基于單片機的智能家居控制系統(tǒng)設計【優(yōu)秀畢業(yè)課程設計】

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1 摘 要 智能家居系統(tǒng)是利用先進的通信， 自動控制 等技術，將與家庭生活有關的各種應用子系統(tǒng)有機地結合在一起，通過綜合管理，讓家庭生活更舒適、安全、有效和節(jié)能。 片機（ 一種用來開發(fā)的去控制外圍設備的集成電路（ 本文應用了 片機作為控制器對智能家居控制系統(tǒng)進行了研究。采用了 件進行仿真 。用一個數(shù)碼管模擬代替窗簾和燈的開與關。通過單片機掃描按鍵與響應按鍵手動控制窗簾和燈；通過計時程序實現(xiàn)全天 24 小時計時，時間到點按照模擬情景打開合作關閉窗簾和燈光；并且通過單片機感應當前時間來綜合控制燈光。附加有數(shù)碼管時間顯示電路和按鍵調節(jié)小時和分鐘變量的電路。 關鍵詞： 單片機；智能家居控制系統(tǒng)； IC is a of to of to A of of is of is to , 2, 3 of at is in of as a to on IC to of be to an 目錄 1 引言····························································· 4 2 硬件····························································· 5 片機······················································· 5 介 ··········································· ···· 6 輸入輸出端口····································· 9 本電路 ··· ········································ 10 3 軟件····························································· 13 ······················································ 13 ··· ··················································· 14 4 仿真軟件使用····················································· 16 真電路····················································· 16 陽 (6)數(shù)碼管················································ 17 關去抖···· ················································· 19 5 智能家居的實現(xiàn)··················································· 22 能家居介紹··············································· 22 設計功能實現(xiàn)············································· 25 6 結論···················· ········································· 29 7 致謝····························································· 30 8 參考文獻························································· 31 9 附錄····························································· 32 4 第一章 引言 單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的 網絡通訊 與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 ，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄象機、攝象機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了 。 單片機控制智能家居系統(tǒng)是其中的一種用途，不僅可以在實驗室演示成功，更可以在實際生活中發(fā)揮重要作用。 智能家居在保持了傳統(tǒng)的居住功能的基礎上，擺脫了被動模式，成為具有能動性智能化的現(xiàn)代工具智能化家居就是創(chuàng)造一個簡便的生活方式、舒適的生活環(huán)境、經濟實用的家居控制手段 ?? 這樣一個智能化家庭生活平臺。這個智能化家庭生活用一個手持無線遙控器、墻上開關、定時器，甚至任何一個電話及計算機就能控制家中所有的燈、家電，調節(jié)室內溫度，設置不同時間的窗簾開關控制。 