智能家居設計

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智能家居1.1系統(tǒng)研究的背景和意義在現(xiàn)代社會蓬勃發(fā)展和科學技術(shù)繁榮時期，技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)改造已逐漸進入人們的視野，人們的生活一步一步的在提高。然而，人工智能、智能辦公設備、智能機器人等獨特產(chǎn)品逐漸出現(xiàn)，并且這種現(xiàn)象已逐漸成為常態(tài)。網(wǎng)絡數(shù)字產(chǎn)品的更新和迭代已將智能系統(tǒng)不斷擴展到世界各地，并已發(fā)展成為不可抗拒的社會過程。隨著智能建筑的流行趨勢，這釋放了公眾渴望將數(shù)字信息和智能網(wǎng)絡應用到日常生活中的渴望?？茖W技術(shù)始終在不斷改進，社會經(jīng)濟也受益于此，人們的生活條件也不斷地改善。與此同時，城市人口密集度在日益增加，密集型的聚集區(qū)發(fā)展地越來越多，社會秩序變得更加復雜，家居智能方面的問題也漸漸受到大家關(guān)注。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計，往往令人們對其抱有很高的希望。然而，這樣實際能幫助到每一戶家庭的產(chǎn)品，卻沒有走入千家萬戶。許多種好的產(chǎn)品都隱藏在這龐大的市場中。傳統(tǒng)的人工手動，實際使用的過程中將缺點和隱患都展露無遺。人們迫切的需要一款能夠真正幫助到他們減少勞動的裝置，又使用新型技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。新興科學技術(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)具有實用這一優(yōu)點，能夠全方位無死角24小時監(jiān)控家庭環(huán)境，這一發(fā)展無疑對家居安全又增添了一份可靠的保障。智能家居技術(shù)只要通過網(wǎng)絡技術(shù)、傳感器與無線電技術(shù)構(gòu)成的綜合應用。通過將現(xiàn)代化信息網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡平臺相結(jié)合，智能系統(tǒng)產(chǎn)品是一款功能完整的操作設備。其中包括家庭遠程監(jiān)控，住宅環(huán)境安全，家庭信息交換，家庭娛樂，社區(qū)管理和服務，是一款覆蓋性強、市場前景遠大的新產(chǎn)品。本系統(tǒng)主要通過電磁傳感器、紅外廣角探測傳感器以及紅外幕簾探測器等組成。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)域應用了十多年，但是其真正的推廣范圍始終是低于預期值的。最新的智能家居系統(tǒng)大多都呈現(xiàn)在一些相對基礎的場合，也并不是大規(guī)模運用的設備和產(chǎn)品，配套的設施也沒有完全跟上，系統(tǒng)的運行方式和使用條件都沒有完全普及。

1點燃的香煙、燃燒的蠟燭、過熱的電器或任何與熱相關(guān)的這些東西都可能引起火災。幾乎不需要幾分鐘，火災事件就足以讓人感覺到手足無措。同樣，一種令人討厭的犯罪——盜竊，總是使得經(jīng)濟財產(chǎn)蒙受損失。目前，家庭和辦公樓中的火災事件和盜竊案件都在增加，例如入室盜竊和入室搶劫，并已成為全國人民集中關(guān)注的一個重大問題。許多公司都推出了安防系統(tǒng)。但是，由這些公司設計的火災和入侵報警系統(tǒng)非常復雜、昂貴，而且不能集成在一個系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)需要更多的維護工作，又只能由授權(quán)的公司人員進行，往往會造成伴有損失的拖延。財產(chǎn)火災事件，特別是在每個家庭中，都是令人不安的常見事件。所以，開展家用安防報警系統(tǒng)的研究和普及，是目前當下的重中之重。智能家居系統(tǒng)從分散的系統(tǒng)想整合的系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)變，由簡單變得復雜。從早期的單一式分布的溫濕度檢測或是具有多個報警器的防盜報警系統(tǒng)，再到后來的智能家居系統(tǒng)。智能小區(qū)及社區(qū)安全防范中心形成了集安全報警、視頻監(jiān)控、出入口控制、訪客查詢、安全巡邏、車庫管理等系統(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)有了進一步的升級，整體的系統(tǒng)功能已經(jīng)有了飛一般的進步。大數(shù)據(jù)，云計算，深度學習，人工智能應用和其他技術(shù)的改進，是智能家居發(fā)展的重要指標。無論是對公司還是科研機構(gòu)，在設計其系統(tǒng)之前，一定要對智能的技術(shù)和在智能監(jiān)測方面有豐富的知識儲備，以符合市場和人民的需求。1.3國內(nèi)外對于智能家居系統(tǒng)的研究當邁入二十一世紀的大門后，信息時代接踵而來。智能設備逐漸走進人們的眼里。智能家居作為智能住宅自動化環(huán)境監(jiān)測的一個分支，其演化成一個成熟的體系，則是在第三次產(chǎn)業(yè)革命中。20世紀60年代，發(fā)展了視頻圖像技術(shù)。20世紀70年代，發(fā)展了計算機數(shù)字技術(shù)。20世紀80年代的生物識別技術(shù)和20世紀90年代的國際互聯(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。在國外，家用智能家居系統(tǒng)可以說是非常的普遍了，幾乎每家每戶都會使用。不僅有720P的高清攝像頭24小時滾動式播放，可以讓用戶更好的隨時查看家里的情況，而且攝像頭可以代用雙向通話功能，設置移動偵測和語音偵測報警。與此同時，定制動態(tài)報警，實時發(fā)送email和app提醒。雖然能夠通過這些手段來保護家庭環(huán)境的安全，可是實際的設備安裝和使用的費用還是非常高昂的。中國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刑事技術(shù)預防工作會議上才逐步展開起來的，至今也不過三十多年的歷史，但是發(fā)展的速度很快。目前，國內(nèi)從事智能家居行業(yè)的企業(yè)就有近萬家，從業(yè)人員多達幾十萬人，每年的生產(chǎn)產(chǎn)值達到上億元人民幣。智能家居技術(shù)發(fā)展越來越成熟。

