智能家居控制系統(tǒng)(總匯)

一．摘要該系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為核心，可以通過液晶屏或PC機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控家居內(nèi)各模塊的運(yùn)行狀態(tài)，也可通過遙控器或PC機(jī)對各模塊進(jìn)行無線限制。本系統(tǒng)功能模塊可分為：門禁模塊、無線遙控模塊、水流量及水溫計(jì)模塊、智能照明模塊、防盜報(bào)警模塊、室內(nèi)恒溫限制模塊、太陽能供電模塊、上位機(jī)限制模塊。本系統(tǒng)推崇“智能、節(jié)能、環(huán)?！钡目茖W(xué)發(fā)展觀念，符合當(dāng)今社會主流，有很強(qiáng)的市場推廣前景。關(guān)鍵詞：單片機(jī)、水流量計(jì)、溫度計(jì)、光控、熱釋、無線遙控二．系統(tǒng)簡介隨著現(xiàn)代社會的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對精神領(lǐng)域的追求更高了，對生活水平的要求更高了?，F(xiàn)代的家居生活是一種高品位、高質(zhì)量、特性化、智能化的方式。本系統(tǒng)就是基于AT89S52單片機(jī)限制的智能家居系統(tǒng)，可以實(shí)際監(jiān)控室內(nèi)各種不同的家電設(shè)備，并能通過液晶屏動態(tài)顯示當(dāng)前工作狀態(tài)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)相比，具有功能多樣化、成本造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，且符合當(dāng)今社會智能、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展觀念，并在人們享受高品位、高質(zhì)量、特性化、智能化生活的同時(shí)提高人們的節(jié)約意識。本系統(tǒng)采納Atmel公司的AT89S52單片機(jī)為主限制器。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微限制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振剛好鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷接著工作。掉電愛護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。且S系列的單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，便利地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。該系統(tǒng)采納競賽供應(yīng)的E_PLAY萬能試驗(yàn)板。三．智能家居房屋模型設(shè)計(jì)為了更加形象生動的演示出該智能家居系統(tǒng)優(yōu)越的功能性，本系統(tǒng)還另設(shè)計(jì)、構(gòu)建了房屋模型。該模型模擬真實(shí)的小型別墅1：1200的比例建立，更具有真實(shí)性，好用性。對于房屋模型材料的選擇，經(jīng)過多次比較，選擇了鋁塑板和擠塑板相結(jié)合的設(shè)計(jì)模式，鋁塑材料具有靈巧、堅(jiān)實(shí)、防火、安裝節(jié)約、簡便、環(huán)保、高度平整的優(yōu)點(diǎn)，用于制作房屋模型的主體結(jié)構(gòu)，用鋁塑材料比塑料更堅(jiān)固，美觀，相對于木質(zhì)板跟易裁剪，便利了制作過程；擠塑板用于房屋模型的外部裝飾結(jié)構(gòu)，具有抗高壓、防潮、不透氣、不吸水、耐腐蝕、導(dǎo)熱系數(shù)低、輕質(zhì)、運(yùn)用壽命長等優(yōu)質(zhì)性能，是一種優(yōu)質(zhì)的環(huán)保材料，提示人們環(huán)保節(jié)約意識。