單片機(jī)控制的智能家居系統(tǒng)的總體方案設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u5962單片機(jī)控制的智能家居系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 11921.1單片機(jī)模塊 258351.2顯示模塊 341151.3溫濕度采集模塊 466392.3.1管腳情況 6254562.4通信模塊 7146252.4.1Wifi模塊 7110342.5報警模塊 879312.6監(jiān)控器模塊 9本設(shè)計為智能家居系統(tǒng)，其硬件由單片機(jī)模塊、溫濕度模塊、顯示模塊、報警模塊、攝像機(jī)模塊等模塊組成。以較低成本實(shí)現(xiàn)溫濕度的采集、處理，顯示，并可以通過串口將顯示的數(shù)據(jù)傳送到連接的PE終端，而終端則具備一定的設(shè)定新的溫濕度閾值性功能，也可以通過攝像頭查看實(shí)地情況。總框圖如REF_Ref73384499\h圖2.1所示。硬件部分分為單片機(jī)模塊、顯示模塊、溫濕度采集模塊、通信模塊、報警模塊和監(jiān)控器模塊，本章分別介紹各個模塊的硬件結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計。圖STYLEREF1\s2.SEQ_圖\*ARABIC\s11系統(tǒng)設(shè)計框圖單片機(jī)模塊本模塊中使用單片機(jī)作為核心控制芯片，進(jìn)而達(dá)成控制目標(biāo)。單片機(jī)在國內(nèi)外的型號有很多，如MCS-51系列、51系列單片機(jī)、AVR系列單片機(jī)、MSP430系列單片機(jī)。由于本設(shè)計當(dāng)中對低功耗、抗干擾性能有要求，現(xiàn)有兩種方案供選擇。（1）方案一可使用51系列的單片機(jī)當(dāng)做主要控制器。51系列作為應(yīng)用最為廣泛的單片機(jī)，其產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范。它從內(nèi)部的硬件到軟件都有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器。51系列的I/O腳的設(shè)置和使用非常簡單，但高電平時無輸出能力，可謂有利有弊。故其他系列的單片機(jī)(如PIC系列、AVR系列等)對I/O口進(jìn)行了改進(jìn)，增加了方向寄存器以確定輸入或輸出，但也變得復(fù)雜。51系列的另一個優(yōu)點(diǎn)是乘法和除法指令，這給編程帶來了便利。（2）方案二可采用凌陽系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的處理器。其優(yōu)點(diǎn)為功能強(qiáng)、效率高的μ’nSPTM的指令系統(tǒng)，指令格式緊湊，執(zhí)行迅速，并且其指令結(jié)構(gòu)提供了對高級語言的支持，這可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間。低功耗、低電壓：μ’nSPTM家族采用CMOS制造工藝，同時增加了軟件激發(fā)的弱振方式，空閑方式和掉電方式，極大地降低了其功耗，另外，μ’nSPTM家族的工作電壓范圍大，能在低電壓供電時正常工作，且能用電池供電。以上兩種類型的單片機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)我們所需要的控制功能。51系列單片機(jī)運(yùn)算功能強(qiáng)并且技術(shù)成熟，開發(fā)較早。凌陽系列單片機(jī)對復(fù)雜的邏輯功能實(shí)現(xiàn)較好，體積小、穩(wěn)定性高，器件集合程度較51系列較好。由于本系統(tǒng)對信號處理速度要求不高（s級），核心算法也不復(fù)雜，綜合價格、操作復(fù)雜度、以及現(xiàn)有編程環(huán)境等多方面考慮，采用51單片機(jī)做嵌入式處理器最適于本課題。