1、智能家居1.1 系統(tǒng)研究的背景和意義在現(xiàn)代社會(huì)蓬勃發(fā)展和科學(xué)技術(shù)繁榮時(shí)期，技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)改造已逐漸進(jìn)入人們的視野，人們的生活一步一步的在提高。然而，人工智能、智能辦公設(shè)備、智能機(jī)器人等獨(dú)特產(chǎn)品逐漸出現(xiàn)，并且這種現(xiàn)象已逐漸成為常態(tài)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字產(chǎn)品的更新和迭代已將智能系統(tǒng)不斷擴(kuò)展到世界各地，并已發(fā)展成為不可抗拒的社會(huì)過(guò)程。隨著智能建筑的流行趨勢(shì)，這釋放了公眾渴望將數(shù)字信息和智能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到日常生活中的渴望?？茖W(xué)技術(shù)始終在不斷改進(jìn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)也受益于此，人們的生活條件也不斷地改善。與此同時(shí)，城市人口密集度在日益增加，密集型的聚集區(qū)發(fā)展地越來(lái)越多，社會(huì)秩序變得更加復(fù)雜，家居智能方面的問(wèn)題也漸漸受到大家關(guān)注。

2、家用智能家居系統(tǒng)，光在字面上就能夠使人感到智能化設(shè)計(jì)，往往令人們對(duì)其抱有很高的希望。然而，這樣實(shí)際能幫助到每 一戶家庭的產(chǎn)品，卻沒(méi)有走入千家萬(wàn)戶。許多種好的產(chǎn)品都隱藏在這龐大的市場(chǎng)中。傳統(tǒng)的人工手動(dòng)，實(shí)際使用的過(guò)程中將缺點(diǎn)和隱患都展露無(wú)遺。人們迫切的需要一款能夠真正幫助到他們減少勞動(dòng)的裝置，又使用新型技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。新興科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和電腦的傳播，使得家用智能家居系統(tǒng)的發(fā)展無(wú)論是在功能還是技術(shù)上都產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。原本的物理機(jī)械型、局部的智能家居系統(tǒng)已經(jīng)演變成新型技術(shù)型。此外，智能家居系統(tǒng)具有實(shí)用這一優(yōu)點(diǎn)，能夠全方位無(wú)死角24小時(shí)監(jiān)控家庭環(huán)境，這一發(fā)展無(wú)疑對(duì)家居安全又增添了一份可靠的保障

3、。智能家居技術(shù)只要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器與無(wú)線電技術(shù)構(gòu)成的綜合應(yīng)用。通過(guò)將現(xiàn)代化信息網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)相結(jié)合，智能系統(tǒng)產(chǎn)品是一款功能完整的操作設(shè)備。其中包括 家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控，住宅環(huán)境安全，家庭信息交換，家庭娛樂(lè)，社區(qū)管理和服務(wù)，是一款覆蓋性強(qiáng)、市場(chǎng)前景遠(yuǎn)大的新產(chǎn)品。本系統(tǒng)主要通過(guò)電磁傳感器、紅外廣角探測(cè)傳感器以及紅外幕簾探測(cè)器等組成。從智能家居系統(tǒng)剛初步發(fā)展到現(xiàn)在，智能化已經(jīng)在該領(lǐng)域應(yīng)用了十多年，但是其真正的推廣范圍始終是低于預(yù)期值的。最新的智能家居系統(tǒng)大多都呈現(xiàn)在一些相對(duì)基礎(chǔ)的場(chǎng)合，也并不是大規(guī)模運(yùn)用的設(shè)備和產(chǎn)品，配套的設(shè)施也沒(méi)有完全跟上，系統(tǒng)的運(yùn)行方式和使用條件都沒(méi)有完全普及。點(diǎn)燃的香煙、燃燒

4、的蠟燭、過(guò)熱的電器或任何與熱相關(guān)的這些東西都可能引起火災(zāi)。幾乎不需要幾分鐘，火災(zāi)事件就足以讓人感覺(jué)到手足無(wú)措。同樣，一種令人討厭的犯罪盜竊，總是使得經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)蒙受損失。目前，家庭和辦公樓中的火災(zāi)事件和盜竊案件都在增加，例如入室盜竊和入室搶劫，并已成為全國(guó)人民集中關(guān)注的一個(gè)重大問(wèn)題。許多公司都推出了安防系統(tǒng)。但是，由這些公司設(shè)計(jì)的火災(zāi)和入侵報(bào)警系統(tǒng)非常復(fù)雜、昂貴，而且不能集成在一個(gè)系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)需要更多的維護(hù)工作，又只能由授權(quán)的公司人員進(jìn)行，往往會(huì)造成伴有損失的拖延。財(cái)產(chǎn)火災(zāi)事件，特別是在每個(gè)家庭中，都是令人不安的常見(jiàn)事件。所以，開(kāi)展家用安防報(bào)警系統(tǒng)的研究和普及，是目前當(dāng)下的重中之重。智能家居系

