智能家居单片机控制新版系统毕业设计方案.doc

毕 业 设 计（论文）

（说 明 书）

题 目：
姓 名：
编 号：

平顶山工业职业技术学院
年 月 日

平顶山工业职业技术学院
毕 业 设 计 （论文） 任 务 书

姓名
专业
任 务 下 达 日 期 年 月 日
设计（论文）开始日期 年 月 日
设计（论文）完成日期 年 月 日
设计（论文）题目：
A·编制设计

B·设计专题（毕业论文）

指 导 教 师
系（部）主 任

年 月 日

平顶山工业职业技术学院
毕业设计（论文）答辩委员会统计

系 专业，学生 于 年 月 日
进行了毕业设计（论文）答辩。
设计题目：
专题（论文）题目：
指导老师：
答辩委员会依据学生提交毕业设计（论文）材料，依据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给学生 毕业设计（论文）成绩为 。
答辩委员会 人，出席 人
答辩委员会主任（签字）：
答辩委员会副主任（签字）：
答辩委员会委员： ， ， ，
， ， ，

平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语
第 页
共 页
学生姓名： 专业 年级
毕业设计（论文）题目：
评 阅 人：
指导老师： （签字） 年 月 日
成 绩：
系（科）主任： （签字） 年 月 日

毕业设计（论文）及答辩评语：

摘要 
智能家居作为家庭信息化实现方法，已经成为社会信息化发展关键组成部分，物联网因其巨大应用前景，将是智能家居产业发展过程中一个比较现实突破口，对智能家居产业发展含有重大意义。本文基于轻易实现，方便操作，贴近使用设计理念，采取单片机为控制关键，为控制终端，并采取包含红外遥控、按键、Web界面等在内多个控制源来控制家用电器。

Abstract 
Smart Home as the  implement  mode  of  Family Information  has become an important part of the social information development .The networking because of its huge prospect to develop .It will be a real way during the Smart Home`s development .Networking means a lot to the Smart Home .This article base on the design concept of trying to use easiest way to deliver handle and closing to use .We take the STC89C52 as the control core of the design .The relay as the control terminal mean .While we also use the trared remote control key webpage etc to control the home appliances .

目录
摘要..... ................................................................................................................................1
Abstract............................................. .................................................................................. 2
第1章 背景........................................................................................................................ 4
1.1智能家居概念....................................................................................................4
1.2智能家居控制系统功效........................................................................................5
第2章 总体设计................................................................................................................ 6
2.1整体介绍................................................................................................................6
2.2系统设计思绪.........................
2.3系统框图........................
2.3系统工作步骤 .................................................... 
2.4控制系统要求 ............................................................
2.2单片机控制系统设计分析 ...................................................... 
2.4远程控制系统设计分析....................................................
2.4硬件选型
2.4.4硬件方案介绍...........................................
3.1.单片机 ............................................... 
3.1.2 多频收发器.......................................... 
3.1.3 固态继电器 ................................................ 
2.5.1防火灾发生传感器 ................................................... 
2.5.2可燃气体泄漏传感器…………………...…………….
2.5.3防盗传感器 ......................................................... 
2.5.4 信号采集设计和分析 ................................................. 
2.6.1 串口转以太网模块 ...................................................... 
2.6.2 无线网络模块 .................................................. 
第3章 电路设计.............................................................................................................. 
3.2 控制电路设计 .....................................................
3.2.1链接检测电路 ....................................................... 
3.2.2 解码电路 .....................................................
3.3 电源电路设计 ......................................................... 
3.3.1 5V开关电源稳压器电路 .............................................. 
3.3.2 其它电源稳压器电路 ................................................. 
第4章  软件设计 ................................................. 
4.1.1 主控单片机系统软件设计 ............................................. 
4.2.1用户界面设计 ..................................................... 
第5章 系统仿真测试.....................
5.1使用仪器仪表及工具
5.2系统硬件测试
5.3软件测试
第6章  总结 ..................................................... 
谢  辞 ...................................................... 
参考文件.....................................................

