智能家居控制系统.docx
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智能家居控制系统.docx
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智能家居控制系统
一.摘要
该系统以AT89S52单片机为核心,可以通过液晶屏或PC机实时监控家居内各模块的运行状态,也可通过遥控器或PC机对各模块进行无线控制。
本系统功能模块可分为:
门禁模块、无线遥控模块、水流量及水温计模块、智能照明模块、防盗报警模块、室内恒温控制模块、太阳能供电模块、上位机控制模块。
本系统推崇“智能、节能、环保”的科学发展观念,符合当今社会主流,有很强的市场推广前景。
关键词:
单片机、水流量计、温度计、光控、热释、无线遥控
二.系统简介
随着现代社会的进步,经济的发展,人们对精神领域的追求更高了,对生活水平的要求更高了。
现代的家居生活是一种高品位、高质量、个性化、智能化的方式。
本系统就是基于AT89S52单片机控制的智能家居系统,可以实际监控室内各种不同的家电设备,并能通过液晶屏动态显示当前工作状态。
该系统与传统的智能家居系统相比,具有功能多样化、成本造价低等优点,且符合当今社会智能、节能、环保的发展观念,并在人们享受高品位、高质量、个性化、智能化生活的同时提高人们的节约意识。
本系统采用Atmel公司的AT89S52单片机为主控制器。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
且S系列的单片机可以在线编程、调试,方便地实现程序的下载与整机的调试。
该系统采用比赛提供的E_PLAY万能实验板。
三.智能家居房屋模型设计
为了更加形象生动的演示出该智能家居系统优越的功能性,本系统还另设计、构建了房屋模型。
该模型模拟真实的小型别墅1:
1200的比例建造,更具有真实性,实用性。
对于房屋模型材料的选择,经过多次比较,选择了铝塑板和挤塑板相结合的设计模式,铝塑材料具有轻巧、坚固、防火、安装节省、简便、环保、高度平整的优点,用于制作房屋模型的主体结构,用铝塑材料比塑料更牢固,美观,相对于木质板跟易裁剪,方便了制作过程;挤塑板用于房屋模型的外部装饰结构,具有抗高压、防潮、不透气、不吸水、耐腐蚀、导热系数低、轻质、使用寿命长等优质性能,是一种优质的环保材料,提醒人们环保节约意识。
窗户的制作选择了具有易于切割、轻巧、坚固、环保等优点的有机玻璃作为制作材料。
模型分为两层,其中第一层装有正门、窗户及一个小屋;第二层装有窗户、窗帘及排风设施。
二层之上装有类似于瓦砾的屋顶,在其上方装有太阳能设施。
整个房屋的门窗的开启与关闭均由电机控制来完成。
房屋模型一层正门的设计利用了涡轮蜗杆的工作原理,将电机加入其中,具有反自锁功能,只有在上电后才开始工作,正门的开关由门上的电机的转动来实现;门右旁装4*4的矩阵键盘,用于输入密码,正门右上方装有液晶显示屏用于输入密码,确认密码;正门上方有红、绿灯检测装置,检测并判断密码输入是否正确且是否可进入屋内。
一层左右两侧分别各装有一扇用合叶、有机玻璃制作的两面开窗户,增加了整套房屋模型的观赏性。
房屋一层正面右侧的小屋用于安装水流量计设备,用来演示水流量计模块所实现的功能,小屋内的水管中装有温度传感器及水流量传感器,温度传感器用于水温的测量,水流量计用于测量当前水的流量;房屋二层左右两侧都各装有一扇用合叶、有机玻璃制作的两面开窗户,作为室内通风功能模块的一部分,窗户边装有电机,利用电机的转动来智能控制其开启或关闭;窗户内侧装有窗帘,其旁安装了红外及光敏传感器等设备继而构成了光控窗帘模块。
一层窗户旁边则安装了热释传感器用于反馈窗户周围的安全,窗户上方还装有门窗强行进入报警信号器,构成了窗户防盗功能模块,用于安防报警;二层窗户上侧装有通风风扇设施(模拟空调),作为通风模块,用于调节室内温度并让其保持在一定范围内。
房屋模型屋顶装有太阳能板,构成太阳能供电模块,晴天时可通过蓄电池储存电能用于整个系统的供电,在意外断电的情况下是仍能使整个系统正常工作,并节约了能源,提倡了节能意识。
此外,整个系统的所有电路板均装于房屋内部顶层,既方便系统的布线又增强了整个模型的观赏性。
房屋模型背面装有一扇用合叶及有机玻璃制作的单面开设施,方便了对房屋内部结构及系统功能的观察和了解。
下图为房屋模型的框架图:
四.工作原理及设计思路
⒈水流量模块
当打开水龙头时,根据主控器(51单片机)的指令,水流量计传感器和数字温度传感器DS18B20实时采集水流量状态和水温的数据。
当主控器(51单片机)扫描到水流量计传感器的脉冲数,经过主控器(51单片机)处理,计算出所采集的水流量后,通过液晶屏TX-1602能动态显示当前水流量,水费及水温(由于条件的限制我们这里采用气流代替水流)。
