家庭智能控制系统设计.docx

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家庭智能控制系统设计

前言

21世纪，电子技术飞速发展，有力地推动和促进了社会生产力的发展和社会信息化的提高，电子技术的应用已经渗透到人类生活的各个方面。

从计算机到手机，从数字电话到数字电视，从家用电器到军用设备，从工业自动化到航天技术，都尽可能采用了电子技术。

随着经济的发展，生活水平的日益提高，人们对居住环境的要求也日渐提高，希望建筑不仅更便利、舒适而且更安全。

家庭防火、防盗、煤气安全等问题就成为人们极为关心的问题。

近年来，家庭智能控制装置已成为银行、商店、办公室、居民区、宾馆、库房、住宅等场所普遍应用的设备，为维护社会治安、保障国家财产和群众的安全发挥了重要作用。

但是由于经济、技术的各种原因，目前家庭智能控制系统设计不尽合理的情况比较普遍，在信号检测、信号处理上面还存在一定问题，致使一些系统经常出现误报或者漏报。

报警系统不动作、误动作率比较高。

正是基于目前这种现状，本设计方案提出一种基于多传感器检测单片机处理综合应用的新型家庭智能控制报警系统的设计思想。

该系统是以烟雾传感器、温度传感器、光电火焰检测器、湿度传感器、警情信号检测器、电使用安全检测器、水位安全检测器和CO传感器为检测元件，以80C51单片机为控制核心，组成的一种家庭智能控制系统。

它可以通过多种方式自动进行报警和预警，并借助电话等现代化通讯手段进行信息传递。

系统有两种报警类型，即火灾报警和非法侵入报警（盗情）。

系统采用多传感器电路检测火灾的发生和非法侵入，一旦出现火灾或是出现非法侵入，传感器检测电路发出信号，单片机响应中断后，启动自动拨号电路，根据报警类型的不同拨打不同的电话号码，发送不同的报警信息。

比如，到发生非法侵入的时候，系统自动拨打110；发生火灾的时候，系统自动拨打119。

系统还可以根据主人设计好的原则对家中的电器设备进行自动化控制。

在论文的编写过程中，得到的老师的指导与帮助，才使我们的设计报告非常圆满的完成，在此表示感谢。

因时间仓促及编者水平有限，书中难免存在错误，恳请读者批评指正。

前言………………………………………………………………………………………………..

摘要……………………………………………………………………………………………

关键词……………………………………………………………………………………………

设计要求……………………………………………………………………………………………

第1章方案的选择和确定…………………………………………………………………

1.1延时的方案选择……………………………………………………………………………

1.2信息传递的方案选择…………………………………………………………………………………

1.3键盘与单片机连接方式……………………………………………………………………………

第2章家庭智能系统的系统概述………………………………………………………

第3章单元模块设计………………………………………………………………………

3.1带传感器检测信号的输出和输入模…………………………………………………

3.2以单片机为核心的控制装置………………………………………………………………………

3.3单片机时钟与复位电路模块……………………………………………………………

3.4电平转换装置……………………………………………………………

3.5语音提示及秒灯电路……………………………………………………………

3.6键盘接口模块……………………………………………………………

3.7LCD液晶显示模块……………………………………………………………

3.8家庭应用模块……………………………………………………………

3．9计算机接口模块……………………………………………………………

第4章鸣谢……………………………………………………………

第5章元件使用表……………………………………………………………

第6章结束语……………………………………………………………

参考文献……………………………………………………………

收获和体会……………………………………………………………

家庭智能控制系统

摘要

根据目前家庭智能控制系统现状以及所存在的主要问题，设计了一种基于各种传感器及单片机的家庭智能控制系统。

系统采用烟雾传感器、温度传感器、湿度传感器、光电火焰检测器、警情信号检测器、电使用安全检测器、水位安全检测器和CO传感器为检测元件，以单片机作为控制核心，利用电话等现代化通讯手段进行信息传递。

