智能家居控制系统的设计毕业设计

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1、河南建筑职业技术学院毕业论文（设计）论文题目：智能家居控制系统的设计学生姓名： 学 号：2011112601012所在院系：设备工程系专业名称：楼宇智能化工程技术届 次：2011届指导教师： 目 录前言31 设计概述41.1 设计创新点41.2 论文概述42 总体设计42.1 整体设计方案42.2 主控芯片选择53 硬件系统设计53.1 主控芯片ATmega1653.2 功能设计63.3 电源模块设计93.4 显示模块103.5 键盘模块113.6 步进电机模块113.7 电机驱动124 软件设计134.1 原理图绘制134.2 程序编译环境145 结论16河南建筑职业技术学院智能家居控制系统

2、的设计1 设计概述1.1 设计创新点多媒体家庭智能控制系统，结合了多媒体数字影院系统、家庭监控防盗系统、家庭背景音乐系统、灯光窗帘控制系统、家庭急救报警系统、远程控制系统和自动节能系统等系统的功能优点。通过手持遥控、手机等多种方式进行控制。采用模块化设计，可根据不同的家庭的习惯采用不同的组合方式，使家居智能实现“DIY”，从而更好的体现家庭特点，体现不同的生活理念。符合人性化设计，充分体现了“以人为本”设计理念。1.2 论文概述论文包括智能家居整体制作思路及硬件外设部分的介绍与设计。包括家居模式的设计；硬件电路的设计，主控芯片中的比较、选择；软件算法包括根据外围硬件的环境来控制整个系统的运行。

3、其中，第一章为引言，主要介绍了智能家居发展现状及其应用前景；第二章为智能家居系统方案的设计，主要包括主控芯片的选择、功能模式的设计；第三章为硬件系统设计，其中主要介绍了硬件电路设计，各类传感器的功用及电源模块、显示模块等；第四章为智能家居软件系统设计，包括智能家居系统整体设计流程，并介绍了整个软件的编译环境；第五章是总结和鸣谢。2 总体设计2.1 整体设计方案ATmega16单片机控制机械控制报警提醒电源模块显示模块传感器采集键盘控制图1 整体设计框图本设计采用ATmega16作为主控芯片，各种传感器对周边环境进行数据采集，从而反馈给处理中心，进而对整个系统进行实时监控与控制。系统的整体设计框

4、图如图1所示。2.2 主控芯片选择单片机按CPU的处理能力分类目前有4位、8位、16位、32位，位数越高的单片机在数据处理能力和指令系统方面就越强，AVR、51、PIC都属于8位机。8位单片机由于内部构造简单、体积小、成本低廉，在一些较简单的控制器中应用很广。本课程设计8位单片机已满足要求。方案一：采用传统的8位89C51单片机作为主控芯片。51单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小等缺点。若采用89C51需要做RAM，ROM来扩展其内存空间，其硬件工作量必然大大增多。方案二：采用AVR单片机作为主控芯片，其简便易学、费用低廉、低耗、保密、I/O口功

5、能强，且AVR单片机是高速嵌入式单片机，其内部集成了AD转换电路，以及功能强大的定时器/计数器、通讯接口。综上考虑，选用ATmega16单片机为CPU最为合适，且ATmega16单片机具有16K的flash，512字节的EEPROM，满足我们设计的需求。3 硬件系统设计3.1 主控芯片ATmega16ATmega16是基于8位CMOS微控制器，低功耗AVR RISC结构。得益于其先进的指令集及单时钟周期指令执行时间，使ATmega16的数据吞吐量可达1MIPS/MHz，故可缓解系统在功耗和处理速度之间矛盾5。ATmega16具有16K字节可编程闪存，512字节的EEPROM，1K字节的SRAM

6、，32个通用I / O端口，32个通用寄存器，边界扫描的JTAG接口6，支持片上调试和编程，三个具有更灵活方式的定时器/计数器（T / C），内部/外部中断，可编程异步串行通讯，一个通用串行连接，8路10bit可选的ADC，一个串行端口和省电模式，模式可以通过单片机内部的寄存器进行设置选择。当单片机处于空闲方式时，CPU不再运行，但USART、SRAM、T / C、SPI端口、两线接口、A/D转换器和中断继续正常工作；当单片机处于掉电模式时，晶体振荡器不再振荡，但中断模块以及复位系统正常工作，而其他所有功能都不再运行；当单片机处于省电模式时，异步定时器正常运行，且允许用户保持一个时间基准，但其

