智能家居参考论文

湖南信息科学职业学院毕业论文

智能家居设计

学生姓名：邓彪

学号：1001050244

年级专业：2010级楼宇智能化工程技术指导老师：张兰洁

系别：电子信息系

湖南·长沙

提交日期：2013年5月

目录

引言 (3)

第一章课题描述

1课题简介 (4)

2系统功能要求 (4)

第二章系统总体设计

1各模块方案比较与论证 (5)

1.1CPU模块的选择 (5)

1.2光敏检测模块的选择 (5)

1.3时钟模块的选择 (5)

1.4遥控模块的选择 (6)

1.5电源模块的选择 (6)

2系统设计标准 (6)

第三章硬件电路设计

1系统基本电路介绍 (7)

1.1总控制器模块 (7)

1.2插排控制模块 (12)

1.3无线收发模块 (14)

2主要单元PCB的设计 (17)

2.1总控制器模块PCB的设计 (17)

2.2插排控制模块PCB的设计 (18)

第四章软件系统设计

1总控制器程序流程 (19)

2插排控制器程序流程 (20)

3插排控制程序（包含定时器延时，休眠低功耗设计） (20)

第五章结束语 (22)

参考文献 (22)

智能家居设计

作者：邓彪

指导老师：张兰洁

(湖南信息科学职业学院10级楼宇智能化工程技术，长沙410151)

摘要：智能家居最早是在20世纪80年代兴起于日本和美国，并在20世纪90年代进入我国，经过十几年的发展，特别是随着我国的住宅产业发展而迅速发展起来。而且在我国智能家居引起越来越多的关注，随着人民生活水平的提高，人们对于居住环境智能化、舒适程度等要求会越来越高，这给智能家居的发展提供了很大的市场空间。然而由于我国的居住模式和发达国家存在很大的差别，我国人口众多，城市多以密集型住宅为主，这造成了国内外在智能家居的发展和技术上存在了很大的差别。国内智能化更多地注重于整个小区智能化的建设。最早从做对系统开始，并且逐渐由过去的非可视对讲过渡到目前的以黑白可视对讲为主流，同时一些集成了安防功能、抄表功能,短信息等功能的对讲产品出现并在一些地区应用。由于可视对讲的发展迅速，一些厂家的宣传，给人造成了一种错误的观念，小区只要做可视对讲或者综合布线就称得上智能化小区。

随着对智能家居的认识越来越深入，人们逐渐意识到智能化的真正主体是家居的智能化，更多地体现在家庭内部自动化。所以20世纪90年代后期，一些企业开始引入国外的智能家居技术和产品在国内推广，还有一些大的集团公司也看好该领域，通过各种途径介入，促进整个行业迅速发展。正如当今如火如荼的家电行业，无论是白色家电，还是黑色家电，以及其他一些日用家电无不嵌入了自动化控制，其智能化程度已远是以前的普通家电所不及了。

关键词：智能家居；单片机；开关电源；热释电；时钟芯片

第一章课题描述

1.1课题简介

智能家居的主体在于家庭自动化，将来家庭自动化的主体是家电、照明等电气设备的控制。家庭自动化系统能够通过集中或者分布式控制家庭内部照明或者其他家电，用户可以通过无线遥控或者网络、电话远程控制家庭内部设备。更者，可以通过采用各式各样的传感器，由智能CPU采集信号并对家庭内部设备进行自动控制，家居自动化系统是将来智能家居的主要发展方向。

本次设计以采用STC10F08XE以及STC89C52，实现无线遥控以及热释电、光敏二极管等传感器来制作一个家居智能控制系统。采用无线遥控器代替机械式开关,来控制家庭常用电器，如电脑、音响等。解脱了有线机械式开关的束缚，实现远距离，任意角度对常用电器进行开关控制。使用各式传感器，并由智能CPU 来对家用电器进行自动化控制，如自动给植物浇水，自动开启室内照明等。这种控制才真正算得上是自动化家居。

