目 录
第一章 绪论 ....................................................................................................................... 1
1.1智能家居简介 .......................................................................................................... 1 1.2智能家居的现状 ...................................................................................................... 4 1.3智能家居的发展趋势 .............................................................................................. 4 1.4智能家居的研究意义 .............................................................................................. 5 第二章 智能家居系统方案设计 ....................................................................................... 6
2.1系统的功能实现 ...................................................................................................... 6 2.2单片机的选择 .......................................................................................................... 6
2.2.1 STC12C5A60S2单片机简介 ........................................................................ 7 2.2.2 STC12C5A60S2单片机基本特点： ............................................................ 7 2.2.3 STC12C5A60S2单片机的主要特性 ............................................................ 9
第三章 系统硬件选择及模块电路设计 ......................................................................... 10
3.1电源电路模块的设计 ............................................................................................ 10 3.2温度检测模块电路设计 ........................................................................................ 11
3.2.1 温度传感器器件介绍 ................................................................................. 11 3.2.2温度检测模块电路设计 .............................................................................. 12 3.3亮度检测模块电路设计 ........................................................................................ 12 3.4时钟电路模块设计 ................................................................................................ 13
3.4.1时钟芯片的选取 .......................................................................................... 13 3.4.2时钟模块电路 .............................................................................................. 14 3.5液晶显示电路 ........................................................................................................ 15
3.5.1 液晶显示器件的选取 ................................................................................. 15 3.5.2 LCD1602时序图简介 ................................................................................. 18 3.5.3液晶显示电路设计 ...................................................................................... 19 3.6 开关电路 ............................................................................................................... 19 3.7声光报警模块电路 ................................................................................................ 20 3.8相关用电器工作电路 ............................................................................................ 22
3.8.1电饭锅、饮水机、空调的应对启动电路模块 .......................................... 22 3.8.2窗帘开合模块 .............................................................................................. 24 3.9串口通讯模块 ........................................................................................................ 29
3.9.1 GSM简介 .................................................................................................... 29
3.9.2 MAX232芯片简介 ...................................................................................... 29 3.9.3 GSM模块电路设计 .................................................................................... 30
第四章 软件系统设计 ..................................................................................................... 33
4.1 C语言简介 ............................................................................................................ 33 4.2主控系统部分的软件设计 .................................................................................... 34
4.2.1按键开关输入模块电路的软件设计 .......................................................... 34 4.2.2 LCD液晶显示模块程序设计 ..................................................................... 35
