【正文】 單片機控制 機械控制 報警提醒 電源模塊 顯示模塊 傳感器采集 鍵盤控制 2021屆本科畢業(yè)論文 5 本設(shè)計采用 ATmega16 作為主控芯片，各種傳感器對周邊環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而反饋給處理中心，進(jìn)而對整個系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控與控制。 系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖 1 所示。 主控芯片選擇 單片機按 CPU 的處理能力分類目前有 4 位、 8 位、 16 位、 32 位，位數(shù)越高的單片機在數(shù)據(jù)處理能力和指令系統(tǒng)方面就越強， AVR、 5 PIC 都屬于 8 位機。 8 位單片機由于內(nèi)部構(gòu)造簡單、體積小、成本低廉，在一些較簡單的控制器中應(yīng)用很廣。本課程設(shè)計 8 位單片機已滿足要求。 方案一：采用傳統(tǒng)的 8 位 89C51 單片機作為主控芯片。 51 單片機具有價格低廉 ,使用簡單等特點，但其運算速度低，功能單一， RAM、 ROM 空間小等缺點。若采用 89C51需要做 RAM， ROM 來擴(kuò)展其內(nèi)存空間，其硬件工作量必然大大增多。 方案二：采用 AVR 單片機作為主控芯片，其簡便易學(xué)、費用低廉、低耗、保密 、I/O 口功能強，且 AVR 單片機是高速 嵌入式單片機 ，其內(nèi)部集成了 AD 轉(zhuǎn)換電路，以及功能強大的 定時器 /計數(shù)器、通訊接口。 綜上考慮，選用 ATmega16 單片機為 CPU 最為合適，且 ATmega16 單片機具有 16K的 flash， 512 字節(jié)的 EEPROM，滿足我們設(shè)計的需求。 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 主控芯片 ATmega16 ATmega16 是基于 8 位 CMOS 微控制器，低功耗 AVR RISC 結(jié)構(gòu)。得益于 其先進(jìn)的指令集 及單時鐘周期指令執(zhí)行時間 ，使 ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐量可達(dá) 1MIPS/MHz，故可緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間矛盾 [5]。 ATmega16 具有 16K 字節(jié)可編程閃存， 512 字節(jié)的 EEPROM， 1K 字節(jié)的 SRAM，32 個通用 I / O 端口 ， 32 個通用寄存器，邊界掃描的 JTAG 接口 [6]，支持片上調(diào)試和編程，三個具有更靈活方式的定時器 /計數(shù)器（ T / C），內(nèi)部 /外部中斷，可編程異步串行通訊，一個通用串行連接， 8 路 10bit 可選的 ADC，一個串行端口和省電模式，模式可以通過單片機內(nèi)部的寄存器進(jìn)行設(shè)置選擇。 當(dāng)單片機處于空閑方式時， CPU 不再運行，但 USART、 SRAM、 T / C、 SPI 端口、兩線接口、 A/D 轉(zhuǎn)換器和中斷繼續(xù)正常工作；當(dāng)單片機處于掉電模式時，晶體振蕩器不再振蕩，但中斷模塊以及復(fù)位系統(tǒng)正常工作，而其他所有功能都不再運行； 智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計 6 當(dāng)單片 機處于省電模式時，異步定時器正常運行，且允許用戶保持一個時間基準(zhǔn)，但其他功能將停止運行；當(dāng)單片機處于 ADC 噪聲抑制模式下，只有異步定時器以及 ADC正常運行，其他模塊均休眠，為的是減少在 ADC 轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的開關(guān)噪聲； ATmega16 擁有 C 語言編譯器、宏匯編程序、程序調(diào)試器 /仿真器以及仿真器等一系列的編程工具，還會有評估板等相應(yīng)的系統(tǒng)開發(fā)工具 [7]。 