智能家居毕业设计说明书.docx

智能家居毕业设计说明书.docx

《智能家居毕业设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能家居毕业设计说明书.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能家居毕业设计说明书

摘要

智能家居作为家庭信息化的实现方式，已经成为社会信息化发展的重要组成部分，物联网因其巨大的应用前景，将是智能家居产业发展过程中一个比较现实的突破口，对智能家居的产业发展具有重大意义。

本文基于容易实现，方便操作，贴近使用的设计理念，采用STC89C52单片机为控制核心，为控制终端，并采用包括红外遥控、按键、Web界面等在的多个控制源来控制家用电器。

本文的二至四章描述了整个设计的软、硬件部分的具体实现，第五章是根据设计好的功能搭建了一个具体的环境实例。

关键词：

物联网、智能家居、单片机、STC89C52、多源控制

Abstract

SmartHomeastheimplementmodeofFamilyInformationhasbecomeanimportantpartofthesocialinformationdevelopment.Thenetworkingbecauseofitshugeprospecttodevelop.ItwillbearealwayduringtheSmartHome`sdevelopment.NetworkingmeansalottotheSmartHome.Thisarticlebaseonthedesignconceptoftryingtouseeasiestwaytodeliverhandleandclosingtouse.WetaketheSTC89C52asthecontrolcoreofthedesign.Therelayasthecontrolterminalmean.Whilewealsousethetraredremotecontrolkeywebpageetctocontrolthehomeappliances.Twotofourchaptersofthispaperdescribesthedesignofsoftwareandhardwaretoachievethespecific.ChapterVisbasedonfeaturesdesignedtobuildaspecificenvironmentinstance.

Keyword:

Networking、Intelligent、Home、Microcontroller、STC89C52、multi-sourcecontrol

第1章背景

1.1智能家居的概念

智能家居（SmartHome）是以家为平台，兼备建筑、自动化，智能化于一体的高效、舒适、安全、便利的家居环境。

家居智能化技术起源于美国，最具代表性的是X-10技术，通过X-10通信协议，网络系统中的各个设备便可实现资源的共享。

因其布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。

至今，X-10技术产品的销售已超过两亿个，仅在美国一个国家，便有超过600万个家庭在使用。

自动化的智能家居不再是一幢被动的建筑，相反，成了帮助主人尽量利用时间的工具，使家庭更为舒适、安全、高效和节能。

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、室外遥控、窗帘自控、防盗报警、远程控制、可编程定时控制与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物联网的出现

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“InternetofThings”。

在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。

其实质是利用射频自动识别（RFID）技术，通过计算机互联网实现物品（商品）的自动识别和信息的互联与共享。

物联网概念的问世，打破了之前的传统思维。

过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开，一方面是机场、公路、建筑物，另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等。

而在物联网时代,钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球。

故也有业人士认为物联网与智能电网均是智慧地球的有机构成部分。

物联网把我们的生活拟人化了，万物成了人的同类。

在这个物物相联的世界中，物品能彼此“交流”，无需人的干预。

可以说，这是一个智能化的世界。

智能家居是物联网最生活化的应用之一：

窗帘可以自动感知光线而关闭;空调更“听话”了，天热它会把温度调低，太潮就会自动抽湿灯也知道节能了，房间里没人会自动灭掉。

如此等等，不一而足。

物联网的应用竟已经很广泛，遍与智能交通、环境保护、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测等领域。

物联网繁多的应用，造就了一个庞大的产业链，从互联网、电脑、手机、天线等IT通讯领域，到智能卡、芯片、传感器、红外线产品等工业领域，再到冰箱、电视机等制造领域，环环相扣，商机巨大。

美国独立市场研究机构FORESTER预测，到2020年全球“物物互联”业务（即物联网业务），与“人与人通信”业务（即互联网业务）之比将达到30∶1。

专家预计，中国物联网整体产业在2015年将超过一万亿元规模，2050年传感器在生活中将无处不在。

可以想见，物联网发展到一定阶段，家中的电器可以和外网连接起来，通过传感器传达电器的信号。

厂家在厂里就可以知道你家中电器的使用情况，也许在我们之前就知道家中电器的故障。

某一天突然有维修工上门告诉家中空调有问题，我们还惊异地不相信。

1.3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（通过或Internet）的监视、控制与数据采集。

（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。

第2章总体设计

2.1整体介绍

本次设计以采用STC89C52芯片为控制核心，红外、温度、光敏等传感器为环境信息采集源，以Web控制为辅助，来制作一个智能家居控制系统。

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,来控制家用电器（如日光灯、空调、门禁等），实现了远距离，多角度对家用电器进行开关控制。

