綜合課程設(shè)計--基于51單片機智能家庭小管家

1、<p><b>　　計算機與信息學(xué)院</b></p><p>　　電子信息工程系綜合課程設(shè)計報告</p><p>　專 業(yè) 班 級電子信息科學(xué)與技術(shù) </p><p>　學(xué)生姓名及學(xué)號</p><p>　指導(dǎo)教師老師 </p><p>　課題名稱基于51單

2、片機智能家庭小管家 </p><p>　~2014 學(xué)年第 三 學(xué)期</p><p><b>　　課題的基本描述</b></p><p>　　目標：本課題目標主要是通過多點采集室內(nèi)溫度、濕度、光線強度、以及檢測室內(nèi)是否有人來控制室內(nèi)一些家用電器的自動工作。采集到的溫度和濕度顯示與實際溫度和濕度誤差小于1度；控制速度小于10分鐘。具體家用電器涉

3、及到：1、空氣加濕器；2、電風扇；3、應(yīng)急燈等。</p><p>　　意義：在一定程度上解放人類的雙手，對人們?nèi)粘Ｉ钪斜緛砭筒惶⒁獾囊恍┥罴毠?jié)通過單片機進行自動控制，以此提高人們?nèi)粘Ｉ畹馁|(zhì)量。</p><p><b>　　設(shè)計的基本要求</b></p><p>　　本課題通過熱釋電人體紅外傳感器檢測室內(nèi)是否有人，如果檢測到有人則控制家用

4、電器正常工作，否則所控制的家電則自動斷電。</p><p>　　各個家用電器的控制過程：</p><p>　　對應(yīng)急燈的控制：應(yīng)急燈只在有人晚上回家時自動打開，以避免人晚上回到家時屋內(nèi)漆黑一片所造成的不便；并且當有人打開屋內(nèi)的日常照明燈時則自動關(guān)閉應(yīng)急燈；但是當晚上人們關(guān)燈睡覺后應(yīng)急燈也不會自動打開。</p><p>　　對空氣加濕器的控制：一般人們處在濕度在40%

5、~50%之間會感覺比較舒適，當濕度過低或者過高時則會引起人們的不適；所以當濕度低于50%時空氣加濕器就自動打開，并且濕度越低加濕器運行速度越快、濕度越接近50%運行速度越慢，當室內(nèi)濕度超過50%時則自動斷電。</p><p>　　對電風扇的控制：當溫度高于25 ℃時人體就會開始從外界吸收熱量，當溫度高于30℃人就會熱得比較難受時，為了保證電風扇的工作有意義，所以只有當從機2能檢測到人時才會打開。所以當溫度高于25

6、 ℃并且從機2能檢測到人時電風扇就會打開一檔，當溫度高于30 ℃時打開二檔。</p><p><b>　　技術(shù)方案及關(guān)鍵問題</b></p><p>　　從實際考慮出發(fā)，由于各個家用電器可能處于屋內(nèi)的不同地方，甚至相隔比較遠，而且家電還可能根據(jù)個人需要移動位置，所以如果想只用一塊單片機通過有線的方式去控制所有家電的話不太現(xiàn)實、也不夠靈活。因此我設(shè)計成主從機模式，一個主

7、機、多個從機，采用星型方式通過無線模塊進行相互通信。同時為了使所采集到的信息能夠更加準確的反應(yīng)室內(nèi)的真實情況，主機和每個從機都攜帶了相關(guān)的傳感器。其中主機主要實現(xiàn)人機對話，以及將接收到的從從機發(fā)來的數(shù)據(jù)整理并打包之后再發(fā)向各個從機；并且還執(zhí)行向從機發(fā)送指令的任務(wù)；而從機主要實現(xiàn)接收主機發(fā)來的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析處理，之后根據(jù)處理結(jié)果對家電進行相關(guān)控制。</p><p>　　對于熱釋電人體紅外感應(yīng)模塊，當感應(yīng)到

8、有人時會輸出高電平（3.3V），當感應(yīng)不到人時輸出低電平（0V）；而且其最大感應(yīng)距離是7米，因此為了避免人體感應(yīng)存在盲區(qū)，所以在整個屋內(nèi)放置多個人體感應(yīng)模塊是很有必要的。又由于當其感應(yīng)到有人時只輸出3.3V的高電平，而我設(shè)計時使用的是5V電壓的51系列單片機，所以需要將感應(yīng)器輸出的3.3V的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓。圖1即為3.3V電壓轉(zhuǎn)變成5V電壓的電路圖。圖2為熱釋電人體感應(yīng)器電路圖。</p><p>　　圖1

