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摘 要
当今家居生活中面临各种环境与健康安全问题，如空气湿度过低，容易让人患上呼吸系统的疾病；CO、甲醛等有害气体危害人体健康；天燃气泄漏引起的爆炸事故频发等。人们对高品质生活环境的追求越来越强烈，所以居住环境的各种参数得到了大家的广泛重视。随着智能化与信息化的快速发展，我们可以利用现代科技对家居环境进行监测及调整，使我们的居住体验更加美好。
本设计完成一个可以监测温湿度、有害气体以及非法入侵的智能家居监控系统，包括主控模块、传感器模块、显示模块、报警驱动模块等。
系统的控制核心是STC89C52单片机，通过DHT11传感器来监测室内温湿度，烟雾传感器MQ-2监测有害气体烟雾浓度，HC-SR501传感器用来监测人体信号，按键电路可以设置监测数据上下限阈值及人体红外监测布防状态，当超过阈值时，蜂鸣器和LED灯声光报警，同时通过继电器驱动相应电器，实时对家居环境进行调控。此外，通过LCD1602液晶屏显示实时温湿度、烟雾浓度等信息供人们实时了解家庭环境状况，从而保证家庭生活环境的安全与舒适。
关键词：单片机 传感器 智能家居 环境监测
Today's home life is faced with a variety of environmental and health safety problems, such as low air humidity, easy to make people suffer from respiratory diseases;CO, formaldehyde and other harmful gases harm human health;Gas leakage caused by frequent explosion accidents.People's pursuit of high quality living environment is more and more intense, so the various parameters of living environment have been widely valued by everyone.With the rapid development of intelligence and information technology, we can use modern technology to monitor and adjust the home environment, so as to make our living experience more beautiful.
This design completes a smart home monitoring system that can monitor temperature and humidity, harmful gases and illegal invasion, including the main control module, sensor module, display module, alarm drive module and so on.
The control core of the system is STC89C52 microcontroller, through the DHT11 sensor to monitor indoor temperature and humidity, smoke sensor MQ-2 to monitor the concentration of harmful gas smoke, HC-SR501 sensor to monitor human signals, the key circuit can set the threshold of monitoring data and human infrared monitoring distribution state, when the threshold is exceeded,Buzzer and LED light sound and light alarm, while through the relay drive circuit corresponding electrical appliances, real-time control of the home environment.In addition, through the LCD1602 LCD display real-time temperature and humidity, smoke concentration and other information for people to understand the home environment in real time, so as to ensure the safety and comfort of the family living environment.
Key words: MCU sensor smart home environmental monitoring
1 引言
1.1 研究背景及意义
在人们的日常生活中，一些潜在的环境因素会影响人们的身体健康，比如说空气湿度低的时候，气候太干，容易让人患上呼吸系统的疾病。当环境温度过高时，可能会使人中暑，出现头昏、恶心和呕吐等身体不适症状。但我们一般觉察不到这种潜在的环境变化，这时智能家居的作用就会体现出来，通过传感器技术可以检测到湿度的变化，智慧系统就会自动打开加湿器、空调等家电，来调节空气中的温湿度。
天燃气泄漏引起爆炸的事故频发，据统计，导致天燃气爆炸事故多是因为煤气灶使用不当，或操作不当，而引起煤气泄漏，造成事故。微小的可燃有毒气体外泄，人们不易察觉，从而导致事故的发生，危害人身安全。......
因此，由于当今家居生活中面临的各种环境与健康安全问题，人们对健康及相关因素关注意识不断增强。随着智能化与信息化的快速发展，我们可以利用现代科技对家居环境进行监测及调整，使我们的居住体验更加美好。
1.2 研究任务
本次设计以单片机为控制核心，通过传感器技术来采集环境参数，液晶显示器显示数据，按键调整数据阈值，超出阈值报警。主要实现以下功能：
（1）选用合适的传感器实现家居环境的温湿度、......