第五章 总结 ..................................................................................................................... 36 致 谢 ................................................................................................................................. 37 参考文献 ............................................................................................................................. 38 附录1：程序清单 .............................................................................................................. 39 附录2：电路原理总图
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第一章 绪论
1.1智能家居简介
随着现代科学技术的进步与发展，智能家居作为一个新生产业，目前处于一个导入期与成长期的临界点，市场消费观念还未形成，但随着智能家居市场推广普及的进一步落实，培育起消费者的使用习惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明。 正因为如此，国内优秀的智能家居生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究，一大批国内优秀的智能家居品牌迅速崛起，逐渐成为智能家居产业中的翘楚! 智能家居至今在中国已经历了近12年的发展，从人们初最初的梦想，到今天真实的走进我们的生活，经历了一个艰难的过程。
智能家居很早就出现在人们的定义当中，但很长时间以来都没有真正意义上的智能家居成型，到了1984年美国联合科技公司（United Technologies Building System）将智能信息融入建筑设备中，在整合的基础上应用到了美国康乃迪克州哈特佛市的城市地标性建筑中时，出现了世界上的首栋智能化建筑，也正是从那时开始，智能化家居正式融入到现代生活中。
智能家居控制的发展关键在于设计理念以及经营者的心态，市场目标客户真正需要什么东西，如果只注重签单，不设身处地的为客户着想，不兼顾智能解决未来的发展，提供片面的智能家居解决方案，而不考虑客户的适用性，是不可取的，是急功近利的表现，这不仅降低了智能家居的应用效果，还不利于整个智能家居行业的发展。
智能家居控制系统的市场不是一般普通的商品买卖，而是一项系统性工程，它涉及到很多技术，涉及到人们生活的方方面面，智能家居控制系统的终极目标是一种理想，更是一种理念，要想智能家居控制系统有很好的发展，研发机构必须本着长远发展的心态，本着简化、实用、性价比高、适合市场的理念，虔诚研究人们的生活、习惯、精神文化等需要，并把它看最高目标，运用各种技术手段实现它。
在国内，智能家居不是单纯意义上的智能产品，也不能被狭义的理解为小区智能化，而是基于小区的多层次家居智能化解决方案。它综合利用主控平台、无线连接及通信、设备管理、整体布局布线等手段，将住户智能化管理、交互共享及消费服务、小区安防监控等常见家居因素协调配合并最终整合为整体，在原有小区智能化的大面上延伸到小区内部室内家居的具体环节，构建出高效、舒适、安全、便捷的个性化住宅空间。近几年，很多研发机构和厂商已经意识到家庭安全的重要性，把智能家居作为一个重要的方向和项目来研究，并纷纷投入大量人力财力，使智能家居真正的走向市场和产业化生产。
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智能家居是一个具有交互能力的平台，并且通过平台能够把各种不同的系统、协议、信息和内容控制在相对独立的模块单元中中进行传输、交换。它具有以下特点：1）每个模块化系统在脱离了智能家居的前提下也能实现原有功能。
智能家居各模块交互过程中，各个模块化系统在脱离了整体化智能家居的平台时，仍然能够独立完成自己在原有整体系统中的功能，比如跨楼通讯、室内安全防护、多样的设备管理、家庭消费服务等。每个单独的模块在整体系统的平台管理下独立运行的同时，平台又能能提取各个模块化系统的运行状态及实时数据，实现家居系统的连动机制。
2）品牌各异的产品在各有千秋的传输协议控制下仍能通过平台进行信息交流与数据传输。由于交互平台的出现，分工明确的各模块化系统在交互平台的统一管理下，能够实现协调运作和运行数据的共享流通，为住户提供较大的取舍空间，并能根据业主需求真正实现独具个性的智能化家居设计。而且，家居系统还有网络关卡这一功能，通过家居互动平台，达到在广域网的连接下，实现遥控管理和实时控制。具有样式各异的主流控制端口，如对RS485、RS232、IP等信号都能实现控制和管理，并且还可以扩充添加国内外时下较为流行的控制端口，如EIB、Lonwork、CE-bus、Canbus，以及无线网络，如：WiFi、GPRS、蓝牙等。根据业主的需求和产品的更新换代及时填改各种总线接口、硬件连接端口和驱动软件等，风格迥异的连通方式、功能控制端口，为模块化系统的多种选择奠定了坚实的基础，只有智能家居系统不断扩大自身的兼容性和整合性，才能赢得更多不同需求的用户和业主。
3）智能终端（触摸屏）只能作为各个模块化系统的实时显示和控制信号传出端。整个智能家居系统在交互平台的协调控制下有条不紊的运行，智能终端（触摸屏）只作为各模块化系统的实时显示和控制信号的发出端，具有多功能的智能终端配置便于操作。而且，平台增加了智能终端的实时显示功能，保证其在各模块系统运行的同时，对系统的运行状态和结果进行实时记录和相关显示，让业主对当前系统状态一目了然，同时为系统运行的优化提速提供了基础。在智能家居的交互平台里，系统能收录和存储各模块化系统的运行数据，对各模块的有效运行提供有效的数据数据，并可以根据历史的运行数据，总结出不同业主的的使用习惯和某种行事规律，让系统能够实现自学习，以便更好的服务业主。
4）控制软件可编程（DIY），提供信息服务。
此系统方便用户改变控制逻辑、控制方式、操作界面，用户的控制逻辑、操作界面可以自定义、可以DIY。在当前流行的家居智能控制系统中，信息服务是一个特别关键而且无法取代的重要环节，配备了信息服务后，它让智能家居系统在越变越聪明的同时，更给我们的日常生活带来了相当一部分的实时资讯和新闻资源，使得智能家居更贴近我们的生活，就像一个勤恳的“大管家”一样，让智能家居变得更加真切有
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形，就像它不是虚拟在呆板的程序控制中，而是和我们进行交流。这样的智能家居或许更是现在越来越多的业主的追求。信息服务可以涵盖多个方面，比如生活小常识、体育资讯、新闻汇总、奇闻趣事等，可以涉及到教育、消费、交通、健康养生等多个方面，让生活乐趣无穷，这应该是智能家居的最高追求。最终，家居的智能化应该不单单是控制的系统，而应该更多的联系实际生活，让它真正融入到我们的实际信息生活中去。
5）多种控制手段。
在日常家居生活中，为了使我们对家庭的控制系统能随时掌控、需要的信息随时获取，操作终端的形式非常重要，多种形式的智能操作终端是必不可少如：智能遥控器、移动触摸屏、电脑、手机、PDA等。
智能家居通过各个子系统的相互协调实现不同的功能，它有几个突出的功能： 1．随时在线的网络服务，保持时刻出于联网状态，为将来的远程办公奠定了基础。 2．危险防护：智能家居的危险防护模块必须24小时监测异常情况的发生，并能及时作出反应。比如外来人员的非法闯入、烟雾感知等，系统能随时根据实际情况启动相应的反应机制。假如意外情况发生，系统能自行控制住异常情况的进一步恶化，并及时通知主人或相关部门，最大程度的保证主人的家居和财产安全。
3．家用电器的远程智能遥控管理，比如对家用电饭锅的何时启动的远程控制，只需业主的一条短信，就能达到远程控制的效果，空调等也有类似远程控制，真正达到主人随时控制家居状态的目的。
4．互动式人性化管理：系统能够利用GSM的通信模块和语音芯片对家居内部家用电器的语音控制，利用很多系统中设置的如温度传感器，光敏电阻等，保证家居系统的主控模块及时响应，实现家居系统的联动响应。
5．环境自行管理。通过各种传感器的感知，并启动响应机制，保证家居室内环境的适宜。
6．保证智能化的娱乐机制。
7．高标准的居室环境。小到卫生间、厨房，大到卧室甚至整个客厅，都能保证高质量的环境系统，时时处处给主人最适宜的居住条件。
8．家庭信息服务：通过形式各样的信息资源，提供给业主最周到的信息服务，让主人在居家的同时，能够全方位、多层面的了解各方面的有价值的信息，让家庭信息服务不再形同虚设。
9．家庭理财服务：通过家庭内部的联网系统，业主可以实时管理自己在银行的账户和理财信息，并时刻提醒业主的消费账单等情况，保证主人的财产时刻处于主人的管理之中。
10．系统的智能化维护：业主利用家庭内部的网络系统，进入家居制造商的相关网页，
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对家居系统的安全隐患、软件和驱动更新等进行下载后，导入家庭内部家居系统，实现家居系统离线的自行故障检测和修复，以及新功能的不断扩建。
1.2智能家居的现状
现如今中国的智能家居市场存在参差不齐的现状，各大、中、小厂家各自为政，种类繁多且互不兼容，使得智能家居市场面临瓶颈。智能家居厂家多集中在发达的东部沿海地区，且没有形成规模化生产，与国外的产品相比而言，无论从品牌影响力还是功能实效上，都存在很大的差距。由于市场分布的不均匀，沿海经济发达地区和内地的许多城市虽已接收了智能家居的概念，然而北方和大部分中西部地区在相对排斥和陌生的同时，更潜藏着内在的巨大市场潜力。
此外，由于智能家居系统还缺乏统一明确的国际标准，许多公司开发出的产品都是基于自己组的网络和信息交换协议，很多产品是针对特定的组网环境开发的，部分核心技术没有对外公布，技术复杂，直接导致了使用范围的局限性。再者，缺乏对应的第三方产品，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，不利于产品的扩充，因而进一步局限了产品的发展。再加上，有的系统成本过高，严重影响了产品的普及。
