智能家居监测控制系统的设计

智能家居监测控制系统的设计

【摘 要】 从1984年出现世界上第一栋智能建筑开始，人们开始对智能家居研究和推广，经过近30年的发展，智能家居技术已相当成熟。但是较国外而言，国内的智能家居技术起步较晚，理论和实际应用都与国外有着较大的差距。由于市场等原因，国外的智能家居在国内很难推广，因此，中国智能家居的研究意义重大。本设计是基于国产宏晶STC系列单片机的智能家居环境监测与控制的系统，主要是对家居的环境参数（如温度、湿度和烟雾浓度等）进行监测和显示并做出相应的响应，采用宏晶STC单片机、DHT11温湿度传感器和MQ-2烟雾传感器等传感器及元器件作为研究基础，采用多传感器融合技术进行针对性的设计。本文的主要内容大致可分为：单片机基本电路的设计、显示电路的设计、传感器电路的设计和报警电路的设计等电路的设计以及各软件的编写与调试。

关键字： 智能家居，单片机，温湿度传感器，烟雾传感器

ABSTRACT

Since the smart building witch of the the world's first building in 1984 had been built, the people began to research and spread it. After the nearly 30 years of development, the technology 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 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 control 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 other 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 debugging of the software.

Key Words：Smart home，DHT11，MQ-2，MCU

目 录

第一章 绪论 ............................................................. ４

1.1智能家居监测控制系统的发展及现状 .................................. ４

1.1.1智能家居的国内外现状 ......................................... ４ 1.2智能家居监测与控制系统研究的目的及意义 ............................ ３

1.2.1智能家居监测控制系统研究的目的 ............................... ３ 1.2.2智能家居监测控制系统研究的意义 ............................... ４ 1.3要达到的技术要求 .................................................. ４ 第二章 智能家居控制系统的设计方案 ........................................ ５

2.1任务分析 .......................................................... ５ 2.2设计思想 .......................................................... ５ 2.3 系统设计方案选择 .................................................. ５ 2.4总体框图 ........................................................ １０ 第三章 系统硬件设计 .................................................... １１

3.1单片机最小系统的设计 ............................................ １１

3.1.1 STC89C52RC 单片机 ......................................... １１ 3.1.2 单片机最小系统硬件电路的设计 .............................. １３ 3.2 显示电路设计 .................................................... １４

3.2.1 LCD1602液晶显示器 ......................................... １４ 3.3 温湿度检测和烟雾检测电路设计 .................................... １７

3.3.1 DHT11温湿室度传感器 ....................................... １７ 3.3.2 MQ-2烟雾传感器 ............................................ ２１ 3.4 报警电路设计 .................................................... ２３ 第四章 软件设计 ........................................................ ２５

4.1 系统主程序图 .................................................... ２５ 4.2 烟雾检测与报警程序设计 .......................................... ２５ 4.3 温湿度监测与显示 ................................................ ２６ 第五章 系统测试 ........................................................ ２８

5.1 系统参数的设定 .................................................. ２８ 5.2 系统软件的烧写 .................................................. ２８ 5.3 测试现象 ........................................................ ２８ 5.4 测试总结 ........................................................ ２９ 第六章 总结 ............................................................ ３０ 致谢 ..................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................... ３２ 附录1 .................................................................. ３３ 附录2 .................................................................. ３４ 附录3 .................................................................. ３５ 附录4 .................................................................. ３６

第一章 绪论

1.1智能家居监测控制系统的发展及现状

由现在科技的发展可推知未来智能家居将向固定终端控制、智能手机控制、无线与有线网络控制系统方向发展。

(1)终端控制，在现在电子技术高度发达和快速发展的今天，未来智能家居控制系统走进千家万户将不只是一个设想，通过一个终端控制屏实现对家庭内部温度，湿度，气体成分等的智能监测和控制。

(2)智能手机，手机的出现实现了以前只有在小说和神话中才能实现的顺风耳和千里传音，缩短了人与人之间的距离，极大的丰富了人们的生活，特别是智能手机的出现将手机的应用提高到了另一个平台。不论人们在何时何地在做什么事基本上都是离不开智能手机，为此将智能手机应用于智能家居是一个明智的选择而且也是智能家居发展的必然趋势，从此手机不仅仅是打电话、发信息和上网的娱乐工具，而且还是随时随地掌控家居内的一切，如防火防盗等的不二选择。通过将智能家居的客户端软件嵌入到智能手机中，只要动动手指就可以实现对家庭内部的远程监测与控制。

