虚实结合的智能家居微机控制系统设计

课程名称：微机原理课程设计

实验题目：虚实结合的智能家居微机控制系统设计

课程简要信息

课程名称:微机原理课程设计

课程学时:60学时

适用专业:工业自动化、电气自动化

学生年级:大三

实验内容与任务（限500字）

虚实结合的智能家居微机控制系统以具有300多个传感器和执行器的3D VR（虚拟现实）房屋为被控对象，利用实体的实验箱实现灯光、温度、安防、火警等控制。通过引入复杂的虚拟房屋并结合实体实验箱不仅实现了家居控制系统的半物理仿真，而且学生可利用VR沉浸式体验实验过程和效果，激发了学习兴趣。学生需综合利用微机、电路、电子等知识，完成以下任务：

1）用8253、8255等设计硬件电路。

2）编写数字/模拟输出量控制程序，实现对数字输出量（如照明灯具的亮灭、加热器启停）的控制和对模拟输出量（如灯光强度等）的控制。

3）编写数字/模拟输入量读取程序，实现对数字输入量（如烟雾/入侵报警器的报警状态）和对模拟输入量（如光强等）的读取操作

4）编写短信收发程序，实现手机短信远程控制并接收非法入侵等报警短信。

5）编写音频采集和FFT程序，实现从手机音频信号中提取频谱功能。

6）编写程序实现随手机音乐强度和频谱不断变化的灯光控制，灯光强度随音乐强度变化，灯亮灭随频谱变化。

本实验由6人合作完成，分成3个阶段与层次依次递进，其中1）~2）项由第一组共2人完成，3）~4）项由第二组共2人完成，5）~6）项由第三组共2人完成。

图1 3D 虚拟现实房屋

实验过程及要求（限300字）

1）学习智能家居控制原理，了解已有方案并比较优缺点。

2）团队负责人组织本组成员讨论，提出适于现有软硬件资源的方案并规划时间进度。

3）搭建硬件电路，注意要制定检验流程来测试所设计硬件的功能。

4）编写数字和模拟输出量控制程序，能控制室内装置的工作状态。

5）编写数字和模拟输入量读取程序，能正确读取室内装置、报警器当前状态。

6）编写短信收发程序，能够用手机远程读取室内装置当前数值，接收火灾等报警短信。

7）编写音频采集和FFT程序，能够采集手机音频信号并通过FFT计算得到频谱

8）编写灯光控制程序，能够让灯光随手机音乐强度和频谱发生改变。

9）撰写设计总结报告，并通过每个人演讲，交流经验体会。

相关知识及背景（限150字）

本实验涵盖了微机原理、电路、模拟电子技术、数字电子技术的课内知识与典型应用，需综合运用驱动放大电路、音频检测与放大、模数信号转换、串行通信、信号处理、短信收发等相关知识和技术，涉及可靠性、可测试性、可重用性等工程概念与实现方法，也需要运用成本核算、基于甘特图的进度与资源管理等工程管理方法。

教学目标与目的（限100字）

使学生初步具备解决复杂工程问题、提出创新性技术方案的能力；帮助学生掌握“软（件）硬（件）兼施”的电子系统设计和实现方法，具备调试复杂软硬件的能力；促进团队合作，让学生能运用进度与资源工程管理方法。

教学设计与引导

本实验需要综合运用微机原理、数字电子、模拟电子等课程知识来解决工程实际问题，从分析项目需求、制定项目技术方案、规划项目时间进度与任务分配、设计调试硬件电路、编写软件、软硬件联调等方面对学生进行全面培养。在实验教学中，教师应注重在以下方面加强对学生的讲解和引导：

1）通过VR演示，激发学生学习兴趣，鼓励学生独立发现问题。在实验开始前，让学生佩戴VR眼镜，沉浸式的体验3D虚拟家居环境，如图2所示。学生可以身临其境般的操纵室内各种装置，这样一方面可以激发学生的学习热情，另一方面可以引导学生主动的思考现有控制系统的问题，并针对问题考虑解决方案。例如在学生发现现有的灯光、加热器等都只能在屋内由人手动控制后，引导学生思考能够实现照明灯、加热器的远程控制方法，以及要想实现远程控制，现有的解决途径有哪些。

