家庭智能控制系統(tǒng)的說明書

摘要本設計采用STC89C52單片機作為控制芯片，設計一種智能家居系統(tǒng)，對家庭實現(xiàn)智能化管理。該系統(tǒng)由主控、安防、溫度檢測、線路監(jiān)控等模塊組成，各模塊間的通信由RS-485總線實現(xiàn)。同時該設計選用GSM模塊讓用戶對家居實現(xiàn)遠程監(jiān)控，達到遠程控制家居的目的；本地控制是通過本地鍵盤和顯示，進行人機交互，實現(xiàn)本地控制目的。整個系統(tǒng)達到安防、溫度檢測、電器控制等功能的遠程和本地控制?！娟P鍵詞】智能家居系統(tǒng)、單片機、GSM、遠程控制、RS-485總線AbstractAkindofsmarthomesystembasedonthecontrolchipofSTC89C52singlechipisdesignedtomanagetheintelligenthome.Thesystemconsistsofcontrol,security,temperatureandhumiditydetectionmodules,usingControllerAreaNetwork(RS-485)bustocommunicateeachother.Atthesametime,thedesignallowsuserstochooseGSMmoduleforremotehomemonitoring,toachievethepurposeofremotecontrolathome;localcontrolthroughthelocalkeyboardanddisplayforHumanMachineInterface(HMI),toachievethepurposeoflocalcontrol.Thesystemiscapableofsecurity,temperatureandhumiditydetecting,andcontrollingelectricaldeviceremotelyandlocally.【Keywords】SmartHomeSystem；MCU；GSM；RemoteControl；RS-485bus1前言隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展和人民生活水平的快速提高，尤其是手機等通信手段的普及以及微處理器的飛速發(fā)展，人們對其生活住宅環(huán)境的要求也越來越高。表現(xiàn)在不僅希望擁有舒適、溫馨的住所，而且對安全性、智能性等方面也提出了更高的要求，因此智能家居系統(tǒng)也應運而生?，F(xiàn)在國內(nèi)很多小區(qū)安裝了智能報警系統(tǒng)，大大提高了小區(qū)的安全度，有效保證了人們的人身財產(chǎn)安全，但是光有安防還不夠，還需要更多智能性的功能，比如智能家用電器控制、智能溫濕度控制等，這就需要一套智能家居系統(tǒng)，讓居民對家居實現(xiàn)智能化遠程控制，這將成為現(xiàn)代化家居系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。1.1智能家居系統(tǒng)的概念及一般功能智能家居系統(tǒng)（SmartHomeSystem）的概念最早出現(xiàn)于美國。它一般是指將家庭中各種與信息相關的通信設備、家用電器和家庭保安裝置，通過家庭總線技術連接到一個智能家庭控制器上，并把其中的一些設備和裝置通過家庭網(wǎng)關接入互聯(lián)網(wǎng)，以實現(xiàn)其現(xiàn)場和遠程實時監(jiān)視、控制、家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住戶及環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)[1][3]。一般具有如下特征：(1)家庭中具備完善的、綜合的安保防災措施和生活服務的智能控制器；(2)家庭與小區(qū)及社會具有高度的信息交互能力；(3)家庭內(nèi)部具備完善的安保措施、全面的設施監(jiān)控管理和信息化的服務管理；(4)為家庭提供多媒體信息服務。智能家居系統(tǒng)一般具有如下功能：(1)庭聯(lián)網(wǎng)功能；(2)短信收發(fā)功能；(3)防盜報警功能；(4)防災報警功能；(5)求助報警功能；(6)場景控制功能；(7)定時控制功能；(8)遠程控制功能；(9)聯(lián)動控制功能。1.2智能家居的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢智能家居與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間；還由原來的被動靜止結(jié)構轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ?，提供全方位的信息交互功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性、舒適性、甚至合理控制各種能源的使用。1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀在國外，智能家居常被稱為“SmartHome”。目前，世界上許多計算機、通信、家電行業(yè)的巨人都認識到它的巨大市場潛力，紛紛進入這個領域。Cisco、Intel、Nortel、Motorola、Lucent、3Com、IBM、Ericsson和松下等公司都己開始建立智能信息家電和智能家居公司。目前已出現(xiàn)在市場上的智能信息家電和智能家居類的產(chǎn)品主要有:(1)美國的X-10系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過電力線作為網(wǎng)絡平臺，采取集中控制方式實現(xiàn)多種功能，目前在國內(nèi)應用極少，這套系統(tǒng)的功能較為強大，但它暫時不具備在國內(nèi)市場推廣的條件。首先，它是基于美國的電力環(huán)境設計的，很難適應國內(nèi)惡劣的電力線環(huán)境;其次，它的功能雖然強大，但是針對西方消費的習慣設計的，難以滿足國內(nèi)消費者的要求;最后，也是最為重要的因素，它的價格也是國內(nèi)的房地產(chǎn)品和普通消費難以接受的。(2)德國的EBI系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的是預埋總線及中央控制方式實現(xiàn)各種控制功能，目前在國內(nèi)應用極少。究其原因，一個是其工程要求較為復雜、嚴格;另一方面，由于它需要進行線路預埋，因此主要客戶對象是新建小區(qū)的開發(fā)商，但它較高的價格是這些開發(fā)商所難以承受的，所以一直無法打開國內(nèi)市場。(3)新加坡8X系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用預埋總線和集中控制方式實現(xiàn)各種功能，同時，利用的產(chǎn)品可對系統(tǒng)進行擴展。目前該系統(tǒng)在國內(nèi)有少量應用。應該說8X系統(tǒng)最大優(yōu)勢在于系統(tǒng)較為成熟，是比較適合中國國情的系統(tǒng)，在國內(nèi)及東南亞市場有成功應用的范例，但在系統(tǒng)架構、靈活性、價格等方面還難以滿足要求。首先，8X采用的預埋總線方式?jīng)Q定了它的切入點只能是新建小區(qū)，對于舊房改造這一潛在的巨大市場它無能為力;其8X集中控制的方式降低了用戶的可選擇性，前期投入成本較高，而這正是房地產(chǎn)商最為關心的問題[2]。1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國的智能家居相對于國外起步較晚，尚未形成一定的國家標準，主要采用國外的技術和產(chǎn)品閣，但也有一些企業(yè)推出了自己的產(chǎn)品，其中主要有:(1)清華同方的e-Home數(shù)字家園。清華同方智能家居控制系統(tǒng)是專門針對中國家庭設計的家庭自動化系統(tǒng)，遵循國際技術標準，采用嵌入式軟、硬件技術，提供網(wǎng)絡、網(wǎng)絡節(jié)點及末端設備等全系列家庭自動化產(chǎn)品。系統(tǒng)可以提供的功能有:智能調(diào)光、家電管理、遠程控制、家政保安、環(huán)境設置和窗簾控制等功能。清華同方的e-Home數(shù)字家園主要是在智能大廈、智能小區(qū)的建設中，提供完整的系統(tǒng)解決方案，產(chǎn)品以功能模塊開發(fā)為主，采用國外成熟的智能家居標準之上。(2)海爾的“e家庭”。2000年9月海爾提出“e家庭”概念，并計劃陸續(xù)推出以下的“e家庭”產(chǎn)品:家庭無線網(wǎng)絡、整體智能廚房、整體衛(wèi)浴、智能上網(wǎng)設備、ebook、掌上智能設備、指紋/瞳孔識別系統(tǒng)、TabletPC等產(chǎn)品。