1、基于单片机的无线智能家居设计摘要在如今的科技发达的现代社会，家庭智能化已经超出了过去人类的幻想，走向了产业化和普遍化的阶段。而前几年热议的世界首富比尔盖茨那占地6100平方米的智能豪宅，不仅仅给予当时的人们极大的震撼，也给人们看到了未来智能家居广阔的前景。而现在飞速发展的智能家居也越来越向集成化，成本低廉，易操作，艺术价值高等符合当今智能社会的发展主流看齐，如果说从前的家庭是属于自动化的时代，那在不久的未来，家庭的时代将是智能时代，这也将是世界智能化时代开启的一个起跑者和引领者。此次毕设也是比较能锻炼我在电子实践方面的综合能力，也对于我来说，对智能化这一概念有了更多的认识和理解。 这次的毕设是
2、以STC89系列的芯片为主体的，该系统以各类传感器和无线通信为基础，LCD液晶模块为显示主体，完成了设备的智能调光、模拟实时监控室内温度、智能调温和监控室内烟雾火灾等情况。例如，当DS18B20温度传感器检测到某一时间段的温度数值，通过无线通信传送到单片机中处理显示在液晶屏幕上，超过或者低于某一数值时则开始启动温度调节装置（温度调节装置我们用两个LED灯来模拟冷热控制）。此设计简单快捷的完成了预定的目标，具有成本低、扩展功能强大、使用方便等优点。关键词： STC89C52RC单片机；传感器；LCD液晶显示屏；无线通信AbstractIn todays technologically advan
3、ced modern society, the family of intelligent beyond human imagination in the past, to the stage of industrialization and generalization. The hot a few years ago in the worlds richest man Bill Gates .It covers an area of 6100 square meters of intelligent mansion, was not only to give people a great
4、shock, but also to people see the future of smart home broad prospects. The rapid development of the smart home now to more and more integrated, low cost, easy operation, higher artistic value with the current mainstream smart social development in line, if the family is part of the former era of au
5、tomation, that in the near future, family era will be the era of intelligent, which will also open a world of intelligent era start and leader. The complete set is more comprehensive ability to exercise my practice in the electronics, but also for me, the concept of intelligent have more knowledge a
6、nd understanding.The graduation is STC89C52RC microcontroller core of the intelligent home control system to the various sensors and wireless communication is based, LCD liquid crystal display module as the main body, complete intelligent dimming equipment to simulate real-time monitoring of the ind