2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)絡而構(gòu)成的區(qū)域性的物聯(lián)網(wǎng)指揮平臺。智能數(shù)據(jù)終端機將檢測前端探測器、各類儀表、各類開關(guān)，并將監(jiān)測信號發(fā)給管理中心。智能小區(qū)管理中心包括警情接收器、電子計算器系統(tǒng)和打印機組成。隨著警報觸發(fā)時，指揮臺的顯示屏上會明顯的標注出報警點的地理位置，同時電腦會自動生成報警的類型和需要協(xié)調(diào)的部門，提供給值班警察一個初步判斷的大致方向，并及選擇是否要安排消防和醫(yī)護人員。以每一戶個體為一個單元，作為獨立的智能家居家庭系統(tǒng)。當探測器被觸發(fā)后，用短信或者APP提醒的方式，向居住者發(fā)出監(jiān)測情況，可遠程控制家庭用電器開啟狀態(tài)。單戶智能家居適合老智能家居系統(tǒng)的價格更低，使用的設備也較為小型，更易受到大家的青睞。圖1-1聯(lián)網(wǎng)報警結(jié)構(gòu)圖Figure1-1networkalarmstructurediagram1.4系統(tǒng)的研究內(nèi)容本設計主要設計的智能家居系統(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)檢測目標太少、費用成本太高而不被大眾接受，部分設計的穩(wěn)定性太低，有缺少和錯過警報的情況。以此來開發(fā)一款價格低廉、安全性高的、系統(tǒng)穩(wěn)定，并面向住宅、宿舍、學校等人員和財產(chǎn)眾多、環(huán)境的安全標準較高的區(qū)域。該設計的主要內(nèi)容是：在住宅、公司、學校等財產(chǎn)集中的區(qū)域沒有人的時候，對于可能會面臨的火警、搶劫等意外情況下，能做到及時地檢測和報警。家用智能安防報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、煙霧等探測器進行密切關(guān)注，及時處理探測到的數(shù)據(jù)。在出門之前，通過布放按鍵打開安防系統(tǒng)，使報警監(jiān)控系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。在這時候，如果有強盜破門而入，就會被熱釋電紅外線傳感器偵察到，報警燈開始閃爍，蜂鳴器就會立刻響起。與此同時，家庭人員也會接受到有無線模塊發(fā)送的報警短信。此時，聽到報警聲的強盜心里可能也開始擔憂，甚至落荒而逃。如果外出或者熟睡時，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，在煙霧或者明火剛剛?cè)細獾臅r候，煙霧傳感器和數(shù)字溫度傳感器采集到超過預設值的數(shù)據(jù)后，會立刻給單片機發(fā)送高電平信號，無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情況。為了更好的滿足以上的功能和條件，本設計將安排如下設計計劃：(1)系統(tǒng)的硬件部分：用AD2016軟件以繪制原理圖的方式，設計其電路的部分，其中包含電器元件的選型，如單片機、傳感器、探測器、無線通信模塊、顯示器等。