海爾的“e家庭”以海爾電腦作為控制中心，各種網(wǎng)絡家電作為終端設備，以海爾移動電話作為移動數(shù)字控制中心。在技術方面，海爾與微軟合作，利用微軟的windowsMe技術和海爾的網(wǎng)絡家電技術，使“e家庭”己具雛形，海爾己推出了網(wǎng)海爾的“e家庭”科隆的“現(xiàn)代家居信息服務集散控制系統(tǒng)”絡洗衣機、網(wǎng)絡冰箱、網(wǎng)絡空調(diào)、網(wǎng)絡熱水器、網(wǎng)絡微波爐等一系列信息家電的產(chǎn)品。(3)科隆的“現(xiàn)代家居信息服務集散控制系統(tǒng)”?？坡〖瘓F推出的“現(xiàn)代家居信息服務集散控制系統(tǒng)”，有效地集成了家電智能控制、家電遠程故障診斷及維護、遠程互聯(lián)網(wǎng)控制和家庭娛樂諸項功能。以上三種具有代表性的我國智能家居系統(tǒng)，是不同企業(yè)和科研單位從不同角度和立場理解智能家居的結(jié)果,由于智能家居系統(tǒng)現(xiàn)在還缺乏統(tǒng)一明確的國際標準，因此很多公司開發(fā)出的產(chǎn)品使用的是自己組網(wǎng)技術和信息交換協(xié)議，有的核心技術沒有對外公開，技術復雜，不易掌握，有很多產(chǎn)品是針對特定的組網(wǎng)環(huán)境開發(fā)的產(chǎn)品，因此，限制了其使用的范圍，而且由于是少數(shù)幾家公司約定的技術，相關第三方產(chǎn)品缺乏，各個接入設備之間不能兼容，互操作性差，用戶擴充系很不方便，限制了其進一步的發(fā)展。還有的系統(tǒng)成本太高，普通用戶難以承受，所以也沒能廣泛推廣使用。因此設計一個符合國情、符合國家規(guī)范的集遠程控制和本地控制為一體的智能家居控制系統(tǒng)具有非常重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。1.2.3智能家居系統(tǒng)的發(fā)展方向(1)向“一體化系統(tǒng)集成”方向發(fā)展。家居智能化需滿足自動化管理、三表計量、安全防范監(jiān)控、火災報警、對講呼叫、設備監(jiān)控等六方面內(nèi)容，把六項內(nèi)容的智能化功能集成，從而降低成本，是其未來發(fā)展的一個方向。(2)向節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展。智能化的本質(zhì)之一是降低成本和提高效率，節(jié)能是降低成本的關鍵技術；環(huán)保是全球的要求，智能家居如何結(jié)合現(xiàn)有技術降低功耗、減少對家庭和小區(qū)的環(huán)境污染，提高生活環(huán)境的質(zhì)量，這些也是其未來發(fā)展必須考慮的因素，也是“科學發(fā)展觀”的最好實踐。(3)向仿人智能化、網(wǎng)絡化、人性化方向發(fā)展。仿人智能化是智能控制發(fā)展的必然趨勢，它是當代高科技技術和生物學技術的高度綜合和升華。因此，家居的智能化也必然向仿人智能化方向發(fā)展；網(wǎng)絡化是信息技術、通信技術和計算機技術發(fā)展的必然趨勢，是智能化的一個重要條件；人性化體現(xiàn)了“以人為本”的思想，是科學技術發(fā)展的目的和最終歸宿。因此，也是智能家居未來的一個發(fā)展方向。(4)向規(guī)范化、標準化方向發(fā)展。我國智能家居發(fā)展較晚，新技術、新產(chǎn)品層出不窮，標準和規(guī)范還在制定之中。產(chǎn)品的規(guī)范化、標準化方面仍存在著許多問題；WTO的加入還需考慮和國際接軌的問題；規(guī)范化、標準化是智能家居快速發(fā)展、走入國際市場的必由之路。(5)向具有“中國特色”的家居智能化方向發(fā)展。家居智能化系統(tǒng)需要大量的適合中國國情的產(chǎn)品和運行軟件，目前開發(fā)的軟硬件產(chǎn)品的種類較少，水平較低。因此，這一方面的研究開發(fā)急需加強。而在我國現(xiàn)今的生活環(huán)境下，普通百姓在家庭裝潢時對于智能家居系統(tǒng)暫時還處于陌生和不接受的狀態(tài)，其中主要原因為智能家居系統(tǒng)的高昂成本讓智能家居難以走進普通百姓家庭。在這樣的環(huán)境下，研究新的智能家居系統(tǒng)就尤為主要，本設計主要以單片機為主要控制芯片，利用手機短信通訊，大大降低了成本，節(jié)能環(huán)保[4-6]。2系統(tǒng)設計的總體方案2.1設計任務及其要求基于單片機設計的一個家用智能總線式系統(tǒng)，能實現(xiàn)對任意房間的用電設備的控制，并能指示設備狀態(tài)，能實現(xiàn)基于公用電話網(wǎng)的遠程開關功能；能對門、窗的狀態(tài)進行監(jiān)控；能檢測室內(nèi)的溫度并能進行調(diào)節(jié)，且具有防火防盜功能。要求：完成系統(tǒng)的方案選型，元件選擇，軟件設計。技術指標：(1)采用總線式連接；(2)能實現(xiàn)本地按鍵控制和遠程控制。(3)能控制任意房間的用電設備，具有防火防盜功能。2.2設計目的本設計將利用中央控制器控制各個電路模塊達到安防、溫濕度檢測、電器控制等功能的遠程和本地控制。其設計模型圖如圖2-1所示。圖2-1設計模型圖2.2.1溫度檢測控制通過對室內(nèi)溫度監(jiān)測，得到實際溫度與設定溫度比較值：當實際溫度低于設定溫度一定值時，在夏季關空調(diào)，在冬季開暖氣；當實際溫度高于設定溫度一定值時，在夏季開空調(diào)，在冬季關暖氣。當監(jiān)測參數(shù)超標時及時給用戶返回警告信息，同時，在一般情況下，用戶可以用手機向中央控制器發(fā)送短信，查詢實時環(huán)境參數(shù)。2.2.2安防報警當一氧化碳傳感器、甲烷氣體傳感器檢測到氣體超過預設值時，門磁開關、窗戶反射式傳感器檢測到有動作時，在設防狀態(tài)下，現(xiàn)場就會有報警信息發(fā)送到用戶手機上。用戶通過手機短信了解和及時處理報警，如果是誤報，可以取消報警，達到控制的目的。2.2.3電器控制電器控制主要是控制家用電器的電路通斷，將家用電器的開關換成繼電器，再由控制中心發(fā)送指令控制繼電器的啟閉，從而達到控制電器的目的。2.3家居智能化實現(xiàn)途徑家居智能的基本目標是，將家庭中的各種與信息相關的通信設備、家用電器和家庭安防裝置通過家庭總線技術（HBS）連接到一個智能話的系統(tǒng)上進行集中或者異地的監(jiān)測、控制，并保持這些家庭設施與住宅環(huán)境的協(xié)調(diào)。根據(jù)本設計的要求和目的，參考國內(nèi)外相關技術的發(fā)展狀況，根據(jù)我國住宅的實際情況，簡單介紹幾種家居智能化的實現(xiàn)途徑。2.3.1中央控制器隨著社會的發(fā)展和需求的提高，計算機也在不斷地更新與發(fā)展。由于計算機的產(chǎn)生是應數(shù)值計算而產(chǎn)生的，因此長期以來計算機技術都是沿著滿足大量高速數(shù)值計算而發(fā)展的，直到20世紀70年代，電子計算機在數(shù)字邏輯運算、推理、自動控制等方面顯露出非凡的功能后，在各種控制領域開始對計算機技術發(fā)展提出了與傳統(tǒng)大量高速計算完全不同的要求。這些要求是：面對控制對象、面對各種傳感器信號、面對人機交互操作控制、能方便地嵌入工控應用系統(tǒng)中等。為了實現(xiàn)上述要求，近年來，單片微型計算機(簡稱單片機)應運而生，單片機一詞最初是"SingleChipMicrocomputer”，簡稱SCM。隨著單片機在技術上、體系結(jié)構上不斷擴展其控制功能，單片機已不能用“單片微型計算機”來準確表達其內(nèi)涵。國際上逐漸采用"MCU"(MicroControllerUnit”)來代替，形成了單片機界公認的、統(tǒng)一的名詞。單片機一個是微型的電腦，麻雀雖小，五臟俱全，它內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件。要實現(xiàn)家居的智能化控制，需要一個中央控制器為數(shù)據(jù)進行處理和分析，同時控制完成各種智能化功能，這個處理器可以是計算機（PC機）和單片機（MCU），根據(jù)設計的要求和目的，選用單片機作為系統(tǒng)的中央控制器。它和PC機對比有以下幾點優(yōu)點：(1)成本低，耗能低，功能齊全；(2)設計簡單，方便安裝和攜帶；(3)有較強的抗干擾能力；(4)編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性。2.3.2遠程通信遠程通信主要是指用戶在外地通過某種通信方式控制整個智能家居系統(tǒng)。其方案主要有三種：一種是通過Internet網(wǎng)進行控制，一種是通過電力線進行控制，一種是通過電話網(wǎng)機進行控制[7]。(1)通過Internet網(wǎng)進行控制。