基于綜合性的考慮，所以選擇了方案1的STC89C52RC單片機(jī)?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)使用STC89C52RC型號，這是一款開發(fā)了很久很穩(wěn)定可靠的芯片，總體技術(shù)已經(jīng)相對成熟了，利用其串口可以很快的訪問數(shù)據(jù)，對模塊進(jìn)行初始化，將數(shù)據(jù)傳送，以及接收。如REF_Ref73384772\h圖2.1所示：圖2.SEQ_圖\*ARABIC\s11STC89C52原理圖其中用到的關(guān)鍵幾個串口引腳以及作用如REF_Ref73384899\h表3.1所示：表2.SEQ表\*ARABIC\s11單片機(jī)串口引腳引腳號功能特性P3.0RXD（串行輸入口）數(shù)據(jù)輸出線，串行數(shù)據(jù)接收端。P3.1TXD（串行輸出口）移位時鐘脈沖，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。P3.2INTD（串行輸入口）外部中斷0中斷請求輸入P2.0RSTOUT_LOW上電后輸入低電平，訪問外部存儲器時，用做八位地址總線通過串口的P2.0口訪問溫濕度傳感器所收集的環(huán)境信息，經(jīng)過處理交給顯示器，P3.2口對WIFI模塊中斷請求，進(jìn)行初始化過程進(jìn)行復(fù)位，經(jīng)過P3.1口將溫濕度數(shù)據(jù)通過此串口發(fā)送給APP，而P3.0口則負(fù)責(zé)將APP發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。顯示模塊現(xiàn)有三種方案可供選擇，分別為采用靜態(tài)、動態(tài)、LCD的顯示方法。第一種具備損耗大，體積大、硬件眾多，同時需要占用串口來用移位寄存器輸出。而動態(tài)顯示相比于靜態(tài)的模塊，其顯示內(nèi)容眾多,，損耗少,費(fèi)用低，硬件制作性也簡單，但美中不足則需占用14個端口的輸出。LCD的顯示方法取有以上兩種的優(yōu)點(diǎn)顯示信息較多，滿足了設(shè)計的要求。所以采用LCD1602液晶顯示模塊來輸出相關(guān)信息。1602液晶屏外觀圖如REF_Ref73505613\h圖2.2所示。圖2.SEQ_圖\*ARABIC\s121602液晶屏外觀圖LCD1602液晶顯示模塊共有16個引腳，REF_Ref73505714\h表2.3做出了詳細(xì)說明：表2.SEQ_圖\*ARABIC\s13引腳說明溫濕度采集模塊物溫濕度采集模塊就是對溫濕度這兩個物理量的信號進(jìn)行采集，然后通過相關(guān)一系列的程序，將信號轉(zhuǎn)化為可直接讀出來的數(shù)據(jù)，例如：將溫濕度傳感器放置于特殊的環(huán)境下，便可以立即感受出溫度量以及相對濕度量。然而，首先要解決的問題就是如何選擇合適的溫濕度傳感器。經(jīng)過網(wǎng)上查詢相關(guān)資料，實(shí)地去電子市場考察，發(fā)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品有很多，如REF_Ref73505828\h圖2.5所示，特點(diǎn)及功能指標(biāo)差別相對不太大。結(jié)合自身的知識水平及實(shí)踐能力，在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行了部分的篩選，經(jīng)過實(shí)驗最終確定了課題中使用的溫濕度傳感器的型號。圖2.SEQ_圖\*ARABIC\s15溫濕度傳感器當(dāng)前選擇的溫濕度傳感器是DHT11。DHT11的管腳如REF_Ref73505877\h圖2.6所示。