單片機控制智能家居系統(tǒng)是利用單片機運算，控制功能對電器的控制 。通過軟件和單片機自身的時間系統(tǒng)來實現(xiàn)全天 24 小時的感知，從而實時，定時的控制家中電器，達到智能，安全，方便，節(jié)能的效果。實現(xiàn)控制硬件方面包括單片機和外圍電路，包括電源電路，復位電路，外圍燈光電路，電動窗簾電路，開關電路和時間顯示的數(shù)碼管電路，為軟件電路設計立下基礎。軟件方面包括時間程序，時間顯示程序，時間判斷程序，燈光電機控制程序，開關響應程序等。通過對硬件電路和軟件程序來實現(xiàn)智能家居中燈光與窗簾的定時控制。 ` 5 第二章 硬件 片機 [1,2,3] 單片機盡管大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件： 存、內部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 單片機也被稱為微控制器（ 是因為它最早被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內僅有 專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和 成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對提及要求嚴格的控制設備當中。 最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。 單片機比專用處理器最適合應用于 嵌入式系統(tǒng) ，因此它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產品中都會集成有單 片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有 1單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備 40 多部單片機，復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過 和其他計算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機內部也用和 電腦 功能類似的模塊，比如 內存 ， 并行總線 ，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過 10 元即可 .....來做一些控制電器一類不是很復雜的工作足矣了。我們現(xiàn)在用的排煙罩、 等的家電里面都可以看到它的身影！ ..... 它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的主要區(qū)別。 單片機是靠程序的，并且可以修改。通過不同的程序實現(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是6 花大力氣也很難做到的。一個不是很復雜的功能要是用美國 50 年代開發(fā)的 74系列，或者 60 年代的 列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大！但是如果要是用美國 70 年代成功投放市場的系列單片機，結果就會有天壤之別！只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于單片機對成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級匯編語言，它是除了二進制機器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經達到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機沒有家用計算機那樣的 沒有像硬盤那樣的海量存儲設備。一個可視化高級語言編寫的小程序里面即 使只有一個按鈕，也會達到幾十 K 的尺寸！對于家用 硬盤來講沒什么，可是對于單片機來講是不能接受的。 單片機在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。一樣的道理，如果把巨型計算機上的操作系統(tǒng)和應用軟件拿到家用 來運行，家用 也是承受不了的。 可以說，二十世紀跨越了三個“電”的時代，即 電氣時代 、 電子時代 和現(xiàn)已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱 。它由主機、鍵盤、顯示器等組成（如圖 1 所示）。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機 的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種產品一旦用上了單片機，就能起到使產品升級換代的功效，常在產品名稱前冠以形容詞 —— “智能型”，如智能型洗衣機等?，F(xiàn)在有些工廠的技術人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產品，不是電路太復雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。 