一种单片机方案的智能家居系统设计与实现

黄红霞,鲁令军,肖贵贤,丁小康

(1湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003；2黄石安达业智能科技有限公司,湖北 黄石 435003)

一种单片机方案的智能家居系统设计与实现

黄红霞1,鲁令军2,肖贵贤1,丁小康2

(1湖北理工学院 电气与电子信息工程学院，湖北 黄石 435003；2黄石安达业智能科技有限公司,湖北 黄石 435003)

针对智能家居的控制问题，提出了一种控制方案。以单片机为核心，通过外部传感器，系统实现了多源控制、红外发射和接收、按键手动模式转换、液晶显示等家居环境自动监控。对系统进行了仿真，仿真结果验证了系统设计的正确性。该智能家居系统提高了家居的舒适性和安全性。

智能家居；单片机；传感器

随着电子集成技术和网络技术的发展，智能家居的应用日渐普及。智能家居系统具有温度、湿度采集，空气质量测量，智能照明等安防功能，并可通过手机、电话、互联网等方式实现对家居的远程监控，提高了家居的安全性和舒适性。智能家居是一个有机的整体，可以对各单元单独控制，也可以互相联通。本系统拟采用单片机方案，结合红外遥控技术实现对室内温度、湿度检测，窗帘、照明开关智能控制等功能。

1 系统总体方案设计

系统采用STC89C52单片机作为控制核心，整个系统分为4个模块：智能家居主控电路模块(包含串口通信模块、矩阵控制模块、电机电路和LED电路)、红外遥控模块、报警模块、液晶显示模块。主控电路主要包括单片机最小系统、串口部分、矩阵按键部分、传感器部分和红外接收部分，模拟室内照明系统的LED灯和模拟窗帘开闭的电机部分[1]，并且选用时钟芯片DS1302通过液晶实时显示日期时间，采用ULN2003A芯片控制电机的正反转。系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

2 系统硬件设计

2.1系统整体电路

系统整体电路图如图2所示，选择STC89C52单片机为控制核心，外部设备包括矩阵按键、电机控制部分和传感器部分等。电机控制部分，主要通过ULN2003A芯片，外接单片机的P00～P06口，控制电机的正反转。矩阵按键部分，采用4*4矩阵键盘,键值读取方法采用扫描法，端口使用P0口，其中P0.0～P1.3为行线，P1.4～P1.7为列线，在对行、列扫描之前，先扫描整个P1口，当读到有键按下才会去具体扫描行与列[2]。传感器部分，采用DS18B20温度传感器，与STC89C52单片机通过口线相连实现双向通信， DS18B20温度传感器测温范围为-55～+125 ℃，固有测温分辨率0.5 ℃。测量结果以9～12位数字量方式串行传送,并通过液晶实时显示测试温度。

整个系统电路设计充分利用单片机资源，按键和LED采用分时复用，P3口和P1口外接12864液晶显示；采用DS1302芯片构成时钟电路，P0.6和P2.6分别接红外接收管和温度传感器，并通过P0口外接电机。

图2 系统整体电路图

2.2时钟电路

时钟电路采用DS1302时钟芯片，工作电压为2.5～5.5 V 。DS1302芯片自带存储功能，具有功耗低、功能强的优点[3],可以对年、月、日以及时、分、秒等参数进行调整计时，具有闰年补偿功能。

2.3报警电路

报警电路采用蜂鸣器报警，蜂鸣器正极性的一端联接到5V电源上面，另一端接到三极管的集电极，三极管的基极由单片机的P2.7管脚来控制，当P2.7管脚为高电平时，三极管导通，电流形成回路，蜂鸣器发出声音。利用传感器SHT11对室内的温度、湿度进行检测，当检测值超过程序设定初值时，单片机的P2.7端口输出高电平，使蜂鸣器产生报警[4]。通过液晶屏可以显示时间，可设定预定时间，通过蜂鸣器报警电路实现闹钟功能。

