制系统，检测是否有人，根据设定的温度和浓度上限去判断是否开启风扇和水泵，并通过GSM板块发送到主人手机。提醒人们家庭安全。设计的过程遇到了很多问题，如：由于温度传感器模块与微机处理器之间采用串行数据传送，因此，在对温度传感器进行程序编写时，必须严格保重读写时序，否则将无法读取温度结果。给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，在焊接电路时要防止电路的虚焊，电解电容和发光二极管的极性，以免儿器件损坏。以及开关焊接时要注意引脚问题，输入程序时要细心等细节。这个系统还有很多的不足之处，例如：元器件太多，不够简洁，另外，给手机发信息会产生费用，如果我们加上蓝牙模块或者WIFI模块，就能实现实时检测，会更方便，也使功能更加丰富。参考文献[1]杨扬.基于TC35i的智能传输系统[J].电子测试,2016(16).[2]赵欣.基于SIM300/TC35i无线GSM芯片实现短信远程控制TRT的研究[J].消费导刊,2017(30).[3]钱钧,惠王伟,高莹,等.RC滤波电路实验设计与研究[J].大学物理实验,2017,30(5):58-62.[4]刘文楷,苏宁宁,戴澜.霍尔传感器读出电路的低噪声运算放大器设计[J].电子世界,2016(17):79-80.[5]仝兆景,时俊岭,李月,等.基于无线通讯技术脉搏检测仪的设计与实现[J].计算机测量与控制,2017,25(1):242-244.[6]吕磊,邢睿,李锦程,等.多功能智能家居控