5、統(tǒng)從分散的系統(tǒng)想整合的系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，由簡(jiǎn)單變得復(fù)雜。從早期的單一式分布的溫濕度檢測(cè)或是具有多個(gè)報(bào)警器的防盜報(bào)警系統(tǒng)，再到后來(lái)的智能家居系統(tǒng)。智能小區(qū)及社區(qū)安全防范中心形成了集安全報(bào)警、視頻監(jiān)控、出入口控制、訪客查詢、安全巡邏、車(chē)庫(kù)管理等系統(tǒng)監(jiān)控管理功能于一體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。智能家居系統(tǒng)無(wú)論是在水平還是在功能上，要比從前的智能家居系統(tǒng)有了進(jìn)一步的升級(jí)，整體的系統(tǒng)功能已經(jīng)有了飛一般的進(jìn)步。大數(shù)據(jù)，云計(jì)算，深度學(xué)習(xí)，人工智能應(yīng)用和其他技術(shù)的改進(jìn)，是智能家居發(fā)展的重要指標(biāo)。無(wú)論是對(duì)公司還是科研機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)其系統(tǒng)之前，一定要對(duì)智能的技術(shù)和在智能監(jiān)測(cè)方面有豐富的知識(shí)儲(chǔ)備，以符合市場(chǎng)和人民的需求。1.3 國(guó)

6、內(nèi)外對(duì)于智能家居系統(tǒng)的研究當(dāng)邁入二十一世紀(jì)的大門(mén)后，信息時(shí)代接踵而來(lái)。智能設(shè)備逐漸走進(jìn)人們的眼里。智能家居作為智能住宅自動(dòng)化環(huán)境監(jiān)測(cè)的一個(gè)分支，其演化成一個(gè)成熟的體系，則是在第三次產(chǎn)業(yè)革命中。20世紀(jì)60年代，發(fā)展了視頻圖像技術(shù)。20世紀(jì)70年代，發(fā)展了計(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)。20世紀(jì)80年代的生物識(shí)別技術(shù)和20世紀(jì)90年代的國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得智能家居產(chǎn)業(yè)也從中受益。在國(guó)外，家用智能家居系統(tǒng)可以說(shuō)是非常的普遍了，幾乎每家每戶都會(huì)使用。不僅有720P的高清攝像頭24小時(shí)滾動(dòng)式播放，可以讓用戶更好的隨時(shí)查看家里的情況，而且攝像頭可以代用雙向通話功能，設(shè)置移動(dòng)偵測(cè)和語(yǔ)音偵測(cè)報(bào)警。與此同時(shí)，定制動(dòng)態(tài)報(bào)警

7、，實(shí)時(shí)發(fā)送email和app提醒。雖然能夠通過(guò)這些手段來(lái)保護(hù)家庭環(huán)境的安全，可是實(shí)際的設(shè)備安裝和使用的費(fèi)用還是非常高昂的。中國(guó)的智能家居工作是從1979年河北省石家莊市公安部舉辦的全國(guó)刑事技術(shù)預(yù)防工作會(huì)議上才逐步展開(kāi)起來(lái)的，至今也不過(guò)三十多年的歷史，但是發(fā)展的速度很快。目前，國(guó)內(nèi)從事智能家居行業(yè)的企業(yè)就有近萬(wàn)家，從業(yè)人員多達(dá)幾十萬(wàn)人，每年的生產(chǎn)產(chǎn)值達(dá)到上億元人民幣。智能家居技術(shù)發(fā)展越來(lái)越成熟。目前的在智能家居系統(tǒng)根據(jù)管理區(qū)域不同區(qū)分為聯(lián)網(wǎng)智能家居和單戶智能家居。聯(lián)網(wǎng)智能家居的結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示。聯(lián)網(wǎng)智能家居是由經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而構(gòu)成的區(qū)域性的物聯(lián)網(wǎng)指揮平臺(tái)。智能數(shù)據(jù)終端機(jī)將檢測(cè)前端探測(cè)器、各類(lèi)儀表、各

8、類(lèi)開(kāi)關(guān)，并將監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)給管理中心。智能小區(qū)管理中心包括警情接收器、電子計(jì)算器系統(tǒng)和打印機(jī)組成。隨著警報(bào)觸發(fā)時(shí)，指揮臺(tái)的顯示屏上會(huì)明顯的標(biāo)注出報(bào)警點(diǎn)的地理位置，同時(shí)電腦會(huì)自動(dòng)生成報(bào)警的類(lèi)型和需要協(xié)調(diào)的部門(mén)，提供給值班警察一個(gè)初步判斷的大致方向，并及選擇是否要安排消防和醫(yī)護(hù)人員。以每一戶個(gè)體為一個(gè)單元，作為獨(dú)立的智能家居家庭系統(tǒng)。當(dāng)探測(cè)器被觸發(fā)后，用短信或者APP提醒的方式，向居住者發(fā)出監(jiān)測(cè)情況，可遠(yuǎn)程控制家庭用電器開(kāi)啟狀態(tài)。單戶智能家居適合老智能家居系統(tǒng)的價(jià)格更低，使用的設(shè)備也較為小型，更易受到大家的青睞。圖1-1 聯(lián)網(wǎng)報(bào)警結(jié)構(gòu)圖Figure 1-1 network alarm structur

