【正文】 本次設(shè)計采用了主從的控制理念，設(shè)計了2塊控制電路板：一個是以51單片機(jī)為中心的家居信息（包括報警信息）的采集、基于短距收發(fā)模塊nRF24L01的信息收發(fā)以及相應(yīng)的控制裝置（繼電器）的輔助控制系統(tǒng)；另一個是以STM32為中心的負(fù)責(zé)所有家居信息的顯示人機(jī)對話與接受與處理以及同用戶交換控制信息（通過GSM為通信載體）并發(fā)出控制命令的智能控制模塊。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境信息的及時發(fā)給用戶和空調(diào)、電視、電燈等家電的控制。智能家居系統(tǒng)組成：主控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。主控制系統(tǒng)包括智能控制模塊、GSM通信網(wǎng)絡(luò)、短距無線收發(fā)nRF24L01。輔助控制系統(tǒng)包括信號采集模塊、信息傳送模塊nRF24L0家電設(shè)備控制模塊。智能家居系統(tǒng)的主/。主控制系統(tǒng)STM32F103VCT6任務(wù)：1信息收集2短消息收發(fā)3控制命令輸出4人機(jī)界面nRF24L01接收家居信息和發(fā)送控制命令TC35I與用戶手機(jī)通信、接受控制命令TFT觸摸屏ILI9320和ADS7843的人機(jī)對話界面控制輔助控制系統(tǒng)單片機(jī)AT89S52任務(wù)：1家居信息采集2信息發(fā)往主控器3執(zhí)行主控制命令收集傳感器采集的家居環(huán)境信息溫濕度等nRF24L01收發(fā)家居信息和控制命令MAX72198位數(shù)碼管顯示HS0038紅外接收頭接收手動控制命令SD卡 讀寫操作SPI模式、儲存字庫繼電器控制命令響應(yīng)模塊控制 智能家居系統(tǒng)主、輔控制系統(tǒng)原理框圖智能家居系統(tǒng)的核心是智能家居控制中心模塊的設(shè)計，將在下面的章節(jié)中重點(diǎn)介紹智能家居控制中心模塊的設(shè)計過程。作為系統(tǒng)的核心部分，智能控制中心不僅要對被控對象實(shí)時監(jiān)控、信息顯示而且要對控制信息及反饋信息及時處理并顯示。根據(jù)實(shí)際需要可知，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目的，必須具備的條件就是對現(xiàn)場進(jìn)行控制的無線射頻模塊，還有就是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的通信模塊，在加上相關(guān)的外圍電路構(gòu)了智能居家系統(tǒng)。 智能家居系統(tǒng)工作原理STM32構(gòu)成的主控模塊對輔助系統(tǒng)發(fā)來的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)信息和來自手機(jī)模塊的控制指令進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與分析，如果采集到被控模塊的手動控制操作信息，則記錄相應(yīng)操作。除現(xiàn)場手動操作外，本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可以對家電工作情況等被控對象進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。當(dāng)用戶希望進(jìn)行某種操作時，只需用手機(jī)編寫相應(yīng)的短信發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的號碼上。智能家居控制中心接到短信后，與預(yù)先設(shè)定的控制指令格式進(jìn)行比對，提取出用戶欲進(jìn)行的操作信息，然后再通過無線方式（nRF24L01模塊）傳送給輔助控制系統(tǒng)。輔助控制系統(tǒng)則根據(jù)接收到的由控制中心發(fā)來的相應(yīng)的控制信息控制后，與預(yù)存信息比對。當(dāng)確定是對那個控制對象的操作時，就進(jìn)行相應(yīng)操作，同時反饋給控制中心。如果智能家居控制中心接到控制指令，但是經(jīng)過比對發(fā)現(xiàn)是無效控制命令是，則控制中心就會把錯誤反饋信息通過短信息發(fā)到用戶手機(jī)。 