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)

圖3.2.4 遙控碼的“0”和“1”

上述“0”和“1”組成的32 位二進(jìn)制碼經(jīng)38kHz的載頻進(jìn)行二次調(diào)制以提高發(fā)射效率，達(dá)到降低電源功耗的目的。然后再通過紅外發(fā)射二極管產(chǎn)生紅外線向空間發(fā)射，如圖3.2.5所示。

圖3.2.5 遙控信號(hào)編碼波形圖

UPD6121G產(chǎn)生的遙控編碼是連續(xù)的32位二進(jìn)制碼組，其中前16位為用戶識(shí)別碼，能區(qū)別不同的電器設(shè)備，防止不同機(jī)種遙控碼互相干擾。該芯片的用戶識(shí)別碼固定為十六進(jìn)制01H；后16位為8位操作碼（功能碼）及其反碼。UPD6121G最多額128種不同組合的編碼。

遙控器在按鍵按下后，周期性地發(fā)出同一種32位二進(jìn)制碼，周期約為108ms。一組碼本身的持續(xù)時(shí)間隨它包含的二進(jìn)制“0”和“1”的個(gè)數(shù)不同而不同，大約在45～63ms之間，圖4為發(fā)射波形圖。

當(dāng)一個(gè)鍵按下超過36ms，振蕩器使芯片激活，將發(fā)射一組108ms的編碼脈沖,這108ms發(fā)射代碼由一個(gè)起始碼（9ms）,一個(gè)結(jié)果碼（4.5ms）,低8位地址碼（9ms~18ms）,高8 位地址碼（9ms~18ms）,8位數(shù)據(jù)碼（9ms~18ms）和這8位數(shù)據(jù)的反碼（9ms~18ms）組成。如果鍵按下超過108ms仍未松開，接下來發(fā)射的代碼（連發(fā)代碼）將僅由起始碼（9ms）和結(jié)束碼（2.5ms）組成。

2.2.2 接收電路

接收電路一般由接收電路、放大電路、調(diào)制電路、指令譯碼電路、驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行電路(機(jī)構(gòu))等幾部分組成。接收電路將發(fā)射器發(fā)出的已調(diào)制的編碼指令信號(hào)接收下來，并進(jìn)行放大后送解調(diào)電路，解調(diào)電路將已調(diào)制的指令編碼信號(hào)解調(diào)出來，即還原為編碼信號(hào)。指令譯碼器將編碼指令信號(hào)進(jìn)行譯碼，最后由驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路實(shí)現(xiàn)各種指令的操作控制（機(jī)構(gòu)）。

一體化紅外線接收器是一種集紅外線接收和放大于一體，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出與TTL電平信號(hào)兼容的所有工作，而體積和普通的塑封三極管大小一樣，它適合于各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸。

圖3.2.6 紅外遙控接收原理框圖

1. 鍵盤

本系統(tǒng)采用鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)家電設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，各個(gè)部分可擁有單獨(dú)的按鈕，達(dá)到對(duì)時(shí)間的調(diào)準(zhǔn)，對(duì)窗簾開啟狀態(tài)的控制以及背景音樂的切換等。

1. 照明、家電設(shè)備

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過串口通信、遙控器、鍵盤對(duì)家電設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)，系統(tǒng)還可以通過光敏電阻、溫濕度傳感器檢測(cè)外部環(huán)境的光線亮度和溫度，通過A/D轉(zhuǎn)換和PWM控制照明、空調(diào)等家電設(shè)備的功率和通斷狀態(tài)。

1. 背景音樂

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在固定的時(shí)間（比如早晨）播放舒適的音樂，還實(shí)現(xiàn)每個(gè)房間都可以獨(dú)立聽音樂、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。

（三）、智能窗簾子系統(tǒng)模塊

1）模塊概要

智能窗簾子系統(tǒng)模塊由主要由數(shù)據(jù)采集模塊、無線遙控模塊、鍵盤模塊、窗簾位置檢測(cè)模塊、中央控制單元、電機(jī)控制和LED顯示七個(gè)部分組成。數(shù)據(jù)采集部分主要利用傳感器技術(shù)完成溫度和光強(qiáng)度的采集，無線遙控部分主要由NRF905發(fā)送器完成，按鍵部分主要完成人工手動(dòng)控制功能。驅(qū)動(dòng)電路采用直流伺服電機(jī)TG-38243000-90K，L298N作為運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路。使用鍵盤和PTR8000無線遙控器作為系統(tǒng)的輸入，通過液晶LCD輸出系統(tǒng)信息。中央控制單元采用AVR系列ATMEGA16單片機(jī)，完成對(duì)接收到得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制直流伺服電機(jī)完成對(duì)窗簾的控制。我們把智能窗簾以及ATMEGA16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)。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3—1所示：

