第*届“*******” 学生制作作品竞赛论文
项 目 编 号 院（系）名 称 *** 专 业 名 称 *** 作 者 姓 名 *** 学 号 *** 指 导 教 师
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北京航空航天大学第十一届“电子创新大赛”学生参赛论文
基于单片机的智能家居系统
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北京航空航天大学第十一届“电子创新大赛”学生参赛论文
摘要
智能家居最终的目的是让家庭更舒适、更安全、更环保。随着人类应用需求和电子设备的不断发展,今天的智能家居系统有能力实现更加丰富的内容,系统也越来越复杂。智能家居的基本功能可以满足安全(防盗、火灾、煤气)、网络服务、医疗服务、家具电器自动控制管理系统等等。目前市场上的智能化主要体现在某一方面如扫地机器人等。未能做到在全方位家居提供智能化服务，这在一定程度上带来了不便性，给市场推广造成了阻力，本作品旨在从智能家居的“智能化”特点，解决系统在实际应用中的几个痛点，实现对智能家居系统的未来发展方向的展望。
本系统基于STC89C52单片机。该芯片是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K字节系统可编程Flash存储器。这款芯片在功能、能耗、价格上达到了较好的平衡，是本系统很好的选择。
本文首先对于智能家居系统进行了分析，然后根据单片机的特点和实际的可操作性给出了总体模块安排，并按照设计目标依次讨论了照明、温度、门锁等功能的实现过程。并为将来的升级预留了接口。最后本文还对已经完成的设计进行了总结，还研究了系统进一步的发展方向
关键词：智能家居 STC89C52 自动控制
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目录
摘要 ............................................................................................................................................ 3 关键词： .................................................................................................................................... 3
1.1智能家居系统发展现状 .............................................................................................. 5 1.2智能家居控制系统功能 .............................................................................................. 5 二 总体设计 .............................................................................................................................. 6
2.1 整体介绍 ..................................................................................................................... 6 2.2系统设计方案 .............................................................................................................. 6 2.3 功能设计 ..................................................................................................................... 6
2.3.1 温度探测模块 ................................................................................................ 6 2.3.2 密码锁模块 ...................................................................................................... 7 2.3.3 红外遥控模块 .................................................................................................. 9 2.3.4 LCD模块 ........................................................................................................ 15 2.3.5 最小系统模块 ................................................................................................ 16
三 环境搭建 ............................................................................................................................ 17
3.1实例环境选择 ............................................................................................................ 17 3.2环境布置 .................................................................................................................... 17
3.2.1电器 ................................................................................................................. 17 3.2.2 布线 ................................................................................................................ 17
参考文献 .................................................................................................................................. 19
