大众版智能家居调节控制器DB

1、第十一届“挑战杯” 辽宁省大学生课外学术科技作品竞赛作品名称：大众版智能家居控制调节器研制报告作品研究报告摘要随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。伴随工业科技、农业科技的发展，温度测量需求越来越多，也越来越重要。日常生活中对瓦斯气体的检测和报警也是一项必要的工作。本设计采用AT89C52单片机为控制中心，由AM2301温湿度传感器测量室内温湿度，MQ-5气体传感器

2、测量室内空气液化气含量，LCD12864显示屏显示室内当前温度，当室内温湿度或者空气液化气含量达到所设定限度启动蜂鸣器自动报警，同时启动风扇和空气干燥器调节室内温度和湿度，通过风扇实现对室内温度的调节。实践证明，该系统电路简单、工作稳定、集成度高，调试方便，测试精度高，具有一定的实用价值。关键字：单片机、温湿度、AM2301、自动检测一、社会意义和社会应用前景21世纪的今天，科学技术的发展日新月异，科学技术的进步同时也带动了测量技术的发展，现代控制设备不同于以前，它们在性能和结构发生了翻天覆地的变化。我们已经进入了高速发展的信息时代，测量技术是当今社会的主流，广泛地深入到应用工程的各个领域。随

3、着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。 中国经济经过30年的高速发展，居民的生活水平和消费能力有了很大提高，新需求的增长以及信息化对人们传统生活的改变，让许多人尤其是先富起来的一部分人，对智能家居的需求日益强烈。由此，智能化小区建设近年来也是如火如荼，“智能家居”更是被炒得炙手可热。但几年过去了，智能家居却并未像我们期待的那样走入寻常百姓家。那么，智能家居产业在快速发

4、展中存在哪些瓶颈和障碍?智能家居离我们还有多远?瓦斯气体瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。瓦斯报警是指利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对矿井通风排气，避免不安全事故的发生，温湿度温度是工业、农业生产中常见的和最基本的参数之一，在生产过程中常需对温度进行检测和监控，采用微型机进行温度检测、数字显示、信息存储及实时控制，对于提高生产效率和产品质量、节约能源等都有重要的作用。伴随工业科技、农业科技的发展，温度测量需求越来越多

5、，也越来越重要。在日常生活中温湿度监控系统应用很广泛，例如：粮库、机房、档案馆、特殊材料加工工场等场所，都必须严格控制环境的温度及相对湿度，使其保持在一定的范围内。温湿度在线监控系统，根据用户环境要求设定系统的温湿度阈值；系统实时地测量显示环境的温湿度值，实现温湿度自动控制，使其在较宽的温度范围内具有较高的测试精度，同时还可以根据用户设定报警阈值报警，一旦发现环境温湿度超限，立即报警。本设计基于单片机的简易大众版智能家居控制调节器不仅解决了家居智能自动化的问题，同时也降低成本，让智能家居走进千家万户。2、 国内外发展概况、水平和发展趋势连续13年蝉联世界首富的微软创始人比尔·盖茨，对

6、智能家居情有独钟，从1990年开始，花了七年时间，耗资6000万美元，建造了一幢智能化豪宅。但现实生活中，对大多数人来说，这种梦幻般的生活是触摸不到的。但它向我们预示了一个令人向往的未来，那就是智能家居时代! 中国经济经过30年的高速发展，居民的生活水平和消费能力有了很大提高，新需求的增长以及信息化对人们传统生活的改变，让许多人尤其是先富起来的一部分人，对智能家居的需求日益强烈。以深圳“红树西岸”为例，“红树西岸”是深圳百仕达地产斥资3000万美元与美国Honeywell及韩国LG共建的顶级智能社区，它是国内首个真正意义上的智能化社区，也是亚洲最大的智能化住宅小区，2005年4月建成，开盘时售