多传感器的综合使用实现了低误报率，增强了系统的可靠性。

关键词：

防火、防盗、传感器、报警系统

设计要求：

一、任务

以单片机为核心，设计一个小型的家庭控制系统。

此控制系统可智能地对家庭的各种环境（如温度、湿度、防盗情况、煤气安全等）进行检测，并能根据主人设计好的原则对家中的电器设备进行自动化控制。

二、要求

1、基本要求

（1）以一种单片机作为主处理器，包括外围开关量的输入输出控制。

（2）有8路开关量输入，输入电压为24v，有指示灯；

（3）有8路开关量输出，端口的输出功率为24v/50mA，有指示灯；

（4）有液晶显示屏，在显示屏上显示时间，并可通过键盘修改时间。

2、发挥部分

（1）增加4路开关量输出，并可通过键盘设置此4路中每一路在何时输出有效信号及时间长度；

（2）可通过键盘任意修改基本要求中的输入和输出的对应关系，使输入输出具有一定的逻辑关系。

方案的选择与确定

家庭智能系统的系统概述

家庭智能控制系统硬件主要由九部分组成：

带传感器检测信号的输出和输入模块，以单片机为核心的控制装置，单片机时钟电路模块，电平转换装置，语音提示及电路秒灯模块，键盘接口模块，LCD液晶显示模块，家庭应用模块，计算机接口模块。

该系统采用开关量模拟检测信号，经调节、控制、显示、报警等仪器设备和很大部分的人工操作智能，并通过较高复杂度的计算方法和处理方法使受控对象的动态过程按规定的方式和技术运行来实现家庭智能控制。

单元模块的设计

1、延时的方案选择

方案一：

硬件延时即利用555构成的单稳态触发器来完成

方案二：

软件延时即利用单片机编程来完成

论证与选择：

虽然用硬件来实现在设计是比较简单，但考虑到成本尤其是系统的稳定性。

所以选择方案二。

2、信息传递的方案选择

方案一：

都利用光信号如液晶显示器、LED传递信息，无需多余接口，节约成本且满足要求

方案二：

加扬声器，传递出声音信号

论证与选择：

考虑到如今已进入到多媒体时代，绝大多数电子智能产品都是声音和显示器的结合，为了适应时代的要求，本设计选择方案二，虽然增加了系统的成本以及编程，焊接的复杂程度，但认为这是必要的。

如闹铃功能模块，不仅有开关量的输出，而且还会放一段主人设计好的铃声，这更符合人性化。

3、键盘与单片机连接方式

方案一：

查询方式

设定一个时间间隔，每隔这段时间，对键盘扫描一遍，当单片机检测到有按键按下时，开始工作，无需另接芯片，电路简单。

方案二：

中断方式

利用MM74C922连接到单片机外部中断输入引脚（P3.2）。

采用中断方式可以大大节省CPU的时间，当转换结束后，主动发送一个脉冲向单片机提出中断请求，单片机响应中断请求，都外部中断服务依序读取数据。

论证与选择：

虽然中断方式较复杂，但是由于我们的专业对单片机相关知识的要求很高，还有查询方式对速度会产生影响，所以我们采用方案二。

家庭智能系统的系统概述

软件流程图如下所示

图系统软件流程图

N

N

N

N

N

N

图定时子程序流程图

本系统以80C51单片机为核心，以4×4接盘，LCD模块为人机接口，并利用可编程的并行8255

接口芯片扩展并口。

系统框图如下图所示

图系统框图

系统功能说明如下图所示

图八路输入输出功能说明

图四路家庭应用功能说明

功能说明：

本次设计的家庭智能控制系统可智能地对家庭的各种环境进行监测，并可根据主人设计好的原则对家中的电器设备进行自动化控制。

当家庭环境湿度发生大幅度改变或者超过一定限制，湿度传感器会发出有效的信号，在经系统综合分析处理后继续发出信号给集中式空调处理系统，由集中式空调系统对环境湿度度进行调节使环境湿度达到令人舒适的值。