圖 2 和圖 3 分別為 ATmega16 實物圖和 ATmega16 引腳圖。 圖 2 ATmega16 實物圖 圖 3 ATmega16 引腳圖 功能設(shè)計 雙模式設(shè)計 為了適應(yīng)人們高質(zhì)量，便捷的生活需求，本系統(tǒng)采用兩種模式控制，即安防模式和自動模式。 系統(tǒng)自動控制是指系統(tǒng)的核心部分可以根據(jù)外部傳感器所采集的環(huán)境信息（如溫度，光照等）與用戶設(shè)定的可以使人可以較為舒適的之作比較 [8]，然后根據(jù)比較結(jié)果對相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，以保持著個舒適的值，為用戶提供一個良好的溫濕度環(huán)境。且設(shè)置了手動控制模式，人為的調(diào)節(jié)環(huán)境變化。 而安防模式是指在主人外出或?qū)揖釉O(shè)置了防盜防火，通過外部傳感器實時檢測是否有不法人員進(jìn)入居室，以及是否 發(fā)生火災(zāi)，及時通知并報警，達(dá)到安全防火防盜的效果。 溫度控制 通過溫度傳感器（如圖 4）采集當(dāng)前的溫度信息，送到采集模塊中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，由控制中心進(jìn)行分析，通過與預(yù)設(shè)值的對比，決定空調(diào)的開關(guān)，使室溫保持在一個恒定的范圍。同時為了方便控制，控制中心會將采集到的溫度值發(fā)送到液晶屏上顯示出來。 2021屆本科畢業(yè)論文 7 圖 4 溫度傳感器 DS18B20 圖 5 光敏傳感器 燈光 控制 通過光敏傳感器（如圖 5）采集當(dāng)前光線的值，通過與預(yù)設(shè)白天夜晚的值相比， 讓控制中心知道當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)，從而決定是開燈還是關(guān)燈，是開窗簾還是關(guān)窗簾。 聲音控制 聲控?zé)羰且环N聲控電子照明裝置，由音頻放大器、選頻電路、延時開啟電路和可控硅電路組成。它提供了一種控制靈敏的聲控?zé)?[9]，它采用人嘴發(fā)出約 1 秒的控制信號“嘶”聲，即可方便及時地打開和關(guān)閉聲控照明裝置，并有防誤觸發(fā)而具有的自動延時關(guān)閉功能，并設(shè)有手動開關(guān)，使其應(yīng)用更加方便。聲控?zé)粲稍捦病⒁纛l放大器、選頻電路、倍壓整流電路、鑒幅電路、恒壓源電路、延時開啟電路、可控延時開關(guān)電路、可控硅電路組成。 本次設(shè)計通過聲音傳感器 （如圖 6）檢測當(dāng)前是否有語音命令，來控制窗簾、臺燈、音響的開關(guān)等，從而達(dá)到聲控的效果。 圖 6 聲音傳感器 圖 7 火焰?zhèn)鞲衅? 防火設(shè)計 火災(zāi)煙霧傳感器是一種在消防管理、安全防范系統(tǒng)中常用的報警器材，它工作可靠、體積小巧，火災(zāi)煙霧傳感器是把煙霧信號轉(zhuǎn)換為電信號，電路設(shè)計時可以在背后設(shè)計專智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計 8 用的卡口以便地固定在墻體或者天花板上，使用時通過設(shè)置在廚房、臥室、書房等的煙霧傳感器，實時監(jiān)視各個房間的狀況，以防火災(zāi)的 發(fā)生。若有火災(zāi)發(fā)生，則控制器發(fā)出聲光、短信等報警信號，通知家人及相關(guān)部門及時撲滅火災(zāi)，保證家居的安全。