7、价比周边其他楼盘每平方米高出近万元(几乎近一倍)，带动这一片区迅速成为深圳的豪宅区。这说明，智能化极大地提升了小区的品质和价值。红树西岸的智能系统包括安全防范系统、智能家居系统、信息服务系统、物业管理系统，有20多个子系统。其智能家居系统以霍尼韦尔“家庭网关”为系统核心，联接了网络家电、紧急呼叫、门禁、灯光控制模块、火警探测器、红外探测器、电子门锁以及触摸屏操作终端，整合了空调控制、信息家电控制、安防系统、煤气阀控制、灯光控制、窗帘控制、场景联动控制、可视对讲、物业管理以及远程通讯等系统等。红树西岸的门口机不但具有实时监控功能，还具有拍照留影功能。当你外出不在家时，如果有人来访，系统会为来访者

8、拍下一张照片(可存储32幅访客图像)。当你外出归来时，你随时可以通过系统查询和浏览来访者的图像资料;你可以通过办公室的电脑或手机显示屏，随时查看家里的情况，也可以通过手机或办公室的电脑查看家里的家用电器的开关状态，并控制它们。“红树西岸”掀起了我国智能化小区建设的新一轮高潮，继“红树西岸”之后，国内智能小区和智能家居如雨后春笋般不断涌现。目前我国智能化小区主要集中在长三角、珠三角、环渤海地区，这三个地区占了全国大约80%的份额。但在智能家居产业快速发展的背后，也存在许多问题。三、技术设想1、室内温度、湿度、煤气含量、灯光调节控制的基本实现方法本设计提出的“温湿度监测调节控制”的方案最基本的实现

9、方法是由单片机、传感器（温湿度传感器、甲烷烟雾传感器、光电控制传感器）、显示模块、报警器、调节系统等5部分组成的电路。系统功能原理图如图1所示。图1 温湿度监测调节控制系统框图用户预先输入温湿度报警值到程序中，该值作为系统阈值。温湿度传感器、液化气 天然气煤气甲烷烟雾传感器监测值传输给单片机，再通过单片将数据送给LCD显示屏，显示当前温湿度及液化气 天然气煤气甲烷烟雾等含量。同时，当单片机比较监测到的数值超出所设定阈值时，驱动蜂鸣器，蜂鸣器报警，并为温湿度调节系统提供控制信号，实现自动控制。调节系统包括温度调节和灯光控制调节，其中温度调节分为升温模块和制冷模块。 2、温湿度监测实现思路以往温度

10、采集通常采用的温度传感器是美国模拟器件公司生产的AD590。该系列中的AM2301为单线数字温湿度传感器，包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，可用于温度和湿度测量；并通过采取“一线总线”的方式与单片机相连，可以直接读出被测的温度值和湿度值，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。AM2301数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。每个AM2301传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这

11、些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。AM2301实物如图2：图2 AM2301实物图 AM2301数字温湿度传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点，同时还具有极高的可靠性与出众的长期稳定性。AM2301数字温湿度传感器可直接将温度、湿度转化成串行数字信号进行处理，为温湿度控制系统的构建引入了全新的设计理念和架构概念。3、 煤气含量监测的实现思路MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁

12、空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ-5气体传感器对丁烷、丙烷、甲烷的灵敏度高，对甲烷和丙烷可较好的兼顾。这种传感器可检测多种可燃性气体，特别是天然气，是一款适合多种应用的低成本传感器。MQ-5气体传感器实物图如图3所示。图3 MQ-5气体传感器4、 温湿度显示的实现思路以往的显示模块多采用数码管，虽然数码管显示的亮度高，成本低，电路简单，但是数码管一般只适合数字显示，占用的I/O多。而本系统设计采用的LCD12864，虽然相对来说程序

13、和电路都复杂些，但是液晶显示信息量大，具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其他显示器无法比拟的优点，近年来已被广泛应用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。四、设计内容的实现1、微处理器单片机的组成单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51 系列单片机来说， 最小系统一般应该包括： 单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等（见图4）。图4 单片机最小系统框图1. 时钟电路在设计时钟电路之前，让我们先了解下51 单片机上的时钟管脚：XTAL1（19 脚） ：芯片内部振荡电路输入端。XTAL2（

14、18 脚） ：芯片内部振荡电路输出端。XTAL1 和XTAL2 是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。图3中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1.2 12MHz 之间任选，甚至可以达到24MHz 或者更高，但是频率越高功耗也就越大。在本实验套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在20 40pF 之间

