基于51單片機(jī)的居家環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋安琪 潘瀟

摘要：天然氣作為一種新型的清潔能源，在家庭生活中被廣泛使用，但在使用過(guò)程中由于一些操作不當(dāng)會(huì)引起天然氣時(shí)泄漏，家居環(huán)境中天然氣濃度高，造成家居環(huán)境的安全隱患;家居環(huán)境中的溫濕度高低，造成居家環(huán)境中人們不適。鑒于此設(shè)計(jì)出并制作了一種基于51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板的居家環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)有效地檢測(cè)出天然氣濃度，且能夠?qū)崟r(shí)有效地檢測(cè)家居環(huán)境中溫濕度情況，并及時(shí)做預(yù)報(bào)。保證居家環(huán)境的安全與舒適。

關(guān)鍵詞：微處理器;天然氣濃度檢測(cè);溫濕度檢測(cè)

引言

近些年來(lái)，伴隨著居民生活水平的提高，人們對(duì)居住條件的要求也在逐漸提高，但在享受現(xiàn)代文明的同時(shí)，大氣污染和天燃?xì)獾热剂系氖褂?，?dǎo)致室內(nèi)的污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，甚至威脅到居民的個(gè)人健康。所以，有效的監(jiān)測(cè)室內(nèi)的煙霧濃度、粉塵濃度和溫濕度是保障居民身體健康和良好工作生活環(huán)境的重要前提?，F(xiàn)有的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的各方面性能仍有較大的提升空間，很多監(jiān)測(cè)裝置存在性能單一、實(shí)時(shí)性差，信息交換不直觀等缺點(diǎn)，已很難滿足日益增長(zhǎng)的健康需求。因此，對(duì)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)一個(gè)監(jiān)測(cè)功能齊全，報(bào)警響應(yīng)快，信息交互簡(jiǎn)單直觀的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。

1居家環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板的居家環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成，系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為控制核心，采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，氣體濃度傳感器MQ-4，光敏電阻傳感器這三種檢測(cè)傳感器獲取數(shù)據(jù)。以1602液晶顯示屏數(shù)字化顯示環(huán)境信息。以蜂鳴器作為報(bào)警裝置并利用SIM800C模塊發(fā)送報(bào)警信息。采用按鍵進(jìn)行功能切換。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具體功能：利用MQ-4氣體濃度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集環(huán)境天然氣濃度，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)整合處理之后，1602液晶屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前天然氣濃度，若采集到的天然氣濃度超過(guò)設(shè)定閾值，蜂鳴器鳴叫報(bào)警并且通過(guò)GSM模塊SIM800C向用戶發(fā)送天然氣濃度警告信息;.用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集環(huán)境溫濕度，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)整合處理之后，1602液晶屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫濕度，若采集到的溫度超過(guò)了設(shè)定的閾值，通過(guò)GSM模塊SIM800C向用戶發(fā)送溫度警告信息;.若在夜間，天然氣濃度超過(guò)設(shè)定閾值，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警同時(shí)，由光敏電阻傳感器檢測(cè)環(huán)境光亮，用繼電器模塊點(diǎn)亮小夜燈，為用戶提供視覺(jué)光線;.按鍵1，用于驗(yàn)證SIM800C模塊連接，按鍵1按下向用戶發(fā)送連接成功信息;.按鍵2，用于調(diào)整小夜燈模式，要實(shí)現(xiàn)小夜燈夜間常亮功能，通過(guò)按下按鍵2實(shí)現(xiàn)功能的切換;.按鍵3，系統(tǒng)蜂鳴器鳴叫報(bào)警后，通過(guò)按鍵3按下結(jié)束系統(tǒng)報(bào)警。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)硬件選型

本系統(tǒng)主控核心板上使用的STM32F103芯片是基于Cortex-M3內(nèi)核擴(kuò)展的32位可編程芯片，芯片內(nèi)集成了定時(shí)器、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)交互接口（串口、I2C和SPI）、Flash存儲(chǔ)器和IO控制口等多種開(kāi)發(fā)資源，并且該芯片主要的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用范圍大，具備很好的實(shí)時(shí)性能、較小的功耗控制性能。

數(shù)據(jù)采集模塊主要有：環(huán)境煙霧濃度檢測(cè)使用的MQ-2氣體傳感器;PM2.5濃度檢測(cè)模塊使用的GP2Y1014AU傳感器;環(huán)境溫濕度檢測(cè)使用的DTH11傳感器。顯示模塊采用的是OLED液晶屏;交互模塊主要有：環(huán)境語(yǔ)音檢測(cè)使用的LD3320語(yǔ)音識(shí)別模塊。

（2）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

核心板的硬件由STM32F103芯片、晶振、電容和電阻等組成，電路設(shè)計(jì)時(shí)，主控芯片外連的擴(kuò)展電路。晶振X1、貼片電容C1和C2組成了時(shí)鐘電路，該電路為主處理芯片提供基礎(chǔ)的工作時(shí)鐘，X1晶振輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)9倍頻后得到72MHz時(shí)鐘為主處理芯片的串口、ADC轉(zhuǎn)換單元和PA～PC口的工作提供所需的時(shí)鐘源。電容C1和C2可以穩(wěn)定X1晶振頻率，并濾除晶振工作時(shí)可能產(chǎn)生的干擾信號(hào)。