当住宅内卫生间发生严重水满溢出事故时，水位安全传感器同样会发出有效信号，经本系统处理分析后发出有效控制信号使水安全控制中心处理该事故。

CO传感器通过检测泄漏的一氧化碳气体浓度来作为报警信号，一旦发生煤气泄漏，主人可以接收到报警信号，方便主人及时做好相关的避免煤气中毒工作。

家庭住宅一旦抢劫、盗窃等意外事件，警情检测装置发出信号后，防盗报警器立即工作，在第一时间通过防盗系统的电话通讯装置通知主人。

警报既可对窃贼产生威慑作用也会通知周围人员及时做好相关保护协助工作。

一旦家庭住宅内发生火灾，室内的温度传感器、光电火焰检测器、烟雾传感器同时发出信号，促使火灾自动报警系统启动，该系统会及时地发出警报同时开启喷淋灭火系统进行灭火，系统还以根据具体情况关断电源，以防发生其他如短路、触电等事故。

当家庭环境温度发生大幅度改变或者超过一定限制，温度传感器会发出有效的信号，在经系统综合分析处理后继续发出信号给集中式空调处理系统，由集中式空调系统对环境温度进行调节使环境温度达到令人舒适的值。

家庭发生电安全事故时，系统也会做出相应的动作来防止人员的伤亡。

如一旦发生电短路或过载系统可以及时控制家庭住宅相应区域的电源开与关。

该系统除了以上家庭环境监测与控制功能外，还具有其他四种常用功能。

系统带有闹钟功能，可以按照主人的需要设定闹钟；主人可以设定自动烧水时间，可以节约时间而且无安全之忧；主人还可以根据自己的习惯与天气情况设定暖气的自动开与关的时间，既节约电能又可省去亲自开关暖气的时间；最后主人可以根据自己的作息时间设定窗帘开关时间，这样可以保护主人的隐私。

该系统还有另一大特点，系统中带有液晶显示屏，液晶显示屏可以显示时间而且无论系统工作在任何一种工作模式下均有在液晶显示屏中之指示。

使得该系统更加智能更加人性化。

一带传感器检测信号的输出和输入模块

此模块采用开关量模拟输入输出信号。

八路开关量输入分别代表八路传感器检测到得有效信号。

八路开关量输出分别代表八被控对象或者电气设备。

在输入开关量中，其与输入端口对应关系如下所示：

PB0、湿度传感器

PB1、水位安全检测器

PB2、CO传感器

PB3、警情信号检测器

PB4、烟雾传感器

PB5、光电火焰检测器

PB6、电使用安全检测器

PB7、温度传感器

在输出开关量中，其与输出端口对应关系如下所示：

PA0集中式空气调节系统温度调节、

PA1、给排水控制

PA2、煤气报警器

PA3、防盗报警器

PA4、自动喷淋灭火系统

PA5、火灾自动报警器

PA6、电能安全控制装置

PA7、集中式空气调节系统湿度调节

八路输入开关量与八路输出开关量的系统连接图如图

主要被控对象或者系统的简述

火灾自动报警系统是由触发装置、火灾报警装置、以及具有其它辅助功能装置组成的，它具有能在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量、火焰等物理量，通过火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器，并同时显示出火灾发生的部位、时间等，使人们能够及时发规火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少因火灾造成的生命和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。

有关资料统计表明：

凡是安装了火灾自动报警系统的场所，发生了火灾一股地说都能及早报警，不会酿成重大火灾.

