基于單片機的智能家居環境監測系統設計

王柏淇

摘 要：本設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，實現了數據準確率高、有效數值多、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，利用相關硬件，在發現特定氣體超標時，一旦異常會向單片機發出信號，并由單片機控制蜂鳴器和LED燈系統會發出相應的燈光和鳴響報警，從而實現智能報警。

關鍵詞：單片機；智能家居；監測系統

一、前言

當今時代是數字智能化時代，同時也是一個科學技術迅猛發展的時期，人們的收入也隨著社會進步科技發展而顯著增加，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注的方面之一。與此同時智能系統迅速發展起來，以前依賴簡單物理知識等簡單產品逐漸被高集成化的高科技設備所淘汰，且較模擬產品更加方便使用，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靈敏特性的傳統溫度計，演變成現今由溫度傳感器構成的電子溫度計。

智能家居通過物聯網技術并以住宅為基礎建設平臺，提供了豐富的功能和智能手段。而本監測設備的設計，是針對智能家居而研究，也為智能家居的后續相關研究與發展提供了很好的技術基礎及平臺支持。

二、硬件設計及框圖

系統需要的主要硬件為：LED指示顯示模塊，ADC0832模數轉換器，MQ-2煙霧傳感器，STC89C52RC單片機，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人體紅外感應器，按鍵模塊以及最小系統電路組成。

三、電路及模塊設計

3.1硬件及檢測電路的設計

3.1.1主控電路

STC89C52是一款節能、高性價比CMOS8位的微處理器，由STC Bearings GMBH公司研發，內存8K字節且在此中可編程Flash存儲器的存儲空間是其最大優勢。單片機采用了受絕大部分用戶喜愛的MCS-51內核，不過對其實施有效的優化，使該單片機具有有別于以往51系列單片機的優點。STC89C52單片機所制作基于單片機的嵌入式智能監測控制報警設備，該設備具有有別于以往設備系統的高性價比有效解決方案，因為其在系統內可編程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，將一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件相連接構成。其特點是在出廠之前已經含有已校準的數字信號輸出，保證了使用的簡便以及數據的精確。而在DHT11的OTP內存中存儲著此次校準的校準系數，且該系數以程序的形式儲存。在硬件內部的處理中，校準系數在檢測信號的進程中也要使用到。在實際硬件中，DHT11數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據交互連接變得簡單便捷，同時也可以根據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），串行數據，單總線。

Pin3：（NC），空腳，沒有接任何硬件，在焊接時應懸空。

Pin4：（VDD），接地端，作為電源的負極。

（2）數據幀的描述

DATA 使用的數據格式是單總線，該技術普遍用于通訊和同步工作。在本設計中單總線是用于微處理器與DHT11傳感器之間。

3.1.3 A/D轉換

A/D轉換使用ADC0832芯片。該芯片深受單片機使用者及嵌入式企業歡迎，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體公司研發生產，產品耐用性能好，可以完成大部分工作要求。該設計需要我們提高單片機技術水平的提高，了解A/D轉換器的原理，而學習并使用ADC0832 可以讓我們完成這一目標的重要一步。

3.1.4 MQ-2煙霧檢測

煤氣、天然氣、液化石油氣等可燃氣體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、煙霧等其它非設計所需的氣體對它的影響小，故它穩定性高，可靠性好。

3.2報警相關電路

3.2.1燈光報警電路

燈光報警電路的發光部件使用的是發光二極管。發光二極管是由一種固體形態的半導體器件構成的，只是這種半導體器件能夠將電能轉化為可見光，也就是說其把電能轉化成光能。故發光二極管采用電場發光，與傳統的白熾燈及節能燈的發光原理都有所差別。本設計中的不同模塊的報警利用不同顏色的LED發光指示報警。

3.2.2聲音報警電路

蜂鳴器其一體化結構的結構主要是三個部分。一個三極管、一個限流電阻、一個蜂鳴器，這三個部分構成了簡單的蜂鳴器驅動電路。

蜂鳴器的工作原理：通過三極管對電流的開關作用，其基極的低電平使三極管飽和導通，從而使蜂鳴器通電產生鳴響；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顯示32個字符的工業級字符型液晶[5]。在家用電子產品中我們都可以看到，很多電子產品的顯示器件都是液晶顯示模塊，本系統設備的顯示模塊是由液晶組成，其能夠顯示的主要是數字、專用符號和圖形。在顯示硬件中軟硬件都比較簡單有發光管和LED數碼管，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的熱輻射不同，熱輻射不同產生的紅外光譜不同。而且產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。

在開啟狀態的探測區內，當環境正常時，傳感器檢測到的只是該傳感器檢測范圍內的背景溫度，當人體進人探測區，人體散發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生差異信號，差異信號被熱釋電紅外感應器感應到，因此感應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

本設計采用剛剛啟動的時候，當按鍵按下，設備的電流會給單片機一個低電平，改變原來的高電平環境，故信號被單片機進行處理。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具有較高穩定性，被稱為獨立鍵盤。

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

參考文獻：

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

[2] 康曉風，于勇，張迪，王光，翟超英.新形勢下環境監測科技發展現狀與展望[J].中國環境監測，2015.

[3] 劉鵬，韓中華，王琦. 基于單片機的智能家居環境狀況監控器[J]. 科技廣場，2008.