(3)无线与有线控制系统有机融合。

1.1.1智能家居的国内外现状

(1)国内现状

我国的智能家居从1994年萌芽至今得到了快速的发展，是继房地产行业后又一大发展热潮，随着软件协议与硬件技术开始不断的融合，各大行业进军智能家居市场，我国的智能家居行业进入了发展的黄金时期。但是较国

际国外智能家居行业起步晚，还没有形成统一的国家标准，这是对我国智能家居的发展是不利的，但是总体来说，我国的智能家居还是取得了相当可观的成果的。如：

①海尔公司推出的e家庭，以电脑作为整个系统的控制中心，利用网络技术将各种家庭用电设备联系起来，利用海尔推出的手机作为远程控制器，使一些用电设备实现远程和智能控制成为可能。

②另外，清华同方研发的e-home，使用嵌入式技术和网络技术，基于国际成熟的智能家居技术，针对中国家庭的实际情况设计和制造，可谓是为整个中国家庭量身制作的。

但是就目前智能家居的发展状况来看，整个智能家居市场只适合中高消费人群，远远还未走进千家万户，中国智能家居的设计和制造技术和成本还有待改善。随着国内各大软、硬件机构正在积极渗入智能家居行业，为智能家居行业注入新鲜的血液，可以展望我国的智能家居前途将是一片大好。

（2）国外现状

国外智能家居起步较早，从1984年美国出现第一栋智能建筑以后，美国、加拿大和欧洲等一些发达国家就开始研究和退广智能家居，而且现在智能家居技术已相当成熟，最具代表性的智能家居有：

①美国推出的X-10系统，该系统不是使用一般数字设备控制的信号线利用低电平传输信息，而是利用电力线作为控制的网络平台，采用集中控制方式实现。这套的功能较为强大，而且不需要额外的布线，安装时也省去了在墙上打孔等的不便，因此实现起来是很容易被广泛的家庭接受，操作起来也相对简单。但是在中国国内推广造价很高，因此，在我国国内未能得到很

②德国的EIB系统，该系统采用总线技术及中央控制技术实现控制功能。但由于系统价格较高，且实际安装不是很容易，因此在我国也未得到理想的发展。

③新加坡的8X系统，该系统也是使用总线技术和集中控制方式来实现智能家居控制的功能。它可以利用的产品对系统进行扩展，技术较为成熟，适合中国国情。但是由于系统架构、灵活性等方面还难以达到要求且价格也是较高，所以目前在国内也是没有得到广泛的应用。

1.2智能家居监测与控制系统研究的目的及意义 1.2.1智能家居监测控制系统研究的目的

火是可燃物燃烧，发生剧烈化学反应的过程，纵观人类的发展历史可知，火的使用和人工取火的发明是人类文明史进步的催化剂，而在当今人类的生产和生活活动中再也离不开火的使用。常言道水火无情，火失控时就会发生火灾，在世界上每年因火灾丧失幸福的家庭不计其数，因此在我们在使用火的过程中还需对其进行有效的监控。因为在产生火的同时必然会产生烟雾等物质，因此要对火灾的监控和报警就可以通过对空气中的可疑气体的监控和报警来实现。温度和湿度是影响人们居住的最重要的因素。研究表明最适宜人们居住的温湿度：冬天分别为18~25℃和30%~80%；夏天分别为23~28℃和30%~60%的室内，人会感到最舒适，精神状态好，思维最活跃，也就是说这种环境最适合人类的居住。不仅如此，现代人追求的是舒适便捷的生活，因此智能家居研究的目的不只是提供安全舒适的家居环境。随着通信技术、计算机技术和网络技术等现代科技的发展，智能家居逐步走上移动控制和远程控制的发展轨迹。将智能家居控制系统通过网络与110、119等联系起来，

或119第一时间收到信息通知，并且智能家居控制系统还可以做出相应的处理，例如发生火灾时，离火源最近的消防设备将自动喷水或者自动释放灭火泡沫等。同时，互联后的智能家居可以通过手机、电脑等终端设备实现远距离控制，例如可以在回家的途中通过终端设备提前打开空调、播放背景音乐、打开电视机选择自己喜欢的节目、让热水器烧热水等等，为住户尽可能地提供舒适、安全、便捷的居住环境。