系统由主控器(51单片机)向温度传感器DS18B20发出测量温度的命令,DS18B20测量出高精度的温度值后,主控器(51单片机)向DS18B20发出读取温度值的命令,并读回被测点的的温度值,经主控器(51单片机)处理运算读回的温度值后,由液晶屏TX-1602能动态显示当前测得的水温。
本模块符合当今国家提倡的节约型和谐社会,能不时提高人们节约用水的意识。
⒉门禁模块
主控器(51单片机)采用矩阵键盘扫描,把按键按行列组成矩阵,在行列交点上都对应有一个键,这样使用的按键要少,为判定有无键被按下以及被按键的位置,这种称为键扫描法。
采用矩阵键盘扫描节约了单片机大量的I/O口,免去了上拉电阻为焊接带来了方便,提高了整块电路板的美观度。
首先判定有没有键被按下,然后再判定被按键的位置,因为键盘矩阵有键被按下时,被按键处的行线和列线被接通,使得开关之间接通。
当扫描表明有按键被按下之后,紧接着应是进行去抖动处理,当确定有按键被按下时,相应的显示出所按数值,并液晶屏TX-1602显示所按下数据,当输入密码正确时,主控器(51单片机)接收到信号,然后发出指令,使绿灯I/O口为低电平并驱动ULN2003,通过芯片ULN2003低压控制高压驱动12V电机的转动,则绿灯点亮并能使电机转动,把门打开;当输入密码错误时,主控器(51单片机)使红灯I/O口为高电平,则红灯点亮。
报警电路用两个555接成,前者产生一定的报警延时,通过改变RC的值可改变延时时间,后者为多谐振荡器通过电位变化,产生相应的输出频率。
输出端产生的脉冲经三极管驱动后接扬声器,就能发出报警声音。
每一按下按键,输出的脉冲传给主控器(51单片机),主控器(51单片机)发出指令给蜂鸣器让其产生按键的声音,可提醒人们所按次数是否正确。
此外,在屋内也可对门进行控制,当有客人来时,只需按下按键,则大门打开。
⒊光控窗帘模块
本模块由光控部分,电机驱动以及红外接收来实现对窗帘的控制。
两个等量电阻构成的分压器中点接运算放大器LM358的反向输入端,从而使放大器的输出电压为1/2U。
白天有光照时,光敏电阻传感器对外部环境进行采光,此时阻值小,反向端电压高于正向端,则运算放大器LM358输出端输出高电平,使控制窗帘部分的电机驱动;反之天黑时,光敏电阻传感器阻值大,正向端电压高于反向端,运算放大器LM358输出端输出低电平,则电机不转动。
因此,当光敏电阻传感器采集的模拟信号通过运算放大器LM358传给主控器(51单片机)后,主控器(51单片机)驱动电机,实现天亮时窗帘自动打开;天黑时窗帘自动关闭同时打开室内的灯。
当窗帘拉开或收回到一边时,左右两侧的红外二极管接收信号,把信号传给主控器(51单片机),主控器(51单片机)再发出停止指令给电机,电机则停止转动。
通过用红外二极管停止电机的转动能防止电机不停空转而被憋坏,且用红外控制窗帘的停转,能防止突然断电再被开启时,电机再次转动固定转数而烧坏电机。
⒋窗户防盗模块
本模块采用了被动式红外报警器——热释电红外传感器KDS9。
这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号,同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。
用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比,具有:
不需要用红外线或电磁波等发射源;灵敏度高、控制范围大;隐蔽性好,可流动安装的特点。
当人体辐射的红外线被聚焦在KDS9的探测元上时将输出电压信号,由于电压十分微弱,所以用运算放大器LM358对其进行两级放大,以获得足够的增益。
当放大后将这个高低电平变化的信号的下降沿信号作为555连接成的单稳态电路的触发信号,让其输出脉宽为5s的低电平信号。
再用这一脉宽信号作为555多谐振荡器报警电路得输入控制信号,产生5s的报警信号,最后用三极管8550再次对电信号放大,使其有足够大的电流来驱动喇叭发出报警声。
热释电红外传感器设计的监控报警系统具有结构简单、成本低等优点。经过多次测试,该系统工作情况稳定。
⒌通风模块
用数字温度传感器DS18B20测量,主控器(51单片机)向温度传感器DS18B20发出测量温度的命令,DS18B20实时测量出高精度的室内温度值,主控器(51单片机)向DS18B20发出读取温度值的命令,并读回测得的被测点的DS18B20传回的温度值,经主控器(51单片机)处理运算读回的温度值,当检测到室内温度达到一定上限阈值,主控器(51单片机)向直流电机电机发出指令,控制直流电机转动,使风扇打开,液晶显示屏显示开启状态。
