智能家居控制系統的設計

鄭惟暉

（黃山學院信息工程學院，安徽黃山245021）

智能家居控制系統的設計

鄭惟暉

（黃山學院信息工程學院，安徽黃山245021）

介紹了一種基于單片機的智能家居控制系統,該系統能檢測并控制環境的溫濕度，能檢測燃氣泄露、火災和非法入室，同時還能進行一定的應急處理。

單片機；智能控制；氣敏傳感器；火災報警；防盜報警

1 引言

隨著社會的發展，人們對居住環境及其安全性要求也隨之提高，另一方面由于燃氣泄露而引起中毒和火災事故，以及屋內無人時的入室盜竊案件時有發生，給家庭和社會帶來了巨大損失，因此普通的家庭裝修已經不能滿足人們的需要，而能夠對室內的環境溫度、濕度、可燃氣體、火災以及非法入室進行實時監測及控制，能及時發現室內的險情并報警的智能家庭環境監控系統，就能解決這一系列問題。本文設計了智能家庭環境監控系統，能夠對溫度、濕度進行自動控制，能進行可燃氣體濃度、火災的自動檢測和報警以及防盜報警。

2 系統工作原理

2.1 系統的總體硬件結構(如圖1)

圖1 系統總體硬件結構圖

2.2 系統總體設計方案

系統由檢測部分和控制部分組成。檢測的工作主要由傳感器組完成，通過溫濕度傳感器檢測室內的溫度和濕度，氣敏傳感器檢測可燃氣體濃度，煙霧傳感器檢測火災的發生，雙鑒探測器主要檢測非法入侵。系統控制部分通過驅動電路啟動，控制空調機和加濕器的啟停使室內溫濕度處于最舒適的范圍，可燃氣體濃度過高時啟動風扇排氣，排出有害氣體，當檢測到火災或非法入侵時，開啟報警器聲光報警。此外，用戶可以通過鍵盤設定系統的各項參數，還可以通過顯示器讀取室內溫度、濕度等信息來了解家居環境的實時狀況。[1]

3 硬件設計

3.1 主控制器

為降低成本，減小體積，又能滿足控制系統要求，選擇技術成熟的AT89S52單片機作為主控制器。AT89S52具有8KBFLASH存儲器，可在線編程，提高調試效率，外部不需擴展存儲器，具有32位I/O口線，一個6向量2級中斷系統，能滿足系統需求，另外還設計了看門狗電路，防止程序跑飛，提高可靠性。[2]

3.2 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測選擇智能傳感器SHT15，SHT15型傳感器是單片、多用途的智能傳感器，其中不僅包含基于濕敏電容器的微型相對濕度傳感器和基于帶隙電路的微型溫度傳感器，而且還有14位的A／D轉換器和2線串行接口。能輸出經過校準的相對濕度和溫度的串行數據，所以系統中不再使用傳統設計需要的多路轉換開關、A／D轉換器及信號調理電路，系統結構比較簡單緊湊。[3]

由于89C51不具備串行I2C總線接口，利用通用輸入輸出口線來虛擬串行I2C總線，利用P1.0虛擬串行數據線DATA，利用P1.1虛擬串行時鐘線SCK，并在DATA端添加一只上拉電阻，同時在Vdd和去耦端接一只0.1μF的去耦電容，電路如圖2所示。

圖2 溫濕度檢測電路

SHT15通過I2C總線直接輸出數字量溫濕度值，溫度輸出相對線性好，但是它的濕度輸出特性呈一定的非線性，需要對輸出量進行一定的非線性補償。當電源電壓為5V，分辨率為14位時，用公式T=-40+0.01M將溫度輸出量M轉換為溫度值T。對12位濕度輸出量N，公式為RHL(-4+0.045N-2.8*10-6N2)%，濕度值還需根據環境溫度進行一定的溫度補償，具體為RHT=RH+（T-25）（0.01+0.00008N)%。單片機根據公式得到實際的溫濕度值，和系統預設的溫濕度上下限進行比較，根據情況啟停空調，加濕器和排氣扇對環境溫度、濕度進行控制，創造舒適的家居環境。

3.3 可燃氣體檢測模塊

原理電路如圖3所示，燃氣泄漏檢測氣敏傳感器使用QM型，這是一種半導體氣敏元件，元件內部有電加熱絲，A、B兩電極為測量端，其阻值會隨著可燃氣體濃度發生變化，正常時A、B間電阻很大，當有燃氣泄漏，燃氣濃度超過允許范圍時，A、B間的電阻值驟減，且燃氣濃度越高，電阻下降越多，利用該特性并通過VT1等元件組成的開關電路即可獲得電信號，完成燃氣泄漏的檢測。將該信號直接送到單片機的P3.3引腳，引起系統中斷，報警并啟動排氣扇排除有害氣體。調節RP1可設置不同燃氣的報警值，C2為延時電容，用于減小傳感器初始穩態的影響。

圖3 燃氣檢測電路

氣敏傳感器在使用過程中，內部加熱絲可能燒斷，但是很難發現，一旦發生將可能引起系統失效，不能檢測出危險，進而引發嚴重后果。本系統設計了氣敏元件自檢電路，能及時發現元件損壞，電路如圖3。[4]元件正常工作時，R3上有電壓信號，如果加熱絲燒斷，該信號不存在，VT3集電極輸出低電平至單片機P1.2引腳，系統可以通過查詢引腳狀態及時發現，提醒用戶更換傳感器。為方便更換元件，氣敏傳感器不焊入電路，而是通過電子管座與電路連接，若損壞可方便地進行更換。