15、选择（本实验套件使用30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30 50pF 之间。通常选取33pF 的陶瓷电容就可以了。另外值得一提的是如果读者自己在设计单片机系统的印刷电路板（PCB） 时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少引线的寄生电容，保证振荡器可靠工作。检测晶振是否起振的方法可以用示波器可以观察到XTAL2 输出的十分漂亮的正弦波，也可以使用万用表测量（ 把挡位打到直流挡，这个时候测得的是有效值）XTAL2 和地之间的电压时，可以看到2V 左右一点的电压。时钟电路如图5所示。图5 时钟电路图2. 复位电路在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不

16、正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。MCS-5l 系列单片机的复位引脚RST（ 第9 管脚） 出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位 。上电瞬间 ，电容两端电压不能突变 ，此时电容的负极和 RESET 相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0 ，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后 ，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到

17、手动复位的效果。复位电路图如图6所示。 图6 复位电路图3. EA/VPP（31 脚） 的功能和接法51 单片机的EA/VPP（31 脚） 是内部和外部程序存储器的选择管脚。当EA 保持高电平时，单片机访问内部程序存储器；当EA 保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器，只访问外部存储器。对于现今的绝大部分单片机来说，其内部的程序存储器（一般为flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存储器，而是直接使用内部的存储器。在本实验套件中，EA 管脚接到了VCC 上，只使用内部的程序存储器。这一点一定要注意，很多初学者常常将EA 管脚悬空，从而导致程序执行不正常。4. P0 口外接上拉电阻51

18、 单片机的P0 端口为开漏输出，内部无上拉电阻。所以在当做普通I/O 输出数据时，由于V2 截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻，如图7所示。图7 P0口外接上拉电阻 另外，避免输入时读取数据出错，也需外接上拉电阻。在这里简要的说下其原因：在输入状态下，从锁存器和从引脚上读来的信号一般是一致的，但也有例外。例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器Q 0， Q 1，场效应管V1 开通，端口线呈低电平状态。此时无论端口线上外接的信号是低电平还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能正确地读入端口引脚上的信号。又如，当从内部总线输出高电平后，锁存

19、器Q 1, Q 0,场效应管V1 截止。如外接引脚信号为低电平， 从引脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。所以当P0 口作为通用I/O 接口输入使用时，在输入数据前，应先向P0 口写“1”，此时锁存器的Q 端为“0”，使输出级的两个场效应管V1、V2 均截止，引脚处于悬浮状态，才可作高阻输入。总结来说：为了能使P0 口在输出时能驱动NMOS 电路和避免输入时读取数据出错，需外接上拉电阻。在本实验套件中采用的是外加一个10K 排阻。此外，51 单片机在对端口P0P3 的输入操作上，为避免读错，应先向电路中的锁存器写入“1”，使场效应管截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。5.

20、LED 驱动电路 细心的读者可能已经发现，在最小系统中，发光二极管（LED）的接法是采取了电源接到二极管正极再经过1K 电阻接到单片机I/O 口上的（见图8 中的接法1）。为什么这么接呢？首先我们要知道LED 的发光工作条件，不同的LED 其额定电压和额定电流不同，一般而言，红或绿颜色的LED 的工作电压为1.7V2.4V，蓝或白颜色的LED 工作电压为2.74.2V， 直径为3mm LED 的工作电流2mA10mA。在这里采用红色的3mm 的LED。其次，51 单片机（如本实验板中所使用的STC89C52单片机）的I/O 口作为输出口时，拉电流（向外输出电流）的能力是A 级别，是不足以点亮一

21、个发光二极管的。而灌电流（往内输入电流）的方式可高达20mA，故采用灌电流的方式驱动发光二极管。当然，现今的一些增强型单片机，是采用拉电流输出（接法2）的，只要单片机的输出电流能力足够强即可。另外，图8 中的电阻为1K 阻值，是为了限制电流，让发光二极管的工作电流限定在2mA10mA。图8 LED的接法2、室内参数监测采集电路的实现温湿度采集电路采用AM2301数字温湿度传感器，使用电源3355V DC，温湿度量程范围分别在一4080C与0IO0RH，分辨率分别为01oC和0IRH。AM2301引脚分配如下表所示。Pin名称注释1VDD供电 3.3-5.5VDC2DATA串行数据，单总线3GN