9、e diagram1.4 系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)是為了滿足廣大用戶的要求，避免目前有些智能家居系統(tǒng)檢測(cè)目標(biāo)太少、費(fèi)用成本太高而不被大眾接受，部分設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性太低，有缺少和錯(cuò)過(guò)警報(bào)的情況。以此來(lái)開(kāi)發(fā)一款價(jià)格低廉、安全性高的、系統(tǒng)穩(wěn)定，并面向住宅、宿舍、學(xué)校等人員和財(cái)產(chǎn)眾多、環(huán)境的安全標(biāo)準(zhǔn)較高的區(qū)域。該設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：在住宅、公司、學(xué)校等財(cái)產(chǎn)集中的區(qū)域沒(méi)有人的時(shí)候，對(duì)于可能會(huì)面臨的火警、搶劫等意外情況下，能做到及時(shí)地檢測(cè)和報(bào)警。家用智能安防報(bào)警裝置將直接安置在住宅，能全方位、多角度，將采用紅外線、溫度、煙霧等探測(cè)器進(jìn)行密切關(guān)注，及時(shí)處理探測(cè)到的數(shù)據(jù)。在出門(mén)之前，通過(guò)布放按鍵打

10、開(kāi)安防系統(tǒng)，使報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。在這時(shí)候，如果有強(qiáng)盜破門(mén)而入，就會(huì)被熱釋電紅外線傳感器偵察到，報(bào)警燈開(kāi)始閃爍，蜂鳴器就會(huì)立刻響起。與此同時(shí)，家庭人員也會(huì)接受到有無(wú)線模塊發(fā)送的報(bào)警短信。此時(shí)，聽(tīng)到報(bào)警聲的強(qiáng)盜心里可能也開(kāi)始擔(dān)憂，甚至落荒而逃。如果外出或者熟睡時(shí)，家中有忘了關(guān)的煤氣或者是電路老化，引起了煤氣泄漏和火災(zāi)，在煙霧或者明火剛剛?cè)細(xì)獾臅r(shí)候，煙霧傳感器和數(shù)字溫度傳感器采集到超過(guò)預(yù)設(shè)值的數(shù)據(jù)后，會(huì)立刻給單片機(jī)發(fā)送高電平信號(hào)，無(wú)線通信模塊隨即也發(fā)送了提示短信，使得用戶可以趕緊回到家中去處理危險(xiǎn)情況。為了更好的滿足以上的功能和條件，本設(shè)計(jì)將安排如下設(shè)計(jì)計(jì)劃：(1) 系統(tǒng)的硬件部分：用AD2

11、016軟件以繪制原理圖的方式，設(shè)計(jì)其電路的部分，其中包含電器元件的選型，如單片機(jī)、傳感器、探測(cè)器、無(wú)線通信模塊、顯示器等。(2) 系統(tǒng)的程序部分：用Keil4軟件來(lái)編寫(xiě)能夠加載到單片機(jī)中的C語(yǔ)言程序，(3) 系統(tǒng)的綜合調(diào)試和應(yīng)用：將系統(tǒng)的硬件和程序部分，進(jìn)行綜合的調(diào)試，由測(cè)試結(jié)果來(lái)分析出應(yīng)用于實(shí)物的可行性。(4) 根據(jù)仿真內(nèi)容和調(diào)試的結(jié)果，制作一款實(shí)物，能夠?qū)崿F(xiàn)所有的設(shè)計(jì)功能，并可以真實(shí)投入到生活中使用。2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是根據(jù)當(dāng)代居民的實(shí)際情況，參考國(guó)內(nèi)外最新科研技術(shù)，同時(shí)將成本和功能性納入設(shè)計(jì)考慮范圍內(nèi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)家庭智能化管理的需求。根據(jù)設(shè)

12、計(jì)最終實(shí)現(xiàn)的不同的功能，整個(gè)電路將會(huì)被分割成不同的獨(dú)立模塊：煙霧傳感器電路、單片機(jī)、人體感應(yīng)、聲光報(bào)警提示電路、電源電路和顯示電路等組成，如系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖Figure 2-1 system structure block diagram本系統(tǒng)的工作原理為：首先通過(guò)傳感器對(duì)使用環(huán)境進(jìn)行信息檢測(cè) ，信息采集后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)將采集值同設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果，來(lái)決定，執(zhí)行什么命令。智能家居控制系統(tǒng)主機(jī)的核心器件選用的是STC89C51單片機(jī)，它是整個(gè)系統(tǒng)的“領(lǐng)頭羊”，由它來(lái)控制整個(gè)電路的協(xié)調(diào)功能。例如接受傳感器和探測(cè)器的輸

13、入信號(hào)通過(guò)控制器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后利用顯示單元將信息顯示出來(lái)，然后進(jìn)行聲光報(bào)警。為了更好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的需求，本設(shè)計(jì)采用的是當(dāng)今流行的且性價(jià)比較高的STC89C51單片機(jī)。構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)主要是硬件部分和軟件部分，軟件部分是建立在硬件之上的。軟件程序是用來(lái)執(zhí)行單片機(jī)語(yǔ)言的指令，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行整體的控制。可以說(shuō)，硬件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件則是起到輔助控制的作用，但是又缺一不可，相輔相成的互相工作。2.2 系統(tǒng)的功能技術(shù)要求按照目前的社會(huì)需求，智能家居系統(tǒng)必須要是優(yōu)越、可信賴的設(shè)計(jì)，并且能夠與時(shí)俱進(jìn)。就此智能家居系統(tǒng)要有以下幾種性能：(1)可變性：在設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)是不斷改進(jìn)的。如果在技術(shù)