隨著網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，Internet技術在住宅小區(qū)的使用潛力日益突出，它可以為用戶提供遠程教育、網(wǎng)上購物、電子銀行、住宅安全的狀況的網(wǎng)上查詢、家用電器的網(wǎng)上實時監(jiān)控等方便、快捷的服務。(2)通過電力線進行控制。電力線通信技術（PLC）是把載有信息的高頻加載于電力，用電力線傳輸，通過調(diào)制解調(diào)器將高頻信號從電流中分離出來，傳送到計算機或其他信息家電，以實現(xiàn)信息傳遞的一種通信方式。電力線通信技術有以下優(yōu)點：信息家電可以通過電力線進行通信，無需另外布線，利用電源線實現(xiàn)智能家居網(wǎng)絡成本較低，電力網(wǎng)是覆蓋范圍最廣的網(wǎng)絡，PLC技術可以輕松的滲透到每一個家庭，其應用范圍廣泛，網(wǎng)絡的接入點是電源插座，數(shù)目較多且接插方便。(3)通過電話網(wǎng)進行控制?；贗nternet網(wǎng)進行控制和基于電力線進行控制的遠程控制方案，都是組網(wǎng)成本較高、技術難度大，對維護者的技術水平要求也比較高，它適用于新建的中高檔住宅。電話網(wǎng)絡是一種技術成熟并且比較普及性的通信網(wǎng)絡，那么從基于成本、實用性和大眾化的考慮，決定本方案采用電話網(wǎng)絡實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程控制?；谝延械碾娫捑W(wǎng)絡實現(xiàn)遠程控制是網(wǎng)絡控制中一種簡單、廉價的控制方式，利用電話的遠程控制主要是通過發(fā)送手機的短信息傳送控制信息，通過對信息的分析得到相應的控制命令,達到控制目的。2.3.3本地通信本地通信是指各個模塊之間的通信，主要是考慮模塊運用的現(xiàn)場總線形式和個模塊之間信號傳輸所用的介質(zhì)?，F(xiàn)場總線作為一種先進的工業(yè)控制技術，將當今網(wǎng)絡通信與管理的觀念帶入工業(yè)控制領域。把單個分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，將他們連成可以相互共同信息、共同完成自控任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。下面就幾種主流的現(xiàn)場總線做一簡單介紹。1）RS-485/422采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A,B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高，可以檢測到低至200mV電壓。故傳輸信號在千米之外都是可以恢復。RS-485/422最大的通信距離約為1219M，最大傳輸速率為10Mb/S，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100Kb/S的傳輸速率下，才可以達到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。RS-485采用半雙工工作方式，支持多點數(shù)據(jù)通信。RS-485總線網(wǎng)絡拓撲一般采用終端匹配的總線型結(jié)構。即采用一條總線將各個節(jié)點串接起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡。如果需要使用星型結(jié)構，就必須使用485中繼器或者485集線器才可以。RS-485/422總線一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。2）CAN（ControllerAreaNetwork控制器局域網(wǎng)）。最早由德國BOSCH公司推出，它廣泛用于離散控制領域，其總線規(guī)范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構，傳輸時間短，具有自動關閉功能，具有較強的抗干擾能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破壞性總線仲裁技術，通過設置優(yōu)先級來避免沖突，通訊距離最遠可達10KM/5Kbps/s，通訊速率最高可達40M/1Mbp/s，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)實際可達110個。目前已有多家公司開發(fā)了符合CAN協(xié)議的通信芯片。3）Lonworks。它由美國Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導。它采用ISO/OSI模型的全部７層通訊協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮脑O計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置。支持雙絞線、同軸電纜、光纜和紅外線等多種通信介質(zhì)，通訊速率從300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距離可達2700m（78Kbit/s），被譽為通用控制網(wǎng)絡。Lonworks技術采用的LonTalk協(xié)議被封裝到Neuron（神經(jīng)元）的芯片中，并得以實現(xiàn)。此外較有影響的現(xiàn)場總線還有DeviceNet、PROFIBUS、HART、CC-Link、WorldFIP、INTERBUS、P-Net、SwiftNet等總線形式。由于RS-485總線的最高速率可以達到10M/s，所以作為智能家居系統(tǒng)，RS-485總線由于可靠性高、性價比高，是通信可靠性最高、實時性和靈活性最好的通信方式。而信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)是網(wǎng)絡中發(fā)送方與接收方之間的物理通路，它對網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信具有一定的影響。常用的傳輸介質(zhì)有：雙絞線、同軸電纜、光纖、無線傳輸媒介。(1)雙絞線。雙絞線簡稱TP，由兩根絕緣導線相互纏繞而成，將一對或多對雙絞線放置在一個保護套便成了雙絞線電纜。雙絞線既可用于傳輸模擬信號，又可用于傳輸數(shù)字信號。雙絞線非常適合于短距離通信。(2)同軸電纜。同軸電纜由繞在同一軸線上的兩個導體組成。具有抗干擾能力強，連接簡單等特點，信息傳輸速度可達每秒幾百兆位，是中、高檔局域網(wǎng)的首選傳輸介質(zhì)。(3)光纖。光纖又稱為光纜或光導纖維，由光導纖維纖芯、玻璃網(wǎng)層和能吸收光線的外殼組成。具有不受外界電磁場的影響，無限制的帶寬等特點，可以實現(xiàn)每秒幾十兆位的數(shù)據(jù)傳送，尺寸小、重量輕，數(shù)據(jù)可傳送幾百千米，但價格昂貴。(4)無線傳輸媒介。無線傳輸媒介包括：無線電波、微波、紅外線等。在本設計中，選用有線雙絞線作為本地通信的傳輸介質(zhì)，首先在和無線傳輸對比上節(jié)約了成本，減少了無線對人體造成的輻射，和其他有線傳輸形式對比，則更容易實現(xiàn)，在智能家居系統(tǒng)設計里，是最優(yōu)的選擇。3單片機控制系統(tǒng)硬件電路設計本設計主要實現(xiàn)基于公用電話網(wǎng)絡的本地控制和遠程控制功能，其整體框圖如下圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)整體框圖3.1中央控制器—STC89C52型單片機單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機[11]。STC89C52是51系列單片機的一個型號，它是標檢集團（STC）公司生產(chǎn)的。選用STC89C52單片機的理由：高可靠、超低價、低功耗、無法解密、程序下載簡單。89C52是一個低電壓，高性能CMOS的8位單片機，片內(nèi)含8kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央控制器和Flash存儲單元，功能強大的89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，STC89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程，用STC提供的STC-ISP.exe工具將您原有的代碼下載進STC相關的單片機即可,或用通用編程器編程.其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。其PDIP封裝形式如圖如圖3-2所示。