【基于單片機(jī)的智能管家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5500字（論文）】

基于單片機(jī)的智能管家系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 頁(yè)共19頁(yè)摘要摘要：本文綜述了基于窗簾控制智能管家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程，介紹了設(shè)計(jì)制作一個(gè)完整的窗簾控制系統(tǒng)需要做的理論分析以及其制作過(guò)程。自動(dòng)窗簾智能管家系統(tǒng)核心采用的是單片機(jī)Atmega16，其次利用了光照傳感器、溫度傳感器、鍵盤(pán)顯示接口電路以及電機(jī)等外圍電路，整個(gè)系統(tǒng)在各模塊的配合下可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)控制、自動(dòng)控制、定時(shí)控制等功能。該設(shè)計(jì)在理論層面上，用程序語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)各模塊工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系，在應(yīng)用層面上則采用Protel軟件進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)。當(dāng)智能窗簾電路出現(xiàn)故障時(shí)，單片機(jī)采集智能窗簾電路采樣點(diǎn)的電壓后處理采集到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能。該系統(tǒng)基于可靠的硬件設(shè)計(jì)和穩(wěn)定的軟件算法實(shí)現(xiàn)題目基本要求。關(guān)鍵詞：智能管家系統(tǒng)；光電傳感器；ATMEGA16L；智能窗簾一、前言（一）研究思路智能管家系統(tǒng)的整體主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由單片機(jī)擴(kuò)展的外圍電路以及各種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制功能的接口電路組成；軟件部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其特定控制功能的各種程序組成。圖1:自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)的硬件本設(shè)計(jì)中介紹了自動(dòng)窗簾智能管家系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以及軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，以盡最大可能滿(mǎn)足不同人對(duì)窗簾開(kāi)閉的不同需求。（二）設(shè)計(jì)基本功能自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)基本功能：（1）手動(dòng)控制：該功能是根據(jù)用戶(hù)的需求通過(guò)按鍵進(jìn)行窗簾的開(kāi)關(guān)，此功能可以使窗簾的開(kāi)閉處于任何一種狀態(tài)；（2）光照自動(dòng)控制：系統(tǒng)可以根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的光照強(qiáng)度值通過(guò)感光器采集光照自動(dòng)開(kāi)光窗簾；（3）時(shí)間控制：此功能是根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的時(shí)間一次性開(kāi)關(guān)窗簾，并顯示當(dāng)前溫度。（4）溫度報(bào)警系統(tǒng)：可以自行設(shè)置溫度報(bào)警溫度。（5）時(shí)間顯示及鬧鐘系統(tǒng)：可以自行設(shè)置鬧鐘時(shí)間。（6）手動(dòng)自動(dòng)控制按鍵隨時(shí)切換。（三）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框圖如圖2所示。光敏傳感器光敏傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路控制信號(hào)Atmega16顯示模塊鍵盤(pán)模塊步進(jìn)電機(jī)圖2:電動(dòng)窗簾控制器結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)光照來(lái)開(kāi)閉窗簾主要原理是用光敏電阻采集外界的光強(qiáng)度，從光傳感器采集的信號(hào)利用信號(hào)校正電路放大，濾波后輸入單片機(jī)。