9、3.3V轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓電路圖</p><p>　　圖2 熱釋電人體感應(yīng)器電路圖</p><p>　　對于NRF24L01無線模塊正常供電是1.9V~3.6V，如果采用高于3.6V電壓供電時很容易燒壞模塊。由于我使用的是5V電源，因此為了使電壓匹配，需要將5V電壓變?yōu)?.3V電壓，為此我使用了AMS1117模塊，該模塊不僅可以將5V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V電壓，而且還具有穩(wěn)壓的功能。圖3是AMS

10、1117模塊的電路圖。</p><p>　　圖3 AMS1117模塊的電路圖</p><p>　　又由于所控制的家用電器的電源電壓一般都很大，因此需要通過繼電器對其進行控制。所以我在單片機與家電之間都加了繼電器。</p><p>　　圖4是主機系統(tǒng)電路圖，它一共包括7個部分，其中STC12C5A60S2單片機作為主機系統(tǒng)處理器；LCD12864作為主機系統(tǒng)顯示器，主

11、要用來顯示主機傳感器以及各個從機傳感器所采集到的溫度、濕度、光電轉(zhuǎn)換后數(shù)值以及日歷；而NRF24L01無線模塊主要用來與各個從機通信；DHT11溫濕度傳感器主要用來采集當前溫濕度的；熱釋電人體紅外傳感器用來感應(yīng)室內(nèi)是否有人；光敏電阻用來將光線強度轉(zhuǎn)換為電壓信號，之后通過單片機內(nèi)自帶的10位ADC轉(zhuǎn)換功能將模擬電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號；5V到12V升壓模塊用來給應(yīng)急燈供電。</p><p>　　圖 4主機系統(tǒng)電路圖&

12、lt;/p><p>　　圖5為從機系統(tǒng)1（二號機）電路圖，包含7個部分，其中STC12C5A60S2單片機作為該系統(tǒng)處理器；LCD1602作為從機系統(tǒng)1顯示器，主要用來顯示從機1傳感器所采集到的溫度、濕度、光電轉(zhuǎn)換后數(shù)值以及主機發(fā)來的時鐘信息；而NRF24L01無線模塊主要用來與主機通信；DHT11溫濕度傳感器主要用來采集當前溫濕度的；熱釋電人體紅外傳感器用來感應(yīng)室內(nèi)是否有人；光敏電阻用來將光線強度轉(zhuǎn)換為電壓信號，之

13、后通過單片機內(nèi)自帶的10位ADC轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號；該系統(tǒng)通過一個繼電器去控制空氣加濕器，控制端口產(chǎn)生PWM波來控制加濕器的工作速度。</p><p>　　圖 5從機系統(tǒng)1電路圖</p><p>　　圖6為從機系統(tǒng)2（三號機）電路圖，包含7個部分，其中STC12C5A60S2單片機作為該系統(tǒng)處理器；LCD1602作為從機系統(tǒng)2顯示器，主要用來顯示從機2傳感器所采集到的溫度、

14、濕度、光電轉(zhuǎn)換后數(shù)值以及主機發(fā)來的時鐘信息；而NRF24L01無線模塊主要用來與主機通信；DHT11溫濕度傳感器主要用來采集當前溫濕度的；熱釋電人體紅外傳感器用來感應(yīng)室內(nèi)是否有人；光敏電阻用來將光線強度轉(zhuǎn)換為電壓信號，之后通過單片機內(nèi)自帶的10位ADC轉(zhuǎn)換功能將模擬電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號；該系統(tǒng)通過一個繼電器去控制電風扇，控制端口輸出高低電平去控制電風扇的工作檔位。</p><p>　　圖 6 從機系統(tǒng)2電路圖&

15、lt;/p><p><b>　　系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)</b></p><p>　　課題主要包括硬件實物部分和相關(guān)程序部分。</p><p>　　（1）硬件實物部分：圖7是主機系統(tǒng)的實物圖；圖8是從機系統(tǒng)1（二號機）的實物圖；圖9是從機系統(tǒng)2（三號機）的實物圖?？紤]到硬件實物部分不是非常復(fù)雜，加上如果去制PCB板的話時間上來不及，因此所有的硬件我都采用手工焊