7、他功能将停止运行；当单片机处于ADC噪声抑制模式下，只有异步定时器以及ADC正常运行，其他模块均休眠，为的是减少在ADC转换时产生的开关噪声；ATmega16拥有C语言编译器、宏汇编程序、程序调试器/仿真器以及仿真器等一系列的编程工具，还会有评估板等相应的系统开发工具7。图2和图3分别为ATmega16实物图和ATmega16引脚图。 图2 ATmega16实物图 图3 ATmega16引脚图3.2 功能设计3.2.1 双模式设计为了适应人们高质量，便捷的生活需求，本系统采用两种模式控制，即安防模式和自动模式。系统自动控制是指系统的核心部分可以根据外部传感器所采集的环境信息（如温度，光照等）与

8、用户设定的可以使人可以较为舒适的之作比较8，然后根据比较结果对相应的设备进行调节控制，以保持着个舒适的值，为用户提供一个良好的温湿度环境。且设置了手动控制模式，人为的调节环境变化。而安防模式是指在主人外出或对家居设置了防盗防火，通过外部传感器实时检测是否有不法人员进入居室，以及是否发生火灾，及时通知并报警，达到安全防火防盗的效果。3.2.2 温度控制通过温度传感器（如图4）采集当前的温度信息，送到采集模块中进行转换，由控制中心进行分析，通过与预设值的对比，决定空调的开关，使室温保持在一个恒定的范围。同时为了方便控制，控制中心会将采集到的温度值发送到液晶屏上显示出来。 图4 温度传感器DS18B

9、20 图5 光敏传感器3.2.3 灯光控制通过光敏传感器（如图5）采集当前光线的值，通过与预设白天夜晚的值相比，让控制中心知道当前的环境状态，从而决定是开灯还是关灯，是开窗帘还是关窗帘。3.2.4 声音控制声控灯是一种声控电子照明装置，由音频放大器、选频电路、延时开启电路和可控硅电路组成。它提供了一种控制灵敏的声控灯9，它采用人嘴发出约1秒的控制信号“嘶”声，即可方便及时地打开和关闭声控照明装置，并有防误触发而具有的自动延时关闭功能，并设有手动开关，使其应用更加方便。声控灯由话筒、音频放大器、选频电路、倍压整流电路、鉴幅电路、恒压源电路、延时开启电路、可控延时开关电路、可控硅电路组成。本次设计

10、通过声音传感器（如图6）检测当前是否有语音命令，来控制窗帘、台灯、音响的开关等，从而达到声控的效果。 图6 声音传感器 图7 火焰传感器3.2.5 防火设计火灾烟雾传感器是一种在消防管理、安全防范系统中常用的报警器材，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，电路设计时可以在背后设计专用的卡口以便地固定在墙体或者天花板上，使用时通过设置在厨房、卧室、书房等的烟雾传感器，实时监视各个房间的状况，以防火灾的发生。若有火灾发生，则控制器发出声光、短信等报警信号，通知家人及相关部门及时扑灭火灾，保证家居的安全。除此之外，我们还能根据有人在家与否，调节烟雾传感器的灵敏度10。本次设计

11、通过火焰传感器（如图7）检测室内是否有异常明火，若检测到有异常明火，则通过蜂鸣器报警且控制喷射阀工作。3.2.6 防盗设计一般家居防盗设计包含；两部分区域的防护，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，房子的窗户，窗户上的玻璃等外部环境上安装一些传感器来检测环境的变化，达到保护家居安全的作用，例如玻璃破碎探测器；住宅区的保护是指在主通道、卧室、书房、浴室安装一检测各种环境信息的传感器11，来保护室内的安全，诸如红外探测器、温度传感器、烟雾传感器、震动传感器等，都可以帮助居室主人更好的管理家居。本次设计通过人体红外传感器（如图8）检测主人外出后，室内是在否有人进入，以及声音传感器

