智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計

1、智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計 【摘 要】 從1984年出現(xiàn)世界上第一棟智能建筑開始，人們開始對智能家居研究和推廣，經(jīng)過近30年的發(fā)展，智能家居技術(shù)已相當(dāng)成熟。但是較國外而言，國內(nèi)的智能家居技術(shù)起步較晚，理論和實際應(yīng)用都與國外有著較大的差距。由于市場等原因，國外的智能家居在國內(nèi)很難推廣，因此，中國智能家居的研究意義重大。本設(shè)計是基于國產(chǎn)宏晶STC系列單片機的智能家居環(huán)境監(jiān)測與控制的系統(tǒng)，主要是對家居的環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度和煙霧濃度等）進(jìn)行監(jiān)測和顯示并做出相應(yīng)的響應(yīng)，采用宏晶STC單片機、DHT11溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器等傳感器及元器件作為研究基礎(chǔ)，采用多傳感器

2、融合技術(shù)進(jìn)行針對性的設(shè)計。本文的主要內(nèi)容大致可分為：單片機基本電路的設(shè)計、顯示電路的設(shè)計、傳感器電路的設(shè)計和報警電路的設(shè)計等電路的設(shè)計以及各軟件的編寫與調(diào)試。關(guān)鍵字： 智能家居，單片機，溫濕度傳感器，煙霧傳感器 ABSTRACTSince the smart building witch of the the worlds first building in 1984 had been built, the people began to research and spread it. After the nearly 30 years of development, the technolo

3、gy of the smart Home Furnishing has become quite mature. But compared with the foreign, the technology of the the domestic smart Home Furnishing started relatively late. Compared with the theory and the practical applications, there are a large gap between China and foreign countries. Because of the

4、 market and other reasons, the foreign are difficult to promote the smart Home Furnishing in the domestic market. Therefore, the significance of the research to the smart Home Furnishing is very important. Based on the series of the STC microcontroller, this paper will design the monitoring and cont

5、rol system of the smart Home Furnishing. It major to monitor and make a corresponding response to the household environment parameters (such as temperature, humidity and smoke, etc.). It use the STC microcontroller, and the DHT11 temperature and the humidity sensors and the MQ - 2 smoke sensor and o

6、ther sensors to design the system. The main content of this article can be roughly divided into the design of the basic circuit of the microcomputer, and the design of the circuit of the display, the design of the sensor circuit and the design of the circuit of the alarm and the writing and debuggin

7、g of the software. Key Words：Smart home，DHT11，MQ-2，MCU目 錄第一章 緒論1.1智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀1.1.1智能家居的國內(nèi)外現(xiàn)狀1.2智能家居監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究的目的及意義1.2.1智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)研究的目的1.2.2智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)研究的意義1.3要達(dá)到的技術(shù)要求第二章 智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計方案2.1任務(wù)分析2.2設(shè)計思想2.3 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇2.4總體框圖第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計3.1.1 STC89C52RC 單片機3.1.2 單片機最小系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計3.2 顯示電路設(shè)計3.2.1 L

8、CD1602液晶顯示器3.3 溫濕度檢測和煙霧檢測電路設(shè)計3.3.1 DHT11溫濕室度傳感器3.3.2 MQ-2煙霧傳感器3.4 報警電路設(shè)計第四章 軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)主程序圖4.2 煙霧檢測與報警程序設(shè)計4.3 溫濕度監(jiān)測與顯示第五章 系統(tǒng)測試5.1 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定5.2 系統(tǒng)軟件的燒寫5.3 測試現(xiàn)象5.4 測試總結(jié)第六章 總結(jié)致謝參考文獻(xiàn)附錄1附錄2附錄3附錄4第一章 緒論1.1智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀由現(xiàn)在科技的發(fā)展可推知未來智能家居將向固定終端控制、智能手機控制、無線與有線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方向發(fā)展。(1)終端控制，在現(xiàn)在電子技術(shù)高度發(fā)達(dá)和快速發(fā)展的今天，未來智能家居控制系統(tǒng)走

9、進(jìn)千家萬戶將不只是一個設(shè)想，通過一個終端控制屏實現(xiàn)對家庭內(nèi)部溫度，濕度，氣體成分等的智能監(jiān)測和控制。(2)智能手機，手機的出現(xiàn)實現(xiàn)了以前只有在小說和神話中才能實現(xiàn)的順風(fēng)耳和千里傳音，縮短了人與人之間的距離，極大的豐富了人們的生活，特別是智能手機的出現(xiàn)將手機的應(yīng)用提高到了另一個平臺。不論人們在何時何地在做什么事基本上都是離不開智能手機，為此將智能手機應(yīng)用于智能家居是一個明智的選擇而且也是智能家居發(fā)展的必然趨勢，從此手機不僅僅是打電話、發(fā)信息和上網(wǎng)的娛樂工具，而且還是隨時隨地掌控家居內(nèi)的一切，如防火防盜等的不二選擇。通過將智能家居的客戶端軟件嵌入到智能手機中，只要動動手指就可以實現(xiàn)對家庭內(nèi)部的遠(yuǎn)程