此外在本次设计中，采用多种传感器相结合，并由智能MCU根据所设置的情景模式来对家用电器进行自动化控制，如自动给开空调降温，自动开启室照明，自动调节卧室光线等。

2.2系统设计方案

根据设计需要，系统包括了核心控制模块、Web服务器设备，WebHTML模块、红外遥控模块、LCD显示模块、传感器模块、继电器模块、按键模块、子门禁报警模块，等等。

系统的整体框图如图1所示。

2.3功能设计：

2.3.1多源控制

为了适应人们高质量、便捷的生活需求，本系统采用多源控制，即红外遥控控制、按键控制、Web网页远程控制，系统自动控制，这四种控制相结合。

其中Web网页远程控制，是指在离开家以后，通过互联网登录运行在特定服务器上的，然后去查看、管理当前家中的电器，只需点击网页上相应的按钮，就可以轻松的打开、关闭、查询家中的电器设备，已达到远程控制的功能。

系统自动控制是指系统的核心控制部分可以根据外部传感器所采集到的环境信息（如温度、光线强度、湿度等）与用户预设的可以使人较为舒适的值作比较，然后根据比较结果对相应的电器进行调节控制，以保持这个舒适的值，为用户提供一个良好的生活环境。

2.3.2室温控制

通过温度传感器（如图2）采集当前的温度信息，送到核心控制设备中，由其MCU进行分析，通过与预设值的对比，决定控温设备的开关，使室温保持在一个恒定的围。

同时为了方便控制，MCU会将采集到的温度值发送到LCD1602液晶屏上显示出来。

2.3.3灯光控制

通过光敏传感器（如图3所示）去采集当前光线的值，通过与预设白天夜晚的值相比，让核心控制设备中的MCU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等。

2.3.4光线控制

光线的调控方法有很多。

常见的有可变电阻调光、调压器调光法、脉冲占空比调光法、脉冲调频调光法、调节高频逆变器供电电压调光法等。

其中相对LED调光应用较为多的是脉冲脉冲占空比调光，其优点有，不会产生任何色谱偏移、可以有极高的调光精确度、可以和数字控制技术相结合来进行控制、即使在很大围调光，也不会发生闪烁现象、更不可能发生过热等问题。

所以在本次设计中，采用PWM技术，用单片机输出一定占空比的矩形波，当需要LED变亮，则将占空比调大。

2.3.5模式控制

模式控制，就是将几种电器集中在一起控制，例如把灯全关、把窗帘全开，这时如果用手动去逐一开关就会显得比较繁琐，如果把灯全关、窗帘全开设定为一种模式，当有这种需要时就启动这种模式，这样以前繁琐的控制就会变成一步到位，并且这种控制方式用程序实现起来也较为容易。

但其中的模式不必太多，以免使系统的操作变得复杂，在具体的设计只需将常用的几种情况（场景）设为固定的模式来控制即可，在本次设计中有自动模式、手动模式、开关模式，其中自动模式是MCU根据预设与传感器自动控制电器。

手动模式则包括有全开模式、全关模式、睡眠模式，其中睡眠模式是开空调、灯２光线逐渐变暗、其他电器关。

开关模式是指对电器单独进行开与关的控制。

第3章硬件设计

3.1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T0T116,17:

WR写控制RD读控制输出端）,18,19脚:

晶振谐振器，20脚接地线，21~28p2接口高8位地址总线29:

psen片外rom选通端，单片机对片外rom操作时29脚（psen）输出低电平30:

ALE/PROG地址锁存器31:

EArom取指令控制器，电源+5V。

3.2串口模块

串口采用MAX3232芯片，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。

主要特点有：

1、符合所有的RS-232C技术标准

2、只需要单一+5V电源供电

3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-

4、功耗低，典型供电电流5mA

5、部集成2个RS-232C驱动器

6、部集成两个RS-232C接收器

3.3红外接收模块

PH102红外接收头有三个引脚，包括供电脚，接地和信号输出脚。

其部电路包括红外监测二极管，放大器，限伏器，带通滤波器，积分电路，比较器等。

红外监测二极管监测到红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。

交流信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低电平，还原出发射端的信号波形。

3.4传感器模块

温度采集选用了DS18B20温度传感器，其特点如下：

（1）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，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，实现多点测温。

