智能家居控制系统(总汇)1

2023年4月22日发(作者：实木办公家具老板桌)

一．摘要

该系统以AT89S52单片机为核心，可以通过液晶屏或PC机实

时监控家居内各模块的运行状态，也可通过遥控器或PC机对各模

块进行无线限制。本系统功能模块可分为：门禁模块、无线遥控

模块、水流量及水温计模块、智能照明模块、防盗报警模块、室

内恒温限制模块、太阳能供电模块、上位机限制模块。本系统推

崇“智能、节能、环保”的科学发展观念，符合当今社会主流，

有很强的市场推广前景。

关键词：单片机、水流量计、温度计、光控、热释、无线遥

控

1

二．系统简介

随着现代社会的进步，经济的发展，人们对精神领域的追求更高了，对

生活水平的要求更高了。现代的家居生活是一种高品位、高质量、特性化、

智能化的方式。本系统就是基于AT89S52单片机限制的智能家居系统，可以

实际监控室内各种不同的家电设备，并能通过液晶屏动态显示当前工作状

态。该系统与传统的智能家居系统相比，具有功能多样化、成本造价低等优

点，且符合当今社会智能、节能、环保的发展观念，并在人们享受高品位、

高质量、特性化、智能化生活的同时提高人们的节约意识。

本系统接受Atmel公司的AT89S52单片机为主限制器。AT89S52是一种低功

耗、高性能CMOS8位微限制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。8k字节Flash，

256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器

/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振刚好钟电路。另外，

AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，

CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断接着工作。掉电爱惜方式

下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或

硬件复位为止。且S系列的单片机可以在线编程、调试，便利地实现程序的下

载与整机的调试。该系统接受竞赛供应的E_PLAY万能试验板。

三．智能家居房屋模型设计

为了更加形象生动的演示出该智能家居系统优越的功能性，本系统还另

设计、构建了房屋模型。该模型模拟真实的小型别墅1：1200的比例建立，

更具有真实性，好用性。对于房屋模型材料的选择，经过多次比较，选择了

铝塑板和挤塑板相结合的设计模式，铝塑材料具有灵活、坚实、防火、安装节

约、简便、环保、高度平整的优点，用于制作房屋模型的主体结构，用铝塑材

料比塑料更坚实，美观，相对于木质板跟易裁剪，便利了制作过程；挤塑板

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用于房屋模型的外部装饰结构，具有抗高压、防潮、不透气、不吸水、耐腐蚀、

