多通道智能家居安全監(jiān)控儀的設(shè)計(jì)

李興紅 向 茜 杜曉光

成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院

溫度和可燃?xì)怏w濃度作為工業(yè)生產(chǎn)、居民生活中最為普遍的要素之一，在社會(huì)中承擔(dān)非常重要的角色。為了實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境中對(duì)多房間溫度和煙霧濃度的監(jiān)控，設(shè)計(jì)了一款以STC89C52RC 作為微控制器，單總線式溫度傳感器DS18B20 作為多路高精度測(cè)溫設(shè)備，MQ-2 作為可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)設(shè)備，NRF24L01 作為無(wú)線信號(hào)傳輸設(shè)備，多個(gè)房間的溫度和煙霧濃度值通過(guò)帶背光的LM016L 呈現(xiàn)給用戶，一旦出現(xiàn)異常同時(shí)報(bào)警的監(jiān)控測(cè)溫儀。該多通道智能數(shù)字安全監(jiān)控儀讀數(shù)方便，測(cè)量監(jiān)控準(zhǔn)確，特別適用于居家等場(chǎng)所。

前言

幾乎所有的科研、生產(chǎn)和生活過(guò)程都和溫度及濃度密切相關(guān)，溫度檢測(cè)和濃度檢測(cè)與控制技術(shù)不僅應(yīng)用于化工、醫(yī)療、航空等高科技領(lǐng)域里，而且也應(yīng)用于人們的日常生活中。如今家庭的經(jīng)濟(jì)條件逐步提升，居住空間逐漸擴(kuò)大，一戶多個(gè)房間的情況也日益增多，對(duì)這些不同空間溫度和可燃?xì)怏w濃度的監(jiān)控也日益迫切。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)和顯示系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足居家的要求。

傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)以熱敏電阻為溫度敏感元件，熱敏電阻的成本低，但需后續(xù)信號(hào)處理電路，可靠性相對(duì)較差，測(cè)溫準(zhǔn)確度低，檢測(cè)系統(tǒng)也有一定的誤差，而且每個(gè)空間獨(dú)立測(cè)量和顯示，不便于人們的監(jiān)控，如今這樣的溫度計(jì)已跟不上現(xiàn)代社會(huì)的需求，而在國(guó)內(nèi)很多城市的住宅，還沒(méi)有安裝對(duì)可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)的裝置。為了實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境中對(duì)多點(diǎn)溫度和多點(diǎn)可燃?xì)怏w濃度的監(jiān)控，這里設(shè)計(jì)了一款可以將多個(gè)房間（8 個(gè)房間：編號(hào)#1～#8）的溫度和煙霧濃度狀況通過(guò)任何房間的帶背光的液晶屏呈現(xiàn)給用戶，一旦出現(xiàn)異常啟動(dòng)報(bào)警的安全監(jiān)控儀。

系統(tǒng)方案及硬件設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，模擬溫度值經(jīng)過(guò)DS18B20 處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，可燃?xì)怏w濃度值經(jīng)MQ-2 檢測(cè)后通過(guò)ADC0809 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，其溫度值和煙霧濃度級(jí)別兩個(gè)信息全部送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并帶背光的LM016L 顯示。當(dāng)任意一個(gè)房間的參數(shù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置，同時(shí)每戶居民的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊NRF24L01 發(fā)送給小區(qū)監(jiān)控的無(wú)線接收模塊NRF24L01，并將信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行處理。

系統(tǒng)核心控制器

圖1 安全監(jiān)控儀結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)中采用兩片增強(qiáng)型8051 單片機(jī)STC89C52RC作為系統(tǒng)核心控制器，該芯片集成度高、體積小、可靠性高，利用每戶居民的單片機(jī)的P1.1 連接DS18B20，并通過(guò)I2C 總線讀取DS18B20 的串行數(shù)據(jù)及經(jīng)過(guò)AD 轉(zhuǎn)換后的MQ-2 的濃度值，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)的P0 口將讀取的數(shù)據(jù)送給帶背光的LM016L 設(shè)備，測(cè)量數(shù)據(jù)的同時(shí)還監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)讀取的超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定范圍，由P3.0 和P3.1 口發(fā)出報(bào)警控制信號(hào)，而無(wú)線信號(hào)發(fā)送和接收由單片機(jī)的P2 口進(jìn)行SPI 的時(shí)序模擬來(lái)完成。

溫度檢測(cè)電路

溫度傳感器是數(shù)字測(cè)溫儀中不可缺少的部件，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的要求，選用單總線式溫度傳感器DS18B20，它可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行數(shù)，所以在一條總線上可掛接任意多個(gè)DS18B20 芯片，本系統(tǒng)外接8 個(gè)DS18B20 預(yù)計(jì)測(cè)量每戶居民8 個(gè)房間的溫度值，構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)而無(wú)需任何外圍硬件。

