基于单片机的小型智能家居监控系统

基于单片机的小型智能家居监控系统内容摘要：

序协调工作。 因此需要给单片机设计时钟电路，其中时钟电路包括振荡电路和分频电路。 振荡电路通常使用单片机的 XTAL1 和 XTAL2 两个引脚在芯片外接晶振和两只30pF 左右电容器构成。 分频电路则由单片机内部器件进行的，震荡电路的信号经过分频电路为单片机提供工作时钟。 晶振选用 12MHZ。 振荡电路图如下 图： 图 3— 2 振荡电路 单片机要正常工作除了要保证有时钟电路外，还需要简单的复位电路。 因 为复位是单片机的硬件初始化操作。 经过复位操作后，单片机系统才能正常工作。 所以需要设置河南理工大学毕业设计（论文）说明书 7 复位电路，并通过单片机的 RST 引脚引入。 复位电路分为加电复位和手动按键复位两种方式，在本次设计中使用按键复位。 复位电路图如 所示 ： 图 3— 3 复位电路 单片机最小系统电路图如下 所示： 图 3— 4 最小系统 温度湿度检测 模块电路 的设计 数字电子技术发展 到 今天 已经很成熟 ，现在市场上的传感器可简单地分为两类：一类是模拟式的传感器，输出的是电压或电流 信号 ；另一类是数字式的传感器，输出为数字信息流。 若选用模拟式的传感器，针对此类传感器还需要设计相应的 A/D 转换电路，才能采集到所需要的数据信息。 与数字式的传感器相比较，模拟式的传感器有诸多的不河南理工大学毕业设计（论文）说明书 8 便。 而数字式的传感器，通过程序，按照相应传感器的时序图，对传感器写入或者读出数据即可，因此在此次设计中选用数字式传感器。 图 3— 5DHT11 器件图 此次设计中选用 DHT11 数字温湿度传感器，它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长期的稳定性。 传感器包括一个电阻式测湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。 因此，该产品具有品质高、响应快、抗干扰能力强、性价比极高等。 单线制串行输出接口，使系统集成变得简易快捷。 超小的体积、极低的功耗，可应用于各种场合。 DHT11 典型应用图如下图 所示： 图 3— 6 典型应用 设计 在设计中由于使用的是线 路传输数据，在线路不超过 20 米时， 选择 加 5K 的上拉电阻，以保证数据信息的正确性。 由于是单口串行通信，因此只占用单片机的一个 I/O口 即可完成上下位的连接。 在此次设计中，为了保证对数据信息采集的准确性，选择使用多个温湿度传感器，在实物中只使用两只，占用 和 两个端口。 设计电路图如下图 所示 ： 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 9 图 3— 7 温湿度检测电路 光照强度环节的设计 传统的测光系统的光强采集元件都是使用光电三极管或光电池。 除此之外还要添加信号放大电路、 A/D 转换电路等外围电路， 这是这两 类采集元件必不可少的部分，其系统设计的复杂度较高。 高级的测光系统能耗、空间开销更大、而灵活性却很低，因此选用新型单片测光芯片 BH1750 ，较好地解决了传统测光系统的弊端。 而且 BH1750 是的具有优良光谱灵敏度特性、 16 bit 串行输出的单片数字照度传感器。 BH1750FVI 是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。 使用方便，分辨率高。 利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。 （ 1lx65535lx） BH1750 光照强度测量芯片具有 6 种工作模式，分为高分辨率模式，和低分辨率模式， 还包括连续与非连续，在使用中选择连续高分辨率模式。 其分辨率为 ，高精度连续测量。 完全可以满足日常居室光照强度的探测。 而且使得系统规模小，使用方便、简单。 本次设计中针对光照强度探测选用的是基于 BH1750 的数字光模块 GY30。 此数字式模块将 BH1750 与低功耗稳压器以及电平转换器集成在一块板子上，可以更为方便的使用。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 10 本次设计使用的是 GY30 数字光模块，在使用中对双串行数据口应给以上拉电阻，以保证数据的正常传输，由于 ADDR 引脚接高电平和低电平是 给 BH1750 芯片具有不同的地址，在此次设计中，将 ADDR 引脚接地，芯片地址为 0x46。 