10、監(jiān)測與控制。(3)無線與有線控制系統(tǒng)有機融合。1.1.1智能家居的國內(nèi)外現(xiàn)狀 (1)國內(nèi)現(xiàn)狀我國的智能家居從1994年萌芽至今得到了快速的發(fā)展，是繼房地產(chǎn)行業(yè)后又一大發(fā)展熱潮，隨著軟件協(xié)議與硬件技術(shù)開始不斷的融合，各大行業(yè)進(jìn)軍智能家居市場，我國的智能家居行業(yè)進(jìn)入了發(fā)展的黃金時期。但是較國際國外智能家居行業(yè)起步晚，還沒有形成統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)，這是對我國智能家居的發(fā)展是不利的，但是總體來說，我國的智能家居還是取得了相當(dāng)可觀的成果的。如：海爾公司推出的e家庭，以電腦作為整個系統(tǒng)的控制中心，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各種家庭用電設(shè)備聯(lián)系起來，利用海爾推出的手機作為遠(yuǎn)程控制器，使一些用電設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程和智能控制成為可能

11、。另外，清華同方研發(fā)的e-home，使用嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于國際成熟的智能家居技術(shù)，針對中國家庭的實際情況設(shè)計和制造，可謂是為整個中國家庭量身制作的。但是就目前智能家居的發(fā)展?fàn)顩r來看，整個智能家居市場只適合中高消費人群，遠(yuǎn)遠(yuǎn)還未走進(jìn)千家萬戶，中國智能家居的設(shè)計和制造技術(shù)和成本還有待改善。隨著國內(nèi)各大軟、硬件機構(gòu)正在積極滲入智能家居行業(yè)，為智能家居行業(yè)注入新鮮的血液，可以展望我國的智能家居前途將是一片大好。（2）國外現(xiàn)狀國外智能家居起步較早，從1984年美國出現(xiàn)第一棟智能建筑以后，美國、加拿大和歐洲等一些發(fā)達(dá)國家就開始研究和退廣智能家居，而且現(xiàn)在智能家居技術(shù)已相當(dāng)成熟，最具代表性的智能家居

12、有：美國推出的X-10系統(tǒng)，該系統(tǒng)不是使用一般數(shù)字設(shè)備控制的信號線利用低電平傳輸信息，而是利用電力線作為控制的網(wǎng)絡(luò)平臺，采用集中控制方式實現(xiàn)。這套的功能較為強大，而且不需要額外的布線，安裝時也省去了在墻上打孔等的不便，因此實現(xiàn)起來是很容易被廣泛的家庭接受，操作起來也相對簡單。但是在中國國內(nèi)推廣造價很高，因此，在我國國內(nèi)未能得到很好的發(fā)展。德國的EIB系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用總線技術(shù)及中央控制技術(shù)實現(xiàn)控制功能。但由于系統(tǒng)價格較高，且實際安裝不是很容易，因此在我國也未得到理想的發(fā)展。新加坡的8X系統(tǒng)，該系統(tǒng)也是使用總線技術(shù)和集中控制方式來實現(xiàn)智能家居控制的功能。它可以利用的產(chǎn)品對系統(tǒng)進(jìn)行擴展，技術(shù)較為成熟

13、，適合中國國情。但是由于系統(tǒng)架構(gòu)、靈活性等方面還難以達(dá)到要求且價格也是較高，所以目前在國內(nèi)也是沒有得到廣泛的應(yīng)用。1.2智能家居監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究的目的及意義1.2.1智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)研究的目的火是可燃物燃燒，發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)的過程，縱觀人類的發(fā)展歷史可知，火的使用和人工取火的發(fā)明是人類文明史進(jìn)步的催化劑，而在當(dāng)今人類的生產(chǎn)和生活活動中再也離不開火的使用。常言道水火無情，火失控時就會發(fā)生火災(zāi)，在世界上每年因火災(zāi)喪失幸福的家庭不計其數(shù)，因此在我們在使用火的過程中還需對其進(jìn)行有效的監(jiān)控。因為在產(chǎn)生火的同時必然會產(chǎn)生煙霧等物質(zhì)，因此要對火災(zāi)的監(jiān)控和報警就可以通過對空氣中的可疑氣體的監(jiān)控和報警來實

14、現(xiàn)。溫度和濕度是影響人們居住的最重要的因素。研究表明最適宜人們居住的溫濕度：冬天分別為1825和30%80%；夏天分別為2328和30%60%的室內(nèi)，人會感到最舒適，精神狀態(tài)好，思維最活躍，也就是說這種環(huán)境最適合人類的居住。不僅如此，現(xiàn)代人追求的是舒適便捷的生活，因此智能家居研究的目的不只是提供安全舒適的家居環(huán)境。隨著通信技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代科技的發(fā)展，智能家居逐步走上移動控制和遠(yuǎn)程控制的發(fā)展軌跡。將智能家居控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)與110、119等聯(lián)系起來，當(dāng)家居內(nèi)出現(xiàn)突發(fā)事件，如發(fā)生火災(zāi)、有非法人員闖入等，家居主人和110或119第一時間收到信息通知，并且智能家居控制系統(tǒng)還可以做出相應(yīng)

