基于單片機(jī)的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王柏淇

摘 要：本設(shè)計可分為智能檢測部分，可視化控制部分以及智能報警部分。智能檢測部分，通過使用DHT11溫濕度傳感器等，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高、有效數(shù)值多、抗干擾能力強等檢測特點?？梢暬刂撇糠?，通過顯示屏，按鍵及按鍵控制程序，使控制可視化。智能報警部分，利用相關(guān)硬件，在發(fā)現(xiàn)特定氣體超標(biāo)時，一旦異常會向單片機(jī)發(fā)出信號，并由單片機(jī)控制蜂鳴器和LED燈系統(tǒng)會發(fā)出相應(yīng)的燈光和鳴響報警，從而實現(xiàn)智能報警。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；智能家居；監(jiān)測系統(tǒng)

一、前言

當(dāng)今時代是數(shù)字智能化時代，同時也是一個科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的時期，人們的收入也隨著社會進(jìn)步科技發(fā)展而顯著增加，因此大眾開始有充足的資本來滿足自己越來越強烈的需求，這種需求使得家居智能化成了人們重點關(guān)注的方面之一。與此同時智能系統(tǒng)迅速發(fā)展起來，以前依賴簡單物理知識等簡單產(chǎn)品逐漸被高集成化的高科技設(shè)備所淘汰，且較模擬產(chǎn)品更加方便使用，有著更高效率。例如水銀溫度計，由以前的利用水銀對冷熱反應(yīng)靈敏特性的傳統(tǒng)溫度計，演變成現(xiàn)今由溫度傳感器構(gòu)成的電子溫度計。

智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并以住宅為基礎(chǔ)建設(shè)平臺，提供了豐富的功能和智能手段。而本監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計，是針對智能家居而研究，也為智能家居的后續(xù)相關(guān)研究與發(fā)展提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)及平臺支持。

二、硬件設(shè)計及框圖

系統(tǒng)需要的主要硬件為：LED指示顯示模塊，ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器，MQ-2煙霧傳感器，STC89C52RC單片機(jī)，DHT11溫濕度傳感器，LCD1602液晶顯示模塊，蜂鳴器報警電路模塊，HC-SR501人體紅外感應(yīng)器，按鍵模塊以及最小系統(tǒng)電路組成。

三、電路及模塊設(shè)計

3.1硬件及檢測電路的設(shè)計

3.1.1主控電路

STC89C52是一款節(jié)能、高性價比CMOS8位的微處理器，由STC Bearings GMBH公司研發(fā)，內(nèi)存8K字節(jié)且在此中可編程Flash存儲器的存儲空間是其最大優(yōu)勢。單片機(jī)采用了受絕大部分用戶喜愛的MCS-51內(nèi)核，不過對其實施有效的優(yōu)化，使該單片機(jī)具有有別于以往51系列單片機(jī)的優(yōu)點。STC89C52單片機(jī)所制作基于單片機(jī)的嵌入式智能監(jiān)測控制報警設(shè)備，該設(shè)備具有有別于以往設(shè)備系統(tǒng)的高性價比有效解決方案，因為其在系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash和擁有高效的8位CPU。

3.1.2溫濕度檢測電路

用于溫濕度綜合采集的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款高性價比傳感器，是由一個高性能8位單片機(jī)，將一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件相連接構(gòu)成。其特點是在出廠之前已經(jīng)含有已校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出，保證了使用的簡便以及數(shù)據(jù)的精確。而在DHT11的OTP內(nèi)存中存儲著此次校準(zhǔn)的校準(zhǔn)系數(shù)，且該系數(shù)以程序的形式儲存。在硬件內(nèi)部的處理中，校準(zhǔn)系數(shù)在檢測信號的進(jìn)程中也要使用到。在實際硬件中，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器封裝為4針單排引腳。4針單排引腳的使用也使該傳感器與其它硬件的數(shù)據(jù)交互連接變得簡單便捷，同時也可以根據(jù)用戶需求而提供特殊封裝形式。

（1）引腳介紹

Pin1：（VDD），電源的引腳，供電的電壓最低為為3V，最高為5.5V。

Pin2：（DATA），串行數(shù)據(jù)，單總線。

Pin3：（NC），空腳，沒有接任何硬件，在焊接時應(yīng)懸空。

Pin4：（VDD），接地端，作為電源的負(fù)極。

（2）數(shù)據(jù)幀的描述

DATA 使用的數(shù)據(jù)格式是單總線，該技術(shù)普遍用于通訊和同步工作。在本設(shè)計中單總線是用于微處理器與DHT11傳感器之間。

3.1.3 A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換使用ADC0832芯片。該芯片深受單片機(jī)使用者及嵌入式企業(yè)歡迎，是因為其體積小，性價比高，兼容性強，使其擁有高普及率。該芯片由美國國家半導(dǎo)體公司研發(fā)生產(chǎn)，產(chǎn)品耐用性能好，可以完成大部分工作要求。該設(shè)計需要我們提高單片機(jī)技術(shù)水平的提高，了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理，而學(xué)習(xí)并使用ADC0832 可以讓我們完成這一目標(biāo)的重要一步。