第1章 背景
1.1智能家居概念 
    智能家居是以家为平台，兼备建筑、自动化，智能化于一体高效、舒适、安全、便利家居环境。家居智能化技术起源于美国。自动化智能家居不再是一幢被动建筑，相反，成了帮助主人尽可能利用时间工具，使家庭更为舒适、安全、高效和节能。 
智能家居是现代社会最热门话题之一，它目标是经过网络等信息通信技术手段实现对家居电器等智能控制，使其能够根据大家设定工作运行，而不管距离远近。智能化和远程控制是智能家居两大特点。现在，已经有越来越多机构和个人开始了对智能家居研究  
伴随网络技术发展，尤其是无线网络发展，网络化智能家居系统可提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多个功效和手段，使生活愈加舒适、便利和安全。
1.3智能家居控制系统功效 
智能家庭控制系统关键功效包含家庭设备自动控制、家庭安全防范二个方面。其中家庭设备自动监控包含电器设备集中、遥控、远距离异地(经过手机和Internet)监视、控制及数据采集。 
(1)家用电器监视和控制，根据预先所设定程序要求对热水器、微波炉、音响等家用电器进行监视和控制。 
(2)空调机监视、调整和控制，根据预先所设定程序，依据时间、温度、湿度等参数对空调机进行监视、调整和控制。 
(3)照明设备监视、调整和控制根据预先设定时间程序，分别对各个房间照明设备开、关进行控制，并可自动调整各个房间照度。 
(4)窗帘控制，根据预先设定时间程序，对窗帘开启/关闭进行控制。
第2章 总体设计
2.1 整体介绍
此次设计以单片机为控制关键，温度，湿度等传感器为环境信息采集源，以Web控制为辅助，来制作一个智能家居控制系统。在原有机械式按键开关基础上，采取无线遥控，和Web网页远程控制，来控制家用电器，实现了远距离，多角度对家用电器进行实时控制。另外在此次设计中，采取多个传感器想结合，智能依据各传感器采集数值进行自动化控制。并能够实现故障诊疗，数据实时数据和历史数据查询等功效。
2.2系统设计思绪
本设计采取MT8870系列单片机，分成电源模块、信息获取模块、报警模块、液晶显示模块四部分。总体方案设计关键是依据被控对象任务及工艺要求而确定，设计方法大致以下：依据系统要求，首先确定出系统是采取开环系统还是闭环系统，或是数据处理系统。选择检测元件，在确定总体方案时，必需首先选择好被测参数测量元件，它是影响控制系统精度关键原因之一。选择实施机构，实施机构是微型机控制系统关键组成部件之一。实施机构选择首先要和控制算法匹配，其次要依据被控对象实际情况确定，最终画出整个系统步骤图和原理图。
② 电源模块为系统提供5V电压
②信息获取模块由门窗信号传感器、烟雾传感器、可燃气体传感器等组成，实现对室内环境数据采集
③报警模块实现对信息预警处理，达成对家庭环境安全监控报警
④LCD液晶显示模块显示各传感器模块工作状态
2.3系统框图

2.3系统工作步骤
(1)硬件部分
智能家居控制系统其硬件部分关键由几大部分组成，即控制单元、传感器数据采集系统、网络模块接口和电源部分。交换网程控交换信令部分关键由MT8870和电压检测元件组成，它是系统中控制部分关键元件，它和控制单元组成控制部分功效；传感器数据采集系统、网络模块和控制单元完成报警等信号处理和发送；电源部分则为各个部分提供工作电源。
 (2)软件部分 
软件设计部分关键由五大部分组成：即数据采集和数据分析部分、交换网程控交换信令识别和分析部分、网络模块接口程序部分、分析控制部分。其中数据采集和数据分析部分和交换网程控交换信令识别需要作实时处理；网络模块接口程序部分和分析控制部分则是依据采集和交换网交换信令进行分时操作有利于提升系统效率。
2.4.2 控制要求
本设计此系统必需含有以下单元功
经过网络对异地电器实现控制（开/关）。
控制器能够实现自动连接断开。
控制器设置密码校验。
检测网络链接是否正常
自动链接断开
密码校验
在线修改密码
双频信号解码
输入信息分析 
控制电器开关
  电器状态查询

2.2单片机控制设计分析 
本系统是单片机在系统检测和工程控制方面应用，其特点是体积小，成本低，功效强，功耗低，是微机应用产品化最好机种之一，它已广泛地应用在产品智能化和工业自动化上。而把单片机嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。嵌入式系统通常分为四种:工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理。单片机嵌入式系统含有以下特点： 
3.面对控制对象。如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。
2.嵌入到工控应用系统中结构形态。 
1.突出控制功效。如对外部信息捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功效指令系统
单片机有专门为嵌入式应用系统设计体系结构和指令系统，最能满足嵌入式应用要求。单片机是完全按嵌入式系统要求设计单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统嵌入等要求，是发展最快、品种最多、数量最大嵌入式系统。
2.4.1远程控制系统设计分析
系统控制器接收远端发送来加密信号、并对其进行解码，解码后信号由中央处理单元采集处理。为了方便用户使用，系统设计了语音提醒界面。远程控制系统通常工作在无人值守环境，所以应含有自动离线、上线、功效。为了符合 智能化要求，系统采取树莓派作为中央处理器。同时，远程控制系统正常工作还需电源供电电路、驱动电路等辅助电路。