在使用中，两串行口要占用单片机的两个口，此次设计中使用 和 两个端口。 GY30 与单片机的连接图如 所示 ： 图 3— 8GY30 光照强度模块电路图 显示 模块 设计 显示在本次设计的系统中也占有很重要的比重，用户可以通过显示模块来读取当前所探测的环境信息。 而 显示有多种 方式，最简单的是七段数码管，此外还有液晶显示，点阵显示。 七段数码管可以简单的显示数字信息，无法显示字符等其他信息，而点阵显示在该系统中并不适应，小块点阵显示并 不灵活，大块点阵显示需要耗费大量空间。 因而选择操作简单，显示方便的液晶显示模块。 此次显示只需要显示简单字符，不需要显示汉字等，因此 LCD1602 即可满足现实需求。 LCD1602 液晶显示模块有八位数据口，在此次设计中使用单片机的 P0 口为其写入数据信息， LCD1602 还有三个操作位， RS（寄存器选择端口）、 RW（读写操作选择端口）、 EN（使能信号端口），需要单片机的三个端口对其进行操作，来控制 LCD1602 正常显示，因此选择三个端口分别为 、 和。 LCD1602 的第三个端口接地为对比度调节 端口，因此对其接 10K 可调电阻接地，其余端口分别接地和电源。 LCD 液晶显示与单片机连接图如下图 所示 ： 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 11 图 3— 9 显示模块电路图 温度湿度调节 电路 设计 本次设计中选用的空气加湿器是 220V 电压供电的 超声波加湿器，温度调节装置根据季节的不同，夏季可选择电风扇，凉风机等电器设备，冬天可使用电暖扇，电暖气片等设备。 所用设备都使用 220V 供电。 本次设计对于调节系统的设计为开关量的控制，对于所选择的调节设备，根据具体情况事先调节好相关设备的工作要求，因此只需要开关量开通或者关 断电路，即可控制调节设备的工作状态。 对于电路工作状态通断的控制，最简单的是使用继电器进行控制。 设计 继电器在使用中不能由单片机直接信号控制，因而需要具有开关性能的器件来控制，由此可以选择三极管。 三极管在基极未加电压时，集电极和发射极之间是断路，是不导通的，在基极加上一定电压后就可使三极管导通，因此具有模拟开关的作用，用来河南理工大学毕业设计（论文）说明书 12 开通和断开继电器的线圈电路是很理想的器件。 三极管可选用 S8050 高频三极管放大器。 在断开继电器时，由于继电器的线圈还保留有磁场， 会使得 继电器的断开不灵敏，因此需要添 加一个反向二极管，为剩磁提供通路，而不影响继电器的开断。 选用二极管为 IN4007。 为了保证电路的正常工作，除了以上相关器件外，还需要添加保险丝，以防止过电流，烧坏电路。 图 3— 10 控制电路 系统特点 由于本次设计系统是基于单片机的，在传输方面采用的是线路传输，在单片微机和数字电子技术发展日益进步的今天，该系统以做到了小型化，方便使用安装。 因此该系统具有如下特点： （ 1） 数据采集的实时性与准确性 数据的输入是否准确是数据处理的前提，错误的输入 会导致系统输出的不正确和不可用，从而使系统的工作失去意义。 此次系统的设计中，在保证程序设计正确的前提下，数据可保证完全争取，因此数据有很高的准确性。 传感器传回的数据是实时的，单片机的数据处理性能也是比较强的，对于大容量的数据可做到快速处理。 （ 2） 系统工作可靠性 首先，工业级的单片机 Atmel89S52 可以保证系统可以抵御较为恶劣的环境条件；其次，控制电路中的熔断器可保证设备安全工作，不出现用电安全隐患；再次，数字电河南理工大学毕业设计（论文）说明书 13 路在传输中可保证数据的正常，可以保证系统能较为可靠的安全运行。 （ 3） 使用场合较广 由于本系 统简单，小巧，成本低，可靠性高，可以广泛的适用于卧室，办公室等环境中，适用范围广。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 14 4 软件程序设计 软件 模块 化 划分 本次设计的系统按照其功能可划分为四个模块，分别为温湿度检测模块，光照强度检测模块，温湿度调节控制模块和液晶显示模块。 系统的功能模块如下 所示 ： 核 心 控 制 器光 照 强 度 监 测 模 块 温 度 湿 度 监 测 模 块 显 示 模 块 温 度 湿 度 调 节 模 块图 3— 1 功能模块图 光照强度检测模块主要是监测居室环境的光照强度，并将检测到的数据传送回单片机进行处理。 