1、 本科生毕业论文（设计）题 目: 基于单片机的小型智能家居系统的 设计与实现 姓 名: 常盼盼 学 院: 理 学 院 专 业: 网络工程 班 级: 2009 级（2）班 学 号: 1887090202 指 导教师: 赵艳红 职称: 讲师 2013 年 5 月 10 日安徽科技学院教务处制1目 录摘要.1关键词.11 引言.11.1 课题研究背景.11.2 系统的主要功能.12 整体设计.22.1 总体介绍.22.2 系统设计方案.23 硬件系统设计.33.1 硬件系统概述.33.2 硬件系统的功能模块.33.2.1 电源模块.33.2.2 串口模块.43.2.3 核心板模块.83.2.4 LE
2、D 模块 .93.2.5 蜂鸣器模块.103.2.6 步进电机模块.113.2.7 LCD 模块 .123.2.8 热敏&光敏传感器模块.144 软件系统设计.154.1 keil uVision2 简介 .154.2 keil uVision2 新建项目、编辑、编译以及调试运行 .154.3 程序烧写 .205 系统平台搭建.225.1 系统组成.225.2 系统硬件连接.225.2.1 PC 机与单片机的连接 .225.2.2 单片机开发板上的硬件连接 .226 系统功能介绍.226.1 整体功能介绍.226.2 详细功能介绍.246.2.1 音乐播放.246.2.2 花样灯.256.2.
3、3 窗帘.266.2.4 火灾报警.276.2.5 串口通信模块.277 系统测试.287.1 系统基本性能验证.287.2 整体验证.2828 总结与展望.298.1 总结.298.2 展望.29致谢.29参考文 献.291基于单片机的小型智能家居系统的设计与实现网络工程 常盼盼指导教师 赵艳红摘要：智能家居是以住宅为平台，利用综合布线、网络通信、音视频等技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的家庭日程事务管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性，实现环保节能的居住环境。基于单片机的小型智能家居系统是以 STC12C5A60S2 芯片为控制核心，用单片机上不同的器件及 PC 机与单片机之间的
4、通讯，将智能家居中的相应模块模拟展示出来。系统主要由硬件系统和软件系统两部分组成，其中硬件系统是以 STC12C5A60S2 芯片为核心的单片机开发板以及单片机外围发光二极管、数码管、蜂鸣器等功能模块。以 Keil uVision2 为软件开发平台，通过串口实现 PC 机与单片机之间的通讯，从而达到 PC 机控制单片机的目的。论文详细阐述了系统的开发及实现过程。关键词：智能家居；Keil uVision2；单片机；STC12C5A60S2；串口通信1 引言1.1 课题研究背景进入 21 世纪，科学技术与生产力水平进入加速发展阶段，随之而来的是人类物质文化生活的极大提高。随着人们生活水平的不断提
5、高，人们不断的对居住环境提出更高的要求，越来越注重家庭生活中每个成员的舒适、安全与便利。智能家居是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术，依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统，如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验 1。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还将原来被动静止的结构转变为具有能动智慧的工具 2，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有
6、效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金 3。智能家居的目标是用各种方法或设备使家居生活实现自动化、智能化，使家居变得更加舒适、安全和有效，从而提高人们的生活质量 4。1.2 系统的主要功能本系统以 STC12C5A60S2 芯片为核心，利用单片机的外围设备及串口通信开发、实现了以下几个功能模块：（1）花样灯的控制，利用单片机上的二极管模拟电灯，根据不同的指令，按照预先设计好的程序，变换出不同的花样。（2）音乐播放，利用单片机上的蜂鸣器模拟音箱，根据指令，按照预先设计好的程序，播放音乐。（3）电机模拟窗帘，利用单片机上的步进电机模拟窗帘的开关，根据指令，按照预先设计好的程序
7、，步进电机模拟完成窗帘的拉开、关闭。2（4）火灾报警，利用单片机上的热敏、光敏传感器，实时采集周围的温度以及光的强度，按照预先设计好的程序，若周围的温度升高且同时光强下降，则认为发生火灾，发出警报。2 整体设计2.1 总体介绍本系统以 STC12C5A60S2 芯片为控制核心，温度，湿度等传感器为环境信息采集源，以串口通信控制为辅助，模拟了一个小型的智能家居系统。在原有的机械式按键开关的基础上，采用串口通信，来控制各功能模块，实现了远距离实时控制。此外在本次系统设计中，采用了多种传感器相结合，根据各传感器采集的数值进行火灾报警自动化控制。2.2 系统设计方案根据设计要求，系统提供了包括了核心控
8、制模块，串口通信模块，花样灯模块等等。系统的整体框图如图 1 所示。图 1 系统整体框图控制界面串口核心控制设备（以STC12C5A60S2 为核心）返回用户输入信息设备状态信息火灾报警（温度，湿度） LCD 显示温度，湿度信息用户输入信息用户控制信息环境信息音乐播放（蜂鸣器）窗帘（步进电机）花样灯（LED 显示）33 硬件系统设计3.1 硬件系统概述小型智能家居系统的核心是单片机的主芯片，因此首先要确定单片机及所用主芯片的类型。单片机具有高集成度、体积小、高可靠性、控制功能强、低功耗、易扩展、优异的性价比等特点，在机电一体化、实时过程控制、办公自动化设备、计算机网络和通信、航空航天系统和国防