3.1.4 MQ-2煙霧檢測

煤氣、天然氣、液化石油氣等可燃?xì)怏w大部分都是以氫氣為主要成分，對于氫氣的檢測顯得尤為重要。而MQ-2型氣體傳感器可用于檢測氫氣，而且水汽、煙霧等其它非設(shè)計所需的氣體對它的影響小，故它穩(wěn)定性高，可靠性好。

3.2報警相關(guān)電路

3.2.1燈光報警電路

燈光報警電路的發(fā)光部件使用的是發(fā)光二極管。發(fā)光二極管是由一種固體形態(tài)的半導(dǎo)體器件構(gòu)成的，只是這種半導(dǎo)體器件能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光，也就是說其把電能轉(zhuǎn)化成光能。故發(fā)光二極管采用電場發(fā)光，與傳統(tǒng)的白熾燈及節(jié)能燈的發(fā)光原理都有所差別。本設(shè)計中的不同模塊的報警利用不同顏色的LED發(fā)光指示報警。

3.2.2聲音報警電路

蜂鳴器其一體化結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)主要是三個部分。一個三極管、一個限流電阻、一個蜂鳴器，這三個部分構(gòu)成了簡單的蜂鳴器驅(qū)動電路。

蜂鳴器的工作原理：通過三極管對電流的開關(guān)作用，其基極的低電平使三極管飽和導(dǎo)通，從而使蜂鳴器通電產(chǎn)生鳴響；而改變基極的電平從低到高變化，則可以使三極管關(guān)閉，從而使蜂鳴器不再鳴響。

3.3 LCD1602液晶顯示器

LCD1602A是一種能夠在同一時間內(nèi)顯示32個字符的工業(yè)級字符型液晶[5]。在家用電子產(chǎn)品中我們都可以看到，很多電子產(chǎn)品的顯示器件都是液晶顯示模塊，本系統(tǒng)設(shè)備的顯示模塊是由液晶組成，其能夠顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。在顯示硬件中軟硬件都比較簡單有發(fā)光管和LED數(shù)碼管，這些輸出方式比較常見。

3.4人體檢測模塊

在大自然中，一個物種與另一個物種之間不僅僅存在生殖隔離，最基本的是他們有著不同的體溫，而不同溫度的物體其散發(fā)的熱輻射不同，熱輻射不同產(chǎn)生的紅外光譜不同。而且產(chǎn)生紅外光譜的物體是高于絕對溫度（-273度）的，而所有活著的生物都高于絕對溫度。因此任何生物接近一般都會產(chǎn)生紅外光譜，而被傳感器接收。紅外光譜可以由紅外熱輻射探測器檢測出來。

在開啟狀態(tài)的探測區(qū)內(nèi)，當(dāng)環(huán)境正常時，傳感器檢測到的只是該傳感器檢測范圍內(nèi)的背景溫度，當(dāng)人體進(jìn)人探測區(qū)，人體散發(fā)出來的紅外熱輻射通過菲涅爾透鏡，與背景溫度的熱輻射產(chǎn)生差異信號，差異信號被熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到，因此感應(yīng)移動物體與背景物體的溫度的差異就是紅外探測器的紅外探測的基本概念。

3.5按鍵電路

本設(shè)計采用剛剛啟動的時候，當(dāng)按鍵按下，設(shè)備的電流會給單片機(jī)一個低電平，改變原來的高電平環(huán)境，故信號被單片機(jī)進(jìn)行處理。通過判斷按鍵接低電平的方式，來讀取按鍵的。按鍵有兩端，其中的一端一般情況下接地，根據(jù)需求也可以接電源，按鍵另一個端接在I/O 口上，而且每一個I/O 口上只接一個按鍵。這種接法使程序簡單而且讓系統(tǒng)具有較高穩(wěn)定性，被稱為獨立鍵盤。

我們要知道設(shè)備有沒有按鍵的這樣一個動作，可以通過程序來詢問現(xiàn)在這個I/O口的電平狀態(tài)即可。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郝冠華 ， 張煜 ， 樊同亮 . 基于單片機(jī)的智能家居安防監(jiān)測系統(tǒng) [J]. 信息通信 ， 2016（2）：86-88.

[2] 康曉風(fēng)，于勇，張迪，王光，翟超英.新形勢下環(huán)境監(jiān)測科技發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2015.

[3] 劉鵬，韓中華，王琦. 基于單片機(jī)的智能家居環(huán)境狀況監(jiān)控器[J]. 科技廣場，2008.