介 核心區(qū)域 1)程序存貯器 : 存放由用戶預先編好的程序和一些固定不變的的數(shù)據(jù)。程序存貯器是由閃存貯器（ 成的，由程序計數(shù)器 址。具有一個 13 為的程序計數(shù)器，它的尋址能力達到 8程序存貯器空間，地址編碼的最大范圍為 0000H~17 2)據(jù)存貯器 :包括通用寄存器和特殊功能寄存器兩種，用于存貯 通的 貯器一般只能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出和寫入操作，而 16的 貯器的每個存貯單元功能都十 分強大，除了具備普通存貯器功能之外，還能實現(xiàn)移位，置位，清位，位測試等一系列復雜操作。 3)間接尋址寄存器 間接尋址寄存器 于 據(jù)存貯器的最頂端，地址 00 的單元。它只有地址碼，在物理上不是一個真正的寄存器。它常常與寄存器 合工作，實現(xiàn)間接尋址目的。 4)堆棧 :保存程序斷點的地址。在程序執(zhí)行過程中，有時需要調用子程序，在進入子程序之前，必須保存程序斷點的地址，以便子程序執(zhí)行完成后，在恢復斷點地址，使主程序繼續(xù)執(zhí)行。具有 8獨立堆?？臻g，不占用程序存貯器和數(shù)據(jù) 存貯器的區(qū)域，也不需要進棧出棧的命令，在調用和返回時自動實現(xiàn)入口地址的進出棧操作，遵循后進先出的規(guī)則。 5)指令寄存器 : 暫存從程序寄存器取出的指令，并將指令按不同的字段分解為操作碼和操作數(shù)，分別送到各自的目的地。 6)算術邏輯單元 現(xiàn)算術運算和邏輯運算操作。 7)工作寄存器 W:一個重要的的工作寄存器，許多指令都把它作為操作過程的中轉，比如暫存參加運算的一個操作數(shù)，或者暫存運算產生的結果。在運算之前W 是源操作數(shù)的出發(fā)地，在運算之后 W 是目標操作數(shù)的目的地。 8)地址復用器 :訪問數(shù)據(jù)存貯器所需要的地址由 地址復用器選擇和傳遞，該地址既可以源于間接尋址寄存器 可以指令碼。來源與 地址叫做間接地址，來源與指令碼的地址叫做直接地址。 9)看門狗定時器 是一個自帶 振蕩器時鐘源的定時器，用來監(jiān)視程序運行狀態(tài)。由于意外原因，一旦 到正常程序之外而出現(xiàn)死機， 強行把 位，使其返回正常運行狀態(tài)。 10)狀態(tài)寄存器 時反映運算結果的一些算術狀態(tài)。 除了以上基本部件外，還有程序計數(shù)器，指令譯碼和控制器，數(shù)據(jù)復用器，時基發(fā)生器，上電延時，起振延時，上電復位，在線調試， 低壓編程，欠壓復位，數(shù)據(jù)總線和程序總線。 模塊 內部集成了豐富的外圍設備模塊，開發(fā)過程充分節(jié)省了外圍電路。 1)輸入 /輸出端口 : 輸入 /輸出端口是單片機內部與外部交換信息的通道。五個基本輸入 /輸出端口分別是 B,D 和 中 C, 8 位寬， 6 位寬， 3 位寬，共 33 個引腳。輸入輸出方式可編程，部分引腳與其他功能復用。 2)定時器 /計數(shù)器 :有 個可編程定時器。 8 位寬的可編程定時器， 16 位寬的可編程定時。其中 可以作為計數(shù)器。 3)A/D 轉換器 :也叫 一個有 8 通道和 10 位分辨率的模數(shù)轉換器，用來將外部的各種模擬物理量轉換為便于單片機內部處理的數(shù)字量。 4)據(jù)存貯器 :是一個 256可擦寫存貯器，存貯的內容掉電也不會丟失。 部的外圍模塊還包括捕捉 /比較脈沖調制 用同步 /異步收發(fā)器 同步串行端口 行從動端口 引腳功能 圖 腳圖 單片機的信號引腳是單片機外特性的體現(xiàn)，在硬件上用戶只能使用引腳，通過引腳的連接組建單片機系統(tǒng)。 位單片機系列和 51 系列單片機一樣，其引腳除電源 單一功能外，其余的信號引腳常是多個功能，即引腳的復用功能。常見的引腳符號和主要功能如下： 1)除 (復位 )輸入 /編程電壓輸入。其中 低電平時，對芯片復位。該腳上的電壓不能超過 則 會進入測試方法。 表編程電壓。 9 2)蕩器晶體 /外部時鐘輸入端。 3) 蕩器晶體輸出端，在晶體振蕩方式接晶體，在 式輸出 率的 1/4 信號 4)數(shù)器輸入端，如不用，為了減少功能應接地或接 5) 鐘輸入端。 6) 振蕩輸入端。 7) 振蕩輸出端。 8) 別代表并行 口讀信號、寫信號和片選控制線。 9) A/D 轉換的模擬量輸入端。 分別表示通道的個數(shù)。 10) 捉 /比較 /脈寬調制等功能端。 縮寫。有的 片內有兩個 件，其引腳用符號 示。 11)步串行通信時鐘輸入端。 12) K：異步通信發(fā)送端 /步傳輸?shù)臅r鐘端。 13) 信數(shù)據(jù)輸入端。 14)信數(shù)據(jù)輸出端。 15) D 口，雙向可編程，亦可作為并行口。作并行口對 入，作 I/O 口時為斯密特輸入。 輸入輸出端口 3 支接腳都可當成輸出、輸入接腳，輸入輸出端口是單片機基本 界面，可以與周邊電路進行電路控制和信號傳輸與檢測。 