1.3智能家居的发展趋势
作为智能家居的核心系统的智能家居的控制系统，它的设计功能的完善必将推动住宅智能化的发展。而系统功能的集成化、用户使用的傻瓜化以及市场的平民化将是智能家居控制器的发展趋势，系统也将逐步迈向绿色化。最终，我想全人类的梦想是智能家居控制系统将囊括所有的家事杂物，让我们真正的享受舒适温馨的家庭生活。
智能家居控制系统应该提供高效、舒适的家居环境，确保住户的生命财产安全；随时监测并可以远程遥控家居室内的温度、亮度及风速等多个环境因素，保证最适宜的家居环境。同时检查空气成分，提高空气质量；调节音响，电视等娱乐设施，愉悦心情；合理利用太阳能，灵活应对周遭环境的变化，尽可能的节约能耗，达到合理利用资源；提供现代化的通信、信息服务。
我们知道，虽然智能家居在目前已经取得了初步的成功，但是距离真正意义上的“智能化”，还是有很长距离的。而智能家居的发展趋势主要有以下几个大方向： 1）智能化、人性化
随着人工智能的不断发展和机器人的出现，智能化已经不再那么遥远，毋庸置疑，智能化是智能控制的必然趋势。因此，家居的智能化也必然向智能化方向发展。同时，智能化的出现本来就是为了更好的服务于人们的生活，所以，更富人性化的家居系统也将成为智能家居未来的一个重要方向。
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2）节能环保
智能化的本质之一是降低投入成本，提高产出效率，而节能是降低成本的关键。而当前人们日益增强的环保意识，也使得绿色、环保这两个重要指标成为考核未来家居的重要参考标准，甚至是首要考虑因素。在住宅实现了基本的智能化后，营造绿色生态的住宅，提高生活环境质量，必然成为未来智能家居的追求目标。 3）一体化
既然作为智能家居系统，各模块功能的协调配合而成的一体化，自然成了又一重要发展方向。把各个模块智能化的功能集成，在降低成本的同时，也带来了一体化的智能家居。 4）成本低廉化
如果智能家居想开拓更大的市场，走进更多的用户住宅，高昂的投入费用会成为很多家庭选择的最大阻碍，因此，怎样从不降低智能化家居质量的同时，实现最大的低投入，让更多的消费者接受，也是智能化发展重要考虑方向。
1.4智能家居的研究意义
随着人们生活水平的不断提高，生活节奏的加快，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、安全和便利，因此从市场需求的角度来说，智能家居必然是前景广阔。因此设计一个符合国家国情和规范的集远程控制和本地控制为一体的智能家居控制系统是非常具有现实意义的，且势在必行。 虽然智能家居经过十几年的蓬勃发展，很多功能已趋于完善和成熟，智能化家居系统的应用也越来越广泛，然而生活中的智能家居所展现出的智能化，与业主所理想的智能化还存在较大差距。而这也推动了智能化技术在家居领域的纵深发展，并为各类智能化家居新产品的设计和研发增加了动力，同时新产品的出现，也大大丰富了智能家居系统的厚度。因此，将智能家居作为这次研究的主要内容具有很大的现实指导意义。
本文研究的目的就是设计一个简捷有效智能家居控制系统，从温度、光线信号的采集，到LCD实时显示，并根据采集的信号不通采取相应的应对机制，以及在异常情况下实现声光报警和远程通知家主报警，从而实现基本的智能家居功能。
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第二章 智能家居系统方案设计
2.1系统的功能实现
智能家居系统首先要保证家居安全，因此要有相应的功能模块实现主人不在家情况下有无人员闯入，并决定是否出于报警状态。在出于报警状态时，如果监测到人员闯入要出现声光报警。与此同时，通过手机短信向主人报警。另外还要单独具有一个家庭辅助功能，根据光线强弱决定是否开关窗帘，还可以定时控制家用电饭锅，空调，饮水机等。
智能家居控制系统对整个家庭内部环境进行监测和及时应对的系统，核心部分是单片机，通过与其他个监测模块和执行模块的连接，实现对室内环境的整体改变和各元件的控制。首先，主控元件对接收到的数据（如光线强暗，温度高低）通过LCD显示模块进行实时显示，使室内情况一目了然。然后根据各信号采集模块传送给单片机的数据，作出应对执行，实现家居系统的智能控制。
温度检测，亮度检测 GSM通信模块 单片机 人员闯入检测 LCD液晶显示模块 图2-1 系统总体框图
相关用电器工作状态 声光报警模块 2.2单片机的选择
首先将所需器件罗列，根据与单片机相连的各器件，确定整个系统所需与单片机连接的管脚数，通过查资料，由于检测人员的有无模块采用了接热释电人体红外传感器的方法，在不采用扩展的情况下，选取了STC12C5A60S2这个单片机。因为此单片机增加了P4口，即ALE和NA接口有第二功用，可作为普通的I/O口使用，省去了扩展的麻烦。而且此单片机内部自带A/D转换，将光敏电阻所得信号直接接在单片
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机的P1.0端口，这样，在光敏电阻采集模拟信号的时候，可不用转换成数字量而直接接入单片机，便于单片机的控制。 2.2.1 STC12C5A60S2单片机简介
在众多的51系列单片机中，要算国内STC 公司的1T增强系列更具有竞争力，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，如STC12C5A60S2单片机内部就自带高达60K FLASH ROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。重要的一点STC12C5A60S2目前的售价与传统51差不多，市场供应也很充足。是一款高性价比的单片机。STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期为1T的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的全新型的 51单片机，能够完全识别传统51单片机的指令代码，在这基础上，运行速度却快了8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，8路高速10位A/D转换(250K/S)，2路PWM，特别适合电机控制的干扰严重的场合。
2.2.2 STC12C5A60S2单片机基本特点：
1.属于增强型的51单片机内核，1T高速运行速率，单时钟的机器周期，全部兼容传统51单片机的指令代码；
2.工作电压：STC12C5A60S2的正常工作电压范围：5.5V-3.3V（即5V单片机）； 3.单片机工作频率：0-35MHz，约为传统的51单片机的0～420MHz； 4用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节； 5.片上集成1280字节RAM；
6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口弱上拉（传统51单片机的I/O口），可设置成四种模式：准双向口弱上拉，推挽强上拉，仅为输入/高阻，开漏。每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA；
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），不需要特定的编程器，也不用专用的仿真器，可直接经过端口（P3.0/P3.1）进行程序的下载，速度极快； 8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)； 9.内部自带看门狗；
10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；
11.外部掉电检测电路：由于低压门槛比较器设置在P4.6端口，5V供电的单片机的比
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较门限为1.32V，误差为+/-5%，3.3V供电的单片机为比较门限为1.30V，误差为+/-3%； 12.内部自带时钟电路：外部高精度晶振时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内)。用户在进行程序下载时，可以对使用内部R/C振荡器还是外部晶振时钟自行选择，在常温状态下，5V单片机的内部R/C振荡器频率11MHz～15.5MHz，3.3V的单片机则为8MHz～12MHz；如果对时钟电路的要求精度不是太高，，可以考虑使用内部自带时钟，但由于制造误差和温漂等客观因素的影响，所以应该以实际为准； 13.16位定时器共有4个：其中，由2路PCA模块可再实现2个16位定时器的功能，另外两个与传统的51单片机相同，即16位定时器T0和T1，和做串行通讯的波特率发生器。这就是STC12C5A60S2的四个16位定时器；
14.两个时钟的输出端口，信号在T0溢出时可经过P3.4端口输出时钟，同样的，在T1端口溢出的信号也可在P3.5端口输出时钟；
15.7路的外部中断I/O口，传统的51单片机中断是由下降沿或低电平触发的，而且，此单片机增加了上升沿触发中断的PCA模块，外部中断可唤醒单片机的Power Down模式，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RXD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 )，CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)；