14、上有了新的變化，也可以及時(shí)方便的更新迭代。如果在同一款產(chǎn)品上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同的功能的監(jiān)測(cè)，則該產(chǎn)品的適應(yīng)性會(huì)更加的全面，可以符合各個(gè)家庭的不同要求，相比于同類(lèi)產(chǎn)品會(huì)更加出色。(2)準(zhǔn)確性：設(shè)計(jì)要能精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)當(dāng)前的實(shí)時(shí)環(huán)境信息，監(jiān)視報(bào)告入侵情況并且準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)送報(bào)警信號(hào)，清楚和明顯地區(qū)分當(dāng)時(shí)報(bào)警的起因和緣由。要準(zhǔn)確控制系統(tǒng)的誤報(bào)和漏報(bào)的概率，使得系統(tǒng)的準(zhǔn)確性更好，對(duì)于住宅的監(jiān)控更加的全面。(3)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性：設(shè)計(jì)在規(guī)劃時(shí)要做到性價(jià)比高，適合于不同階層的用戶。(4)操作便捷性：實(shí)際生活中，家庭里會(huì)有不同年齡層的使用者，如果該設(shè)計(jì)能夠操作簡(jiǎn)易，一學(xué)就明白，這能夠使許多中老年人的家庭也更添一份安全的保障，

15、市場(chǎng)的價(jià)值也會(huì)更加廣泛。根據(jù)這些必要因素，本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)和無(wú)線通信的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以檢測(cè)當(dāng)前房間內(nèi)實(shí)時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)、火災(zāi)情況等，防止這些安全隱患。當(dāng)危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)給用戶發(fā)送信息，使用戶能夠更主動(dòng)的發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)，提前做好所需要的準(zhǔn)備，而不是被動(dòng)的等待救援。2.3 系統(tǒng)的功能和工作流程 本設(shè)計(jì)將基于單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能 ：(1)溫度和煙霧值探測(cè)：用LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前煙霧值和溫度值，按下按鈕可調(diào)節(jié)和設(shè)置溫度和煙霧值報(bào)警的預(yù)設(shè)值。如果傳感器檢測(cè)的溫度超出設(shè)定的溫度值的時(shí)候，發(fā)出聲光報(bào)警，這時(shí)候，亮紅燈；如果是煙霧濃度引發(fā)的報(bào)警，亮黃燈。(2)人體感應(yīng)：人體感應(yīng)通常選用紅外

16、熱釋人體感應(yīng)開(kāi)關(guān)，人體感應(yīng)開(kāi)關(guān)會(huì)根據(jù)檢測(cè)有沒(méi)有人通過(guò)，輸出不同的電平，如果是有人通過(guò)的話，會(huì)輸出高電平，傳送給單片機(jī)。(3)按鍵設(shè)置：可通過(guò)按鍵進(jìn)行設(shè)定，對(duì)當(dāng)前濃度值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)當(dāng)前溫度、濕度超過(guò)預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警?？蛇M(jìn)行布防，布防設(shè)置成功后，有人闖入時(shí)，綠燈亮，蜂鳴器響。 此時(shí)，當(dāng)有人進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，紅外熱釋電傳感器直接發(fā)送觸發(fā)信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)接收到高電平的觸發(fā)后，立即進(jìn)行聲光報(bào)警。(4)當(dāng)報(bào)警信號(hào)傳送給單片機(jī)后，單片機(jī)會(huì)第一時(shí)間驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路工作。與此同時(shí)，將用無(wú)線通信模塊給戶主發(fā)送信息，提示住宅正處于危險(xiǎn)狀態(tài)。3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)主電路設(shè)計(jì)單片機(jī)就是一塊集成

17、在芯片上的計(jì)算機(jī)，它也具有計(jì)算機(jī)的主要功能。單片機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)所主要是在工業(yè)方面，作為主控用于控制系統(tǒng)。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它集成了許多用于測(cè)量和控制對(duì)象的接口電路，如ADC、DAC、高速I(mǎi)O接口、PWM、WDT等。這些外部電路及外圍接口已經(jīng)突破了傳統(tǒng)的微型計(jì)算機(jī)架構(gòu)，因此更為確切地反應(yīng)出單片機(jī)的基本名稱應(yīng)是微控制處理器。圖3-1 STC89C51的引腳結(jié)構(gòu)圖Figure 3-1 pin structure diagram of STC89C51單片機(jī)具有功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)容靈活、小型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且其性價(jià)比高，很多單片機(jī)芯片甚至只需要幾元就可以買(mǎi)到，再加上少量的外圍元件，就可以構(gòu)成

18、一個(gè)功能優(yōu)越的計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)，因此單片機(jī)可以在任何領(lǐng)域使用。單片機(jī)的發(fā)展方向愈發(fā)的CMOS化，并且大多數(shù)單片機(jī)都具有小尺寸，大容量的特點(diǎn)，而且為了符合工業(yè)發(fā)現(xiàn)政策，廠家均推出低功耗、低價(jià)格的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)采用了STC89C51單片機(jī)，該系列單片機(jī)是臺(tái)灣宏晶科技公司所出品的國(guó)產(chǎn)51系列單片機(jī)。其相較于MCS-51系列的優(yōu)點(diǎn)有：在同樣內(nèi)核都為51的情況下，STC89C51的內(nèi)部集成了更多的資源，且運(yùn)行速度也比傳統(tǒng)的51更快，而指令方面，都又時(shí)完全兼容的。此外，就是STC單片機(jī)可以通過(guò)串口編程，能夠更方便的進(jìn)行ISP，在線編程。3-1是STC89C51的引腳結(jié)構(gòu)。在大部分的系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路中，為了能讓