3(2)系統(tǒng)的程序部分：用Keil4軟件來編寫能夠加載到單片機中的C語言程序，(3)系統(tǒng)的綜合調(diào)試和應用：將系統(tǒng)的硬件和程序部分，進行綜合的調(diào)試，由測試結(jié)果來分析出應用于實物的可行性。(4)根據(jù)仿真內(nèi)容和調(diào)試的結(jié)果，制作一款實物，能夠?qū)崿F(xiàn)所有的設計功能，并可以真實投入到生活中使用。2系統(tǒng)的總體設計方案2.1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)智能家居控制系統(tǒng)的設計方案是根據(jù)當代居民的實際情況，參考國內(nèi)外最新科研技術(shù)，同時將成本和功能性納入設計考慮范圍內(nèi)，來實現(xiàn)家庭智能化管理的需求。根據(jù)設計最終實現(xiàn)的不同的功能，整個電路將會被分割成不同的獨立模塊：煙霧傳感器電路、單片機、人體感應、聲光報警提示電路、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Figure2-1systemstructureblockdiagram本系統(tǒng)的工作原理為：首先通過傳感器對使用環(huán)境進行信息檢測，信息采集后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將信息傳送給單片機，單片機會將采集值同設定值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果，來決定，執(zhí)行什么命令。智能家居控制系統(tǒng)主機的核心器件選用的是STC89C51單片機，它是整個系統(tǒng)的“領(lǐng)頭羊”，由它來控制整個電路的協(xié)調(diào)功能。例如接受傳感器和探測器的輸入信號通過控制器對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，然后利用顯示單元將信息顯示出來，然后進行聲光報警。為了更好的實現(xiàn)設計的需求，本設計采用的是當今流行的且性價比較高的STC89C51單片機。構(gòu)成單片機系統(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。軟件程序是用來執(zhí)行單片機語言的指令，對整個系統(tǒng)的運行進行整體的控制?？梢哉f，硬件是系統(tǒng)的基礎，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

4按照目前的社會需求，智能家居系統(tǒng)必須要是優(yōu)越、可信賴的設計，并且能夠與時俱進。就此智能家居系統(tǒng)要有以下幾種性能：(1)可變性：在設計過程中，技術(shù)是不斷改進的。如果在技術(shù)上有了新的變化，也可以及時方便的更新迭代。如果在同一款產(chǎn)品上，實現(xiàn)多個不同的功能的監(jiān)測，則該產(chǎn)品的適應性會更加的全面，可以符合各個家庭的不同要求，相比于同類產(chǎn)品會更加出色。(2)準確性：設計要能精準的監(jiān)測當前的實時環(huán)境信息，監(jiān)視報告入侵情況并且準確及時地發(fā)送報警信號，清楚和明顯地區(qū)分當時報警的起因和緣由。要準確控制系統(tǒng)的誤報和漏報的概率，使得系統(tǒng)的準確性更好，對于住宅的監(jiān)控更加的全面。(3)產(chǎn)品經(jīng)濟性：設計在規(guī)劃時要做到性價比高，適合于不同階層的用戶。(4)操作便捷性：實際生活中，家庭里會有不同年齡層的使用者，如果該設計能夠操作簡易，一學就明白，這能夠使許多中老年人的家庭也更添一份安全的保障，市場的價值也會更加廣泛。根據(jù)這些必要因素，本設計是基于單片機和無線通信的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以檢測當前房間內(nèi)實時的環(huán)境數(shù)據(jù)、火災情況等，防止這些安全隱患。當危險發(fā)生時，系統(tǒng)將自動給用戶發(fā)送信息，使用戶能夠更主動的發(fā)現(xiàn)潛在的危險，提前做好所需要的準備，而不是被動的等待救援。2.3系統(tǒng)的功能和工作流程本設計將基于單片機來實現(xiàn)以下幾個功能：(1)溫度和煙霧值探測：用LCD顯示屏實時顯示當前煙霧值和溫度值，按下按鈕可調(diào)節(jié)和設置溫度和煙霧值報警的預設值。如果傳感器檢測的溫度超出設定的溫度值的時候，發(fā)出聲光報警，這時候，亮紅燈；如果是煙霧濃度引發(fā)的報警，亮黃燈。(2)人體感應：人體感應通常選用紅外熱釋人體感應開關(guān)，人體感應開關(guān)會根據(jù)檢測有沒有人通過，輸出不同的電平，如果是有人通過的話，會輸出高電平，傳送給單片機。(3)按鍵設置：可通過按鍵進行設定，對當前濃度值進行設定，當當前溫度、濕度超過預先設定的值時，可實現(xiàn)實時報警?？蛇M行布防，布防設置成功后，有人闖入時，綠燈亮，蜂鳴器響。此時，當有人進入檢測區(qū)域時，紅外熱釋電傳感器直接發(fā)送觸發(fā)信號給單片機，單片機接收到高電平的觸發(fā)后，立即進行聲光報警。(4)當報警信號傳送給單片機后，單片機會第一時間驅(qū)動報警電路工作。與此同時，將用無線通信模塊給戶主發(fā)送信息，提示住宅正處于危險狀態(tài)。