圖3-2STC89C52的PDIP封裝形式主要功能特性：·兼容MCS51指令系統(tǒng)·8k可反復擦寫(>1000次）FlashROM·256x8bit內(nèi)部RAM·32個雙向I/O口·3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷·時鐘頻率0-24MHz·2個串行中斷·可編程UART串行通道·共6個中斷源·2個外部中斷源·2個讀寫中斷口線·低功耗空閑和掉電模式3.2RS-485總線·3級加密位·軟件設置睡眠和喚醒功能3.2.1RS-485總線接口設計在本設計中，采用的是以89C51單片機為主控制器，MAX1487的電平轉(zhuǎn)換芯片為驅(qū)動器與傳輸器的接口模塊。如圖3-3所示，此為RS-485總線的接口示意圖。RS-485利用信號導線之間的信號電壓差，通過傳輸線驅(qū)動器，把邏輯電平變換成電位差，完成始端的信號傳送；再通過傳輸線接收器，把點位差轉(zhuǎn)換成邏輯電平，完成終端的信號接收。圖3-3RS-485接口示意圖對于單片機，我們通常采用MAXIM公司的MAX1487作為接口芯片。這里簡要介紹MAX487的特性。MAX1487是專門為RS-485通信的半雙工應用設計的小功率收發(fā)器,它含有一個驅(qū)動器和一個接收器。它的特點是具有限斜率的驅(qū)動器，即驅(qū)動器發(fā)送的數(shù)字信號，其邊緣的斜率是受限制的，可以使電磁干擾（EMI）減至最小，并減少因電纜終端不匹配而產(chǎn)生的反射影響，因此可以高達250kbps的速率無誤差的傳送數(shù)據(jù)。而其它如MAX481，MAX485則不具備這種功能，在傳輸?shù)臏蚀_性就要差一點。MAX1487的特點是：*無誤差數(shù)據(jù)傳送的限斜率驅(qū)動器*0.1μA低電流關閉方式*-7V～+12V共模輸入電壓范圍*三態(tài)輸出*半雙工工作方式*工作電源為單一的+5V*總線可接128個收發(fā)器*限流和熱敏控制電路為驅(qū)動器提供過載保護因為MAX1487的輸入阻抗為48KΩ，允許在一條總線上接128片MAX1487。標準的RS-485接收器的輸入阻抗是12KΩ，總線上最多可以接32個收發(fā)器。所以MAX1487可以和其他收發(fā)器任意組合，只要總負載小于或等于32個單位負載，則可以接在總線上。所以采用32個MAX487共用一條總線是完全可行的。下圖3-4為MAX1487的典型的工作電路模型：圖3-4MAX1487工作電路模型從上圖我們可以看到MAX1487是八腳封裝芯片，下表是它的引腳說明。表3.1MAX487引腳功能引腳名稱功能1RO接受器輸出端，A-B>200mV,RO=1,A-B<200mV,RO=023接收器使能端，為“1”時輸出被禁止，為“0”時，允許接收器輸出。DE驅(qū)動器使能端，為“1”時允許驅(qū)動器工作，為“0”時，驅(qū)動器禁止，輸出為高阻。45678DI驅(qū)動器輸入端GNDA地同相接收器輸入和同相驅(qū)動器的輸出端反相接收器輸入和反相驅(qū)動器的輸出端正電源輸入端，4.75～5.25VBVcc由MAX1487收發(fā)器組成的差分平衡系統(tǒng),抗干擾能力強,接收器可以檢測到低達200mV的信號,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以在千米外得到恢復,因此特別適用于遠距離通信.因此選用MAX1487組成滿足RS-485標準的通信網(wǎng)絡.值得注意的是傳輸線地選擇和阻抗匹配.在差分平衡系統(tǒng)中,一般選擇雙絞線作為信號傳輸線,因為雙絞線在長度,方向上完全對稱,因此它們受到外界干擾程度完全相同,干擾信號以共模方式出現(xiàn).在接收機地輸出端由于共模干擾受到抑制,所以實現(xiàn)了信號的可靠傳送。而由于信號在傳輸線上傳送，若遇到阻抗不連續(xù)的情況，會出現(xiàn)反射現(xiàn)象，從而影響信號的遠距離傳送，盡管MAX1487能夠減少反射的影響，但是還是要采用匹配的方法來消除反射。因此通常會在傳輸線的末端接120Ω的電阻，進行阻抗匹配。由于在本設計中主機只用來接收數(shù)據(jù)，從機只用來發(fā)送數(shù)據(jù)，因此完全可以將主機連接的MAX1487芯片的/RE和DE兩使能引腳接地，而將與從機相連的MAX1487芯片的兩使能端接高電平，從而實現(xiàn)兩機的串行通訊。RS-485總線控制器接口模塊原理圖如圖3-5所示。圖3-5RS-485總線電路圖3.3上位機3.3.1鍵盤模塊鍵盤是有讓干個按鍵組成的，它我單片機最簡單的輸入設備。操作員通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)目錄，實現(xiàn)簡單的人機對話。按鍵就是一個簡單的開關，相當于開關閉合；當按鍵松開時，相當于開關斷開。按鍵在閉合和斷開時，會存在抖動現(xiàn)象，按鍵的抖動時間一般為5-10ms，抖動可能造成一次按鍵的多次處理問題。應采用措施消除抖動的影響。按鍵抖動的波形圖如圖3-5所示。圖3-5按鍵抖動的波形按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短則是由操作人員的按鍵動作決定的,一般為零點幾秒至數(shù)秒。鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀多次。為確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理,必須去除鍵抖動。在鍵閉合穩(wěn)定時讀取鍵的狀態(tài),并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。按鍵的抖動,可用硬件或軟件兩種方法。(1)硬件消抖：在鍵數(shù)較少時可用硬件方法消除鍵抖動。以RS觸發(fā)器作為常用的硬件去抖電路如圖3-6所示。圖3-6RS觸發(fā)器消抖圖中兩個“與非”門構成一個RS觸發(fā)器。當按鍵未按下時,輸出為1;當鍵按下時,輸出為0。此時即使用按鍵的機械性能,使按鍵因彈性抖動而產(chǎn)生瞬時斷開（抖動跳開B）,按鍵不返回原始狀態(tài)A,雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)不改變,輸出保持為0,不會產(chǎn)生抖動的波形。也就是說,即使B點的電壓波形是抖動的,但經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)電路之后,其輸出為正規(guī)的矩形波。這一點通過分析RS觸發(fā)器的工作過程很容易得到驗證。(2)軟件消抖：如果按鍵較多,常用軟件方法去抖,即檢測出鍵閉合后執(zhí)行一個延時程序,產(chǎn)生5ms～10ms的延時,讓前沿抖動消失后再一次檢測鍵的狀態(tài),如果仍保持閉合狀態(tài)電平,則確認為真正有鍵按下。當檢測到按鍵釋放后,也要給5ms～10ms的延時,待后沿抖動消失后才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序。下面介紹兩種常見的鍵盤電路及其程序。(1)獨立式鍵盤。獨立式鍵盤中，每個按鍵的都占用一個I/O口線，每個按鍵電路相對獨立，如圖3-7所示，I/O口通過按鍵與地連接。在讀取I/O口無內(nèi)部上拉電阻需要加上拉電阻，STC89C52的P0口就沒有上拉電阻，獨立式鍵盤接此口時必須外接上拉電阻。(2)行列式鍵盤。獨立式鍵盤只適合按鍵少的場合，否則占用的端口太多。按鍵較多時，常采用行列式鍵盤電路。但行列式鍵盤的管理程序較復雜，需要采用鍵盤掃描技術，常用的鍵盤掃描方式有：掃描法、反轉(zhuǎn)法、狀態(tài)矩陣法等。I/O端線分為行線和列線，按鍵跨接在行線和列線上，按鍵按下時，行線與列線發(fā)生短路。其特點是：占用I/O端線比較少，但是軟件的結(jié)構較復雜，適用于按鍵較多的場合，圖3-8是一個44行列式鍵盤電路，可得到16個按鍵。圖3-7獨立式鍵盤圖3-844行列式鍵盤3.3.2顯示模塊顯示模塊采用1602液晶顯示。所謂1602是指顯示的內(nèi)容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個字符。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。常見的1602顯示硬件電路接線圖如圖3-9所示[13]。圖3-91602顯示硬件電路接線圖字符型LCD1602通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光控制線、電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣，引腳定義如表3-1所示.表3-11602引腳定義表表3-2中文字符碼與字字符字模關系對照表1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，如下表3-2所示，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。