1.2系统功能要求

根据系统需要，其中控制部分包括了总控制器CPU、自动浇水检测模块、时钟模块、热释电检测模块、遥控收发模块、光敏检测模块、子CPU插排控制模块、LCD1602显示模块、声光报警模块等等。系统的基本框图如图1.1所示。

第二章系统总体设计

2.1各模块方案比较与论证

2.1.1CPU模块的选择

采用增强型51单片机作为系统的控制器。采用型号为STC10F08XE和STC89C52两款单片机。其中，STC10F08XE作为总控制CPU，此单片机为单周期MCU，运算速率高，抗干扰能力强，低功耗；具有P4口，共有36个I/O口资源，能存储大量的控制程序，能完成传感检测、定时计数、信息显示等功能，具有很强的实用性和较高的性价比。加上该单片机算术运算能力强，软件编程灵活，可以配合单片机C语言实现各种灵活的控制。另一款单片机STC89C52，功能简单，价格更优惠，性能稳定，并有休眠低功耗功能，用来作简单的子CPU控制最好不过。

2.1.2光敏检测模块的选择

采用光敏二极管，光敏二极管靠PN节的暗电流大小使二极管导通或截止。

无光照时，有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。

根据这个原理可以实现环境光线路灯开关。且它具有感光灵敏度高、响应快、线性好、抗干扰能力强，价格便宜等优点。

2.1.3时钟模块的选择

DS1302时钟芯片。DS1302是达拉斯公司生产的专用时钟芯片，读写数据简单，而且芯片内置电池涓流充电电路，可自动给可充电池充电,充电后可供时钟芯片掉电时依然工作一年左右。

2.1.4遥控模块的选择

无线超外差收发模块。此无线模块因为采用超外差接收模块，所以抗干扰能力强，有效距离远（一般情况下，可达10到15米），而且无方向性要求，适合任意角度，存在障碍物的情况下进行遥控。在家居遥控中非常方便实用。

2.1.5电源模块的选择

选择开关电源模块。此电源模块的最大有点就是电源效率高，又去掉了笨重的变压器，所以体积小，重量轻。而方案中，CPU等模块对电源的要求不高，而且插排控制模块要长时间待机，对电源的效率要求较高。另，因系统中，驱动抽水机、LED照明台灯等模块要求的电源功率较高，所以具有较高的电源效率的开关电源是为首选。

2.2系统设计标准

如今的电子设备的发展方向除了越来越智能化之外，更多的是注重绿色环保，绿色节能。该系统设计标准也正是如此。系统中采用开关电源设计，提高电源利用率，减少不必要的额外损耗。还有采用LED作为照明光源，更是符合未来绿色照明的设计方向。加之低功耗的CPU程序设计，使得该系统在具有一定智能控制能力外，更具绿色节能特色。

第三章硬件电路设计

3.1系统基本电路介绍

3.1.1总控制器模块

总控制器模块，是整个系统的神经中枢，负责控制系统中各个模块的正常运行。另外，作为总控制器，除了CPU模块外，还集成了必需的人机交互界面，包括LCD1602液晶显示和按键模块，以及其他的一些时钟模块、热释电人体感应、温度检测、蜂鸣器报警模块等。下面将逐一介绍。

(1)总控制器CPU模块，采用STC10F08XE，该款单片机是宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高可靠复位电路，针对高速通信，智能控制，强干扰场合。而且，STC10F08XE比普通8051单片机多了一组P4 I/O口，最多可提供使用36个I/O口。在本系统中，因存在控制单元较多而带来的I/O口资源紧张的问题迎刃而解。STC10F08XE管脚排列

如图3.1所示。

CPU 模块电路原理图如图3.2所示。其中包括典型51

单片机的时钟晶振电

路、复位电路、和电源三大基本电路。还有就是各个模块的I/O 连接，接下来还

会详细说明，在这里就不再赘述。

(2) 时钟模块，主IC 采用达拉斯DS1302。该款时钟芯片的功能特色:

● 时钟计数功能，可以对秒，分钟，小时，日，月，星期，年的计数，年

计数可达到2100年。

● 有31*8位的额外数据暂存器

● 最少I/O 引脚传输，通过三引脚控制

● 工作电压：2.0-5.5V

● 工作电流小于320nA （2.0V ）

● 读写时钟寄存器或内部RAM 可以采用单字节模式和突发模式

● 兼容TTL （5.0V ）

● 增加后备电源功能——

①. 可通过VCC1进行涓流充电

②. 双重电源补给

③. 备用电源可以采用蓄电池或者超级电容（0.1F 以上），可以用老式电脑主板的3.6V 充电电池。如果断电时间较短（几小时或几天），就可以使用漏电系数较小的普通电解电容器代替。100uF 就可以保证1小时的正常走时。

DS1302的管脚图如图3.3

DS1302

时钟模块电路原理图如图3.4所示。其中，BT1

为镍氢充电池，3.7V 电压80mAH 容量，接VCC1处即可自行充电。scl 、res 、io 分别为信号时钟线、复位线、数据线，分别接CPU 的P1.7、P1.5、P1.6脚，即三线控制。

(3) 热释电人体感应模块。此模块是系统主要采用的传感器之一，主要作用是感应是否有人在附近，然后自动给出一系列控制，如LCD 液晶是否显示，LED 台灯是否点亮等。此模块采用红外热释电处理芯片BISS0001进行信号处理，最终送到总控制器CPU 中。该芯片管脚图和实物图如下所示。

BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

特点：

?CMOS工艺

?数模混合

?具有独立的高输入阻抗运算放大器

?内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰

?内设延迟时间定时器和封锁时间定时器

首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM(≈0.5VDD)后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。COP3是一个条件比较器。当输入电压VcVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当Tx时间结束时，V o下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti时间内，任何V2的变化都不能使V o跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

以下图所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发V o为有效

状态。在Vc=“1”、A=“1”时，Vs 可重复触发V o 为有效状态，并可促使V o 在Tx 周期内一直保持有效状态。 在Tx 时间内，只要Vs 发生上跳变，则V o 将从Vs 上跳变时刻起继续延长一个Tx 周期；若Vs 保持为“1”状态，则V o 一直保持有效状态；若Vs 保持为“0”状态，则在Tx 周期结束后V o 恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti 时间内，任何Vs 的变化都不能触发V o

为有效态。

热释电人体感应模块电路原理图如图3.8所示。

上图中，运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs 去启动延迟时间定时器，输出信号V o 经晶体管T1反相送至总控制器CPU 的P3.2处。

上图中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境

较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs 。输出延迟时间Tx 由外部的R9和C7的大小调整，触发封锁时间Ti 由外部的R10和C6的大小调整，R9/R10用470欧姆，C6/C7选0.1U 。

(4) 温度检测模块。采用同样是达拉斯公司出品的DS18B20数字温度传感器。 温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时 DALLAS （达拉斯）公司生产的 DS18B20 温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得 DS18B20 更受欢迎。

DS18B20 的主要特征： ? 全数字温度转换及输出。 ? 先进的单总线数据通信。

? 最高 12 位分辨率，精度可达土 0.5摄氏度。 ? 12 位分辨率时的最大工作周期为 750 毫秒。 ? 可选择寄生工作方式。

? 检测温度范围为–55°C ~+125°C (–67°F ~+257°F) ? 内置 EEPROM ，限温报警功能。

? 64 位光刻 ROM ，内置产品序列号，方便多机挂接。 ? 多样封装形式，适应不同硬件系统。 DS18B20的管脚排列如图3.9所示

到这里，总控制器模块就介绍完了。用雕刻机雕刻电路板，做出来的效果见图3.10和图3.11。

3.1.2插排控制模块

插排控制模块，是系统子模块之一，包含一子CPU控制系统。是整个系统中专门用来控制强电部分（插排）的控制系统。该子系统中主要包含了CPU模块外、定时控制模块、插排开关驱动模块。

(1)子CPU模块。该CPU采用STC89C52，该款CPU是宏晶科技设计生产单典型8051单片机。内含定时器，中断等内部资源，此外设有休眠中断唤醒功能，在系统中应用作低功耗设计，该设计会在第四章——软件系统设计中详述，在此不再赘述。子CPU模块电路如图3.12所示。