导热系数低、轻质、运用寿命长等优质性能，是一种优质的环保材料，提示人

们环保节约意识。窗户的制作选择了具有易于切割、灵活、坚实、环保等优

点的有机玻璃作为制作材料。模型分为两层，其中第一层装有正门、窗户及

一个小屋；其次层装有窗户、窗帘及排风设施。二层之上装有类似于瓦砾的

屋顶，在其上方装有太阳能设施。整个房屋的门窗的开启与关闭均由电机限

制来完成。房屋模型一层正门的设计利用了涡轮蜗杆的工作原理，将电机加

入其中，具有反自锁功能，只有在上电后才起先工作，正门的开关由门上的

电机的转动来实现；门右旁装4*4的矩阵键盘，用于输入密码，正门右上方

装有液晶显示屏用于输入密码，确认密码；正门上方有红、绿灯检测装置，

检测并推断密码输入是否正确且是否可进入屋内。一层左右两侧分别各装有

一扇用合叶、有机玻璃制作的两面开窗户，增加了整套房屋模型的观赏性。

房屋一层正面右侧的小屋用于安装水流量计设备，用来演示水流量计模块所

实现的功能，小屋内的水管中装有温度传感器及水流量传感器，温度传感器

用于水温的测量，水流量计用于测量当前水的流量；房屋二层左右两侧都各

装有一扇用合叶、有机玻璃制作的两面开窗户，作为室内通风功能模块的一

部分，窗户边装有电机，利用电机的转动来智能限制其开启或关闭；窗户内

侧装有窗帘，其旁安装了红外及光敏传感器等设备继而构成了光控窗帘模

块。一层窗户旁边则安装了热释传感器用于反馈窗户四周的平安，窗户上方

还装有门窗强行进入报警信号器，构成了窗户防盗功能模块，用于安防报警；

二层窗户上侧装有通风风扇设施（模拟空调），作为通风模块，用于调整室

内温度并让其保持在确定范围内。房屋模型屋顶装有太阳能板，构成太阳能

供电模块，晴天时可通过蓄电池储存电能用于整个系统的供电，在意外断电

的状况下是仍能使整个系统正常工作，并节约了能源，提倡了节能意识。此

外，整个系统的全部电路板均装于房屋内部顶层，既便利系统的布线又增加

了整个模型的观赏性。房屋模型背面装有一扇用合叶及有机玻璃制作的单面

开设施，便利了对房屋内部结构及系统功能的视察和了解。

下图为房屋模型的框架图：

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四．工作原理及设计思路

⒈ 水流量模块

当打开水龙头时，依据主控器（51单片机）的指令，水流量计传感器和

数字温度传感器DS18B20实时采集水流量状态和水温的数据。当主控器（51

单片机）扫描到水流量计传感器的脉冲数，经过主控器（51单片机）处理，

计算出所采集的水流量后，通过液晶屏TX-1602能动态显示当前水流量，水

费及水温（由于条件的限制我们这里接受气流代替水流）。系统由主控器（51

单片机）向温度传感器DS18B20发出测量温度的叮嘱，DS18B20测量出高精

度的温度值后，主控器（51单片机）向DS18B20发出读取温度值的叮嘱，并

读回被测点的的温度值，经主控器（51单片机）处理运算读回的温度值后，

由液晶屏TX-1602能动态显示当前测得的水温。本模块符合当今国家提倡的

节约型和谐社会，能时常提高人们节约用水的意识。

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⒉ 门禁模块

主控器（51单片机）接受矩阵键盘扫描，把按键按行列组成矩阵，在行

列交点上都对应有一个键，这样运用的按键要少，为判定有无键被按下以及

被按键的位置，这种称为键扫描法。接受矩阵键盘扫描节约了单片机大量的

I/O口，免去了上拉电阻为焊接带来了便利，提高了整块电路板的美观度。

首先判定有没有键被按下，然后再判定被按键的位置，因为键盘矩阵有键被

按下时，被按键处的行线和列线被接通，使得开关之间接通。当扫描表明有

按键被按下之后，紧接着应是进行去抖动处理，当确定有按键被按下时，相

应的显示出所按数值，并液晶屏TX-1602显示所按下数据，当输入密码正确

时，主控器（51单片机）接收到信号，然后发出指令，使绿灯I/O口为低电

平并驱动ULN2003，通过芯片ULN2003低压限制高压驱动12V电机的转动，

则绿灯点亮并能使电机转动，把门打开；当输入密码错误时，主控器（51单

片机）使红灯I/O口为高电平，则红灯点亮。报警电路用两个555接成，前

者产生确定的报警延时，通过变更RC的值可变更延时时间，后者为多谐振

荡器通过电位变更，产生相应的输出频率。输出端产生的脉冲经三极管驱动

后接扬声器，就能发出报警声音。每一按下按键，输出的脉冲传给主控器（51

单片机），主控器（51单片机）发出指令给蜂鸣器让其产生按键的声音，可

提示人们所按次数是否正确。此外，在屋内也可对门进行限制，当有客人来

时，只需按下按键，则大门打开。

⒊ 光控窗帘模块

本模块由光控部分，电机驱动以及红外接收来实现对窗帘的限制。两

个等量电阻构成的分压器中点接运算放大器LM358的反向输入端，从而使放

大器的输出电压为1/2U。白天有光照时，光敏电阻传感器对外部环境进行采

光，此时阻值小，反向端电压高于正向端，则运算放大器LM358输出端输出

高电平，使限制窗帘部分的电机驱动；反之天黑时，光敏电阻传感器阻值大，

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正向端电压高于反向端，运算放大器LM358输出端输出低电平，则电机不转