其中文字符碼與字字符字模關系對照表如表3-2所示[7]。表3-2中的字符代碼與我們PC中的字符代碼是基本一致的。因此我們在向DDRAM寫C51字符代碼程序時甚至可以直接用P1＝'A'這樣的方法。PC在編譯時就把“A”先轉(zhuǎn)為41H代碼了?；静僮鲿r序：讀狀態(tài)輸入：RS=L，RW=H，E=H輸出：DB0～DB7=狀態(tài)字寫指令輸入：RS=L，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0～DB7=指令碼輸出：無讀數(shù)據(jù)輸入：RS=H，RW=H，E=H輸出：DB0～DB7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入：RS=H，RW=L，E=下降沿脈沖，DB0～DB7=數(shù)據(jù)輸出：無3.3.3GSM模塊目前，國內(nèi)已經(jīng)開始使用的GSM模塊有很多，而且這些模塊的功能、用法差別不大。本設計采用的是西門子TC35系列的TC35i。其中西門子的TC35系列模塊性價比很高，并且已經(jīng)有國內(nèi)的無線電設備入網(wǎng)證。所以本設計選用的是西門子TC35系列的TC35i。這種無線模塊功能上與TC35兼容，設計緊湊，大大縮小了用戶產(chǎn)品的體積。TC35i如圖3-10所示[14-17]。圖3-10TC35i(1)TC35i介紹TC35i是西門子最新推出的無線通信模塊，功能與TC35兼容，設計緊湊。TC35i與GSM2／2+兼容，雙頻(GSM900/GSMl800)工作，帶有RS232數(shù)據(jù)口。符合ETSI標準GSM0707和GSM0705，且易于升級為GPRS模塊。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音和短消息提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應用開發(fā)及設計。TC35i有40個引腳，通過ZIF連接器引出。這些引腳可劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入／輸出、SIM卡、音頻接口和控制。1～14引腳為電源部分，其中l(wèi)～5引腳為電源電壓輸入端VBATT+6～10引腳為電源地GND，ll～12引腳為充電端，13引腳為對外輸出電壓(供外部電路使用)，14引腳ACCU／TEMP接負溫度系數(shù)的熱敏電阻；24～29引腳為SIM卡連接端；33～40引腳為語音接口用來接電話手柄。15、30、31和32引腳為控制部分，15引腳為啟動線IGT(Ignition)。當TC35i通電后必須給IGT一個大于100mV的低電平，模塊才能啟動。30引腳為RTCbackup；31引腳為掉電控制；32引腳為SYNC，16～23引腳為數(shù)據(jù)輸入／輸出端。電源電路分為充電電池和穩(wěn)壓電源模塊兩部分。充電電池為整個系統(tǒng)提供3.6V工作電壓．同時產(chǎn)生MAX232所需要的高電平：三端電源模塊LM7806將外部12V直流電源轉(zhuǎn)換為6v．連接至ZIF連接器的11、12引腳。在充電模式下可為TC35i提供6V／500。mA的充電電源。啟動電路由漏極開路三極管和上電復位電路組成。模塊上電10ms后(電池電壓須大于3V)，為使之正常工作，必須在15引腳(IGT)施加低電平信號，至少保持100ms且該信號下降沿時間小于1ms，啟動后15引腳應保持高電平。數(shù)據(jù)通信電路主要實現(xiàn)短消息收發(fā)、與PC機通信、軟件控制等功能。TC35i的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合RS-232接口電路標準。工作在CMOS電平(2.65V)。數(shù)據(jù)通信電路以MAX232為核心實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信。(2)模塊中與SMS有關的GSMAT指令介紹GSM引擎模塊提供的命令符合GSM07．05和GSM07．07規(guī)范GSM07．07中定義的ATCommand接口。提供了一種移動平臺與數(shù)據(jù)終端設備之間的通用接口：GSM07．05對短消息作了詳細的規(guī)定。在短消息模塊收到網(wǎng)絡發(fā)來的短消息時，能夠通過串口發(fā)送指示信息，數(shù)據(jù)終端設備可以向GSM模塊發(fā)送各種命令。與SMS相關的若干GSMAT指令如表3-3所示。表3-3與SMS相關的若干GSMAT指令表(3)PDU編碼規(guī)則目前，發(fā)送短消息常用Text和PDU(ProtocolDataUnit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)模式。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡單，實現(xiàn)起來十分容易，但最大的缺點是不能收發(fā)中文短信：而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。PDU模式收發(fā)短信可以使用3種編碼：7_bit、8_bit和UCS2編碼。7_bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII字符，8_bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，UCS2編碼用于發(fā)送Unicode字符。一般的PDU編碼由ABCDEFGHIJKLM十三項組成。A：短信息中心地址長度，2位十六進制數(shù)(1字節(jié))B：短信息中心號碼類型，2位十六進制數(shù)。C：短信息中心號碼，B+C的長度將由A中的數(shù)據(jù)決定。D：文件頭字節(jié)，2位十六進制數(shù)。E：信息類型，2位十六進制數(shù)。F：被叫號碼長度，2位十六進制數(shù)。G：被叫號碼類型，2位十六進制數(shù)，取值同B。H：被叫號碼，長度由F中的數(shù)據(jù)決定。I：協(xié)議標識，2位十六進制數(shù)。J：數(shù)據(jù)編碼方案，2位十六進制數(shù)。K：有效期，2位十六進制數(shù)。L：用戶數(shù)據(jù)長度，2位十六進制數(shù)。M：用戶數(shù)據(jù)，其長度由L中的數(shù)據(jù)決定。J中設定采用UCS2編碼，這里是中英文的Unicode字符。(4)TC35i與單片機的硬件接口電路TC35i模塊主要由GSM基于處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。通過ZIF連接器與單片機實現(xiàn)電路接口，該接口讀取或發(fā)送TC35i模塊中的數(shù)據(jù)，將是本文論述的重點，也是TC35i應用的核心。TC35i與單片機的硬件接口電路如圖3-11所示。圖3-11TC35i與單片機的硬件接口電路3.4下位機3.4.1安防模塊安全問題是全社會共同關注的一件大事，因此安防是各行業(yè)，尤其是具有潛在危險的高風險行業(yè)所必需重視的一項工作。一個完善的智能化家居，具有便捷、安全、舒適、高檔的生活環(huán)境，確保每一個住戶的生命財產(chǎn)的安全，是本系統(tǒng)基本的用途，創(chuàng)造一個家居的理想空間是本系統(tǒng)的目的所在。本系統(tǒng)的安防是由下位機安防模塊和各種前端探測器組成。前端探測器可分為門磁、窗戶反射式傳感器、煙霧探測器、煤氣探測器等。當有人非法入侵，或家里煤氣泄漏，設備及線路產(chǎn)生大量煙霧時將會觸發(fā)相應的探測器，家庭報警主機會立即將報警信號以手機短信的形式發(fā)送到用戶手機上，以便用戶及時了解和處理緊急事情。（1）傳感器的選擇：1)門磁開關：主要由開關和磁鐵兩部分組成,開關部分由磁簧開關經(jīng)引線連接.定型封裝而成;磁鐵部分由對應的磁場強度的磁鐵，封裝于塑膠或合計殼體內(nèi)，當兩者分開和接近至一定距離后，引起開關的開斷從而感應物體位置的變化。這里選用北京百科博計算機技術開發(fā)有限公司生產(chǎn)的CKMPS門磁開關。2)窗戶反射式傳感器：將紅外線反射型傳感器安裝在門窗的兩側(cè)或通道的位置，當有人進入時紅外線反射型傳感器就會檢測出來，給單片機送去高電平，啟動防盜報警系統(tǒng)工作。紅外線反射型傳感器甚至可組成對射的檢測系統(tǒng)，以提高控制范圍。這里選用3）煙霧探測器：煙霧傳感器通常安裝在客廳等家用電器以及布線較密集的場合。一般傳感器頂部為一個防風的進煙口，后部則帶有不銹鋼滑動觸片，用于與探測器底座連接。探測器內(nèi)部有一個印刷電路板，電路板上的一側(cè)安裝有一個離子腔，其中有Am241的輻射源，電路板上的另一側(cè)安裝有地址截獲、信號處理和系統(tǒng)通信的電路。