家用防盗报警器是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。

报警主机是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。

一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，使于迅速采取应急措施。

防盗报警主机与出入口控制系统、闭路电视监控系统、访客对讲系统和电子巡更系统等一起构成了安全防范系统。

煤气报警器一般是通过检测泄漏的一氧化碳气体浓度来作为报警判断的；燃气报警器一般通过检测泄漏的烷烃、烯烃、芳烃等可燃气体浓度作为报警判断，这类气体泄漏达到爆炸极限时，遇火种（打火机、电器开关、静电、高频信号等）则发生瓦斯爆炸，造成很大伤害。

二以单片机为核心的控制装置

该模块以单片机为核心，与8255芯片连接。

如图3所示为单片机80C51芯片与8255的一种连接电路。

8255的数据总线D0~D7与单片机的P0口相连，用P2.7作为8255的片选。

8255的地址线A1,A0与单片机的地址总线的最低两位相连（地址锁存器74LS373的输出Q1,Q0）。

8255的读/写控制RD与WR分别与单片机的RD和WR相连。

在应用系统中，通常8255的复位控制端RESET可以与单片机的复位端相连，也可以采用单独的上电复位电路。

图3

8255芯片的内部结构与引脚介绍

1、8255内部

（1）PA,PB,PC口

PA,PB和PC均为8位I/O数据口，但结构上略有差别：

PA口由一个8位的数据输出缓冲/锁存器和一个8位的数据输入缓冲/锁存器组成；PB口由一个8位的数据输出缓冲/锁存器和一个8位的数据输入缓冲器组成，无锁存功能；PC口由一个数据输出锁存器和一个8位的数据输入缓冲器组成。

三个端口都可以和外设相连，分别传送外设的输入/输出数据或控制信息。

（2）工作方式控制电路

这是两组根据CPU的命令字控制8255工作方式的电路。

控制电路分为A组工作方式和B组工作方式控制电路。

A和B两组共用控制命令寄存器，用来接受CPU的控制字（命令），根据控制字决定两端口的工作方式，也可以用控制字实现PC口按位清0或按位置1。

A组控制PA口（PA7~PA0）及PC口的高4位（PC7~PC4），B组控制PB口（PB7~PB0）及PC口的低4位（PC3~PC0）。

（3）数据缓冲器

这是一个双向三态8位的驱动口，作为8255与系统总线之间的接口，用来传送数据，控制命令和状态信息。

（4）读/写控制逻辑电路

读/写控制逻辑电路接收CPU发来的控制信号RD,WR,RESET,CS和地址信号A1，A0等，然后根据控制信号的要求，将指定端口数据送往CPU或将CPU送来的数据写入指定端口。