PM2.5濃度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)時(shí)，傳感器工作所需的正電源在P2端的6腳接入，負(fù)電源在P2端子的4腳接入，LED燈的負(fù)極和地相連，LED的正極接線腳和5V電源通過(guò)150Ω的電阻R6相連，數(shù)字信號(hào)輸入腳LED和地相連，模擬量輸出引腳AO和STM32芯片的PA0腳相連。

3居家環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件調(diào)試

系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)，不僅僅考慮是單片機(jī)的硬件資源，還需要考慮程序運(yùn)行的流程及條理性，因此用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件包括：主程序，初始化子程序，測(cè)溫濕度子程序，測(cè)光照強(qiáng)度子程序，測(cè)氣體濃度子程序，按鍵子程序，顯示子程序，閾值子程序，串口通信子程序，報(bào)警子程序。其主程序主程序完成芯片的初始化，按照系統(tǒng)的功能需求調(diào)用各個(gè)子程序完成整個(gè)系統(tǒng)功能，主程序控制流程：在系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，系統(tǒng)首先初始化;天然氣濃度、溫濕度數(shù)據(jù)讀取;掃描按鍵子程序，驗(yàn)證SIM800C模塊的連接或調(diào)整小夜燈的模式;調(diào)用顯示函數(shù)，將天然氣濃度與溫濕度顯示在1602液晶顯示屏上;同時(shí)調(diào)用閾值程序與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若天然氣濃度過(guò)高，超過(guò)設(shè)定的閾值，發(fā)送天然氣濃度報(bào)警信息同時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器中斷讓蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，或溫度過(guò)高，超過(guò)設(shè)定的閾值，發(fā)送溫度過(guò)高報(bào)警信息。

硬件系統(tǒng)的調(diào)試：用protues軟件建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)氣體濃度的電路系統(tǒng)，仔細(xì)檢查MQ-4氣體濃度模塊與微控器的連接，確保無(wú)連接錯(cuò)誤;在protues軟件上把設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件程序編譯完成，運(yùn)行仿真，并不斷進(jìn)行調(diào)試，確保有問(wèn)題時(shí)及時(shí)查出原因并解決。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由主程序、DS18B20溫度檢測(cè)模塊、按鍵檢測(cè)模塊、溫度控制/報(bào)警模塊、顯示模塊組成。

4.1主程序流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)后，先進(jìn)行初始化設(shè)置，主要設(shè)置制熱電路、制冷電路、蜂鳴器均為關(guān)閉狀態(tài)，之后進(jìn)入按鍵檢測(cè)、溫度實(shí)時(shí)采集、顯示、溫度比較、輸出控制這個(gè)大循環(huán)。

4.2DS18B20溫度采集子程序流程圖

溫度傳感器DS18B20的工作過(guò)程主要有系統(tǒng)的初始化、向ROM發(fā)送工作指令、存儲(chǔ)器執(zhí)行收到的工作指令、數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)DS18B20進(jìn)行初始化，判斷其是否在線。由于系統(tǒng)中只有一個(gè)DS18B20模塊，不需要讀取其序列號(hào)進(jìn)行匹配，所以直接寫(xiě)入代碼CCH執(zhí)行跳過(guò)ROM命令。之后就可以啟動(dòng)DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的溫度值以補(bǔ)碼的形式存儲(chǔ)在高速暫存器中，單片機(jī)就可以通過(guò)單線接口讀取該數(shù)據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

居家環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作的全過(guò)程進(jìn)行了完整說(shuō)明分析，這種設(shè)計(jì)制作基于社會(huì)的實(shí)際需求，利用計(jì)算機(jī)、通信知識(shí)解決了社會(huì)實(shí)際問(wèn)題，為此，我們的通信工程專業(yè)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，把這類基于51單片機(jī)開(kāi)發(fā)板系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作設(shè)置為學(xué)生完成題目，學(xué)生在經(jīng)過(guò)這類完成不同功能的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，不僅對(duì)STC89C52單片機(jī)的各種資源有了更好的了解，也對(duì)定時(shí)器，中斷，IIC通信等有了更好的認(rèn)知。

參考文獻(xiàn)

[1]張桂賢，魏月昊，羅錦濤.遠(yuǎn)程煙霧報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2019，38（22）：241-244.

[2]曾盼，楊雄威，官洲洋，李麗，翟夢(mèng)月，徐建.基于嵌入式技術(shù)的家庭智能呼救系統(tǒng)[J].信息技術(shù)與信息化，2019（12）：48-50.

[3]張毅剛.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì)（C51編程+Proteus仿真[M].第3版.北京：電子工業(yè)出版社，2020：26-29.