傳入的信號(hào)由Atmega16單片機(jī)來(lái)控制，并且做出響應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止。顯示模塊是用來(lái)顯示自動(dòng)窗簾控制器的各種狀態(tài)。鍵盤(pán)作為輸入設(shè)備，通過(guò)不同按鍵來(lái)控制單片機(jī)進(jìn)行各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。二、窗簾智能管家系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（一）單片機(jī)選用本套系統(tǒng)的主控制器ATmegal6是一種低功耗、高性能微控制器，封裝圖如圖3所示。具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過(guò)片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時(shí)讀寫(xiě)操作，兩個(gè)可編程的串行USART;可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口;具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器。圖3:ATmegal6的PDIP封裝圖圖4:最小系統(tǒng)智能管家系統(tǒng)的支路控制系統(tǒng)是模擬窗簾控制系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)采用ATMEL公司的ATMEGA16L單片機(jī)作為主控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)受控對(duì)象的控制。與AT89S52相比，ATMEGA16L是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，具有速度快、輸出電流大、工作電壓范圍寬、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是一款性?xún)r(jià)比很高的單片機(jī)。（二）單片機(jī)最小系統(tǒng)1、時(shí)鐘模塊硬件電路DS1302是一個(gè)高性能，低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，DS1302與微控制器連接只需要三個(gè)線，采用三線SPI接口與CPU同步通信發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)或多個(gè)字節(jié)的RAM中的數(shù)據(jù)。DS1302對(duì)于每一位讀者需要16個(gè)時(shí)鐘脈沖，脈沖輸入操作前8地址和寫(xiě)命令。DS1302實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、起止時(shí)間控制照明燈具。在此系統(tǒng)中，ATmegal6單片機(jī)為主要設(shè)備，DS1302的設(shè)備和從設(shè)備接收數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)。SCLK，I/O，RST。與7必須1；00意味著向芯片寫(xiě)入數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)從芯片到1；位6～位1選定芯片中的地址。后8個(gè)脈沖寫(xiě)入或讀出數(shù)據(jù)。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)時(shí)鐘所采用的晶振為50MHz的有源晶振，該有源晶振主要采用3.3V的直流電源作為系統(tǒng)時(shí)鐘電路的供電電源。經(jīng)實(shí)際電路測(cè)試，該時(shí)鐘電路可以穩(wěn)定輸出50MHz的時(shí)鐘頻率，在示波器中實(shí)際測(cè)試觀察可以看到頻率中的紋波很小幾乎可以忽略不計(jì)，該時(shí)鐘電路是單片機(jī)最小系統(tǒng)中常用的系統(tǒng)時(shí)鐘電路，因此該設(shè)計(jì)電路非常可行，穩(wěn)定性也很好。圖5:時(shí)鐘模塊硬件電路圖2、復(fù)位電路本文采用廣泛的單片機(jī)ATmegl系列、復(fù)位電路如圖6所示，有效時(shí)間超過(guò)24振蕩周期可以完成復(fù)位操作。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，和振蕩器穩(wěn)定，如果有其他高水平銷(xiāo)和維護(hù)兩個(gè)機(jī)器周期(24)振蕩周期以上，CPU可以響應(yīng)和重置系統(tǒng)。RST銷(xiāo)復(fù)位信號(hào)輸入，復(fù)位信號(hào)的有效高度，RST有一定寬度的脈沖，可以有效地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。