16. 两路的PWM和2路的可编程计数器阵列（PCA）：在实际运用中，无论是实现两个外部中断，还是作为两个定时器，亦或是当作两路的D/A使用，均可实现； 17. 内部自带A/D转换模块，8路的A/D转换，高速的转换速率，10位精度的ADC，都为系统的A/D转换提供了良好的优势；
18. 通用的全双工异步串行端口(UART)，由于STC12C5A60S2系列是高速的51单片机，因此它的多端口口可以由定时器或PCA软件实现；
19. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RXD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TXD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)； 20.工作温度范围：-40 ~ +85℃(工业级) / 0 ~75℃(商业级)； 21.封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48；
当I/O端口口不够时，可通过74HC164/165/595进行端口的扩展，还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU，三线通信，还多了串口。
此单片机是国内STC公司生产的1T运算速率的增强型新一代51单片机，指令代码完全兼容传统的8051，运算速度快了8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S）。内部自带看门狗电路，在诸多功能集一身的基础上，STC12C5A60S2目前售价与传统的51差不多，市场供应充足，因此是一款高性价比的单片机。
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地）；
⑦36可编程I/O线；
⑤4个16位定时器；
③片上集成1280字节RAM；
系统的各个功能模块的协调运作。
⑧低功耗的闲置和外部掉电检测电路；
2.2.3 STC12C5A60S2单片机的主要特性
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图2-2 STC12C5A60S2引脚图
④2个时钟输出口，可由T0/T1的溢出在P3.4/P3.5输出时钟；
②工作频率范围：0~35MHz，相当于普通8051的0~420MHz；
⑥如ALE、NA端口有第二功能，可以作为普通的I/O口接入元器件；
输出，增强型的51单片机等特点，都使得此单片机有更大的优势，来控制整个家居
⑨内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻 接
①Flash工艺程序存储器，可以用电的方式瞬间擦擦、改写，而且支持串口程序烧写；
单片机STC12C5A60S2成为本设计中智能家居系统的主控元件，多端口的输入/
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第三章 系统硬件选择及模块电路设计
系统的硬件选择决定着整个智能家居系统的功能和质量，因此在选件前必须做好充分的准备工作，无论是资料的查阅还是同类型器件优缺点的比较及取舍，都非常重要。有时可能某个元器件的微弱误差引起整个系统的失误或失败。所以在硬件的选取工作上一定要细致，全面比较，综合考虑，在结合性价比的同时更主要功能的实现。 硬件选取后，接下来的工作就是模块电路的连接及整合，根据所选硬件和关键芯片的工作原理和接线方式，进行相关模块电路的设计，在充分考虑可行性的同时还要注重功能实现的简便快捷和准确性。
3.1电源电路模块的设计
系统的主控和核心单元STC12C5A60S2的工作电压为5V直流，而常用家居电源电压均为220V交流，因此若要整个家居系统正常工作，必须提供合理的电源电压，所以需要进行必要的电压转换。
常见的三端稳压集成电路有正电压输出的LM78xx 系列和负电压输出的LM79xx系列。由此我们我们知道，三端IC是指分别由输入端、接地端和输出端这三条引脚输出的一种稳压用的集成电路。本设计中选用LM78xx系列，由于本设计中需用到两个不同的直流电源，即+5V和+12V，则电路原理图如下：
图3-1 电源转换电路
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电源电路工作原理：由于LM78xx系列的三端稳压器都有一个所谓的“压损”问题，也就是稳压时所导致的输入电压与输出电压的落差值（稳压损耗），一般压损为2.5V，所以要想得到想要的稳压值，必须使输入端高于所需值+压损值，综合LM7805和LM7812的输入电压范围，变压器变压后所得的电压分别为9V和15V。5V电源的获得方式如下：首先220V交流电经过一个变压比约为1：24的小型变压器变为9V交流电压，然后通过4个二极管组成的桥式整流器进行整流，滤去大部分纹波电压，输出信号通过电容再次进行滤波，防止产生自激振荡。然后通过一个三段集成器LM7805得到一个5V直流电源，在输出端再接入电容来滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态效应。最后得到一个稳定的+5V直流电源输出。同理，当经过整流桥的电流流经LM7812时，最终经过滤波和稳压，得到一个稳定的+12V电压输出。
3.2温度检测模块电路设计
智能家居的一个主要控制对象就是住户室内温度，适宜的温度为主人提供良好的家居环境，这样一来，温度检测与控制模块就成了首先应该实现的功能。在测温电路中选取了数字温度传感器DS18B20。它独特的一线接口，耐磨耐碰，体积小，并能直接输出温度的数字信号，便于单片机控制。 3.2.1 温度传感器器件介绍
DS18B20内部结构主要由64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器四大部分构成。内部结构如下图所示：
图3-2 DS18B20内部原理图
DS18B20工作原理：DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。 DS18B20测温原理是：受温度影响很小的低温度系数晶振，产生固定频率的脉冲信
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号送给计数器1。随温度变化其振荡率明显改变的高温度系数晶振，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。
根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行 复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后 释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。 3.2.2温度检测模块电路设计
图3-3 温度检测电路
温度检测电路工作原理：DS18B20工作电压为3.0~5.5V，所以5V电源足矣保证其正常工作。数据总线可以对其进行供电，但完成温度测量时间较长，为使其达到迅速测温的要求，采用外部供电。首先，DS18B20把直接读出的被测室温根据实际要求通过简单编程实现9~12位的数字量，然后通过DQ接口由导线进入单片机的P1.1端口，单片机根据所得数字量进行读取，并通过导线传给接在其他端口的LCD，并显示。完成温度的测量和显示。
3.3亮度检测模块电路设计
光敏电阻特性是在不同光照强度下，其阻值发生变化（只要是人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化）。利用这一特性，我们把光敏电阻接入电路实现亮度检测。
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图3-4 亮度检测电路
亮度检测电路工作原理：我们把光敏电阻接入电路后，光敏电阻置于窗口处，由于光线的变化，其阻值也在一定时间内不断变化，从而产生连续的电信号，通过P1.0口进入单片机。由于单片机内部自带A/D转换电路，通过相应程序，能使P1.0口传来的电信号转换成数字信号，单片机读取这些数字信号，就能得出相应的光照强度，并决定是否启动其他应对措施。
3.4时钟电路模块设计
时钟电路可以简单定义如下：
1).就是产生象时钟一样准确的振荡电路。
2).任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。 3.4.1时钟芯片的选取
由于采用单片机计时有诸多缺点，比如一方面需要采用计数器，额外的占用了硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，都需要耗费单片机的资源，而且，可能某些测控系统不支持这种中断、查询等。因此，在本系统中引入时钟电路，芯片选择为DS1302，则能很好地解决这个问题。
DS1302是DALLAS公司生产的的一种具有涓细电流充电能力的电路，它是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。它采用普通32768Hz晶振发出脉冲信号。DS1302 是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
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图3-5 DS1302封装图
DS1302的引脚排列如上图所示,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32768Hz晶振。RST是复位、片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，SCLK为时钟输入端。 3.4.2时钟模块电路
图3-6 时钟模块电路连接图