8 位的單片機，以接腳特性分組，每組盡量湊滿 8 支接腳，并將 I/O 命名為 ，各分組接口特性說明如下： 1) 共有 6 個位 ( 接腳可作為數(shù)字輸出輸入端口，而系統(tǒng)重置后， 動成為模擬輸入狀態(tài)，可讀取模擬輸入訊號。 2) 共有 8 個位 (可以撰寫程序規(guī)劃輸入輸出方向、狀態(tài)，其中，要進行燒錄時，使用到三支接腳，分別是 3)共有 8 個位 (除了可作為數(shù)位 I/O 外，還和一些特殊功能的周邊電路共享接腳，例如 流馬達控制）、 步串行通訊電路）、 步串行傳輸電路）等等。 10 4)共有 8 個位 (可作一般數(shù)字 I/O，并與列傳輸接口共享。當整體系統(tǒng)需要多單片機時，彼此可以經由并列傳輸接口來快速傳輸資料。 5)共有 3 個位 ( 9、 10 有三種功能，除了基本 I/O 功能，也有模擬輸入功能，而上述 并列傳輸接口設定所需的控制接腳，如 /、 /，也是屬于 腳。 片機的一個特點就是所有操作都是對寄存器（或者說寄存器文件）的操作： 對端口工作方式設置寄存器的操作、對端口數(shù)據(jù)方向設置寄存器的操作等。 在 列單片機中，每個端口都至少對應著兩個特殊功能寄存器，分別是數(shù)據(jù)寄存器 和 方向寄存器 ，也就是說 （即讀出或寫入）。 I/O 端口的方向寄存器是定義其端口引腳的輸入 /輸出狀態(tài)； I/輸出數(shù)據(jù)的橋梁，或稱為數(shù)據(jù)緩沖器。根據(jù) I/O 端口引腳的輸入 /輸出狀態(tài)，對該端口的數(shù)據(jù)方向控制寄存器 行初始化定義：若把 位設置為“ 1” ，則相應的 口引腳定義為輸入 端，輸出呈高阻狀態(tài)；若把 位設置為“ 0” ，則相應的 口引腳定義為輸出端，輸入呈高阻狀態(tài)。 2. 4 本電路 蕩頻率電路 單片機振蕩電路與整體系統(tǒng)工作速度有直接的關系，例如同步 ∕ 異步串行傳輸、定時器等，都與振蕩頻率有關，不同系列單片機有不同振蕩頻率，根據(jù)產品資料手冊， 蕩頻率最高可到 20圖 1 中，振蕩電路接于 而振蕩電路有以下四種形式： 1)用低功率振蕩晶體 (2)用振蕩器 ∕ 諧振器 (3)用高速振蕩器 (4)用電阻 ∕ 電容 ( 一般常用振蕩晶體或是諧振器作為單片機振蕩源，外接電路及 部電路說明如圖 6 所示。圖中電容 格大小是根據(jù) 有所不同，表 1 列出電容建議值，使用其它振蕩源的電路說明請參考產品資料手冊。 11 圖 議電容值 加電源與重置電路 工作電壓為 5V，連接 地線接腳；重置電路連接 下 ，內部指令重頭開始執(zhí)行，系統(tǒng)重新運作。 12 圖 源與重置電路 13 第三章 軟件 件仿真軟件 ,8] 件是英國 司出版的 具軟件。它不僅具有其它 具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具，是目前世界上將電路仿真軟件、 計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的較好設計平臺，其處理器模型支持 8051、2/16/18/24/30/8086 和 ， 2010年即將增加 列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持 多種編譯器。 神 )的 一款專業(yè)的 單片機 軟件 仿真系統(tǒng) 。 該軟件的特點： 1)全部滿足我們提出的單片機軟件仿真系統(tǒng)的 標準 ，并在同類產品中具有明顯的優(yōu)勢。 2)具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 232 動態(tài)仿真、 1 C 調試器 、 試器、鍵盤和 統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如 示波器 、邏輯分析儀、 信號發(fā)生器 等。 3)目前支持的單片機類型有： 68000 系列、 8051 系列、 列、 列、 列、 列、 列、 列以及各種外圍芯片。 4)支持大量的存儲器和外圍芯片。總之該軟件是一款集單片機和 析于一身的仿真軟件，功能極其強大。 功能 大的功能已經在全球得到公認，特別是 本以后的元件庫由 1 年之前的 6000 暴增為 35000 元件庫，而且其 本 司收購了一個基于形狀的布線器用于其 CB 中，使之 能超過了目前 流行的 無疑在企業(yè)界掀起了悍然大波，國內外企14 業(yè)鑒于 價格遠遠低于同類產品的市場優(yōu)勢條件下，紛紛采用，并將其廣泛應用在生產和研發(fā)之中， 中國電子科研類企業(yè)的依賴環(huán)境日益成熟化，學生掌握了 有 書對其就業(yè)來講如虎添翼，不少企業(yè)優(yōu)先錄用具有該技能的人才。 1)智能原理圖設計 過 10000 種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件 ; 智能的器件搜索：通過模糊搜 索可以快速定位所需要的器件；智能化的連線功能：連接導線簡單快捷，具備快速自動連線功能 ; 支持總線結構：使用總線器件和總線布線，做到電路設計簡明清晰 ; 可輸出高質量圖紙：通過個性化設置，可以生成印刷質量的 紙，可以供 多種文檔使用。 