7、oor temperature, intelligent thermostats and indoor smoke from fire monitoring and so on. For example, when the DS18B20 temperature sensor detects a temperature value at any given period of time, transfer to the microcontroller via a wireless communication processing is displayed on the LCD screen,
8、when it is above or below a certain value started thermostat (temperature adjustment means we use two LED lights to simulate the cold control). This design is simple and quick to complete the intended target, has a low cost, extended powerful, easy to use and so on.Keywords: STC89C52RC microcontroll
9、er; sensors; LCD liquid crystal display; wireless communication第1章系统总体方案设计1.1课题研究的背景人们幻想的未来智能家居早在二十世纪甚至是更早的十九十八世纪，就已经有了基于当时社会发展和科技水平的情况而幻想出的小说和画册。然而到了科技发展不断推陈出新的新时代，发展智能家居的说法一直不绝于耳，尤其随着电子集成度不断提高和物联网模式的迅猛发展，智能家居一度成为人们目光的焦点。也有人认为，所谓的智能家居，也可作为物联网来理解。过去人们在许多小说和电影艺术中所描绘的智能家居正逐渐的变为现实，尤其在这几年互联网的飞速发展，随着信息时代
10、的不断深化，使得被人们看好的智能家居产业再一次受到人们的重视。2对于智能家居来说，降低产生的能耗、节约宝贵的资源成为了关键，人们也早已开发出符合人们家庭的产品。与过去传统意义上的自动化的家居相比，智能家居继承了传统家居的功能和使用价值，在空间上和传统家具是统一的，但是，智能家居的意义在于它更具有灵性，不像传统家居只是作为静止的存在，它能够和我们的手机，电脑等其他通讯工具相联系，主要以无线通信的方式，实时监控我们周围的生存环境并给予我们反馈，保持立体的的信息互动机制，让我们的生活更加的智慧和有规则性。也可以根据不同的家庭设定不同的生活标准，智能化的管理让人们的生活得到符合自己的最大优化，也可以利
11、用其智能化和多样化来适当优化可能未来越来越狭窄的生活空间。而以最小的能源取得人们最大的生活所需也是未来智能家居所重点研究的一个领域。1.2 国内外的研究现状仔细看看这几年的发展，智能家居这块平台越来越大，投身于这块领域的厂商日益增多，许多传统家居厂商也开始逐渐重视这块大蛋糕。虽然在这一时期，各大厂商投入到智能家居的巨额资金并没有多少回流至企业中，也就是说，智能家居的市场至今还没有发现一家厂商因为这一领域而获得巨大的利润，但是大家都不约而同的把 目光聚集在这块不断增大的“馅饼”中。国外的科技公司也不断提出家居人性化的口号和研究目标。尤其对于我国这个具有庞大的人口基数国家，本身的市场也是十分庞大的
12、。就现在来看，从上个世纪八十年代开始的智能家庭浪潮传播到现在，已经是属于喷薄爆发的前夕，经过这些年手机通讯领域市场的增大和顺势而为的互联网的推动下，我们可以看到智能家居领域所需要的牌不断的凑齐，未来最多三年的时间，众多投身于此的产商将进入到收获的季节，国家的经济发展可能也会随着智能家居的发展而焕发出新的经济增长点。而在今年的4月下旬，世界移动互联网大会在北京拉开帷幕。全球超过60个国家的3万多一线二线的科技研发部门的工作者和创业者齐聚一堂，今年的大会新增了新一代移动通信，智能汽车，机器人等新兴科技。但从这次的大会中，大家在智能家居产业的讨论开始向以互联网为载体的新的智能家居转移，一些能够和手机
13、APP交互的智能家居成为人们关注的热点，其中一些新奇的玩法和思维也受到了科技工作者的热捧。今年的CES，即2016年国际消费电子产品博览会。这一年的CES比往年有很大的不同，很多国内的产商例如大疆，海尔等纷纷杀入CES，展示中国2016年所提出的未来人们消费电子产品的新概念产品。而今年的CES人们的侧重点在于这两三年兴起的VR（Virtual Reality，即虚拟现实，简称VR），无人机和一直被人看好的黑科技全息投影。从往年来看，今年的CES仍然没有一个确切的主要科技走势，只是大家的关注的目光被那些黑科技所吸引，单拥有黑科技的厂商毕竟还只是少数，其他的大多数参展商都是在消费电子产品市场有着话