（2）通过按键设置监测数据上下限阈值及人体红外监测布防状态.......
（3）通过LCD1602液晶屏显示温湿度、烟雾浓度、......
（4）实现对环境参数的实时调......
1.3 文章安排
将从以下几个部分撰写：
（1）引言：介绍研究的背景及意义，具体的研究任务。
（2）设计方案论证：通过对比，选择适合本次设计的硬件。
（3）系统的硬件设计：介绍硬件的工作原理，在本次设计中实现的功能。
（4）系统的软件设计：介绍软件设计思路和工作流程。
（5）调试：对硬件和软件代码进行调试。
（6）总结与展望：总结收获和遇到的问题，并对系统功能优化进行展望。
2 设计方案论证
2.1 整体系统方案
根据本系统的设计思路、设计原则及相关功能要求，同时考虑尽量降低系统的硬件成本，提高系统的适用性及降低整个系统的复杂性，最终确定系统整体设计如图2-1所示。
图2-1 整体设计框图
2.2 单片机的选择
方案一：
STM32系列芯片，如下图2-2所示，......
图2-2 STM32系列芯片
方案二：
STC89C52芯片，如下图2-3所示，STC89C52是基......
图2-3 STC89C52芯片
从以上方案结合本次设计所需要用到的功能来看，选择STC89C52比较合适，性价比高，虽然STM32系列单片机功能强大，......
2.3 传感器的选择
2.3.1 温湿度传感器的选择
方案一：
DHT11温湿度传感器，性价比高，是目前市面上比较常用的传感器。如下图2-4所示，......
图2-4 DHT11温湿度传感器
方案二：
AM2320温湿度传感器，如下图2-5所示，......
图2-5 AM2320温湿度传感器
通过对比以上两个方案，可以看出AM2320的温度......
2.3.2 烟雾传感器的选择
方案一：
MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡（SnO₂）半导体气敏材料，如下图2-6所示......
图2-6 MQ-2烟雾传感器
方案二：
MQ-7型烟雾传感器所使用的气敏材料和MQ-2相同，都是二氧化锡，器件原型如下图2-7所示......
图2-7 MQ-7烟雾传感器
综合考虑，MQ-7在检测CO气体方面比较突出，但不适合本次设计的要......
2.3.3 人体红外传感器的选择
HC-SR501人体红外传感器，可以检测到人体热量散发释放出的红外线辐射，如下图2-8所示，.....
图2-8 HC-SR501人体红外传感器
2.4 屏幕显示部分的选择
方案一：
LCD1602液晶显示器，如图2-9所示，有11个引脚可以与单片机相连，......
图2-9 LCD1602液晶显示器
方案二：
LCD12864液晶显示屏，如图2-10所示，带中文字库的128X64，......
图2-10 LCD12864液晶显示屏
综合考虑，根据单片机引脚数量和需要显示的数据，......
3 智能家居环境监测系统的硬件设计
3.1 主控电路模块
3.1.1 STC89C52单片机
单片机俗称微型计算机，......本次设计选用的单片机是由STC公司，生产的STC89C52。
STC89C52具有CMOS8位微控制器，......
3.1.2 最小系统电路
单片机最小系统电路如图3-1所示。主要包括三个部分：......
图3-1 单片机最小系统电路
电源：.....
晶体振荡器电路：......
复位电路：......
3.2 传感器电路模块
3.2.1 DHT11温湿度检测电路
DHT11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[6]。......
DHT11传感器内部会自带校准系数，传感器内部在对外界环境进行信息处理......