2)完善的仿真功能 合仿真：基于工業(yè)標準 現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真 ; 超過 35000 個仿真器件：可以通過內部原型或使用廠家的 件自行設計仿真器件，可導入第三方發(fā)布的仿真器件 ; 多樣的激勵源：包括 直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻 (使用 件 )、指數(shù)信號、單頻 字時鐘和碼流，并支持文件形式的信號輸入 ; 豐富的虛擬儀器： 13種虛擬儀器，要求面板操作逼真，如 示波器 、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓 /電流表 、 交流電壓 /電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計 /計數(shù)器 、邏輯探頭、虛擬終端、 試器、 試器等 ; 生動的仿真顯示：用色點顯示引腳的數(shù)字電平，導線以不同顏色表示其對地電壓大小，結合動態(tài)器件 (如電機、顯示器件、按鈕 )的使用可以使仿真更加直觀、生動 ; 高級圖形仿真功能：基于圖標的分析可以精確分析電路的多項指標，包括工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立 葉頻譜分析、一致性分析 ; 單片機協(xié)同仿真功能： 支持主流的 型，如 8051、 8086、 支持通用外設模型，如字符 塊、圖形 塊、 陣、 段顯示模塊、鍵盤 /按鍵、直流 /步進 /伺服電機 、 擬終端、電子溫度計等等，其 物理接口模型 )還可以使仿真電路通過 串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信 ; 實時仿真支持 真、中斷仿真、 2C 仿真、 真、 真、 真、 真 ; 支持單片機匯編語言的編輯 /編譯 /源碼級仿真，內帶 8051、 匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境 (如 合，進行高級語言的源碼級仿真和調試； 片機編程 工具 介： 15 成開發(fā)環(huán)境（ 綜合的編輯器、項目管理器和設計平臺，適用于使用 系列單片機進行嵌入式設計的應用開發(fā)。 適用于 系列單片機和 字信號控制器 ， 基 于 操 作 系 統(tǒng) 的 集 成 開 發(fā) 環(huán) 境 。 供 以 下 功 能 ： 1) 使 用 內 置 編 輯 器 創(chuàng) 建 和 編 輯 源 代 碼 。 2) 匯 編 、 編 譯 和 鏈 接 源 代 碼 。 3) 通過 使用內置模擬器觀察程序流程調試可執(zhí)行邏輯；或者使用 000 和 000 仿真器或 在線調試器實時調試可執(zhí)行邏輯。 4.) 用 模 擬 器 或 仿 真 器 測 量 時 間 。 5) 在 觀 察 窗 口 中 查 看 變 量 。 6.) 使用 、 件編程器燒寫固件。 7) 使用 富 的 在 線 幫 助 快 速 找 出 問 題 的 答 案 。 16 第四章 仿真軟件使用 真圖 圖 件仿真圖 17 陽數(shù)碼管 示器的顯示方式，所謂顯示方式，就是以什么樣的形式來顯示多個字符。常用的顯示方式有兩種： 所謂靜態(tài)顯示方式，就是在任意時刻，所有顯示器都按照各自接收的字形碼同時顯示對應的字符。靜態(tài)顯示方式要求每位 示器的公共端必須接地 （共陰極 ，或接高電平（共陽極 ，而每位 示器都由一個具有鎖存功能的 8 位端口控制。該電路每一位可獨立顯示，只要在該位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持相應的顯示字符。 由于每一位由一個 8 位輸出口控制段選碼，故在同一時間里每一位顯示的字符可以不同。這里所指的 8 位端口可以直接采用并行 I/O 口（ 也可以采用擴展的串行輸入 /并行輸出移位寄存器，如 74如果直接用并行 I/O 接口連接示器，一般多采用硬件譯碼方式，采用 譯碼器 /驅動器（ 4511，74可減少端口占用。靜態(tài)顯示方式的優(yōu)點是顯示程序簡單，顯示亮度高，由于單片機不需要經常掃描顯示器，所以可節(jié)省 間。其缺點是占用 I/件成本高，功耗大。所以靜態(tài)顯示方式常用在顯示器位數(shù)較少的單片機系統(tǒng)中 圖 態(tài)數(shù)碼管圖 由于使用的 口資源少，采用靜態(tài)顯示是 6 位數(shù)碼管只能顯示相同的數(shù)字。 18 圖 靜態(tài) 顯示仿真圖 動態(tài)掃描顯示是單片機應用系統(tǒng)中最常用的顯示方式之一。它是把所有顯示器的同名字段互相并聯(lián)在一起，并把它們接到字形口上。為了防止各個顯示器同時顯示出相同的字符，每個顯示器的公共端（ 要受另一組信號控制，即把它們接到字位口上。動態(tài)掃描顯示是單片機應用系統(tǒng)中最常用的顯示方式之一 ,它是把所有顯示器的同名字段互相并聯(lián)在一起，并把它們接到字形口上。為了防止各個顯示器同時顯示出相同的字符，每個顯示器的公共端（ 要受另一組信號控制，即把它們接到字位口上。 圖 態(tài)數(shù)碼管圖 19 這樣，對于一組 碼顯示器需要由兩組信號控制：一組是字形口輸出的字形碼，用來控制顯示什么樣的字符；另一組是字位口輸出的字位碼，用來控制將字符顯示在第幾位顯示器上。 