14、语权的庞大科技公司。从今年他们的产品我们可以看到仍然是以智能家电，智能桌椅，智能宠物等立足于家庭的智能家居为主，大家都心照不宣的选择了能在未来看到庞大效益的智能家居。但是很多传统的家居厂商在研发过程中并未主动了解客户真正的想法，认为智能家居只是添加了某些电子产品的传统家居，对市场认识不足，而产品开发也更不上市场换代的速度。互联网时代日新月异，有可能今天还能被人们热捧的高科技，在明天就有可能被冷落，所以重视客户的体验，吸纳客户的意见，成为了研发部门和客户部门所需要重视的一个市场切入点，所以国内外的大部分传统家居厂商在客户体验方面往往缺少一通畅的沟通渠道及时地同客户交流，这也是他们在智能家居市场现
15、阶段的缺点。反倒是因为互联网的弄潮而兴起的科技互联网公司，由于手机通讯，软件业的发展使得这些公司在客户互动方面有着不可比拟的优势，也使得他们进军智能家居比其它公司更能够抢占制高点。1.3课题研究的意义如今智能家居的市场已经成为各大国际科技厂商争夺的一块风水宝地，许多厂商要么在自身的传统优势之中融合智能家居元素，要么强强联合，把自己的优势和别家厂商的优势相结合，利用各方固有的销售渠道和庞大的市场份额，力求在未来的市场能快速占领庞大的市场份额。近年来的小米，魅族，华为等一些年轻的有实力的科技互联网公司也开始把着眼点聚集在智能家居方面，在例如，小米公司从这几年推出了不少如小米智能床头灯，小米智能插座
16、，小米智能空气净化机等一些具有一定科技含量和艺术审美的智能家居，在市场上也获得了大众的认可，尤其是吸引了崇尚年轻崇尚美学的年轻人的关注。作为小米的CEO雷军，也在发布会上毫不忌讳的坦言小米未来的发展方向，小米公司正致力于构建一个以小米科技为中心的智能生态网，而这个生态网的主体，正是智能家居。而智能家居门槛低，标准少势必会催生出一大批有着强烈进取心的创业者，中小企业中的投资人也有很多把这次的机遇形容为企业中的弯道超车。由此看来，许多投资人热衷于把资本投入到智能家居的研究中，不得不证明智能家居在前景上具有无限的可能性和可以预见的巨额回报，所以，我把智能家居作为一个课题的研究具有很大的现实意义。以外
17、部温度传感器，光伏传感器，燃气传感器为基础，单片机为主控芯片，利用无线通信将所检测到的数据发送至单片机中进行处理，在LCD液晶显示屏上显示出传感器实时采集的数据，在数据异常情况下进行自我调节和报警等功能，从而简单的实现智能家居的一些基本功能。1.4课题研究的主要内容通过键盘设定温度的上限值和下限值，在LCD液晶显示器上能够显示调节的数值和实时的数值，模拟调节装置，实现温度的控制。设定主机和从机，在主从机上分别添加无线模块，进行单片机和传感器之间的数据交互，从而实现无线通信的功能。实时监测周围环境的温度温度，将其显示在LCD1602液晶显示屏幕上。利用各类传感器检测温度的高低，是否存在燃气，光线
18、的强弱，再将数据送入单片机中处理，再决定对其是否进行调控和报警。1.5系统的功能实现智能家居的核心大脑部分是单片机。其主要目的是检测当主人在家和不在家时，实时检测周围环境的温度，光线的变量，是否有燃气的泄露，通过和各类传感器和运行执行装置的连接，来实现自动对周围环境的改变和预警。单片机将实时检测到的传感器数据在LCD显示模块上进行显示，人们可以随时通过显示屏幕了解到家庭的环境变化，使主人对自己家庭的环境有一个清晰的认识。人们则可以根据自己和家人的需要设定不同的环境期望值，按键设置期望的一个环境数值，通过单片机控制执行模块改变家庭环境，从而来达到人们期望达到的一个舒适安全的生活环境，从而实现智能
19、家居最根本的价值。下图2.1为系统框图。图2.1系统总体框图此次的设计思路是成本低廉，易于操作的整体思路。在能简单实现设计功能的前提下，采用模块化设计，系统由处理模块，通信模块，检测模块，显示模块这四大模块组成。这种设计方法简单方便，设计的核心单片机其廉价且强大的优点，也易于在后期的设计中能按照多变的思路，以单片机为主体，LCD和无线通信为辅助模块，不断的添加和或删减符合此次设计的其他功能，使得后面的设计能够多样化，功能化和具体化，大大提高了效率和使用价值。1.6设计思路智能家居并不意味着智能家居一体化，相反的，智能家居设计的思路应该是类似于我们在平常的组装电脑的思路。本人在组装电脑有着比较清