智能家居系統(tǒng)的功能特點(diǎn)本智能家居系統(tǒng)有如下的幾個功能和特點(diǎn)：觸摸屏輸入，操作界面全圖形化，方便查看與人工設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)；基于短消息的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送功能；基于短消息的遠(yuǎn)程手機(jī)控制命令的執(zhí)行功能；兩種操作方式，現(xiàn)場手動（紅外遙控）和遠(yuǎn)程短信遙控；可以方便的加入多個輔助控制模塊；采用局部無線控制信息傳送，基本無需布線，擴(kuò)展功能強(qiáng)；留有程序升級接口，方便程序升級完善性能。 主控制系統(tǒng)的控制器選擇及其外圍電路設(shè)計主控制系統(tǒng)也就是控制中心，是整個控制系統(tǒng)的中樞。它負(fù)責(zé)將輔助系統(tǒng)收集的信息接收過來，并判斷是否超限，若超限則將其通過手機(jī)模塊發(fā)送到用戶，以及手機(jī)指令的解析，并提取其中的控制信息，以此對被控對象和輔助系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)控制命令。整個控制系統(tǒng)以星型方式連接，而主控制系統(tǒng)，是星型連接的中心節(jié)點(diǎn)。因而主控制系統(tǒng)的好壞決定著整個控制系統(tǒng)的性能，所以這次使用了高性能而低成本的ARM CortexM3 系列的STM32F103VCT6作為主控制器，但其外圍電路也至觀主要，只有它們都能好好工作時，整個系統(tǒng)才會穩(wěn)定工作。下面就主控制系統(tǒng)的控制器和外圍電路介紹一下。 主控制器（STM32F103）介紹STM32F103xx增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM/CortexM3/32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有的器件都包含2個12位的ADC 、3個通用16位定時器和一個PWM定時器、2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。 STM32F103xx增強(qiáng)型系列產(chǎn)品包括從36腳至100腳的五種不同封裝形式；根據(jù)不同的封裝形式，器件中的外設(shè)配置不盡相同。使得STM32F103xx增強(qiáng)型微控制器適合于多種應(yīng)用場合： 醫(yī)療和手持設(shè)備；PC外設(shè)和GPS平臺； 電機(jī)驅(qū)動和應(yīng)用控制； 警報系統(tǒng)，視頻對講，和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)； 工業(yè)應(yīng)用：可編程控制器、變頻器、打印機(jī)和掃描儀。 ARM公司的高性能”CortexM3”內(nèi)核簡介 CortexM3內(nèi)核包含一個適用于傳統(tǒng)Thumb和新型Thumb2指令的譯碼器、一個支持硬件乘法和硬件除法的先進(jìn)ALU、控制邏輯和用于連接處理器其他部件的接口。CortexM3處理器是基于ARMv7M架構(gòu)的ARM處理器。中央CortexM3內(nèi)核使用3級流水線哈佛架構(gòu)，運(yùn)用分支預(yù)測、單周期乘法和硬件除法功能實(shí)現(xiàn)了出色的效率（）。CortexM3處理器是一個32位處理器，帶有32位寬的數(shù)據(jù)路徑、寄存器庫和基于傳統(tǒng)ARM7處理器的系統(tǒng)只支持訪問對齊的數(shù)據(jù)，沿著對齊的字邊界即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和存儲。CortexM3處理器是專為那些對成本和功耗非常敏感但同時對性能要求又相當(dāng)高的應(yīng)用而設(shè)計的。憑借縮小的內(nèi)核尺寸和出色的中斷延遲性能、集成的系統(tǒng)部件、靈活的配置、簡單的高級編程和強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)，CortexM3處理器將成為從復(fù)雜的芯片系統(tǒng)到低端微控制器等各種系統(tǒng)的理想解決方案。表21為CortexM3處理器與ARM7作比較。