煙霧檢測(cè)電路

煙霧檢測(cè)報(bào)警器作為的信號(hào)采集部分，是系統(tǒng)的核心組成部分之一。本系統(tǒng)采用MQ-2 型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集煙霧信息，它將可燃性氣體在空氣中的含量（即濃度）轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)的P0 口，進(jìn)而由其完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。

無(wú)線收發(fā)電路

圖2 主程序流程圖

圖3 nRF24L01 發(fā)射部分程序流程圖

圖4 nRF24L01 無(wú)線接收部分主程序流程圖

為了使溫度和煙霧濃度等級(jí)信號(hào)能夠更加便捷的傳輸給小區(qū)監(jiān)控端，系統(tǒng)選用無(wú)線信號(hào)傳輸模塊NRF24L01完成無(wú)線信號(hào)傳輸功能。單片機(jī)與NRF24L01 連接時(shí)，通過(guò)LM1117 使單片機(jī)輸出的5V 轉(zhuǎn)換成NRF24L01 的電源電壓3.3V，而P2 口作為數(shù)據(jù)端口可以通過(guò)在每個(gè)數(shù)據(jù)口加一個(gè)10K 的下拉電阻，這樣就完成CPU 和無(wú)線發(fā)送模塊NRF24L01 之間的電源電壓和數(shù)據(jù)電壓之間的轉(zhuǎn)換，而無(wú)線接收模塊與小區(qū)監(jiān)控的CPU 之間無(wú)需電源電壓的轉(zhuǎn)換。

報(bào)警及顯示電路

系統(tǒng)采用經(jīng)過(guò)三極管9013 驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器及發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警，而聲光報(bào)警電路的工作狀態(tài)由單片機(jī)的P3.0 和P3.1 口控制。

安全監(jiān)控儀的所測(cè)得的溫度值和煙霧濃度級(jí)別兩個(gè)信息由單片機(jī)的PO口輸出，并通過(guò)帶背光的LM016L顯示，帶背光方便用戶在夜間或光線不好的狀況下清晰讀取顯示信息。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

任何智能集成硬件電路的實(shí)現(xiàn)還需要其靈魂，即軟件電路，本系統(tǒng)通過(guò)C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件電路系統(tǒng)的控制。

主程序流程圖如圖2 所示，單片機(jī)對(duì)傳感器檢測(cè)的煙霧濃度信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換、平均值法濾波、線性化處理后，將濃度值連同測(cè)量的溫度值與報(bào)警限設(shè)定值相比較，再判斷是否需要報(bào)警，同時(shí)送入液晶顯示器顯示煙霧濃度值和測(cè)量溫度。主程序中還包括按鍵功能設(shè)置，中斷子程序等，使報(bào)警器功能更加完善，給用戶帶來(lái)便利。

nRF24L01 發(fā)射部分程序流程圖如圖3 所示，在nRF24L01 無(wú)線發(fā)射部分主程序中，首先進(jìn)行初始化操作，通過(guò)配置模式對(duì)nRF24L01 進(jìn)行設(shè)置，主要包括：發(fā)送的數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、發(fā)送數(shù)據(jù)的地址以及CRC技術(shù)和常用配置等。待初始化完成后，將nRF24L01設(shè)置為發(fā)射模式，進(jìn)行發(fā)射數(shù)據(jù)。隨后查看狀態(tài)寄存器TX_DS 是否為1，最后程序返回準(zhǔn)備下一次發(fā)射。

nRF24L01無(wú)線接收部分主程序流程圖如圖4所示，在nRF24L01 無(wú)線接收部分主程序中，首先進(jìn)行初始化操作，將nRF24L01 設(shè)置為接收模式，并通過(guò)配置模式對(duì)nRF24L01 進(jìn)行設(shè)置，主要包括：接收的數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、接收數(shù)據(jù)的地址以及CRC 技術(shù)和常用配置等，待初始化完成后，延時(shí)等待數(shù)據(jù)包的到來(lái)。查看狀態(tài)寄存器RX_DR 是否為1，然后返回繼續(xù)等待接收數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)的多通道智能家居安全監(jiān)控儀由信號(hào)采集電路與單片機(jī)控制電路兩大部分構(gòu)成，充分利用了單片機(jī)的高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)，可以同時(shí)進(jìn)行8 通道的煙霧檢測(cè)、溫度檢測(cè)、兩類數(shù)據(jù)的顯示及危險(xiǎn)信號(hào)的報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。

結(jié)語(yǔ)

智能家居安全監(jiān)控儀可保障與百姓生活密切相關(guān)的安全，避免火災(zāi)、爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，是防火、防爆和安全生活所必備的監(jiān)控儀。該監(jiān)控儀在四川樂(lè)山某高檔小區(qū)試用期間，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)受到小區(qū)居民的一致好評(píng)，因此，本監(jiān)控儀具有廣闊的市場(chǎng)空間與發(fā)展前景。