53系統(tǒng)硬件電路的設計3.1單片機主電路設計單片機就是一塊集成在芯片上的計算機，它也具有計算機的主要功能。單片機的應用場所主要是在工業(yè)方面，作為主控用于控制系統(tǒng)。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，它集成了許多用于測量和控制對象的接口電路，如ADC、DAC、高速I\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)的微型計算機架構(gòu)，因此更為確切地反應出單片機的基本名稱應是微控制處理器。圖3-1STC89C51的引腳結(jié)構(gòu)圖Figure3-1pinstructurediagramofSTC89C51單片機具有功耗低、控制功能強、擴容靈活、小型化和使用方便等優(yōu)點，而且其性價比高，很多單片機芯片甚至只需要幾元就可以買到，再加上少量的外圍元件，就可以構(gòu)成一個功能優(yōu)越的計算機智能控制系統(tǒng)，因此單片機可以在任何領(lǐng)域使用。單片機的發(fā)展方向愈發(fā)的CMOS化，并且大多數(shù)單片機都具有小尺寸，大容量的特點，而且為了符合工業(yè)發(fā)現(xiàn)政策，廠家均推出低功耗、低價格的產(chǎn)品。本設計采用了STC89C51單片機，該系列單片機是臺灣宏晶科技公司所出品的國產(chǎn)51系列單片機。其相較于MCS-51系列的優(yōu)點有：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，且運行速度也比傳統(tǒng)的51更快，而指令方面，都又時完全兼容的。此外，就是STC單片機可以通過串口編程，能夠更方便的進行ISP，在線編程。3-1是STC89C51的引腳結(jié)構(gòu)。在大部分的系統(tǒng)設計電路中，為了能讓單片機正常工作，單片機可以在一個基礎電路中能讓系統(tǒng)正常運行，這種結(jié)構(gòu)叫單片機最小系統(tǒng)，圖3-2就是最小系統(tǒng)的電路圖。對于本設計中的單片機STC89C51而言，最小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中一定要有：電源電路、復位電路、晶振電路和單片機。圖3-2單片機最小系統(tǒng)Figure3-2microcontrollerminimumsystem在單片機引腳中，RST一般作為復位引腳，他主要實現(xiàn)的功能就是當程序跑飛的時候，讓程序重新運行，常見的復位電路有兩種，分別為上電復位和按鍵復位。開機復位的工作原理：單片機的工作電壓為5V，電容C1位10μF、電阻R7為10K，則可以得出電容C1在開機時的充電時間為0.1S。單片機將1.5V以下都視為低電平，當電解電容C1充電時，

6第九個引腳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。單片機開機復位結(jié)束，開始正常工作。按鍵復位和開機原理基本相似，只是在按下按鍵時，按鍵和電容C1形成了閉合回路，電容C1的電會逐漸放盡。按鍵松開后，電容C1又會重新充電，則原理和開機復位一致。Figure3.3resetcircuit晶振電路是用來起振的，為單片機提供基準信號的。就像在列隊過程中，一個喊口號的人，所有人前進或者是動作，都要聽從喊口號的口令，所做出的動作才能整齊劃一不犯錯。晶體振蕩器所產(chǎn)生的時鐘頻率，是單片機運行的基礎。假如晶體振蕩器給出的時鐘頻率很快，那接收到該信號的單片機也運行的很快，如圖3-4晶振電路。Figure3-4crystaloscillatorcircuitSTC89C51采用40引腳的雙列直插式封裝（DIP），40個引腳按功能分為四大類：電源、時鐘、控制和I\O口。VSS和VCC為電源引腳，VCC是單片機中第40號引腳，主要為單片機供電，提供+5V的工作電壓，保證單片機正常。而第20號引腳VSS則直接接地。表3-1單片機電路相連引腳Table3-1microcontrollercircuitconnectingpin元器件網(wǎng)絡標號單片機引腳數(shù)字溫度計DS18B20DQP1.0煙霧傳感器模塊MQ-2ADCSP1.5

7GSM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時鐘引腳是與晶振電路相連，一般為腳19XTAL1和腳18XTAL2，其分別為晶體振蕩電路反向輸入端和輸出端。本設計采用通過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根是作為復位使用的。復用引腳就是一個引腳能夠?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\(30腳）和\(31腳）。例如單片機中的9腳，一般會接入復位電路，可實現(xiàn)單片機的復位，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。在單片機中I\O引腳有P0、P1、P2和P3四個并行端口，其中每個都有8條端口線，一共有32個引腳，用來傳輸數(shù)據(jù)和地址信息。本設計根據(jù)實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、人體感應模塊、指示燈和蜂鳴器分別和單片機相連，組成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，其接口如表3-1所示。3.2通信模塊的設計