2）帮助学生掌握解决复杂工程问题的方法。在实验之初，向学生明确指出这次实验所要控制的智能家居具有300多个传感器和执行器，是一个复杂的工程实际问题，进而提醒学生注意①该项目需要多人组队完成，队员之间的团结协作是项目能否成功的关键因素，必须在实验前完成任务分配和进度规划，甘特图是一种行之有效的方法。②任何一个传感器或执行器工作不正常都会影响最终的效果，因此要在项目方案设计之初就要把可靠性、可测试性、可维修性等工程要求考虑在内。③6个人分三批进入实验室完成相对独立的任务，每个人的工作都是后续小组完成实验的基础，在思想上强化每个学生的责任和担当，在技术上引导学生注重系统概念、工程规范、代码可重用性。

图2 3D VR显示器输出

3）在方案制定阶段，引导学生从技术可实现性、技术难点、可靠性、成本等多方面衡量比较技术方案，并依据现有软硬件资源确定技术方案。例如锁存器方案有573和373两种芯片都可以实现指定功能，引导学生从布线合理、易于排错角度选择芯片，最终学生选择了便于接线的、输入输出管脚在芯片左右两侧的573，而没有选用输入输出引脚交替排列的373芯片。

4）引导学生利用现代工程管理工具来推进项目进度。本项目团队由三个小组、每组两人总共6人构成，三个小组分六个星期先后进入实验室，每小组的工作都是后续小组的基础，所以一旦出现某个小组不能按时完成任务，就会影响整个项目进度，因此在项目之初就让学生们学习利用甘特图规划项目进度的方法，团队成员自行推举了负责人，要求负责人统一制定项目进度规划、分配资源和任务。

5）在硬件设计阶段中，除目视检测焊接质量外,引导学生注重可测试性，要求学生基于TPC-ZK实验箱设计搭建硬件测试电路，保证硬件电路的每一个单元都可测试并可以和虚拟软件的电气接口匹配。

6）在设计实现过程中，引导学生掌握“软（件）硬（件）兼施”的电子设计方法和软硬联调的调试方法。在实验设计实现过程中，要求学生综合利用现有软硬件资源、充分发挥软硬件各自优势来实现对虚拟家居的控制。例如虚拟家居中的灯光强度控制电压是0~10V，而实验箱DAC0832的输出电压是0~5V，那么就需要设计一个2倍电压放大硬件电路，而在软件设计时要把2倍电压放大率考虑进去。

7）在音频信号处理中，虽然学生是调用已有的FFT程序，但音频采集滤波放大电路、采样频率、FFT程序调用和FFT处理结果运用等仍需学生自己确定，因此要求学生必须复习模拟电子和信号处理相关知识，引导学生关注滤波电路、采样频率等对FFT的影响及对灯光整体显示效果的影响，关注现有FFT采样点数和程序运算结果的物理含义。

8）允许学生试错，引导学生关注可靠性、可测试性、代码可重用性等工程要求。在实验中引入“虚拟式”的家居对象的优点之一是可以让学生犯错误而不影响实体的实验装置。以往越是复杂的实验装置，开放给学生的操作接口越少，其主要原因是担心学生误操作引起实验装置损坏。而虚拟式的被控对象不存在因学生误操作而导致物理损坏的情况，学生可以大胆的尝试各种方案。例如学生在连接各种传感器和执行器时并未注意合理布局布线，也没有边连线边测试，而是把整个电路连线完才开始测试，对于指导教师的提示也未予以足够重视，作为指导教师并未强制要求学生改正，等测试电路时学生就发现因为连线混乱这个电路根本无法找到不正常工作的原因，为了排查一个错误经常会花上一个小时而且还不一定排查出来，这种切肤之痛让学生对于可测试性有了直观的感受，此时指导教师对学生进行有针对性的理论知识和实际工程操作的讲解，学生是心服口服，自觉主动的重新改进硬件连线。