以DS1302为关键芯片的时钟电路工作原理在上文中已经作了详细介绍，在此便不赘述，但仍有几点需要说明。时钟电路通过晶振提供32768Hz提供一秒一个脉冲
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信号，保证单片机外部的时钟计时，并通过单片机连接到LCD显示屏进行显示。正常情况下，由+5V直流电源为DS1302时钟电路提供稳定电源，如果发生掉电或者意外状况，由图中所示电池盒中的可充电电池为时钟电路继续供电，以保证时钟电路正常的时钟信号。
3.5液晶显示电路
3.5.1 液晶显示器件的选取
LCD1602屏幕为2行，每行显示16个字符，为字符型显示器，只能显示数字和字符，不可以显示汉字。 LCD12864屏幕为64行，每行显示128个字符，为点阵型显示器，可根据需求任意显示字符，数字，汉字和图形。综合价格因素和实际应用的需要，选用LCD1602为改家居系统的显示器。下面详细介绍一下LCD1602的功能实现和各项参数。
? 1602LCD主要技术参数： 显示容量:16×2个字符 芯片工作电压:4.5—5.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm
图3-7 LCD1602实物图
? LCD1602与传统显示器相比，作为输出器件的几个突出优点：
1）显示质量高 由于液晶显示器收到信号后的每一个点都会一直保持原有亮度和颜色，恒定发光。而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器既不会闪烁，又保证了画质高。
2）数字式接口 液晶显示器的输入输出采用数字量，和主控芯片（SCM）的接口连接更加简单可靠，操作也更为简便。
3）重量轻，体积小 液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
4）功耗低 相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，
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因而耗电量比其他显示器要少得多。
LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图10-54所示：
图3-8 LCD1602尺寸图
LCD1602采用标准的16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下：
表3-1 LCD1602的引脚定义
引脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 引脚号 Vss Vcc Vee RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 A K 电平 0/1 0/1 1，1→0 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 +Vcc 接地 输入/输出 输入 输入 输入 输入/输出 输入/输出 输入/输出 输入/输出 输入/输出 输入/输出 输入/输出 输入/输出 作用 电源地 电源（+5V） 对比调整电压 0=输入指令 1=输入数据 0=向LCD写入指令或数据 1=从LCD读取数据 使能信号，1时读取在信息 1→0（下降沿）执行指令 数据总线line0（最低位） 数据总线line1 数据总线line2 数据总线line3 数据总线line4 数据总线line5 数据总线line6 数据总线line7(最高位) LCD背光电源正极 LCD背光电源负极
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? 特殊说明：
第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。
表3-2 LCD1602信号真值表
RS 0 0 1 1 R/W 0 1 0 1 E 下降沿 高电平 下降沿 高电平 功能 写指令代码 读忙标志和AC值 写数据 读数据 ? LCD1602指令集 ：
若想LCD1602能正常工作，必须准确掌握知道其工作的指令集。 1602通过D0~D7的8位数据端传输数据和指令。 显示模式设置： (初始化)
0011 1000 [0x38] 设置16×2显示，5×7点阵，8位数据接口； 显示开关及光标设置：(初始化)
0000 1DCB D显示(1有效)、C光标显示(1有效)、B光标闪烁(1有效) 0000 01NS N=1(读或写一个字符后地址指针加1 &光标加1)， N=0(读或写一个字符后地址指针减1 &光标减1)， S=1 且 N=1 (当写一个字符后，整屏显示左移) S=0 当写一个字符后，整屏显示不移动
数据指针设置： 数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码(0-27H，40-67H) ? 其他设置：
01H(显示清屏，数据指针=0，所有显示=0)；02H(显示回车，数据指针=0)。 通常推荐的初始化过程：
延时15ms 写指令38H 延时5ms 写指令38H 延时5ms 写指令38H 延时5ms （以上都不检测忙信号）
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（以下都要检测忙信号） 写指令38H
写指令08H 关闭显示 写指令01H 显示清屏 写指令06H 光标移动设置 写指令0cH 显示开及光标设置 3.5.2 LCD1602时序图简介
首先来说一下操作时序时间，操作时序时间是启动该读写功能必需得保持电平的时间长度，不过对单片机操作没什么影响，因为单片机的指令周期周期大约为1us（例如晶振为12M时,机器周期为12X1/12M=1us），而1602时序里都是ns级，所以只对高速类控制芯片如FPGA/CPLD等有影响。
时序图读写方法：从上到下，从左到右，高电平在上，低电平在下，高阻态在中间。双线表示可能高也可能低，视数据而定。交叉线表示状态的高低变化点，可以是高变低，也可以是低变高，也可以不变。
如下图所示，图上第一条竖线画面在了RS和R/W上,也就是说第一个时序从这里开始,即先将RS设为高或低(高表示数据读或写,低表示指令读或写)而R/W的高低带表是读还是写,本图是写时序图,所以是低的。
第二步就是给数据,在数据总线上给出数据，这与第一步相隔时间没有要求，实际上先后也没有要求的。
第三步是将使用信号E置高,这里有三个时序要求，第一个是tsp2，这个是这个看表，可以看到叫做”写操作的数据建立时间”。时间最小是40ns，意思就是说第二步的操作，数据信号在总线上生效之后至少要等40ns，才可以给第三步是使能信号E。
第三步的要求不仅如此,还有一个tsp1,同理,这里是讲,R/W信号至少要生效30ns的时间后才能给使能信号. 另外,使能信号上升时间tR要小于25ns.
图3-9 LCD1602写程序时序图
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第四步，使能信号要保持Tpw=150ns以上，51单片机不用考虑,其他高速的MCU什么的就要做延时了。
第五步，使用信号下降，下降时间Tf还是小于25ns。
第六步，数据总线上的数据要保持Thd2的时间才能变化，RS、R/W则要保持Thd1的时间，然后就可以了。
读时序与写时序是相同的，只是R/W中间是高电平而已。 3.5.3液晶显示电路设计
图3-10 LCD液晶显示模块电路
液晶显示电路工作原理：液晶显示器LCD1602通过7~14管脚的数据总线与单片机进行数据传送，单片机通过输出高地电平来控制液晶显示器LCD1602的4~6管脚配合传送的数据决定读/写数据，并通过LCD显示屏显示出来。期间单片机是控制元件，而LCD1602为显示和执行元件。
3.6 开关电路
为了调整LCD显示器的数据，而又在不采用键盘的前提下，设计了如下图所示的按键开关电路。 开关电路工作原理：
开关MEU1为菜单开关，当P3.4输出为高电平时，按下MEU1，电路导通，通过系统预设程序决定单片机传给LCD1602高/低电平，从而切换到写数据过程。当P1.2和P1.3输出均为高电平时，两个开关所在电路均为通路，ADE1键表示增加，DEC1键盘表示递减，通过按下不同的开关，来调整显示在LCD1602上的数据，修改完成
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后，再按一次MEU1键，退出写数据阶段，完成LCD显示器上的数据修改。在三个开关上均要并联1uF的电容，是为了去抖动，以消除按键开关在按下和提起时，电路出现明显的抖动而干扰电路的正常运行。
图3-11 开关模块电路
3.7声光报警模块电路
智能家居的一个关键环节就是如果监测到有人闯入室内，会发出声光报警，并通过短信方式向主人报警，短信通信模块电路会在下文中详细阐述，本环节介绍声光报警电路的设计及工作过程。
如果想要报警，需要有检测人员闯入的模块，而人员闯入时的信息采集模块有两个选择，一个是红外对射管，一个是热释电红外传感器。红外对射管的本质是一条线，只有当碰触这条线时才会监测到，而热释电红外传感器是设防的一个区域，而不仅仅是一条线。出于安全因素的考虑，我们采用热释电红外传感器。
图3-12 热释电红外传感器内部电路图
热释电红外传感器的工作原理：热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测