8GSM翻譯成中文就是全球移動，GSM模塊不僅能發(fā)送短信，而且能進行語音通話。其實，只要GSM模塊加上鍵盤、顯示器和電源，就是一部最基本的手機?，F(xiàn)在，市面上比較常用的幾款GSM模塊，它們分別是西門子的TC35i，明基BENQM22，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，本設計選用相對于優(yōu)的GSMSIM800L模塊，其體積小巧，信號穩(wěn)定。模塊支持4頻率GSM\GPRS，工作頻帶為GSM850、EGSM900、DCS1800、PCS190MHz。模塊大小為15.8*17.8*2.4mm，幾乎可以滿足所有用戶應用程序的空間大小要求。這個模塊有三種操作模式。通常動作模式、關(guān)機模式以及最小功能模式?？赏ㄟ^AT命令控制關(guān)機模式和最小動作模式。并且有四個燈表示其工作狀態(tài)，DO燈不停閃爍表示：模塊和單片機的串口通信異常，需要查看，若沒有閃爍，則表示工作正常；D2燈燈亮表示開始發(fā)短信；發(fā)短信結(jié)束后D3燈亮提醒。SIM800L可以通過USB接口實現(xiàn)軟件調(diào)試功能，模塊開機后，通過連接VBUS、USB_DP、USB_DM、GND至電腦端，按提示正確安裝驅(qū)動后可以實現(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。SIM800L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)送單芯片微計算機的數(shù)據(jù)和GSM模塊的接收數(shù)據(jù)的銷。即，單芯片微計算機的RXDP3.0和TXDP3.1分別與SIM800L的TXD和RXD連接。圖3-5GSM模塊的原理圖Figure3-5schematicdiagramofGSMmodule3.3液晶顯示電路設計可以在單芯片微計算機系統(tǒng)中使用的顯示器有LED和LCD。LED以實惠的價格操作，與MCU的接口容易；LCD可以顯示文字和圖像，但接口電路相對麻煩，且價格也更貴。但是，LCD更有許多其他顯示器無法相比的優(yōu)點，如功耗小，工作電壓僅有3-5V；可以做到像素細小，在小面積上展示更多的信息；沒有電磁輻射，對環(huán)境和人類都很友好。目前有3種lcd，段型，文字型，圖案型。本設計選用的是LCD1602作為液晶顯示器，其顯示容量為32個字符，工作電壓為5V，工作電流為2mA，價格也便宜。LCD1602液晶屏就是兩個平行面板之間填充液晶材料的分子排列狀態(tài)的更迭，這可以通過電壓改變，以達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。

9在仔細分析了LCD1602后，就要將其和單片機的引腳一一對應。如引腳4RS是寄存器選擇，與單片機的P2.7相連；引腳5RW直接接地，功能為讀寫信號線；引腳6E為使能端，當該引腳從高電平轉(zhuǎn)為低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令，直接接入單片機引腳P2.6；引腳7~14為雙向數(shù)據(jù)線，直接和單片機的P0.0~P0.7相連；引腳15和16為背光電源，一個接正一個接負。實際程序下片時，共有11根信號需要工作：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，需要有一個可以控制工作模式的信號線，來選擇當時需要的工作內(nèi)容，即RW（Read\Write）。要控制是數(shù)據(jù)或指令寫進液晶顯示中，就需要信號線RS來控制，RS的字面意思就是“寄存器選擇”（RegisterSelect），實際就是通過寄存器選擇信號來判斷此時的八位數(shù)據(jù)要送入哪個寄存器，是“數(shù)據(jù)寄存器DataRegister\DR”或者是“指令寄存器”IR（InstructionRegister）。假如送入指令，就需要經(jīng)過指令解碼來完成；假如送入的是數(shù)據(jù)，就直接寫進DDRAM或CGRAM。另有一根使能信號線E（Enable），在下降沿寫入信號。以此就組成了有11條信號線組成的LCD1602：D0-D7、RW、RS、E。圖3-6為LCD1602液晶顯示屏的接線圖。將單片機和液晶顯示屏連接后，單片機會實時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕э@示屏LCD1602上。圖3-6LCD1602液晶顯示屏的接線圖Figure3-6wiringdiagramofLCD1602LCDscreen3.4紅外傳感器電路設計熱釋電紅外線（PIR）傳感器是上世紀末期新開發(fā)的一款高靈敏度探測元件。這類的傳感器，可以根據(jù)感知到人體所發(fā)出的紅外線，所以就能夠組成一款報警器來阻止外部的入侵設備。它能檢測到與人體輻射的紅外接觸無關(guān)的變化，將其轉(zhuǎn)換成電壓輸出，擴展電壓信號并運行電路。熱電效應是指當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，材料表面的轉(zhuǎn)移發(fā)生極化，即表面引起電荷的變化，材料導致負載不平衡。最后由于電荷的改變，物體會產(chǎn)生電壓或者是電流。圖3-7HC-SR501外形圖Figure3-7hc-sr501contourdiagram

