基于51单片机的智能家居设计

秦家乐 时国平 桂传友

摘 要：在智能家居尚未出现在人们的视野之前，人们对其并没有深入的了解，觉得这在人们的生活当中是无足轻重的。为了改变人们对其的片面化的观点，文章设计了简单方便，容易操作，并且和生活实际联系在一起的智能化家居系统。该设计是以STC 89C51单片机为调控系统，用烟雾传感器和温湿度传感器进行检测外部环境，通过按键来调节系统的烟雾浓度上限值以及温湿度的初始化设置，并利用LCD1602液晶显示屏对外部环境进行实时显示。本系统还对家用电器有着开关控制功能，当发现异常状况的时候，将会自动报警，并且自动打开门窗给人逃生的机会。

关键词：单片机；温湿度检测；可燃气体检测；报警系统

当今社会，随着经济的不断增长，人们的生活质量也得到了提高，人们对更高级的生活产生向往。除此之外，科技水平也不断地得到提升，生活中在不断加入新的科技，这些无不都向人们宣告着智能不再是一种幻想。与传统的家居大相径庭的是，智能家居非常方便，它可以给人们多种智能化服务，这样满足了人们各种各样的需求。举个例子来说，就算我们身在遥远的公司上班，我们也可以操作家里的浴缸，这样的话，我们回家就可以洗上温度适宜的热水澡而不用回家再进行操作了。还有，我们可以通过远程监控监视家里面的一举一动，这样就大大减少了入室抢劫的安全隐患，“防火防盗”不再是令人非常棘手的问题了。通过智能家居的使用，财产以及生命安全的隐患也就大大减少了，人们就可以安心地生活了。因此，智能家居的市场还是很广阔的，一方面适应了时代的发展潮流，顺应了时代发展趋势，另一方面，它反过来又拉动了社会经济，以此推动经济增长率的提高。

1 系统的总体设计

1.1 总体设计思想

本设计主要采用51单片机为核心而做的智能家居控制系统，设计中包括了对家庭中的温度、湿度、烟雾浓度等信息的检测和控制，还有在温湿度和烟雾浓度达到上限值的时候门窗会被开启。这里我们用51单片机为主要的操作系统，外部传感器为检测的元器件，其中我们用到了步进电机、MQ-2烟雾传感器、按键、DHT11温湿度传感、蜂鸣器、继电器等外用模块。通过按键控制继电器的开关也就是控制烟雾传感器的开关，当然，按键还有其他功能，它还可以对温湿度和烟雾浓度达到上限值和下限值进行调整。输出由LCD1602液晶屏进行显示。然后介绍传感器模块，首先是烟雾传感器，因为这里我们用的是MQ-2烟雾传感器，虽然它对可燃气体的检测更为灵敏，不过为了方便，此处我们用纸点燃后的烟雾进行测试，在检测到烟雾后输出高电压，而没有烟雾时处于接地状态，即为0 V。接下来是温湿度模块，因为它能直接测量温湿度，所以它上面有两个元器件，这样增加了程序设计难度，为此，我们特意给它分档写了一个程序。在这里，我们是通过传感器进行AD模拟信号采集数据，然后再反馈给单片机，因为在此之前我们就已经设定好限制值，这样单片机就可以通过数据直接进行比较。

根据我们的连续检测，温湿度传感器对温湿度进行实时的信号采集，以及烟雾传感器对气体烟雾浓度的监测，返回的信号再由单片机进行判断，然后判断是否需要进行报警。报警也是由单片机进行控制，蜂鸣器进行反应产生蜂鸣。整个设计电路简单合理，通过单片机控制各个外用器件，使其应用简单，智能家居系统框图如图1所示。

1.2 系统总结构

为实现设计较简单的信息获取自动处理系统，我们设计的系统包括4个模块：（1）STC89C51系列单片机控制模块；（2）信息获取模块；（3）LCD602液晶显示模块；（4）报警模块。

根据智能家居系统的要求，我们在此做了一个数据处理系统。系统中STC89C51系列单片机控制模块主要是对传感器信号进行回应，以及进行液晶显示的程序控制。傳感器模块主要是用于感应温度、湿度、烟雾浓度变化，并形成高低电平进行信号传输。LCD602液晶显示模块主要用作对温湿度以及烟雾浓度进行显示，还有对继电器开关状态进行显示。报警模块主要是对环境温湿度和烟雾浓度的上限值进行检测，以及预警处理，达到上限值蜂鸣器响。并且为了更好地调控电路的设计，所以我们增加了对继电器以及步进电机的控制[1]。