2、8255的引脚

（1）数据线

D0～D7为数据总线，用于传送CPU和8255之间的数据、命令和状态字。

（2）控制线和寻址线

RESET：

复位信号，输入高电平有效。

复位后，8255所有内部寄存器清0，所有口都为输入方式。

RD/WR：

读/写信号线，输入，低电平有效。

当RD/WR为0时，所选的8255处于读/写状态。

CS：

片选线，输入，低电平有效。

A0、A1：

地址输入线。

当CS为0时，芯片被选中时，这两位的4种组合00、01、10、11分别用于选择PA、PB、PC口和控制寄存器。

（3）I/O口线（24条）

PA0～PA7、PB0～PB7、PC0～PC7为24条双向三态I/O总线，用于8255和外设之间传送数据。

（4）电源：

VCC为+5V，GND为地线。

图8255引脚图

图8255方式选择控制字寄存器的定义图

图8255内部结构图

单片机80C51芯片的管脚说明

（1）、电源引脚：

VCC：

外接+5V；GND：

电源地线。

（2）、时钟引脚

XTAL1、XTAL2为内部振荡器的两条引出线．

（3）、控制引脚

ALE/PROG：

地址锁存控制信号／编程脉冲输入端

ALE：

在系统扩展时，ALE用于控制P0口输出的低8位地址锁存，以实现低8为地址和数据的隔离。

PROG：

在EEPROM或EPROM编程期间，该引脚用来输入一个编程脉冲。

PSEN：

片外程序存储器读选通有效信号

在CPU向片外程序存储器读取指令和常数时，每个机器周期PSEN两次低电平有效。

（4）EA/VPP：

访问程序存储器控制信号/编程电源输入端

EA=0时，只访问片外程序存储器。

EA=1时，单片机访问片内程序存储器。

（5）RST/VPD：

复位/掉电保护信号输入端

RST为复位信号输入端。

当RST保持两个机器周期的高电平时，可对单片机实现复位操作。

VPD为该引脚的第二功能，是作为内部备用电源的输入端。

（6）、I/O引脚

﹡P0口（P0.0～P0.7）：

8位双向并行I/O接口。

扩展外部存储器或I/O口时，作为低8位地址总线和8位数据线的分时复用接口，为双向三态。

﹡P1口（P1.0～P1.7）：

8位准双向并行I/O接口。

﹡P2口（P2.0～P2.7）：

8位准双向并行I/O接口。

扩展外部数据、程序存储器时，作为高8位地址输出端口。

﹡P3口（P3.0～P3.7）：

8位准双向并行I/O接口。

P3口除了具有通用I/O口的功能外，同时它的每一个引脚还具有第二功能

单片机80C51管脚图

三单片机时钟与复位电路模块

内部方式实现单片机的时钟电路时，利用单片机芯片上提供的反相放大器电路，在XTAL1和XTAL2引脚之间外接振荡源（晶体振荡器或陶瓷振荡器）构成一个自激振荡器，自激振荡器与单片机内部的时钟发生器构成单片机的时钟电路，如图所示。

在图中，由振荡源OSC和电容C1和C2构成了并联谐振回路作为定时元件，振荡源OSC可选用晶体振荡器，频率为12MHz，电容C1，C2为30pF，起频率微调作用。

为了减少寄生电容，更好地保证振荡器的稳定性和可靠性，晶振和电容尽可能靠近单片机芯片安装

四电平转换装置

该系统中输入输出端口均要进行电平转换，在

五语音提示及秒灯电路

图语音提示及秒灯电路

六键盘接口模块

该系统中使用键盘接口电路，该电路的存在大大的提高了本次设计的家庭智能系统的人性化与智能化，控制系统不仅可智能得对家庭的各种环境进行监测，还可以根据主人的个人习惯设定各种系统模式对家中的电器设备进行自动监控。

键盘可以自由设定时间、设定闹钟，可以根据具体的家庭情况更改自动监控的工作状态。

比如发生一些主人有意识的紧急情况，主人可以通过键盘设定，具体可看键盘功能说明图。

键盘接口电路如图

图键盘接口电路

键盘功能说明如下图所示

表4×4键盘功能说明

时间调整键（SET1）

加1键（AD）

减1键（DC）

闹钟调整键（SET）

暖气开调整键（SET2）

洗澡前烧水开时间调整键（SET3）

关窗帘时间调整键（SET4）

暖气关时间调整键（SET5）

洗澡前烧水关时间调整键（SET6）

开窗帘时间调整键（SET7）

火灾自动报警调整键（SET8）

防盗报警调整键（SET9）

自动喷淋灭火调整键（SET10）

给排水控制调整键（SET11）

集中式空气调节系统温度调节调整键（SET12）

集中式空气调节系统湿度调节调整键（SET13）

七LCD液晶显示模块

该系统中

1、液晶显示器显示时间XX:

XX:

XX，即分别显示小时十位、小时个位、分十位、分个位、秒十位、秒个位。

2、设置3个功能按键：

调整键（SET1）、加1键（AD）和减1键（DC），实现时间可调。

上电后，显示时间00:

00:

00，并开始走时。

按下1次（SET1）时，秒个位走时停止，秒十位闪亮，此时按下（AD），该位数值加1，若按下（DC），则该位数值减1；继续按下（SET1）时，分个位、分十位、小时个位、小时十位依次闪亮，并可按上述方法进行时间调整。

（SET1）按下第6次时，时间调整结束，时钟在调整后的时间上重新开始走时。

3、计时以24小时制进行，最大计时及设置时间为23:

59:

59。

要求用T0用于1秒时间计时，T1用于指示时间调整时相应位的闪亮，在时间调整时，每过0.4s，将对应单元的显示数据换成“熄灭符”数据，使对应调整单元的显示数据间隔闪亮。

八家庭应用模块

家庭智能控制系统家庭应用模块为4路LED代表4路有效输出量。

其中，D1、D2、D3、D4

四路分别代表闹钟闹铃、暖气自动开关系统、自动烧水设备、窗帘自动开关装置的有效控制信号。

此模块的有效信号可以通过键盘设定各种工作模式及有效时间长度，并且在液晶显示屏中可以显示各种工作模式的工作状态。

九计算机接口模块

利用RS-232C实现单片机与PC的串口通信

图RS-232C接口图

RS-232C接口定义（9芯）

针脚定义符号

1载波检测DCD

2接收数据RXD

3发送数据TXD

4数据终端准备好DTR

5信号地SG

6数据准备好DSR

7请求发送RTS

8清除发送CTS

9振铃提示RI

鸣谢

非常感谢老师百忙之中给我们耐心的指导，同学们给我们热心的帮助和父母在远方的支持，以及长安大学图书馆给我们提供的丰富的参考资源，在此一并表示真挚的谢意!

结束语：

经过十多天的查阅手册和参考文献资料，将所学的单片机知识加以巩固和应用，学会使用单片机进行数据传输和处理，液晶显示器的应用。

我们终于将初步设计报告完整的写出来了。

本设计在满足设计要求的前提下，还增加了扬声器以提供声音信号，闹钟的时候可以放一段音乐，贴近实际。

而且在八路输出开关量信号的同时还可以在液晶显示器显示对应的说明，以及扬声器发出设计好的声音，很人性化。

当然在设计过程中也遇到很多思路的堵塞，方案难以决策，但是最终还是一一攻克了，通过本次课程设计学到了很多许多书本上没有的东西。

本设计有待改进的地方有很多，但最亟待改进的地方是解决

还有就是显示系统有待改进，

参考文献

【1】林涛主编，数字电子技术基础.北京：

清华大学出版社，2006

【2】林涛主编，模拟电子技术基础.重庆：

重庆大学出版社，2002

【3】姜书艳主编，数字逻辑设计及应用.北京：

清华大学出版社，2007

【4】赵光编著，常见表面贴封装分立器件与集成电路手册.北京：

电子工业出版社，2008

【5】刘浩斌主编，数字电路与逻辑设计.北京：

电子工业出版社，2007

【6】全国大学生电子设计竞赛组委会编，全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编.北京：

北京理工大学出版社，2004

【7】全国大学生电子设计竞赛组委会编，全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京：

北京理工大学出版社，2003

【8】段晨东主编，单片机原理及接口技术，北京：

清华大学出版社，2008

【9】王楚、余道衡编著，电子线路.北京：

北京大学出版社，2003

【10】张义和、陈敌北编著，例说8051，北京：

人民邮电出版社，2006

收获和体会:

从这次电子设计中最大的收获是通过查阅大量手册和参考文献资料，学到了很多许多书本上没有的东西。

在这次实设计中，将所学的单片机知识加以巩固和应用，学会使用单片机进行数据传输和处理，液晶显示器的应用，这段时间的确很辛苦，但是心里很充实。

其次在设计的过程中，第一次体会到了设计是一件喜怒无常的事，是一件非常辛苦的事，比如说这次设计单片机引脚的分配方案，就不知道惊喜地提出多少种方案，但都在细想的时候，被一个简单的问号给否定了，当一个辛辛苦苦想出来的方案被自己一句简单的“这个地方怎么办?

”给否定时，心里真的很烦闷，但是经过说不准的时间，又欣喜的想出了一个解决“这个地方怎么办?

”的方案却又被“那个地方怎么办?

”给否定了，真的是提出一个方案容易，但提出一个可行的方案却是件非常困难的事，但