【《家用智能总线式开关系统设计》8900字（论文）】

ⅡⅡⅡPAGEPAGE1家用智能总线式开关系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u140531.1研究现状 1242421.2课题研究的目的和意义 234231.3国内外概况 3263781.4课题研究内容 3248702设计综述 4299252.1单片机工作原理 4115542.1.1单片机概述 4319862.1.2单片机的应用领域及发展趋势 4274192.2单片机控制显示屏的方法 6292552.3KEIL开发系统 6267472.4PROTEUS操作 1083633硬件设计 11117503.1总体方案设计 11309193.2单片机最小系统设计电路 1190653.3发射接收模块 12322563.4显示模块 12161813.5按键模块 14100773.6蜂鸣器报警电路设计 15203494系统软件设计 17188234.2程序设计流程图 1719465调试与仿真结果 18323805.1软件调试 1895905.2仿真结果 1828889总结 201绪论1.1研究现状在上个世纪八十年代，智能家居开始慢慢的在欧美国家出现，日本也紧随其后，开始逐步的发展，并在九十年代的时候传入我国。智能家居伴随着我国房地产行业的迅速的发展而快速发展起来。目前高科技的智能家局越来越多，信息技术应用越来越广泛，我们离一个舒适、安全、便捷的生活环境也是更进一步，它并不是一个遥不可及的梦想，而且越来越贴近我们的生活。智能家居中的基础就是家用的智能总线式开关，没有他的话便不会有智能家居，所以家用智能总线开关的重要性可想而知。因为它让人们拥有比以前要更轻松、舒适、有秩序的生活环境，所以目前家用智能总线开关已经成为了房地产商们追逐的热门。现在已经有一部分房子配备了家用智能总线开关。所以我相信在今后的生活中，一定会有越多越多的人们去选择使用家用智能开关，家用智能总线开关肯定会更好的造福人类，为我们提供更好的生活环境。并且它的发展前景也是非常广阔。1.2课题研究的目的和意义智能总线式开关使得企业在不一样环境下进行存储管理变成了一件可能的事情，并且同时降低了企业的SAM费用，为大量存在的存储区域网络的延伸性以及可量测性提供了保障。但是目前智能总线式开关在依然是处于发展中的阶段，这对于一些小型的企业来说并不是一个很好的消息，但是好消息是家用智能总线式开关系统在近些年来的取得了非常迅速的发展和进步，一个好的家用智能总线式开关被越来越多的家庭所需要，因为目前的人群对于智能家居十分欢迎，并且人们家里有了越来越多的智能家居，比方说地暖，中央空调，这些都是以前从来没有的新型家居，所以如何控制他们就变成了一个尤为重要的问题，近年来的家用智能总线式开关系统飞速发展，许许多多家庭需要智能总线式开关系统来让自己的生活更上一层楼。因为随着人们生活水平的提高，中国经济的飞速发展，人们已不满足于现状，大家想要一个舒适程度和居住环境更好的家。智能总线式开关的发展因此有了非常良好的市场空间。目前非常多的企业开始慢慢导入智能开关的技术，家用智能总线式开关系统有了越来越好的发展水平和市场景。目前，传统的单一开关的局限性已经被暴露出来，随着生活水平的提高，消费者希望追求更好的生活的品质，面对如此庞大市场需求，方便智能实用的家用智能开关取代传统的开关已经成为了一种大势所趋的必然。当代无线技术的出现使得人们对智能开关更加的向往，而未来的智慧城市的建设使得智能开关更迅速，广泛的普及，通过无线网络远程的控制智能家居。利用无线通讯数据传输，计算机等技术，建立一个家庭智能照明控制系统，可以实现对家用的照明设备的智能控制，并且可以调节灯光强弱的亮度、灯光的自动启动、灯光的定时控制、设置场景等一系列功能，并达到安全、节约、方便、舒适的特色。就像人们所期盼的的那样即时改变。在某些复杂精密的SAN中，智能开关是一个已有十多年历史的，从技术上说和目前比较相似的产品。最早最早的智能开关在二十世纪八十年代的电话网络中出现，主要是用来进行自动电话选路。之后，其他的通讯网络也开始有相似的智能开关应用慢慢出现，包括二十世纪九十年代在发展中的因特网。