如图所示，同样包含了复位、时钟晶振、电源的电路，还有就是各I/O口的连接。

(2)定时控制模块。该定时模块简单而实用，利用三个自锁开关就可实现23-1=7种不同时间的定时效果以及一个不带自锁开关，负责系统复位。如图3.13。

定时原理：由子CPU 检测开关S1-S3一系列的状态，然后CPU 采取相应的定时时间进行排插的定时开关。开关状态与定时时间的关系如表3.2所示，“ ”表示开关闭合，“ ”表示开关断开。其中S4是子CPU 复位开关，只有按下S4后，子CPU 重新复位后才对插排进行定时处理。DS1是复位指示灯。

(3) 插排开关驱动模块。该模块电路更是简单，只是一个三极管驱动电路。不过有点要说明一下，就是安全方面上的注意点。由于该电路后就是强电部分，所以要谨慎处理。该系统中，直接将继电器安装在插排空余地方，强电可以被完全隔离在插排外壳内，只留三条弱电控制线引出到三极管驱动端。如图3.14所示。

到这里，插排控制模块就介绍完毕。实物效果图，如图3.15所示。

3.1.3

无线收发模块

无线收发模块，是系统子模块中实用性比较强的一个模块。系统完成后的使用过程中，发现用以遥控电脑开关机、音响和台灯等非常实用方便。本人对其更是爱不释手，视为得意之作。该子系统包括匙扣式发射模块、超外差接收模块、电脑开关机模块，上文提到的插排控制模块也是与之相连。

(1) 匙扣式发射模块。电子市场出现的无线电发射组件可谓形形色色，本系统中使用的匙扣式无线电发射组件是一种漂亮的匙口式微型发射机，平时可以悬挂在钥匙圈上，具有工作可靠性高、保密性强、抗干扰性好和遥控距离远等特点，目前已被广泛用于汽车遥控钥匙、车库电动门遥控、报警器的设防与解防等。稍作改制，就可以用于各类电动玩具遥控、家用电器遥控及报警系统等。

该匙扣式发射模块为四通道遥控发射模块，实物图见图3.16，它有A 、B 、C 、D 四个发射按键，前方还有一只发光二极管用来指示按键状态，按下任一键，LED 即闪亮一下。为缩小体积，内部采用A27型专用12V 小电池。该发射模块内电路包含载频振荡

器、控制按键、数字编码及12V 电源几大部分。载频振荡器采用声表面滤波器SAW

稳频，频率稳定度较

高。数字编码采用PT2262编码集成电路，8位地址码（A0～A7,即1～8脚）在内部电路有悬空，接正电源、接地三种不同状态可供选择，即有38=6561种不重复编码，只有发射机的编码和接收模块中解码集成电路的地址码完全相同时，才能配套使用。由此，解决了不同收发模块间存在串扰的问题。

不同厂家生产的不同型号匙扣式微型发射机的内电路存在较大差异，有些低价位的发射机载频振荡采用一般LC 振荡器，因此频率稳定度及一致性较差。高档的发射机采用晶体稳频，频率稳定更好。

(2) 超外差接收模块。无线接收模块有多种类型，有超再生式、超外差及已装配有继电器的接收组件等。超再生式电路简单，价格低廉，但是抗干扰能力差，遥控距离较短。本系统中选用超外差式接收模块，实物见图 3.17。超外差接收模块价格较高，但温度适应性强，工作稳定可靠，抗干扰能力强，产品的一致性好，接收灵敏度为-101dB ，且本振辐射低，符合工业使用规范，适合信号辐射复杂的环境下全天候工作，特别适合广东较发达地区使用。