在這兩組信號的控制下，使各位顯示器依次從左至右輪流點亮一遍，過一段時間再輪流點亮一遍，如此不斷重復。雖然在任一時刻只有一位顯示器被點亮，但由于顯示器具有余輝效應，而人眼又具有視覺惰性，所以看起來與全部顯示器持續(xù)點亮效果完全一樣。 動態(tài)顯示方式中顯示器的亮度與點亮時的導通電流有關，也跟 點亮時間和間隔時間有關。 調整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度適中且較穩(wěn)定的顯示效果。 本文采用的是動態(tài)顯示法，即 循環(huán)取值 000001， 000010， 000100，001000， 010000， 100000，每個值延時 來控制數(shù)碼管顯示。 圖 動態(tài)數(shù)碼管顯示仿真圖 關去抖 如圖所示， 列線， 行線。列線通過上拉電阻連接到電源上，因此當無鍵按下時，各列線（ 均為高電平。當行線（ 別輸出低電平時，有鍵按下，相應的列線 會出現(xiàn)低電平。依據(jù)此原理， 整個鍵盤進行掃描。所謂掃描，即 斷輪流對行線置低電平，然后檢查列線輸入狀態(tài)，確定按鍵情況。下一行掃描時，令 高電平， 低電平，再讀入 值。若 “ 1” ， “ 0” ，則 按下；若 “ 0” ， “ 1” ，則 按下；若 為“ 1” ，則證明按下的鍵不在該行，應進行下一行的掃描。 圖 關電路圖 如圖所示，在確定有鍵按下后，先把 為低電平， 為高電平，再讀入 值。若 “ 1” ， “ 0” ，則 按下；若 “ 0” ， “ 1” ，則 按下；若 為“ 1” ，則證明按下的鍵不在該行，應進行下一行的掃描。掃描鍵盤的時間很短，僅僅幾微秒；而按鍵時間一次至少需要幾十毫秒，所以只要有鍵按下，都能被掃描到。 按鍵按下時，有一定的抖動時間。因此，在編制程序時，應該用延時消除抖動，以免產生多次按鍵錯誤。按鍵實際就是一種常用的按鈕開關，平時鍵的兩個觸點處于斷開狀態(tài)，按鍵被按下時，兩個觸點閉合。由于鍵盤上的按鍵都是利用機械觸點來實現(xiàn)鍵的閉合和釋放。由于彈性 作用的影響，機械觸點在閉合及斷開瞬間均有抖動過程，從而使鍵輸入電壓信號也出現(xiàn)抖動。 21 圖 抖動效果示意圖 如上圖所示，抖動時間 長短與機械特性有關，一般為 5～ 10 按鍵的穩(wěn)定閉合時間 操作人員的按鍵動作所確定，一般為幾百毫秒至幾秒。為了保證系統(tǒng)對按鍵的一次閉合僅作一次鍵輸入處理，必須消抖處理。 一般可以用硬件或軟件的辦法來消抖，具體有如下方式： 是在第一次檢測到有鍵按下 時先不動作，延時一段時間（一般為 10再次檢測按鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)，則確認的確有鍵按下。當檢測到按鍵釋放后，也要給 510延時，待后沿抖動消失后才能轉入按鍵的處理程序。 本文采用的軟件消抖，延時 10 圖 開關去抖仿真圖 22 第五章 智能家居的實現(xiàn) 能家居介紹 [4,10] 念及簡介 智能家居是以住宅為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?網絡通信 、 [1]信息家電、設備自動化，集系統(tǒng)、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。智能家居通過 物聯(lián)網 技術將家中的各種設備（如音視頻設備、照明系統(tǒng)、窗簾控制、空調控制、安防系統(tǒng)、數(shù)字影院系統(tǒng)、 [1]網絡家電以及三表抄送等）連接到一起，提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠程控制、室內外遙控、 防盜報警 、以及可編程定時控制等多種功能和手段。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間；還由原來的被動靜止結構轉變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ撸峁┤轿坏男畔⒔换スδ?，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。 智能家居是時代發(fā)展的產物，是住戶想享受快速網沖浪、便捷實 時的通訊、安全防范、豐富娛樂生活、便捷的生活家居管理 ,優(yōu)質物業(yè)管理等智能化住宅所特有的生活方式，使忙碌一天的人們真正體會到智慧家?guī)淼纳顦啡ぁ? 智能家居是一個居住環(huán)境，是以住宅為平臺安裝有 智能家居系統(tǒng) 的居住環(huán)境，實施智能家居系統(tǒng)的過程就稱為智能家居集成。以住宅為平臺，利用有線和無線網絡平臺通信技術、包括綜合布線系統(tǒng)，安全防范系統(tǒng)，背景樂 /廣播系統(tǒng)，燈光窗簾控制系統(tǒng)，空調 制系統(tǒng)，以及家庭影院控制系統(tǒng)；將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。 智能家居集成是利用 綜合布線 技術、網絡通信技術、 安全防范技術 、自動控制技術、 音視頻技術將家居生活有關的設備集成。