10本設計選用了HC-SR501，作為熱釋電紅外線傳感器，圖3-7為HC-SR501外形圖。當人體到達警戒區(qū)時，體溫會改變輻射范圍。紅外熱電探測器探測由于菲涅耳效應引起的人體體溫和背景溫度之間的差異-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)過后級比較器與狀態(tài)控制器產(chǎn)生相應輸出信號U。圖3-8為紅外報警模塊的原理圖，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直接接入單片機的P2.3腳。在布防時，有人進入該區(qū)域，熱釋電紅外傳感器將探測到動作，將感應到的信號轉(zhuǎn)化為電信號再給到單片機，立即實現(xiàn)報警功能。圖3-8紅外模塊原理圖Figure3-8schematicdiagramofinfraredmodule3.5煙霧傳感器電路設計煙霧傳感器就是依靠檢測現(xiàn)場的煙霧濃度來提示人們可能存在的火災預警。煙霧傳感器內(nèi)部通過離子式煙霧傳感器，這是一種利用新型科學技術(shù)，運行時非常牢靠的傳感器，更被普遍使用在各種火災報警設計中，機能大大的強于氣敏電阻類的火災報警器。目前市面上常用的氣體傳感器有MQ-2、MQ-3、MQ-4、MQ-5，它們負責檢測不同類型的氣體，MQ-2一般用于檢測CO、CH4等可燃性氣體；MQ-3傳感器多用來檢測酒精MQ-4多用來檢測甲烷；MQ-5用于檢測煤氣。圖3-9MQ-2外形圖Figure3-9contourdiagramofmq-2考慮到其他傳感器的局限性，提高了安全性，并根據(jù)設計要求選用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)測范圍廣、靈敏度高、恢復速度快、響應可靠性高等特點委員會工作時間可能很長，家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測系統(tǒng)以及液化氣、丁烷的測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，粒子場隨著煙霧調(diào)節(jié)和導電表面的變化而變化，這是一個特征，即一旦傳感器和煙霧被移除，它們可以立即對有關(guān)其傳感器和煙霧的信息作出反應如何獲得很多？煙氣濃度越高，導電率越高，輸出強度越低，因此輸出模擬具有更強的魯棒性。

11在正常工作時，4引腳輸出信號就代表煙霧傳感器被觸發(fā)。由于煙霧傳感器MQ-2輸出的是模擬信號不能直接連接單片機，所以這里就需要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832，其中7腳是用來接受時鐘信號的，模擬信號由ADC0832的2腳輸入，再由ADC0832的5腳輸出至單片機的P1.3，則煙霧報警的流程完畢，圖3-10為AD轉(zhuǎn)換模塊原理圖。圖3-10AD模塊原理圖Figure3-10schematicdiagramofADmodule3.6溫度測量電路設計溫度傳感器一般采用接觸式溫度傳感器，而不是接觸點接觸式溫度傳感器在熱電偶中，熱強度和溫度傳感器綜合設計數(shù)字溫濕度傳感器的選擇積分溫度。因為測量可以由溫度和濕度元件轉(zhuǎn)換成數(shù)字，直接用于計算機和可編程邏輯控制器等數(shù)據(jù)采集設備。數(shù)字溫度傳感器共有兩個，本設計選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為測量器件，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)字信號容量，它由四部分組成：溫度傳感器、64位可讀存儲器、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，啟動并確認已配置注冊。DS18B20是基于一個總線芯片，所以只有一個數(shù)據(jù)入口和出口。圖3-11溫度傳感器電路原理圖Figure3-11temperaturesensorcircuitprinciplediagramDS18B20與單片機的接口及其簡單，只需將DS18B20的信號線和單片機的P1.0口相連，其他兩個管腳接地和VCC，就可以完成溫度的測量及監(jiān)測，十分方便，圖3.9是溫度傳感器電路原理圖。DS18B20在啟動后立即啟動，當進行溫度測量和AD轉(zhuǎn)換時，來自單片機的命令44h（溫度轉(zhuǎn)換命令）完全發(fā)行溫度測量及轉(zhuǎn)換頁：1等待DS18B20時，DS18B20將生成的溫度數(shù)據(jù)以兩個字節(jié)的形式存儲在高速溫度記錄中。如果DS18B20芯片連接到外部電源，芯片的微型計算機在溫度傳輸后開始“讀取間隔”，讀取被測溫度數(shù)據(jù)，通過總線和微機完成數(shù)據(jù)傳輸薯條，一個炸薯條。那里溫度傳感器是一種指示燈轉(zhuǎn)換，當DQ輸出和溫度轉(zhuǎn)換時，輸出DQ1。