19、單片機(jī)正常工作，單片機(jī)可以在一個(gè)基礎(chǔ)電路中能讓系統(tǒng)正常運(yùn)行，這種結(jié)構(gòu)叫單片機(jī)最小系統(tǒng)，圖3-2就是最小系統(tǒng)的電路圖。對(duì)于本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)STC89C51而言，最小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中一定要有：電源電路、復(fù)位電路、晶振電路和單片機(jī)。圖3-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)Figure 3-2 microcontroller minimum system在單片機(jī)引腳中，RST一般作為復(fù)位引腳，他主要實(shí)現(xiàn)的功能就是當(dāng)程序跑飛的時(shí)候，讓程序重新運(yùn)行，常見(jiàn)的復(fù)位電路有兩種，分別為上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。開(kāi)機(jī)復(fù)位的工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)的工作電壓為5V，電容C1位10F、電阻R7為10K，則可以得出電容C1在開(kāi)機(jī)時(shí)的充電時(shí)間為0.1S。單

20、片機(jī)將1.5V以下都視為低電平，當(dāng)電解電容C1充電時(shí)，第九個(gè)引腳RST從5V逐漸到1.5V下降（為高電平），1.5V逐漸到0V下降（為低電平），則電容C1充電完成，RST也停留在低電平。單片機(jī)開(kāi)機(jī)復(fù)位結(jié)束，開(kāi)始正常工作。按鍵復(fù)位和開(kāi)機(jī)原理基本相似，只是在按下按鍵時(shí)，按鍵和電容C1形成了閉合回路，電容C1的電會(huì)逐漸放盡。按鍵松開(kāi)后，電容C1又會(huì)重新充電，則原理和開(kāi)機(jī)復(fù)位一致。Figure 3.3 reset circuit晶振電路是用來(lái)起振的，為單片機(jī)提供基準(zhǔn)信號(hào)的。就像在列隊(duì)過(guò)程中，一個(gè)喊口號(hào)的人，所有人前進(jìn)或者是動(dòng)作，都要聽(tīng)從喊口號(hào)的口令，所做出的動(dòng)作才能整齊劃一不犯錯(cuò)。晶體振蕩器所產(chǎn)生的時(shí)

21、鐘頻率，是單片機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)。假如晶體振蕩器給出的時(shí)鐘頻率很快，那接收到該信號(hào)的單片機(jī)也運(yùn)行的很快，如圖3-4晶振電路。Figure 3-4 crystal oscillator circuitSTC89C51采用40引腳的雙列直插式封裝（DIP），40個(gè)引腳按功能分為四大類(lèi)：電源、時(shí)鐘、控制和IO口。VSS和VCC為電源引腳，VCC是單片機(jī)中第40號(hào)引腳，主要為單片機(jī)供電，提供+5V的工作電壓，保證單片機(jī)正常。而第20號(hào)引腳VSS則直接接地。表3-1 單片機(jī)電路相連引腳Table 3-1 microcontroller circuit connecting pin元器件網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)單片機(jī)引腳數(shù)字溫

22、度計(jì) DS18B20DQP1.0煙霧傳感器模塊 MQ-2AD CSP1.5GSM模塊 SIM800LP30P3.0顯示電路LCD1602P00-P07P0.0-P0.7紅外傳感器HC-SR501P23P2.3指示燈LEDLEDRP2.2蜂鳴器BUZZERP2.0時(shí)鐘引腳是與晶振電路相連，一般為腳19 XTAL1和腳18 XTAL2，其分別為晶體振蕩電路反向輸入端和輸出端。本設(shè)計(jì)采用通過(guò)XTAL1和XTAL2外接石英晶體的方式作為震蕩電路。4根控制引腳中，有3根是作為復(fù)位使用的。復(fù)用引腳就是一個(gè)引腳能夠?qū)崿F(xiàn)兩種不同的功能，通常情況下使用斜線前的功能，分別為RST (9腳）、 (29腳）、ALE

23、(30腳）和 (31腳）。例如單片機(jī)中的9腳，一般會(huì)接入復(fù)位電路，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位，而在特殊情況下作為備用電源輸入端，保證RAM數(shù)據(jù)留存。在單片機(jī)中IO引腳有P0、P1、P2和P3四個(gè)并行端口，其中每個(gè)都有8條端口線，一共有32個(gè)引腳，用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)和地址信息。本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際功能和合理的安排，將數(shù)字溫度傳感器、煙霧傳感器、按鍵、GSM模塊、電源、LCD液晶顯示屏、人體感應(yīng)模塊、指示燈和蜂鳴器分別和單片機(jī)相連，組成一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，其接口如表3-1所示。3.2 通信模塊的設(shè)計(jì)GSM翻譯成中文就是全球移動(dòng)，GSM模塊不僅能發(fā)送短信，而且能進(jìn)行語(yǔ)音通話。其實(shí)，只要GSM模塊加上鍵盤(pán)、顯示器和電源，就是

24、一部最基本的手機(jī)。 現(xiàn)在，市面上比較常用的幾款GSM模塊，它們分別是西門(mén)子的TC35i，明基BENQ M22，GSM模塊JB35GD，美科（microduino）GSM模塊SIM800L等。在考慮了產(chǎn)品的性能和成本后，本設(shè)計(jì)選用相對(duì)于優(yōu)的GSM SIM800L 模塊，其體積小巧，信號(hào)穩(wěn)定。模塊支持4頻率GSM GPRS，工作頻帶為GSM 850、EGSM 900、DCS 1800、PCS 190 MHz。模塊大小為15.8*17.8*2.4mm，幾乎可以滿足所有用戶應(yīng)用程序的空間大小要求。這個(gè)模塊有三種操作模式。通常動(dòng)作模式、關(guān)機(jī)模式以及最小功能模式?？赏ㄟ^(guò)AT命令控制關(guān)機(jī)模式和最小動(dòng)作模式。