除此之外，我們還能根據(jù)有人在家與否，調(diào)節(jié)煙霧傳感器的靈敏度 [10]。 本次設(shè)計通過火焰?zhèn)鞲衅鳎ㄈ鐖D 7）檢測室內(nèi)是否有異常明火，若檢測到有異常明火，則通過蜂鳴器報警且控制噴射閥工作。 防盜設(shè)計 一般家居防盜設(shè)計包含；兩部分區(qū)域的防護(hù)，住宅周界防護(hù)和住宅內(nèi)區(qū)域防護(hù)。住宅周界防護(hù)是指在住宅門，房子的窗戶，窗戶上的玻璃等外部環(huán)境上安裝一些傳感器來檢測環(huán)境的變化，達(dá)到保護(hù)家居安全的作用，例如玻璃破碎探測器 ；住宅區(qū)的保護(hù)是指在主通道、臥室、書房、浴室安裝一檢測各種環(huán)境信息的傳感器 [11]，來保護(hù)室內(nèi)的安全，諸如紅外探測器、溫度傳感器、煙霧傳感器、震動傳感器等，都可以幫助居室主人更好的管理家居。 本次設(shè)計通過人體紅外傳感器（如圖 8）檢測主人外出后，室內(nèi)是在否有人進(jìn)入，以及聲音傳感器，保險柜的震動傳感器（如圖 9），都可以達(dá)到防盜檢測。若檢測到有異常人員進(jìn)入，則會通過蜂鳴器報警。 圖 8 人體紅外感應(yīng) 圖 9 震動傳感器 功能設(shè)計小結(jié) 通過傳感器采集當(dāng)前環(huán)境中各種信息，送到采集模塊中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，處理芯片對其進(jìn)行分析處理。同時為了方便控制，控制芯片會將采集到的一些數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶屏上顯示出來。 總的來說，各類傳感器起著感受外界環(huán)境變化的作用，對整個系統(tǒng)的運行至關(guān)重要，具體功能如下表： 2021屆本科畢業(yè)論文 9 表 1 各類傳感器功能 電源模塊設(shè)計 1)5V 開關(guān)電源穩(wěn)壓器電路 由于本控制系統(tǒng)單元電路較多對且對 5V 電源的要求比較高。在本次畢業(yè)設(shè)計中 ,我們選用了穩(wěn)壓芯片 LM2576 完成 12V 向 5V的轉(zhuǎn)變 ,并讓其對 ATmega16 控制核心和其他 5V 單元的供電。我們需要注意 ,使用 LM2576 穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換還要用到大功率的電感 (100uH)以及電容 ,這些是高儲能能力所必備的 ,從而滿足單元電路的供電需求。 LM2576 為 開關(guān)電源穩(wěn)壓器。如下圖所示： T1D5IN 5 8 2 2L1C42 2 0 0 U FC24 7 0 0 U FC31 0 4C11 0 41234D 1 D 4B R ID G E 1L M 2 5 7 6 5 .0~ 2 2 0 V~ 2 2 0 V+ 5 . 0 VGND 圖 10 5V開關(guān)電源穩(wěn)壓器電路 2)其他電源穩(wěn)壓器電路 本系統(tǒng)的設(shè)計還涉及到傳感器信號采集與信號放大，其中放大器等部分需要用到177。12V 電源，因此根據(jù)設(shè)計要求增加了 7812/7912 三端穩(wěn)壓 IC 提供的177。 12V 電源，由 220V的交流電經(jīng)交流變壓器 T 降壓，變成 12V 交流電，低壓交流電再經(jīng)過全橋整流變成脈動直流 17V 左右為三端穩(wěn)壓提供電源，脈動直流電經(jīng) 4700u 電解電容和 瓷片電容濾波，送到穩(wěn)壓塊輸入端，進(jìn)行穩(wěn)壓，然后由三端穩(wěn)壓輸出端輸出177。 12V 直流電壓，177。溫度感應(yīng)，測量溫度 溫度傳感器 18B20 采集光照，控制燈光 光敏傳感器 聲音控制，聲量檢測 聲音傳感器模塊 提示預(yù)警，聲音提示 蜂鳴器模塊模塊 防盜系統(tǒng)，震動檢測 震動傳感器模塊 安防設(shè)備，人體感應(yīng) HCSR501 人體紅外 智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計 10 12V 直流電再由 2200u 和 電容進(jìn)行濾波，輸出比較穩(wěn)定的177。 