窗戶的制作選擇了具有易于切割、靈巧、堅(jiān)實(shí)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的有機(jī)玻璃作為制作材料。模型分為兩層，其中第一層裝有正門、窗戶及一個小屋；其次層裝有窗戶、窗簾及排風(fēng)設(shè)施。二層之上裝有類似于瓦礫的屋頂，在其上方裝有太陽能設(shè)施。整個房屋的門窗的開啟與關(guān)閉均由電機(jī)限制來完成。房屋模型一層正門的設(shè)計(jì)利用了渦輪蝸桿的工作原理，將電機(jī)加入其中，具有反自鎖功能，只有在上電后才起先工作，正門的開關(guān)由門上的電機(jī)的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)；門右旁裝4*4的矩陣鍵盤，用于輸入密碼，正門右上方裝有液晶顯示屏用于輸入密碼，確認(rèn)密碼；正門上方有紅、綠燈檢測裝置，檢測并推斷密碼輸入是否正確且是否可進(jìn)入屋內(nèi)。一層左右兩側(cè)分別各裝有一扇用合葉、有機(jī)玻璃制作的兩面開窗戶，增加了整套房屋模型的欣賞性。房屋一層正面右側(cè)的小屋用于安裝水流量計(jì)設(shè)備，用來演示水流量計(jì)模塊所實(shí)現(xiàn)的功能，小屋內(nèi)的水管中裝有溫度傳感器及水流量傳感器，溫度傳感器用于水溫的測量，水流量計(jì)用于測量當(dāng)前水的流量；房屋二層左右兩側(cè)都各裝有一扇用合葉、有機(jī)玻璃制作的兩面開窗戶，作為室內(nèi)通風(fēng)功能模塊的一部分，窗戶邊裝有電機(jī)，利用電機(jī)的轉(zhuǎn)動來智能限制其開啟或關(guān)閉；窗戶內(nèi)側(cè)裝有窗簾，其旁安裝了紅外及光敏傳感器等設(shè)備繼而構(gòu)成了光控窗簾模塊。一層窗戶旁邊則安裝了熱釋傳感器用于反饋窗戶四周的平安，窗戶上方還裝有門窗強(qiáng)行進(jìn)入報(bào)警信號器，構(gòu)成了窗戶防盜功能模塊，用于安防報(bào)警；二層窗戶上側(cè)裝有通風(fēng)風(fēng)扇設(shè)施（模擬空調(diào)），作為通風(fēng)模塊，用于調(diào)整室內(nèi)溫度并讓其保持在肯定范圍內(nèi)。房屋模型屋頂裝有太陽能板，構(gòu)成太陽能供電模塊，晴天時(shí)可通過蓄電池儲存電能用于整個系統(tǒng)的供電，在意外斷電的狀況下是仍能使整個系統(tǒng)正常工作，并節(jié)約了能源，提倡了節(jié)能意識。此外，整個系統(tǒng)的全部電路板均裝于房屋內(nèi)部頂層，既便利系統(tǒng)的布線又增加了整個模型的欣賞性。房屋模型背面裝有一扇用合葉及有機(jī)玻璃制作的單面開設(shè)施，便利了對房屋內(nèi)部結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)功能的視察和了解。下圖為房屋模型的框架圖：四．工作原理及設(shè)計(jì)思路⒈水流量模塊當(dāng)打開水龍頭時(shí)，依據(jù)主控器（51單片機(jī)）的指令，水流量計(jì)傳感器和數(shù)字溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)采集水流量狀態(tài)和水溫的數(shù)據(jù)。當(dāng)主控器（51單片機(jī)）掃描到水流量計(jì)傳感器的脈沖數(shù)，經(jīng)過主控器（51單片機(jī)）處理，計(jì)算出所采集的水流量后，通過液晶屏TX-1602能動態(tài)顯示當(dāng)前水流量，水費(fèi)及水溫（由于條件的限制我們這里采納氣流代替水流）。系統(tǒng)由主控器（51單片機(jī)）向溫度傳感器DS18B20發(fā)出測量溫度的吩咐，DS18B20測量出高精度的溫度值后，主控器（51單片機(jī)）向DS18B20發(fā)出讀取溫度值的吩咐，并讀回被測點(diǎn)的的溫度值，經(jīng)主控器（51單片機(jī)）處理運(yùn)算讀回的溫度值后，由液晶屏TX-1602能動態(tài)顯示當(dāng)前測得的水溫。