从目前的市场和消费者的需求来说，智能开关的市场还在初步发展的阶段，因为要伴随其他一些智能产品的普及和发展，智能开关才有更大的市场需求。1.3国内外概况在国内，家用智能总线式开关的发展非常迅速，房屋产业化的发展而快速发展带来需求的增加，尤其是近年来越来越多的智能家居的出现，使得我们可以有一个非常舒适的生活，所以我们对智能开关的需求也大大的增加了。智能家居中的基础就是家用的智能总线式开关，没有他的话便不会有智能家居，所以家用智能总线开关的重要性可想而知。二十世纪八十年代的时候，在欧美国家和日本，智能家居悄然兴起，现在欧美国家对于智能开关的需求也日渐提高，一个强大的家用智能开关能够为人们提供比以前更要轻松、有秩序、高效果的生活环境，所以家用智能总线开关已经成为了房地产商们追逐的热门。因此现在部分房子都已经配备了家用智能总线开关。所以相信在不远的将来，家用智能总线开关肯定会更好的造福人类，提供更好的生活环境。并且它的发展前景也是非常广阔，良好的。1.4课题研究内容这一次的课题研究内容是家用智能总线式开关，它的开关控制的电路主要由单片机AT89C52实现。单片机控制系统如果想要进行良好的控制，它的软件部分就是核心和灵魂，一个好的软件对一个单片机控制系统的功能实现和可靠性是有非常大的影响的。本系统的软件由两大部分组成：一部分是主机程序，一部分是分机程序。最重要的目标就是实现对家用电器的控制。本次任务是使用AT89C52单片机实现远程遥控技术和总线开关技术来设计和制作一个家用智能总线式开关系统，使用遥控的方式替代传统的人体机械式翻转开关，从而实现一体式家庭电器控制，即可设计固定位置总开关，控制每一个房间的电器设备，并能成功正确显示每个房间的电器设备状态。而且还要用显示屏显示婴儿房间的温度，并设置报警系统硬件电路系统。PAGEPAGE42设计综述2.1单片机工作原理2.1.1单片机概述单片机是一种微型处理器,这种处理器造型精巧,结构细腻,并且是可以编程控制的,编程采用的代码主要是C语言代码。但是在其内部进行实际的数据读取的时候,其本质是将C语言代码个编译成单片机可以识别的机械语言,即汇编语言进行指令的发送,在位操作和寄存器的配置中,其本质也都是汇编语言在进行信息的传递和指令的表达。但是在实际的设计使用操作过程中,我们更迫切需要的还还是学习掌握基于单片机的一些基础硬件编程设计语言以及了解单片机的各个处理总线之间的相互关系,包括地址总线、数据总线和信号控制处理总线,三种总线之间的位数不一样,这直接影响到了单片机的处理数据的能力。在性能比较强的单片机中,一般来说,往往可以很大程度上满足大部分的开发需求。下图示的是这种单片机的基本硬件组成结构框图，如软件图2.1所示。图2.1单片机结构图2.1.2单片机的应用领域及发展趋势51单片机是目前市场中比较常用的一款单片机,由于其引脚丰富,并且功能强大,在很多的地方都会使用到它作为核心处理芯片。在51单片机中,一般是通过对寄存器的配置和对引脚的配置来实现对数据的处理,并通过对引脚IO的输入输出的配置,实现对数字信号的处理。在了解单片机的概念之前，我们可以先了解一下微型计算机。微型计算机的发展已经有将近五十年的历史了，它主要包括中央处理单元，只读存储器和随机存取存储器，输入/输出接口以及一些其他功能组件，例如定时器/计数器和中断系统。这些模块通过总线技术连接，包括地址总线，数据总线和控制总线，如果需要，外部设备与它们连接，它可以通过I/O接口与外部设备或外围芯片连接。单片机也是一种微型计算机，它把微型计算机的主要部件集成到一个芯片中。这种微型计算机不包括输入/输出设备，也没有外部设备。它相当于没有显示器、键盘和监控程序的单板计算机。然而，在组成和功能上，单片机没有显示器、键盘和监控程序，已经具备了计算机系统的特性。单片机的主要应用是在控制领域，它可以用来采集数据，进行各种测试，参与各种控制，并与各种传感器相连，实现温湿度数据的采集和监测。一般来说，单片机在应用时往往处于核心地位，并融入其中，以嵌入式方式使用。单片机本身是一种集成电路芯片，主要采用大规模集成电路技术处理中央处理器CPU、RAM、ROM、I/O、中断系统和定时器，etc.The功能集中在一个微小的硅膜上，形成一个完整的微机系统。在本设计中，我们使用的是51单片机。