控制器并联于路由器，不会影响路由器正常使用。用户经过网络链接控制器，经过程控交换机向树莓派发出链接信号。控制器检测连接信号后，进入密码检测阶段，输入正确密码后选择被控电器，然后选择开启或关闭被控电器，完成后返回。
2.4.4硬件方案介绍
依据控制器和交换机所须信号不一样，本设计方案结合实际情况对具体单元功效模块作出软件或硬件上作了以下分工
交换机所发出多种信号音全部大多数能够经过软件编程来识别。但从系统可靠性和程序结构设计上分析，用硬件来处理双音频信号解码等功效相对稳定可靠。 设计中自动链接断开控制必需使用具体硬件电路来实现。而密码校验、在线修改密码、输入信息分析、电器状态查询等功效模块使用软件编程方法要比硬件电路简单多，易于实现。 
总而言之，本设计链接检测、自动链接、控制电器、双音频解码等功效模块使用硬件电路实现。而密码校验、在线修改密码、信息分析、电器状态查询等功效模块使用软件编程完成。
3.1.1单片机
本设计采取树莓派为关键，树莓派最高主频为1.2GHz,内带512M闪存MCU，它含有多达32个I/O口其512m闪存既可作程序存放空间也能够作数据存放空间或程序数据混合空间这些硬件特征和其强大指令系统和其自带可编程看门狗使它能应用于不一样场所，所以是一个通用和性能价格比高控制器，树莓派许可用户还能够经过置位SCONF寄存器位0(ALE1)来降低EMI，其中看门狗定时器(WDT)是1个64位自运行计数器在计数器溢出时会产生复位信号。WDT对那些易受噪声干扰电压波动或放电现象影响系统很有用在程序跑飞或死机情况下，WDT能够使用户程序脱离不正常状态。WDT不一样于8052系统定时器0定时器1和定时器2。经过软件周期性清除WDT计数器值能够预防WDT产生复位信号。片上闪存能够使用商用编程器进行编程
3.1.2 多频收发器 
本设计采取MT8870多频收发器，MT8870是一个带信号过滤器多频收发器。它包含一个带增益可调放大器接收器和一个发送器。解码采取数字计数器技术来确定输入频率，并将其译成标准四位二进制码。发送器采取开关电容D/A变换器。MT8870提供了一个标准微处理器总线接口，能够直接和MCS-51系列MCU和微机接口。它还能够选择呼叫进展方法工作，经过呼叫进展滤波器来检测特定通带内信号频率，供微处理机或计数器电路分析，以确定检测到信号性质。
3.1.3固态继电器
继电器是本系统实施机构，本系统选择D4810型固态继电器，固态继电器(SSR)和机电继电器相比，是一个没有机械运动，不含运动零件继电器，但它含有和机电继电器本质上相同功效。SSR是一个全部由固态电子元件组成无触点开关元件，她利用电子元器件点，磁和光特征来完成输入和输出可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件开关特征，来达成无触点，无火花地接通和断开被控电路。 固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。安输入电压不一样类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还含有和TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功效。固态继电器输入和输出电路隔离和耦合方法有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。固态继电器有寿命长、可靠性高、灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好、 快速转换、电磁干扰小优点。D4810型继电器输入电流为5-40mA，电压3－30V，额定输出电流10A，输出电压范围宽为20-220V，满足项目标要求。
2.5.1 防火灾发生传感器
火灾烟雾传感器是一个在消防管理、安全防范系统中常见报警器材，它工作可靠、体积小巧，火灾烟雾传感器是把烟雾信号转换为电信号，电路设计时能够在背后设计专用卡口方便地固定在墙体或天花板上，使用时经过设置在厨房感温探测器和设置在客厅、卧室等感烟探测器，监视各个房间内有没有火灾发生。如有火灾发生控制器发出声光和短信报警信号，通知家人及小区物业管理部门。家庭控制器还能够依据有些人在家或无人在家情况，调整感温探测器和感烟探测器灵敏度。本系统采取NIS-09C型烟雾传感器。
