一種單片機(jī)方案的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃紅霞,魯令軍,肖貴賢,丁小康

(1湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；2黃石安達(dá)業(yè)智能科技有限公司,湖北 黃石 435003)

一種單片機(jī)方案的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃紅霞1,魯令軍2,肖貴賢1,丁小康2

(1湖北理工學(xué)院 電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；2黃石安達(dá)業(yè)智能科技有限公司,湖北 黃石 435003)

針對(duì)智能家居的控制問(wèn)題，提出了一種控制方案。以單片機(jī)為核心，通過(guò)外部傳感器，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多源控制、紅外發(fā)射和接收、按鍵手動(dòng)模式轉(zhuǎn)換、液晶顯示等家居環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。該智能家居系統(tǒng)提高了家居的舒適性和安全性。

智能家居；單片機(jī)；傳感器

隨著電子集成技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能家居的應(yīng)用日漸普及。智能家居系統(tǒng)具有溫度、濕度采集，空氣質(zhì)量測(cè)量，智能照明等安防功能，并可通過(guò)手機(jī)、電話(huà)、互聯(lián)網(wǎng)等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了家居的安全性和舒適性。智能家居是一個(gè)有機(jī)的整體，可以對(duì)各單元單獨(dú)控制，也可以互相聯(lián)通。本系統(tǒng)擬采用單片機(jī)方案，結(jié)合紅外遙控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度、濕度檢測(cè)，窗簾、照明開(kāi)關(guān)智能控制等功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，整個(gè)系統(tǒng)分為4個(gè)模塊：智能家居主控電路模塊(包含串口通信模塊、矩陣控制模塊、電機(jī)電路和LED電路)、紅外遙控模塊、報(bào)警模塊、液晶顯示模塊。主控電路主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口部分、矩陣按鍵部分、傳感器部分和紅外接收部分，模擬室內(nèi)照明系統(tǒng)的LED燈和模擬窗簾開(kāi)閉的電機(jī)部分[1]，并且選用時(shí)鐘芯片DS1302通過(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示日期時(shí)間，采用ULN2003A芯片控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)整體電路

系統(tǒng)整體電路圖如圖2所示，選擇STC89C52單片機(jī)為控制核心，外部設(shè)備包括矩陣按鍵、電機(jī)控制部分和傳感器部分等。電機(jī)控制部分，主要通過(guò)ULN2003A芯片，外接單片機(jī)的P00～P06口，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。矩陣按鍵部分，采用4*4矩陣鍵盤(pán),鍵值讀取方法采用掃描法，端口使用P0口，其中P0.0～P1.3為行線(xiàn)，P1.4～P1.7為列線(xiàn)，在對(duì)行、列掃描之前，先掃描整個(gè)P1口，當(dāng)讀到有鍵按下才會(huì)去具體掃描行與列[2]。傳感器部分，采用DS18B20溫度傳感器，與STC89C52單片機(jī)通過(guò)口線(xiàn)相連實(shí)現(xiàn)雙向通信， DS18B20溫度傳感器測(cè)溫范圍為-55～+125 ℃，固有測(cè)溫分辨率0.5 ℃。測(cè)量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送,并通過(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示測(cè)試溫度。

整個(gè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)充分利用單片機(jī)資源，按鍵和LED采用分時(shí)復(fù)用，P3口和P1口外接12864液晶顯示；采用DS1302芯片構(gòu)成時(shí)鐘電路，P0.6和P2.6分別接紅外接收管和溫度傳感器，并通過(guò)P0口外接電機(jī)。

圖2 系統(tǒng)整體電路圖

2.2時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路采用DS1302時(shí)鐘芯片，工作電壓為2.5～5.5 V 。DS1302芯片自帶存儲(chǔ)功能，具有功耗低、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[3],可以對(duì)年、月、日以及時(shí)、分、秒等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能。

2.3報(bào)警電路

報(bào)警電路采用蜂鳴器報(bào)警，蜂鳴器正極性的一端聯(lián)接到5V電源上面，另一端接到三極管的集電極，三極管的基極由單片機(jī)的P2.7管腳來(lái)控制，當(dāng)P2.7管腳為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，電流形成回路，蜂鳴器發(fā)出聲音。利用傳感器SHT11對(duì)室內(nèi)的溫度、濕度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)值超過(guò)程序設(shè)定初值時(shí)，單片機(jī)的P2.7端口輸出高電平，使蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警[4]。通過(guò)液晶屏可以顯示時(shí)間，可設(shè)定預(yù)定時(shí)間，通過(guò)蜂鳴器報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)鬧鐘功能。