（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。

3.5LCD模块

显示模块采用LCD1602，它能够同时显示16x02即32个字符。

（16列2行）在本次设计中，第一行为提示信息，第二行为数据信息其引脚功能如下：

第1脚：

VSS为电源地。

第2脚：

VDD接5V电源正极。

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

3.6键盘模块

键盘采用4*3矩阵键盘,键值读取方法采用扫描法，端口使用P1口，其中P1.1~P1.3做行线，P1.4~P1.7做列线，在对行、列扫描之前，先会扫描整个P1口，当读到有键按下才，会去具体扫描行与列。

3.7继电器模块

继电器作为一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

本次设计中选用了4个继电器来控制4个对应的电器。

3.8AD模块

因为STC89C52芯片没有AD转换模块，故而采用PCF8591T芯片来实现AD与DA转换功能的，它有4路模拟输入，1路模拟输出，一个I2C-BUS接口，3个给硬件地址编程的脚。

通过I2C总线与处理器通信，其价格低廉，接口简单，转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。

其引脚定义如下：

AIN0~AIN3：

模拟输入（A/D转换）。

AOUT：

模拟输出（D/A转换）。

A0-A2：

硬件设备地址。

GND：

电源负极地。

VREF：

参考电压输入。

EXT:

振荡器输入时，部/外部的切换开关。

OSC:

振荡器输入/输出。

SCL:

I2CBUS时钟输入。

SDA:

I2CBUS数据输入/输出。

AGND:

模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地。

3.9串口转以太网模块

因为RS-232串口通信的距离就只有15M，远远不能满足智能家居的布线、组网要求，考虑到成本与技术问题，本设计中选用了一款RS232串口转以太网模块，将单片机中的数据通过网络发送给网页后台程序。

该模块具体的功能如下：

（1）10M以太网接口；

（2）1.5KV电磁隔离；   

（3）串口波特率300~115200bps；   

（4）支持TCP/IP协议包括：

ARP、IP、ICMP、IGMP、UDP、TCP、、DHCP；   

（5）工作方式：

TCPServer,TCPClient,UDP,虚拟串口、socket控件；

（6）工作端口、目标IP和端口均可设定；

（7）提供虚拟串口管理软件；

（8）提供通用配置函数库，方便用户使用开发应用程序；     

（9）可使用配置工具XVCOM进行配置；   

（10）可使用网页浏览器进行配置；   

（11）输入电压：

5V；  

（12）功耗低最大工作电流：

80mA；

（13）工作温度：

0～65℃；

图12串口转以太网模块

第4章软件系统设计

4.1STC89c52开发工具介绍

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

它是众多单片机应用开发软件中优秀的软件之一，它支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持，PLM，汇编和C语言的程序设计，它的界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。

因此很多开发51应用的工程师或普通的单片机爱好者，都对它十分喜欢。

4.1.1keiluVision2新建项目与编辑

（1）点击Project菜单，选择弹出的下拉式菜单中的NewProject，如图13。

接着弹出一个标准Windows文件对话窗口，如图14，在“文件名”中输入C程序项目名称，“保存”后的文件扩展名为uv2，这是KEILuVision2项目文件扩展名。