探測器安裝在探測器底座上時，由系統(tǒng)中的報警控制盤提供電壓和電流給探測器，使探測器處于待命工作狀態(tài)。此時探測器內(nèi)部的輻射源在離子腔內(nèi)部產(chǎn)生電離，自動形成正、負離子，并產(chǎn)生一個極小的電流和電壓。由于設備及線路在燃燒前會產(chǎn)生大量煙霧，煙霧粒子經(jīng)探測器的進煙口進入離子腔后，其中的正、負離子會吸附在這些煙霧粒子上，造成正常的電流和電壓發(fā)生變化。系統(tǒng)的報警控制盤對探測器內(nèi)部這種電流和電壓的微小變化過程進行監(jiān)視，直至達到一定程度后就會發(fā)出報警信號。這里選用日本生產(chǎn)的模擬量離子感煙探測器NIS-05A。4）煤氣探測器：煤氣探測器一般安裝在廚房內(nèi)，其基本工作原理是基于氣敏元件表面氣體的化學吸附作用與解吸附作用。他們的氣敏素子，使用空氣中電導率低的二氧化錫。當存在檢知對象氣體時，傳感器的電導率隨空氣中氣體濃度增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。所以本次設計選用FIGARO公司生產(chǎn)的TGS813傳感器。（2）信號采集放大電路的設計由于氣體傳感器采集的電信號一般很小，而且存在共模成分，需要經(jīng)過放大電路放大，而之后方可進行A/D轉(zhuǎn)換。氣體傳感器輸出的信號幅度很小，存在著不同程度的電磁干擾，因此在本設計中，放大電路采用儀表放大器AD623，對來自傳感器的信號進行精密放大，同時抑制共模成分提高信號質(zhì)量。AD623是一個集成單電源儀表放大器，它能在單電源（+3V到+12V）下提供滿電源幅度的輸出。AD623允許使用單個增益設置電阻進行增益編程，以得到更好的用戶靈活性，且符合8引腳的工業(yè)標準引腳配置。AD623通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比（ACCMRR）而保持最小的誤差，且具有較寬的共模輸入范圍，它可以放大具有低于地電平150Mv共模電壓的信號。AD623的使用特點是：使用一只外接電阻設置增益G，其中G可達1000，從而給用戶帶來極大方便，計算公式為G=1+1000KΩ/Rti。AD623的引腳排列為下圖所示。圖3-AD623引腳排列（3）A/D轉(zhuǎn)換電路的設計從煙霧傳感器和煤氣傳感器輸出的信號為模擬量，該模擬量需要運放后送入A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)運放采用AD623儀用放大器實現(xiàn)，運放后的信號送入A/D轉(zhuǎn)換器。在本系統(tǒng)中，采用德州儀器公司（TI）的新型模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543，作為A/D轉(zhuǎn)換器。TLC2543具有12位的分辨率，使用開關電容逐次逼近技術完成AD轉(zhuǎn)換過程。提供的最大采樣率為66KSPS，供電電路僅需1mA。它除具有高速的轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，還具有靈活的串行接口。每個器件有三個控制輸入端：片選(CS)、輸入/輸出時鐘（I/OCLK）及地址數(shù)據(jù)輸入端（DATAINPUT）。它還可以通過一個串行的3態(tài)輸出端（DATAOUT）與主處理器或其他外圍的串行口通訊，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。通過編程器件的DATAINPUT管腳串行輸入的8位通道/方式控制節(jié)的高4位（MSBs）,可選擇11個模擬輸入通道中的任一個。TLC2543的引腳排列圖如下。圖3-引腳說明：AIN0-AIN10為模擬輸入端。CS為片選信號，由高到低有效，由外部輸入。DATAINPUT為串行數(shù)據(jù)輸入端。DATAOUT為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束端,向外部輸出。CLK為I/O時鐘，由外部輸入。REF+為正基準電壓端，一般接+5V。REF-為負基準電壓端，一般接地。VCC為電源,一般接+5V.GND為電源地。（4）傳感器接口連接的設計由于煙霧傳感器和煤氣傳感器輸出的是模擬量，所以需要信號放大與A/D轉(zhuǎn)換。而門磁開關和反射式傳感器輸出的是數(shù)字量，所以直接與單片機的I/O口相連接。其安防模塊的總體電路圖如下圖所示。圖3-（5）布防和撤防狀態(tài)下的切換由于系統(tǒng)在家中無人監(jiān)控的工作，所以系統(tǒng)布防和撤防狀態(tài)轉(zhuǎn)換很有必要。在單片機RAM中設置了相關的狀態(tài)命令，如：”布防狀態(tài)”、“撤防狀態(tài)”、”復位”等，當家中有人時可以通過短信的方式設置系統(tǒng)的狀態(tài)，此時在室內(nèi)活動不回產(chǎn)生任何報警。外出時，可以設置系統(tǒng)工作模式在”布防狀態(tài)”，此時系統(tǒng)就可以工作了。需要注意的是，當系統(tǒng)監(jiān)測到報警時，會延遲一段時間在監(jiān)測是否有報警信號，若存在又沒有撤防，則開始短信報警。這個設計很有必要，因為主人離開自治的布防區(qū)時需要一段時間，如果沒有這個延遲，則可能引起誤報。將本系統(tǒng)成品應用于家中，當家中無人監(jiān)控時，通過短信方式通知系統(tǒng)工作方式在設防狀態(tài)。煤氣傳感器的報警閾值為2000ppm，相應時間為1s。門有劇烈振動時，門磁開關就會工作。報警信息通過室內(nèi)傳感器檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到下位機的89C52，確認報警后通過RS-485總線發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機89C52，控制MC35i通知用戶。系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要受到傳感器的精度、TC35i的穩(wěn)定性和GSM網(wǎng)絡穩(wěn)定性的影響。3.4.2溫度檢測控制模塊本文提出了基于GSM的遠程溫度監(jiān)測系統(tǒng)，采用美國Dallas公司生產(chǎn)的DSl8B20數(shù)字溫度傳感器，通過現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡將監(jiān)測結(jié)果以短信方式發(fā)送至相應的監(jiān)控終端(如手機、PC機)。系統(tǒng)具有結(jié)構簡單、可靠性高、成本低等特點，可廣泛應用于橋梁混凝土測溫、電力電纜火災監(jiān)測、糧倉及物資倉庫溫度監(jiān)測。(1)硬件設計模塊主要完成溫度的檢測，然后將溫度信息通過RS-485總線傳輸給上位機，通過GSM無線通信模塊發(fā)送到用戶手機，用戶通過手機短信掌控家居的溫度情況。系統(tǒng)硬件主要有89C52單片機及外圍電路、溫度傳感器(DS18B20)和GSM無線通信模塊(TC35i)組成。上位機控制GSM無線通信模塊收發(fā)短消息，接收各下位機采集的溫度數(shù)據(jù),然后對數(shù)據(jù)進行顯示、處理。下位機實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、和傳輸?shù)缴衔粰C。上位機和下位機通過RS-485總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。實現(xiàn)了基于GSM網(wǎng)絡的溫濕度檢測模塊。溫濕度檢測模塊結(jié)構如圖3-所示。圖3-12溫度檢測模塊結(jié)構圖(2)溫度檢測元件溫度檢測電路采用Dallas公司生產(chǎn)的1-Wire接口數(shù)字溫度傳感器DSl8B20，它采用3引腳T0-92封裝：溫度測量范圍為-55℃～+125℃．編程設置9～12位分辨率。現(xiàn)場溫度直接以1-Wire的數(shù)字方式傳輸。大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。多個DSl8820可并聯(lián)至3或2根總線上．CPU只需1根端口線就能與多個DSl8820通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。溫度檢測電路原理圖如圖2所示，主機控制DSl8820實現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換，DSl8820采用外接電源方式，其VDD端采用3v～5.5V電源供電。DS18B20的硬件電路接線圖如圖3-所示。圖3-13DS18B20的硬件電路接線圖3.4.3電器控制模塊電器控制模塊采用單片機控制繼電器開/關的方法來實現(xiàn)控制電路的通斷，從而達到控制電器開關的功能。