这款单片机是目前市场上所有的单片机中，功耗最低的一款单片机。51单片机是目前市场上最新的8位单片机，这款单片机的优势不仅仅是在于它的功耗小，更重要的是这款单片机运行速度极快，并且由于其开发语言也是c语言，因此，在开发起来以及程序的编写上也会更加的得心应手。51单片机的指令结构采用的是RISC精简指令，在使用起来会发现所需要使用的代码量大大减少，这也是51单片机的处理速度快，代码执行效率高的原因之一。不同于其他单片机（AVR系列单片机除外），51单片机的操作是对位来进行读写操作的，不同的模块只需要配置好对应模块的位的值即可。如图2.2所示。图2.2单片机原理图2.2单片机控制显示屏的方法对于LCD1602显示屏来说,显示屏电路的设计是一个十分重要的模块。LCD1602显示屏的大小合适,对于使用者来说,可以直接读取上面的信息,保证在第一时间获取到最准确的温度信息和设置的参数信息。该显示屏由16x2个点阵组成,通过点阵的配合实现对数字的显示,是一种功能强大的显示屏。LCD1602显示屏的显示屏幕只有双行，并且只需要16个接口，屏幕双行可以足够显示需要的参数的数值。并且LCD1602显示屏不需要导入中文字库，直接通过显示字符的方式来显示，其亮度调节上可以在专门的引脚上增加电位器即可对显示屏的对比度进行调节，并且整个显示屏的功耗较低，可以满足整个系统低功耗的设计目标，因此使用LCD1602显示屏。2.3KEIL开发系统MDK这是Keil公司一个集成式的开发编译环境μvisionide和ARM公司高效能的编译开发工具μcrvct的完美巧妙结合。它适合各个年龄段之间的的软件开发者学习使用,其中包括从事专业的软件应用程序设计开发工程师以及从事嵌入式软件系统开发的新手和入门者。MDK主要包含下面的四个核心组成部分:μvisionide:i这是一个集开发项目管理器、源代码文件编辑器、调试器于一身的超强软件集成系统开发应用环境。RVCT:ARM公司提供的编译工具链,包含链接器、汇编器、编译器和相关工具。RL-ARM:实时库,可以把它当成一个工程库来使用。ulinkusb-jtag硬件仿真器:一个应用于调试连接多个目标系统的硬件调试程序接口,帮助用户在连接目标系统硬件上调试程序。在使用MDK作为开发工具时,一般分为以下几步:(1)首先需要新建一个目标工程,从数据处理编译器库中手动地选择一个目标工程芯片,配置一个工程组和编译器运行环境(2)用c或c++语言或者其他的汇编语言自行编写源代码文件(3)编译目标应用程序(4)修改源程序中的错误(5)测试链接应用程序在启动工程中,首先需要创建一个新的启动工程并为其选择相应于对应的一个处理器,之后对其进行配置为该处理器进行启动工程代码,创建源代码文件及配置文件源数组,最后对其进行创建编译器并链接完成工程。软件开发界面如图2.3所示图2.3软件开发界面为了对整个系统在实际得使用前进行仿真,本设计中通过在线调试得方式,。一步一步来完善整个系统,采用的在线调试的工具是ST-LINK,这种在线调试的方式是十分简洁的,并且在编译代码之后,可以通过直接下载的方式进行hex文件的烧录,将hex文件烧录之后,就可以实现单步调试和断点调试等功能,但是在仿真之前,一定要选择正确自己采用的调试方法,选择与自己仿真器相对应的配置如图2.4所示：图2.4仿真配置调试界面如图2.5所示。图2.5调试界面调试代码完成之后，接下来就是正式代码的烧录工作，在进行烧录代码的时候，烧录的其实就是hex文件，这是一个可执行文件，可以在加载进入单片机之后实现系统的运行，其主要步骤有以下几点：进入设置界面，将单片机连上下载器，在工程模式下，进入设置界面，如下图2.6；图2.6程序下载框编译工程，产生HEX文件，见图2.7；图2.7生成HEX文件在Debug选项中进行设置，如图2.8；图2.8对应设置（4）点击下载按钮，将程序烧录到单片机中，完成下载。2.4PROTEUS操作Proteus主要是用来进行仿真的工具，该工具可以仿真多种元器件，这些元器件可以在系统中进行相互配合，类似于实物的设计，可以在进行实物的设计之前可以对实验得结果有一个预期的判断，保证在进行实物设计的时候不会产生意外情况。Proteus的仿真界面示意图如图2.9所示。