基于單片機(jī)技術(shù)在家居控制應(yīng)用系統(tǒng)中的設(shè)計與實現(xiàn)

謝靜

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)是我國的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在我國將有很大的發(fā)展前途，而智能家居是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應(yīng)用方面。本設(shè)計是利用了單片機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)將多個用電設(shè)備組合起來，由短信或本地設(shè)置實現(xiàn)所有用電設(shè)備的監(jiān)控與應(yīng)用，具有萬年歷、報時、鬧鐘、溫度檢測、自適背景調(diào)光、故障報警、實時與預(yù)約控制設(shè)備等多重功能。硬件系統(tǒng)由單片機(jī)以及擴(kuò)展的存儲器、輸入輸出設(shè)備以及各種實現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制要求的接口電路和有關(guān)的外圍電路芯片或部件組成；軟件系統(tǒng)由單片機(jī)主、從機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)其特定控制功能的各種工作程序和管理程序組。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)嵌入技術(shù) 智能家居 遠(yuǎn)程監(jiān)控 傳感技術(shù) 射頻收發(fā) 短信監(jiān)控

1 研究背景

隨著科技發(fā)展，通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，促使了家庭居住環(huán)境的現(xiàn)代化、舒適化、安全化。這些發(fā)展影響到了人們生活的方方面面，改變了人們的生活習(xí)慣，提高了人們的生活質(zhì)量，家居智能化也就應(yīng)運而生了。傳感器技術(shù)的功能也越來越強(qiáng)，而且現(xiàn)今各種傳感器都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。這給智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計以及廣泛應(yīng)用提供了極大方便。

智能家庭控制系統(tǒng)是通過采用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)和集成技術(shù)建立起來的，一個由家庭到小區(qū)的綜合信息服務(wù)和管理系統(tǒng)，它也構(gòu)成一個完整的集家庭通信、家庭設(shè)備自動控制、家庭安全防范等功能的綜合系統(tǒng)。

2 構(gòu)思設(shè)計方案

在確定總體方案時，有以下幾個重要因素：首先選擇好單片機(jī)，依據(jù)設(shè)計需求來確定IO口、定時器、計數(shù)器以及附帶特定的模塊（比如AD轉(zhuǎn)換器等）。配置豐富、功能強(qiáng)大、價廉物美的單片機(jī)是我們首選產(chǎn)品。其次，被測參數(shù)的測量元件，它是影響控制系統(tǒng)精度的重要因素之一。再次，結(jié)合制作實際與應(yīng)用實際，確定外圍輸入邏輯控制單元和外圍輸出驅(qū)動控制對象， 畫出整個原理圖和系統(tǒng)流程圖。

3 電路設(shè)計

本設(shè)計采用型號為STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控器件MCU，應(yīng)用系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)由單片機(jī)以及擴(kuò)展的存儲器、輸入輸出設(shè)備以及各種實現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制要求的接口電路和有關(guān)的外圍電路芯片或部件組成；軟件系統(tǒng)由單片機(jī)主、從機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)其特定控制功能的各種工作程序和管理程序組。

電路設(shè)計結(jié)構(gòu)圖見圖3，主機(jī)電路圖見圖4。

4 軟件設(shè)計與編程

4.1 主機(jī)功能設(shè)計

12864漢字液晶屏顯示，全中文顯示。 未來公歷和農(nóng)歷節(jié)日、記念日雙行顯示。3個獨立時鐘功能，可設(shè)置多種鬧鐘方式。多范圍整點報時功能。 7級液晶屏背光亮度調(diào)整。自動背光功能，在環(huán)境光變暗時自動調(diào)整背光。小巧美觀的外觀設(shè)計，可直立于桌面上。0～99攝氏度環(huán)境溫度顯示。利用無線數(shù)據(jù)傳輸控制 繼電器來達(dá)到家電控制了鬧鐘響應(yīng)時任意按鍵 取消鬧鐘響聲。有當(dāng)前設(shè)置掉電后，第二次上電依然保存。主機(jī)流程圖見圖5。

4.2 從機(jī)程序設(shè)計

主要功能有溫度傳感、開關(guān)（模擬門窗）信息傳感等信息射頻無線傳送給主機(jī)。其程序模塊主要有射頻程序、主程序、串口程序（UART）等組成。見圖6。

5 系統(tǒng)制作及調(diào)試

先期是PCB制作，主機(jī)、從機(jī)兩塊板制作好以后就是裝接元器件。對硬件電路是每個模塊要先行測試，確保電路板的物理連接性等沒有問題。很多模塊的測試是需要與軟件寫入后同期進(jìn)行的，許多故障是在載入軟件后從硬件和軟件兩個方面去發(fā)現(xiàn)：一般先看硬件有無故障，然后再看原件分析，最后再結(jié)合起來調(diào)試，如此逐個模塊單一功能的解決有利于問題的分析和解決，不會造成問題的積累。

