1、-_山东科技大学第三届学生电子设计大赛技术报告基于 Arduino 单片机的智能家居系统学院： 电子通信与物理学院班级： 硕研 2015 级 参赛者：张荣飞 曹其栋 侯焕存-_摘要本文中我们基于 Arduino 单片机设计了一个模拟智能家居系统。该系统以Arduino UNO R3 单片机为核心，外接光照检测、温湿度传感器、LED、风扇和无线通信等模块。整个系统分为检测端和控制端两大部分，检测端由光敏电阻、温湿度传感器、无线通信模块和单片机组成。控制端由无线接收、液晶显示、电灯控制和风扇控制四大模块组成，包含单片机、无线通信模块、LCD 显示屏、风扇和 LED 等。检测端和控制端之间借助无线通
2、信模块进行无线通信，控制端内部的无线接收和液晶显示两个模块之间则采用串口通信。该系统能够实现对室内温度、湿度和光照强度等参数的实时检测，并借助 LCD 显示温湿度值，还可以根据检测端探测到的光照强度和温度值以及预先设定的参数对室内的电灯和风扇进行智能控制。关键词：智能家居；Arduino 单片机；自动控制；无线通信；液晶显示-_目录1 绪论 .11.1 智能家居简介 .11.2 智能家居的研究意义 .22 系统总体设计方案 .32.1 系统框图 .32.2 系统工作原理简介 .33 系统硬件设计 .43.1 单片机的选择 .43.1.1 Arduino UNO 简介 .43.1.2 Ardui
3、no 单片机特色 .53.1.3 Arduino 单片机引脚简介 .53.1.4 Arduino 单片机编程软件 .63.2 温湿度检测模块设计 .63.2.1 DHT11 概述 .63.2.2 DHT11 引脚说明 .73.2.3 电源引脚 .83.2.4 串行接口（单线双向） .83.3 光照检测模块设计 .83.4 无线通信模块设计 .93.5 液晶显示模块设计 .93.5.1 液晶显示模块的选择 .93.5.2 液晶显示电路设计 .103.6 其他模块设计 .113.6.1 电灯模块设计 .113.6.2 风扇模块设计 .123.7 系统硬件实物图 .124 软件系统设计 .134.1
4、 检测端程序设计 .134.2 控制端程序设计 .135 总结 .15参考文献 .15附录：源程序 .16-_-_1 绪论1.1 智能家居简介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
5、，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
6、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。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进行传输
7、、交换。-_1.2 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。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
8、适温馨的家庭生活。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。 本文的目的就是设计一个简捷有效智能家居控制系统，从温度、湿度、光照强度的采集，到 LCD 实时显示，并根据采集的信号不同采取相应的应对机制，智能控制家中的电灯、风扇等电器设备，从而实现基本的智能家居功能。-_
9、2 系统总体设计方案2.1 系统框图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，通过与其他各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，做出应对执行，实现家居系统的智能控制。系统总体框图如下：图 2.1 系统总体框图2.2 系统工作原理简介本系统工作可以分为四个部分：第一部分是传感器数据采集，将温度传感器、湿度传感器以及光敏电阻分别连接到单片机上，单片机会将传感器采集到的实时数据进行处理；第
10、二部分是数据传输，有两个无线模块，一个连接到单片机上作为发射端，一个连接到单片机上作为接收端，单片机将处理过的数据通过发射端发送出去，单片机通过接收端将数据接收进来，再次进行处理；第三部分是控制功能，单片机将接收到的数据与设定的阈值进行比较，当达到阈值条件时，可以启动风扇或者电灯，另外，温度和光敏设定了几个不同的阈值，当达到某一阈值会有相应的风扇转速或者电灯亮度；第四部分，温湿度显示，单片机将通过无线方式接收到的数据采用串口通信的-_方式传给单片机，单片机是专门用来控制 LCD 1602 液晶显示屏的，得到数据后单片机将数据传到液晶屏进行显示。3 系统硬件设计3.1 单片机的选择首先将所需器件