动。因此，当光敏电阻传感器采集的模拟信号通过运算放大器LM358传给主

控器（51单片机）后，主控器（51单片机）驱动电机，实现天亮时窗帘自

动打开；天黑时窗帘自动关闭同时打开室内的灯。当窗帘拉开或收回到一边

时，左右两侧的红外二极管接收信号，把信号传给主控器（51单片机），主

控器（51单片机）再发出停止指令给电机，电机则停止转动。通过用红外二

极管停止电机的转动能防止电机不停空转而被憋坏，且用红外限制窗帘的停

转，能防止突然断电再被开启时，电机再次转动固定转数而烧坏电机。

⒋ 窗户防盗模块

本模块接受了被动式红外报警器——热释电红外传感器KDS9。这种热释

电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信

号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。用它制作的防盗报警器与目

前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有：不须要用红外线或电磁波等放射

源；灵敏度高、限制范围大；隐藏性好，可流淌安装的特点。当人体辐射的红

外线被聚焦在KDS9的探测元上时将输出电压信号，由于电压特别微弱，所

以用运算放大器LM358对其进行两级放大，以获得足够的增益。当放大后将

这个凹凸电平变更的信号的下降沿信号作为555连接成的单稳态电路的触发

信号，让其输出脉宽为5s的低电平信号。再用这一脉宽信号作为555多谐

振荡器报警电路得输入限制信号，产生5s的报警信号，最终用三极管8550

再次对电信号放大，使其有足够大的电流来驱动喇叭发出报警声。热释电红

外传感器设计的监控报警系统具有结构简洁､成本低等优点｡经过多次测试,该系

统工作状况稳定｡

⒌ 通风模块

用数字温度传感器DS18B20测量，主控器（51单片机）向温度传感器

DS18B20发出测量温度的叮嘱，DS18B20实时测量出高精度的室内温度值，

主控器（51单片机）向DS18B20发出读取温度值的叮嘱，并读回测得的被测

点的DS18B20传回的温度值，经主控器（51单片机）处理运算读回的温度值，

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当检测到室内温度达到确定上限阈值，主控器（51单片机）向直流电机电机

发出指令，限制直流电机转动，使风扇打开，液晶显示屏显示开启状态。通

风一段时间后，若室内温度达到确定下限阈值时，则主控器（51单片机）限

制电机使其停止转动，从而风扇停转，液晶显示屏显示关闭状态。

⒍ 无线通讯遥控器模块

该模块由放射端与接收端组成，无线放射装置连接上位机（主机）串

口通讯与无线接收装置连接主控器（51单片机）的串口能进行无线通讯。通

过上位机里的智能家居系统用户界面的相应限制按钮，可使无线放射装置放

射出信号给无线接收装置，无线接收装置经过串口送入主控器（51单片机），

由主控器（51单片机）负责处理来自串口的信息，主控器（51单片机）接

收到信号后，相应的限制门、窗、灯的开关；无线放射装置另又接入3*3矩

阵键盘，当确定有按键按下时，主控器（51单片机）接收到信号，亦可执行

相应的叮嘱限制门、窗户、窗帘、灯的开关。

⒎ 太阳能供电模块

该模块用三块各5.5V的太阳能板串并联后给12V的蓄电池充电。蓄电

池（也俗称电瓶）是太阳能供电系统的重要器件，它的主要功能，是能把太

阳能电池板发的电能即时储存在电瓶内，以供用电设备运用，蓄电池具有储

存电能和稳定电压的作用。蓄电池出来12V的电压后，用三块并联的7805

将其稳压成1.5A，5V供电给单片机。太阳能电池给蓄电池充电时，在充电

电路中加两只整流二极管，以保证在晚上蓄电池不会通过太阳能电池板反向

放电。通过蓄电池储存的电给主控器（51单片机）供电，使系统工作，能达

到系统节能目的。亦可在电源处于停电状态时，用太阳能供电，能保证主控

器（51单片机）保持持续有电状态。

在蓄电池连接电路时，加入了自复原保险丝，当电路发生短路或者过载

时，流经保险丝的大电流使其集温上升，当达到居里温度时，其态密度快

速减小，相变增大，内部的导电链路呈雪崩态变或断裂，保险丝呈阶跃式

迁到高阻态，电流被快速夹断，从而对电路进行快速，精确的限制和爱惜，

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其微小的电流使保险丝始终处于爱惜状态，当断电和故障解除后，其集温