正面結(jié)構(gòu)以及背面結(jié)構(gòu)如圖2.7所示：圖2.SEQ_圖\*ARABIC\s16DHT11管腳圖圖2.SEQ_圖\*ARABIC\s17DHT11產(chǎn)品圖數(shù)字溫濕度傳感器（DHT11）是涵蓋已校準(zhǔn)之后的數(shù)字性信號輸出的溫濕度復(fù)合性傳感器，其中就涵蓋電阻式感濕元件與NTC測溫元件，此外也包含功能齊全的8位單片機(jī)彼此聯(lián)系，所有DHT11傳感器均利用在相對精準(zhǔn)的溫濕度校驗室內(nèi)經(jīng)受校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)通過程序性方式存儲在OTP內(nèi)存中，其中內(nèi)部部件在測試信號的處理時期需要調(diào)用上述準(zhǔn)確的校準(zhǔn)系數(shù)，精準(zhǔn)度更高。單線制串行接口，提高系統(tǒng)集成便利性，提高綜合效率，其體積不大、損耗較少，因此可以在傳感器內(nèi)普遍使用，顯然，其通常使用數(shù)字性模塊采集和溫濕度傳感技術(shù)，上述重要技術(shù)來可以保證產(chǎn)品具備較高的穩(wěn)定性和長期性。總而言之，此產(chǎn)品效率高、性價比高，質(zhì)量高、抗干擾性水平高等諸多優(yōu)勢，因此其逐漸變成惡劣環(huán)境中的首要選擇。產(chǎn)品是三針單排引腳封裝，連接相對便利。本設(shè)計使用DHT11模塊，下面從DHT11模塊的屬性、控制參數(shù)、數(shù)據(jù)信息流等方面做簡單介紹。2.3.1管腳情況DHT11模塊的管腳情況如REF_Ref73385005\h表2.2所示：表2.SEQ表\*ARABIC\s12DHT11模塊管腳情況Pin名稱注釋1VDD供電3－5.5VDC2DATA串行數(shù)據(jù)，單總線3GND接地，電源負(fù)極2.4通信模塊可用于通信的模塊國內(nèi)外有很多種，如

GPS模塊、北斗模塊、藍(lán)牙模塊、wifi模塊等，現(xiàn)根據(jù)性能要求對其中的三種通信模塊進(jìn)行分析選用。（1）方案一藍(lán)牙通信不容易受到干擾，并且可行性高，易于開發(fā)，但是藍(lán)牙一般都工作在2.4GHz的頻段所以距離不能太遠(yuǎn)，并且市面上常見的藍(lán)牙模塊也只是視距10米內(nèi)，同時藍(lán)牙協(xié)議的功耗也是很高的，專利費(fèi)要求高，。（2）方案二zigbee技術(shù)通信，掉線率不高，損耗少，組網(wǎng)水平高，費(fèi)用少，安全穩(wěn)定，工作頻段相對自由，但是價格相對要昂貴很多，其協(xié)議占用的帶寬對信道要求高，同時通訊距離短，環(huán)境適應(yīng)性差，以及通信數(shù)據(jù)速率低。（3）方案三wifi模塊具有更寬的帶寬，更強(qiáng)的射頻信號，功耗更低，安全性強(qiáng)，具有一定的移動性，同類設(shè)備連接很方便，通信距離最長，速率快。綜上所述，本設(shè)計選取了esp8266串口wifi模塊。2.4.1Wifi模塊Wifi模塊選用的是ESP8266模塊，上述WIFI模塊價格不高，基本上是功能齊全的WIFI芯片，在多種智能硬件內(nèi)被普遍使用，特別是依照其datasheet,支持SPI的時候，也能利用I2C，UART等形式開展通信，特別是對UART來說，就能支持目前所采用的AT指令，在一定程度上減少開發(fā)任務(wù)量，便于初學(xué)者進(jìn)行操作，AT模式的ESP8266引腳如REF_Ref73385322\h表3.9所示：表STYLEREF1\s3.SEQ_圖\*ARABIC\s19ESP8266引腳其是具有超低性損耗的UART-WiFi透傳模塊，憑借自身封裝尺寸與超低損耗科技而被普遍使用，此外有為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)彼此通訊使用的單獨(dú)設(shè)計，能把用戶的物理設(shè)施聯(lián)系到Wi-Fi上，在互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)內(nèi)彼此交流，進(jìn)而完成聯(lián)網(wǎng)目標(biāo)。另外ESP8266的封裝形式具有多元性，上述天線也支持郵票孔接口，板載PCB天線與IPEX接口三類；在生活，ESP8266就普遍使用在智能性家具、交通、手持性設(shè)施、工業(yè)控制與相關(guān)電網(wǎng)等行業(yè)。