智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計

鄭惟暉

（黃山學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽黃山245021）

智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計

鄭惟暉

（黃山學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽黃山245021）

介紹了一種基于單片機(jī)的智能家居控制系統(tǒng),該系統(tǒng)能檢測并控制環(huán)境的溫濕度，能檢測燃?xì)庑孤?、火?zāi)和非法入室，同時還能進(jìn)行一定的應(yīng)急處理。

單片機(jī)；智能控制；氣敏傳感器；火災(zāi)報警；防盜報警

1 引言

隨著社會的發(fā)展，人們對居住環(huán)境及其安全性要求也隨之提高，另一方面由于燃?xì)庑孤抖鹬卸竞突馂?zāi)事故，以及屋內(nèi)無人時的入室盜竊案件時有發(fā)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(jīng)不能滿足人們的需要，而能夠?qū)κ覂?nèi)的環(huán)境溫度、濕度、可燃?xì)怏w、火災(zāi)以及非法入室進(jìn)行實時監(jiān)測及控制，能及時發(fā)現(xiàn)室內(nèi)的險情并報警的智能家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，就能解決這一系列問題。本文設(shè)計了智能家庭環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)囟取穸冗M(jìn)行自動控制，能進(jìn)行可燃?xì)怏w濃度、火災(zāi)的自動檢測和報警以及防盜報警。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)(如圖1)

圖1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)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(nèi)的溫度和濕度，氣敏傳感器檢測可燃?xì)怏w濃度，煙霧傳感器檢測火災(zāi)的發(fā)生，雙鑒探測器主要檢測非法入侵。系統(tǒng)控制部分通過驅(qū)動電路啟動，控制空調(diào)機(jī)和加濕器的啟停使室內(nèi)溫濕度處于最舒適的范圍，可燃?xì)怏w濃度過高時啟動風(fēng)扇排氣，排出有害氣體，當(dāng)檢測到火災(zāi)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(shè)定系統(tǒng)的各項參數(shù)，還可以通過顯示器讀取室內(nèi)溫度、濕度等信息來了解家居環(huán)境的實時狀況。[1]

3 硬件設(shè)計

3.1 主控制器

為降低成本，減小體積，又能滿足控制系統(tǒng)要求，選擇技術(shù)成熟的AT89S52單片機(jī)作為主控制器。AT89S52具有8KBFLASH存儲器，可在線編程，提高調(diào)試效率，外部不需擴(kuò)展存儲器，具有32位I/O口線，一個6向量2級中斷系統(tǒng)，能滿足系統(tǒng)需求，另外還設(shè)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(zhuǎn)換器和2線串行接口。能輸出經(jīng)過校準(zhǔn)的相對濕度和溫度的串行數(shù)據(jù)，所以系統(tǒng)中不再使用傳統(tǒng)設(shè)計需要的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、A／D轉(zhuǎn)換器及信號調(diào)理電路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(shù)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(jìn)行一定的非線性補(bǔ)償。當(dāng)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(zhuǎn)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(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償，具體為RHT=RH+（T-25）（0.01+0.00008N)%。單片機(jī)根據(jù)公式得到實際的溫濕度值，和系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫濕度上下限進(jìn)行比較，根據(jù)情況啟停空調(diào)，加濕器和排氣扇對環(huán)境溫度、濕度進(jìn)行控制，創(chuàng)造舒適的家居環(huán)境。

3.3 可燃?xì)怏w檢測模塊

原理電路如圖3所示，燃?xì)庑孤z測氣敏傳感器使用QM型，這是一種半導(dǎo)體氣敏元件，元件內(nèi)部有電加熱絲，A、B兩電極為測量端，其阻值會隨著可燃?xì)怏w濃度發(fā)生變化，正常時A、B間電阻很大，當(dāng)有燃?xì)庑孤?，燃?xì)鉂舛瘸^允許范圍時，A、B間的電阻值驟減，且燃?xì)鉂舛仍礁?，電阻下降越多，利用該特性并通過VT1等元件組成的開關(guān)電路即可獲得電信號，完成燃?xì)庑孤┑臋z測。將該信號直接送到單片機(jī)的P3.3引腳，引起系統(tǒng)中斷，報警并啟動排氣扇排除有害氣體。調(diào)節(jié)RP1可設(shè)置不同燃?xì)獾膱缶?，C2為延時電容，用于減小傳感器初始穩(wěn)態(tài)的影響。