從其他ATmegal6復(fù)位信號(hào)芯片的施密特觸發(fā)器的輸入。在12MHz時(shí)鐘時(shí)，通常C7可取22μF，R2可取1kΩ，需持續(xù)2μs以上才能完成復(fù)位操作。圖6:復(fù)位電路隨著時(shí)間的增加，電容電壓值增加緩慢，和RST銷(xiāo)上的電壓逐漸降低，當(dāng)RST銷(xiāo)的電壓值降至較低水平，單片機(jī)恢復(fù)正常，呼吁電動(dòng)復(fù)位。3、單片機(jī)電源的設(shè)計(jì)utu2410-S-V3.02410開(kāi)發(fā)板電壓設(shè)計(jì)采用5V輸入主板，經(jīng)電壓穩(wěn)壓，提供I/O端口需要的電壓3.3V。要核心板上采用穩(wěn)壓模塊供CPU內(nèi)核電壓（2.5V或1.8V）電源電路如圖7所示。LCD的CCFL背光使用12v電源控制電路，穩(wěn)壓電源直接提供的，地板使用5v電源電路，穩(wěn)壓電源直接提供的。圖7:電源電路設(shè)計(jì)圖12V轉(zhuǎn)5V（三）系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)1、獨(dú)立控制鍵電路鍵盤(pán)是人機(jī)交互的重要部件。鍵盤(pán)包括2個(gè)獨(dú)立按鍵S2和S3，一端與單片機(jī)的P1.3和P1.4口相連，另一端接地，當(dāng)按下任一鍵時(shí)，P1口讀取低電平有效。系統(tǒng)上電后，進(jìn)入鍵盤(pán)掃描子程序，以查詢(xún)的方式確定各按鍵，完成溫度初值的設(shè)定。鍵盤(pán)操作模塊在電風(fēng)扇底座部分有一個(gè)3x3小矩陣鍵盤(pán)，可以進(jìn)行風(fēng)的強(qiáng)度、類(lèi)型、定時(shí)等系統(tǒng)設(shè)置，按鍵電路圖如圖8所示。圖8:按鍵控制原理圖2、LCD顯示模塊的電路設(shè)計(jì)液晶顯示采用LCD12864，這樣就算是在不使用計(jì)算機(jī)的情況下，控制系統(tǒng)系統(tǒng)也能正常運(yùn)行，并且能具有直觀的可視性。在顯示模塊方面我們使用的是液晶屏，以下對(duì)液晶顯示屏作簡(jiǎn)單的介紹。同CRT顯示器相比，LCD顯示器的平面顯示技術(shù)零件少、桌面占據(jù)少、耗電量較小，但CRT技術(shù)更為穩(wěn)定成熟。圖9:ATMEGA16L單片機(jī)中LCD的電路圖圖10:LCD系統(tǒng)總線圖在ATMEGA16L單片機(jī)的LCD控制器是用來(lái)傳輸視頻數(shù)據(jù)，有VD(23:0)共引腳23個(gè)用于傳送視頻資料，并產(chǎn)生諸如VDENS，VSYNC，VCLK，HSYNC等必要的控制信號(hào)，其中VDENS是數(shù)據(jù)有效標(biāo)志信號(hào)端口，VCLK是像數(shù)時(shí)鐘信號(hào)端口，VSYNC是指幀同步信號(hào)端口，HSYNC是指行同步信號(hào)端口。3、報(bào)警提醒模塊蜂鳴器使用PNP三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，蜂鳴器使用的是交流蜂鳴器。當(dāng)在BEEP輸入一定頻率的脈沖時(shí)，蜂鳴器蜂鳴，改變輸入頻率可以改變蜂鳴器的響聲。因此可以利用一個(gè)PWM來(lái)控制BEEP，通過(guò)改變PWM的頻率來(lái)得到不同的聲響，也可以用來(lái)播放音樂(lè)。若把JP7斷開(kāi)，Q4截止，蜂鳴器停止蜂鳴。圖11:蜂鳴電路圖（四）智能管家系統(tǒng)的傳感器模塊選用1、光敏傳感器窗簾智能管家系統(tǒng)的光控功能是可以根據(jù)光照的強(qiáng)弱來(lái)自動(dòng)控制窗簾的開(kāi)閉的，因此需要用到光照傳感元器件，在本設(shè)計(jì)中采用了光敏電阻。應(yīng)用光控原理工作，天亮窗簾自動(dòng)打開(kāi)，天黑窗簾自動(dòng)關(guān)閉。由運(yùn)放組成比較電路，同向輸入端有兩個(gè)電阻分壓得到一個(gè)電壓值，作為基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，而反相輸入端用一個(gè)光敏電阻對(duì)外部環(huán)境的光線進(jìn)行采集，利用光敏電阻暗時(shí)電阻大，亮?xí)r電阻小的特點(diǎn)，來(lái)確定反向輸入端的電壓值。圖12:光敏傳感器2、溫度傳感模塊采用單總線專(zhuān)用技術(shù)，既可通過(guò)串行口線，也可通過(guò)其它I/O口線與微機(jī)接口，無(wú)須經(jīng)過(guò)其它變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值（9位二進(jìn)制數(shù)，含符號(hào)位）測(cè)溫范圍為-55℃-+125℃，測(cè)量分辨率為0.0625℃。