12本設計的報警電路采用蜂鳴器，由三極管8550驅(qū)動，和單片機的P13相連接，當P13口為高電平，蜂鳴器不報警，當P13口為低電平，蜂鳴器報警。電路圖如圖3-12，聲光報警電路圖。圖3-12聲光報警電路圖Figure3-12soundandlightalarmcircuitdiagram4.1主程序工作流程設計圖4-1主程序流程圖Figure4-1mainprogramflowchart系統(tǒng)設計功能的實現(xiàn)是由硬件部分來輔助程序部分的。硬件部分打好整體框架，程序再去填充細節(jié)。程序可以分為兩個類別：一個是主程序，用來掌控整個設計的主體部分，調(diào)動各個模塊的運行；二是子程序，如果說主程序是系統(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，比如說顯示、探測和測量等。智能家居系統(tǒng)程序部分采用是分模塊化設計。將其分為主程序設計、GSM模塊程序設計、顯示電路程序設計、溫度傳感器程序設計、AD轉(zhuǎn)換模塊設計。這樣設計更清晰簡潔，在產(chǎn)生問題的時候，也能及時找到錯誤的地方。本設計使用C語言進行編寫程序，在KeiluVision進行程序的調(diào)試和運行。主程序是整個程序的主體，流程圖可參考圖4.1所示。當系統(tǒng)接上電源后，就正式進入工作模式。工作模式的第一步就是初始化定時器0、顯示函數(shù)、溫度調(diào)用函數(shù)和串口，蜂鳴器報警標志著初始化完成。隨后就進入主循環(huán)中，讀取當下的煙霧值和溫度值，并在LCD液晶顯示屏上顯示。隨后進入Switch(Case)中：(1)如果是判斷模式Case0，則判斷熱釋電紅外傳感器是否被觸發(fā)？如果是，則進入報警模塊，LED燈開始閃爍，蜂鳴器開始響起，GSM將給預設的手機號發(fā)送短信。

13(2)如果是溫度模式Case1，則判斷是否按鍵？如果是，則根據(jù)按鍵值來變化預設值，并顯示溫度。當超過預設溫度后，直接報警。(3)如果是煙霧值模式Case2，則判斷是否按鍵？如果是，則根據(jù)按鍵值來變化預設值，并顯示煙霧值。到超過預設煙霧值后，直接報警。熱釋電紅外傳感器報警程序如以下程序所示：if(HC_SR501)//有信號LCD_Write_String(0,3,"I");if(StatusSign)//如果布防//標記為有人闖入LCD_Write_String(0,3,"");if(HC_sign&&StatusSign)//判斷布防LED_RControl=1;//允許紅燈閃Set_Pdu_Mode();//設置短信為PDU模式

14Second_AT_Command("AT+CSCS=\"UCS2\"","OK",3);//設置為UCS2編碼字符集Second_AT_Command("AT+CMGS=\"00310033003500310039003200310038003900320035\"",UART1_SendString(content1);//發(fā)送短信內(nèi)容UART1_SendData(0X1A);//發(fā)送結(jié)束符//禁止紅燈閃如果檢測值與設定值比較，大于設定值，則直接報警。若數(shù)值未超過預設值，則不作任何處理，直接回到主循環(huán)開始的地方。當煙霧值超過預設值時，煙霧報警部分程序如下所示：if(yanwu>=yushe_yanwu)//煙霧值大于等于預設值時//煙霧指示燈亮//蜂鳴器報警//設置短信為PDU模式

15//發(fā)送一條短消息else//煙霧值小于預設值時//關(guān)掉報警燈如果溫度值超過預設值，則直接報警。若數(shù)值未超過預設值，則不作任何處理，直接回到主循環(huán)開始的地方。當溫度值超過預設值時候，溫度報警程序如下所示：if(wendu>=(yushe_wendu*10))//打開蜂鳴器報警//打開溫度報警燈//設置短信PDU模式//發(fā)送一條短消息else//溫度值小于預設值時

16//關(guān)閉報警燈當煙霧小于預設值并且溫度也小于預設值時候，此時的邏輯與判斷句需要兩邊同時滿足時候，才可以進入下一個語句。當溫度和煙霧值降低時，報警器會自動停止報警。if((yanwu

17也就是說，需要先將短信內(nèi)容編碼成PDU格式，再使用GSM模塊可以識別的語言UCS2編碼十六進制格式。例如本設計中在程序里AT+CMGS=后插入以下兩段內(nèi)容：(1)content1="67094EBA51654FB5FF0C8BF753CA65F656DE53BB002E(2)content="8D706C344E86002C5FEB6551706B0021實際最終在手機端收到的內(nèi)容，則是以下兩段文字：(1)短信內(nèi)容：有人入侵，請及時回去。(2)短信內(nèi)容：家里著火啦，快救火！根據(jù)觸發(fā)傳感器的不同，短信內(nèi)容也會有相應的改變，其目的是提醒戶主報警器被觸發(fā)，請趕緊回家查看。4.3顯示電路程序流程設計圖4-3顯示電路子程序流程圖Figure4-3showstheflowchartoftheelectricalprogram本程序的功能是，幫助探測器所測量到的溫度和煙霧值，顯示在LCD屏幕上，用于通過觀看屏幕可以簡單明了的知道是否有數(shù)值超過了預設溫度。顯示電路子程序包括四個部分，程序流程圖可參考圖4-3所示。首先，進行LCD初始化后，需要做LCD的管腳聲明和LCD延時，該延時大約100μS。進入第一個操作，選擇寫入位置。本設計的LCD共有兩行，第一行是預設定的報警值，可以通過按鍵來改變數(shù)值；第二行是實時的數(shù)值，也是根據(jù)該數(shù)值來判斷是否需要報警。選定了寫入位置后，就可以寫入字符串了。液晶顯示屏上就能顯示出預設的溫度值、預設煙霧值、實時的溫度、實時的煙霧值。選擇寫入位置和字符串函數(shù)的程序如下：voidSelectPosition(unsignedcharx,unsignedchary)