22、D接地，电源负极4NC空脚，请悬空（不要接Vcc或Gnd）AM2301是支持“一线总线” 接口的数字温湿度传感器，能通过一个单线接口进行发送或接收信息。在电路设计上，在AM2301的VDD引脚接入一个外部电源，GND引脚接地，DATA引脚接到P2口的P27引脚，DATA引脚还需连接上拉电阻5k以及电源，如图9所示。图9 温湿度采集电路MQ-5传感器适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。优良的抗乙醇，烟雾干扰能力。模块特色：1、采用优质双面板设计，具有电源指示和TTL信号输出指示；2、具有DO开关信号（TTL）输出和AO模拟信号输出；3、TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时

23、信号灯亮，可直接接单片机或继电器模块）；4、模拟量输出的电压，浓度越高电压越高；5、对煤气、天然气检测有较好的灵敏度；6、有1个螺丝孔便于定位；7、产品外形尺寸：36(L)*19(W)*22(H)；8、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；9、快速的响应恢复特性；电气性能：1、输入电压：DC5V 功耗（电流）：150mA2、DO输出：TTL数字量0和1（0.1和5V）3、AO输出：0.1-0.3V（相对无污染），最高浓度电压4V左右图10 MQ-5传感器 3、LCD12864显示功能的实现基于本设计所显示内容信息量大，本设计选择以液晶显示信息量大，具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等功能的LCD12

24、864液晶显示屏作为实现显示功能的元件。FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.LCD12864管脚图如图11所示。图11 LCD12864管脚图电路接线图如图12所示。图12 LCD12864电路接线图4、蜂鸣器报警功能的实现将温湿

25、度传感器采集出来的监测值传输给单片机，当单片机比较监测到的数值超出所设定阈值时，驱动风扇，若风扇降温的效果低于温度升高的速度，当温度超过所设置温度最大限度值，蜂鸣器便开始工作报警，直到温度达到安全温度范围内，停止鸣叫报警。同理，当湿度达到所设置湿度最高限度值时蜂鸣器也开始工作报警，直到湿度达到正常湿度范围内，停止鸣叫报警。蜂鸣器报警电路如图13所示。图13 蜂鸣器报警电路5、 温湿度调节功能的实现温湿度调节主要分为升温模块，降温模块，干燥模块和加湿模块。系统温湿度调节的实现通过单片机控制电暖器升温，控制风扇降温，控制加湿器加湿空气。本设计主要实现风扇降温功能。降温模块主要元件由小马达组成，用塑

26、料片剪成扇叶形状装在小马达上，当温湿度传感器所测当前温度高于所设定限度值，系统自动启动小马达起到降温的作用，直到温度恢复到正常值范围内，系统自动停止马达的转动从而起到调节温度制冷作用。风扇降温电路如图14所示。图14 降温电路图6、 光电对管 如图15所示为光电对管电路，电路模块采用光电对管传感器，光电对管的原理是有障碍物遮住时输出高电平，没有时输出低电平，通过光电管对人体的感应，控制灯光的开关。图15 光电对管电路5、 整体系统硬件、软件设计1、系统硬件设计本设计室内温度湿度监测自动调节器由根据如图13所示的总电路主要由晶振电路,复位电路，按键设置电路，LCD显示电路，传感器电路，光电对管电路，蜂鸣器报警电路，以及温湿度调节电路（电机）等几个部分组成。通过这几个分电路的分工合作，能够使得系统具有显示功能，并且具备键盘调整功能，同时能够对温湿度调节进行有效的控制，从而使设备顺利的进行工作。系统整体电气原理图如图16所示。图16 整体电气原理图2、 系统软件设计主程序流程图如图17所示。图17 主程序流程图6、 总结单片机在各行各业中正得到越来越广泛的应用，尤其是51、52系列单片机， 在