基于AVR技術(shù)的智能家居管理系統(tǒng)，包含原理圖、電路結(jié)構(gòu)

1.1 引言

10多年前，比爾·蓋茨花費(fèi)了1億美元打造了一個(gè)夢(mèng)幻般的智能家居系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)中包括了智能控制、安防系統(tǒng)以及數(shù)字視聽娛樂(lè)等功能。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，信息化、智能化的浪潮正在席卷世界的每一個(gè)角落，數(shù)字化家園進(jìn)入豪宅，它正全方位地改變著全社會(huì)。人們對(duì)家的需求已不僅僅局限于生活的舒適和安全，把網(wǎng)絡(luò)通訊、信息處理與空氣環(huán)境和家庭電器控制融入到一起簡(jiǎn)單操作與享受，乃是人們現(xiàn)在的渴望與追求。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和智能家居的推廣，人們都越來(lái)越需求一套高智能化、安全化、網(wǎng)絡(luò)化控制的智能家居系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了紅外遙控技術(shù)和GSM遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制，還實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，不僅實(shí)現(xiàn)了基本家用電器的控制，還實(shí)現(xiàn)了更為舒適的生活環(huán)境的布置和安全防范的監(jiān)控。

二、需求分析

2.1 功能要求

1）家庭智能終端

家庭智能終端集成了智能家居的所有子系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，是家里的總控制器。對(duì)外與別墅門口機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)可視對(duì)講、門禁開鎖；與戶外監(jiān)視器連接，實(shí)現(xiàn)周界的視頻監(jiān)控；通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、電話網(wǎng)絡(luò)可與外界信息交互，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制，電話自動(dòng)報(bào)警等。對(duì)內(nèi)通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)，控制燈光照明、家用電器、電動(dòng)窗簾、家庭場(chǎng)景設(shè)置；通過(guò)布線與各種探測(cè)器，監(jiān)視器連接，實(shí)現(xiàn)家庭防盜、燃?xì)庑孤﹫?bào)警，網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2）全宅背景音樂(lè)

每個(gè)房間都可以獨(dú)立聽音樂(lè)、切換音源、調(diào)節(jié)音量大小而互不干擾，音視頻數(shù)字交換機(jī)內(nèi)置MP3和FM調(diào)頻立體聲收音機(jī)功能，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域單獨(dú)控制音源，控制喇叭（分別在客廳，主臥等）

3）智能照明控制

實(shí)現(xiàn)對(duì)全宅燈光的智能管理、輕松控制，可以用遙控等多種智能控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)全宅燈光狀態(tài)的控制，調(diào)光及多種一鍵式燈光場(chǎng)景效果的實(shí)現(xiàn)；具有集中控制、燈光情景控制、組合控制、遠(yuǎn)程控制等功能；可以根據(jù)自己喜好，隨意進(jìn)行個(gè)性化的燈光設(shè)置，創(chuàng)造不同場(chǎng)景氛圍。

4）智能家電控制

實(shí)現(xiàn)對(duì)家中電器的智能控制，使用一個(gè)遙控器即可對(duì)電視、空調(diào)、熱水器等家電控制，也可利用固定電話或手機(jī)實(shí)施遠(yuǎn)程控制。

5）電話遠(yuǎn)程控制
將家中電話線與電話遠(yuǎn)程控制器串連，即可接收來(lái)自遠(yuǎn)程電話的語(yǔ)音控制信息，按照預(yù)先約定的按鍵操作，用戶可在任何地方，通過(guò)使用固定電話或移動(dòng)電話對(duì)家中的空調(diào)、電燈、熱水器等家用電器實(shí)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)，它不影響電話的正常使用。

6）智能電動(dòng)窗簾
用戶可以本地手動(dòng)、也可以使用遙控器，家庭智能終端、電話遠(yuǎn)程、網(wǎng)絡(luò)控制窗簾的開啟、關(guān)閉。

7）防盜報(bào)警門禁

對(duì)家庭人身、財(cái)產(chǎn)等安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，發(fā)生入室盜竊、火災(zāi)、煤氣泄漏以及緊急求助，自動(dòng)拔打用戶設(shè)定的電話（最多8路號(hào)碼），通過(guò)語(yǔ)音及時(shí)報(bào)告險(xiǎn)情

8）電腦遠(yuǎn)程控制

通過(guò)電腦終端在任何地方都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭PC機(jī)發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)，進(jìn)行有效地控制，從而達(dá)到對(duì)家電等的控制。

2.2 性能要求

本系統(tǒng)采用紅外遙控技術(shù)和GSM遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，用一個(gè)通用紅外遙控器控制所有聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如燈光控制、空調(diào)、各種電器電源、音樂(lè)、窗簾、門鎖等，各個(gè)電器可通過(guò)輕觸式開關(guān)直接控制，同時(shí)，燈光亮度不僅可以通過(guò)光強(qiáng)傳感器智能控制，還可以通過(guò)遙控器調(diào)節(jié)；GSM遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)通過(guò)TC/IP編程用遠(yuǎn)程電腦終端直接控制各個(gè)電器的開啟狀態(tài)，也可以實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警和各種安全報(bào)警。

