基于单片机技术在家居控制应用系统中的设计与实现

谢静

物联网产业是我国的战略性新兴产业，在我国将有很大的发展前途，而智能家居是物联网技术的重要应用方面。本设计是利用了单片机技术和无线通信技术将多个用电设备组合起来，由短信或本地设置实现所有用电设备的监控与应用，具有万年历、报时、闹钟、温度检测、自适背景调光、故障报警、实时与预约控制设备等多重功能。硬件系统由单片机以及扩展的存储器、输入输出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件系统由单片机主、从机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组。

【关键词】单片机嵌入技术 智能家居 远程监控 传感技术 射频收发 短信监控

1 研究背景

随着科技发展，通信技术、计算机技术、网络技术和控制技术的发展，促使了家庭居住环境的现代化、舒适化、安全化。这些发展影响到了人们生活的方方面面，改变了人们的生活习惯，提高了人们的生活质量，家居智能化也就应运而生了。传感器技术的功能也越来越强，而且现今各种传感器都已经标准化、模块化。这给智能家居控制系统的设计以及广泛应用提供了极大方便。

智能家庭控制系统是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立起来的，一个由家庭到小区的综合信息服务和管理系统，它也构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的综合系统。

2 构思设计方案

在确定总体方案时，有以下几个重要因素：首先选择好单片机，依据设计需求来确定IO口、定时器、计数器以及附带特定的模块（比如AD转换器等）。配置丰富、功能强大、价廉物美的单片机是我们首选产品。其次，被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。再次，结合制作实际与应用实际，确定外围输入逻辑控制单元和外围输出驱动控制对象， 画出整个原理图和系统流程图。

3 电路设计

本设计采用型号为STC12C5A60S2单片机作为主控器件MCU，应用系统由硬件系统和软件系统组成。硬件系统由单片机以及扩展的存储器、输入输出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件系统由单片机主、从机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组。

电路设计结构图见图3，主机电路图见图4。

4 软件设计与编程

4.1 主机功能设计

12864汉字液晶屏显示，全中文显示。 未来公历和农历节日、记念日双行显示。3个独立时钟功能，可设置多种闹钟方式。多范围整点报时功能。 7级液晶屏背光亮度调整。自动背光功能，在环境光变暗时自动调整背光。小巧美观的外观设计，可直立于桌面上。0～99摄氏度环境温度显示。利用无线数据传输控制 继电器来达到家电控制了闹钟响应时任意按键 取消闹钟响声。有当前设置掉电后，第二次上电依然保存。主机流程图见图5。

4.2 从机程序设计

主要功能有温度传感、开关（模拟门窗）信息传感等信息射频无线传送给主机。其程序模块主要有射频程序、主程序、串口程序（UART）等组成。见图6。

5 系统制作及调试

先期是PCB制作，主机、从机两块板制作好以后就是装接元器件。对硬件电路是每个模块要先行测试，确保电路板的物理连接性等没有问题。很多模块的测试是需要与软件写入后同期进行的，许多故障是在载入软件后从硬件和软件两个方面去发现：一般先看硬件有无故障，然后再看原件分析，最后再结合起来调试，如此逐个模块单一功能的解决有利于问题的分析和解决，不会造成问题的积累。

5.1 使用的仪器仪表及工具

PC一台；

ME-52HU单片机仿真器一台；

TDS210 60MHz双踪示存储波器一台；

WYK—302Bz型直流稳压电源一台；

MODEL HC—F1000C 型频率计一台；

EE1641B1型函数发生器/计数器一台；

MF 47型机械万用表一个；

DT 9208型数字万用表一个；

TLW-T调温烙铁一把；

keil uv2，万利V3，用C语言编程

Protel DXP开发工具一套；

5.2 硬件制作与调试

印制电路板（PCB）是电子产品中电路元件和器件的支撑件。它提供电路元件和器件之间的电气连接。PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此，在进行PCB设计时。必须遵守印制电路板设计原则和抗干扰措施的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。本次设计采用Altium公司PROTEL系列设计完成SCH到PCB的设计，并且手工完成电路焊接以及整机的装配。

5.3 系统硬件调试

本系统的硬件调试分为以下阶段进行调试：

（1）逻辑错误调试。

（2）器件调试。

（3）可靠性调试。

（4）电源故障。

5.4 短消息发送调试

开机后应自动对T35初始化，在主程序中和其他元器件一起初始化。其次是检测有无SIM卡，针对与有或无，一则在屏幕上显示有无SIM卡，二则走不同的程序。

在调试过程中分三种情况：

（1）被动查询。家人手机向家居号码发出“cx”（查询首字母）后，主机收到合法指令（程序指定）后将信息更新NRF缓冲区数据并发送给从机，从机将各个数据通过射频回送给主机，主机再将各有效信息回复给查询号码。

（2）被动控制。家人手机发出诸如“close_1”等合法指令，主机根据程序对应修改NRF缓冲区数据再发给从机的控制端，以实现对各个继电器的控制。

（3）主动超限报警。当居家温度等某个参数超出限值有灾情或有检测到认定为盗情的时候，在程序设定中有主动向某个指定号码发出报警短信，格式视程序编写而定。

5.5 软件机调试

单个模块的程序编写和功能调试并不复杂，当所有硬件整合在一起的时候，要分别实现万年历、闹钟、背光、射频、温度检测等等程序，就比较容易有问题。比如初始化，18b20、DS1302、12864、T35、N2401等等都要初始化，就需要整合，有时还会有冲突。所以写的时候是写在一起，在调试时候，采用是逐个任务进行调试，等逐个任务调试好以后，再使各个任务同时运行。再经过随机全功能测试。

在调试过程中一共经历了两次完善：第一次制作调试的为V1.1 TEST版。第二次修改调试的为V1.2 TEST版，主要完成了以下功能完善：修复了闹钟 喇叭图标响完没有清除的BUG、修复菜单模式之后 正好碰上报时导致报时声音错位、新增加了闹钟响应时任意按键 取消闹钟响声、新增加了所有当前设施掉电后，第二次上电依然保存。

6 总结

在生活节奏加速的今天，智能家居控制系统的出现适当的缓解了人们的生活压力，给广大业主带来了安全、健康、舒适、节能的生活环境。在系统设计过程中应该会有一些欠考虑的因素需要在以后的设计过程中不断的改进和完善。

参考文献

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[6]李广弟.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

作者单位

昆山第一中等专业学校电子信息系 江苏省苏州市 215300endprint