9、军事、尖端武器等领域得到了广泛的应用 5。小型智能家居系统要求能够实时控制并通过串口传输数据，根据上述的要求，系统选用 STC 公司的以 STC12C5A60S2 芯片为主芯片的 51 核心板单片机，该核心板支持 DIP40 封装的 STC 系列单片机、AT89S5X 系列单片机，带 USB 转串口模块，能为 STC 系列单片机编程，能与 PC 进行串口通信。本系统硬件原理图如图 2 所示：图 2 硬件系统图3.2 硬件系统的功能模块3.2.1 电源模块电源部分是整个系统的基础，这部分的稳定工作对整个单片机硬件系统的稳定工作起着至关重要的作用，单片机带有先进的系统控制及电源管理模块 6。单片机
10、开发板支持以下两种供电方式： （1） 通过 PC 机的 USB 口提供的+5V 电源，如图 3 所示，即为通过 USB 为系统供电。 （2） 外部 7-12V（最好使用 9V）直流稳压电源适配器供电，通过电源接口 JP1 输入电源。 通过手动控制开发板上的 K1 开关来打开和断开系统供电，当 K1 开关拨至“ON”位置，发光二极管点亮指示系统上电。51 核心板（以STC12C5A60S2 为核心）PC 机LEDUSB 转串口蜂鸣器步进电机火灾报警LCD光敏传感器热敏传感器4图 3 主板供电系统原理图3.2.2 串口模块 串行通讯基本概念计算机与外界的信息交换称为通信 7。常用通信方式有两种：并
11、行通信与串行通信，简称并行传送和串行传送。并行传送具有传送速度快，效率高等优点，但传送多少数据位就需要多少根数据线，传送成本高；串行传送是按位顺序进行数据传送，最少仅需要一根传输线即可完成，传送距离远，但传送速度慢 8。串行通信又分同步和异步两种方式。这两种通信方式的区别在于发送设备时钟与接收设备时钟是否严格一致。同步通信中，在数据传送开始时先用同步字符来指示（常约定 1-2 个），并由同时传送的时钟信号来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，接着就连续按顺序传送数据。这种传送方式对硬件结构要求较高。异步通信中，接收器和发送器有各自的时钟，它们的工作是非同步的，异步通信用一帧来表示
12、一个字符，其内容如下：一个起始位，仅接着是若干个数据位，图 4 中传输 45H 的数据格式。5图 4 串口通信传输 45H 的数据格式另外一个字符应包括以下信息： （1） 起始位：对应逻辑 0（space）状态。发送器通过发送起始位开始一帧字符的传送。 （2） 数据位：起始位之后传送数据位。数据位中低位在前，高位在后。数据位可以是 5、6、7、8 位。 （3） 奇偶校验位：奇偶校验位实际上是传送的附加位，若该位用于奇偶校验，可校检串行传送的正确性。奇偶校验位的设置与否及校验方式（奇校验还是偶校验）由用户需要确定。 （4） 停止位：用逻辑 1（mark）表示。停止位标志一个字符传送的结束。停止位
13、可以是 1、1.5 或 2 位。 MCS-51 单片机的串行接口MCS-51 单片机串行口寄存器结构如 5 图所示。SBUF 为串行口的收发缓冲器，它是一个可寻址的专用寄存器，其中包含了接收器和发送器寄存器，可以实现全双工通信。但这两个寄存器具有同一地址（99H）。MCS-51 的串行数据传输很简单，只要向发送缓冲器写入数据即可发送数据，而从接收缓冲器读出数据即可接收数据。图 5 MCS-51 单片机串行口寄存器结构图6 串行通信标准RS232 和 RS485 是两种典型的串行通信标准，两种标准的主要区别有： （1）传输距离。RS485 传输距离要比 RS232 大很多。 （2）接口电平。RS
14、485 的接口电平比 RS232 电平降低了。 （3）传输速率。RS485 最高传输速率可达到 10Mbps。图 6 RS485 原理及实物图对于软件编程方面， RS485 和 RS232 完全一致，但是由于 485 数据传输为差分方式，需要同样具有 485 接口的硬件，才能实现数据收发，所以在本系统中选用操作起来相对简单的 RS232。 RS232 硬件电路51 单片机有一个以上全双工的串行通讯口，所以单片机和计算机之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，两者之间必须有一个电平转换电路，本系统采用了专用芯片 MAX3232 进行转换。MAX232 芯片是美信公司专门为电脑
15、的 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v 单电源供电。主要特点有：（1）符合所有的 RS-232C 技术标准（2）只需要单一 +5V 电源供电 （3）片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V 和-10V 电压V+、V- （4）功耗低，典型供电电流 5mA （5）内部集成 2 个 RS-232C 驱动器 （6）内部集成 2 个 RS-232C 接收器 97图 7 MAX3232 的原理图本系统采用了三线制连接串口，也就是说计算机的 9 针串口只连接其中的 3 根线：第 5 脚的 GND、第 2 脚的 RXD、第 3 脚的 TXD，这是最简单的连接方法，但是对本系统来说已经足够了。电路如图 8 所示。图 8 串口原理图图 9 串口模块实物图