因此，对于追求高端上档次的物质生活和精神生活的现代人来说，安全的家居环境只是选择居住的最基本的要求，舒适健康安全便捷的居住环境才是现代人所向往的和追求的，所以对家庭居住环境方方面面的要求也是越来越高的，显然对家居智能化的研究就显得非常重要了。

1.2.2智能家居监测控制系统研究的意义

随着社会经济和人类文明的进步发展，人们追求高端上档次的生活的渴望是越来越激烈，特别是对家居的选择要求越来越高，不仅是要追求安全，而且还要居住起来舒适，因此对现在的人来说又形成了新的社会矛盾，也就是落后的家居环境与人们日益增长的家居享受之间的矛盾。虽然我国的智能家居从1994年萌芽至今已有近二十年的历史，智能家居技术已得到飞速的发展，但是就总体而言还是不容乐观。并且国外成熟的智能家居在国内的推广有诸多的不便，因此我国的智能家居还亟待研究与发展。本设计对智能家居监测与控制系统的研究可以丰富对智能家居的认识，增强自身的动手能力和发现、解决问题的能力，有利于激发智能家居研究的热情。同时智能家居监测控制系统可以让住户安心入住，利用方便、高效的控制方案为住户提供舒适的家居环境。

必须有火灾，煤气烟雾、温湿度探测的功能，能现场产生声光报警及做出相应的反应。

第二章 智能家居控制系统的设计方案

2.1任务分析

硬件设计：首先是设计单片机的最小系统，使单片机具有一定的功能，如烧写程序的功能和复位等功能。其次是设计显示电路，主要目的是用于温湿度的显示，使检测的电信号直观的显示出来便于程序调试、数据的理解和操作。再次是设计传感器检测电路，采集家居环境参数用于下一步设计。第四是设计报警电路，用于参数异常报警。最后就是设计按键等其他电路。

软件设计：首先是设计液晶显示器的初始化程序，其次是设计温湿度传感器、烟雾传感器、红外线传感器等的驱动程序，将温湿度传感器等传感器采集的数字信号转化为液晶显示器能够显示的信号在显示器上显示出来，并且为下一步的控制设计提供数据来源。再次是设计烟雾驱动和报警驱动。最后是设计控制程序。

2.2设计思想

健康性：做到家居控制区域自动控温、控湿，提供适宜的温湿度，保持空气清新。

安全性：自动检测家居内部空气成分，做到火灾报警和提供一定的解决措施。

方便性：设计简单，容易生产安装且容易使用，系统有一定的可扩展性。 智能性：可以根据主人的喜好进行参数设计，遇见火灾时能自动喷水灭火。

方案一：采用AT89C51单片机作为控制芯片，利用DS18B20温度传感器检测环境温度，NRG RH5空气湿度传感器检测环境湿度，其设计框图如下所示：

图2-1 方案一设计框图

（1）单片机的选择

AT89C2051是美国ATMEL生产的低电压、高性能COSM８位单片机，引脚图如下所示：

图2-2 AT89C51引脚图

参数：

1) 4K字节程序存储空间; 2) 工作频率：0Hz~24MHz;

4) 32个I/O口;

5) 两个16位定时器/计数器; 6) 5个中断源;

（2）温、湿度传感器的选择

采用单个的温度传感器和湿度传感器，温度传感器选择DS18B20，湿度传感器选择NRG RH5空气湿度传感器。 DS18B20温度传感器:

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式。型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。可以根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

图2-3 DS18B20封装图

参数：温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃ NRG RH5空气湿度传感器:

RH-5 是低成本的可持续测量相对湿度的传感器，需外接电源才能工作。采用聚合体电阻制成，输出线性信号，并能保持反应灵敏度和长期稳定性。

参数：

１) 输出信号：线性模拟电压； ２) 换算：% 相对湿度 = 电压 x 20； ３) 测量范围：0～95 % 相对湿度； ４)电源：:10 ～36 V DC, 12V ／1.2 mA；