12V 直流電壓，給模塊供電源。如下圖所示： C24 70 0 U FC11 041234D 1 D 4~ 22 0 V~ 22 0 VV in1GND2V o ut37 81 2V in1 GND2V o ut37 91 2T1GNDC42 20 0 U FC31 04C82 20 0 U FC71 04C64 70 0 U FC51 04GND+ 12 VGND1 2 V 圖 11 177。 12V 電源穩(wěn)壓器電路 顯示模塊 方案一：采用 LED 數(shù)碼管顯示器。 LED 數(shù)碼管亮度高，醒目，但是其電路復(fù)雜，占用資源較多，顯示信息量較小。 方案二：采用漢字 LCD 液晶顯示器。 LCD 有明顯的優(yōu)點：微功耗、尺寸小，超薄輕巧、顯示信息量大、字跡清晰、美觀、視覺舒適；可以用中文 LCD 液晶進(jìn)行菜單顯示，使整個控制系統(tǒng)更加人性化。 基于上面的比較分析 ，故采用 LCD 作為顯示模塊 ,而使用 Nokia5110 液晶（如圖 12）的有如下優(yōu)勢： 1)性價比高， LCD1602 可以顯示 32 個字符，而 Nokia5110 可以顯示 15個漢字， 30 個字符。 Nokia5110 裸屏僅 元， LCD1602 一般 15 元左右， LCD12864 一般 50~70 元。 2)接口簡單，僅 8 根 I/O 線即可驅(qū)動， LCD1602 需 11 根 I/O 線， LCD12864需 12 根。 3)速度快，是 LCD12864 的 20 倍，是 LCD1602 的 40 倍。 4)Nokia5110 工作電壓 ，正常顯示時工作電流 200uA 以下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動設(shè) 備。 圖 12 Nokia5110 液晶 圖 13 矩陣鍵盤 2021屆本科畢業(yè)論文 11 鍵盤模塊 本次設(shè)計選用的是矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤，其具有四行四列（ 4*4） [12]，需要 8 個 IO 口，我們可以讓行線所接單片機的 I/O 口作為輸出端，而列線所接的 I/O 口作為輸入端。當(dāng)無按鍵按下時，所有的輸入端檢測到的都是高電平，行線輸出低電平。當(dāng)有按鍵按下時，則輸入線就會被拉低。通過讀取輸入線的狀態(tài)就可得知是否有按鍵按下，這種讀取方法我們稱為掃描法，這是人們最常用的矩陣鍵盤判別方法。 矩陣鍵盤原理仿真圖如圖 13，具體掃描過程如下： 1）確定是否有按鍵按下，初始化所有行 y0y3 為低水平，然后檢測列線的狀態(tài)。若有一列是低電平，則表示鍵盤有鍵按下，且按下的鍵位于低電平線與 4 根行線相交叉的 4 個按鍵之中。如果所有的列線都沒有低電平，則鍵盤上無按鍵按下。 2）確定閉合鍵的具體位置，確認(rèn)方法是依次讓行線置為低電平，即在一個線為低電平時，其他線均為高電平。在確定一個線的位置為低電平后，然后檢測每行的電平狀態(tài)。如果某列為低電平，則該列與此低電平行線交叉處的按鍵，即為閉合鍵。 步進(jìn)電機模塊 本窗 簾電機采用 四相步進(jìn)電機， 其使用 單極性直流電源供電 [13]。只要 獲得正確的時序電流， 步進(jìn)電機就 可以正常運轉(zhuǎn) 。圖 14 是四相步進(jìn)電機工作原理圖 ： 圖 14 四相步進(jìn)電機步進(jìn)原理圖 初識 時， 單刀開關(guān) SB連通電源 ， 而 SA、 SC、 SD斷開， B 相 電磁 和轉(zhuǎn)子 0、 3 號 齒輪相 對齊， 此時 ，轉(zhuǎn)子的 4 號 齒輪則會與 C、 D 相繞組 的電 磁極產(chǎn)生 錯位 ， 5 號