光照强度模块实时监测，实时传送数据 ，以求可以实时掌握房间的光照强度，在此基础上可以进行其他任务的扩展。 温湿度检测模块是系统的核心模块，是系统进行温湿度调节的基础，此模块实时监控居室的温度与湿度情况，并将监控的信息传送回单片机进行处理比较，在此基础上控制调节系统进行调节，以便满足人们对环境的要求。 液晶显示模块使人们可以很简单的掌握屋内环境条件状况。 光照强度监测模块和温湿度监测模块实时的向单片机传送监测到的数据信息，单片机对数据信息进行简单的处理后，返回到液晶模块进行显示，动态实时更新使得人们可以很容易就掌握居室的环境条件。 温湿度调节模块 也是系统中很重要的一个模块，此模块根据监控信息和单片机的指令调整当前的工作状态，从而调节相关电器的工作状态，调节改善环境条件。 主 程序流程图 由于此次实物是按照模块化的思想进行设计和制作的，在编程的过程中应用模块化思想，对各个模块对 应 编写源代码，完成之后再将源代码进行系统处理，系统程序按照模块化流程进行 工作。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 15 开 始光 照 强 度 模 块 初 始 化液 晶 显 示 模 块 初 始 化光 照 强 度 模 块 检 测 环境 数 据单 片 机 处 理 数 据温 度 湿 度 检 测 数 据单 片 机 数 据 处 理显 示 监 测 数 据温 度 阀 值 对 比继 电 器 动 作继 电 器 不 动 作湿 度 阀 值 对 比 继 电 器 不 动 作继 电 器 动 作NYNY 图 4— 2 程序流程图 总的系统软件工作流程为：启动单片机后，单片机开始运行，首先对光照强度模块和液晶显示模块进行初始化操作；然后启动光 照强度模块和温度湿度监测模块进行数据采集；接着将采集到的数据送回单片机进行处理；然后送到显示模块进行显示；最后对处理后的数据与设定的阀值进行比较，若不满足要求，则驱动控制电路进行调节，若满足，则返回数据采集程序段，循环工作。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 16 温度湿度检测模块程序设计 温湿度检测模块所使用的芯片为 DHT11， DHT11 为数字传感器，该传感器为单个数据引脚接口的串行通信， DHT11 有四个引脚，第一和第四引脚为电源引脚和接地引脚，第三引脚为悬空，第二引脚为数据引脚，该引脚为输入输出双向引脚。 DHT11 芯片要完成数据采集，需 要单片机按照相应的时序与 DHT11 通信，才能完成正常工作。 时序逻辑 DHT11 传感器是通过单总线协议和上位机（控制器）进行数据通信。 DHT11 传感器需要严格的 按照 读写协议 来工作，以 确保数据的完整性。 整个读写分为，上位机发送起始信号，上位机接收下位机发来的握手响应信号，读 ‘0’，和读 ‘1’四个步骤。 所有的信号除主机启动复位信号外，全部都由 DHT11 产生。 通过单总线访问 DHT11 顺序归纳如下： （ 1）主机发开始信号 （ 2）主机等待接收 DHT11 响应信号 （ 3）主机连续接收 40Bit 的数据和校验和 （ 4）数据处理 单片机 发送一次开始信号（低电平） DHT11 从低速模式转换到高速模式 ,等待主机开始信号结束（拉高）后 ,DHT11 发送响应信号 ,送出 40bit 的数据 ,并触发一次信号采集 ,用户可选择读取部分数据。 总线线空闲状态为高电平， 单片机 把总线线拉低大于 18 毫秒，保证 DHT11 能检测到起始信号。 DHT11 接收到 单片机 的开始信号后 ,等待 单片机 开始信号结束 ,然后发送低电平响应信号。 单片机 发送开始信号结束后 ,延时等待 2040us后 , 读取 DHT11 的回应信号 ,单片机 发送开始信号后 ,可以切换 到输入模式 ,或者输出高电平均可， 保证总线为空闲状态。 总线 由上拉电阻拉高。 DHT11 复位时序图如下图 所示 ： 图 4— 3DHT11 复位时序图 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 17 DHT11 数据流程 单片机 发送开始信号后 ， 延时等待 20us40us 后读取 DHT11 的 响应 信号，读取总线为低电平 ， 说明 DHT11 发送响应信号， DHT11 发送响应信号后，再把总线拉高 ,准备发送数据 ， 每一 位 数据都以低电平开始。 如果读取响应信号为高电平 ， 则 DHT 没有响应。 请检查线路是否连接正常。 读 DHT11 数据的时序图如下图 所示 ： 图 4— 4 读 DHT1。