2.5.2可燃气体泄漏传感器
经过设置在厨房可燃气体探测器，监视燃气管道、灶含有没有燃气泄漏。如有燃气泄漏家庭控制器发出声光报警信号，并联动关闭燃气管道上电磁阀，同时短信通知家人及小区物业管理部门。这里采取TP-2高温型一氧化碳传感器报警器需在一氧化碳浓度达成设定制值时系统应开启报警。
2.5.3防盗传感器
防盗报警防护区域分成两部分，即住宅周界防护和住宅内区域防护。住宅周界防护是指在住宅门、窗上安装门磁开关，在对外玻璃窗、门周围安装玻璃破碎探测器；住宅内区域防护是指在关键通道、关键房间内安装被动红外探测器或被动红外探测器。当家中有些人时，住宅周界防护防盗报警设备(门磁开关、玻璃破碎探测器)设防，住宅内区域防护防盗报警设备(红外探测器或被动红外探测器)撤防。当家人出门后，住宅周界防护防盗报警设备(门磁开关、玻璃破碎探测器)和住宅内区域防护防盗报警设备(被动红外探测器或被动红外探测器)均设防。当有非法侵入时，家庭控制器发出声光报警信号，并短信通知家人及小区物业管理部门。另外，经过程序可设定报警装置等级和报警器灵敏度。
2.5.4 信号采集设计和分析 
传感器是将外界信息转换成电信号装置，其中电信号包含数字信号和模拟信号，数字信号能够经过电气隔离直接送给单片机或微型计算机进行处理，模拟信号则利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。
2.6 网络模块设计
2.6.1 串口转以太网模块
因为一般串口通信距离就只有15M，远远不能满足智能家居布线、组网要求，考虑到技术问题，本设计中选择了一款RS232 串口转以太网模块，将单片机中数据经过网络发送给网页后台程序。该模块具体功效以下：          
100m 以太网接口
1.5KV电磁隔离
串口波特率300~115200bps  
支持TCP/IP协议包含：ARP、IP、ICMP、IGMP、UDP、TCP、HTTP、DHCP 
工作方法：TCP Server, TCP Client, UDP, 虚拟串口、socket控件
工作端口、目标 IP和端口均可设定
提供虚拟串口管理软件
提供通用配置函数库，方便用户使用开发应用程序
可使用配置工具进行配置
可使用网页浏览器进行配置
输入电压：5V
功耗低最大工作电流：80mA
工作温度：0～65℃
2.6.2 无线网络模块
无线网络功效可使用世面常见无线路由器实现，且仅需接入网络即可，无需额外电路。
无线路由器是用于用户上网、带有没有线覆盖功效路由器。
无线路由器能够看作一个转发器，将家中墙上接出宽带网络信号经过天线转发给周围无线网络设备（笔记本电脑、支持wifi手机、平板和全部带有WIFI功效设备）。
市场上流行无线路由器通常全部支持专线xdsl/ cable，动态xdsl，pptp四种接入方法，它还含有其它部分网络管理功效，如dhcp服务、nat防火墙、mac地址过滤、动态域名等等功效。[1] 
市场上流行无线路由器通常只能支持15-20个以内设备同时在线使用。
通常无线路由器信号范围为半径50米，现在已经有部分无线路由器信号范围达成了半径300米。
第3章 电路设计
3.2.1振铃连接检测电路
振铃检测电路图所表示，图中二极管有2种作用： 
（1）将不确定线路供电正负变为固定正负输出
（2）将交流振铃信号变为脉动直流以供检测。 
当没有振铃信号时，线路上供电电压为48V（部分交换机为60V），经四个二极管组成全桥整流后，不足以使62V稳压管导通，振铃信号输出端电压靠近0V，当振铃信号到来时，线路上90V交流振铃信号经全桥整流变换后90V脉动直流电，其峰值足以击穿耐压值为62V稳压管，经电阻R1给U1提供电压，从光电耦合器输出波形是时通时断方波方波信号，能够直接输出至单片机中止输入口， CPU能够依据振铃信号光电转换后高低电平检测有没有振铃。其中经过光电耦合一次侧输入及电流为：