2.4红外遥控模块

采用遥控器M50462和红外接收器SM0038实现红外的发射和接收。红外遥控器控制液晶显示时间、电机正反转(模拟家居窗帘的开闭)和LED灯的亮灭(模拟室内的灯光)[5]。红外接收器集红外接收管、前置放大解调等于一体，无外部电路，体积小，密封性好，灵敏度高，抗干扰能力强，应用简单。

3 软件系统设计

智能家居软件系统采用模块化编程的思想，将每一个功能分成单个模块分布实现，再将所有的模块整合。

3.1液晶显示时间日期部分

通过程序使液晶实时显示日期和时间，通过换算将农历显示出来，而且可以通过红外和按键来调整时间。

3.2报警和闹钟部分

通过程序设置时间，当液晶显示到预定时间的时候，单片机P2.7端口输出高电平，使蜂鸣器导通发声，实现闹钟的功能；还可以在程序中设定温度的极限值，当传感器温度超过设定值时，蜂鸣器报警。

3.3电子锁部分

在程序中设计单片机2种工作模式，当主人离开时，系统工作在锁定状态，在程序中设置密码，只有密码正确，才能进入智能家居系统平台[6]。

3.4红外遥控解码部分

利用程序，通过单片机将M50462遥控器发出的红外信号进行解码，然后将解码后的数据通过单片机端口输出，分别控制LED和电机。

4 系统PCB设计及仿真

4.1系统PCB设计

整个系统PCB采用双层布线，线路的走向尽可能取直，以短为佳，走线平滑自然，连接处用圆角，避免用直角，且在这些导线之间最好加接地线，尽可能多地保留铜箔作为公共地线，且布置在PCB的边缘。

4.2系统仿真结果

采用Protues软件进行系统仿真，其仿真结果如图3所示。将程序编译生成的hex文件加载到单片机中观察程序运行的状态，调试各个模块的功能至运行正常。

图3 系统仿真图

5 结束语

智能家居系统通过单片机控制外围设备的运行状态，以液晶为显示平台显示室内各种参数，利用红外遥控使外围设备运行、改变显示时间和日期，也可以通过按键实现手动控制，还可以利用串口实现PC远程控制，优点主要是简单、方便，提升了家居的安全性和便捷性。

[1] 赵林旺.智能家居中物联网研究与应用[D].上海:华东理工大学,2016.

[2] 汪广业,王金鹏,杨娜,等.LED光通信中高聚光性菲涅尔透镜的设计[J].光通信技术,2015,39(8):12-15.

[3] 马卫星.现代照明设计方法与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2014:35-78.

[4] 郝博麟.基于ZigBee技术的智能家居系统应用平台的设计与实现[D].长春：吉林大学,2016.

[5] 张贝贝.基于ZigBee技术的智能家居控制系统的研究与实现[D].青岛:青岛科技大学,2016.

[6] TU MC,Shin D,Shin DK,et al.Fundamentals and design of smart home middle ware[C]//International Joint Conference on Computational Sciences and Optimization,Sanya:IEEE Press,2009:647-650.

Design and Implementation of Intelligent Home System Based on Singlechip

HuangHongxia1,LuLingjun2,XiaoGuixian1，DingXiaokang2

(1School of Electrical and Electronic Information Engineering,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;2Huangshi Andaye Intelligent Technology Co.,Ltd.,Huangshi Hubei 435003)

Aiming at the problem of the intelligent control of Intelligent Home,this paper proposed a control design based on singlechip.With the singlechip as the core and through the external sensors,the system achieved conversion of multi-source control,infrared transmitting and receiving,key conversion in manual mode,LCD real-time display and automatic monitoring of home environment based on singlechip.The system was simulated and the simulation results validated the accuracy of the design.This intelligent home system improved the home comfortability and safety.

intelligent home;singlechip;sensor

2017-06-13

黄石市科技局科技企业创业与培育项目(项目编号QYCY2015000106);湖北理工学院校级教学研究项目(项目编号2014C15)；湖北省教育厅指导性项目(项目编号B20123003)。

黄红霞，讲师，硕士。

10.3969/j.issn.2095-4565.2017.05.003

TP29

A

2095-4565(2017)05-0008-04

(责任编辑吴鸿霞)