圖3 燃?xì)鈾z測電路

氣敏傳感器在使用過程中，內(nèi)部加熱絲可能燒斷，但是很難發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生將可能引起系統(tǒng)失效，不能檢測出危險，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重后果。本系統(tǒng)設(shè)計了氣敏元件自檢電路，能及時發(fā)現(xiàn)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(jī)P1.2引腳，系統(tǒng)可以通過查詢引腳狀態(tài)及時發(fā)現(xiàn)，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(jìn)行更換。

3.4 火災(zāi)檢測報警模塊

火災(zāi)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(gòu)成的煙霧檢測報警電路。[5]

圖4 火災(zāi)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(fā)光二極管，R8為限流電阻。R7用于設(shè)置電池欠壓告警值，一般設(shè)置為7V。R13用于設(shè)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(qiáng)度約為0.8微居里，不會對人體造成傷害，也不會污染環(huán)境。R10和R11為分壓電阻，SW1為自檢按鈕，常態(tài)下離子源接+9V電壓，按下SW1變?yōu)?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(dāng)檢測到煙霧時，離子室離子電流會隨著檢測現(xiàn)場的煙霧變化而產(chǎn)生微弱的電壓變化，傳到芯片檢測端15腳，由內(nèi)部邏輯電路處理后，啟動蜂鳴器，經(jīng)外接的C5、R14和R15形成調(diào)制的變頻輸出，使得蜂鳴器發(fā)出報警聲，同時5腳連接的LED以1Hz的頻率閃爍發(fā)光，達(dá)到報警效果。

MC14468的1腳接單片機(jī)的P3.2（INT0）引腳，其輸出的高電平用于控制單片機(jī)內(nèi)部定時器T0定時100ms，定時時間到，設(shè)置火災(zāi)報警標(biāo)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(jī)產(chǎn)生100ms的延時，更能提高系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)的探測器封裝在一個殼體內(nèi)，并將兩個探測器的輸出信號共同送到與門電路，只有當(dāng)兩種探測技術(shù)的傳感器都探測到移動的人體時，才輸出報警信號。主要負(fù)責(zé)對家中敏感位置的異常情況進(jìn)行探測，它們同時對人體的移動和體溫進(jìn)行探測并相互驗證之后才發(fā)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(fā)生誤報的概率又極低，所以誤報率能大大下降。89S52單片機(jī)的P1.3引腳和輸出的報警信號相連，系統(tǒng)通過查詢引腳狀態(tài)來確定是否需要報警。為防止外界干擾信號對系統(tǒng)的影響，間隔100ms連續(xù)兩次報警信號都存在，才執(zhí)行報警子程序，否則認(rèn)為是外界干擾。從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)的誤報率。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)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?xì)鈭缶⒒馂?zāi)報警等子程序模塊和鍵盤顯示及報警子程序、遠(yuǎn)程控制組成，主程序按預(yù)定順序調(diào)用各服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。鍵盤操作根據(jù)預(yù)設(shè)的順序輸入相應(yīng)的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)，各檢測子程序根據(jù)各傳感器輸出信號，形成相應(yīng)處理操作的標(biāo)志位，通過查詢標(biāo)志位完成相應(yīng)的操作。I/O控制和報警子程序根據(jù)標(biāo)志位依次執(zhí)行相應(yīng)的顯示輸出、控制輸出、報警輸出子程序。燃?xì)鈭缶突馂?zāi)報警為中斷程序。

5 結(jié)束語

綜上所述，整個系統(tǒng)的設(shè)計以89S52單片機(jī)為核心，輔以各種傳感器芯片，實現(xiàn)了控制功能的多樣化和智能化，系統(tǒng)采用多種抗干擾措施，能有效防止誤報、漏報的發(fā)生，提高了系統(tǒng)可靠性。另外還可利用單片機(jī)的串口，增設(shè)通訊模塊和相關(guān)程序，利用RS485與計算機(jī)等設(shè)備連接，組成智能安防系統(tǒng)，應(yīng)用前景廣泛。

[1]何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000:23-25.

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

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

[4]劉良福.基于AT89C51的燃?xì)庑孤秷缶c應(yīng)急處理器[J].微計算機(jī)信息,2005,21：9-12.

[5]沙占友.智能傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004：313-316.

責(zé)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(xué)院信息工程學(xué)院教師，研究方向為自動控制。