由于智能家居采用的技術標準與協(xié)議的不同，大多數(shù)智能家居系統(tǒng)都采用 綜合布線 方式，但少數(shù)系統(tǒng)可能并不23 采用綜合布線技術，如 電力載波 ，不論哪一種情況，都一定有對應的網絡通信技術來完成所需的信號傳輸任務，因此網絡通信技術是 智能家居集成中關鍵的技術之一。 安全防范技術 是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術，在小區(qū)及戶內可視對講、家庭 監(jiān)控 、家庭防盜報警、與家庭有關的小區(qū) 一卡通 等領域都有廣泛應用。 自動控制技術 是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術，廣泛應用在智能家居控制中心 。 要功能 一、智能燈光控制 實現(xiàn)對全宅燈光的智能管理，可以用遙控等多種智能控制方式實現(xiàn)對全宅燈光的遙控開關，調光，全開全關及 “ 會客、影院 ” 等多種一鍵式燈光場景效果的實現(xiàn)；并可用定時控制、電話遠程控制、電腦本地及互聯(lián)網遠程控制等多種控制方式實現(xiàn)功能， 從而達到智能照明的節(jié)能、環(huán)保、舒適、方便的功能。 優(yōu)點： 1） 控制：就地控制、多點控制、遙控控制、區(qū)域控制等。 2） 安全：通過弱電控制強電方式，控制回路與負載回路分離。 3） 簡單：智能燈光控制系統(tǒng)采用模塊化結構設計，簡單靈活、安裝方便。 4） 靈活：根據(jù)環(huán)境及用戶需求的變化，只需做軟件修改設置就可以實現(xiàn)燈光布局的改變和功能擴充。 二、智能電器控制 電器控制采用弱電控制強電方式，即安全又智能，可以用遙控、定時等多種智能控制方式實現(xiàn)對在家里飲水機、插座、空調、地暖、投影機、新 風系統(tǒng)等進行智能控制，避免飲水機在夜晚反復加熱影響水質，在外出是斷開插排通電，避免電器發(fā)熱引發(fā)安全隱患；以及對空調地暖進行定時或者遠程控制，讓 到家后馬上享受舒適的溫度和新鮮的空氣。 優(yōu)點： 1） 方便：就地控制、場景控制、遙控控制、電話電腦遠程控制、手機控制等。 2） 控制：通過紅外或者協(xié)議信號控制方式，安全方便互補干擾。 3） 健康：通過智能檢測器，可以對家里的溫度、濕度、亮度進行檢測，并驅動電器設備自動工作。 4） 安全：系統(tǒng)可以根據(jù)生活節(jié)奏自動開啟或關閉電路，避免不必要的浪費和 電氣老化引起的火災。 三、安防監(jiān)控系統(tǒng) 隨著人們居住環(huán)境的升級，人們越來越重視自己的個人安全和財產安全，對24 人、家庭以及住宅的小區(qū)的安全方面提出了更高的要求；同時，經濟的飛速發(fā)展伴隨著城市流動人口的急劇增加，給城市的社會治安增加了新的難題，要保障小區(qū)的安全，防止偷搶事件的發(fā)生，就必須有自己的安全防范系統(tǒng)，人防的保安方式難以適應我們的要求，智能安防已成為當前的發(fā)展趨勢。 視頻監(jiān)控系統(tǒng)己經廣泛地存在于銀行、商場、車站和交通路口等公共場所，但實際的監(jiān)控任務仍需要較多的人工完成，而且現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常 只是錄制視頻圖像，提供的信息是沒有經過解釋的視頻圖像，只能用作事后取證，沒有充分發(fā)揮監(jiān)控的實時性和主動性。為了能實時分析、跟蹤、判別監(jiān)控對象，并在異常事件發(fā)生時提示、上報，為政府部門、安全領域及時決策、正確行動提供支持，視頻監(jiān)控的 “ 智能化 ” 就顯得尤為重要。 優(yōu)點： 1） 安全：安防系統(tǒng)可以對陌生人入侵、煤氣泄漏、火災等情況提前及時發(fā)現(xiàn)并通知主人； 2） 單：操作非常簡單可以通過遙控器或者門口控制器進行布防或者撤防。 3） 用：視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以依靠安裝在室外的攝像機可以有效的阻止小偷進一步行 動，并且也可以在事后取證給警方提供有利證據(jù)。 四、智能背景音樂 家庭背景音樂是在公共背景音樂的基本原理基礎上結合家庭生活的特點發(fā)展而來的新型背景音樂系統(tǒng)。簡單地說，就是在家庭任何一間房子里，比如花園、客廳、臥室、酒吧、廚房或衛(wèi)生間，可以將 腦等多種音源進行系統(tǒng)組合讓每個房間都能聽到美妙的背景音樂，音樂系統(tǒng)即可以美化空間，又起到很好的裝飾作用。 優(yōu)點： 1） 傳統(tǒng)音樂不同，專業(yè)針對家庭進行設計。 2.） 果：采用高保真雙聲道立體聲喇叭，音質效果非常好。 3） 簡 單：控制器人性化設計，操作簡單，無論老人小孩都會操作。 4.） 便：人性化、主機隱蔽安裝，只需通過每個房間的控制器或者遙控器就可以控制。 五、智能視頻共享 六、可視對講系統(tǒng) 可視對講目前產品比較成熟，目前成熟案例隨處可見，這其中有大型聯(lián)網對講系統(tǒng)，也有單獨的對講系統(tǒng)，比如別墅用的，其中有分一拖一、二、三等；一般實現(xiàn)的功能是可以呼叫、可視、對講等功能，但是目前通過 “ 品奇居 ” 的整合部已經將很多不同平臺的產品實現(xiàn)了統(tǒng)一，增強了整套系統(tǒng)控制部分的優(yōu)勢，讓25 室內主機也可以控制家里的燈光和電器了。 