2.5報警模塊由于本設(shè)計有需要，便利用單片機(jī)的自帶蜂鳴器模塊進(jìn)行編程，設(shè)定一定閾值，在籌集的溫濕度超出所設(shè)定正常閾值就會報警。報警器模塊選用51單片機(jī)中自帶的蜂鳴器，在蜂鳴器電路中主要包括一個220歐的電阻，三極管8550和蜂鳴器，電路使用了單片機(jī)的I/0口P3.4來控制蜂鳴器。但是，通過三極管8550間接控制。這是因為單片機(jī)的I/0口能夠流進(jìn)流出的電流有限，有的蜂鳴器鳴響需要比較大的電流，單片機(jī)的I/0無法滿足。而三極管8550最大可以提供1A以上的電流，足以驅(qū)動蜂鳴器，所以使用P3.4控制三極管8550的導(dǎo)通和截止，達(dá)到控制蜂鳴器的目的。向P3.4寫出邏輯“1”時，P3.4輸出+5V，三極管8550的基極電流為0，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電源+5V不能加到蜂鳴器的正極，蜂鳴器不鳴響；向P3.4寫出邏輯“0”時，P3.4輸出OV，三極管8550的發(fā)射極和基極之間產(chǎn)生電流，限流電阻R1取合適的值，可以使三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，電源+5V通過三極管的發(fā)射極和集電極加到蜂鳴器的正極，有電流流過蜂鳴器的正極和負(fù)極，有源蜂鳴器就開始鳴響使用SH69P43為控制芯片，使用4MIHz晶振作為主振蕩器。PORTC.3/TO作為I/0口通過三極管Q2來驅(qū)動蜂鳴器LSI,而PORTC.2/PMI10則作為PIN輸出口通過三極管Q1來驅(qū)動蜂鳴器LS2。另外在PORTA.3和PORTA.2分別接了兩個按鍵，一個是PIL按鍵，是用來控制PI輸出口驅(qū)動蜂鳴器使用的:另一個是PORT按鍵，是用來控制I/0口驅(qū)動蜂鳴器使用的。連接按鍵的I/0口開內(nèi)部上拉電阻，如REF_Ref73506011\h圖3.10所示：圖2.SEQ_圖\*ARABIC\s110蜂鳴器電路圖2.6監(jiān)控器模塊出于經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的需要，選擇WIFI網(wǎng)絡(luò)眼攝像頭，如圖2.11。這種攝像頭一般由鏡頭、圖像傳感器、聲音傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、圖像、聲音、控制器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、外部報警、控制接口等部分組成。不需要布數(shù)據(jù)線，只要電源線，安裝簡單?？梢院芊奖愕膶?shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以通過語音交流。夜晚觀察，使用紅外線確保高清不模糊，通過插卡換卡，進(jìn)行360度旋轉(zhuǎn)錄像，還可以移動報警。圖2.11WiFi網(wǎng)絡(luò)眼攝像頭無線攝像頭即用電磁波代替電線達(dá)到無線傳輸視頻信號。而WIFI攝像頭的構(gòu)成通常有兩種，一種是在無線攝像頭的基礎(chǔ)上，內(nèi)置無線發(fā)射器或者是路由網(wǎng)絡(luò)橋接器，即可像一般有線網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)或路由器一般，其他設(shè)備可以快速且輕易地與此網(wǎng)絡(luò)相連，接通使用。第二種是攝像頭內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)模塊接入廠商自帶的云服務(wù)，用戶注冊云服務(wù)，關(guān)聯(lián)攝像頭，在有互聯(lián)網(wǎng)的情況下，登陸云服務(wù)即可遠(yuǎn)程監(jiān)控。如果沒有云服務(wù)，就需要通過公網(wǎng)