其硬件電路圖如圖3-15所示。要控制一個電器的開/關，只需要將此電器的電路上串一個繼電器常開觸點，單片機控制單片機的一個I/O口從高變?yōu)榈停瑒tU3中發(fā)光二極管導通，使得右邊的光敏三極管導通，Q3作為開關功能使繼電器線圈得電，在電器電路上的繼電器常開觸電閉合，則相當于將電器的開關打開了，這就達到了開電器開的功能。當單片機的一個I/O口從低變?yōu)楦邥r，發(fā)光二極管熄滅，光敏三極管斷開，Q3斷開，繼電器失電，電器電路斷開，這就達到了關電器的功能。圖3-15電器控制模塊硬件電路圖3.4.4線路監(jiān)測模塊在單片機系統(tǒng)的實際應用中，經(jīng)常會遇見這樣兩種情況：第一種是系統(tǒng)電壓瞬時欠壓導致單片機程序“跑飛”，使系統(tǒng)不能正常工作；第二種是系統(tǒng)意外掉電導致重要數(shù)據(jù)丟失而不能恢復。為了避免這兩種情況的發(fā)生，需要加上掉點監(jiān)測和保護電路，以提高系統(tǒng)的抗干擾性和安全性。掉電監(jiān)測和保護電路能夠監(jiān)測到電源電壓的下降。當電源電壓還沒有降到危及系統(tǒng)正常工作的電壓以前就及時發(fā)出警告信號，單片機系統(tǒng)在收到此信號后，立即轉(zhuǎn)入中斷服務程序進行數(shù)據(jù)的保護和備用電源的切換工作，待干擾脈沖或系統(tǒng)重新上電后恢復被保護的數(shù)據(jù)。過去常用分立元件、后備電池和RAM構成這種電路。隨著集成電路技術的發(fā)展，出現(xiàn)了不少專用的電源監(jiān)測芯片，這里我們就用MAXIM公司的MAX813L和DALLAS半導體公司的DS12887構成一種實用的掉電檢測和保護電路。（1）MAX813L芯片的主要性能和特點MAX813L有8條引腳雙列直插式封裝（DIP）和小型封裝（SO）兩種形式。除了具備手工復位功能外,還能夠在上電、掉電以及降壓情況下提供復位信號。當VCC降到低于4.65V門限電壓時RESET變?yōu)楦唠娖?在VCC上升超過4.65V門限電壓后能保持復位信號200ms;當VCC降到1V時仍能保證復位輸出處于正確的狀態(tài)。MAX813L同時還能對系統(tǒng)電源前端監(jiān)測,當PF1輸入低于1.25V時,PF0則輸出低電平,以供單片機通過中斷對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行保護處理。MAX813L還具有看門狗的功能,確保單片機系統(tǒng)受干擾后程序亦能自動恢復正常。MAX813L外圍所需元件很少,電路可靠性高,價格低廉。其引腳圖如下圖所示。圖引腳功能說明如下：——1)手動復位輸入端（MR）當該端輸入低電平保持140ms以上，MAX813L就輸出復位信號.該輸入端的最小輸入脈寬要求可以有效——地消除開關的抖動。MR與TTL/CMOS兼容。2)工作電源端（VCC）：接+5V電源。3)電源接地端（GND）：接0V參考電平。4)電源故障輸入端（PFI）：當該端輸入電壓低于1.25V時，5號引腳輸出端的信號由高電平變?yōu)榈碗娖??！?)電源故障輸出端（PFO)：電源正常時，保持高電平，電源電壓變低或掉電時輸出由高電平變?yōu)榈碗娖健?)看門狗信號輸入端（WDI）：程序正常運行時，必須在小于1.6S的時間間隔內(nèi)向該輸入端發(fā)送一個脈沖信號，以清除芯片內(nèi)部的看門狗定時器。若超過1.6S該輸入端收不到脈沖信號，則內(nèi)部定時器溢出，8號引腳由高電平變?yōu)榈碗娖健?)復位信號輸出端（RST）：上電時，自動產(chǎn)生200ms的復位脈沖；手動復位端輸入低電平時，該端也產(chǎn)生復位信號輸出。————8)看門狗信號輸出端（WDO）：正常工作時輸出保持高電平，看門狗輸出時，該端輸出信號由高電平變?yōu)榈碗娖?。?）DS12887芯片的主要性能和特點DS12887是雙列直插式24腳實時時鐘芯片,它內(nèi)部有鋰電池、114字節(jié)非易失性靜態(tài)RAM、寫保護電路和百年日歷,無需外接晶振和備份電源,在掉電情況下能夠自動切換到內(nèi)部鋰電池供電,保護存儲信息不丟失和時鐘不停止。圖是DS12887的管腳圖。圖引腳功能說明如下：1)AD0-AD7:地址/數(shù)據(jù)復用總線2)NC：空腳3)MOT：總線類型選擇（MOTOROLA/INTEL）4)CS:片選信號5)AS:ALE6)R/W:在INTEL總線下作為/WR7)DS:在INTEL總線下作為/RD8)RESET:復位信號9)IRQ：中斷請求輸出10)SQW：方波輸出11)VCC：+5V電源12)GND：電源地(3)電路結(jié)構及其應用當系統(tǒng)電源電壓端VC瞬時欠壓或意外掉電時,MAX813L的PF0端輸出低電平,送入89C51的外部中斷輸入腳;89C51單片機系統(tǒng)進入中斷服務程序,保存數(shù)據(jù)到DS12887的RAM中,然后進入掉電工作方式。此時89C51時鐘停止,振蕩器關閉,地址/數(shù)據(jù)總線處于懸浮狀態(tài),不會對DS12887的RAM產(chǎn)生誤操作。當系統(tǒng)電源恢復后,MAX813L的RESET端輸出能保持200ms的高電平,使89C51復位,恢復系統(tǒng)正常工作,在程序開始時恢復數(shù)據(jù)。其電路圖如下圖所示。圖3.5其它部件的設計3.5.1時鐘電路(1)晶振電路51系列單片機的時鐘信號通常采用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。內(nèi)部振蕩方式是在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器，如下圖3-16所示。圖中C1、C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值一般在5-30pF。晶振常選用頻率為6MHz、12MHz或24MHz的，采用串口時長使用11.0592MHz的晶振。內(nèi)部振蕩方式得到的時鐘信號比較溫度，應用較多。外部振蕩方式是把已有的時鐘信號引入單片機內(nèi)。電路如圖圖3-17所示。由于XTAL1的邏輯點評不是TTL的，因此建議外界一個4.7Ω-10KΩ的上拉電阻。圖3-16內(nèi)部振蕩方式圖3-17外部振蕩方式圖圖（2）單片機的時序單位單片機的時序單位如圖3所示。圖單片機的時序單位時鐘周期P：為單片機提供定時小號的振蕩源的周期（晶振周期或外加振蕩源周期）。狀態(tài)周期S：2個振蕩周期為一個狀態(tài)周期，用S表示。兩個振蕩周期作為兩個接拍分別稱為節(jié)拍P1和節(jié)拍P2。機器周期:1個機器周期含6個狀態(tài)周期，用S1、S2、S3、S4……S6表示，共有12個時鐘周期組成。指令周期：執(zhí)行一條指令所需的時間。1個指令周期依據(jù)指令不同而不同，可有1-4個機器周期組成。在本設計中，就采用了內(nèi)部振蕩的簡單電路實現(xiàn)晶振。3.5.2復位電路（1）復位后各寄存器的狀態(tài)復位是完成單片機內(nèi)電路的初始化，使單片機從一種確定的狀態(tài)開始工作。單片機的杜威引腳RST保持兩個時鐘周期的高電平將使單片機復位，復位后片內(nèi)各寄存器的狀態(tài)如下表3-4所示。表3-4復位后片內(nèi)各寄存器的狀態(tài)注：X代表隨機狀態(tài)另外，在復位有效期間（即高電平），單片機的ALE引腳為高電平，且內(nèi)部RAM不受復位的影響。（2）復位電路根據(jù)應用要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和按鍵復位。最簡單的上電復位電路如下圖3-19所示。工作原理為：上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持兩個時鐘周期以上的高電平，就能使單片機有效地復位。圖3-20為上電與按鈕復位電路。圖3-21為采用專用芯片MAX810的復位電路，它可以使復位更為可靠。本設計中采用了按鍵復位的電路畫法，起硬件電路圖如下圖3-22所示。圖上電復位電路圖上電與按鍵復位電路圖采用專用芯片MAX810的復位電路3.5.4電源電路圖本設計中的復位電路最后來完成的是最基本,最必須的電源部分安裝調(diào)試,任何電路都離不開電源部分,單片機系統(tǒng)也不例外,而且我們應該高度重視電源部分,不能因為電源部分電路比較簡單而有所忽略,其實有將近一半的故障或制作失敗都和電源有關,電源部分做好才能保證電路的正常工作。電源電路的硬件電路圖如圖3-24所示。電源部分兵分兩路,一路直接提供12伏的直流電源,主要是提供給繼電器使用的,另一路通過三端穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓成5伏直流電源提供給單片機系統(tǒng)使用,右邊兩個電容是5伏電源的濾波電容,電阻和綠色的LED組成5伏電源的工作指示電路,只要電源部分正常,綠色的LED1就會點亮,我們可以根據(jù)這個LED來判斷整個電源部分是否工作正常,電源部分就是下面圖像中需要安裝的元件。