11、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，选定 Arduino 单片机作为该系统的微控制器，因为它带有模拟 I/O 口，在外接各类传感器方面比普通的 51 系列单片机更为方便。Arduino 单片机的模拟 I/O 口可以很方便地将光敏电阻和温湿度传感器等模块采集到的模拟量经A/D 转换后送给单片机进行处理，而对数字信号的识别和处理正是 Arduino 的优势所在。3.1.1 Arduino UNO 简介Arduino UNO 是 Arduino USB 接口系列的最新版本，作为 Arduino 平台的参考标准模板。UNO 的处理器核心是 ATmega32
12、8，同时具有 14 路数字输入/ 输出口（其中 6路可作为 PWM 输出） ，6 路模拟输入，一个 16MHz 晶体振荡器，一个 USB 口，一个电源插座，一个 ICSP header 和一个复位按钮。 UNO 已经发布到第三版，与前两版相比有以下新的特点：在 AREF 处增加了两个管脚 SDA 和 SCL，支持 I2C 接口；增加 IOREF 和一个预留管脚，将来扩展板将能兼容 5V 和 3.3V 核心板。 这样改进了复位电路设计 ，USB接口芯片由 ATmega16U2 替代了 ATmega8U2 。图 2.2 为改进后的 Arduino UNO。-_图 2.2 Arduino UNO R
13、33.1.2 Arduino 单片机特色1、开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依需求自己修改。2、使用低价格的微处理控制器(ATMEGA8 或 ATmega128)。可以采用 USB 接口供电，不需外接电源，也可以使用外部 9VDC 输入。3、Arduino 支持 ISP 在线烧，可以将新的“bootloader”固件烧入 ATmega8 或ATmega128 芯片。有了 bootloader 之后，可以通过串口或者 USB to Rs232 线更新固件。4、可依据官方提供的 Eagle 格式 PCB 和 SCH 电路图，简化 Arduino 模组，完成独立运作的微处理控制。可
14、简单地与传感器，各式各样的电子元件连接(如：红外线、超声波、热敏电阻、光敏电阻、伺服马达等)。5、支持多种互动程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing 等。6、应用方面，利用 Arduino，突破以往只能使用鼠标、键盘、CCD 等输入的装置的互动内容，可以更简单地达成单人或多人游戏互动。3.1.3 Arduino 单片机引脚简介Arduino 单片机的数字 I/O 被分成两个部分，其中每个部分都包含有 6 个可用的I/O 管脚，即管脚 2 到管脚 7 和管脚 8 到管脚 13。在数字电路中开关（switch）是一种基本的输入形式，它的作用是保持电路的连接或
15、者断开。Arduino 从数字 I/O 管脚上只能读出高电平（5V）或者低电平（0V） ，因此我们首先面临到的一个问题就是如何将开关的开/断状态转变成 Arduino 能够读取的高/低电平。解决的办法是通过上/ 下拉电阻，按照电路的不同通常又可以分为正逻辑（Positive Logic）和负逻辑（Inverted Logic）两种。Arduino 的优势在于对数字信号的识别和处理，但我们所生活的真实世界并不是数字（digital ）化的，简单到只要用 0 和 1 就能够表示所有的现象。例如温度这一我们已经司空见惯的概念，它只能在一个范围之内连续变化，而不可能发生像从 0 到 1 这样的瞬时跳变
16、，类似这样的物理量被人们称为是模拟（analog）的。Arduino 是无法理解这些模拟量的，它们必须在经过模数转换后变成数字量后，才能被 Arduino 进一步处理。-_3.1.4 Arduino 单片机编程软件Arduino 语言是建立在 C/C+基础上的，其实也就是基础的 C 语言，Arduino 语言只不过把 AVR 单片机（微控制器）相关的一些寄存器参数设置等都函数化了，不用我们去了解他的底层，让不太了解 AVR 单片机（微控制器）的朋友也能轻松上手。图 2.3 Arduino 编程界面Arduino 语言是以 setup()开头，loop()作为主体的一个程序构架。官方网站是这样描述 setup()的：用来初始化变量，管脚模式，调用库函数等等，此函数只运行一次。loop()函数是一个循环函数，函数内的语句周而复始的循环执行，功能类似 c 语言中的“main();” 。3.2 温湿度检测模块设计智能家居的一个主要控制对象就是住户室内温湿度，适宜的温湿度为主人提供良好的家居环境，这样一来，温湿度检测与控制模块就变得尤为重要。