20、晰的认识，知道哪一类人群需要什么样的机器配置。例如，女生喜欢看电视剧，那么在显示器方面需要有更多的预算来满足这种需求，又或者喜欢玩游戏的男生则需要更强大的显卡和处理器来满足他们这类群体。总的来说，智能家居就像是组装电脑，不同的客户有着不同的需求，使得我们在面对客户有着更多的自由和选择余地，智能家居在未来像是个人情况的DIY，这和近期德国工业4.0的规划是相似的，对不同客户需要有更多的个性工业设计，也是未来工业和电子发展的一种方式。这种设计思路也对智能家居模块化有了更多的要求，如何整合大部分的模块化设计使得客户在本身智能家居中能够自由施展将变成围绕今后智能家居的一个重要课题。这次的设计我采用模块
21、化设计，构想了一般家庭的主要智能家庭功能，主要功能有温度控制，室内光强度控制，燃气安全监测。其主要器件为STC89系列的单片机，LCD1602液晶显示模块，DS18B20温度传感器，MQ-2型燃气烟雾传感器，NRF24L01无线模块和光伏传感器。在成本上实现了低廉简单的思路，也符合简单快捷的整体思路。具体步骤：由C语言编译单片机来驱动。我们可以先设定一个温度的阈值，然后根据温度传感器在外部检测的温度数据，以无限通信形式发回主机上的单片机处理，我们可以看到传感器传回的数据在LCD显示器上显示出来，低于我们设定的温度则启动加热装置，高于温度阈值则制冷，以保持我们在温度上的平衡。在安全方面，我们设置
22、了一个燃气报警模块，在燃气泄漏的情况下，传感器检测到燃气，蜂鸣器开始蜂鸣报警。第2章系统硬件设计2.1概述系统硬件的选择是一个设计中的重要问题，平时在软件上模拟的硬件设计是虚拟的，尽管能在电脑上得出自己想要的结论，但是在不一定在实际操作中就能很好的把握各个模块之间的契合度从而达到完美的状态。我的对于系统硬件设计首先考虑的是兼容性和成本，其次是能够很方便取用的硬件。所以在选取硬件材料一定要全面考虑和细致的分析，争取在硬件兼容的情况下达到完美的效果。我在经过大量的比对和考虑之后，还是选用了功能强大的STC89系列的单片机为主要的控制模块，LCD1602液晶显示器为显示模块，NRF24L01无线模块
23、以及各类需要的传感器模块。这些硬件都是我们在电子方面都曾经接触过的，也是相对我们这一类本科生来说是比较熟悉的，所以在不用经过大量的实验而可以得出它的可靠性和准确性，在时间和成本上也大大减少了，在确保可行性的同时保障了简便和快捷，对于后续可能出现的各类元器件损坏问题也有了稳定的替换方案。2.2主控模块的设计2.2.1STC89C52RC芯片的简介集成在一小块半导体材料上的微型计算机系统被称为单片机，也是现如今人们最常用，涉及面用途最为宽广的微型系统。由于它将大部分的器件都整合在一小块芯片上而被赋予了普通计算机不能做到的微型化和方便化的功能。除了内部有主要的CPU，总线，运行内存等器件，它的外部也
24、可接其他不同的外围器件来实现功能的拓展。5这几年该企业不断推出的F4系列的芯片，该系列的微型芯片可能是迄今为止机能最为强大的，F4单片机基于ARM内核，在现有的组合中添加了信号处理功能，提高了原有的单片机集成度，并大幅增强了其运算速度，在高端的芯片领域如医疗器械，通讯信号处理方面有着不可忽视的一席之地。此芯片是该科技公司在十年前推出的新一代高效率，低功耗的微控制器，它具有抗干扰能力强，机能更强大，容易兼容等诸多优点。具有8字节的可编程Flash存储器和8位的处理器，其较强的能力和低廉的价格也使得它为一些嵌入式系统的设计提供了好的方案选择。7STC89C52rc的引脚功能：（1）P1.0到P1.
25、7：八位准双向I/O，负载能力为三个LSTTL门。（2）RST：复位端。在高电平之中运行，宽度在二十四个时钟周期以上。（3）RXD：串行口输入端。（4）TXD：串行口输出端。（5）INT0：外部中断0输入端。（6）INT1：外部中断1输入端。（7）T0：定时器/计时器0外部输入端。（8）T1：定时器/计时器1外部输入端。时钟电路引脚XTAL2：连接外部的晶体振荡器的一端，里面是一个振荡器电路反相放大器的输出端。2（10）时钟电路引脚XTAL1：连接外部的晶体振荡器的另一端，里面是一个振荡电路反相放大器的输入端。（11）ALE/PROG：地址锁存信号端。（12）WR：在外部存储器的信号输出端。（
26、13）RD：在外部存储器的信号输出端。（14）P3.0到P3.7：八位准双向I/O，功能与P1.0到P1.7相同，但是另外还有专门的第二功能。3以下2.1图是StTC89c52rc单片机的引脚图图2.1 STC89C52RC引脚图2.2.2 STC89C52RC单片机的主要特性STC89C52RC具有以下几个特点：（1）与上一代的产品在代码和引脚上兼容（2）内有4K字节的可重复编程快擦写的程序存储器（3）全静态工作，工作范围:0HZ24MHZ（4）更强的程序存储器加密（5）1288位内部RAM（6）32位双向输入输出线（7）两个十六位定时器/计数器。（8）五个中断源，两级优先级中断。9（9）一