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM，溫度傳感器，非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，高速暫存器。DS18B20的管腳排列如圖13所示。圖13:DS18B20管腳圖在硬件上，DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，I/O與單片機(jī)的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí)UDD、GND接地，I/O接單片機(jī)I/O。無(wú)論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5KΩ左右的上拉電阻.我們采用的是第一種連接方法，如圖14所示:把DS18B20的數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的13管腳連接，再加上拉電阻。圖14:溫度傳感電路圖（五）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板考慮到智能管家系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和控制的精確性，本課題用ATMEGA16L單片機(jī)設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)的控制器單獨(dú)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓，本系統(tǒng)選用的驅(qū)動(dòng)電壓為機(jī)車(chē)電源電壓110V。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為智能窗簾的正常行駛提供動(dòng)力，本系統(tǒng)選用的步進(jìn)電機(jī)是L298N型功率為70W的空心杯轉(zhuǎn)子步進(jìn)電機(jī)，考慮到該電機(jī)所需要的輸入電壓和輸入電流都很大，所以驅(qū)動(dòng)芯片選用美國(guó)公司生產(chǎn)的L298N驅(qū)動(dòng)器。使用PWM波進(jìn)行占空比調(diào)速，參數(shù)配置方便而且可調(diào)性更高，電機(jī)正反轉(zhuǎn)時(shí)還有LED指示燈顯示控制效果，非常直觀方便。圖15:電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298N電路圖三、智能窗簾系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（一）統(tǒng)軟件總設(shè)計(jì)主程序構(gòu)成無(wú)限循環(huán)，主要完成單片機(jī)初始化，關(guān)中斷，菜單顯示內(nèi)容初始化，按鍵控制，電機(jī)運(yùn)行，計(jì)時(shí)等功能。主程序軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖16所示。開(kāi)始開(kāi)始關(guān)中斷設(shè)置推顯示短路帽？觸發(fā)控制外部觸發(fā)？設(shè)置時(shí)間到點(diǎn)？開(kāi)始計(jì)時(shí)電機(jī)工作完成？電機(jī)停止YNYNNYYN圖16:主程序軟件設(shè)計(jì)流程圖啟動(dòng)智能管家系統(tǒng)的主程序，先關(guān)中斷并且設(shè)置堆棧，接著初始化寄存器，初始化顯示內(nèi)容；然后根據(jù)短接帽是否連接執(zhí)行相應(yīng)的操作。（二）系統(tǒng)軟件子程序設(shè)計(jì)1、步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是：（1）判斷旋轉(zhuǎn)方向；（2）按順序傳送控制脈沖；（3）判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。步進(jìn)電機(jī)工作流程圖如17所示。開(kāi)始開(kāi)始步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)？傳送正轉(zhuǎn)的脈沖序列傳送反轉(zhuǎn)的脈沖序列傳送步數(shù)是否完畢？傳送步數(shù)是否完畢？返回圖17:步進(jìn)電機(jī)工作流程圖表1:步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向表橙黃粉藍(lán)十六制（P1口）10000X0811000X0C01000X0401100X0601000X0200110X0300010X0110010X092、鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)在操作按鍵時(shí)，無(wú)論是按下還是松開(kāi)，觸電在閉合和斷開(kāi)時(shí)均會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，此時(shí)邏輯電平是不穩(wěn)的，如果得不到正確的處理，可能會(huì)引起單片機(jī)對(duì)按鍵命令的錯(cuò)誤執(zhí)行。