圖3.3—1 智能窗簾子系統(tǒng)模塊

2）單元模塊介紹

2.1 TSL230B光強(qiáng)傳感器接口電路設(shè)計(jì)

光強(qiáng)檢測(cè)采用TSL230B傳感器，TSL230B設(shè)備的輸出是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL。其靈敏度是由兩個(gè)邏輯輸入S0和S1組成，靈敏度調(diào)整使用電子紅膜技術(shù)。靈敏度可以設(shè)置為三個(gè)等級(jí)分別為1倍，10倍或100倍。輸出頻率縮放控制由兩個(gè)邏輯輸入S2和S3來完成。 其工作原理為當(dāng)S2和S3都為低電平時(shí)輸出頻率不變，當(dāng)S2為高電平S3為低電平輸出頻率為原頻率的1/2，當(dāng)S2為低電平S3為高電平輸出頻率為原頻率的1/10，當(dāng)S2和S3 都為高電平時(shí)輸出頻率為原頻率的1/100。其硬件接口原理如圖3.3.2 所示。

1. PTR8000無線傳輸模塊

該接口由10個(gè)數(shù)字輸入/輸出I/O組成，按照工作可分為三組，模式控制、SPI接口、狀態(tài)輸出接口。其中模式控制接口由TRX_CE、TX_EN、PWR組成，控制PTR8000的始終工作模式；SPI接口由SCK、MISO、MOSI一以及CSN組成，在配置模式下單片機(jī)通過SPI接口配置PTR8000的工作參數(shù)，在發(fā)射/接收模式下單片機(jī)SPI接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；狀態(tài)輸出接口，提供載波檢測(cè)輸出CD、地址匹配輸出AM、數(shù)據(jù)就緒輸出DR。其引腳說明如表3.4所示。

表3.4 引腳功能

在發(fā)射模式中，PTR8000自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR型號(hào)通知MCU數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成，其工作過程為上電以后，MCU首先配置PTR8000模塊，先將PWR、TX_EN、TRX_CE設(shè)置為配置模式；MCU通過SPI將配置數(shù)據(jù)移入PTR8000模塊；當(dāng)MCU有數(shù)據(jù)需要發(fā)往規(guī)定節(jié)點(diǎn)時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)的地址和有效數(shù)據(jù)，通過SPI接口傳送給PTR8000，MCU設(shè)置TRX_CE、TX_EN為高來啟動(dòng)傳輸，PTR8000內(nèi)部處理；如果AUTO_RETRAN被設(shè)置為高，PTR8000將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包知道TRX_CE被設(shè)置為低；當(dāng)TRX_CE被設(shè)置為低時(shí)，PTR8000結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸并將自己設(shè)置成待機(jī)模式。

1. 伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片接口設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流伺服電機(jī)TG-38243000-90K,L298N作為運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N 工作電壓方式為直流,直流電動(dòng)機(jī)采用PWM信號(hào)平滑調(diào)速。其工作原理為L(zhǎng)298可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流減速電機(jī)，使用PWM控制。如果要控制窗簾的升降,可將In1，In2和In3，In4兩對(duì)引腳分別接高電平和低電平，使用單片機(jī)的兩個(gè)端口給出PWM信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾開度的控制。伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片接口設(shè)計(jì)如圖3.3.3所示。

圖3.3.3 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片硬件接口電路圖

（四）、門禁子系統(tǒng)模塊

1）模塊概要

門禁子系統(tǒng)模塊主要由自動(dòng)照明模塊、智能門鎖模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控和開門模塊三個(gè)部分組成。自動(dòng)照明采用紅外感應(yīng)技術(shù)，在3m類感應(yīng)人體紅外發(fā)出的紅外線，以開關(guān)量形式輸出信號(hào)，單片機(jī)檢測(cè)到有人后，根據(jù)低光照傳感器的信號(hào)判斷走廊、樓梯間是否需要開燈，若果需要開燈則通過繼電器將燈打開。智能門鎖由一個(gè)矩陣鍵盤組成，每個(gè)按鍵代表一種數(shù)字，密碼通過鍵盤輸入，若密碼正確，則將門鎖打開；若密碼輸入錯(cuò)誤，則通過蜂鳴器報(bào)警并鎖定鍵盤。遠(yuǎn)程監(jiān)控和開門模塊可實(shí)現(xiàn)當(dāng)工作時(shí)如果有來訪者，可以通過PC機(jī)遠(yuǎn)程終端看到來訪者，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)在PC終端為來訪者開門。我們把門禁模塊以及ATMEGA16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)。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3.4—1所示。