本模塊符合當(dāng)今國家提倡的節(jié)約型和諧社會，能時(shí)常提高人們節(jié)約用水的意識。⒉門禁模塊主控器（51單片機(jī)）采納矩陣鍵盤掃描，把按鍵按行列組成矩陣，在行列交點(diǎn)上都對應(yīng)有一個鍵，這樣運(yùn)用的按鍵要少，為判定有無鍵被按下以及被按鍵的位置，這種稱為鍵掃描法。采納矩陣鍵盤掃描節(jié)約了單片機(jī)大量的I/O口，免去了上拉電阻為焊接帶來了便利，提高了整塊電路板的美觀度。首先判定有沒有鍵被按下，然后再判定被按鍵的位置，因?yàn)殒I盤矩陣有鍵被按下時(shí)，被按鍵處的行線和列線被接通，使得開關(guān)之間接通。當(dāng)掃描表明有按鍵被按下之后，緊接著應(yīng)是進(jìn)行去抖動處理，當(dāng)確定有按鍵被按下時(shí)，相應(yīng)的顯示出所按數(shù)值，并液晶屏TX-1602顯示所按下數(shù)據(jù)，當(dāng)輸入密碼正確時(shí)，主控器（51單片機(jī)）接收到信號，然后發(fā)出指令，使綠燈I/O口為低電平并驅(qū)動ULN2003，通過芯片ULN2003低壓限制高壓驅(qū)動12V電機(jī)的轉(zhuǎn)動，則綠燈點(diǎn)亮并能使電機(jī)轉(zhuǎn)動，把門打開；當(dāng)輸入密碼錯誤時(shí)，主控器（51單片機(jī)）使紅燈I/O口為高電平，則紅燈點(diǎn)亮。報(bào)警電路用兩個555接成，前者產(chǎn)生肯定的報(bào)警延時(shí)，通過變更RC的值可變更延時(shí)時(shí)間，后者為多諧振蕩器通過電位變更，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出頻率。輸出端產(chǎn)生的脈沖經(jīng)三極管驅(qū)動后接揚(yáng)聲器，就能發(fā)出報(bào)警聲音。每一按下按鍵，輸出的脈沖傳給主控器（51單片機(jī)），主控器（51單片機(jī)）發(fā)出指令給蜂鳴器讓其產(chǎn)生按鍵的聲音，可提示人們所按次數(shù)是否正確。此外，在屋內(nèi)也可對門進(jìn)行限制，當(dāng)有客人來時(shí)，只需按下按鍵，則大門打開。⒊光控窗簾模塊本模塊由光控部分，電機(jī)驅(qū)動以及紅外接收來實(shí)現(xiàn)對窗簾的限制。兩個等量電阻構(gòu)成的分壓器中點(diǎn)接運(yùn)算放大器LM358的反向輸入端，從而使放大器的輸出電壓為1/2U。白天有光照時(shí)，光敏電阻傳感器對外部環(huán)境進(jìn)行采光，此時(shí)阻值小，反向端電壓高于正向端，則運(yùn)算放大器LM358輸出端輸出高電平，使限制窗簾部分的電機(jī)驅(qū)動；反之天黑時(shí)，光敏電阻傳感器阻值大，正向端電壓高于反向端，運(yùn)算放大器LM358輸出端輸出低電平，則電機(jī)不轉(zhuǎn)動。因此，當(dāng)光敏電阻傳感器采集的模擬信號通過運(yùn)算放大器LM358傳給主控器（51單片機(jī)）后，主控器（51單片機(jī)）驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)天亮?xí)r窗簾自動打開；天黑時(shí)窗簾自動關(guān)閉同時(shí)打開室內(nèi)的燈。當(dāng)窗簾拉開或收回到一邊時(shí)，左右兩側(cè)的紅外二極管接收信號，把信號傳給主控器（51單片機(jī)），主控器（51單片機(jī)）再發(fā)出停止指令給電機(jī)，電機(jī)則停止轉(zhuǎn)動。通過用紅外二極管停止電機(jī)的轉(zhuǎn)動能防止電機(jī)不?？辙D(zhuǎn)而被憋壞，且用紅外限制窗簾的停轉(zhuǎn)，能防止突然斷電再被開啟時(shí)，電機(jī)再次轉(zhuǎn)動固定轉(zhuǎn)數(shù)而燒壞電機(jī)。