2.4紅外遙控模塊

采用遙控器M50462和紅外接收器SM0038實(shí)現(xiàn)紅外的發(fā)射和接收。紅外遙控器控制液晶顯示時(shí)間、電機(jī)正反轉(zhuǎn)(模擬家居窗簾的開(kāi)閉)和LED燈的亮滅(模擬室內(nèi)的燈光)[5]。紅外接收器集紅外接收管、前置放大解調(diào)等于一體，無(wú)外部電路，體積小，密封性好，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用簡(jiǎn)單。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能家居軟件系統(tǒng)采用模塊化編程的思想，將每一個(gè)功能分成單個(gè)模塊分布實(shí)現(xiàn)，再將所有的模塊整合。

3.1液晶顯示時(shí)間日期部分

通過(guò)程序使液晶實(shí)時(shí)顯示日期和時(shí)間，通過(guò)換算將農(nóng)歷顯示出來(lái)，而且可以通過(guò)紅外和按鍵來(lái)調(diào)整時(shí)間。

3.2報(bào)警和鬧鐘部分

通過(guò)程序設(shè)置時(shí)間，當(dāng)液晶顯示到預(yù)定時(shí)間的時(shí)候，單片機(jī)P2.7端口輸出高電平，使蜂鳴器導(dǎo)通發(fā)聲，實(shí)現(xiàn)鬧鐘的功能；還可以在程序中設(shè)定溫度的極限值，當(dāng)傳感器溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。

3.3電子鎖部分

在程序中設(shè)計(jì)單片機(jī)2種工作模式，當(dāng)主人離開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)工作在鎖定狀態(tài)，在程序中設(shè)置密碼，只有密碼正確，才能進(jìn)入智能家居系統(tǒng)平臺(tái)[6]。

3.4紅外遙控解碼部分

利用程序，通過(guò)單片機(jī)將M50462遙控器發(fā)出的紅外信號(hào)進(jìn)行解碼，然后將解碼后的數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)端口輸出，分別控制LED和電機(jī)。

4 系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)及仿真

4.1系統(tǒng)PCB設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)PCB采用雙層布線(xiàn)，線(xiàn)路的走向盡可能取直，以短為佳，走線(xiàn)平滑自然，連接處用圓角，避免用直角，且在這些導(dǎo)線(xiàn)之間最好加接地線(xiàn)，盡可能多地保留銅箔作為公共地線(xiàn)，且布置在PCB的邊緣。

4.2系統(tǒng)仿真結(jié)果

采用Protues軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，其仿真結(jié)果如圖3所示。將程序編譯生成的hex文件加載到單片機(jī)中觀(guān)察程序運(yùn)行的狀態(tài)，調(diào)試各個(gè)模塊的功能至運(yùn)行正常。

圖3 系統(tǒng)仿真圖

5 結(jié)束語(yǔ)

智能家居系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制外圍設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，以液晶為顯示平臺(tái)顯示室內(nèi)各種參數(shù)，利用紅外遙控使外圍設(shè)備運(yùn)行、改變顯示時(shí)間和日期，也可以通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，還可以利用串口實(shí)現(xiàn)PC遠(yuǎn)程控制，優(yōu)點(diǎn)主要是簡(jiǎn)單、方便，提升了家居的安全性和便捷性。

[1] 趙林旺.智能家居中物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用[D].上海:華東理工大學(xué),2016.

[2] 汪廣業(yè),王金鵬,楊娜,等.LED光通信中高聚光性菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)[J].光通信技術(shù),2015,39(8):12-15.

[3] 馬衛(wèi)星.現(xiàn)代照明設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2014:35-78.

[4] 郝博麟.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2016.

[5] 張貝貝.基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].青島:青島科技大學(xué),2016.

[6] TU MC,Shin D,Shin DK,et al.Fundamentals and design of smart home middle ware[C]//International Joint Conference on Computational Sciences and Optimization,Sanya:IEEE Press,2009:647-650.

Design and Implementation of Intelligent Home System Based on Singlechip

HuangHongxia1,LuLingjun2,XiaoGuixian1，DingXiaokang2

(1School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Huangshi Andaye Intelligent Technology Co.,Ltd.,Huangshi Hubei 435003)

Aiming at the problem of the intelligent control of Intelligent Home,this paper proposed a control design based on singlechip.With the singlechip as the core and through the external sensors,the system achieved conversion of multi-source control,infrared transmitting and receiving,key conversion in manual mode,LCD real-time display and automatic monitoring of home environment based on singlechip.The system was simulated and the simulation results validated the accuracy of the design.This intelligent home system improved the home comfortability and safety.

intelligent home;singlechip;sensor

2017-06-13

黃石市科技局科技企業(yè)創(chuàng)業(yè)與培育項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)QYCY2015000106);湖北理工學(xué)院校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)2014C15)；湖北省教育廳指導(dǎo)性項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)B20123003)。

黃紅霞，講師，碩士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.05.003

TP29

A

2095-4565(2017)05-0008-04

(責(zé)任編輯吳鴻霞)