（2）选择所要的单片机，这里选择常用的Ateml公司的AT89C52。

此时屏幕如15所示。

完成上面步骤后，我们就可以进行程序的编写了。

（3）首先在项目中创建新的程序文件或加入旧程序文件。

在KEIL中有一些程序的Demo，

点击图16中1的新建文件的快捷按钮，在2中出现一个新的文字编辑窗口，这个操作也可以通过菜单File－New或快捷键Ctrl+N来实现。

（4）点击图18中的3保存新建的程序。

这时会发现程序单词有了不同的颜色，说明KEIL的C语法检查生效了。

如图4.6鼠标在屏幕左边的SourceGroup1文件夹图标上右击弹出菜单，在这里可以做在项目中增加减少文件等操作。

我们选“AddFiletoGroup‘SourceGroup1’”弹出文件窗口，选择刚刚保存的文件，按ADD按钮，关闭文件窗，程序文件已加到项目中了。

这时在SourceGroup1文件夹图标左边出现了一个小+号说明，文件组中有了文件，点击它可以展开查看。

4.1.2keiluVision2编译与调试运行

（1）图18中1、2、3都是编译按钮，不同是1是用于编译单个文件。

2是编译当前项目，如果先前编译过一次之后文件没有做动编辑改动，这时再点击是不会再次重新编译的。

3是重新编译，每点击一次均会再次编译一次，不管程序是否有改动。

6是有一个小放大镜的按钮，这就是开启\关闭调试模式的按钮，它也存在于菜单Debug－Start\StopDebugSession，快捷键为Ctrl+F5。

（2）进入调试模式，软件窗口样式大致如图19所示。

图中1为运行，当程序处于停止状态时才有效，2为停止，程序处于运行状态时才有效。

3是复位，模拟芯片的复位，程序回到最开头处执行。

按4我们可以打开5中的串行调试窗口，这个窗口我们可以看到从51芯片的串行口输入输出的字符，这里的项目也正是在这里看运行结果。

4.1.3程序烧写

HEX文件格式是Intel公司提出的按地址排列的数据信息,数据宽度为字节,所有数据使用16进制数字表示,常用来保存单片机或其他处理器的目标程序代码。

它保存物理程序存储区中的目标代码映象。

一般的编程器都支持这种格式。

找到test.Uv2的文件就可以打开先前的项目了。

然后右击项目文件夹，弹出项目功能菜单，选OptionsforTarget’Target1’,弹出项目选项设置窗口，同样先选中项目文件夹图标，这时在Project菜单中也有一样的菜单可选。

打开项目选项窗口，转到Output选项页，选择编译输出的路径，设置编译输出生成的文件名，决定创建HEX文件，选中它就可以输出HEX文件到指定的路径中。

这样就可用自己的编程器所附带的软件去读取并烧到芯片了，再用实验板看结果，也可以用仿真器在线调试。

4.2单片机总控制流程图

图20单片机总控制流程图

4.3键盘与红外遥控键位功能

键盘与红外遥控键位功能如图，当开启自动模式后4~12号键不起作用。

当开启手动模式时，5键对应全开模式，6键对应全关模式，7键对应睡眠模式，4键与8~12号键不起作用。

当处于开关模式下时，5、9号键对应灯1的开关,6、10号键对应空调的开关，7、11号键对应窗帘的开关，8、12号键对应插座的开关。

4.4Web软件开发工具简要介绍

4.4.1Eclipse

Eclipse是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台。

就其本身而言，它只是一个框架和一组服务，用于通过插件组件构建开发环境。

幸运的是，Eclipse附带了一个标准的插件集，包括Java开发工具（JavaDevelopmentTools，JDT）。

Eclipse包括了插件开发环境，这个组件主要针对希望扩展Eclipse的软件开发人员，因为它允许他们构建与Eclipse环境无缝集成的工具。

由于Eclipse中的每样东西都是插件，对于给Eclipse提供插件，以与给用户提供一致和统一的集成开发环境而言，所有工具开发人员都具有同等的发挥场所。

这种平等和一致性并不仅限于Java开发工具。

尽管Eclipse是使用Java语言开发的，但它的用途并不限于Java语言；例如，支持诸如C/C++、COBOL和Eiffel等编程语言的插件已经可用，或预计会推出。

Eclipse框架还可用来作为与软件开发无关的其他应用程序类型的基础，比如容管理系统。

基于Eclipse的应用程序的突出例子是IBM的WebSphereStudioWorkbench，它构成了IBMJava开发工具系列的基础。

例如，WebSphereStudioApplicationDeveloper添加了对JSP、servlet、E、XML、Web服务和数据库访问的支持。

4.4.2tomcat

Tomcat是Apache软件基金会的Jakarta项目中的一个核心项目，由Apache、Sun和其他一些公司与个人共同开发而成。

由于有了Sun的参与和支持，最新的Servlet和JSP规总是能在Tomcat中得到体现。

因为Tomcat技术先进、性能稳定，而且免费，因而深受Java爱好者的喜爱并得到了部分软件开发商的认可，成为目前比较流行的Web应用服务器。

Tomcat很受广大程序员的喜欢，因为它运行时占用的系统资源小，扩展性好，支持负载平衡与服务等开发应用系统常用的功能；而且它还在不断的改进和完善中，任何一个感兴趣的程序员都可以更改它或在其中加入新的功能。

Tomcat是一个轻量级应用服务器，在中小型系统和并发访问用户不是很多的场合下被普遍使用，是开发和调试JSP程序的首选。

对于一个初学者来说，可以这样认为，当在一台机器上配置好Apache服务器，可利用它响应对HTML页面的访问请求。

实际上Tomcat部分是Apache服务器的扩展，但它是独立运行的，所以当运行tomcat时，它实际上作为一个与Apache独立的进程单独运行的。

4.5Web端网页界面设计

页面包含的功能有，系统管理、状态查询、电器管理。