表21 CortexM3與ARM7相比較 豐富的內(nèi)部資源 STM32有豐富的內(nèi)部資源，如下所示：內(nèi)置閃存存儲器； 內(nèi)置SRAM；外部中斷/事件控制器(EXTI)； 時鐘和啟動； 通用同步/異步接受發(fā)送器(USART)； DMA；嵌套的向量式中斷控制器(NVIC)； 自舉模式； RTC(實(shí)時時鐘)和后備寄存器 ； 窗口看門狗； I2C總線 ； 串行外設(shè)接口(SPI)； CRC計算單元，96位的芯片唯一代碼； SDIO接口；通用串行總線(USB)； 控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN) ；通用輸入輸出接口(GPIO)； 溫度傳感器；ADC(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器) ； DAC(數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器) ；串行線JTAG調(diào)試口(SWJDP)。 方便得開發(fā)環(huán)境和優(yōu)良的電氣特性 RealView MDK（Miertocontroller Development Kit）基于ARM微控制器的專業(yè)嵌入式開發(fā)工具；；容忍5V信號的I/O管腳； 優(yōu)異的安全時鐘模式；帶喚醒功能的低功耗模式； 內(nèi)部RC振蕩器； 內(nèi)嵌復(fù)位電路； 工作溫度范圍：40℃至+85℃或105℃。 STM32芯片選型原則與芯片所選型號:(STM32F103VCT6)首先STM32芯片擁有很多種型號，不同的型號的管腳數(shù)量或管腳功能分布是不同，在選擇的時候必須本著節(jié)約的原則和廉價的原則以及設(shè)計夠用和方便的原則，管腳的分配能適應(yīng)所需模塊等原則。由于這次的畢業(yè)設(shè)計會用到16位數(shù)據(jù)端口的TFT觸屏（ILI9320），以及SD卡等等。所以I/O引腳需求較多，又加上運(yùn)用到了彩色觸屏顯示和漢字顯示以及用SD卡是需要加入文件系統(tǒng)（FatFS），所以程序比較大，綜合考慮這些因素，這次畢業(yè)設(shè)計選用了手上擁有的現(xiàn)成stm32芯片：STM32F103VCT6（256K FLASH，48K SRAM）如圖22所示。 圖22 STM32F103VCT6 LQPFP100管腳圖 主控制器的外圍電路設(shè)計 TFT觸摸屏（ILI9320）簡介QST320M2是一款240320點(diǎn)陣液晶模塊，采用先進(jìn)的TFT技術(shù)，內(nèi)部單芯片（ILI9320控制器）集成驅(qū)動和控制芯片,非常方便應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)。在EMC性能及穩(wěn)定性方面有良好的表現(xiàn)?！?，240320點(diǎn)陣； ◆ 標(biāo)準(zhǔn)8080時序，16bit總線接口；◆電壓范圍：~； ◆ 外形尺寸：63mm84mm；◆ 直流 or ； ◆ 工作溫度：25176。C ~ +75176。C；◆ 標(biāo)準(zhǔn)20X2, ； ◆ 顯示屏(ILI9320)和觸摸 (ADS7843)驅(qū)動電路。TFT觸摸屏與控制器的連接圖本次使用16位并行數(shù)據(jù)通信控制TFT屏的顯示，通過通用I/O來控制TFT屏的顯示，實(shí)現(xiàn)靚麗的顯示界面，便于用戶觀察系統(tǒng)工作情況。接線圖如圖23所示。圖23 TFT觸摸屏與控制器的連接圖TFT觸摸屏的控制讀寫時序圖通過通用I/O來模擬SPI通信方式來與TFT屏的觸摸芯片（ADS7843）通信，來實(shí)現(xiàn)用戶信息的讀入，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，便于用戶操作。只有嚴(yán)格的遵循SPI的時序才可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)用戶信息的輸入。具體軟件模擬見軟件設(shè)計，SPI讀寫時序圖24如下。圖24 TFT觸摸屏的控制讀寫時序圖 SD卡簡介由于本次設(shè)計需要人機(jī)對話，所以使用到了漢字顯示，由于考慮成本因素，沒有使用漢字字庫芯片，而使用了BIN格式的電子版漢字字庫，但是由于處理器ROM有限，所以就把字庫裝到了SD卡上，這樣即方便成本又低，最重要的是可以放大量的東西減少了對CPU的ROM的需求，增加了設(shè)計的靈活性。