25、并且有四個(gè)燈表示其工作狀態(tài)，DO燈不停閃爍表示：模塊和單片機(jī)的串口通信異常，需要查看，若沒(méi)有閃爍，則表示工作正常；D2燈燈亮表示開(kāi)始發(fā)短信；發(fā)短信結(jié)束后D3燈亮提醒。SIM800L可以通過(guò)USB接口實(shí)現(xiàn)軟件調(diào)試功能，模塊開(kāi)機(jī)后，通過(guò)連接VBUS、USB_DP、USB_DM、GND至電腦端，按提示正確安裝驅(qū)動(dòng)后可以實(shí)現(xiàn)軟件Debug。圖3-5為GSM模塊的電路原理圖，其中包含SIM800L、電容C5、C6、二極管D4和電源座。SIM 800L的峰值電流較大，因此需要在模塊內(nèi)分別供給功率，電源模式為5V的2A。用于發(fā)送單芯片微計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)和GSM模塊的接收數(shù)據(jù)的銷(xiāo)。即，單芯片微計(jì)算機(jī)的RXD P

26、3.0和TXD P 3.1分別與SIM 800L的TXD和RXD連接。圖3-5 GSM模塊的原理圖Figure 3-5 schematic diagram of GSM module3.3 液晶顯示電路設(shè)計(jì)可以在單芯片微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中使用的顯示器有LED和LCD。LED以實(shí)惠的價(jià)格操作，與MCU的接口容易；LCD可以顯示文字和圖像，但接口電路相對(duì)麻煩，且價(jià)格也更貴。但是，LCD更有許多其他顯示器無(wú)法相比的優(yōu)點(diǎn)，如功耗小，工作電壓僅有3-5V；可以做到像素細(xì)小，在小面積上展示更多的信息；沒(méi)有電磁輻射，對(duì)環(huán)境和人類(lèi)都很友好。目前有3種lcd，段型，文字型，圖案型。本設(shè)計(jì)選用的是LCD1602作為液晶

27、顯示器，其顯示容量為32個(gè)字符，工作電壓為5V，工作電流為2mA，價(jià)格也便宜。LCD1602液晶屏就是兩個(gè)平行面板之間填充液晶材料的分子排列狀態(tài)的更迭，這可以通過(guò)電壓改變，以達(dá)到遮光和透光的目的，顯示不同的色調(diào)和一致的圖像，只要在兩塊板之間再加上三元色的濾光層，彩色圖像就能夠完全顯現(xiàn)了。在仔細(xì)分析了LCD1602后，就要將其和單片機(jī)的引腳一一對(duì)應(yīng)。如引腳4 RS是寄存器選擇，與單片機(jī)的P2.7相連；引腳5 RW直接接地，功能為讀寫(xiě)信號(hào)線；引腳6 E為使能端，當(dāng)該引腳從高電平轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令，直接接入單片機(jī)引腳P2.6；引腳714為雙向數(shù)據(jù)線，直接和單片機(jī)的P0.0P0.7相連；引

28、腳15和16為背光電源，一個(gè)接正一個(gè)接負(fù)。實(shí)際程序下片時(shí)，共有11根信號(hào)需要工作：并行數(shù)據(jù)為8位（D0-D7），8位數(shù)據(jù)線可以控制LCD1602顯示的內(nèi)容和工作狀態(tài)。這時(shí)，需要有一個(gè)可以控制工作模式的信號(hào)線，來(lái)選擇當(dāng)時(shí)需要的工作內(nèi)容，即RW（ReadWrite）。要控制是數(shù)據(jù)或指令寫(xiě)進(jìn)液晶顯示中，就需要信號(hào)線RS來(lái)控制，RS的字面意思就是“寄存器選擇”（Register Select ），實(shí)際就是通過(guò)寄存器選擇信號(hào)來(lái)判斷此時(shí)的八位數(shù)據(jù)要送入哪個(gè)寄存器，是“數(shù)據(jù)寄存器Data Register DR”或者是“指令寄存器”IR（Instruction Register）。假如送入指令，就需要經(jīng)過(guò)指

29、令解碼來(lái)完成；假如送入的是數(shù)據(jù)，就直接寫(xiě)進(jìn)DDRAM或CGRAM。另有一根使能信號(hào)線E（Enable），在下降沿寫(xiě)入信號(hào)。以此就組成了有11條信號(hào)線組成的LCD1602：D0-D7、RW、RS、E。圖3-6 為L(zhǎng)CD1602液晶顯示屏的接線圖。將單片機(jī)和液晶顯示屏連接后，單片機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕э@示屏LCD1602上。圖3-6 LCD1602液晶顯示屏的接線圖Figure 3-6 wiring diagram of LCD1602 LCD screen3.4 紅外傳感器電路設(shè)計(jì)熱釋電紅外線（PIR）傳感器是上世紀(jì)末期新開(kāi)發(fā)的一款高靈敏度探測(cè)元件。這類(lèi)的傳感器，可以根據(jù)感知到人體所發(fā)出的紅外