系统中，无线接收电路如图3.18所示。由于该款超外差接收模块带锁存输出，即解码芯片的数据输出端2、3、4、5脚对应发射机的按键C 、A 、B 和D ，当按下发射机的按键C 时，对应接收模块的2脚输出高电平，同时芯片解码有效输出端VT 第6脚也输出高电平，松开按键C ，2脚仍能保持高电平，但VT 脚恢复低电平。如果再按动其他键，如A ，则接收模块对应的３脚与解码有效VT 脚输出高电平，２脚恢复低电平，松开按键A 后，３脚仍能保持高电平，VT 脚则恢复低电平。如此，2、3、4、5脚这种输出关系我们称之为“互锁存”，简称互锁。

这种互锁的好处是提供一个稳态信号，可以直接输出信号驱动用电器。本系统中由于有单片机对信号进行处理，所以并不需要这种稳态信号，但是在接收器输出端接一个10uF的电解电容和10K的电阻入地，类似单片机复位电路，如图3.18，可以将稳态信号转化为跳变信号，而且具有了硬件防抖功能。这样的跳变信号就可以符合驱动电脑开关机的需要，大概延时200～300毫秒，使得电脑可以稳定开机、关机，后面将会详细说明。

在本系统中，Ｃ按键负责控制电脑开关机，B按键控制大功率开启/停止，D 按键负责控制插排通电/断电，至于A按键悬空，无连接。

(3)电脑开关机模块。该模块是本系统中的一大亮点。如今大多数家电都已设计遥控功能了，不说电视机、DVD机，更连空调、电风扇都可以遥控控制。现在计算机已经开始普及了，特别是大学校园更是基本每人一台，应该算得上是家用电器的一员了，然而居然这个高科技产物，号称最智能，几乎无所不能的家电却还没能实现遥控，实为不妥。在本系统——智能家居设计中，就特地为电脑“量身定做”了一个无线遥控开关机模块。可以任意角度，穿过一般障碍物，对电脑进行遥控。在实际使用过程中效果不错，身边同学对其也是一片叫好之声。

该电脑开关机模块实用性超强，但涉及的电路却简单得不能再简单，而且是纯硬件，无软件设计。

电脑开关机电路如图3.19和图3.20所示。

图3.19中电路是无线遥控接收中的部分电路，由三线跳线，分别是遥控控制信号C 、电源VCC 还有电源地，连接到电脑机箱内的电源按钮控制电路，即图3.20的电路中。该三线跳线是用旧废电话线改装，是一条螺旋弹簧式导线，美观实用，拉伸可达1米多。

控制原理：当按下匙扣式遥控按钮C 键时，上文提到的无线遥控接收模块产生200～300毫秒的跳变信号，然后经三极管8550直接驱动继电器吸合。继电器的1、3输出脚是并联在电脑电源按钮两端的，此时，伴随着继电器吸合，就如同手动按下电源按钮一般，电脑就会执行开机或关机处理。

值得一提的是，当电脑为开机状态时，当按下遥控器C 键即按下电源按钮时电脑执行的命令是需要设置的。设置步骤如下:（XP 系统下）

在桌面点击右键，选择“属性” 点击选择“屏幕保护程序”下，窗

口下方的“电源”按钮

点击“高级”后出现“在按下计

算机电源按钮时”对话框 最后根据需要进行选择“问我

要做什么”、“关机”、“待机”命令，一般建议选“问我要做什么”，以免突发性关机造成用户数据来不及保存丢失。

3.2主要单元ＰＣＢ的设计

3.2.1总控制器模块PCB的设计。

该模块是整个系统的控制中心，负责控制系统中各个模块的正常运行。模块中包含的电路较多，各部分电路也较为复杂,包括LCD1602液晶显示和按键模块，以及其他的一些时钟模块、热释电人体感应、温度检测、蜂鸣器报警模块等。由于又是充当人机交互界面，所以在PCB电路板的设计中，包含了外形设计以及

如图所示，整个PCB板外形为一心状，四周有12个LED对应模拟钟表面板的12个时刻，用以整点指示，更有一番装饰之用。整个外形设计除了美观外，更寓意了该模块在整个系统的中心地位，仿佛人的心脏一般。

还有一个值得一提的地方，那就是四个按键与LCD液晶显示的布置。由于整机缺省了外壳设计，所以，像按键与LCD这些人机交换的主要部件是不好安装的。