基于51單片機(jī)的智能家居設(shè)計(jì)

秦家樂(lè) 時(shí)國(guó)平 桂傳友

摘 要：在智能家居尚未出現(xiàn)在人們的視野之前，人們對(duì)其并沒(méi)有深入的了解，覺(jué)得這在人們的生活當(dāng)中是無(wú)足輕重的。為了改變?nèi)藗儗?duì)其的片面化的觀點(diǎn)，文章設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單方便，容易操作，并且和生活實(shí)際聯(lián)系在一起的智能化家居系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)是以STC 89C51單片機(jī)為調(diào)控系統(tǒng)，用煙霧傳感器和溫濕度傳感器進(jìn)行檢測(cè)外部環(huán)境，通過(guò)按鍵來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的煙霧濃度上限值以及溫濕度的初始化設(shè)置，并利用LCD1602液晶顯示屏對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。本系統(tǒng)還對(duì)家用電器有著開(kāi)關(guān)控制功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常狀況的時(shí)候，將會(huì)自動(dòng)報(bào)警，并且自動(dòng)打開(kāi)門窗給人逃生的機(jī)會(huì)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；溫濕度檢測(cè)；可燃?xì)怏w檢測(cè)；報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)今社會(huì)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，人們的生活質(zhì)量也得到了提高，人們對(duì)更高級(jí)的生活產(chǎn)生向往。除此之外，科技水平也不斷地得到提升，生活中在不斷加入新的科技，這些無(wú)不都向人們宣告著智能不再是一種幻想。與傳統(tǒng)的家居大相徑庭的是，智能家居非常方便，它可以給人們多種智能化服務(wù)，這樣滿足了人們各種各樣的需求。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，就算我們身在遙遠(yuǎn)的公司上班，我們也可以操作家里的浴缸，這樣的話，我們回家就可以洗上溫度適宜的熱水澡而不用回家再進(jìn)行操作了。還有，我們可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)視家里面的一舉一動(dòng)，這樣就大大減少了入室搶劫的安全隱患，“防火防盜”不再是令人非常棘手的問(wèn)題了。通過(guò)智能家居的使用，財(cái)產(chǎn)以及生命安全的隱患也就大大減少了，人們就可以安心地生活了。因此，智能家居的市場(chǎng)還是很廣闊的，一方面適應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展潮流，順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，另一方面，它反過(guò)來(lái)又拉動(dòng)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)，以此推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率的提高。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)思想

本設(shè)計(jì)主要采用51單片機(jī)為核心而做的智能家居控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中包括了對(duì)家庭中的溫度、濕度、煙霧濃度等信息的檢測(cè)和控制，還有在溫濕度和煙霧濃度達(dá)到上限值的時(shí)候門窗會(huì)被開(kāi)啟。這里我們用51單片機(jī)為主要的操作系統(tǒng)，外部傳感器為檢測(cè)的元器件，其中我們用到了步進(jìn)電機(jī)、MQ-2煙霧傳感器、按鍵、DHT11溫濕度傳感、蜂鳴器、繼電器等外用模塊。通過(guò)按鍵控制繼電器的開(kāi)關(guān)也就是控制煙霧傳感器的開(kāi)關(guān)，當(dāng)然，按鍵還有其他功能，它還可以對(duì)溫濕度和煙霧濃度達(dá)到上限值和下限值進(jìn)行調(diào)整。輸出由LCD1602液晶屏進(jìn)行顯示。然后介紹傳感器模塊，首先是煙霧傳感器，因?yàn)檫@里我們用的是MQ-2煙霧傳感器，雖然它對(duì)可燃?xì)怏w的檢測(cè)更為靈敏，不過(guò)為了方便，此處我們用紙點(diǎn)燃后的煙霧進(jìn)行測(cè)試，在檢測(cè)到煙霧后輸出高電壓，而沒(méi)有煙霧時(shí)處于接地狀態(tài)，即為0 V。接下來(lái)是溫濕度模塊，因?yàn)樗苤苯訙y(cè)量溫濕度，所以它上面有兩個(gè)元器件，這樣增加了程序設(shè)計(jì)難度，為此，我們特意給它分檔寫(xiě)了一個(gè)程序。在這里，我們是通過(guò)傳感器進(jìn)行AD模擬信號(hào)采集數(shù)據(jù)，然后再反饋給單片機(jī)，因?yàn)樵诖酥拔覀兙鸵呀?jīng)設(shè)定好限制值，這樣單片機(jī)就可以通過(guò)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行比較。

