基于單片機技術在家居控制應用系統中的設計與實現

謝靜

物聯網產業是我國的戰略性新興產業，在我國將有很大的發展前途，而智能家居是物聯網技術的重要應用方面。本設計是利用了單片機技術和無線通信技術將多個用電設備組合起來，由短信或本地設置實現所有用電設備的監控與應用，具有萬年歷、報時、鬧鐘、溫度檢測、自適背景調光、故障報警、實時與預約控制設備等多重功能。硬件系統由單片機以及擴展的存儲器、輸入輸出設備以及各種實現單片機系統控制要求的接口電路和有關的外圍電路芯片或部件組成；軟件系統由單片機主、從機應用系統實現其特定控制功能的各種工作程序和管理程序組。

【關鍵詞】單片機嵌入技術 智能家居 遠程監控 傳感技術 射頻收發 短信監控

1 研究背景

隨著科技發展，通信技術、計算機技術、網絡技術和控制技術的發展，促使了家庭居住環境的現代化、舒適化、安全化。這些發展影響到了人們生活的方方面面，改變了人們的生活習慣，提高了人們的生活質量，家居智能化也就應運而生了。傳感器技術的功能也越來越強，而且現今各種傳感器都已經標準化、模塊化。這給智能家居控制系統的設計以及廣泛應用提供了極大方便。

智能家庭控制系統是通過采用計算機技術、網絡技術、控制技術和集成技術建立起來的，一個由家庭到小區的綜合信息服務和管理系統，它也構成一個完整的集家庭通信、家庭設備自動控制、家庭安全防范等功能的綜合系統。

2 構思設計方案

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，依據設計需求來確定IO口、定時器、計數器以及附帶特定的模塊（比如AD轉換器等）。配置豐富、功能強大、價廉物美的單片機是我們首選產品。其次，被測參數的測量元件，它是影響控制系統精度的重要因素之一。再次，結合制作實際與應用實際，確定外圍輸入邏輯控制單元和外圍輸出驅動控制對象， 畫出整個原理圖和系統流程圖。

3 電路設計

本設計采用型號為STC12C5A60S2單片機作為主控器件MCU，應用系統由硬件系統和軟件系統組成。硬件系統由單片機以及擴展的存儲器、輸入輸出設備以及各種實現單片機系統控制要求的接口電路和有關的外圍電路芯片或部件組成；軟件系統由單片機主、從機應用系統實現其特定控制功能的各種工作程序和管理程序組。

電路設計結構圖見圖3，主機電路圖見圖4。

4 軟件設計與編程

4.1 主機功能設計

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

4.2 從機程序設計

主要功能有溫度傳感、開關（模擬門窗）信息傳感等信息射頻無線傳送給主機。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 系統制作及調試

先期是PCB制作，主機、從機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現：一般先看硬件有無故障，然后再看原件分析，最后再結合起來調試，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單片機仿真器一臺；

TDS210 60MHz雙蹤示存儲波器一臺；

WYK—302Bz型直流穩壓電源一臺；

MODEL HC—F1000C 型頻率計一臺；

EE1641B1型函數發生器/計數器一臺；

MF 47型機械萬用表一個；

DT 9208型數字萬用表一個；

TLW-T調溫烙鐵一把；

keil uv2，萬利V3，用C語言編程

Protel DXP開發工具一套；

5.2 硬件制作與調試

印制電路板（PCB）是電子產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設計的好壞對抗干擾能力影響很大。因此，在進行PCB設計時。必須遵守印制電路板設計原則和抗干擾措施的一般原則，并應符合抗干擾設計的要求。本次設計采用Altium公司PROTEL系列設計完成SCH到PCB的設計，并且手工完成電路焊接以及整機的裝配。

5.3 系統硬件調試

本系統的硬件調試分為以下階段進行調試：

（1）邏輯錯誤調試。

（2）器件調試。

（3）可靠性調試。

（4）電源故障。

5.4 短消息發送調試

開機后應自動對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。

在調試過程中分三種情況：

（1）被動查詢。家人手機向家居號碼發出“cx”（查詢首字母）后，主機收到合法指令（程序指定）后將信息更新NRF緩沖區數據并發送給從機，從機將各個數據通過射頻回送給主機，主機再將各有效信息回復給查詢號碼。

（2）被動控制。家人手機發出諸如“close_1”等合法指令，主機根據程序對應修改NRF緩沖區數據再發給從機的控制端，以實現對各個繼電器的控制。

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

5.5 軟件機調試

單個模塊的程序編寫和功能調試并不復雜，當所有硬件整合在一起的時候，要分別實現萬年歷、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，在調試時候，采用是逐個任務進行調試，等逐個任務調試好以后，再使各個任務同時運行。再經過隨機全功能測試。

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

6 總結

在生活節奏加速的今天，智能家居控制系統的出現適當的緩解了人們的生活壓力，給廣大業主帶來了安全、健康、舒適、節能的生活環境。在系統設計過程中應該會有一些欠考慮的因素需要在以后的設計過程中不斷的改進和完善。

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[6]李廣弟.單片機基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

作者單位

昆山第一中等專業學校電子信息系 江蘇省蘇州市 215300endprint