 即R1取5.1K满足设计要求。 
电路中光电耦合U1隔离了振铃信号和单片机直接连接，光电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端（一次侧）和信息接收并输出端（二次侧）是绝缘，从而对地电位差干扰有很强抑制能力，而且有很强抑制电磁干扰能力。保护单片机也提升了稳定性。

3.2.3 解码电路
TMF（Dual Tone Multi Frequency）双音多频信号解码电路是现在在按键电话（固定电话、移动电话）、程控交换机及无线通信设备中广泛应用集成电路。它包含DTMF发送器和DTMF接收器，前者关键应用于按键电话作双音频信号发送器，发送一组双音多频信号，从而实现音频拨号。双音多频信号是一组由高频信号和低频信号叠加而成组合信号，CCITT和中国国家标准全部要求了电话键盘按键和双音多频信号对应关系如表1所表示：电话远程控制系统采取MITEL企业生产MT8870 DTMF接收器作为DTMF信号解码关键器件。MT8870关键用于程控交换机、遥控、无线通信及广播系统，实现DTMF信号分离滤波和译码功效，输出对应16种频率组合四位并行二进制码。MT8870含有拨号音抑制和模拟信号输入可调功效，所以在设计MT8870 DTMF解码电路时，只需外加部分阻容元件即可。
本系统双音多频DTMF信号解码电路由MT8870关键负担。MT8870连线图3.2-3所表示，其2、3脚接收来自电话机双音多频脉冲信号该双音多频信号先经其内部拨号音滤波器，滤除拨号音信号，然后经前置放大后送入双音频滤波器，将双音频信号 按高，低音频信号分开，再经高，低群滤波器，幅度检测器送入输出译码电路，经过数字运算后，在其数据输出端（11~14脚）输出相对应8421码。MT8870数据输出端Q4 ~ Q1连到单片机，单片机识别4位代码。电话按键和对应译码（Q4~Q1）输出。其中，A，B，C，D 4个按键常被看成R/P，REDIAL，HOLD，HANDSFREE等功效使用。为了使单片机立即获取有效数据，MT8870CLD有效端经反相后接CPUINT0引脚。当MT8870获取有效双音多频信号后，CLD电平由低变高，再反相为低，CPU检测后，指示输入口接收有效二进制代码。而无效双音频信号（电话线路杂音、大家语音信号等）是不会引发MT8870CLD端改变。DTMF接收器外围电路图所表示。

3.3 电源电路设计
3.3.1 5V开关电源稳压器电路 
因为本控制系统单元电路较多对且对5V电源要求比较高，其中TC35模块突发耗电电流峰值可达2.5A,故外加稳压器件必需达成足以提供TC35和其它电路额定电流条件。在本系统中,采取了开关电源芯片LM2576完成从12V到5V转换,作为对TC35终端和其它5V单元供电。必需尤其注意是,图由LM2576芯片完成开关电源转换需要大功率电感(100uH)和电容,以提升储能能力,达成单元电路耗电需求。LM2576为5.0V3A开关电源稳压器。

3.3.2 其它电源稳压器电路
本系统设计还包含到传感器信号采集和信号放大，其中放大器等部分需要用到±12V电源，所以依据设计要求增加了7812/7912三端稳压IC提供±12V电源，图3.3-2由220V交流电经交流变压器T降压，变成12V交流电，低压交流电再经过全桥整流变成脉动直流17V左右为三端稳压提供电源，脉动直流电经4700u电解电容和0.1u瓷片电容滤波，送到稳压块输入端，进行稳压，然后由三端稳压输出端输出±12V直流电压，±12V直流电再由2200u和0.1u电容进行滤波，输出比较稳定±12V直流电压，给模块供电源。
第4章  软件设计
4.1.1 单片机系统软件设计
主控单元部分因为任务多、对可靠性要求高，本系统主控部分软件设计为分时操作系统控制，采取RTX51 Tiny版操作系统。作为嵌入式系统主控单元单片机，其软件通常是一个微观实时操作系统，是为某种应用而专门设计。系统程序有实时过程控制或实时信息处理能力，要求能够立即响应随机发生外部事件并对该事件做出快速处理。分时操作系统是把CPU时间划分成长短基础相同时间区间，即“时间片”，经过操作系统管理，把这些时间片依次轮番地分配给各个用户使用。假如某个作业在时间片结束之前，整个任务还没有完成，那么该作业就被暂停下来，放弃CPU，等候下一轮循环再继续做。此时CPU又分配给另一个作业去使用。因为计算机处理速度很快，只要时间片间隔取得合适，那么一个用户作业从用完分配给它一个时间片到取得下一个CPU时间片，中间有所“停顿”；但用户觉察不出来，仿佛整个系统全由它“独占”似。分时操作系统关键含有以下3个特点：①多路性。用户经过各自终端，能够同时使用一个系统。②立即性。用户提出多种要求，能在较短或可容忍时间内得到响应和处理。③独占性。在分时系统中，即使允很多个用户同