解決這個(gè)問(wèn)題的簡(jiǎn)單方法是利用軟件延時(shí)。在單片機(jī)處理按鍵操作后都延時(shí)5ms，如果確定是按鍵后再延時(shí)12ms，這樣基本可以避免鍵盤(pán)的抖動(dòng)。然后由單片機(jī)運(yùn)行鍵碼分析，并執(zhí)行相應(yīng)的命令，顯示并且返回。圖18是鍵盤(pán)設(shè)計(jì)流程圖。兩次調(diào)用顯示程序兩次調(diào)用顯示程序返回開(kāi)始按鍵？調(diào)用顯示程序延時(shí)分析按鍵，執(zhí)行YN圖18:鍵盤(pán)設(shè)計(jì)流程圖在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)有兩性能很大一部分取決于鍵盤(pán)處理程序。在按鍵時(shí)按得快了沒(méi)有反應(yīng)，按慢了一連響應(yīng)幾次，總給人遲鈍感，不能使人滿(mǎn)意。在該設(shè)計(jì)中用以下思路設(shè)計(jì)的鍵處理程序。3、定時(shí)程序設(shè)計(jì)定時(shí)程序的主要作用是在用戶(hù)設(shè)定的時(shí)間后能夠使單片機(jī)收到一個(gè)中斷信號(hào)，從而發(fā)出相應(yīng)的指令，控制窗簾的開(kāi)關(guān)。時(shí)鐘芯片發(fā)出50ms的信號(hào)給單片機(jī)后，計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作，計(jì)數(shù)器記到20，則時(shí)間即為1秒，秒單元加1，當(dāng)秒單元計(jì)數(shù)到60，分單元加1，此時(shí)秒單元清零。當(dāng)時(shí)單元計(jì)數(shù)到24.時(shí)單元清零。圖19是定時(shí)程序流程圖。開(kāi)始開(kāi)始計(jì)數(shù)器滿(mǎn)20秒加1秒滿(mǎn)60分滿(mǎn)60時(shí)加1時(shí)滿(mǎn)24清零返回圖19:定時(shí)程序流程圖4、報(bào)警子程序程序設(shè)計(jì)蜂鳴器在其兩個(gè)保險(xiǎn)絲只有3至15v直流電壓，可以產(chǎn)生大約3KHZ的聲音蜂鳴器振動(dòng)?？梢允褂靡粋€(gè)晶體管驅(qū)動(dòng)程序。報(bào)警程序設(shè)計(jì)如圖20所示。超速報(bào)警電路超速報(bào)警電路報(bào)警鳴音不報(bào)警判別觸發(fā)信號(hào)YN圖20:報(bào)警程序流程圖5、系統(tǒng)顯示子程序因?yàn)橥ㄟ^(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，使單片機(jī)的數(shù)據(jù)以16進(jìn)制儲(chǔ)存于寄存器當(dāng)中，為了讓LED顯示需要轉(zhuǎn)換為BCD碼。本次采用軟件消抖，通過(guò)調(diào)用子程序延時(shí)來(lái)解決，可以很好地解決單片機(jī)的抖動(dòng)問(wèn)題。驅(qū)動(dòng)HD7279驅(qū)動(dòng)HD7279選擇段、位碼LED顯示數(shù)據(jù)傳輸YNLED閃爍LED閃爍≤2m≥15m圖21:LED顯示子程序流程圖6、溫度測(cè)量子程序DS18B20程序流程圖如圖22所示：開(kāi)始開(kāi)始調(diào)初始化子程序設(shè)置跳過(guò)ROM命令CCH，調(diào)寫(xiě)命令子程序設(shè)置啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換命令44H，調(diào)寫(xiě)命令子程序調(diào)延時(shí)子程序調(diào)初始化子程序設(shè)置匹配命令BEH，調(diào)寫(xiě)命令子程序設(shè)置溫度數(shù)據(jù)存放位置，調(diào)寫(xiě)命令子程序讀出數(shù)據(jù)結(jié)束圖22:DS18B20程序流程圖由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送。因此，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。系統(tǒng)還有一個(gè)循環(huán)顯示數(shù)碼管程序編輯及小部分元器件控制程序。四、結(jié)論本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)地介紹了窗簾智能管家系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)。在總體方案設(shè)計(jì)中以光敏電阻和雨滴傳感器作為信號(hào)的傳感器，使得設(shè)計(jì)的