9）强化学生全程交流，除项目结束后要求学生做ppt进行演讲外，要求学生在项目制订方案、任务交接时都要由团队负责人组织团队讨论，借以加强学生的团队意识、进度意识、工程观念，同时让学生相互了解彼此的工作，交流成功与失败的经验体会。

实验原理及方案

1）系统结构

系统结构如图3所示。VR虚拟家居中的模拟输入信号通过ADC0809转换为数字量信号，VR虚拟家居中的数字输入量信号由8255采集，8088利用DAC0832控制VR虚拟家居中的模拟输出信号，利用8255控制VR虚拟家居中的数字输出信号，利用8251通过SIM900A模块来实现收发短信功能。音乐通过麦克风经音频滤波放大电路处理后，由ADC0809实现量化采集、把模拟音频信号转换为微处理器8088可以直接处理的数字信号。8088对输入音频信号进行FFT计算，并计算声强峰值，在中断程序中根据FFT计算结果和声强峰值控制DAC0832的输出电压，从而使灯光随声强和频率改变显示状态。8253产生方波信号，该信号经8259向8088定时申请中断，形成音频信号定时采集时间基准。

图3虚实结合的智能家居微机控制系统结构

2）实现方案

2.1音频滤波放大电路用于滤除音频信号中的噪声并将信号放大到ADC0809的电压范围内。共有三种不同的方案，既可以选择由分立元件（如三极管、电阻、电容）搭建，也可以由通用运算放大器（如LM324）组成，还可以选用INA1650等单芯片解决方案。

2.2 远程控制可以选择短信方式、蓝牙方式、Wifi方式。短信方式可以选择串口接口的SIM900A模块，使用AT指令进行收发短信的操作。蓝牙方式通信距离较近，适合室内的无线控制，但不适用于远程控制。Wifi需要使用较为复杂的硬件电路，且软件编程也很复杂，因此在本实验中并没有采用。

2.3 数字量输入/输出可选择74系列门电路或可编程接口器件8255，74系列门电路如输入缓冲器74LS244、输出锁存器74LS273、74LS373等引脚少且集成度较低，而8255具有可编程特性且单片集成24个I/O引脚，可应用于虚拟家居环境。

2.4整个程序包括8253、8255初始化，ADC采样、峰值和FFT计算、8255输出控制、短信收发等。程序采用基于中断的形式，根据音频信号特征、控制系统采样确定中断时间间隔，定时时钟由8253方式3产生，定时中断由8253通过8259向CPU申请。

教学实施进程

1）在预习自学阶段教师和学生需完成的工作任务如图4所示

图4 预习自学阶段教师和学生需完成的工作

学生在比较现有方案的过程中，往往只重视技术可实现性和技术难度，教师要适时引导学生关注成本、可靠性、可测试性、可维修性等工程要求。在学生提出实验方案后教师要检查方案的正确性，尤其是要求学生的方案必须立足于现有的软硬件实验装置，对于那些自制电路过多、预期耗时过长的方案要求学生整改。在制定项目进度和任务分配中，强化学生的主观能动性，即采用团队成员集体讨论、团队负责人全面负责的形式，教师只调整某些学生任务量过少、另一些学生任务量过重的情况。

2）在硬件设计调试阶段教师和学生需完成的工作任务如图5所示。

在硬件设计阶段引入了multisim实验，由于multisim环境不存在焊接虚焊、硬件接触不良等情况，所以如果在虚拟实验环境中得到了正确结果的前提下，而在实际电路中得不到结果，则说明在焊接、器件、连线等方面存在错误，因为通过虚拟实验缩小了排错的范围，所以硬件调试的效率得以提高。

在硬件焊接阶段，教师除对焊接方法、安全性等对学生进行必要的讲解指导外，其它都不作约束，同时允许学生试错，即学生可以不接受教师的建议，按照自己的想法设计焊接电路，出现错误后学生自己再返工，虽然这种方式学生做了无用功，但曲折的过程和深刻的教训会让学生对可靠性、可测试性等工程要求有更为直观深入的理解并积累了工程经验。