通风一段时间后,若室内温度达到一定下限阈值时,则主控器(51单片机)控制电机使其停止转动,从而风扇停转,液晶显示屏显示关闭状态。
⒍无线通讯遥控器模块
该模块由发射端与接收端组成,无线发射装置连接上位机(主机)串口通讯与无线接收装置连接主控器(51单片机)的串口能进行无线通讯。
通过上位机里的智能家居系统用户界面的相应控制按钮,可使无线发射装置发射出信号给无线接收装置,无线接收装置经过串口送入主控器(51单片机),由主控器(51单片机)负责处理来自串口的信息,主控器(51单片机)接收到信号后,相应的控制门、窗、灯的开关;无线发射装置另又接入3*3矩阵键盘,当确定有按键按下时,主控器(51单片机)接收到信号,亦可执行相应的命令控制门、窗户、窗帘、灯的开关。
⒎太阳能供电模块
该模块用三块各5.5V的太阳能板串并联后给12V的蓄电池充电。
蓄电池(也俗称电瓶)是太阳能供电系统的重要器件,它的主要功能,是能把太阳能电池板发的电能即时储存在电瓶内,以供用电设备使用,蓄电池具有储存电能和稳定电压的作用。
蓄电池出来12V的电压后,用三块并联的7805将其稳压成1.5A,5V供电给单片机。
太阳能电池给蓄电池充电时,在充电电路中加两只整流二极管,以保证在晚上蓄电池不会通过太阳能电池板反向放电。
通过蓄电池储存的电给主控器(51单片机)供电,使系统工作,能达到系统节能目的。
亦可在电源处于停电状态时,用太阳能供电,能保证主控器(51单片机)保持持续有电状态。
在蓄电池连接电路时,加入了自恢复保险丝,当电路发生短路或者过载时,流经保险丝的大电流使其集温升高,当达到居里温度时,其态密度迅速减小,相变增大,内部的导电链路呈雪崩态变或断裂,保险丝呈阶跃式迁到高阻态,电流被迅速夹断,从而对电路进行快速,准确的限制和保护,其微小的电流使保险丝一直处于保护状态,当断电和故障排除后,其集温降低,态密度增大,相变复原,纳米晶体还原成链状导电通路,自恢复保险丝恢复为正常状态,无需人工更换。
五.硬件框图
六.软件流程
七.创新性
基于AT89S52单片机控制的多功能智能家居系统具有以下特色:
⑴该系统实现了家电控制的智能化,多功能化。
⑵通过液晶显示屏动态显示各传感器当前工作状态,能实时检查各传感器是否正常工作。
⑶水流量计模块实时显示当前水流量能提醒人们节约用水的意识,符合当今国家提倡的节约型和谐社会。
⑷门、窗、窗帘、灯用电机控制,电机具有反自锁功能,只有在有电的情况下才能转动,也可防盗。
因此门、窗、窗帘、灯既能通过自动控制,也能人工控制,方便又省事。
⑸门禁系统的双重报警能防止小偷的强行进入,保证家居的安全。
⑹窗户上的报警装置能防止小偷从窗户进入,保证家居的安全。
⑺无线通讯模块中,通过上位机里的智能家居系统用户界面能控制家里的电器设备,即使在办公室通过电脑也能对家中的电器设备进行控制。
⑻当白天时,窗帘自动收回,能提醒人们早起而避免闹钟突然响起的吵闹声而受惊,且窗帘停止用红外控制,能防止突然断电再开启时,电机再次转动固定转数而烧坏电机。
⑼本系统采用双电源供电,能保证主控器任何时候都为工作状态。
晴天时,太阳能板吸收阳光对蓄电池充电,将电量储存起来。
平时可用电源对主控器进行供电,一旦停电能用蓄电池对主控器供电,确保常有电状态。
⑽蓄电池连接电路时,加入自恢复保险丝,当电路发生短路或者过载时,保险丝呈阶跃式迁到高阻态,电流被迅速夹断,从而对电路准确的限制和保护,其微小的电流使保险丝一直处于保护状态,当断电和故障排除后,自恢复保险丝恢复为正常状态,无需人工更换。
⑾该系统装入在房屋模型中,通过模型能更加形象演示出智能家居的智能化。
⑿该系统结构简单,装配方便。
八.技术说明
智能家居系统运行于房屋模型当中,房屋模型均为手工制造,另用加工工具加工而成。
由于条件有限,电路板除了大赛提供的实验板以外,其他电路板均为上课所学知识、查阅各种资料及指导老师的意见下,自己设计出电路图并焊接完成的。
其中包括:
水流量、温度采集电路,热释防盗报警电路,门、窗控制电路、报警电路,室内通风电路,电源电路等。
程序则是自己通过平时所学、积累、实践,编写而成的,有部分程序是参考了书籍中的精华程序编写而成,并无抄袭。
九.系统适用范围
从目前市场上现有的智能家居控制系统来看,成本较高,也未得到广泛应用。
通过各项数据比较来看,主要是以照明、电器控制功能为核心的智能家居系统。
而本系统在对照明、电器控制的基础上,还能对水流量监测、供电系统、安防系统进行控制,趋近于系统一体化。
该系统不但能适用于家居方面,还能应用于智能会议室,多功能教室,智能小区等,应用广泛适用性强,且成本较低。
智能家居系统全景图
智能家居后面
智能家居正面
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