圖3.4—1 門禁子系統(tǒng)模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

2）單元模塊介紹

2.1 自動(dòng)照明模塊

自動(dòng)照明模塊由照明燈、人體紅外感應(yīng)傳感器、光照傳感器組成。其工作原理和控制子系統(tǒng)中的照明設(shè)備的原理一樣。通過紅外采集和光照傳感器數(shù)據(jù)采集，檢測(cè)是否有人和是否需要開燈，通過繼電器改變光照的開啟狀態(tài)。其中，人體紅外感應(yīng)傳感器采用PIR熱釋電傳感器，其特點(diǎn)是低功耗、靜態(tài)功耗50uA，寬電壓范圍，電源可為5V電源。使用簡(jiǎn)單，總共有3個(gè)引腳，一個(gè)為+5V電源引腳，一個(gè)為GND引腳，一個(gè)為感應(yīng)輸出電平引腳，沒人時(shí)輸出低電平，感應(yīng)距離為7米。當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)范圍，此傳感器的感應(yīng)輸出電平引腳輸出有效高電平，單片機(jī)可以通過讀取此引腳來判斷是否有人進(jìn)入。人體紅外感應(yīng)傳感器的實(shí)物圖如圖3.4—2所示。

2.2 智能門鎖模塊

智能門鎖模塊由矩陣鍵盤和七段數(shù)碼管組成，在室內(nèi)和室外都有一個(gè)鍵盤，七段數(shù)碼管安裝在室內(nèi)，用戶在室內(nèi)可以修改密碼，并通過數(shù)碼管顯示密碼，在室外的矩陣鍵盤智能實(shí)現(xiàn)開門，如果密碼輸入正確，則將門鎖打開，若密碼輸入錯(cuò)誤，則通過蜂鳴器報(bào)警，如果連續(xù)三次輸入錯(cuò)誤，則鎖定鍵盤。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控和開門模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)控和開門模塊由GSM模塊（如圖3.4—3所示）、遠(yuǎn)程PC機(jī)終端的VB界面組成。GSM模塊通過數(shù)據(jù)口以串行方式接受指令并向外輸出數(shù)據(jù)。理論上講，在數(shù)據(jù)口中找出RXD、TXD和GND引腳與單片機(jī)的窗口對(duì)應(yīng)連接即完成了硬件接口。GSM模塊數(shù)據(jù)線是專為連接PC機(jī)9針串口而設(shè)計(jì)的，信號(hào)電平為標(biāo)準(zhǔn)的RS-232點(diǎn)評(píng)，只要單片機(jī)的串口也轉(zhuǎn)換為RS點(diǎn)評(píng)，就可方便連接。9針串口引腳定義是固定的，即2腳為TXD（GSM模塊發(fā)送），3腳為RXD（GSM模塊接收）、5腳為GND。單片機(jī)與GSM模塊的連接圖如圖3.4—4所示。

圖3.4—3 GSM模塊實(shí)物圖

圖3.4—4 單片機(jī)與GSM模塊的連接圖

遠(yuǎn)程PC機(jī)終端界面由VB編程，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家電開關(guān)，遠(yuǎn)程開門。當(dāng)用戶工作是如果有來訪者，則可以實(shí)現(xiàn)為來訪者開門。

（五）、安全防范子系統(tǒng)模塊

1）模塊概要

安全防范子系統(tǒng)模塊主要由煙霧傳感器、溫濕度傳感器、人體紅外傳感器、GSM模塊和報(bào)警模塊組成。煙霧傳感器是通過監(jiān)測(cè)煙霧的濃度來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)防范的，煙霧報(bào)警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運(yùn)用到各種消防報(bào)警系統(tǒng)中，性能遠(yuǎn)優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報(bào)警器。煙霧傳感器是利用煙敏電阻來測(cè)量煙霧濃度，從而達(dá)到報(bào)警的目的。溫濕度傳感器和人體紅外傳感器、GSM模塊和前面的一樣。報(bào)警模塊可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)用戶處于緊急狀態(tài)下按下緊急求救按鈕時(shí)會(huì)優(yōu)先將信號(hào)傳到保安處，安全防范子系統(tǒng)模塊的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3.5—1所示。