15、的處理，例如發(fā)生火災(zāi)時，離火源最近的消防設(shè)備將自動噴水或者自動釋放滅火泡沫等。同時，互聯(lián)后的智能家居可以通過手機、電腦等終端設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，例如可以在回家的途中通過終端設(shè)備提前打開空調(diào)、播放背景音樂、打開電視機選擇自己喜歡的節(jié)目、讓熱水器燒熱水等等，為住戶盡可能地提供舒適、安全、便捷的居住環(huán)境。因此，對于追求高端上檔次的物質(zhì)生活和精神生活的現(xiàn)代人來說，安全的家居環(huán)境只是選擇居住的最基本的要求，舒適健康安全便捷的居住環(huán)境才是現(xiàn)代人所向往的和追求的，所以對家庭居住環(huán)境方方面面的要求也是越來越高的，顯然對家居智能化的研究就顯得非常重要了。1.2.2智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)研究的意義隨著社會經(jīng)濟和人類

16、文明的進(jìn)步發(fā)展，人們追求高端上檔次的生活的渴望是越來越激烈，特別是對家居的選擇要求越來越高，不僅是要追求安全，而且還要居住起來舒適，因此對現(xiàn)在的人來說又形成了新的社會矛盾，也就是落后的家居環(huán)境與人們?nèi)找嬖鲩L的家居享受之間的矛盾。雖然我國的智能家居從1994年萌芽至今已有近二十年的歷史，智能家居技術(shù)已得到飛速的發(fā)展，但是就總體而言還是不容樂觀。并且國外成熟的智能家居在國內(nèi)的推廣有諸多的不便，因此我國的智能家居還亟待研究與發(fā)展。本設(shè)計對智能家居監(jiān)測與控制系統(tǒng)的研究可以豐富對智能家居的認(rèn)識，增強自身的動手能力和發(fā)現(xiàn)、解決問題的能力，有利于激發(fā)智能家居研究的熱情。同時智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)可以讓住戶安心

17、入住，利用方便、高效的控制方案為住戶提供舒適的家居環(huán)境。1.3要達(dá)到的技術(shù)要求必須有火災(zāi)，煤氣煙霧、溫濕度探測的功能，能現(xiàn)場產(chǎn)生聲光報警及做出相應(yīng)的反應(yīng)。第二章 智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計方案2.1任務(wù)分析硬件設(shè)計：首先是設(shè)計單片機的最小系統(tǒng)，使單片機具有一定的功能，如燒寫程序的功能和復(fù)位等功能。其次是設(shè)計顯示電路，主要目的是用于溫濕度的顯示，使檢測的電信號直觀的顯示出來便于程序調(diào)試、數(shù)據(jù)的理解和操作。再次是設(shè)計傳感器檢測電路，采集家居環(huán)境參數(shù)用于下一步設(shè)計。第四是設(shè)計報警電路，用于參數(shù)異常報警。最后就是設(shè)計按鍵等其他電路。軟件設(shè)計：首先是設(shè)計液晶顯示器的初始化程序，其次是設(shè)計溫濕度傳感器、煙霧傳

18、感器、紅外線傳感器等的驅(qū)動程序，將溫濕度傳感器等傳感器采集的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為液晶顯示器能夠顯示的信號在顯示器上顯示出來，并且為下一步的控制設(shè)計提供數(shù)據(jù)來源。再次是設(shè)計煙霧驅(qū)動和報警驅(qū)動。最后是設(shè)計控制程序。2.2設(shè)計思想健康性：做到家居控制區(qū)域自動控溫、控濕，提供適宜的溫濕度，保持空氣清新。安全性：自動檢測家居內(nèi)部空氣成分，做到火災(zāi)報警和提供一定的解決措施。方便性：設(shè)計簡單，容易生產(chǎn)安裝且容易使用，系統(tǒng)有一定的可擴展性。智能性：可以根據(jù)主人的喜好進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，遇見火災(zāi)時能自動噴水滅火。2.3 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇方案一：采用AT89C51單片機作為控制芯片，利用DS18B20溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，

19、NRG RH5空氣濕度傳感器檢測環(huán)境濕度，其設(shè)計框圖如下所示：圖2-1 方案一設(shè)計框圖（1）單片機的選擇AT89C2051是美國ATMEL生產(chǎn)的低電壓、高性能COSM位單片機，引腳圖如下所示：圖2-2 AT89C51引腳圖參數(shù)：1) 4K字節(jié)程序存儲空間;2) 工作頻率：0Hz24MHz;3) 1288位內(nèi)部RAM;4) 32個I/O口;5) 兩個16位定時器/計數(shù)器;6) 5個中斷源;（2）溫、濕度傳感器的選擇采用單個的溫度傳感器和濕度傳感器，溫度傳感器選擇DS18B20，濕度傳感器選擇NRG RH5空氣濕度傳感器。DS18B20溫度傳感器:DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)

20、用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式。型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。可以根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。圖2-3 DS18B20封裝圖參數(shù)：溫范圍55125，在-10+85時精度為0.5NRG RH5空氣濕度傳感器:RH-5 是低成本的可持續(xù)測量相對濕度的傳感器，需外接電源才能工作。采用聚合體電阻制成，輸出線性信號，并能保持反應(yīng)靈敏度和長期穩(wěn)定性。參數(shù)