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目标，其工作原理是利用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外线间歇的照射，其表面温度上升△T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压△U。人体或者体积较大的动物都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅耳透镜滤光片增强后聚集到红外感应源(热释电元件)上，红外感应源在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，进而产生△T并将△T向外围电路输出，后续电路经检测处理后就能产生报警信号，实现监测目标的功能。
若实现声光报警，那么发光二极管和蜂鸣器自然缺一不可。发光二极管采用允许最大电流偏大一点的型号，以防止5V电源直接接在二极管两端烧坏二极管。而蜂鸣器采用普通的蜂鸣器即可达到所需的设计要求。
图3-13 声光报警模块电路
声光报警电路工作原理：为了使二极管和蜂鸣器只有在有人闯入的情况下才会出现报警，所以此电路中引入了PNP型三极管8550，即当接在单片机的P1.7口输出低电平时，电流经过R5电阻给三极管的基极加低电平，使得三极管导通，如此一来，蜂鸣器和发光二极管所在电路就形成了通路。考虑到一般发光二极管最大允许电流为20mA，限压值为2~2.3V，知三极管的压降0.7V，则二极管电阻约为2/0.02=100Ω，所以二极管所串电阻应约为100Ω。另一方面蜂鸣器选择KC1201，5V蜂鸣器，电流
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十几毫安就可以发声，但不能过大，因此本电路选用其与100Ω的电阻串联，这样一来，二极管发光，同时蜂鸣器发声，达到声光报警的目的，其中按键开关K2为常闭开关，为了可以保证人为控制声光报警电路的开关状态，加入按键开关K2。
3.8相关用电器工作电路
不管是光敏电阻模块还是温度检测模块，还是智能家居的另一辅助功能（自动启动电饭锅，饮水机等），要想对其引起的变化做出相应的应对机制，必须有一个电路在接收对应的信号后做出相应的处理措施，接下来逐一介绍： 3.8.1电饭锅、饮水机、空调的应对启动电路模块
根据温度检测模块传来的温度高低，系统应该智能的判断是否符合主人所需的适宜温度，并作出相应变化，决定是否启动空调或在接收主人短信后是否启动自动做饭开关，而这些开关的开合需要有专门的芯片进行驱动。这次我们选取了ULN2003A芯片来实现应对电路的启动。首先介绍ULN2003A：
ULN2003A是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时，ULN2003A输出端为低电平，当输入端为低电平时，ULN2003A输出端为高电平。它是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。
图3-14 ULN2003A实体图
ULN2003A的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下能与TTL和CMOS电路直接连接，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。它是高压大电流达林顿晶体管陈列系列产品，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等优点，适应于各类要求高速大功率驱动的系统。
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图3-15 ULN2003A逻辑图
? 基本参数
模块配置7 NPN 电压, Vceo:50V 集电极直流电流:500mA 直流电流增益hFE:1000 工作温度范围:-20°C to +85°C 引脚数:16 封装类型:DIP 晶体管数:7 最大连续电流, Ic:500mA 输入电压最大:30V 输入类型:5V TTL CMOS 输出电压最大:50V 输出电流最大:0.6A 通道数:7
ULN2003A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003的输出端允许通过IC 电流200mA，饱和压降VCE 约为1V左右，耐压BVCEO 约为36V。输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件，也可直接驱动低压灯泡。
图3-16 最大集电极电流与占空比
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图3-17 电压传播延时波形
图3-18 相关器件应对电路
ULN200A带动的继电器应对电路工作原理：当单片机接到主人的短信提醒时，根据内部程序处理，ULN2003A的IN1管脚与单片机的P2.6口相接，从单片机输出高电平，经过ULN2003A反向后，继电器1所在电路形成通路，继电器1中的线圈开始有电流流入，根据继电器的特性，将继电器1对应的开关从1.2的断路吸合到2.3通路，使得电饭锅所在电路形成通路，电饭锅开始工作，完成做饭。同理，单片机在温度检测模块检测到温度不适宜时，从P2.7口输出高电平，经ULN2003A反向后，使继电器2导通，吸合开关，使得空调所在电路形成通路，空调开始启动，完成温度的调节。
3.8.2窗帘开合模块
窗帘的开合必须要通过电机的牵引，常选用电机有直流电机和步进电机。步进电机是数字式控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就会转动一个角度，步进电机可实现精确定位控制，因此非常适合单片机控制。步进电
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机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。而直流电机虽然控制简单，但是定位精度不高，由于只要达到马达电流就会转动，而且转速和圈数都难以精确控制，因此综合各方面因素，选用步进电机。
如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转的越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速控制。但应注意的是：如果脉冲频率的速度大于了步进电机的反应速度，那么步进电机就会出现失步现象。
图3-19 六线式步进电机接线图
与两相四线步进电机相比，四相八线步进电机虽然步距脚由整步的1.8度变成了0.9度，步进更加精确，但是四相八线步进电机需要驱动器对四个绕组的八个绕组分别进行控制，电路的复杂性和成本都会增加。而且对窗帘的开合控制没必要那样精确，因此本设计采用两相四线，控制四个绕组。因此，步进电机选用两相四拍式步进电机。
表3-3 两相四拍步进电机工作模式时序表
步进电机 信号输入 IN1 正转 IN2 IN3 IN4 IN1 反转 IN2 IN3 IN4
第一步 0 1 1 1 1 1 1 0 第二步 1 0 1 1 1 1 0 1 第三步 1 1 0 1 1 0 1 1 第四步 1 1 1 0 0 1 1 1 返回第一步 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正传，如果按照反序换相通电，则步进电机反转。如：正转通电顺序为：A--B--A’--B’依次循环。则反转的通电顺序为：B’--A’--B--A依次循环。
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? 步进电机重要参数：
拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。
定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。
静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。
（a） （b）
（c） （d）
图3-20 步进电机内部构造图
在前文中已经提到，亮度检测模块检测室内的光线强度，如果亮度过高，则应启动步进电机牵引窗帘关闭，相反，如果亮度过低，启动启动步进电机反转牵引窗帘打开。因此，步进电机的驱动电路也是一个非常重要的环节。ULN2003A能驱动步进电机，但需要将单片机输出的TTL信号放到可以驱动步进电机马达转动的电流强度才行，而这个放大倍数不好控制，而L298N是内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱
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动器，可以直接用单片机的I/O提供信号，而且电路简单，使用方便。介绍完步进电机，接下来介绍一下L298N芯片：
L298N是SGS公司的产品,其内部包含4通道逻辑驱动电路,即内含二个H桥的
高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机。由L298N构成的PWM功率放大器的工作形式为单极可逆模式,2个H桥的下侧桥晶体管发射极连在一起,其引脚排列如下图所示,1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器,形成电流传号。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。需要特别注意的是，L298N需要从外部接两个电压，一个是L298N芯片的，另一个是给电机的。
图3-21 L298N管脚图