⒋窗戶防盜模塊本模塊采納了被動式紅外報(bào)警器——熱釋電紅外傳感器KDS9。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺瑫r(shí)，它還能鑒別出運(yùn)動的生物與其它非生物。用它制作的防盜報(bào)警器與目前市場上銷售的很多防盜報(bào)警器材相比，具有：不須要用紅外線或電磁波等放射源；靈敏度高、限制范圍大；隱藏性好，可流淌安裝的特點(diǎn)。當(dāng)人體輻射的紅外線被聚焦在KDS9的探測元上時(shí)將輸出電壓信號，由于電壓非常微弱，所以用運(yùn)算放大器LM358對其進(jìn)行兩級放大，以獲得足夠的增益。當(dāng)放大后將這個凹凸電平變更的信號的下降沿信號作為555連接成的單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)信號，讓其輸出脈寬為5s的低電平信號。再用這一脈寬信號作為555多諧振蕩器報(bào)警電路得輸入限制信號，產(chǎn)生5s的報(bào)警信號，最終用三極管8550再次對電信號放大，使其有足夠大的電流來驅(qū)動喇叭發(fā)出報(bào)警聲。熱釋電紅外傳感器設(shè)計(jì)的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡潔?成本低等優(yōu)點(diǎn)?經(jīng)過多次測試,該系統(tǒng)工作狀況穩(wěn)定?⒌通風(fēng)模塊用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量，主控器（51單片機(jī)）向溫度傳感器DS18B20發(fā)出測量溫度的吩咐，DS18B20實(shí)時(shí)測量出高精度的室內(nèi)溫度值，主控器（51單片機(jī)）向DS18B20發(fā)出讀取溫度值的吩咐，并讀回測得的被測點(diǎn)的DS18B20傳回的溫度值，經(jīng)主控器（51單片機(jī)）處理運(yùn)算讀回的溫度值，當(dāng)檢測到室內(nèi)溫度達(dá)到肯定上限閾值，主控器（51單片機(jī)）向直流電機(jī)電機(jī)發(fā)出指令，限制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，使風(fēng)扇打開，液晶顯示屏顯示開啟狀態(tài)。通風(fēng)一段時(shí)間后，若室內(nèi)溫度達(dá)到肯定下限閾值時(shí)，則主控器（51單片機(jī)）限制電機(jī)使其停止轉(zhuǎn)動，從而風(fēng)扇停轉(zhuǎn)，液晶顯示屏顯示關(guān)閉狀態(tài)。⒍無線通訊遙控器模塊該模塊由放射端與接收端組成，無線放射裝置連接上位機(jī)（主機(jī)）串口通訊與無線接收裝置連接主控器（51單片機(jī)）的串口能進(jìn)行無線通訊。通過上位機(jī)里的智能家居系統(tǒng)用戶界面的相應(yīng)限制按鈕，可使無線放射裝置放射出信號給無線接收裝置，無線接收裝置經(jīng)過串口送入主控器（51單片機(jī)），由主控器（51單片機(jī)）負(fù)責(zé)處理來自串口的信息，主控器（51單片機(jī)）接收到信號后，相應(yīng)的限制門、窗、燈的開關(guān)；無線放射裝置另又接入3*3矩陣鍵盤，當(dāng)確定有按鍵按下時(shí)，主控器（51單片機(jī)）接收到信號，亦可執(zhí)行相應(yīng)的吩咐限制門、窗戶、窗簾、燈的開關(guān)。⒎太陽能供電模塊該模塊用三塊各5.5V的太陽能板串并聯(lián)后給12V的蓄電池充電。蓄電池（也俗稱電瓶）是太陽能供電系統(tǒng)的重要器件，它的主要功能，是能把太陽能電池板發(fā)的電能即時(shí)儲存在電瓶內(nèi)，以供用電設(shè)備運(yùn)用，蓄電池具有儲存電能和穩(wěn)定電壓的作用。蓄電池出來12V的電壓后，用三塊并聯(lián)的7805將其穩(wěn)壓成1.5A，5V供電給單片機(jī)。太陽能電池給蓄電池充電時(shí)，在充電電路中加兩只整流二極管，以保證在晚上蓄電池不會通過太陽能電池板反向放電。