5.1 使用的儀器儀表及工具

PC一臺；

ME-52HU單片機(jī)仿真器一臺；

TDS210 60MHz雙蹤示存儲波器一臺；

WYK—302Bz型直流穩(wěn)壓電源一臺；

MODEL HC—F1000C 型頻率計一臺；

EE1641B1型函數(shù)發(fā)生器/計數(shù)器一臺；

MF 47型機(jī)械萬用表一個；

DT 9208型數(shù)字萬用表一個；

TLW-T調(diào)溫烙鐵一把；

keil uv2，萬利V3，用C語言編程

Protel DXP開發(fā)工具一套；

5.2 硬件制作與調(diào)試

印制電路板（PCB）是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件。它提供電路元件和器件之間的電氣連接。PCB設(shè)計的好壞對抗干擾能力影響很大。因此，在進(jìn)行PCB設(shè)計時。必須遵守印制電路板設(shè)計原則和抗干擾措施的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾設(shè)計的要求。本次設(shè)計采用Altium公司PROTEL系列設(shè)計完成SCH到PCB的設(shè)計，并且手工完成電路焊接以及整機(jī)的裝配。

5.3 系統(tǒng)硬件調(diào)試

本系統(tǒng)的硬件調(diào)試分為以下階段進(jìn)行調(diào)試：

（1）邏輯錯誤調(diào)試。

（2）器件調(diào)試。

（3）可靠性調(diào)試。

（4）電源故障。

5.4 短消息發(fā)送調(diào)試

開機(jī)后應(yīng)自動對T35初始化，在主程序中和其他元器件一起初始化。其次是檢測有無SIM卡，針對與有或無，一則在屏幕上顯示有無SIM卡，二則走不同的程序。

在調(diào)試過程中分三種情況：

（1）被動查詢。家人手機(jī)向家居號碼發(fā)出“cx”（查詢首字母）后，主機(jī)收到合法指令（程序指定）后將信息更新NRF緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并發(fā)送給從機(jī)，從機(jī)將各個數(shù)據(jù)通過射頻回送給主機(jī)，主機(jī)再將各有效信息回復(fù)給查詢號碼。

（2）被動控制。家人手機(jī)發(fā)出諸如“close_1”等合法指令，主機(jī)根據(jù)程序?qū)?yīng)修改NRF緩沖區(qū)數(shù)據(jù)再發(fā)給從機(jī)的控制端，以實現(xiàn)對各個繼電器的控制。

（3）主動超限報警。當(dāng)居家溫度等某個參數(shù)超出限值有災(zāi)情或有檢測到認(rèn)定為盜情的時候，在程序設(shè)定中有主動向某個指定號碼發(fā)出報警短信，格式視程序編寫而定。

5.5 軟件機(jī)調(diào)試

單個模塊的程序編寫和功能調(diào)試并不復(fù)雜，當(dāng)所有硬件整合在一起的時候，要分別實現(xiàn)萬年歷、鬧鐘、背光、射頻、溫度檢測等等程序，就比較容易有問題。比如初始化，18b20、DS1302、12864、T35、N2401等等都要初始化，就需要整合，有時還會有沖突。所以寫的時候是寫在一起，在調(diào)試時候，采用是逐個任務(wù)進(jìn)行調(diào)試，等逐個任務(wù)調(diào)試好以后，再使各個任務(wù)同時運行。再經(jīng)過隨機(jī)全功能測試。

在調(diào)試過程中一共經(jīng)歷了兩次完善：第一次制作調(diào)試的為V1.1 TEST版。第二次修改調(diào)試的為V1.2 TEST版，主要完成了以下功能完善：修復(fù)了鬧鐘 喇叭圖標(biāo)響完沒有清除的BUG、修復(fù)菜單模式之后 正好碰上報時導(dǎo)致報時聲音錯位、新增加了鬧鐘響應(yīng)時任意按鍵 取消鬧鐘響聲、新增加了所有當(dāng)前設(shè)施掉電后，第二次上電依然保存。

6 總結(jié)

在生活節(jié)奏加速的今天，智能家居控制系統(tǒng)的出現(xiàn)適當(dāng)?shù)木徑饬巳藗兊纳顗毫Γo廣大業(yè)主帶來了安全、健康、舒適、節(jié)能的生活環(huán)境。在系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)該會有一些欠考慮的因素需要在以后的設(shè)計過程中不斷的改進(jìn)和完善。

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作者單位

昆山第一中等專業(yè)學(xué)校電子信息系 江蘇省蘇州市 215300endprint