3.4 火災檢測報警模塊

火災檢測報警選用離子型煙霧檢測報警芯片MC14468，圖4為使用MC14468構成的煙霧檢測報警電路。[5]

圖4 火災檢測報警電路

該部分采用9V疊層電池供電，R9和C2為振蕩電阻和振蕩電容。BZ為壓電陶瓷蜂鳴器，它有B極、F極和S極3個電極。LED為發光二極管，R8為限流電阻。R7用于設置電池欠壓告警值，一般設置為7V。R13用于設置檢測靈敏度。C3為低泄露的電容，以提高電池的使用壽命。離子室使用放射源镅241，強度約為0.8微居里，不會對人體造成傷害，也不會污染環境。R10和R11為分壓電阻，SW1為自檢按鈕，常態下離子源接+9V電壓，按下SW1變為+4.5V，能模擬檢測到煙霧的情況。還可以使用芯片的2腳接其他檢測單元電路。

當檢測到煙霧時，離子室離子電流會隨著檢測現場的煙霧變化而產生微弱的電壓變化，傳到芯片檢測端15腳，由內部邏輯電路處理后，啟動蜂鳴器，經外接的C5、R14和R15形成調制的變頻輸出，使得蜂鳴器發出報警聲，同時5腳連接的LED以1Hz的頻率閃爍發光，達到報警效果。

MC14468的1腳接單片機的P3.2（INT0）引腳，其輸出的高電平用于控制單片機內部定時器T0定時100ms，定時時間到，設置火災報警標志位。在檢測到煙霧時，MC14468自身的100mV的滯后電壓會防止其他外界因素（如飛蟲）造成的誤報警，輔以單片機產生100ms的延時，更能提高系統的可靠性。

3.5 防盜報警模塊

防盜報警使用雙鑒探測器，系統框圖如圖5。

圖5 防盜報警原理框圖

雙鑒探測器的主要器件是熱釋電紅外探測器和微波探測器，將這兩種探測技術的探測器封裝在一個殼體內，并將兩個探測器的輸出信號共同送到與門電路，只有當兩種探測技術的傳感器都探測到移動的人體時，才輸出報警信號。主要負責對家中敏感位置的異常情況進行探測，它們同時對人體的移動和體溫進行探測并相互驗證之后才發出報警，由于兩種探測器的誤報基本上互相抑制了，而兩者同時發生誤報的概率又極低，所以誤報率能大大下降。89S52單片機的P1.3引腳和輸出的報警信號相連，系統通過查詢引腳狀態來確定是否需要報警。為防止外界干擾信號對系統的影響，間隔100ms連續兩次報警信號都存在，才執行報警子程序，否則認為是外界干擾。從而進一步降低系統的誤報率。

4 軟件設計

系統軟件由初始化、看門狗、溫濕度檢測、防盜檢測、氣敏傳感器損壞檢測、燃氣報警、火災報警等子程序模塊和鍵盤顯示及報警子程序、遠程控制組成，主程序按預定順序調用各服務子程序實現系統的控制功能。鍵盤操作根據預設的順序輸入相應的預設數據，各檢測子程序根據各傳感器輸出信號，形成相應處理操作的標志位，通過查詢標志位完成相應的操作。I/O控制和報警子程序根據標志位依次執行相應的顯示輸出、控制輸出、報警輸出子程序。燃氣報警和火災報警為中斷程序。

5 結束語

綜上所述，整個系統的設計以89S52單片機為核心，輔以各種傳感器芯片，實現了控制功能的多樣化和智能化，系統采用多種抗干擾措施，能有效防止誤報、漏報的發生，提高了系統可靠性。另外還可利用單片機的串口，增設通訊模塊和相關程序，利用RS485與計算機等設備連接，組成智能安防系統，應用前景廣泛。

[1]何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計系統配置與接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2000:23-25.

[2]姜曉霞.基于AT89S52單片機的智能客房控制系統[J].微計算機信息,2005,21：1-2.

[3]李敏，孟臣.基于CMOSensTM技術的數字式溫濕度傳感器及其應用[J].傳感器世界,2004,(4):8-9.

[4]劉良福.基于AT89C51的燃氣泄露報警與應急處理器[J].微計算機信息,2005,21：9-12.

[5]沙占友.智能傳感器原理及應用[M].北京:電子工業出版社，2004：313-316.

責任編輯：胡德明

Abstract:One type of Intelligent Home Control System based on single-chip computers is introduced.The system can not only examine and control humiture of the environment,fuel gas leak,fire and burglary but also handle some emergencies.

Key words:single-chip computer;intelligent control;gas sensor;fire alarming;burglar alarming

Intelligent Home Control System Design

Zheng Weihui
(School of Information Engineering,Huangshan University,Huangshan 245021,China)

TP237

A

1672-447X(2010)04-0016-03

2010-09-06

鄭惟暉（1983-），安徽歙縣人，黃山學院信息工程學院教師，研究方向為自動控制。