L298N是SGS公司的产品，比较常见的是15脚的Multiwatt封装，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。其中，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。ENA控制IN1和IN2脚，ENB控制IN3和IN4，使能端ENA和ENB两路控制电路，TTL电平输入，高电平时有效。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为+2.5～46V。输出电流可达2A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机。L298N的5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
对于步进电机的调速，我们采用PWM调速的方法。其原理就是开关在一个周期内的导通时间为t，周期为T，则电机两端的平均电压U=Vcc*（t/T）=αVcc。其中，α=t/T（占空比），Vcc是电源电压。电机的转速与电机两端的电压成比例关系，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转的越快。在硬件电路的连接上，我们将单片机的P2.2~P2.5口分别连接
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到L298N的IN1~IN4上，通过改变P2.2~P2.5口上的高低电平变化以控制L298N的输出，进而控制电机的正反转，通过改变P2.2~P2.5口上的高低电平的占空比以控制电机的转速。PWM配合桥式驱动电路L298N，实现步进电机的调速，非常简单，由于窗帘的开合对电机速度的要求不是很高，因此，对PWM步进电机调速的要求也就没那么严格了。
图3-22 L298N与步进电机电路接线图
L298N驱动步进电机工作原理：在图中，5V电源给L298N芯片供电，12V电源给步进电机供电，但是两个电源都应接在L298N芯片上。为了防止电源的电压对芯片和电机构成干扰，在两个电源的上并联了两个磁片电容，已达到滤波的目的，保证电源的稳定输出。如上图所示，IN1~IN4分别接到单片机的4个端口，ENA和ENB两个使能端也接入单片机的另外两个端口，使能端高电平时有效，电机通过L298N得到的高低电平，驱动步进电机工作。而图中二极管的作用是：在电机的换向和停止时，电机还在转动，内部线圈产生了感生电流，二极管用来续流。现在介绍步进电机的工作过程，比如，当与L298N的4个输入口连接的单片机四个端口输入1011时，经过L298N的OUT1~OUT4口的输出则变为0100，此时，与L298N的OUT1和OUT2接口相连的绕组A就导通了，驱动步进电机转动一个步距脚，下一个脉冲过来时，变成了1101，同样，经过L298N后，就变成了0010，此时OUT1和OUT2所在的A绕组不工作，OUT3和OUT4所在的B绕组导通，驱动步进电机再转过一个步距脚，就这样依次循环，完成了步进电机的连续正转。相类似的，如果把步进电机的正转给电顺序反转，并连续循环，就实现了步进电机的反转，就这样，完成了单片机对步进电机的正反转控制。
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3.9串口通讯模块
智能家居的一个重要特点就是一体化，即主人可以控制各部分家居系统的开关，也能随时清楚家居系统的工作状态，比如，如果人员闯入室内，报警监测模块会发出声光报警，与此同时，系统会智能的给主人发送一条短信通知主人。而这也就实现了真正意义上的智能家居。而系统给家居主人发送报警短信的这一功能，则是智能家居的核心构成部分，信息通信模块电路的设计也就成为不能忽视的问题。在本设计中，串行通信模块采用先进的GSM通信技术。 3.9.1 GSM简介
GSM是Global System For Mobile Communications的缩写，由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准，GSM是全球移动通信系统(Global System for Mobile communications) 的简称。它的空中接口采用时分多址技术。随着GSM技术的迅速发展以及GSM网络的普遍性的提升，加之其集高效、快速、准确于一身的优点，GSM Modem与单片机的串口通讯是核心部分。GSM Modem是数据通讯与单片机结合的重要组成部分，大部分的GSM Modem使用AT指令来设置参数。
表3-4 与SMS相关的AT指令 AT指令 AT+CMGC AT+CMGD AT+CMGF AT+CMGR AT+CMGS AT+CMGW AT+CMSS AT+CNMI 功能 发出一条短消息命令 删除SIM卡内存的短消息 选择短消息信息格式：0--PDU；1--文本 读取短消息 发送短消息 向SIM内存中写入待发的短消息 从SIM内存中发送短消息 显示新收到的短消息 由于GSM Modem提供的接口是标准的RS232接口，采用ELA电平。而单片机使用TTL电平，与EIA电平不能直接通用，所以要在单片机和GSM Modem之间连接实现电平转换的电路，一般用芯片MAX232来实现EIA和TTL电平之间的转换。 3.9.2 MAX232芯片简介
MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为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。该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0~+5V，MAX232
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就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5V的TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。所有的驱动器、接收器及电压发生器都可以在德州仪器公司的LinASICTM 元件库中得到 标准单元。
MAX232的工作温度范围为0℃至70℃，MAX232I的工作温度范围为-40℃至85℃。
图3-23 MAX232的引脚配置图
? 引脚功能：
第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。
第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。 3.9.3 GSM模块电路设计
GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。GSM模块，是一个类似于手机的通讯模块，集成了手机的若干功能于一块小电路板上，它可以发送短消息，通话等等，模块虽小，但它具备了很多手机的功能，
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拥有它等于就是拥有了手机的核心部分了，它在很多应用领域中都有着广泛的应用，GSM模块通过使用AT指令才能控制它，模块可以与电脑RS232串口相连，也可以用单片机来进行控制。
图3-24 TC35i实物图
? TC35i的管脚功能：
1～5引脚是正电源输入脚通常推荐值4.2V，第6～10引脚是电源地。11、12为充电引脚，可以外接锂电池，13为对外输出电压(共外电路使用)，14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻，用于锂电池充电保护控制。
15脚是启动脚IGT，系统加电后为使TC35i进入工作状态,必须给IGT加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms。
16～23为数据输入/输出，分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0 和DCD0。tc35i模块的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-T RS232接口标准。它有固定的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300bps~115kbps之间可选，默认9600。硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集。其中18脚RXD、19脚TXD为TTL的串口通讯脚，可以方便和单片机进行通讯。
TC35i使用外接式SIM卡, 24～29为SIM卡引脚，SIM卡同TC35i是这样连接的:SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通过SIM卡阅读器与TC35i的同名端直接相连，ZIF连接座的CCIN引脚用来检测SIM卡是否插好，如果连接正确，则CCIN引脚输出高电平，否则为低电平。
TC35i的第32脚SYNC引脚有两种工作模式，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35i的工作状态，可用AT命令AT+SYNC进行切换，本模块使用的是后一种。当LED熄灭时,表明TC35i处于关闭或睡眠状态；当LED为600 ms亮/600ms灭时，表明SIM卡没有插入或TC35i正在进行网络登录；当LED为75 ms亮/3s熄时，表明TC35i已登录进网络，处于待机状态。
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30、31、32脚为控制脚，其中30为RTC backup，31为Power down，32 为SYNC。 35～38为语音接口，35、36接扬声器放音。37、38可以直接接驻极体话筒来采集声音（37是话筒正端，39是话筒负端）。
图3-25 串口通信模块电路图