根據(jù)我們的連續(xù)檢測(cè)，溫濕度傳感器對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)的信號(hào)采集，以及煙霧傳感器對(duì)氣體煙霧濃度的監(jiān)測(cè)，返回的信號(hào)再由單片機(jī)進(jìn)行判斷，然后判斷是否需要進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警也是由單片機(jī)進(jìn)行控制，蜂鳴器進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生蜂鳴。整個(gè)設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單合理，通過(guò)單片機(jī)控制各個(gè)外用器件，使其應(yīng)用簡(jiǎn)單，智能家居系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單的信息獲取自動(dòng)處理系統(tǒng)，我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括4個(gè)模塊：（1）STC89C51系列單片機(jī)控制模塊；（2）信息獲取模塊；（3）LCD602液晶顯示模塊；（4）報(bào)警模塊。

根據(jù)智能家居系統(tǒng)的要求，我們?cè)诖俗隽艘粋€(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)中STC89C51系列單片機(jī)控制模塊主要是對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行回應(yīng)，以及進(jìn)行液晶顯示的程序控制。傳感器模塊主要是用于感應(yīng)溫度、濕度、煙霧濃度變化，并形成高低電平進(jìn)行信號(hào)傳輸。LCD602液晶顯示模塊主要用作對(duì)溫濕度以及煙霧濃度進(jìn)行顯示，還有對(duì)繼電器開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行顯示。報(bào)警模塊主要是對(duì)環(huán)境溫濕度和煙霧濃度的上限值進(jìn)行檢測(cè)，以及預(yù)警處理，達(dá)到上限值蜂鳴器響。并且為了更好地調(diào)控電路的設(shè)計(jì)，所以我們?cè)黾恿藢?duì)繼電器以及步進(jìn)電機(jī)的控制[1]。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

要使單片機(jī)能夠工作，就要給它一些基本的電路成分，以下是它們的組成部分。

1.3.1 電源電路

電源電路通俗來(lái)說(shuō)就是給電路提供電力，使電路通電，然后單片機(jī)就能處理數(shù)據(jù)，在單片機(jī)最小硬件系統(tǒng)電路中，VCC接+5 V的電源，叫作電源正極，GND接的是地，也稱為電源負(fù)極。

1.3.2 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路是由振蕩產(chǎn)生的電路，但是它產(chǎn)生的振蕩是按照時(shí)間順序進(jìn)行排列。然后通過(guò)振蕩的頻率輸出一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，再由單片機(jī)處理這個(gè)信號(hào)。在時(shí)鐘電路中我們還要在晶體旁邊接兩個(gè)電容，這么做是為了產(chǎn)生諧振回路，而且根據(jù)電容三點(diǎn)式分布，可以給我們的電路進(jìn)行分壓。

1.3.3 復(fù)位電路

復(fù)位電路通俗來(lái)講它就是電腦的重啟，也就是將我們的電路重啟到初始狀態(tài)。

在外圍電路就幾個(gè)應(yīng)用，而主要應(yīng)用是在每個(gè)功能傳感器之間依賴于從外部獲取模擬信號(hào)，然后再在單片機(jī)的控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，我們的模擬信號(hào)被單片機(jī)處理完后，會(huì)首先給報(bào)警電路一個(gè)控制信號(hào)，然后電路自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，并且將溫濕度的數(shù)據(jù)以及煙霧濃度數(shù)據(jù)傳送到顯示電路中。在該課題的系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)的單片機(jī)較為復(fù)雜，因?yàn)槲覀円獙⒏鞣N感應(yīng)模擬信號(hào)和數(shù)據(jù)處理的算法都交給單片機(jī)處理，這樣我們?cè)谠O(shè)計(jì)程序電路的時(shí)候不僅要考慮到單片機(jī)內(nèi)存問(wèn)題，還要對(duì)單片機(jī)的管教進(jìn)行合理分配。