七、家庭影 院系統(tǒng) 八、系統(tǒng)整合控制 其他功能 1)遠程控 制 可以使用遙控器來控制家中燈光，熱水器，電動窗簾，飲水機，空調等設備的開啟和關閉；通過這支遙控器的顯示屏可以在一樓（或客廳）來查詢并顯示出二樓（或臥室）燈光電器的開啟關閉狀態(tài)；同時這支遙控器還可以控制家中的紅外電器諸如：電視， 音響等紅外電器設備 ―― 萬能遙控器。 2） 話遠程控制 高加密（電話識別）多功能語音電話遠程控制功能，當 出差或著在家外邊辦事， 可以通過手機，固定電話來控制家中的空調和窗簾，燈光電器，使之提前為客戶制冷或制熱或進 行開啟和關閉狀態(tài)，通過手機或固定電話知道家中電路是否正常，各種家用電器（例如冰箱里的食物等），還可以得知室內的空氣質量（屋內外可以安裝類似煙霧報警器的電器）從而控制窗戶和紫外線殺菌裝置進行換氣或殺菌，此外根據(jù)外部天氣的優(yōu)劣適當?shù)募訚裎輧瓤諝夂屠每照{等設施對屋內進行升溫。主人不在家時，也可以通過手機或固定電話來自動給花草澆水、寵物喂食等。控制臥室的柜櫥對衣物、鞋子、被褥等殺菌、晾曬等。 3）定 時控制 可以提前設定某些產品的自動開啟關閉時間，如：電熱水器每天晚上 20:30 分自動開啟加熱， 23:30 分自動斷電關閉，保證在享受熱水洗浴的同時，也帶來省電，舒適和時尚。當然電動窗簾的自動開啟關閉時間更不在話下。 文實現(xiàn)的功能 26 圖 實物電路圖 本設計基于單片機的智能家居控制主要目標只鐘對燈光控制和窗簾控制，模版之間的通信采用有線。電路板左上一位數(shù)碼管分別表示 :左上亮 下亮 上亮 亮，右下亮 亮 動控制燈和窗簾 單片機通過一個按鍵掃描程序 (見附錄 函數(shù) )不停掃描鍵盤開關，當窗簾和燈光開關按下時單片機分別使要控制的窗簾和電燈端口輸出高電壓5V。從而打開窗簾和燈光。當開關處于松開時，單片機使輸出端口為低電平。實物演示如圖： 27 窗簾打開 圖 簾打開 時控制功能 本設計的單片機中有一個全天 24 小時計時程序。 (見附錄 函數(shù) )。在這個計時程序中，不是簡單的采用機器時鐘計時。而是通過設置變量， 單片機每 1024 微秒一次中斷，一個變量自加 1024，當變量大于 10000時，這個變量就自減 10000，同時另外一個變量自加 0000微秒即 1 毫秒，通過這種方式來減少時間誤差。而此形成全天 24 小時的計時。此后系統(tǒng)感知時間變量如 控制窗簾和燈光。 圖 上 7 點定時開窗簾：左上亮 28 圖 18 點定時開燈 2 和關窗簾：右下和左下亮 圖 23 點定時關燈 2：右下滅燈 間與外部響應燈控制 燈 1 的控制，右上。在 7 到 18 點按下按鈕打不開燈 1，在 18 點到第二天 7點按下按鈕才能開燈 1。見附錄 函數(shù)。函數(shù)中的時間響應變量在 7到 18 點中為 0，其他時間為 1，而來整合外部開關來控制燈光。 圖 在不同時間點的開燈效果 29 第六章 結論 本文從硬件電路到單片機控制器再到微處理器程序進行了一系列的設計，最終將各模塊整合制作成電路板。各部分的設計都具有各自的特點，在硬件電路設計中需要的 是電工電子的理論和知識；系統(tǒng)的軟件設計要求 C 語言編程能力；系統(tǒng)的調試則需要熟練應用 發(fā)環(huán)境和 的使用。由此可見本系統(tǒng)的設計綜合應用了各方面的理論和知識，是對已學知識掌握程度的檢驗以及對全新知識的學習和掌握能力的考驗。 在這次畢業(yè)設計當中，我學到了很多，從理論到實踐，到真正做成東西，要去摸索很多，學習很多。也讓我明白實事求是，踏實認真的工作精神的重要性。 在設計完成后，我覺得還可以做如下改進： 1)程序代碼還可以更加精簡，節(jié)省單片機內存資源。如附錄上的程序代碼，所有變量都是全局變量， 可以將某些函數(shù)改為非空返回值函數(shù)，將函數(shù)變量設為局部變量，函數(shù)結束，局部變量清除，釋放內存，如此可以節(jié)省單片機資源。 2)增加燈光和直流電機電路。由于單片機驅動電流較小，無法直接驅動實驗室有的 和直流電機，在本設計采用了一個數(shù)碼管的四個燈表示窗簾開關和燈光 1 和燈光 2。可改進的方法是增加外部驅動電路。 30 致 謝 在此論文完成之際，我要感謝多年來關心、幫助和支持我的人。 首先，我衷心感謝我的導師蔡本曉老師。本論文是在覃老師的精心指導下完成的，論文從選題到撰寫，自始自終都得到蔡本曉老師的深切關 懷和悉心指導。蔡本曉老師開闊的視野，淵博的知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，通達的性格以及強烈的事業(yè)心，都對我產生了很大的影響，讓我受益非淺。在此，我向蔡本曉老師表示誠摯的感謝和崇高的敬意！ 其次，在學習和完成論文的期間，我也得到了杭州電子科技大學理學院各位領導和老師的關懷和幫助，在次表示衷心的感謝！ 最后，我還要感謝寢室里的同學和我的父母，他們?yōu)槲覡I造了良好的氛圍，沒有他們的支持和鼓勵，我可能無法克服各種困難，順利完成學業(yè)。 31 參考文獻 [1]李學海． — 基礎篇 [M]．