图2.9Proteus仿真图PAGE18PAGE183硬件设计3.1总体方案设计家用智能总线式的硬件电路总体设计如下：发射模块放在外机遥控器上，接收模块放在内机板子上，从而实现遥控控制技术，它可以对内机进行调节，设置婴儿房报警温度上限下限。模块NFR2401是一个低功耗无线模块。显示模块用的是字符型液晶显示模块LCD1602，这是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD。用来显示系统目前的操作模式，以及当前的温度，还有温度报警的的值。温度感应模块采用DS18B20，蜂鸣器来实现报警功能。按键模块来控制三个灯泡的亮灭及实现家用电器的开关，并且进行婴儿房报警温度的设置调节。3.2单片机最小系统设计电路单片机的最小系统由单芯片微型计算机，复位电路和晶体振荡器电路组成。STC89C52单片机用于本次的设计。该单片机是由STC公司生产的低功耗，高性能CMOS8位微控制器。它有8K系统可编程闪存，与传统的51单片机相比，它的抗干扰能力非常良好，更为出色。SCM主要负责LCD的控制和显示。单片机最小系统原理图如如图3.1所示。图3.1单片机最小系统原理图3.3发射接收模块发射模块放在外机的遥控器上，接收模块放在内机板子上，实现了遥控控制技术，可以对内机进行调节，设置婴儿房报警温度上限下限。模块NFR2401是一个基于TI公司的CC2541F256芯片所设计的低功耗无线模块。GND是接地端；VCC端接3.3V电压；BRTS设置为低电平；BCMD设置为高电平，即透传模式；RXD和TXD分别与单片机的TXD和RXD相连，实现串口通信；当COON为高电平时，表示NFR模块已连接，可以外接一个LED来指示连接状态。该模块具的功耗低，信号强，抗干扰能力棒，是一款非常强大的无线模块，能够快速同上位机NFR相连，稳定传输数据。本次设计中的NFR模块设置为从机模式，采用NFR进行数据传输，其中波特率为9600bps，数据帧为8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。NFR模块主要用来接收下位机传输的数据参数，其中数据采用字节数组的格式来进行通信。其原理图如图3.2所示。图3.2NFR模块原理图3.4显示模块本次设计中的显示模块采用的是字符型液晶显示模块，这种点阵式LCD专门用来显示字母、数字、符号。显示目前系统的操作模式，当前的温度，还有达到温度报警的温度值。在之前的介绍中我们已经了解到，LCD1602显示屏可以显示字符或者各种图形。这种类型的显示屏占用的单片机的引脚比较少，所以对于传输的速度以及准确度上来说，这也是极其具有优势的一种显示屏。在本设计中将LCD1602的显示屏的数据传输总线与51单片机P0引脚相连接，首先是以51单片机作为主机，LCD1602将需要显示的数据从核心控制芯片单片机中获取。一般来说，该显示屏只要负责接收来自主控制芯片单片机发送过来的数据。本次设计所用的液晶显示器为字符型液晶显示器,即为能显示2行，每行16位的液晶显示器。其主要参数有：LCD1602主要技术参数：（a）显示容量:2×16个字符（b）芯片工作电压:4.5—5.5V（c）工作电流:2.0mA(5.0V)（d）显示模块最佳工作电压:5.0V（e）字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mmLCD1602引脚功能说明：液晶显示器LCD1602的各引脚接口说明如下所示：表3.1LCD1602引脚接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极1602液晶模块内部的控制器常用的有以下控制指令，如下表所示：表3.2LCD1602的控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**在使用液晶显示器时每次都需对液晶显示器进行初始化。LCD1602的一般初始化(复位)过程为：延时15ms；写指令38H（不检测忙信号）；延时5ms；写指令38H（不检测忙信号）；延时5ms；写指令38H（不检测忙信号）；写指令38H：显示模式设置；写指令08H：显示关闭；写指令01H：显示清屏；写指令06H：显示光标移动设置；写指令0CH：显示开及光标设置。