SD卡具有高度集成閃存，具備串行和隨機(jī)存取能力?？梢酝ㄟ^專用優(yōu)化速度的串行接口訪問，數(shù)據(jù)傳輸可靠。它的出現(xiàn)，提供了一個便宜的、結(jié)實(shí)的卡片式的存儲媒介，為了消費(fèi)多媒體應(yīng)用。SD卡可以設(shè)計出便宜的播放器和驅(qū)動器而沒有可移動的部分。一個低耗電和廣供電電壓的可以滿足移動電話、電池應(yīng)用比如音樂播放器、掌上電腦、電子書、電子百科全書、電子詞典等等，如下圖25所示。 圖25 大SD和mini SD對比圖SD卡的接口可以支持兩種操作模式：SD卡模式 SPI模式可以選擇以上其中任一模式，SD卡模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸。 SPI模式允許簡單通用的SPI通道接口，本次選用的就是SPI模式，其引腳如表22所示。表22 SPI模式針腳定義針腳名稱類型描述1CSI片選（負(fù)有效）2DII數(shù)據(jù)輸入3VssS地4VccS供電電壓5CLKI時鐘6Vss2S地7DOO數(shù)據(jù)輸出8RSV9RSV注：S：電源供電，I：輸入O：輸出 I/O：雙向 PP：I/O使用推挽驅(qū)動SPI模式時，這些信號需要在主機(jī)端用10~100K歐的電阻上拉。SPI 總線概念：SPI總線允許通過2通道（數(shù)據(jù)入和出）傳輸比特數(shù)據(jù)。SPI兼容模式使得MMC主機(jī)系統(tǒng)通過很小的改動就可以使用ＳＤ卡，SPI模式使用字節(jié)傳輸。所有的數(shù)據(jù)被融合到一些字節(jié)中并aligned to the CS signal（可能是：同過CS信號來校正）。SPI模式的優(yōu)點(diǎn)就是簡化主機(jī)的設(shè)計，SPI模式喪失了速度性能。SPI通道是被定向的位組，每個命令或數(shù)據(jù)塊都被組裝為8位的字節(jié)并且是被排齊到CS信號的字節(jié)(也就是長度是8個時鐘周的循環(huán))。SPI信息由命令、響應(yīng)和數(shù)據(jù)塊所組成。所有的通信在主機(jī)和卡之間被主機(jī)控制，主機(jī)處理總線上CS信號為低電平的那個。讀數(shù)據(jù)SPI模式支持對單一塊和多重塊的讀命令。 然而為了要遵從SPI工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只使用兩個(單向)信號。一個CS有效的卡會用一個同長度的事先定義了的SET_BLOCKLEN(CMD16)命令作為回應(yīng)。讀一個多重塊結(jié)束后,類似SD協(xié)議,會跟隨一個STOP_TRANSMISSION命令，如圖26所示。圖26讀取響應(yīng)一個有效的數(shù)據(jù)塊會后綴一個16位CRC，CRC由標(biāo)準(zhǔn)CCITT polynomial即產(chǎn)生。如果一個數(shù)據(jù)檢驗(yàn)錯誤，卡將不傳送任何的數(shù)據(jù)。而將一個特別的數(shù)據(jù)錯誤記號發(fā)送到主機(jī)。如圖27所示，一個以錯誤記號結(jié)束的讀操作而不是數(shù)據(jù)塊。圖27 讀操作—數(shù)據(jù)錯誤寫數(shù)據(jù)SPI模式支持單一塊和多重塊的寫操作。 在收到有效的寫命令時，卡將回應(yīng)一個響應(yīng)標(biāo)志(response token)并且等待主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)快。CRC后綴、塊長度和起始地址限制與讀操作相同，如圖28所示。圖28 寫操作當(dāng)一個數(shù)據(jù)塊被卡收到后,卡將回應(yīng)一個數(shù)據(jù)響應(yīng)標(biāo)志(dataresponse token)。如果數(shù)據(jù)塊被正確的接收到,它將會被寫入卡的閃存中，在卡忙著規(guī)劃時,忙信號就會一直有效。(保持DataOut線為低電平)硬件連接原理圖如圖29所示。 圖29 SD卡的硬件連接圖 輔助控制系統(tǒng)的控制器選擇及其外圍電路設(shè)計 輔助控制器（AT89S52）介紹AT89系列單片機(jī)是美國Atmel公司的8位Flash單片機(jī)產(chǎn)品。這個系列單片機(jī)的最大特點(diǎn)是在片內(nèi)含有Flash存儲器，而其他方面和MCS一51沒有太