降低，态密度增大，相变复原，纳米晶体还原成链状导电通路，自复原保

险丝复原为正常状态，无需人工更换。

五．硬件框图

太阳能蓄电池

小液晶屏

步进电机

风扇

+

稳压电源7805

温度计

89S52

大液晶屏

门、窗

窗帘

光照传感器

单

片

机

水流量计

声音报警

无线通讯遥控器

灯

上位机

六．软件流程

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起先

系统初始化

输入密码子程序扫描水流量计脉冲数子程扫描采集光

序、温度测量子程序 照子程序

是

送显 ULN2003限制

否

延时函数

否

否

是

扫描按键子程序

是

检验密码是否正确

电机正转

ULN2003限制

电机正转、绿

灯亮

报警子程有输出信号

序、红灯亮

寄存器清零

检测红外是否

否

是

ULN2003限制

电机停转

返回

起先

系统初始化

LCD12964初始化

温度测量子程序

检测温度达到确清除显存RAM

定上限值

否

是

ULN2003限制子程序

电机转动

LCD1602初始化

清除显存RAM

各传感器状态显示

密码显示子程序

返回

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七．创新性

基于AT89S52单片机限制的多功能智能家居系统具有以下特色:

⑴ 该系统实现了家电限制的智能化，多功能化。

⑵ 通过液晶显示屏动态显示各传感器当前工作状态，能实时检查各传

感器是否正常工作。

⑶ 水流量计模块实时显示当前水流量能提示人们节约用水的意识，符

合当今国家提倡的节约型和谐社会。

⑷ 门、窗、窗帘、灯用电机限制，电机具有反自锁功能，只有在有电

的状况下才能转动，也可防盗。因此门、窗、窗帘、灯既能通过自动限制，

也能人工限制，便利又省事。

⑸ 门禁系统的双重报警能防止小偷的强行进入，保证家居的平安。

⑹ 窗户上的报警装置能防止小偷从窗户进入，保证家居的平安。

⑺ 无线通讯模块中，通过上位机里的智能家居系统用户界面能限制家

里的电器设备，即使在办公室通过电脑也能对家中的电器设备进行限制。

⑻ 当白天时，窗帘自动收回，能提示人们早起而避开闹钟突然响起的

吵闹声而受惊，且窗帘停止用红外限制，能防止突然断电再开启时，电机再

次转动固定转数而烧坏电机。

⑼本系统接受双电源供电，能保证主控器任何时候都为工作状态。晴天

时，太阳能板吸取阳光对蓄电池充电，将电量储存起来。平常可用电源对主

控器进行供电，一旦停电能用蓄电池对主控器供电，确保常有电状态。

⑽蓄电池连接电路时，加入自复原保险丝，当电路发生短路或者过载时，

保险丝呈阶跃式迁到高阻态，电流被快速夹断，从而对电路精确的限制和

爱惜，其微小的电流使保险丝始终处于爱惜状态，当断电和故障解除后，

自复原保险丝复原为正常状态，无需人工更换。

⑾该系统装入在房屋模型中，通过模型能更加形象演示出智能家居的智

能化。

⑿该系统结构简洁，装配便利。

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八．技术说明

智能家居系统运行于房屋模型当中，房屋模型均为手工制造，另用加工

工具加工而成。由于条件有限，电路板除了大赛供应的试验板以外，其他电

路板均为上课所学学问、查阅各种资料及指导老师的看法下，自己设计出电

路图并焊接完成的。其中包括：水流量、温度采集电路，热释防盗报警电路，

门、窗限制电路、报警电路，室内通风电路，电源电路等。程序则是自己通

过平常所学、积累、实践，编写而成的，有部分程序是参考了书籍中的精华

程序编写而成，并无抄袭。

九． 系统适用范围

从目前市场上现有的智能家居限制系统来看，成本较高，也未得到广泛

应用。通过各项数据比较来看，主要是以照明、电器限制功能为核心的智能

家居系统。而本系统在比照明、电器限制的基础上，还能对水流量监测、供

电系统、安防系统进行限制，趋近于系统一体化。该系统不但能适用于家居

方面，还能应用于智能会议室，多功能教室，智能小区等，应用广泛适用性

强，且成本较低。

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智能家居系统全景图

智能家居正面 智能家居后面

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