各引脚功能说明如表3-1所示。
表3-1 DHT11传感器引脚功能
|
Pin |
名称 |
功能 |
|
1 |
VDD |
供电 3~5.5VDC |
|
2 |
DATA |
串行数据，单总线 |
|
3 |
NC |
空脚 |
|
4 |
GND |
接地，电源负极 |
DHT11传感器电路如图3-2所示。
图3-2 DHT11传感器电路
DHT11传感器性能参数如表3-2所示。
表3-2 DHT11传感器性能参数
|
测量范围 |
测湿精度 |
测温精度 |
分辨率 |
封装形式 |
|
20~90RH 0~50℃ |
土5%RH |
士2°C |
8bit |
4针单列直插 |
DHT11传感器电气特性如表3-3所示。
表3-3 DHT11传感器电气特性
|
参数 |
条件 |
Min |
typ |
max |
单位 |
|
供电 |
DC |
3 |
5 |
5.5 |
V |
|
|
测量 |
0.5 |
/ |
2.5 |
mV |
|
供电电流 |
平均 |
0.2 |
/ |
1 |
mA |
|
|
待机 |
100 |
/ |
150 |
uA |
|
采样周期 |
秒 |
1 |
/ |
/ |
次 |
使用注意事项，传感器使用要放在适合的环境条件中，通常境况下温度：10~40℃ 湿度：60%RH以下。不能暴露化学物质中，还有长时间的太阳照射，......
3.2.2 MQ-2烟雾检测电路
MQ-2烟雾传感器，由于其构成材料的特殊性，烟雾浓度会影响电阻值的变化，输出的信号也会发生变化，利用了这个特性来检测烟雾，它适用于检测液化石油气......
使用MQ-2传感器，还可以使用数字引脚或模拟引脚来完成此操作。只需用5V为模块供电，模块上的电源LED会发光，并且......
MQ-2传感器引脚说明如表3-4所示。
表3-4 MQ-2传感器引脚
|
Pin |
名称 |
功能 |
|
1 |
VCC |
接电源，5V工作电压 |
|
2 |
GND |
接地，电源负极 |
|
3 |
DO |
数字开关输出接口（0和1） |
|
4 |
AO |
模拟量输出接口 |
因为本次设计用到的烟雾传感器MQ-2输出模拟信号，需要A/D转换电路进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号，方便51单片机对信号数据进行处理。......MQ-2和ADC0832电路如图3-3所示。
图3-3 MQ-2和ADC0832电路
3.2.3 HC-SR501人体红外检测电路
人体无时无刻不在散发着热量，这些热量都是以红外线辐射的形式释放的[7]，......
电气参数如表3-5所示。
表3-5 HC-SR501电气特性
|
参数 |
工作条件 |
|
工作电压范围 |
直流电压4.5-20V |
|
静态电流 |
<50uA |
|
电平输出 |
高3.3 V /低0V |
|
触发方式 |
L不可重复触发/H重复触发(默认重复触发) |
|
延时时间 |
0.5-200S(可调)可制作范围零点几秒-几十分钟 |
|
封锁时间 |
2.5S(默认)可制作范围零点几秒-几十秒 |
|
电路板外形尺寸 |
32mm*24mm |
|
感应角度 |
<100度锥角 |
|
工作温度 |
-15-+70度 |
|
感应透镜尺寸 |
直径:23mm(默认) |
HC-SR501电路如图3-4所示。
图3-4 HC-SR501电路
注意事项，首次使用HC-SR501时，需要先等30~70秒，让传感器先适应工作的环境状态。
3.3 显示电路模块
LCD1602字符型液晶显示器是一种点阵模块，用于显示字母，数字和字符等。.....
LCD模块中的字符生成器ROM已经以点矩阵形式存储了160个不同的字符[9]，......