18write_com(0x80+y);//表示第一行write_com(0xC0+y);//表示第二行voidLCD_Write_String(unsignedcharx,unsignedchary,unsignedchar*s)SelectPosition(x,y);4.4溫度傳感器程序流程設計溫度電路子程序包括六個部分，程序流程圖可參考圖4-4所示。程序開始后，先稍作延時，給一段相當長的時間低電平，然后相對非常短的時間高電平，即可以啟動。讀取一個字節(jié)，再寫一個字節(jié)。此時DS18B20會讀取數(shù)據(jù)命令，再將溫度數(shù)值存放在寄存器中。連續(xù)讀取兩個字節(jié)數(shù)據(jù)，將高低兩個字節(jié)合成一個整形變量。將和這個數(shù)據(jù)放大10倍，對小數(shù)點后兩位再四舍五入。獲取到的溫度值需要另外減去DS18B20的溫漂誤差，才可以校準最終的溫度值。圖4-4溫度傳感器程序流程圖

19Figure4-4temperaturesensorprogramflowchart數(shù)字溫度傳感器實際上是通過讀一個字節(jié)再寫一個字節(jié)的來實現(xiàn)測量溫度的，unsignedcharReadOneChar(void)unsignedchari=0;unsignedchardat=0;//定時器中斷關(guān)閉//給脈沖信號//給脈沖信號Delay_DS18B20(4);//定時器中斷打開voidWriteOneChar(unsignedchardat)unsignedchari=0;

20//定時器中斷關(guān)閉DQ=dat&0x01;Delay_DS18B20(5);DQ=1;dat>>=1;//定時器中斷打開根據(jù)系統(tǒng)的硬件電路設計和軟件編程，本設計對控制電路做了一些簡單的仿真。仿真采用Proteus軟件進行仿真，系統(tǒng)初始化整體電路圖界面如圖5-1所示：Figure5-1simulationpage通過進行仿真設計，證明系統(tǒng)的可行性，在仿真系統(tǒng)中，通過溫度傳感器，紅外人體感應傳感器以及煙霧傳感器組成，并且將傳感器采集的信息顯示在顯示屏上，并且可以通過按鍵電路設定檢測峰值，當達到設定峰值后蜂鳴器就會滴滴報警，

21家庭式智能家居系統(tǒng)通過溫度檢測模塊，人體感應模塊、煙霧檢測模塊、液晶顯示模塊、聲光報警電控組成。本系統(tǒng)選用STC89C51單片機作為主控系統(tǒng)，配合各個傳感器模塊，進行軟件硬件設計后，主要實現(xiàn)了以下功能：(1)溫度和煙霧值探測：用LCD顯示屏實時顯示當前煙霧值和溫度值，按下按鈕可調(diào)節(jié)和設置溫度和煙霧值報警的預設值。當前溫度值超過上限時，紅燈亮，蜂鳴器響。當前煙霧值超過上線時，黃燈亮，蜂鳴器響。(2)人體感應：紅外熱釋電傳感器感應人體，當感應到人輸出高電平，若無則將輸出低電平。收到高電平后，會立即給單片機發(fā)送信號。(3)按鍵設置：可通過按鍵進行設定，對當前濃度值進行設定，當當前溫度、濕度超過預先設定的值時，可實現(xiàn)實時報警。可進行布防，布防設置成功后，有人闖入時，綠燈亮，蜂鳴器響。此時，當有人進入檢測區(qū)域時，紅外熱釋電傳感器直接發(fā)送觸發(fā)信號給單片機，單片機接收到高電平的觸發(fā)后，立即進行聲光報警。(4)當單片機收到報警信號后，會觸發(fā)蜂鳴器報警。與此同時，將用無線通信模塊給戶主發(fā)送信息，提示住宅正處于危險狀態(tài)。本設計通過仿真軟件進行仿真，經(jīng)仿真結(jié)果驗證，本設計可以滿足設計要求，并具有一定的可行性，但是仍然存在許多不足的地方，需要繼續(xù)研究。