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一 绪论
智能家居是近年来的市场热点。本文以智能家居系统为研究对象，给出了基于89C52单片机的智能家居系统的设计和实现。本章首先对市场上智能家居系统发展现状进行了阐述，而后，给出了本文研究的目的和意义。
1.1智能家居系统发展现状
智能家居是现代社会最热门的话题之一，它的目标是通过网络等信息通信技术手段实现对家居电器等的智能控制，使其能够按照人们的设定工作运行，而不论距离的远近。智能化与远程控制是智能家居的两大特点。目前，已经有越来越多的机构和个人开始了对智能家居的研究
随着网络技术的发展，特别是无线网络的发展，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、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段，使生活更加舒适、便利和安全。
1.2智能家居控制系统功能
智能家庭控制系统的主要功能包括家庭设备自动控制、家庭安全防范二个方面。其中家庭设备自动监控包括电器设备的集中、遥控、远距离异地(通过电话或Internet)的监视、控制及数据采集。
(1)家用电器的监视和控制，按照预先所设定程序的要求对热水器、微波炉、视像音响等家用电器进行监视和控制。
(2) 热能表、燃气表、水表、电度表的数据采集、计量和传送根据小区物业管理的要求所设置数据采集程序，通过传感器对热能表、燃气表、水表、电度表的用量进行自动数据采集、计量，并将采集结果远程传送给小区物业管理系统。
(3)空调机的监视、调节和控制，按照预先所设定的程序，根据时间、温度、湿度等参数对空调机进行监视、调节和控制。
(4)照明设备的监视、调节和控制按照预先设定的时间程序，分别对各个房间照明设备的开、关进行控制，并可自动调节各个房间的照度。
(5)窗帘的控制，按照预先设定的时间程序，对窗帘的开启/关闭进行控制。
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二 总体设计
2.1 整体介绍
本次设计以STC89C52芯片为控制核心，温度，湿度等传感器为环境信息采集源，以Web控制为辅助，来制作一个物联网空调监控系统。在原有的机械式按键开关的基础上，采用无线遥控器与Web网页远程控制，来控制空调机组（如风机，加湿器，风阀等），实现了远距离，多角度对空调机组进行实时控制。此外在本次设计中，采用多种传感器想结合，智能根据各传感器采集的数值进行自动化控制，如自动开关风机，智能调节冷冻水量，自动调节风阀开度等。并能够实现故障诊断，提供报警，数据实时数据与历史数据查询并Excel表输出。
2.2系统设计方案
根据设计要求，系统提供了包括了核心控制模块，Web服务器，Web HTML模块，数据采集模块，继电器模块，按键模块，报警模块，等等。系统的整体框图如图1所示。
2.3 功能设计
2.3.1 温度探测模块
通过温度传感器（如图2）采集当前的温度信息，送到采集模块中进行转换，由单片机中的模块函数处理，并将得到的温度值传递给LCD显示函数，LCD显示函数控制LCD液晶屏幕显示出“温度”等字样
该模块的具体流程图如下：
遥控器发 红外传感器接收信号单片机得到遥控指令 房间 照明 送信号 DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备
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数字测温和控制领域。技术性能如下
①、 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
② 、测温范围 －55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。
③、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。
④、工作电源: 3~5V/DC
⑤ 、在使用中不需要任何外围元件
⑥、 测量结果以9~12位数字量方式串行传送 ⑦ 、不锈钢保护管直径 Φ6
⑧ 、适用于DN15~25, DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温 ⑨、 标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选
⑩ 、PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。 2.3.2 密码锁模块
密码锁模块由软键盘、门栓、单片机构成。用户在门外的软键盘上输入房间密码，单片机对比输入密码与预设密码，如果一致便控制电机，使门栓缩回，房门可以打开。假如密码连续四次输错，便启动报警并锁定键盘无法输入。 该模块的主要流程图如下： 是 7 扫描获得按键 正确？ 是 电磁推拉阀打开，门开 否 否 连续错误超过4次？ 报警 北京航空航天大学第十一届“电子创新大赛”学生参赛论文
软键盘采用正规的薄膜矩阵键盘。
键盘采用4*4矩阵键盘,键值读取方法采用扫描法，端口使用P3口，其中P3.0~P3.3做行线，P3.4~P3.7做列线，在对行、列扫描之前，先会扫描整个P3口，当读到有键按下才，会去具体扫描行与列。 门栓采用了一个电磁推拉阀。
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推拉阀内部是一个电磁铁结构。当接高电平时，电磁铁通电，将活塞吸入阀内。门阀不工作，房门可直接推开，当单片机给推拉阀低电平时，门阀伸出，房门将不能打开。
2.3.3 红外遥控模块
红外遥控模块主要由传感器和遥控器构成。遥控机根据用户按键发送特定的红外信号，红外传感器接收到信号后传递给单片机，单片机将信息处理成用户指令如照明开关，并控制房灯的开关。 该模块的主要流程如下：
传感器和遥控器采用配套的
1 红外线遥控基本原理
红外线遥控就是利用红外线(又称红外光)来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制。具体来讲，就是由发射器发出红外线指令信号，由接收器接收下来并对信号进行处理并识别，再通过相应的控制芯片，最后根据接收到的不同信号实现对控制对象的各种功能的远距离控制。
红外线发射器由指令按键、信号产生电路、频率调制电路、驱动电路及红外线发射器件组成，如图1 所示。当指令键按下时，指令信号产生电路便产生所需要的控制指令信号。
这里的控制指令信号是以某些不同的特征来区分的。常用的区分指令信号的特征是频率特征和码组特征，即用不同的频率或不同的编码的电信代号代表不同的指令。这些不同的指令信号经过频率调制，最后由驱动电路驱动红外线发射器件，发出红外线遥控指令信号。
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图1 红外线发射的组成
红外接收器由红外线接收器件、前置放大电路、信号解调电路、指令检测电路组成，如图2。当红外线接收器件接收到发射器的红外线指令信号时，它将红外光信号变为电信号并送入前置放大器进行放大，再经解调器解调后由指令信号检出电路将指令信号检出，实现各种操作。
图2红外线接收器的组成