图5 硬件设计调试阶段教师和学生需完成的工作

3）在软件设计和软硬件联调阶段教师和学生需完成的工作任务如图6所示。

在程序设计阶段教师把软件的规范性放在首要的位置，程序结果不仅要正确，而且要求学生在书写代码前必须画流程图，软件必须采用模块化设计，子程序必须有文档，子程序输入、输出参数必须符合约定要求，子程序必须配有测试代码用以验证代码的正确性。上述要求都在打分时予以考虑，对于那些只有正确结果，代码不规范、文档不健全的一律只给及格分，从而强化学生软件设计的规范意识。

软硬件联调是学生通过微机课程设计必须掌握的技能，所以在学生调试驱动子程序、算法子程序和主程序过程中教师都进行详细的指导与讲解。如灯光显示效果是通过循环实现的，当图形显示不正常时，依靠单步执行是无法有效排查错误的，这时教师就引导学生通过设置断点+单步调试来提高测试效率，首先设置断点让程序全速运行到疑似有问题的代码附近，然后单步执行观察DAC0832的输出。

图6 软件设计和软硬件联调阶段教师和学生需完成的工作任务

实验报告要求

实验报告包含以下几个方面内容：

1）实验需求分析。根据智能家居控制的要求，逐条列举智能家居控制系统应实现的功能和对应的技术指标。例如当有火灾发生时，智能家居控制系统应具有发送报警短信的功能。当有火灾时，火灾报警器会持续报警，如果短信持续发送，会造成用户信息爆满，因此与这一功能要求对应的技术指标是报警短信每个10s发送一次。

2）实现方案论证。包含a)对现有技术方案的描述及各个既有方案的优缺点对比，完成方案对比表。b)根据现有实验箱的软硬件资源（如实验箱板载只有一片8255，总共24条口线）提出本实验具体的软硬件方案。

3）理论推导计算过程。如音频采集电路中滤波和放大参数的计算方法；FFT一次计算需要512个采样点，人眼能感受的光闪烁时间要大于0.1秒，能复现音频的采集频率需大于5KHz，依据上述三个约束条件计算采样频率和灯光闪烁频率的方法。

4）电路设计与参数选择。例如选取音频采集电路中放大电路组态的依据；8253定时时间间隔与计数初值的计算方法等。

5）硬件电路测试方法。给出检验焊接质量、测试音频采集电路、测试与虚拟环境电气接口的方法。

6）程序流程图。包含主程序及输入/输出量接口程序，短信收发程序等子程序的流程图。

7）实验总结。从项目组织、技术、团队合作等方面对实验进行总结。

附录：1）给出整个程序代码。

2）甘特图

考核要求与方法（限300字）

本实验从七方面进行考核

1）文献检索：要求学生运用多种检索工具查找相关文献。考核文献正确性、与实验相关性和文献数量。

2）方案设计：要求学生从技术、成本等多方面比较现有技术方案优劣，并提出自己的设计方案。考核器件和电路的合理性、成本可控性。

3）硬件设计质量：考核硬件结构的完整性、电气接口与虚拟家居是否匹配、是否有用于测试虚拟家居内设备的硬件测试电路。

4）上机编程调试：考核代码正确性和可重用性，软硬件联调、设置断点单步执行等调试方法的使用。

5）实物验收：考核是否达到了设计要求，能否长时间可靠稳定运行为

6）总结报告：实验报告是否完整、规范。

7）创新性：是否采用了新颖的设计方法或实现了更加丰富的功能。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

本项目把当前最先进的VR(虚拟现实)与实体实验相结合，学生可沉浸式地体验智能家居控制的过程和效果，激发学生学习热情；该实验的设计需综合运用微机、电子、电路等多门课程知识，提高了学生综合运用软硬件解决复杂问题的能力；由6人组成团队分时段、分层次合作完成实验，培养团队精神和运用多种工程管理方法的能力。

参赛选手信息表