1.3 系统设计原理

要使单片机能够工作，就要给它一些基本的电路成分，以下是它们的组成部分。

1.3.1 电源电路

电源电路通俗来说就是给电路提供电力，使电路通电，然后单片机就能处理数据，在单片机最小硬件系统电路中，VCC接+5 V的电源，叫作电源正极，GND接的是地，也称为电源负极。

1.3.2 时钟电路

时钟电路是由振荡产生的电路，但是它产生的振荡是按照时间顺序进行排列。然后通过振荡的频率输出一个时钟信号，再由单片机处理这个信号。在时钟电路中我们还要在晶体旁边接两个电容，这么做是为了产生谐振回路，而且根据电容三点式分布，可以给我们的电路进行分压。

1.3.3 复位电路

复位电路通俗来讲它就是电脑的重启，也就是将我们的电路重启到初始状态。

在外围电路就几个应用，而主要应用是在每个功能传感器之间依赖于从外部获取模拟信号，然后再在单片机的控制中心进行数据的处理，我们的模拟信号被单片机处理完后，会首先给报警电路一个控制信号，然后电路自动进行报警，并且将温湿度的数据以及烟雾浓度数据传送到显示电路中。在该课题的系统中，设计的单片机较为复杂，因为我们要将各种感应模拟信号和数据处理的算法都交给单片机处理，这样我们在设计程序电路的时候不仅要考虑到单片机内存问题，还要对单片机的管教进行合理分配。

本系统所用的基本原理就是利用单片机实时监控传感器模拟信号来判断是否发生火灾并作出相应的信号处理，这样就达到时刻预防意外的发生，并对它作出及时的处理，起到智能家居的效果。设计分为几个板块：首先是信号检测板块，分为防火的烟雾传感器模块还有温湿度检测模块。我们对烟雾传感器设了极限值，当烟雾浓度和可燃气体浓度超过了设定的极限值时，电路就会输出一个低电平信号，这样就会蜂鸣器报警，步进电机也会正转打开门窗。其次是显示模块，用于设定极限值，以及对环境温湿度进行显示，它内部自带字体能够同一时刻显示两行16个字。1602的意思是16列2行。监控板块和信息处理板块合在一起，有效地实行智能化[2]。

2 软件设计部分

2.1 主程序

主程序作为程序的灵魂，分析它不仅可以总结出切实可行的方法，还能得到以后需要注意的问题。在本设计中，主程序完成了对1602液晶显示和AD的初始化，然后将温湿度检测到的数据进行实现，并将收集到的AD值转化成燃气值，主程序还操控着按键程序的运行。刷新程序单片机初始化完成，I/O口的初始化主要关闭继电器和蜂鸣器，按键扫描在此中断程序中即使是空闲也一直在执行。

2.2 键盘执行程序设计

键盘模块的程序根据扫描来执行预先设定的子程序，此程序在接收和输出按键的键值，然后对该按键进行查询之后再执行相对应的按键程序。我们现在设定的3个按键功能如下：按键1，菜单切换按键，在主页面和设置界面来回切换。按键2，控制继电器的开通，即控制家用电器的开启在设置界面为加键。按键3，控制继电器的关闭，即控制家用电器的关闭在设置界面为减键[3]。

3 结语

毫无疑问的是，智能家居已经成为一种不可扭转的社会趋势，我们要顺应这股“智能家居”的潮流，不断涌入这股潮流当中，为其生存与发展贡献出自己的一点微薄之力，从而促进社会与人的发展，促进经济的发展，不断推动产业结构的优化与调整，逐渐增强我们国家的凝聚力以及向心力，进入世界强国之列。然而，智能家居还存在着很多的问题与缺陷，说明我国的智能家居还是不完善的。这还需要研究者们加大研发的力度，同时也需要国家的政策等方面的大力支持。只有这样，才能促进其健康全面的发展，更好地服务于社会主义现代社会，为国家的社会主义建设贡献出自己的一份力量，做到真正地为人民群众服务。

[参考文献]

[1]朱敏玲，李宁.智能家居发展现状及未来浅析[J].电视技术，2015（4）：82-85.

[2]康华光，陈大钦.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]康华光，邹寿斌.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2002.