要实现系统的遥控功能，就必须先选择信号指令传送的方式。根据遥控的方式和使用者场合不同，可以把这些控制信号特征进行各种组合编码。如电压极性的组合方式，电信号相位的组合方式，电信号幅值的组合方式，频率的组合方式，脉冲的宽度、相位、幅度等参数的组合方式及脉冲编码组合方式等。脉冲编码组合方式具有指令容量大，抗干扰能力强，保密性好及便于用逻辑电路来实现等优点，得到了广泛的应用。 2 系统硬件电路设计方案
红外遥控电路由发射电路和接收电路组成，发射部分由按键开关电路、控制芯片和红外发射电路三部分组成。当按下遥控按钮时，单片机产生相应的控制信号，经红外发射二极管发射出去。接收部分由红外接收头、控制芯片、调光电路组成，当红外接收器接收到控制脉冲后，经单片机处理，判断是否对电灯进行调光或开关，根据需要执行相应的操作，接收系统采用的是5 V单电源电压供电。如下图所示：
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图3 系统设计框图 2.1 遥控系统主控芯片
芯片采用STC89C52RC单片机。 2.2 红外发射电路模块
在本系统设计中，单片机发出的信号如何被红外发射管识别，发射管能否正常发射红外信号是发射电路要解决的关键问题。
要发射红外信号，必须要有红外发射器件。红外发光二极管是一种能产生红外光的发光二极管，目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm 左右，外形与普通发光二极管相同，只是颜色不同。常见的红外发射二极管有黑色，透明色，它与普通发光二极管的最大区别在于所发出的光为不可见光，而普通发光二极管发出的是各种颜色的可见光[5]，通常，红外发光二极管分为两种结构形式：一种是遥控发射型红外发光二极管(即最常用的手持遥控器所用的红外发射二极管);一种是近距离发射型红外发光二极管，这种二极管把红外光的发射与接收共集为一体。由于本设计实现的是家居遥控，因此采用第一种即可。
如图4 所示为系统遥控发射原理图，P1.0 口为按键输入口;P2.0 口为红外发射端口，用于输出38kHz 载波编码，脉冲经9013(NPN)放大然后由红外发射管输出;第9 脚为单片机的复位脚，采用RC 手动复位电路;18、19 脚接晶振。
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图4红外发射电路图 2.3 红外接收电路模块 1). 红外接收器件介绍。
一般的红外接收头主要由集成电路外加阻容元件，红外线接收管及滤波光片等组成，电路设计相对繁琐，在实际应用中不方便。而红外遥控接收头SM0038 集红外接收管，前置放大解调等于一体，无外部电路，体积小，密封性好，灵敏度高，应用简单，用小功率红外发射管发射信号接收距离达35 米，并且价格低廉。它仅有三条管脚，分别是电源正极、电源负极以及信号输出端，其工作电压在5V 左右，接收频率为38kHz,它的主要功能包括放大，选频，解调几大部分，要求输入信号需是已经被调制的信号。从而使电路达到最简化，灵敏度和抗干扰性都非常好，是一个接收红外信号的理想装置。如图5 所示：
2). 接收电路及调光电路设计。
接收电路和调光电路的实现均是通过继电器实现的，给每一个继电器串联一个电阻，构成一个回路，本电路将四个继电器回路并联，连接在P0 口上，当四个继电器均闭合时，灯最亮，当三个继电器
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工作时，灯较亮，当两个继电器工作时灯次亮，当一个继电器工作时，灯最暗，当四个继电器都不工作时，灯泡处于关闭状态。接收电路图如图6 所示：
图 6 接收电路图
3.1、遥控发射程序控制流程图
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图 7 发射程序流程图
初始化程序后，开定时器产生38kHz 脉冲，再判断有无按键按下，当有按键按下时，根据定时器设定的时间发一帧脉冲，首先发3ms 高电平，再发1ms 低电平，1ms 高电平，接着停发10ms。 3.2. 遥控接收程序控制流程图
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图8 接收部分调光程序流程图
接收端采用查询方式接收，当查询到P1.0 口为低电平时，累加器工作，通过累加器中变量个数判断控制灯的亮度及开关。当num为0 时，灯最亮，加1则调暗一个档次，当num等于4 时，继电器全部断开，灯灭。
2.3.4 LCD模块
LCD模块为显示模块，它能将温度等信息展示给用户。本系统采用的LCD为
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工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）
1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形，但是可以显示文字。 该模块的主要流程如下：
2.3.5 最小系统模块
STC89C52芯片 共40引脚，1~8脚是通用I/O接口（p1.0~p1.7），9脚rst复位键，10、11脚RXD串口输入、TXD串口输出，12~19脚:p3接口 (12,13脚 INT0中断0、INT1中断1，14,15:计数脉冲T0 T1 16,17:WR写控制RD读控制输出端) ,18,19脚:晶振谐振器，20脚接地线，21~28 p2接口高8位地址总线29: psen 片外rom选通端，单片机对片外
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家具工作状态 北京航空航天大学第十一届“电子创新大赛”学生参赛论文
rom操作时 29脚(psen)输出低电平30:ALE/PROG 地址锁存器31:EA rom取指令控制器，电源+5V。
三 环境搭建
在实现了系统各个模块的功能后需要将系统运用到实际环境中，为此我们制作了一个模型来模拟家居环境。
3.1实例环境选择
本次系统搭建选择了一个普通的一间房屋，有一扇门一扇窗。房间材料为硬纸板
3.2环境布置
3.2.1电器
在模型中，所要控制的电器有8个，分别为温度传感器、红外传感器、电磁推拉阀、矩阵键盘、两个STC89C52单片机系统、一片液晶屏幕。 3.2.2 布线
本系统液晶屏和电源安装在一块电路板，其余电器分别放置。温度传感器与红外接收头将会被独立出来。红外接收头会与遥控配套安装。
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总结与评价
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参考文献
[1] 吕 莉 ,罗 杰. 智能家居及其发展趋势.江西：江西师范大学计算机信息工程学院.2007年.
[2] 中电网. 智能家居中红外遥控模块的设计方案.2012年. [3] . 单片机LCD液晶显示模块详解. 2013年.
[4] 赵负图.传感器集成电路手册,第一版.化学工业出版社,2004年.
[5] 邓中祚. 智能家居控制系统设计与实现.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015年.
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