圖電源電路的硬件電路圖注意事項：(1)有極性的電解電容正負不要顛倒,引腳長的哪個為正極；(2)三端穩(wěn)壓7805不要裝反,可以參照圖片位置畫圖；(3)LED極性不要顛反,引腳長的哪個為正極；最后用萬用表測量＋12V和＋5V輸出是否正常。4系統(tǒng)軟件設計4.1RS-485總線程序設計（一）多機通訊原理在RS-485總線方式構成的多機通訊系統(tǒng)中，一般采用主從式結(jié)構：主機控制多個從機，做為從機的單片機不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，一切都由主機控制；并且在一個多級系統(tǒng)中，只有一臺主機，各臺從機之間不能相互通信，即使有信息交換也必須通過主機轉(zhuǎn)發(fā)。采用RS-485構成的多機通訊系統(tǒng)原理框圖如圖所示。在總線末端接一個匹配電阻，吸收總線上的反射信號，使得正常傳輸信號無毛刺。匹配電阻的取值應該與總線的特性阻抗相當。當總線上沒有信號傳輸時，總線處于懸浮狀態(tài)，容易受干擾信號的影響。所以將線路兩端的正端A+和負端B-間各接一個120Ω的電阻，形成一個電阻網(wǎng)絡。當總線上沒有信號傳輸時，正端A+的電平大約為3.2V，負端B-的電平大約為1.6V，即使有干擾信號，卻很難產(chǎn)生串行通信的起始信號0，從而增加了總線抗干擾的能力。圖4.1采用RS－485構成的多機通訊原理框圖（二）通信協(xié)議設計為保證通信進行,首先做到單片機的串行口與主控機串行口的設置保持一致,即數(shù)據(jù)格式一致、通信波特率相同。如果是多點通信,每個從機要分配一個地址碼。系統(tǒng)中協(xié)議有三種幀格式:呼叫幀、應答幀和數(shù)據(jù)幀。呼叫幀由主機發(fā)出，應答幀只能由從機發(fā)出，當從機收到呼叫幀后,把本機地址和當前狀態(tài)回發(fā)給主機。設置開機自檢、自診斷程序,機器不能帶病工作;如果需要,還可以設置在工作空閑時或定時自檢程序。在多機通信系統(tǒng)采用主從式結(jié)構中。數(shù)據(jù)通信總是由主機發(fā)起。主機處于發(fā)送狀態(tài)“說”時,從機總是出于“聽”狀態(tài)。若主機發(fā)送的地址信息與本地從機相符,則接收該數(shù)據(jù),否則,繼續(xù)“聽”總線上的數(shù)據(jù)。若從機需要發(fā)送數(shù)據(jù),則必須等到主機輪詢本地從機時,才可提出請求。這種網(wǎng)絡模式下從機不會“偵聽”其他從機對主機的響應,這樣就不會對其他從機產(chǎn)生錯誤的響應。主從式多機通信協(xié)議中,通信速率設為19.2kbps.系統(tǒng)上電或復位后,使所有從機的SM2位置1,處于只接收地址幀監(jiān)聽狀態(tài)。主機向從機發(fā)送一幀地址信息,從機接收到地址幀后,將其與本地地址比較,判斷是否一致。若與本地地址相符,則清除SM2,同時發(fā)送應答幀,進入通信狀態(tài);其他與本地地址不相符的從機則保持SM2位不變,繼續(xù)監(jiān)聽。主從機均以中斷方式進行通信,程序流程如圖3-所示。A主機發(fā)送主程序B主機中斷接收子程序C從機中斷接收子程序圖4-2多機通訊流程圖4.2DS18B20溫度采集程序設計DS18B20的溫度采集的程序步驟為：初始化18B20→單片機讀取溫度→計算溫度，將溫度保存在指定的寄存器位里面，等待顯示程序調(diào)用顯示，當下次調(diào)用溫度采集的程序時，再循環(huán)此步驟，其程序如附錄所示。4.3GSM模塊程序設計GSM模塊的程序設計以報警為例說明此模塊的程序設計。其程序主要包括系統(tǒng)的初始化主程序和報警中斷子程序。在主程序中設置工作的狀態(tài)，包括系統(tǒng)是否布防，撤防等，中斷子程序中根據(jù)系統(tǒng)工作狀態(tài)及報警信息進行報警。主程序流程圖如圖4-4所示，中斷子程序流程圖如圖4-5所示。圖4-3GSM模塊程序流程圖圖4-4中斷子程序流程圖單片機與TC35i的軟件接口其實就是單片機通過AT指令控制手機的控制技術，首先設置TC35i模塊的工作模式：AT+cMGF=n，n=0為PDU模式；n=l為文本模式；通常設置為PDU模式，在這種模式下，能傳送或接受透明數(shù)據(jù)(用戶自定義數(shù)據(jù))。AT+CMGR=n為讀TC35i模塊短消息數(shù)據(jù)，n為短消息號。AT+CMGL=n為列出TC35i模塊內(nèi)的短消息，n=0是未讀的短消息，n=l位已讀的短消息，n=2位未發(fā)送的短消息，n=3為已發(fā)送的短消息n=4為所有短消息。AT+CMGD=n為刪除TC35i模塊的短消息，n為短消息編號。軟件編程通過向TC35i寫入不同的AT指令能完成多種功能，如網(wǎng)絡登陸、讀取SIM卡上電話號碼、發(fā)送SMS消息、接收SMS消息等。其程序詳見附錄2-1.AT指令的指令符號、常數(shù)、PDU數(shù)據(jù)等都是以ASCII編碼形式傳送：傳送透明數(shù)據(jù)必須把TC35i模塊的工作模式設置為PDU模式；單片機向TC35i模塊發(fā)送每一條指令后。必須以回車符作為該條指令的結(jié)束，例如單片機向手機發(fā)送“AT+CMGF=0”這條指令，其ASCII編碼序列為“41H、54H、2BH、42H、4DH、47H、46H、3DH、30H、0DH”，最后一個字節(jié)0DH就是回車符，表示該條指令結(jié)束，如果沒有這個回車符，手機將不識別這條指令。當TC35i模塊接收到一條完整的AT指令后，TC35i模塊并不立即執(zhí)行該條指令，而是先把剛才接收到的AT指令的ASCII編碼序列全部反發(fā)送出來(含0DH)；其次發(fā)送一個回車符和一個換行符的ASCII編碼，即ODH和0AH；然后執(zhí)行該指令。單片機讀取TC35i模塊的PDU數(shù)據(jù)時，原始數(shù)據(jù)應該是16進制數(shù)，但讀回的數(shù)據(jù)仍然是ASCII表示的16進制數(shù)。這樣一個字節(jié)的16進制數(shù)就變成了2個字節(jié)的ASCII碼。但是PDU數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)字節(jié)長度部分仍然是實際字符長度。而不是變成ASCII碼的字節(jié)長度，這在編程時應特別注意，否則，接收的數(shù)據(jù)就不完整。單片機接收到PDU數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)后，須將其恢復成16進制數(shù)據(jù)，其算法如下：設a為接收的ASCII碼，b為轉(zhuǎn)換后的16進制數(shù)。那么如果a<39H，則b=a一30H；如果a>39H，則b=a一30h一07H。最后把前后兩個數(shù)合并為一個字節(jié)。TC35i模塊向單片機應答PDU數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)時不包括前9個字節(jié)數(shù)據(jù)，但向單片機傳送PDU數(shù)據(jù)包時，包括這9個字節(jié)的數(shù)據(jù)。例如，如果TC35i模塊應答的PDU數(shù)據(jù)長度為50．而實際向單片機傳送的16進制數(shù)據(jù)為59字節(jié)，ASCII碼為2x59字節(jié)，所以單片機必須按2x59個字節(jié)接收PDU數(shù)據(jù)。4.41602顯示程序設計在本設計中，顯示主要用于本地控制，用戶方便的了解現(xiàn)場的情況，便于操作現(xiàn)場，其主要內(nèi)容包括，報警/消除的狀態(tài)顯示，電器開/關的顯示，溫濕度的顯示等。下面就溫度顯示作簡單介紹：由于1602是顯示兩行各16個字符的液晶顯示器，所以當需要顯示當前的溫度時，例如25.4度，首先顯示不變的字符如第一行的“temperature：”和第二行的“。C”，代表顯示的溫度是以攝氏溫度方式顯示的，讓后需要將顯示的溫度寫進第二行預留的前四位，具體方法是：當溫度傳感器的溫度計算完后，溫度的十位、個位分別放在3個寄存器位里面，現(xiàn)在只需要將這三個位的數(shù)據(jù)分別寫入顯示器第二行的第一、二、四位即可，第三位寫小數(shù)點“.”，詳細程序見附錄。4.544鍵盤程序設計行掃描法是確認有鍵閉合后，逐行（或逐列）置低電平，并讀入列（或行）狀態(tài)，如果出現(xiàn)非全1狀態(tài)，那么0狀態(tài)的行、列交點就是被按下鍵。掃描法的流程圖如圖4-6所示，其簡單的參考程序如附錄5-1所示。圖4-6掃描法的流程圖5系統(tǒng)典型部分仿真5.1仿真軟件proteusProteus是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點