５)尺寸：115mm (4.5") * 102mm (4") * 80mm (3.1")； ６)重量：0.68 kg (1.5 lbs)。

方案二：使用宏晶STC增强型单片机做为控制芯片，采用温湿度模块作为环境温湿度采集传感器设计，其设计框图如图2-5所示。 （1）单片机的选择：

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，与C51单片机完全兼容，软硬件设计时基本无需较大的修改。

图2-4 STC89C52引脚图

参数：

１) 工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051单片机的两倍，实际工作频率最高可达48MHz。

３) 512 字节RAM内存。

４) 增加P4口，共有32个I/O口，复位后为：P1、P2、P3、P4 是准双向口/弱上拉， P0口和传统8051单片机一样，总线扩展时，无需上拉电阻，用作I/O 口时，需加上拉电阻。

５) 具有ISP在线系统可编程功能。 ６) 三个16 位定时器/计数器。

７) 4 路外部中断，下降沿中断或低电平触发电路，掉电模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

８) 通用异步串行口（UART），可用软件实现多个UART （２）温、湿度传感器的选择

DHT11温湿度传感器，该传感器将温度传感器和湿度传感器集成在一起，而且具有较高的灵敏度。

１) 湿度测量范围：20%～95%，测量误差：±5%; ２) 温度测量范围：0℃～50℃，测量误差：±2℃; ３) 工作电压: 3.3V～5V; ４) 输出形式: 数字输出; ５) 设有固定螺栓孔,方便安装; ６) 小板PCB尺寸：3.2cm * 1.4cm; ７) 每套重量约为8g。

两个方案综合比较，方案二更加适合做设计研究。原因是：首先，就单片机而言，STC单片机较AT89C51单片机性能更佳，主要表现在工作频率范围更加大，程序存储空间扩大一倍，数据存储空间扩大两倍，I/O更多，

其次，使用DHT11温湿度传感器将温度传感器和湿度传感器集成为一个元件，使硬件电路设计和焊接变得简单，并且DHT11输入的是数字信号，且电压与单片机兼容，无需经过A/D转换就能直接被单片机接受，省去了A/D转换电路设计或A/D软件处理程序的编写。

2.4总体框图

由以上任务分析和设计思想可设计出系统的总框图如下所示：

图2-5智能家居控制系统设计总框图

使用STC单片机作为中央处理芯片，选用DHT11温湿度传感器和MQ-2烟雾传感器等传感器作为媒介采集家居环境参数，经过单片机综合处理转化为可显示的数据在液晶显示器上显示，并通过网络设备将单片机和远程终端设备联系起来，可以通过对系统参数的设置使智能家居控制系统自动的根据环境参数的变化自动地做出相应的响应，达到环境参数恒定的效果。

第三章 系统硬件设计

3.1单片机最小系统的设计

单片机就是将一些具有特殊功能的物理电路（如CPU、存储器、I/O接口以及总线）集成在一起作为能被人们所使用的大规模集成电路。

随着集成电路的发展，单片机的发展也是非常迅速的，至今单片的种类已非常多，能满足各种基于单片机应用系统的控制需求。市场上最多的单片机是Intel公司推出的MCS-51系列单片机、Free scale公司MC68系列的单片机等等，本设计采用的是国内自主研发的增强型STC系列单片机。该单片机相对于国外的8051内核单片机，在片内资源和性能以及工作速度上都有很大的提高，特别是它使用在线系统编程（ISP）技术，使得基于单片机的应用系统的开发变得更简单了，不需要使用仿真器和专用编程器就可以对单片机应用系统进行开发，而且更加有利于对单片机的学习。

3.1.1 STC89C52RC 单片机

STC89C52RC 单片机是国产的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容8051单片机，有12 时钟/机器周期和6 时钟/机器周期可供选择。

主要特性如下：

1） STC型单片机是增强型8051 单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可供选择，指令代码完全兼容8051单片机。

2）工作电压：5.5V～3.3V/3.8V～2.0V。

作频率最高可达48MHz。

4）8KROM字节。 5）512 字节RAM内存。

6）增加P4口，共有35个I/O口，复位后为：P1、P2、P3、P4 是准双向口/弱上拉， P0口和传统8051单片机一样，总线扩展时，无需上拉电阻，用作I/O 口时，需加上拉电阻。