16、接的方式實現(xiàn)，這樣同時也可以在一定程度上鍛煉自己的動手能力。</p><p>　　圖 7 主機系統(tǒng)實物圖</p><p>　　圖 8 從機系統(tǒng)1實物圖</p><p>　　圖 9 從機系統(tǒng)2實物圖</p><p>　?。?）程序算法部分：圖10 是主機的主程序框圖。圖11是主機調(diào)時間、輸入指令模式框圖，圖12是主機正常運行模式框圖。</

17、p><p><b>　　否</b></p><p>　　是 是</p><p><b>　　否</b></p><p>　　圖10 主機主程序流程圖</p><p><b>　　是</b></p>

18、<p><b>　　否</b></p><p><b>　　是</b></p><p><b>　　否</b></p><p>　　否否 是</p><p><b>　　是 是否</b></p>

19、<p><b>　　否否否</b></p><p><b>　　是 是是</b></p><p>　　否 否</p><p><b>　　是 是是</b></p><p>　　圖11 主機調(diào)時

20、間、輸入指令模式流程圖</p><p><b>　　否</b></p><p><b>　　是否</b></p><p>　　否 否 否 </p><p>　　是是是

21、 是 </p><p>　　圖12 主機正常運行模式流程圖</p><p>　　以下為從機系統(tǒng)的程序流程圖。其中圖13為2號機程序流程圖；圖14為3號機程序流程圖。</p><p>　　圖13 二號機主程序流程圖</p><p>　　圖14 三號機主程序流程圖</p><p><

22、;b>　　測試及分析</b></p><p>　　應(yīng)急燈測試：當處于黑夜且首次檢測到有人時應(yīng)急燈自動打開，開燈之后應(yīng)急燈自動關(guān)閉，之后關(guān)燈應(yīng)急燈也不會自動打開，當超過5分鐘測不到人時又在黑夜檢測到人時應(yīng)急燈又會自動打開。以上測試說明應(yīng)急燈控制有效。</p><p>　　加濕器測試：當濕度低于50%時，加濕器會自動啟動，否則會自動關(guān)閉。且濕度越低運行速度月快。表明對加濕器的

23、控制有效。</p><p>　　電風扇的控制：當溫度高于25 ℃并且從機2能檢測到人時電風扇就會打開一檔，當溫度高于30 ℃時打開二檔。說明從機對電風扇的控制有效。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計是我到目前為止獨自完成的最大的一個課程設(shè)計，由于沒有現(xiàn)成的方案、現(xiàn)成的電路，一切都得靠自己設(shè)計。因此在進入

24、課題剛開始階段走了不少彎路，首先是缺乏相關(guān)經(jīng)驗，把一切都想得過于簡單、過于理想化。一個看似簡單的問題如果真要去實現(xiàn)它卻并沒想象的那么簡單，因為現(xiàn)實中需要考慮很多實際因素。如果這些因素考慮得不夠周全，又或者解決不夠徹底的話，那實際結(jié)果將會與我們所期望的結(jié)果有較大的出入，甚至會導(dǎo)致一些意想不到的問題。其次是這次課題硬件部分我采用手工焊接方式實現(xiàn)，所以電路連接得比較凌亂，結(jié)果導(dǎo)致有的電路在測試無法通過之后就很難檢查到錯誤之處，好幾次我都只好放

25、棄所有已經(jīng)焊接好的電路而重新再焊接一個，這又花費了我不少精力。最后是程序部分；程序一直是令我比較頭疼的事，雖然進入大學(xué)以來一直都在接觸編程，但是到目前為止我的編程能力也只能算是一般般，可能是因為我平時練習編程比較少，再加上沒有經(jīng)過系統(tǒng)的編程鍛煉，所以我一碰到程序就比較頭疼。不過這次課程設(shè)計的程序著實讓我好好鍛煉了一次。雖然有的驅(qū)動程序可以從網(wǎng)上找，但是沒有哪個程序是一拿來就可以直接用的，都是需要經(jīng)過多次調(diào)試之后才可以用，因此在這些程序調(diào)