12、，保险柜的震动传感器（如图9），都可以达到防盗检测。若检测到有异常人员进入，则会通过蜂鸣器报警。 图8 人体红外感应 图9 震动传感器3.2.7 功能设计小结通过传感器采集当前环境中各种信息，送到采集模块中进行转换，处理芯片对其进行分析处理。同时为了方便控制，控制芯片会将采集到的一些数据发送到液晶屏上显示出来。总的来说，各类传感器起着感受外界环境变化的作用，对整个系统的运行至关重要，具体功能如下表：表1 各类传感器功能温度感应，测量温度温度传感器18B20 采集光照，控制灯光光敏传感器 声音控制，声量检测声音传感器模块 提示预警，声音提示蜂鸣器模块模块 防盗系统，震动检测震动传感器模块 安防设

13、备，人体感应HC-SR501人体红外3.3 电源模块设计1)5V开关电源稳压器电路由于本控制系统单元电路较多对且对5V电源的要求比较高。在本次毕业设计中,我们选用了稳压芯片LM2576完成12V向5V的转变,并让其对ATmega16控制核心和其他5V单元的供电。我们需要注意,使用LM2576稳压芯片实现开关电源的转换还要用到大功率的电感(100uH)以及电容,这些是高储能能力所必备的,从而满足单元电路的供电需求。LM2576为5.0V-3A开关电源稳压器。如下图所示：图10 5V开关电源稳压器电路2)其他电源稳压器电路本系统的设计还涉及到传感器信号采集与信号放大，其中放大器等部分需要用到12V

14、电源，因此根据设计要求增加了7812/7912三端稳压IC提供的12V电源，由220V的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，输出比较稳定的12V直流电压，给模块供电源。如下图所示：图11 12V电源稳压器电路 3.4 显示模块方案一：采用LED数码管显示器。LED 数码管亮度高，醒目，但是其电路复杂，占用资源较多，显示信息量较小。方案二：采用汉字LCD

15、液晶显示器。LCD有明显的优点：微功耗、尺寸小，超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适；可以用中文LCD液晶进行菜单显示，使整个控制系统更加人性化。基于上面的比较分析，故采用LCD作为显示模块,而使用Nokia5110液晶（如图12）的有如下优势：1)性价比高，LCD1602可以显示32个字符，而Nokia5110可以显示15个汉字，30个字符。Nokia5110裸屏仅8.8元，LCD1602一般15元左右，LCD12864一般5070元。2)接口简单，仅8根I/O线即可驱动，LCD1602需11根I/O线，LCD12864需12根。3)速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1

16、602的40倍。4)Nokia5110工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备。 图12 Nokia5110液晶 图13 矩阵键盘3.5 键盘模块本次设计选用的是矩阵式结构的键盘，其具有四行四列（4*4）12，需要8个IO口，我们可以让行线所接单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口作为输入端。当无按键按下时，所有的输入端检测到的都是高电平，行线输出低电平。当有按键按下时，则输入线就会被拉低。通过读取输入线的状态就可得知是否有按键按下，这种读取方法我们称为扫描法，这是人们最常用的矩阵键盘判别方法。矩阵键盘原理仿真图如图13，具体扫描

17、过程如下：1）确定是否有按键按下，初始化所有行y0-y3为低水平，然后检测列线的状态。若有一列是低电平，则表示键盘有键按下，且按下的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。如果所有的列线都没有低电平，则键盘上无按键按下。2）确定闭合键的具体位置，确认方法是依次让行线置为低电平，即在一个线为低电平时，其他线均为高电平。在确定一个线的位置为低电平后，然后检测每行的电平状态。如果某列为低电平，则该列与此低电平行线交叉处的按键，即为闭合键。3.6 步进电机模块本窗帘电机采用四相步进电机，其使用单极性直流电源供电13。只要获得正确的时序电流，步进电机就可以正常运转。图14是四相步进电机工作原理图：

18、图14 四相步进电机步进原理图初识时，单刀开关SB连通电源，而SA、SC、SD断开，B相电磁和转子0、3号齿轮相对齐，此时，转子的1、4号齿轮则会与C、D相绕组的电磁极产生错位，2、5号齿轮则会与D、A相绕组的电磁极产生错位。当单刀开关SC连通电源时，SB、SA、SD断开，此时C相绕组的电磁力和1、4号齿之间电磁力开始作用，使得转子开始转动，1、4号齿轮和C相绕组的电磁极对齐。但0、3号齿轮与A、B相绕组电磁极就会产生错位，2、5号齿轮就与A、D相绕组的电磁极产生错位。同理，ABCD四相绕组依次轮流供电，由于0至5号齿轮的之间的错位，转子就会依次顺着ABCD方向运转。四相步进电机一般有三种工作