7）具有ISP在线系统可编程功能。 8）具有EEPROM 功能。 9）看门狗功能。

10）T0、T1、T2三个16 位定时器/计数器。

11）路外部中断，下降沿中断或低电平触发电路，掉电模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

12）通用异步串行口（UART），可用软件实现多个UART。 13）工作温度范围：-40～+85℃/0～75℃。 14）PDIP 封装。

图3-1 STC单片机引脚图

１）掉电模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。

２）空闲模式：典型功耗2mA。

３）正常工作模式：典型功耗4Ma～7mA。

3.1.2 单片机最小系统硬件电路的设计

单片机的基本电路是单片机实现其功能的最小应用系统，是影响系统好坏的最基本要素，主要是由：晶振、复位电路、电源和串口电路等组成。单片机工作时，需要从某个已知的初始状态开始才能被设计者所控制，而要让单片机处于某个已知的初始状态就需要为单片机设计一个复位电路。常用的复位电路有上电复位和上电与按键均有效的复位。结合本设计的设计原理考虑，本系统只需在单片机上电时自动实现复位操作，而不需要在单片机运行过程中复位，因此，本设计使用的是上电直接复位的复位方式。

本设计使用的是内部存储器，因此在设计基本电路时将31引脚即 置高电平。

3.2 显示电路设计

显示器一般也叫做监视器，属于本设计中的I/O设备，他能将传感器接收到的电信号直观的显示出来，被人们所理解，并且便于对系统参数的操作。本设计的主要目的是对居室温湿度的显示、烟雾监测和报警，显示的内容相对数码管显示较多，而又不需要显示特殊的字符，因此选用1602液晶显示器进行设计。1602液晶显示器驱动电压低、功耗微小符合环保和绿色的发展要求且散热小、可靠性高、信息显示量较大、多色显示色彩比较丰富、无闪烁、低辐射对人体无危害。并且使用1602液晶显示设计电路较为简单，不需要放大电路和译码电路，节省设计周期，有专门的字符库，显示部分软件的编写较容易实现，有利于硬件制作和软件调试。

3.2.1 LCD1602液晶显示器

（1）LCD模块的组成：

图3.-3 LCD1602模块组成图

LCD1602是由控制器、驱动器和液晶板集成在一起的液晶显示模块。模块组成图如图3.3.1所示。封装好的LCD1602液晶显示器有16个引脚，8个数据引脚，2个数据输入引脚，2个电源，2个地，1个对比度调整引脚和1个使能信号输入引脚。 （2）LCD1602的引脚定义

（2）LCD1602主要参数：

1）显示容量：16*2个字符； 2）工作电压：4.5～5.5V； 3）工作电流：2.0mA（5.0V）； 4）最佳工作电压：5.0V；

5）字符尺寸：2.95*4.35（WXH）mm。 （4）LCD1602操作时序：

表3.2 LCD时序

（5）LCD初始化设置

表3.3 LCD初始化

（6）LCD显示光标及显示开、关设置

（7）LCD数据指针设置

表3.5 LCD数据指针设置

LCD1602显示器连接时，显示器模块的第3引脚应接一个滑动变阻器以调节屏幕显示的清晰度，本设计在焊接时经过反复试验确定可以将第3引脚直接通过一个2.4k的电阻与地相连。因此得出的电路图如下图所示。

图3-4 显示器连接图

3.3 温湿度检测和烟雾检测电路设计

传统的温度传感器和传统的湿度传感器与单片机都不能直接相连，必须使用放大器将温度、湿度传感器采集的信号放大再经过模数转换器的转换才能输入单片机中，而且在测量时要进行复杂的校准和标定，因此使用传统的温度、湿度传感器设计时，将会增加设计和调试的难度且不能保证电路的可靠性。本设计选取DHT11型温湿度传感器进行设计。

3.3.1 DHT11温湿度传感器

DHT11

传感器的封装图如下所示。

图3-5 DHT11封装图

使用DHT11温湿度传感器的优点有：

（1）温湿度传感器将温度、湿度传感器集成为一个，减少元件的数量。 （2）传感器、放大器、模数转换器和 总线接口等电路集成在一起，减少了硬件电路的设计工作量且抗干扰能力增强，响应速度、测量精度也有较大的提高。

(3)免调试，接线测量简单易行。

图3-6 DHT11与单片机的接线原理图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a591.html