LCD1602液晶显示器电路如图3-5所示。
3.4 报警驱动电路模块
3.4.1 蜂鸣器报警电路
蜂鸣器的组成部分有以下几个重要组成部分......蜂鸣器报警电路原理如图3-6所示。
图3-6 蜂鸣器报警电路
3.4.2 LED指示报警电路
LED是发光固体半导体，相较于传统的发光原理，......LED指示报警电路如图3-7所示。
图3-7 LED指示报警电路
3.4.3 继电器驱动电路
单片机检测到室内的温湿度、有害气体浓度变化超出设定范围后，......继电器电路如图3-8所示。
图3-8 继电器电路
3.5 按键电路模块
按键是一个人机交互的接口设备，人通过操控按键来控制单片机的一些引脚接口，......按键电路如图3-9所示。
图3-9 按键电路
3.6 整体硬件电路设计
硬件模块是至关重要的一部分，是本次设计能否成功的基础，......硬件电路设计总原理图如图3-10所示。
图3-10 整体硬件电路
4 智能家居环境监测系统的软件设计
本设计采用C语言编写控制程序，设计过程为：确定系统功能，画程序流程图，分模块进行程序设计。主要包括主程序、数据采集及处理程序、LCD1602显示程序、按键设定程序及报警驱动程序。
4.1 主程序设计
整体流程图是描述整个系统运行过程的流程图，......画出系统软件流程图如图4-1所示。
图4-1 系统软件整体流程图
该系统整体流程如下：系统上电，执行初始化程序，进行限制设定，......
4.2 模块化程序设计
4.2.1 数据采集模块程序设计
数据采集模块是本系统的核心模块之一，数据采集模块软件流程图如图4-2所示。
图4-2 数据采集模块软件流程图
该模块程序设计过程如下：系统启动后，传感器首先执行初始化程序，之......
4.2.2 显示模块程序设计
显示模块软件流程图如图4-3所示。
图4-3 显示模块软件流程图
该模块程序设计过程如下：单片机首先执行LCD1602的初始化程序，.....
4.2.3 按键及报警模块程序设计
本系统采用四个独立按键来完成对数据上下限值和布防状态设定，.....软件设计流程图如图4-4所示。
图4-4 按键及报警模块软件流程图
该模块程序设计过程如下：系统启动后首先在LCD1602上进入限制设定界面，......
5 系统调试
5.1 仿真调试
调试主要是检查自己硬件电路设计的原理图是否合理，能不能实现功能达到预期的效果，......
程序调试部分，也是要进行分模块调试，便于找到问题所在，由易到难，......
根据仿真调试得到系统仿真图如图5-1所示。
图5-1 系统仿真图
5.2 实物调试
科学研究室内适合生活的温度范围为19-24℃，湿度范围为40%RH—50%RH，测试结果如表5-1所示，实物如图5-2所示。
图5-2 实物展示
表5-1 实物功能调试
|
功能调试 |
调试结果 |
|
超出温度上限24℃报警 |
完成 |
|
超出温度下限19℃报警 |
完成 |
|
超出湿度下限40%RH报警 |
完成 |
|
超出温度上限50%RH报警 |
完成 |
|
检测到有害气体报警 |
完成 |
|
检测到人体信号报警 |
完成 |
|
数据实时显示 |
完成 |
|
数据阈值调整显示 |
完成 |
|
按键切换界面，数据调整 |
完成 |
|
LED灯和蜂鸣器声光报警 |
完成 |
|
继电器驱动 |
完成 |
6 总结与展望
6.1 总结
本设计完成了一个以STC89C52为核心的室内环境监测系统，主要包括主控电路、显示电路、按键电路、数据采集电路、报警驱动电路的软硬件设计。该系统可以实时检测室内的温湿度、有害气体浓度数据并且显示在液晶屏幕上，通过开启布防可以检测人体红外信号，此外还可以对数据值上下限值进行设定，让其在温湿度不在设定的范围内时进行声光报警，同时驱动相应电器及时采取应对措施，保障优良的家居生活环境......
通过这次室内环境监控系统设计与制作，.......
6.2 展望
虽然该系统具有诸多优点，但也有不足的地方，主要是以下两点：
（1）只能通过查看屏幕的方式知道数据，不能远程传输数据。由于该系统在远程数据方面未作设计，因此只能够通过观看显示器的方式得知数据，......
（2）不能利用手机网络进行远程信息查看，进行远程调节数据上下限值，.......
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