串口通讯模块工作原理：GSM Modem采用的RS232串口与单片机通信时的两问两答的握手信号：DTR----数据终端就绪，DSR----数据设备就绪好，RTS----请求发送，CTS----清除发送，它们依次有效（1为有效）RS232串口才能收发数据。其中，DSR、CTS是串口输出给单片机的，对单片机来讲可不用接入，而DTR、RTS这2条输入线是终端设备输入给RS232串口的，必须接通。这2个信号可用软件设置或者由硬件产生（即直接把DTR、RTS接到正电压）。本系统采用前者，如上图所示。 至此为止，智能家居系统的硬件电路已经分模块设计完成，把所有的硬件模块进行整合，就完成了智能家居系统的整体硬件电路设计。硬件电路部分是智能家居系统的关键环节，整个系统的功能实现和执行就依靠硬件电路的准确连接和配合。所以，硬件整体电路构成了家居系统的“躯干”，所有的执行和配合都需要对硬件电路作出精确控制，而控制部分就是软件系统的设计。
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第四章 软件系统设计
前文中详细阐述了硬件电路的模块化设计及最终电路总图的整合，这些而能够控制这个家居系统“躯干”的“大脑思维”就是我们接下来会介绍的家居系统另一个重要环节的设计，智能家居软件系统的设计。软件系统是系统控制的灵魂，有极大的灵活性，可以根据系统的要求和功能而变化，在硬件结构一定的情况下，智能性几乎完全靠软件来实现。对于设计者而言，软件系统的设计重在把设计者预设的严密的工作思路，转换成电路及芯片之间能够流通和交流的信号和“语言”。而且，在此次设计中，软件结构仿效硬件电路的设计理念，采用模块化设计，各个功能程序分别编写并调试，在各模块调试成功后，再将所有模块连接整合，构成总系统的软件。这样，不仅有利于程序代码的优化，而且便于编程、调试、维护和协作。
4.1 C语言简介
在本系统的设计中，主要采用单片机的C语言编程，使用Keil uVision2作为单片机软件的开发环境，实现对程序的编辑、编译和调试。C语言是一种通用的计算机程序设计语言，它提供高效的代码，结构化的编程，和丰富的操作符。虽然它不是一种大语言，不是为任何特殊应用领域而设计的，但它的限制比较少，这也就从一定程度上方便了完成不同的软件任务，并进行有效的编程。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有着无与伦比的优越性，而且易学易用，非常适合系统的软件编程。
C语言与其它语言相比，有很多无法比拟的优点：
1）、语言简洁、紧凑，使用方便灵活。C语言一共有32个关键字、9种控制语句，程序书写形式自由，主要用小写字母表示，压缩了一切不必要的成分。C语言程序比其他许多高级语言简练，源程序短，因此输入程序时工作量明显减轻。
2）、运算符丰富。C语言的运算符包含的范围非常广，运算符种类达到34种。数据类型特别广泛，现代语言中的各种数据结构几乎全部包含在内。
3）、具有结构化的控制语句。用函数作为程序的模块单位，便于实现程序的模块化。C语言是完全模块化和结构化的语言。
4）、语法限制不太严格，程序设计自由度较大。为了使程序更加灵活，C语言在语法的检查上放宽了限制，使程序员更加自由的运用C语言。 5）、C语言可以对物理地址直接的进行访问，能进行位操作。
6）、生成目标代码质量高，程序执行效率高。与汇编程序生成的目标代码相比，C语言生成效率只低了20%左右。
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7）、用C语言编写的程序可移植性特别高。在不做修改的前提下几乎能移植到各种操作系统及不同型号的主控部件。由于C语言多功能的特点，使C语言的应用面非常广。
4.2主控系统部分的软件设计
按键开关电路模块利用定时器T0定时器中断实现，LCD液晶显示模块利用T1定时器中断对接收到的温度值以及时钟电路时钟值进行实时显示，其余的功能在主程序中是实现。
4.2.1按键开关输入模块电路的软件设计
按键开关电路使用定时器T0中断，整个过程中，如果LCD显示的时间值不准确，通过MEU1按钮进入按键开关电路执行模块，ADE1键为加键，DEC1键为减键，通过两个按键开关对时间进行调整，调时完成后退出该模块，流程图如下：
T0 中断入口 N 时间慢？
关总中断 Y 按DEC1键调
整到准确值 按ADE1键调
整到准确值
读键盘功能
N 暂时存储 时间值
正确？
Y LCD正确显示
退出键盘功能
开总中断
中断返回
图4-1 时钟模块在LCD实时显示控制流程图
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4.2.2 LCD液晶显示模块程序设计
子程序入口 选通LCD 功能设定 延时 开启显示状态开关
延时 设定光标移动方向 光标归位 取消选定 子程序返回
图4-2 液晶显示模块初始化流程图
T1中断入口 将温度值写入液晶寄存器并显示 关总中断 设置定时器T1 初始值 设置时间显示位置 开总中断 将时间值写入液晶寄存器并显示 中断返回 设置温度显示位置 图4-3 液晶显示设置流程图
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第五章 总结
众所周知，大学生毕业设计的开始也就意味着大学生活即将结束，毕业设计是我们在大学生活的最后一站，它不仅是对我们大学所学知识整合及熟练运用的一次考验，同样是对我们即将走向社会参加实际工作及自学能力的一次锻炼。在毕业设计开题到最终基本完成整个毕业设计的过程中，我得到了我的导师陈老师的大力帮助，也得到了很多同学的热情帮忙。在本次持续一学期的毕业设计中，我受益匪浅。所学到的不仅是对专业知识的掌握及运用，更重要的是学会独立思考、筛选有价值信息和团结互助的团队精神。
通过本次毕业设计，使我对基于单片机的智能控制有了更多的了解和掌握，在科技飞速发展的今天，科技意味着第一生产力，机器智能正在越来越多的方面取代人工操作，作为智能控制在工业应用的代表性成果，它结合了程序调控，提供了定时控制、计数控制、步进控制以及数据处理等多种功能，具有人工作业无法比拟的优越性和精确性。随着科技的发展，基于单片机的智能控制空能也会不断扩大，各项性能也将不断提高。
因为之前在大学理论课上对单片机的相关知识了解甚浅，而且没有系统的概念和思路，所以在设计中约到了很多阻碍，也走了不少弯路。我花了一部分时间和精力去学习单片机的相关知识，不懂的地方去请教陈老师和班里基础好的同学，在他们的耐心讲解下，使我对单片机有了进一步的了解，这对我下一步的设计展开帮助很大。在硬件电路设计和关键芯片元器件的选择上，涉及到了电力电子技术、低压步进电机工作原理，模拟电子技术等多方面的知识，不仅巩固了我大学所学专业的知识，更让我对智能控制有了较为系统的概念和体会。
在刚接到设计课题时感觉无从下手，多亏了陈老师布置了详细的任务及工作流程，让我们提前准备，以防止前松后紧的情况出现。在这期间，陈老师多次在百忙之中抽出时间指导我的毕业设计，并不断提出新的要求和改进方案，帮我克服了很多重要难题。毕竟，毕业设计不是一朝一夕就能完成的简单项目，有时候会急于求成，错过了很多重要环节，是陈老师严把质量关，逐渐锻炼了我戒骄戒躁、独立学习思考的能力，为以后走向工作岗位积累了很多课本之外的经验知识。通过这个毕业设计，自己也基本掌握了电路绘图软件Altium Designer的各种功能，能自行的完成很多电路图的绘制，也为自己增加了一个技能。当然，在设计过程中，也暴露了自己的很多问题，诸如对课堂上学过的理论知识掌握不牢，缺乏综合知识及灵活运用的能力，这也是我以后努力的方向。
毕业设计预示着我大学生活的结束，但是却意味着我走向工作岗位的全新开始！加油！
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致 谢
行文至此，历时三个多月的毕业设计和论文也接近尾声，岁月如梭，我四年的大学时光也即将敲响结束的警钟。在设计过程中，遇到了诸多的阻碍，从电路关键芯片的选择，到部分电路的功能实现，随时会有难题摆在面前。所以，在此衷心感谢我的设计指导老师——陈素老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮我进行设计的纠错和改进。在整个设计过程中，陈老师对我严格要求，引导我不断开阔思路，为我答疑解惑，使我在临近毕业的这一段宝贵时光中，真正的学有所用，增长了知识。陈老师用她渊博的学识、严谨的治学态度、求实的工作作风和她敏捷的思维，深深影响着我，也鞭策着我向优秀靠近，感谢她为我们营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助。我也将终生难忘陈老师对我的亲切关怀和悉心指导，谨向陈老师致以最崇高的谢意！
此外，我也衷心感谢李老师在步进电机原理方面给我的悉心讲解和指导，让我对电机原理及拖动有了更为深刻的认识。也感谢刘晓坤、王仲轲同学的大力帮忙，在电路图设计和程序调试过程中给了我很多帮助，也感谢班内同学互相帮助，让我能克服一个又一个的困难，解明疑惑，直至整个系统设计顺利完成，在这里请接受我诚挚的谢意。虽然自己在专业课的表现上差强人意，是各位老师和同学给我上了人生的重要一课——凡事只有用心付出就会有收获！感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢他们给了我一片天，让我可以尽情飞翔！感谢机电汽车工程学院在我四年的大学生活当中对我的教育和培养，感谢各位老师的辛勤劳动，让我掌握了越来越多的专业知识，为自己将来走向专业化的岗位奠定了良好的基础。由于我的学术水平和理论知识有限，所做设计及论文描述中难免有不足之处，感谢各位老师和学友的批评和指正！
最后，向各位不辞辛苦审阅本论文的各位老师表示衷心的感谢。祝各位老师身体健康，工作顺利!
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参考文献
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