30、線，所以就能夠組成一款報(bào)警器來(lái)阻止外部的入侵設(shè)備。它能檢測(cè)到與人體輻射的紅外接觸無(wú)關(guān)的變化，將其轉(zhuǎn)換成電壓輸出，擴(kuò)展電壓信號(hào)并運(yùn)行電路。熱電效應(yīng)是指當(dāng)某些高性能電偶材料的表面溫度隨溫度的升高或降低而變化時(shí)，材料表面的轉(zhuǎn)移發(fā)生極化，即表面引起電荷的變化，材料導(dǎo)致負(fù)載不平衡。最后由于電荷的改變，物體會(huì)產(chǎn)生電壓或者是電流。圖3-7 HC-SR501外形圖Figure 3-7 hc-sr501 contour diagram本設(shè)計(jì)選用了HC-SR501，作為熱釋電紅外線傳感器，圖3-7 為HC-SR501外形圖。當(dāng)人體到達(dá)警戒區(qū)時(shí)，體溫會(huì)改變輻射范圍。紅外熱電探測(cè)器探測(cè)由于菲涅耳效應(yīng)引起的人體體溫和背

31、景溫度之間的差異-鏡頭貨物阻力產(chǎn)生阻力。電阻取決于傳感器溫度的速度。經(jīng)過(guò)后級(jí)比較器與狀態(tài)控制器產(chǎn)生相應(yīng)輸出信號(hào)U。圖3-8為紅外報(bào)警模塊的原理圖，將HC-SR501的引腳1和 引腳3分別接入GND和VCC。其中輸出引腳2直接接入單片機(jī)的P2.3腳。在布防時(shí)，有人進(jìn)入該區(qū)域，熱釋電紅外傳感器將探測(cè)到動(dòng)作，將感應(yīng)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)再給到單片機(jī)，立即實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。圖3-8 紅外模塊原理圖Figure 3-8 schematic diagram of infrared module3.5 煙霧傳感器電路設(shè)計(jì)煙霧傳感器就是依靠檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的煙霧濃度來(lái)提示人們可能存在的火災(zāi)預(yù)警。煙霧傳感器內(nèi)部通過(guò)離子式煙霧

32、傳感器，這是一種利用新型科學(xué)技術(shù)，運(yùn)行時(shí)非常牢靠的傳感器，更被普遍使用在各種火災(zāi)報(bào)警設(shè)計(jì)中，機(jī)能大大的強(qiáng)于氣敏電阻類(lèi)的火災(zāi)報(bào)警器。目前市面上常用的氣體傳感器有MQ-2、MQ-3、MQ-4、MQ-5，它們負(fù)責(zé)檢測(cè)不同類(lèi)型的氣體，MQ-2一般用于檢測(cè)CO、CH4等可燃性氣體；MQ-3傳感器多用來(lái)檢測(cè)酒精MQ-4多用來(lái)檢測(cè)甲烷；MQ-5用于檢測(cè)煤氣。圖3-9 MQ-2外形圖Figure 3-9 contour diagram of mq-2考慮到其他傳感器的局限性，提高了安全性，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用Mq-2型煙霧傳感器。圖3-9顯示了mq-2矩陣。該傳感器具有監(jiān)測(cè)范圍廣、靈敏度高、恢復(fù)速度快、響應(yīng)可靠

33、性高等特點(diǎn)委員會(huì)工作時(shí)間可能很長(zhǎng)，家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及液化氣、丁烷的測(cè)試只需要最基本的電路，使用丙烷、甲烷、酒精和氫氣可以。抽煙，是的，粒子場(chǎng)隨著煙霧調(diào)節(jié)和導(dǎo)電表面的變化而變化，這是一個(gè)特征，即一旦傳感器和煙霧被移除，它們可以立即對(duì)有關(guān)其傳感器和煙霧的信息作出反應(yīng)如何獲得很多？煙氣濃度越高，導(dǎo)電率越高，輸出強(qiáng)度越低，因此輸出模擬具有更強(qiáng)的魯棒性。在正常工作時(shí)，4引腳輸出信號(hào)就代表煙霧傳感器被觸發(fā)。由于煙霧傳感器MQ-2輸出的是模擬信號(hào)不能直接連接單片機(jī)，所以這里就需要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832，其中7腳是用來(lái)接受時(shí)鐘信號(hào)的，模擬信號(hào)由ADC0832的2腳輸入，再由ADC0832的

34、5腳輸出至單片機(jī)的P1.3，則煙霧報(bào)警的流程完畢，圖3-10為AD轉(zhuǎn)換模塊原理圖。圖3-10 AD模塊原理圖Figure 3-10 schematic diagram of AD module3.6 溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì) 溫度傳感器一般采用接觸式溫度傳感器，而不是接觸點(diǎn)接觸式溫度傳感器在熱電偶中，熱強(qiáng)度和溫度傳感器綜合設(shè)計(jì)數(shù)字溫濕度傳感器的選擇積分溫度。因?yàn)闇y(cè)量可以由溫度和濕度元件轉(zhuǎn)換成數(shù)字，直接用于計(jì)算機(jī)和可編程邏輯控制器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備。數(shù)字溫度傳感器共有兩個(gè)，本設(shè)計(jì)選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為測(cè)量器件，而與其他接觸式溫度傳感器相比，數(shù)字溫度傳感器具有較低的數(shù)字信號(hào)容量，它由四部分組成：