27、个全双工的异步串行口。（10）间歇和掉电两种工作方式。（11）宽电压，不怕电源抖动。（12）超强抗干扰（13）宽温度范围在-4085。（14）禁止ALE输出。（15）更低的功耗。 掉电模式:典型功耗0.1 A ； 空闲模式:典型功耗2mA ； 正常工作模式:典型功耗4mA-7mA ； 处于掉电时，外部的中断可以叫醒它2.3温度传感器模块设计DS18B20温度传感器在我们生活中经常能看见，是一款功能强大，体积小，成本低廉，受外界的环境影响较小的测温传感器。DS18B20来自于美信公司，其方便的接线方式给予它能在封装在许多不同材质中。因为体积小，封装方便，精度高等优点，适用于生活中需要测温的各个狭
28、窄的区域，在某些人们难以测量的环境温度中有着极其重要的应用，例如机房测温，农业大棚测温，车辆内部环境测温等。4下图2.2是传感器实物图。图2.2 DS18B20传感器实物图2.3.1 温度传感器模块的原理在平常的学习和实践中应用DS18B20比较多，但我们仅仅是对它有一个大概的使用方法，很少去追究其原理。我们来了解一下这温度传感器的内部引脚，学习和生活中中经常使用的DS18B20，封装为TO-92，,生活里使用的一般直插型三极管的样子。下图2.3为DS18B20普通封装的图示及引脚图图2.3 DS18B20普通封装的图示及引脚图我们从上图可以对普通的温度传感器的各个引脚有一个清晰的了解，下面就
29、要说到各个引脚的功能了，下图2.4为该温度传感器的引脚定义图2.4 温度传感器的管脚定义温度传感器还有一个其他模式“寄生模式”，顾名思义，寄生模式就是能从“被寄生”着上偷取能量来使自己正常运作。如果传感器在外面没有接入可靠的外部电源时，当总线为高电压状态时，可由电源引脚，从总线那里偷取能量，并把能量存入到电容中，当总线显示为低电压状态时，则使用偷来的能量使之正常工作，这里需要注意的是，电源引脚则要接地。DS18B20可以工作普通的模式下，也可以在“寄生模式”正常工作。对于DS18B20这一类的传感器，“寄生模式”在保障能正常工作的条件下，又节约了额外的电源，使得多个温度传感器能够和一个电源相连
30、接，在一些大型的温度控制的环境中，不需要过多的设定电源就可以获得大量的不同地点的温度数据。下图2.5为此类传感器在“寄生电源模式”下的电路图。图2.5 寄生电源模式2.4烟雾报警模块设计2.4.1MQ-2烟雾传感器简介MQ-2烟雾报警传感器是一款简单实用的传感器原件，常见于个人家庭检测，工业环境检测和便携式传感器器件的整合。它能检测出如可燃气体液化气，氢气等气体，可检测的气体种类多，其可靠的程度和低廉的售价是我在选取烟雾传感器时所考虑到的。而在后面的实践中也证明了它的作用。下图2.6为烟雾传感器实物图。图2.6 MQ-2烟雾传感器实物图下图2.7是烟雾传感器的基本原理图图2.7 MQ-2烟雾传
31、感器原理图2.4.2烟雾传感器模块的应用此类传感器的特点有以下几点驱动电路简单（1）廉价，可靠性好，寿命长（2）气体检测浓度范围宽，且具有精准的检测准确度（3）可检测气体的种类繁多（4）响应速度快在这里需要具体进行特别说明的是，此类传感器在使用前需要进行一段时间的预加热。但如何识别手里的烟雾传感器是好还是坏呢？我们可以将传感器放在一般条件下的地方，接通，顺时针调节电位器，直到灯亮起，然后逆时针转半圈，调节到灯不亮，随后将传感器送至需要测量气体的周围，灯亮，远离被测气体周围，灯灭，则我们可以判定这个传感器是能正常工作的。而传感器如果在工作中出现发热的现象，这是正常的，因为内部设有电热丝，但是如果
32、出现传感器滚烫伤手的情况，则是不正常的。2.4.3蜂鸣器介绍与烟雾传感器搭配的是蜂鸣器，两者联系在一起即是我们想要的模块。蜂鸣器是采取的直流电压供电的一种电声器件，蜂鸣器电路以字母“H”或“HA”来表达。下图2.8是设计中采用的蜂鸣器电路设计。图2.8 蜂鸣器工作原理图从以上的工作原理图我们可以看出蜂鸣器的基本原理。采用一般的NPN管控制，外接一个10K的R2电阻，如果输出的信号为高电平，则三极管导通，发出集极电流，蜂鸣器正常工作，如果输出的信号为低电平，三极管未导通，蜂鸣器不工作。2.5液晶显示模块设计2.5.1LCD1602液晶显示屏简介LCD1602是相对于本科生阶段的一种比较理想的显示型元器件，用来显示字母、阿拉伯数字、各类符号等的点阵型（十六列两行）液晶模块。11下图2.9及2.10为液晶显示模块的实物图。图2.9 LCD液晶屏正面图2.10 LCD液晶屏背面2.5.2