21、：) 輸出信號：線性模擬電壓；) 換算：% 相對濕度 = 電壓 x 20；) 測量范圍：095 % 相對濕度；)電源：:10 36 V DC, 12V 1.2 mA；)尺寸：115mm (4.5) * 102mm (4) * 80mm (3.1)；)重量：0.68 kg (1.5 lbs)。方案二：使用宏晶STC增強型單片機做為控制芯片，采用溫濕度模塊作為環(huán)境溫濕度采集傳感器設(shè)計，其設(shè)計框圖如圖2-5所示。（1）單片機的選擇： STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，與C51單片機完全兼容，軟硬件設(shè)計時基本無需較大的修改。 圖2-4 STC89C52引腳圖參數(shù)

22、：) 工作頻率范圍：040MHz，相當(dāng)于普通8051單片機的兩倍，實際工作頻率最高可達(dá)48MHz。) 8KROM字節(jié)。) 512 字節(jié)RAM內(nèi)存。) 增加P4口，共有32個I/O口，復(fù)位后為：P1、P2、P3、P4 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉， P0口和傳統(tǒng)8051單片機一樣，總線擴展時，無需上拉電阻，用作I/O 口時，需加上拉電阻。) 具有ISP在線系統(tǒng)可編程功能。) 三個16 位定時器/計數(shù)器。) 4 路外部中斷，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，掉電模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒) 通用異步串行口（UART），可用軟件實現(xiàn)多個UART（）溫、濕度傳感器的選擇DHT11溫濕度傳感器，該傳感器將溫

23、度傳感器和濕度傳感器集成在一起，而且具有較高的靈敏度。) 濕度測量范圍：20%95%，測量誤差：5%;) 溫度測量范圍：050，測量誤差：2;) 工作電壓: 3.3V5V;) 輸出形式: 數(shù)字輸出; ) 設(shè)有固定螺栓孔,方便安裝;) 小板PCB尺寸：3.2cm * 1.4cm;) 每套重量約為8g。兩個方案綜合比較，方案二更加適合做設(shè)計研究。原因是：首先，就單片機而言，STC單片機較AT89C51單片機性能更佳，主要表現(xiàn)在工作頻率范圍更加大，程序存儲空間擴大一倍，數(shù)據(jù)存儲空間擴大兩倍，I/O更多，而且最有利開發(fā)就是具有ISP在線系統(tǒng)可編程功能，使調(diào)試變得簡單方便。其次，使用DHT11溫濕度傳感

24、器將溫度傳感器和濕度傳感器集成為一個元件，使硬件電路設(shè)計和焊接變得簡單，并且DHT11輸入的是數(shù)字信號，且電壓與單片機兼容，無需經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換就能直接被單片機接受，省去了A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計或A/D軟件處理程序的編寫。2.4總體框圖由以上任務(wù)分析和設(shè)計思想可設(shè)計出系統(tǒng)的總框圖如下所示：圖2-5智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計總框圖使用STC單片機作為中央處理芯片，選用DHT11溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器等傳感器作為媒介采集家居環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過單片機綜合處理轉(zhuǎn)化為可顯示的數(shù)據(jù)在液晶顯示器上顯示，并通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將單片機和遠(yuǎn)程終端設(shè)備聯(lián)系起來，可以通過對系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置使智能家居控制系統(tǒng)自動的根據(jù)環(huán)境參數(shù)的變化

25、自動地做出相應(yīng)的響應(yīng)，達(dá)到環(huán)境參數(shù)恒定的效果。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計單片機就是將一些具有特殊功能的物理電路（如CPU、存儲器、I/O接口以及總線）集成在一起作為能被人們所使用的大規(guī)模集成電路。隨著集成電路的發(fā)展，單片機的發(fā)展也是非常迅速的，至今單片的種類已非常多，能滿足各種基于單片機應(yīng)用系統(tǒng)的控制需求。市場上最多的單片機是Intel公司推出的MCS-51系列單片機、Free scale公司MC68系列的單片機等等，本設(shè)計采用的是國內(nèi)自主研發(fā)的增強型STC系列單片機。該單片機相對于國外的8051內(nèi)核單片機，在片內(nèi)資源和性能以及工作速度上都有很大的提高，特別是它使用在線系統(tǒng)

26、編程（ISP）技術(shù)，使得基于單片機的應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)變得更簡單了，不需要使用仿真器和專用編程器就可以對單片機應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，而且更加有利于對單片機的學(xué)習(xí)。3.1.1 STC89C52RC 單片機STC89C52RC 單片機是國產(chǎn)的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容8051單片機，有12 時鐘/機器周期和6 時鐘/機器周期可供選擇。主要特性如下：1） STC型單片機是增強型8051 單片機，6 時鐘/機器周期和12 時鐘/機器周期可供選擇，指令代碼完全兼容8051單片機。2）工作電壓：5.5V3.3V/3.8V2.0V。3）工作頻率范圍：040MHz，相當(dāng)于普通8051單片

27、機的兩倍，實際工作頻率最高可達(dá)48MHz。4）8KROM字節(jié)。5）512 字節(jié)RAM內(nèi)存。6）增加P4口，共有35個I/O口，復(fù)位后為：P1、P2、P3、P4 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉， P0口和傳統(tǒng)8051單片機一樣，總線擴展時，無需上拉電阻，用作I/O 口時，需加上拉電阻。7）具有ISP在線系統(tǒng)可編程功能。8）具有EEPROM 功能。9）看門狗功能。10）T0、T1、T2三個16 位定時器/計數(shù)器。11）路外部中斷，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，掉電模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。12）通用異步串行口（UART），可用軟件實現(xiàn)多個UART。13）工作溫度范圍：-40+85/075。14）P