本系統(tǒng)所用的基本原理就是利用單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器模擬信號(hào)來(lái)判斷是否發(fā)生火災(zāi)并作出相應(yīng)的信號(hào)處理，這樣就達(dá)到時(shí)刻預(yù)防意外的發(fā)生，并對(duì)它作出及時(shí)的處理，起到智能家居的效果。設(shè)計(jì)分為幾個(gè)板塊：首先是信號(hào)檢測(cè)板塊，分為防火的煙霧傳感器模塊還有溫濕度檢測(cè)模塊。我們對(duì)煙霧傳感器設(shè)了極限值，當(dāng)煙霧濃度和可燃?xì)怏w濃度超過(guò)了設(shè)定的極限值時(shí)，電路就會(huì)輸出一個(gè)低電平信號(hào)，這樣就會(huì)蜂鳴器報(bào)警，步進(jìn)電機(jī)也會(huì)正轉(zhuǎn)打開(kāi)門窗。其次是顯示模塊，用于設(shè)定極限值，以及對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行顯示，它內(nèi)部自帶字體能夠同一時(shí)刻顯示兩行16個(gè)字。1602的意思是16列2行。監(jiān)控板塊和信息處理板塊合在一起，有效地實(shí)行智能化[2]。

2 軟件設(shè)計(jì)部分

2.1 主程序

主程序作為程序的靈魂，分析它不僅可以總結(jié)出切實(shí)可行的方法，還能得到以后需要注意的問(wèn)題。在本設(shè)計(jì)中，主程序完成了對(duì)1602液晶顯示和AD的初始化，然后將溫濕度檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并將收集到的AD值轉(zhuǎn)化成燃?xì)庵?，主程序還操控著按鍵程序的運(yùn)行。刷新程序單片機(jī)初始化完成，I/O口的初始化主要關(guān)閉繼電器和蜂鳴器，按鍵掃描在此中斷程序中即使是空閑也一直在執(zhí)行。

2.2 鍵盤(pán)執(zhí)行程序設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)模塊的程序根據(jù)掃描來(lái)執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的子程序，此程序在接收和輸出按鍵的鍵值，然后對(duì)該按鍵進(jìn)行查詢之后再執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的按鍵程序。我們現(xiàn)在設(shè)定的3個(gè)按鍵功能如下：按鍵1，菜單切換按鍵，在主頁(yè)面和設(shè)置界面來(lái)回切換。按鍵2，控制繼電器的開(kāi)通，即控制家用電器的開(kāi)啟在設(shè)置界面為加鍵。按鍵3，控制繼電器的關(guān)閉，即控制家用電器的關(guān)閉在設(shè)置界面為減鍵[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

毫無(wú)疑問(wèn)的是，智能家居已經(jīng)成為一種不可扭轉(zhuǎn)的社會(huì)趨勢(shì)，我們要順應(yīng)這股“智能家居”的潮流，不斷涌入這股潮流當(dāng)中，為其生存與發(fā)展貢獻(xiàn)出自己的一點(diǎn)微薄之力，從而促進(jìn)社會(huì)與人的發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不斷推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與調(diào)整，逐漸增強(qiáng)我們國(guó)家的凝聚力以及向心力，進(jìn)入世界強(qiáng)國(guó)之列。然而，智能家居還存在著很多的問(wèn)題與缺陷，說(shuō)明我國(guó)的智能家居還是不完善的。這還需要研究者們加大研發(fā)的力度，同時(shí)也需要國(guó)家的政策等方面的大力支持。只有這樣，才能促進(jìn)其健康全面的發(fā)展，更好地服務(wù)于社會(huì)主義現(xiàn)代社會(huì)，為國(guó)家的社會(huì)主義建設(shè)貢獻(xiàn)出自己的一份力量，做到真正地為人民群眾服務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]朱敏玲，李寧.智能家居發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)淺析[J].電視技術(shù)，2015（4）：82-85.

[2]康華光，陳大欽.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]康華光，鄒壽斌.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2002.