19、模式：单四拍、双四拍、八拍三种，它们是根据电流时序的不同来划分的。单四拍的步距角与双四拍的一样14，且双四拍的转动力矩大，单四拍和双四拍的步距角是八拍模式下的两倍，故八拍模式拥有保持高转动力矩和高控制精度的双优点。单四拍、双四拍与八拍工作模式的电源通电时序与波形分别如图15所示：图15 电机工作时序与波形3.7 电机驱动本设计的电机驱动采用ULN2003，ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点15,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。且广泛用于单片机、仪器仪表、PLC等现代工业生产中。在工作电压为5V时，可直接与TTL和C

20、MOS电路连接，即可直接驱动继电器等负载。ULN2003输入为5V的TTL电平，且输出电压可达50V，以及灌电流可达500mA。需要注意的是，在使用ULN2003时，为了让这个二极管起到续流作用，必须将COM引脚（pin9）接在负载的供电电源上，只有这样才能够形成续流回路，这是因为ULN2003是集电极开路输出。ULN2003内部结构图如图16：图16 ULN2003内部结构图4 软件设计4.1 原理图绘制Altium Designer 6是Altium公司Protel系列软件基于Windows平台的最新产品15，是Altium公司总结了多年的技术研发成果，是对Protel 99 SE以及Pr

21、otel DXP不断修改、扩充新设计模块和多次升级完善后的产物。Altium Designer 6是完全一体化的电子产品开发系统下的一个版本。Altium Designer 6是将设计流程、集体化PCB设计、可编程器件设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的电路设计系统。Altium Designer 6除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成

22、在一起16。由于Altium Designer 6在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，Altium Designer 6对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。 图17和图18分别为在Altium Designer 6平台上绘制的ATmega16原理图和PCB图。图17 ATmega16原理图 图18 ATmega16 PCB图4.2 程序编译环境4.2.1 ICCAVR软件ICCAVR软件是一种符合ANSI标准的C语言来开发MCU（单片机）程序的一个工具，功能合适、使用方便、技术支持好，它主要有以下几个特点：1.拥有工程管理以及编辑器的集成开发

23、环境（IDE）；2.源文件被组织成项目工程中，文档的编辑和工程的构造都是在项目工程中完成的，编译的错误会在在状态窗口中显示，且当你点击一个编译错误时，光标则会自动跳到该行的错误；3.该编译软件可以直接生成HEX格式的烧写文件（大多数编程器都支持HEX格式的文件，可以直接下载到芯片中使用）和符合 AVRStudio的调试文件(COFF格式)17。4.一个纯32位的程序，可在 Win 95、Win 98、Win ME、Win NT、Win 2000、Win XP和Win 7等环境下运行。下图为ICCAVR编译环境界面：图19 ICCAVR编译环境4.2.2 Progisp ISP下载软件：Prog

24、isp ISP具有以下特性：1）支持所有的AVR芯片的编程，支持AT89S51,AT89S52；2）自定义串口的下载编程器的支持；3）USBASP下载器的支持；4）自定义编程熔丝信息的支持；5）支持高压下载器；6）支持脱机下载器实现脱机下载；7）支持命令行模式，可以直接嵌入其他IDE中使用；绿色软件，无需安装，占用资源少；8）支持自定义汉化信息提示；9）支持工程管理-可以将所有的配置数据与编程数据打包为单一文件。图20为progisp的主界面：图20 Progisp 主界面4.3 整体设计功能通过按键选择工作模式：1.自动,检测光照强度，自动控制窗帘的拉伸；检测光照强度，自动控制台灯的亮灭；检测声音，控制台灯的亮灭；2.安防,检测是否有火焰产生，蜂鸣器报警；检测是否有异常声音产生，蜂鸣器报警；检测是否有外来人员进入，蜂鸣器报警；设计功能流程图如下：环境是否变暗开始按键选择模式返回是否有异常火焰安防模式火焰传感器蜂鸣器报警光传感器电机工作，拉到窗帘台灯亮灭声音传感器是否有声音自动模式图21 功能流程图5 结论- 15 -