28、DIP 封裝。圖3-1 STC單片機引腳圖工作模式:）掉電模式：典型功耗0.1A,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序。）空閑模式：典型功耗2mA。）正常工作模式：典型功耗4Ma7mA。3.1.2 單片機最小系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計單片機的基本電路是單片機實現(xiàn)其功能的最小應(yīng)用系統(tǒng)，是影響系統(tǒng)好壞的最基本要素，主要是由：晶振、復(fù)位電路、電源和串口電路等組成。單片機工作時，需要從某個已知的初始狀態(tài)開始才能被設(shè)計者所控制，而要讓單片機處于某個已知的初始狀態(tài)就需要為單片機設(shè)計一個復(fù)位電路。常用的復(fù)位電路有上電復(fù)位和上電與按鍵均有效的復(fù)位。結(jié)合本設(shè)計的設(shè)計原理考慮，本系統(tǒng)只需在單片機上電時自動實現(xiàn)復(fù)位

29、操作，而不需要在單片機運行過程中復(fù)位，因此，本設(shè)計使用的是上電直接復(fù)位的復(fù)位方式。本設(shè)計使用的是內(nèi)部存儲器，因此在設(shè)計基本電路時將31引腳即 置高電平。圖3-2 單片機最小系統(tǒng)電路圖3.2 顯示電路設(shè)計顯示器一般也叫做監(jiān)視器，屬于本設(shè)計中的I/O設(shè)備，他能將傳感器接收到的電信號直觀的顯示出來，被人們所理解，并且便于對系統(tǒng)參數(shù)的操作。本設(shè)計的主要目的是對居室溫濕度的顯示、煙霧監(jiān)測和報警，顯示的內(nèi)容相對數(shù)碼管顯示較多，而又不需要顯示特殊的字符，因此選用1602液晶顯示器進(jìn)行設(shè)計。1602液晶顯示器驅(qū)動電壓低、功耗微小符合環(huán)保和綠色的發(fā)展要求且散熱小、可靠性高、信息顯示量較大、多色顯示色彩比較豐富、

30、無閃爍、低輻射對人體無危害。并且使用1602液晶顯示設(shè)計電路較為簡單，不需要放大電路和譯碼電路，節(jié)省設(shè)計周期，有專門的字符庫，顯示部分軟件的編寫較容易實現(xiàn)，有利于硬件制作和軟件調(diào)試。3.2.1 LCD1602液晶顯示器（1）LCD模塊的組成： 圖3.-3 LCD1602模塊組成圖LCD1602是由控制器、驅(qū)動器和液晶板集成在一起的液晶顯示模塊。模塊組成圖如圖3.3.1所示。封裝好的LCD1602液晶顯示器有16個引腳，8個數(shù)據(jù)引腳，2個數(shù)據(jù)輸入引腳，2個電源，2個地，1個對比度調(diào)整引腳和1個使能信號輸入引腳。（2）LCD1602的引腳定義（2）LCD1602主要參數(shù)：1）顯示容量：16*2個字

31、符；2）工作電壓：4.55.5V；3）工作電流：2.0mA（5.0V）；4）最佳工作電壓：5.0V；5）字符尺寸：2.95*4.35（WXH）mm。（4）LCD1602操作時序：表3.2 LCD時序輸入輸出D07讀狀態(tài)RS=0，RW=1，E=1狀態(tài)字寫指令RS=0，RW=0，D07=指令碼，E=高脈沖無讀數(shù)據(jù)RS=1，RW=1，E=1數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)RS=1，RW=0，D07=數(shù)據(jù)，E=高脈沖無（5）LCD初始化設(shè)置表3.3 LCD初始化指令碼功能00111000設(shè)置16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù)接口（6）LCD顯示光標(biāo)及顯示開、關(guān)設(shè)置表3.4 LCD光標(biāo)設(shè)置指令碼功能00001DCBD=1顯示

32、，D=0不顯示C=1顯示光標(biāo)，C=0不顯示光標(biāo)B=1光標(biāo)閃爍，B=0光標(biāo)不閃爍000001NSN=1讀寫一個字符后地址指針、光標(biāo)加一N=0讀寫一個字符后地址指針、光標(biāo)減一S=1寫一個字符后（N=1）整屏顯示左移或（N=0）整屏顯示右移（7）LCD數(shù)據(jù)指針設(shè)置表3.5 LCD數(shù)據(jù)指針設(shè)置指令碼功能80H+地址碼設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針LCD1602顯示器連接時，顯示器模塊的第3引腳應(yīng)接一個滑動變阻器以調(diào)節(jié)屏幕顯示的清晰度，本設(shè)計在焊接時經(jīng)過反復(fù)試驗確定可以將第3引腳直接通過一個2.4k的電阻與地相連。因此得出的電路圖如下圖所示。圖3-4 顯示器連接圖3.3 溫濕度檢測和煙霧檢測電路設(shè)計傳統(tǒng)的溫度傳感器和