该模块的设计原理图如图3.3所示。图3.3显示屏模块设计原理图3.5按键模块按键模块采用的是一种使用的比较广泛的按键，这种按键外形比较美观，手感舒适，比较适用于家庭生活中。安装起来方便快捷，使用起来质量稳定，使用寿命相比较于触摸式按键较长，不但价格低廉，而且具有防火、放水和防油脂的特点，其功耗较小，可以很方便的应用在单片机为核心控制芯片的系统中。在本按键控制模块中，主要有Led灯开关和温度上下限的控制以及位切换的开关，通过这三个开关可以实现对各个模块的通断控制。本模块中的按键一共有4个引脚，其中的5，6，7，8号引脚与地连接，当按下其他按键的时候，该按键会与地线导通，因此只需要判断按键连接的引脚是否为低电平就可以确定出哪一个按键被按下。在使用的过程中，当某一参数需要进行选择的时候。通过对按键的按下可以实现对多种功能的控制。其原理图如图3.4所示图3.4按键控制模块3.6蜂鸣器报警电路设计本次设计中的温度报警模块是通过蜂鸣器进行提示，这里采用蜂鸣器和三极管集电极相连接，发射极和5v的电源相连接，基极和单片机的控制引脚相连接，当单片机控制引脚输出低电平时，三极管导通，此时蜂鸣器就会响起，用中断定时，实现一秒钟响一次；当单片机输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器就会停止工作。对于普通的蜂鸣器来说，只需要通过控制单片机的高低电平信号输出来控制蜂鸣器的工作来实现指示功能。将单片机的引脚同蜂鸣器的正极相连接，当单片机的引脚输出高电平的时候，NPN型三极管C9013导通，led就会亮起；当该引脚输出低电平的时候，三极管处于未导通状态，此时的蜂鸣器就不会发出声音，保持一个准备鸣叫状态。蜂鸣器模块的总电路设计原理图如图3.5所示。图3.5蜂鸣器报警设计原理图3.7温度检测模块本次设计中的温度检测模块采用的是DS18b20温度传感器，这款传感器是一种数字式的温度传感器，并且只有单线输出，使用起来方便快捷。除此之外，这款传感器的应用范围极其广泛，可以应用在各种复杂的环境下。经测试，在水下进行测温，DS18b20仍然可以准确地测量其温度。DS18b20的成本也是很低的，在设计中使用可以降低整个装置的成本，这对于整个设计来讲可以大大降低整个系统的设计成本，便于今后的推广使用。DS18b20采取的读数方式是9位读数，而这9位数据只需要一根线就可以将数据传输到DS18b20传感器中来，这样一来，只需要一根线，就可以完成单片机和温度传感器之间的数据传输。该模块的设计原理图如图3.6所示。图3.6温度检测模块原理图4系统软件设计4.1程序设计原理在开发好硬件电路的设计模块之后,接下来就是进行软件代码的编写。在进行代码的编写之前,我们首先要明确以下几点设计。首先就是代码变得模块功能有哪几个,经过和硬件电路的对比分析,主要的的软件代码的设计主要是分为温度检测模块电路代码的编写、自动转动系统软件代码的编写以及上位机上通过Keil开发的软件程序的实现。在实际的设计中我们将整个系统中各个模块的设计独立开来进行设计,功能一个一个的实现出来,再将其整合在一起,那么就可以实现我们最终的系统的所有功能目标。4.2程序设计流程图在实际的设计中,我们需要对整个系统的设计进行一个流程的分析,根据系统功能实现的流程来对整个模块的代码进行编写。首先就是整个设计中需要哪些功能的实现,在明确了设计的目标功能之后,将其实现逻辑通过流程图的方式表达出来,为之后的软件开发工作做好准备。整个系统代码实现的流程图如图4.1所示图4.1程序设计流程图5调试与仿真结果5.1软件调试在进行系统的验证实验之前,我们首先要保证硬件电路的连接的完整性,这是因为整个系统是十分的精细的,千万不可以有短路等情况的发生,不然整个系统就会被烧坏,导致整个系统的功能的失效。只有在保证硬件电路完善的情况下,才可以进行代码的烧录。5.2仿真结果下面是系统的设计图,如图5.1所示：图5.1系统设计图确定主程序和所有子程序后，下一步要做的就是调试硬件和软件。在调试期间，主要工作是测试一个个功能是否实现并获取数据结果。如果发现