基于单片机的智能家居环境监测系统设计

王柏淇

摘 要：本设计可分为智能检测部分，可视化控制部分以及智能报警部分。智能检测部分，通过使用DHT11温湿度传感器等，实现了数据准确率高、有效数值多、抗干扰能力强等检测特点。可视化控制部分，通过显示屏，按键及按键控制程序，使控制可视化。智能报警部分，利用相关硬件，在发现特定气体超标时，一旦异常会向单片机发出信号，并由单片机控制蜂鸣器和LED灯系统会发出相应的灯光和鸣响报警，从而实现智能报警。

关键词：单片机；智能家居；监测系统

一、前言

当今时代是数字智能化时代，同时也是一个科学技术迅猛发展的时期，人们的收入也随着社会进步科技发展而显著增加，因此大众开始有充足的资本来满足自己越来越强烈的需求，这种需求使得家居智能化成了人们重点关注的方面之一。与此同时智能系统迅速发展起来，以前依赖简单物理知识等简单产品逐渐被高集成化的高科技设备所淘汰，且较模拟产品更加方便使用，有着更高效率。例如水银温度计，由以前的利用水银对冷热反应灵敏特性的传统温度计，演变成现今由温度传感器构成的电子温度计。

智能家居通过物联网技术并以住宅为基础建设平台，提供了丰富的功能和智能手段。而本监测设备的设计，是针对智能家居而研究，也为智能家居的后续相关研究与发展提供了很好的技术基础及平台支持。

二、硬件设计及框图

系统需要的主要硬件为：LED指示显示模块，ADC0832模数转换器，MQ-2烟雾传感器，STC89C52RC单片机，DHT11温湿度传感器，LCD1602液晶显示模块，蜂鸣器报警电路模块，HC-SR501人体红外感应器，按键模块以及最小系统电路组成。

三、电路及模块设计

3.1硬件及检测电路的设计

3.1.1主控电路

STC89C52是一款节能、高性价比CMOS8位的微处理器，由STC Bearings GMBH公司研发，内存8K字节且在此中可编程Flash存储器的存储空间是其最大优势。单片机采用了受绝大部分用户喜爱的MCS-51内核，不过对其实施有效的优化，使该单片机具有有别于以往51系列单片机的优点。STC89C52单片机所制作基于单片机的嵌入式智能监测控制报警设备，该设备具有有别于以往设备系统的高性价比有效解决方案，因为其在系统内可编程Flash和拥有高效的8位CPU。

3.1.2温湿度检测电路

用于温湿度综合采集的DHT11数字温湿度传感器是一款高性价比传感器，是由一个高性能8位单片机，将一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件相连接构成。其特点是在出厂之前已经含有已校准的数字信号输出，保证了使用的简便以及数据的精确。而在DHT11的OTP内存中存储着此次校准的校准系数，且该系数以程序的形式储存。在硬件内部的处理中，校准系数在检测信号的进程中也要使用到。在实际硬件中，DHT11数字温湿度传感器封装为4针单排引脚。4针单排引脚的使用也使该传感器与其它硬件的数据交互连接变得简单便捷，同时也可以根据用户需求而提供特殊封装形式。

（1）引脚介绍

Pin1：（VDD），电源的引脚，供电的电压最低为为3V，最高为5.5V。

Pin2：（DATA），串行数据，单总线。

Pin3：（NC），空脚，没有接任何硬件，在焊接时应悬空。

Pin4：（VDD），接地端，作为电源的负极。

（2）数据帧的描述

DATA 使用的数据格式是单总线，该技术普遍用于通讯和同步工作。在本设计中单总线是用于微处理器与DHT11传感器之间。

3.1.3 A/D转换

A/D转换使用ADC0832芯片。该芯片深受单片机使用者及嵌入式企业欢迎，是因为其体积小，性价比高，兼容性强，使其拥有高普及率。该芯片由美国国家半导体公司研发生产，产品耐用性能好，可以完成大部分工作要求。该设计需要我们提高单片机技术水平的提高，了解A/D转换器的原理，而学习并使用ADC0832 可以让我们完成这一目标的重要一步。

3.1.4 MQ-2烟雾检测

煤气、天然气、液化石油气等可燃气体大部分都是以氢气为主要成分，对于氢气的检测显得尤为重要。而MQ-2型气体传感器可用于检测氢气，而且水汽、烟雾等其它非设计所需的气体对它的影响小，故它稳定性高，可靠性好。

3.2报警相关电路

3.2.1灯光报警电路

灯光报警电路的发光部件使用的是发光二极管。发光二极管是由一种固体形态的半导体器件构成的，只是这种半导体器件能够将电能转化为可见光，也就是说其把电能转化成光能。故发光二极管采用电场发光，与传统的白炽灯及节能灯的发光原理都有所差别。本设计中的不同模块的报警利用不同颜色的LED发光指示报警。

3.2.2声音报警电路

蜂鸣器其一体化结构的结构主要是三个部分。一个三极管、一个限流电阻、一个蜂鸣器，这三个部分构成了简单的蜂鸣器驱动电路。

蜂鸣器的工作原理：通过三极管对电流的开关作用，其基極的低电平使三极管饱和导通，从而使蜂鸣器通电产生鸣响；而改变基极的电平从低到高变化，则可以使三极管关闭，从而使蜂鸣器不再鸣响。

3.3 LCD1602液晶显示器

LCD1602A是一种能够在同一时间内显示32个字符的工业级字符型液晶[5]。在家用电子产品中我们都可以看到，很多电子产品的显示器件都是液晶显示模块，本系统设备的显示模块是由液晶组成，其能够显示的主要是数字、专用符号和图形。在显示硬件中软硬件都比较简单有发光管和LED数码管，这些输出方式比较常见。

3.4人体检测模块

在大自然中，一个物种与另一个物种之间不仅仅存在生殖隔离，最基本的是他们有着不同的体温，而不同温度的物体其散发的热辐射不同，热辐射不同产生的红外光谱不同。而且产生红外光谱的物体是高于绝对温度（-273度）的，而所有活着的生物都高于绝对温度。因此任何生物接近一般都会产生红外光谱，而被传感器接收。红外光谱可以由红外热辐射探测器检测出来。

在开启状态的探测区内，当环境正常时，传感器检测到的只是该传感器检测范围内的背景温度，当人体进人探测区，人体散发出来的红外热辐射通过菲涅尔透镜，与背景温度的热辐射产生差异信号，差异信号被热释电红外感应器感应到，因此感应移动物体与背景物体的温度的差异就是红外探测器的红外探测的基本概念。

3.5按键电路

本设计采用刚刚启动的时候，当按键按下，设备的电流会给单片机一个低电平，改变原来的高电平环境，故信号被单片机进行处理。通过判断按键接低电平的方式，来读取按键的。按键有两端，其中的一端一般情况下接地，根据需求也可以接电源，按键另一个端接在I/O 口上，而且每一个I/O 口上只接一个按键。这种接法使程序简单而且让系统具有较高稳定性，被称为独立键盘。

我们要知道设备有没有按键的这样一个动作，可以通过程序来询问现在这个I/O口的电平状态即可。

参考文献：

[1] 郝冠华 ， 张煜 ， 樊同亮 . 基于单片机的智能家居安防监测系统 [J]. 信息通信 ， 2016（2）：86-88.

[2] 康晓风，于勇，张迪，王光，翟超英.新形势下环境监测科技发展现状与展望[J].中国环境监测，2015.

[3] 刘鹏，韩中华，王琦. 基于单片机的智能家居环境状况监控器[J]. 科技广场，2008.