33、傳統(tǒng)的濕度傳感器與單片機都不能直接相連，必須使用放大器將溫度、濕度傳感器采集的信號放大再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換才能輸入單片機中，而且在測量時要進(jìn)行復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定，因此使用傳統(tǒng)的溫度、濕度傳感器設(shè)計時，將會增加設(shè)計和調(diào)試的難度且不能保證電路的可靠性。本設(shè)計選取DHT11型溫濕度傳感器進(jìn)行設(shè)計。3.3.1 DHT11溫濕度傳感器 DHT11傳感器的封裝圖如下所示。圖3-5 DHT11封裝圖使用DHT11溫濕度傳感器的優(yōu)點有：（1）溫濕度傳感器將溫度、濕度傳感器集成為一個，減少元件的數(shù)量。（2）傳感器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和 總線接口等電路集成在一起，減少了硬件電路的設(shè)計工作量且抗干擾能力增強，響應(yīng)速

34、度、測量精度也有較大的提高。 (3)免調(diào)試，接線測量簡單易行。圖3-6 DHT11與單片機的接線原理圖參數(shù)：1）濕度測量范圍：20%95%（050范圍），濕度測量誤差：5%；2）溫度測量范圍：050，溫度測量誤差：2度；3）工作電壓3.3V5V；4）數(shù)字量輸出； 5）小板PCB尺寸：3.2cm * 1.4cm；6）電源指示燈（紅色）；7）每套重量約為8g。工作原理：DATA引腳與單片機連接進(jìn)行同步通訊，單次通訊時間為4ms左右，數(shù)據(jù)分小樹部分和整數(shù)部分，由于DHT11的小數(shù)部分是預(yù)留的，實際應(yīng)用是不顯示小數(shù)部分即小數(shù)部分一直為0。一次完整的讀入數(shù)據(jù)是40位，高位先出。數(shù)據(jù)格式為：8位濕度整數(shù)+

35、8位濕度小數(shù)+8位溫度整數(shù)+8位溫度小數(shù)+8位校驗和。數(shù)據(jù)傳輸正確時校驗和數(shù)據(jù)等于“8位濕度整數(shù)+8位濕度小數(shù)+8位溫度整數(shù)+8位溫度小數(shù)”所得結(jié)果的后8位。通信過程如下所示：圖3-7總線空閑時為高電平，單片機將總線電平拉低等待DHT11響應(yīng)，并且拉低時間必須大于18ms，以保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到起始信號后等到起始信號結(jié)束，然后發(fā)出80us的低電平作為響應(yīng)，單片機延時2040us后，讀取DHT11傳感器的響應(yīng)信號。圖3-8當(dāng)總線為低電平時說明DHT11發(fā)出響應(yīng)信號，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號結(jié)束后，將總線置80us高電平，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一位數(shù)據(jù)都是以50us時間的低電平

36、開始的，低電平時間的長短決定所發(fā)的數(shù)據(jù)是0還是1。當(dāng)一位數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，DHT11將總線拉低50us，隨后總線又將進(jìn)入空閑狀態(tài)。圖3-9 數(shù)據(jù)0的波形圖圖3-10 數(shù)據(jù)1的波形圖3.3.2 MQ-2煙霧傳感器 （1）MQ-2煙霧傳感器的工作原理：MQ-2傳感器是利用對某些氣體的特殊物理反應(yīng)而制成的半導(dǎo)體器件。當(dāng)溫度上升至200300時，極易吸附空氣中的氧離子。由上面的電化學(xué)方程式可知，即要滿足電子平衡。假設(shè)m表示的是本身的氧離子，n表示吸附的氧離子，在沒有吸附氧離子之前，當(dāng)吸附一定的時，本身的氧離子由于化學(xué)反應(yīng)而失去即，也就是說本身的電子濃度將減少，半導(dǎo)體導(dǎo)電性降低即電阻率上升。當(dāng)與還原性氣體

37、接觸時，還原性氣體與吸附氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使晶體吸附氧離子脫離吸附，導(dǎo)致表面勢壘降低，從而使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加。此時半導(dǎo)體的導(dǎo)電性隨著吸附氣體濃度的增加而上升，通過檢測半導(dǎo)體的導(dǎo)電性就可以檢測環(huán)境中氣體的濃度。因此，利用制成的半導(dǎo)體器件可以檢測環(huán)境氣體的濃度。（2）參數(shù)：1）具有信號輸出指示。2）模擬信號和數(shù)字信號雙路輸出。數(shù)字信號低電平有效，可以直接與單片機相連。4）模擬量輸出05V電壓，濃度越高電壓越高。5）對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度。6）具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。7）快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。8）工作電壓：5V。圖3-11 MQ-2封裝圖（3）MQ-2煙霧傳感器的特性：）

38、對液化氣、丙烷、丁烷、煙霧、酒精、氫氣的靈敏度高，可精準(zhǔn)的有刺激性和無刺激性氣體的干擾。） MQ-2煙霧傳感器反應(yīng)速度快，并且具有良好的重復(fù)性和長期穩(wěn)定性。) 可承受的電壓范圍較廣（24V以下均可）。圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（），橫坐標(biāo)為氣體濃度。表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值，表示傳感器在氫氣中的電阻（4）MQ-2煙霧傳感器的結(jié)構(gòu)和外形圖3-13封裝好的氣敏元件有個針狀管腳，其中個用于信號輸出，個用于提供加熱電流。本設(shè)計使用的是MQ-2模塊。有四個引腳，分別是電源、地、數(shù)字信號輸出和模擬信號輸出。電源接通后，當(dāng)檢測到還原性氣體時，數(shù)字信號輸出引腳將輸出低電平，模擬信號輸出引腳將輸出不同

