【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為中心的負責所有家居信息的顯示人機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。進而實現(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、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：1信息收集2短消息收發(fā)3控制命令輸出4人機界面nRF24L01接收家居信息和發(fā)送控制命令TC35I與用戶手機通信、接受控制命令TFT觸摸屏ILI9320和ADS7843的人機對話界面控制輔助控制系統(tǒng)單片機AT89S52任務：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)實際需要可知，要實現(xiàn)遠程控制的目的，必須具備的條件就是對現(xiàn)場進行控制的無線射頻模塊，還有就是實現(xiàn)遠程通信的通信模塊，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)信息和來自手機模塊的控制指令進行實時監(jiān)控與分析，如果采集到被控模塊的手動控制操作信息，則記錄相應操作。除現(xiàn)場手動操作外，本系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是可以對家電工作情況等被控對象進行遠程操作。當用戶希望進行某種操作時，只需用手機編寫相應的短信發(fā)送到預先設(shè)定的號碼上。智能家居控制中心接到短信后，與預先設(shè)定的控制指令格式進行比對，提取出用戶欲進行的操作信息，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)來的相應的控制信息控制后，與預存信息比對。當確定是對那個控制對象的操作時，就進行相應操作，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。 智能家居系統(tǒng)的功能特點本智能家居系統(tǒng)有如下的幾個功能和特點：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)；基于短消息的遠程數(shù)據(jù)傳送功能；基于短消息的遠程手機控制命令的執(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，擴展功能強；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。它負責將輔助系統(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模塊發(fā)送到用戶，以及手機指令的解析，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。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512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強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增強型微控制器適合于多種應用場合： 醫(yī)療和手持設(shè)備；PC外設(shè)和GPS平臺； 電機驅(qū)動和應用控制； 警報系統(tǒng)，視頻對講，和暖氣通風空調(diào)系統(tǒng)； 工業(yè)應用：可編程控制器、變頻器、打印機和掃描儀。 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)，運用分支預測、單周期乘法和硬件除法功能實現(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高的應用而設(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大的軟件系統(tǒng)，CortexM3處理器將成為從復雜的芯片系統(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(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點陣液晶模塊，采用先進的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)?！簦?40320點陣； ◆ 標準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；◆ 標準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，來實現(xiàn)用戶信息的讀入，實現(xiàn)人機對話，便于用戶操作。只有嚴格的遵循SPI的時序才可以準確的實現(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)實的卡片式的存儲媒介，為了消費多媒體應用。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)點就是簡化主機的設(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、響應和數(shù)據(jù)塊所組成。所有的通信在主機和卡之間被主機控制，主機處理總線上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)標準，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。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讀取響應一個有效的數(shù)據(jù)塊會后綴一個16位CRC，CRC由標準CCITT polynomial即產(chǎn)生。如果一個數(shù)據(jù)檢驗錯誤，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。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，卡將回應一個響應標志(response token)并且等待主機發(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 寫操作當一個數(shù)據(jù)塊被卡收到后,卡將回應一個數(shù)據(jù)響應標志(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系列單片機是美國Atmel公司的8位Flash單片機產(chǎn)品。這個系列單片機的最大特點是在片內(nèi)含有Flash存儲器，而其他方面和MCS一51沒有太