35、溫度傳感器、64位可讀存儲(chǔ)器、數(shù)字溫度傳感器、數(shù)字溫度傳感器和數(shù)字溫度傳感器，啟動(dòng)并確認(rèn)已配置注冊(cè)。DS18B20是基于一個(gè)總線芯片，所以只有一個(gè)數(shù)據(jù)入口和出口。圖3-11 溫度傳感器電路原理圖Figure 3-11 temperature sensor circuit principle diagramDS18B20與單片機(jī)的接口及其簡(jiǎn)單，只需將DS18B20的信號(hào)線和單片機(jī)的P1.0口相連，其他兩個(gè)管腳接地和VCC，就可以完成溫度的測(cè)量及監(jiān)測(cè)，十分方便，圖3.9是溫度傳感器電路原理圖。DS18B20在啟動(dòng)后立即啟動(dòng)，當(dāng)進(jìn)行溫度測(cè)量和AD轉(zhuǎn)換時(shí)，來(lái)自單片機(jī)的命令44h（溫度轉(zhuǎn)換命令）完全發(fā)行

36、溫度測(cè)量及轉(zhuǎn)換頁(yè)：1等待DS18B20時(shí)，DS18B20將生成的溫度數(shù)據(jù)以兩個(gè)字節(jié)的形式存儲(chǔ)在高速溫度記錄中。如果DS18B20芯片連接到外部電源，芯片的微型計(jì)算機(jī)在溫度傳輸后開(kāi)始“讀取間隔”，讀取被測(cè)溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)總線和微機(jī)完成數(shù)據(jù)傳輸薯?xiàng)l，一個(gè)炸薯?xiàng)l。那里溫度傳感器是一種指示燈轉(zhuǎn)換，當(dāng)DQ輸出和溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，輸出DQ 1。本設(shè)計(jì)的報(bào)警電路采用蜂鳴器，由三極管8550驅(qū)動(dòng)，和單片機(jī)的P13相連接，當(dāng)P13口為高電平，蜂鳴器不報(bào)警，當(dāng)P13口為低電平，蜂鳴器報(bào)警。電路圖如圖3-12，聲光報(bào)警電路圖。圖3-12 聲光報(bào)警電路圖Figure 3-12 sound and light alarm ci

37、rcuit diagram4.1 主程序工作流程設(shè)計(jì)圖4-1 主程序流程圖Figure 4-1 main program flow chart系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)是由硬件部分來(lái)輔助程序部分的。硬件部分打好整體框架，程序再去填充細(xì)節(jié)。程序可以分為兩個(gè)類(lèi)別：一個(gè)是主程序，用來(lái)掌控整個(gè)設(shè)計(jì)的主體部分，調(diào)動(dòng)各個(gè)模塊的運(yùn)行；二是子程序，如果說(shuō)主程序是系統(tǒng)的核心，那么子程序就是幫助系統(tǒng)完成更多功能的助手，比如說(shuō)顯示、探測(cè)和測(cè)量等。智能家居系統(tǒng)程序部分采用是分模塊化設(shè)計(jì)。將其分為主程序設(shè)計(jì)、GSM模塊程序設(shè)計(jì)、顯示電路程序設(shè)計(jì)、溫度傳感器程序設(shè)計(jì)、AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)更清晰簡(jiǎn)潔，在產(chǎn)生問(wèn)題的時(shí)候，也能及

38、時(shí)找到錯(cuò)誤的地方。本設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)程序，在Keil uVision進(jìn)行程序的調(diào)試和運(yùn)行。主程序是整個(gè)程序的主體，流程圖可參考圖4.1所示。當(dāng)系統(tǒng)接上電源后，就正式進(jìn)入工作模式。工作模式的第一步就是初始化定時(shí)器0、顯示函數(shù)、溫度調(diào)用函數(shù)和串口，蜂鳴器報(bào)警標(biāo)志著初始化完成。隨后就進(jìn)入主循環(huán)中，讀取當(dāng)下的煙霧值和溫度值，并在LCD液晶顯示屏上顯示。隨后進(jìn)入Switch(Case)中：(1)如果是判斷模式Case 0，則判斷熱釋電紅外傳感器是否被觸發(fā)？如果是，則進(jìn)入報(bào)警模塊，LED燈開(kāi)始閃爍，蜂鳴器開(kāi)始響起，GSM將給預(yù)設(shè)的手機(jī)號(hào)發(fā)送短信。(2)如果是溫度模式Case 1，則判斷是否按鍵？如果

39、是，則根據(jù)按鍵值來(lái)變化預(yù)設(shè)值，并顯示溫度。當(dāng)超過(guò)預(yù)設(shè)溫度后，直接報(bào)警。(3)如果是煙霧值模式Case 2，則判斷是否按鍵？如果是，則根據(jù)按鍵值來(lái)變化預(yù)設(shè)值，并顯示煙霧值。到超過(guò)預(yù)設(shè)煙霧值后，直接報(bào)警。熱釋電紅外傳感器報(bào)警程序如以下程序所示：if(HC_SR501) /有信號(hào)LCD_Write_String(0,3,I);if(StatusSign) /如果布防 /標(biāo)記為有人闖入LCD_Write_String(0,3, ); if(HC_sign&StatusSign) /判斷布防LED_RControl=1; /允許紅燈閃Set_Pdu_Mode(); /設(shè)置短信為PDU模式Second_AT_Command(AT+CSCS=UCS2,OK,3); /設(shè)置為 UCS2 編碼字符集Second