39、級別的電壓，測量引腳電壓的大小可計算出環(huán)境中還原氣體的濃度。圖3-14 MQ-2模塊與單片機的連接圖3.4 報警電路設(shè)計單片機的I/O口在接發(fā)光二極管時應(yīng)加上一定的電阻，以起到限流作用，從而保護(hù)二極管和單片機，這種電路接法常用的有拉電流的驅(qū)動方式和灌電流的驅(qū)動方式。但是，采取拉電流的接線方式會降低單片機的驅(qū)動能力和可靠性，因此只有供電線路較簡單時才采取拉電流的驅(qū)動方式。在實際應(yīng)用中，一般都是采用灌電流的驅(qū)動方式以提高系統(tǒng)的帶載能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本設(shè)計使用灌電流的方式以保證系統(tǒng)的可靠性。原理圖如下圖所示：圖3-15報警電路第四章 軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)主程序圖系統(tǒng)上電時首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后

40、判斷是否有可燃?xì)怏w產(chǎn)生，如果有則聲光報警，沒有則繼續(xù)檢測，再對溫濕度進(jìn)行顯示，然后判斷溫濕度是否超標(biāo)，如果超標(biāo)則聲光報警，如果溫濕度合適則繼續(xù)測試。程序圖如下圖所示：圖4-1系統(tǒng)主程序圖4.2 煙霧檢測與報警程序設(shè)計由于本設(shè)計所使用的煙霧傳感器具有數(shù)字信號和模擬信號輸出功能，因此在對不需要輸出煙霧濃度的情況下可以直接檢測數(shù)字輸出引腳是否為低電平來判定是否有煙霧產(chǎn)生。程序如下所示：#include reg51.hsbit fmq=P13;/定義蜂鳴器接口sbit mq=P20;/定義傳感器接口sbit spkb=P30;/定義報警顯示燈sbit zch=P15;/定義正常顯示燈void main

41、()unsigned int i;spkb=0;/將報警顯示燈熄滅zch=0;/正常顯示燈點亮 while(!mq)/判斷傳感器引腳是否是低電平 zch=1;/將正常顯示燈熄滅 for(i=0;i200;i+)/蜂鳴器報警，報警顯示燈閃爍 fmq =! fmq; spkb=!spkb; fmq =1; spkb=0; 圖4-2煙霧報警程序流程圖4.3 溫濕度監(jiān)測與顯示 系統(tǒng)啟動時首先要進(jìn)行單片機、液晶顯示器以及傳感器等的初始化為傳感器對室內(nèi)環(huán)境溫濕度的檢測做準(zhǔn)備，溫濕度傳感器將感應(yīng)到的物理信號轉(zhuǎn)化為單片機能夠識別的數(shù)字信號，然后經(jīng)過單片機的處理將測得的溫濕度參數(shù)顯示在液晶顯示器上，最后將所得的

42、數(shù)據(jù)與設(shè)定參數(shù)做比較，如果參數(shù)不合適則由溫濕度控制模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到達(dá)到合適值為止，如果參數(shù)合適則返回繼續(xù)檢測，重復(fù)以上過程。圖4-3溫濕度檢測與顯示流程圖第五章 系統(tǒng)測試5.1 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定根據(jù)測試氣體種類的不同調(diào)節(jié)煙霧傳感器的靈敏度，測試時室內(nèi)溫濕度分別為：19和35%，測試時將溫度范圍設(shè)置為2024,濕度范圍為40%45%。(實物如附錄三所示)5.2 系統(tǒng)軟件的燒寫1）下載STC元件庫，加載到的安裝目錄下，打開軟件，新建工程文件“l(fā)ili.uvproj”保存，在彈出如下對話框中選擇“STCMCU”。圖5-12）創(chuàng)建C語言程序保存為文件“l(fā)ili.c”,將C程序添加到工程中，按下快捷鍵“

43、Alt+F7”，在彈出的對話框中選擇“Otput”，然后選擇“Create HEX file”,最后編譯、運行生成“l(fā)ili.hex”。3）將下載器與單片機連接，打開STC_ISP_V480燒寫軟件，選擇對應(yīng)的端口和單片機型號，打開工程文件“l(fā)ili.hex”,然后點擊下載，帶對話框提示下載完成時，斷開下載器與單片機的連接，給系統(tǒng)供電。5.3 測試現(xiàn)象1）按下電源開關(guān)，可以看見顯示器上顯示溫濕度分別為：20和25%，由于溫濕度均小于設(shè)定值，所以低濕度報警顯示燈和地溫度報警顯示燈均閃爍正常顯示燈做頻率較小的閃爍，且蜂鳴器發(fā)出一定頻率的報警聲。2）用手按住溫濕度傳感器，待報警停止時放開，此時溫濕度