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理（除圖片外需有文字介紹）

本系統(tǒng)由AVR32單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線遙控模塊、液晶顯示器、時(shí)鐘芯片、溫度傳感器、紅外接收、光敏測(cè)光、串口通訊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、繼電器、可控硅調(diào)壓、鳴響提示模塊、PWM軟件實(shí)現(xiàn)等模塊組成，實(shí)現(xiàn)通過(guò)上位機(jī)和遙控器對(duì)家電、燈光、窗簾、音樂(lè)、電話、安全防范子系統(tǒng)以及門禁子系統(tǒng)的控制。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)可分為5個(gè)子系統(tǒng)模塊組成：

a.由溫濕度傳感器、光敏電阻、時(shí)鐘芯片和液晶顯示器組成的實(shí)時(shí)顯示子系統(tǒng)模塊

b. 由串口通訊、遙控器、鍵盤、照明等家電設(shè)備和背景音樂(lè)組成的控制子系統(tǒng)模塊

c. 智能窗簾子系統(tǒng)模塊

d. 門禁子系統(tǒng)模塊

e. 安全防范子系統(tǒng)模塊

f. GSM遠(yuǎn)程控制子系統(tǒng)模塊

（一）、實(shí)時(shí)顯示子系統(tǒng)模塊

1）模塊概要

實(shí)時(shí)顯示子系統(tǒng)模塊通過(guò)時(shí)鐘芯片和傳感器檢測(cè)光線強(qiáng)度、溫濕度等情況，在液晶顯示屏中實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，該子系統(tǒng)對(duì)傳感器的監(jiān)測(cè)速度以及效率、性能的要求不高，我們把各傳感器以及ATMEGA 16單片機(jī)作為主機(jī)（EVK1100開發(fā)板）的一個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的模塊可以單獨(dú)工作但又從屬于主機(jī)。整體的硬件框圖如下圖3.1—1所示：

2）單元模塊介紹

2.1 時(shí)鐘芯片

現(xiàn)在流行的串行時(shí)鐘電路很多，如DS1302、 DS1307、PCF8485等。這些電路的接口簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便，被廣泛地采用。本系統(tǒng)采用的DS1302 是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力，其主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用普通32.768kHz晶振。

圖3.1—2 DS1302引腳圖

2.1.1 引腳功能及結(jié)構(gòu)

圖3.1—3示出DS1302的引腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1＋0.2V時(shí)，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過(guò)把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來(lái)啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過(guò)程中RST置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細(xì)說(shuō)明。SCLK始終是輸入端。

2.1.2 DS1302的控制字節(jié)

DS1302 的控制字節(jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中，位6如果為0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù);位5至位1指示操作單元的地址;最低有效位(位0)如為0表示要進(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。

2.1.3 數(shù)據(jù)輸入輸出(I/O)

在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位0位到高位7。

2.2 光敏電阻

目前，在光電檢測(cè)技術(shù)中常用的一些光電監(jiān)測(cè)器件有光敏電阻、光電池、光電二極管、光電三極管等，選擇光照傳感器可根據(jù)參考表3.1來(lái)進(jìn)行比較選擇。

表3.1 各種光電器件特性比較

本系統(tǒng)采用的光敏電阻和其他光電監(jiān)測(cè)器件相比具有以下特點(diǎn)：

a）光譜響應(yīng)范圍寬，根據(jù)光電導(dǎo)材料的不同，光譜響應(yīng)可從可見(jiàn)光、近紅外擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外，尤其對(duì)紅外和紅外輻射有較高的響應(yīng)度。

b）靈敏度高，光電導(dǎo)增益大于1。

c）工作電流大，可達(dá)數(shù)毫安。

d）所測(cè)光強(qiáng)范圍寬度，既可檢測(cè)強(qiáng)光也可檢測(cè)弱光。

其缺點(diǎn)是在強(qiáng)光照射下光電轉(zhuǎn)換線性較差，頻率響應(yīng)（器件檢測(cè)變化很快的光信號(hào)的能力）低。

2.2.1光敏電阻的工作原理

光敏電阻的工作原理是：在其兩級(jí)加上一定的電壓后，當(dāng)光照射在光電導(dǎo)體時(shí)，由光照產(chǎn)生的光生載流子在外加電場(chǎng)作用下沿一定方向運(yùn)動(dòng)。在電路中產(chǎn)生電流，達(dá)到光電轉(zhuǎn)換的目的。光敏電阻的工作原理如圖3.1.4所示：

光敏電阻隨光照強(qiáng)度的增加起到點(diǎn)性能變好，既光敏電阻的電導(dǎo)率增加，流過(guò)其內(nèi)的光電流增加，其本身的電阻值減小，隨光照強(qiáng)度的增加起導(dǎo)電性能變差，既光敏電阻的電導(dǎo)率減小，流過(guò)其內(nèi)的光電流增加，其本身的電阻值增加。

根據(jù)熱平衡狀態(tài)下半導(dǎo)體電導(dǎo)率公式，在光照射作用下產(chǎn)生的光電流：

式中，qN是光電子形成的內(nèi)部電流，V是光敏電阻兩端的電壓，L是光電導(dǎo)體色長(zhǎng)度，Tn，Tp是光輻射下沒(méi)單位時(shí)間產(chǎn)生的N個(gè)電子一空穴的各自壽命，μn，μp，分別是電子和空穴的遷移率。由此可見(jiàn)，光敏電阻的光電流與入射的光子數(shù)、量子效率和光電導(dǎo)體的長(zhǎng)度L以及加在其兩端的電壓大小等因素有關(guān)，其電流大小與L的平方成反比。

所以，在設(shè)計(jì)光敏電阻時(shí)，常設(shè)法將L減小，使光電流增大。