通過蓄電池儲存的電給主控器（51單片機(jī)）供電，使系統(tǒng)工作，能達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能目的。亦可在電源處于停電狀態(tài)時(shí)，在蓄電池連接電路時(shí)，加入了自復(fù)原保險(xiǎn)絲，當(dāng)電路發(fā)生短路或者過載時(shí)，流經(jīng)保險(xiǎn)絲的大電流使其集溫上升，當(dāng)達(dá)到居里溫度時(shí)，其態(tài)密度快速減小，相變增大，內(nèi)部的導(dǎo)電鏈路呈雪崩態(tài)變或斷裂，保險(xiǎn)絲呈階躍式遷到高阻態(tài)，電流被快速夾斷，從而對電路進(jìn)行快速，精確的限制和愛護(hù)，其微小的電流使保險(xiǎn)絲始終處于愛護(hù)狀態(tài)，當(dāng)斷電和故障解除后，其集溫降低，態(tài)密度增大，相變復(fù)原，納米晶體還原成鏈狀導(dǎo)電通路，自復(fù)原保險(xiǎn)絲復(fù)原為正常狀態(tài)，無需人工更換。五．硬件框圖 89S5289S52單片機(jī)風(fēng)扇小液晶屏溫度計(jì)光照傳感器步進(jìn)電機(jī)器上位機(jī)太陽能蓄電池+穩(wěn)壓電源7805水流量計(jì)器大液晶屏器無線通訊遙控器門、窗窗簾聲音報(bào)警燈六．軟件流程 起先系統(tǒng)初始化延時(shí)函數(shù)掃描水流量計(jì)脈沖數(shù)子程序、溫度測量子程序起先系統(tǒng)初始化延時(shí)函數(shù)掃描水流量計(jì)脈沖數(shù)子程序、溫度測量子程序送顯寄存器清零是否掃描按鍵子程序輸入密碼子程序程序檢驗(yàn)密碼是否正確ULN2003限制電機(jī)正轉(zhuǎn)、綠燈亮是否報(bào)警子程序、紅燈亮掃描采集光照子程序ULN2003限制電機(jī)正轉(zhuǎn)檢測紅外是否有輸出信號ULN2003限制電機(jī)停轉(zhuǎn)是否是否起先系統(tǒng)初始化溫度測量子程序檢測溫度達(dá)到肯定上限值ULN2003限制電機(jī)轉(zhuǎn)動否是LCD12964初始化清除顯存RAM各傳感器狀態(tài)顯示子程序LCD1602初始化清除顯存RAM密碼顯示子程序返回返回七．創(chuàng)新性基于AT89S52單片機(jī)限制的多功能智能家居系統(tǒng)具有以下特色:⑴該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了家電限制的智能化，多功能化。⑵通過液晶顯示屏動態(tài)顯示各傳感器當(dāng)前工作狀態(tài)，能實(shí)時(shí)檢查各傳感器是否正常工作。⑶水流量計(jì)模塊實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前水流量能提示人們節(jié)約用水的意識，符合當(dāng)今國家提倡的節(jié)約型和諧社會。⑷門、窗、窗簾、燈用電機(jī)限制，電機(jī)具有反自鎖功能，只有在有電的狀況下才能轉(zhuǎn)動，也可防盜。因此門、窗、窗簾、燈既能通過自動限制，也能人工限制，便利又省事。⑸門禁系統(tǒng)的雙重報(bào)警能防止小偷的強(qiáng)行進(jìn)入，保證家居的平安。⑹窗戶上的報(bào)警裝置能防止小偷從窗戶進(jìn)入，保證家居的平安。⑺無線通訊模塊中，通過上位機(jī)里的智能家居系統(tǒng)用戶界面能限制家里的電器設(shè)備，即使在辦公室通過電腦也能對家中的電器設(shè)備進(jìn)行限制。⑻當(dāng)白天時(shí)，窗簾自動收回，能提示人們早起而避開鬧鐘突然響起的吵鬧聲而受驚，且窗簾停止用紅外限制，能防止突然斷電再開啟時(shí)，電機(jī)再次轉(zhuǎn)動固定轉(zhuǎn)數(shù)而燒壞電機(jī)。⑼本系統(tǒng)采納雙電源供電，能保證主控器任何時(shí)候都為工作狀態(tài)。晴天時(shí)，太陽能板汲取陽光對蓄電池充電，將電量儲存起來。平?？捎?/p>