44、參數(shù)符合設(shè)定值。3）用打火機對著煙霧傳感器放氣，可以看見煙霧報警顯示燈閃爍并且蜂鳴器發(fā)出同頻率的報警聲，正常顯示燈滅。停止對傳感器放氣，蜂鳴器與煙霧報警顯示燈停止工作。正常顯示燈亮。4）用打火機在溫濕度傳感器旁給傳感器加熱模擬升溫過程，可以看見顯示器上的溫濕度不斷變化，直到溫濕度超過設(shè)定值范圍，此時，高溫報警顯示燈和高濕度報警顯示燈閃爍，正常顯示燈做頻率較小的閃爍。5）重復(fù)測試。表5-1 溫度測試溫度是否報警119是220否326是表5-2 濕度測試濕度是否報警135%是242%否350%是5.4 測試總結(jié)由于本系統(tǒng)使用的溫濕度傳感器不能返回溫濕度值的小數(shù)部分，測試時反應(yīng)不靈敏，就總體而言系統(tǒng)

45、性能較好?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)煙霧傳感器的靈敏度調(diào)節(jié)按鈕，使系統(tǒng)對不同煙霧濃度報警。第六章 總結(jié)本次設(shè)計是基于STC國產(chǎn)增強型單片機的智能家居監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計，是基于單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計，同時也是多傳感器融合的設(shè)計。利用簡單的電路和經(jīng)濟實惠的研究方法實現(xiàn)了室內(nèi)煙霧的監(jiān)測與報警、溫濕度的檢測和顯示及其異常時的處理等。本次設(shè)計不僅使自己了解了國際國內(nèi)智能家具的發(fā)展現(xiàn)狀和未來智能家居的前進(jìn)方向，最重要的是豐富了自己的知識，增強了動手能力。在設(shè)計的最后雖然是取得了一定的成果，但是也遇見了很多無法預(yù)料的困難。設(shè)計中存在的問題及解決方法：硬件設(shè)計出現(xiàn)的問題及解決方法：設(shè)計液晶顯示電路時，液晶顯示器一直沒有顯示應(yīng)

46、該要顯示的數(shù)據(jù)，用萬用表測試時各線路都是連通的，因此開始時認(rèn)為是軟件問題，試了很多軟件后仍然沒有結(jié)果，后來嘗試檢查硬件電路問題，一開始直接利用杜邦線將P0口和液晶顯示器的數(shù)據(jù)接口連接起來測試還是沒有結(jié)果，因此排除是液晶顯示器的數(shù)據(jù)線連接的干擾問題。插上電源時液晶能正常背光，可以排除是液晶顯示器15和16兩引腳的連接問題，1、2和3是液晶顯示的電源和地，最有可能出現(xiàn)問題，而1和2是直接和電源和地相連的，所以初步將出問題的可能性定在引腳3上。查閱資料時，發(fā)現(xiàn)引腳3是通過滑動變阻器分別與電源和地相連，而本設(shè)計只是通過2.4k的電阻與電源相連，由于設(shè)計前沒用準(zhǔn)備滑動變阻器，所以修改電路時試著將電阻的接

47、電源端改為接地，下載程序測試時竟然奇跡般的可以顯示了，至此本設(shè)計硬件的顯示部分就算是設(shè)計完成了。軟件設(shè)計中出現(xiàn)的問題及解決方法：設(shè)計蜂鳴器報警時，下載報警程序測試蜂鳴器發(fā)出的聲音很小，達(dá)不到預(yù)期的效果，開始時基于設(shè)計液晶顯電路時出現(xiàn)的問題和解決問題的經(jīng)驗，很自然的認(rèn)為是硬件電路設(shè)計的不足，所以很長一段時間內(nèi)都在做硬件電路的改善，在嘗試多種電路的接法仍無果后，又將解決問題的重心回到軟件設(shè)計上來。首先嘗試的是查找不同的驅(qū)動程序，發(fā)現(xiàn)得到的結(jié)果是一樣的，后來無意間修改延時函數(shù)，測試所發(fā)出的聲音有所改善，經(jīng)過不斷的調(diào)試終于得到了理想的結(jié)果。參考文獻(xiàn)1 丁向榮.STC系列增強型8051單片機原理與應(yīng)用.

48、電子工業(yè)出版社2011.12 趙廣林.Protel99SE電路設(shè)計與制版.電子工業(yè)出版社.2005.23 李全利.單片機原理及接口技術(shù).高等教育出版社.2004.14 劉鯤，孫春亮單片機C語言入門，人民郵電出版社5 劉劍，劉奇穗51單片機開發(fā)與應(yīng)用基礎(chǔ)教程（C語言版）中國電力出版社20116 常敏，王涵，范江波，51單片機應(yīng)用程序開發(fā)與實踐，電子工業(yè)出版社20097 唐穎.單片機原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計,北京大學(xué)出版社20088 魏偉，胡瑋，王永清，51單片機C語言開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)案例詳解化學(xué)工業(yè)出版社20109 姜帥，武奇生，王為之.物聯(lián)網(wǎng)智能家居防盜安全系統(tǒng)設(shè)計. 中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫2013.810 劉春起室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計J石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008(6):32-3411 金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，2004 附錄1P0：LCD液晶顯示器數(shù)據(jù)接口P1.0：LCD_RSP1.1：LCD_RWP1.2：LCD_ENP1.3：蜂鳴器P1.4：按鍵加（右，Max濕度） P1.5：正常顯示燈（藍(lán)）P1.6：按鍵減（左，Max濕度）P1.7：功能鍵P2.0：煙霧傳感器數(shù)字信號輸入端P2.1：低濕度報警顯示燈P2.2：煙霧傳感器模擬信號輸入端P2.3：空P2.4：低溫報警顯示燈P2