基于AT89C51的智能家居控制系统.doc

基于单片机的智能家居控制系统 目 录摘 要11. 引言22. 系统硬件的具体设计与实现8 2.1 系统原理和框图8 2.2 功能模块的设计82.2.1单片机最小系统设计82.2.2 人体热释电红外传感器介绍102.2.3火焰传感器检测电路142.2.4烟雾/可燃性气体检测电路153. 系统软件设计17 3.1. 程序设计思路17 3.2. 程序流程图17 3.3. 程序174. 总结185. 致谢196. 参考文献207附录21 7.1原理图21 7.2仿真图21 7.3主程序2118基于AT89C51的智能家居控制系统 【摘要】电信和互联网技术的革新将21世纪打造成一个信息化世纪，让人类文明向前迈进了一大步。本文以AT89C51为核心，结合烟雾/可燃性气体、火焰、人体红外感应三大传感器模块，设计了一种智能家居控制系统。该系统实现了检测煤气是否泄漏、检测是否发生火灾、检测门和窗户是否有贼进入，并对以上发生的现象做相应的处理。关键词：智能家居控制系统 火焰探测器 烟雾探测器 红外人体感应模块AbstractThe 21st century is the century of information, a variety of telecom and Internet new technology driven the huge progress of human civilization. In this paper, the intelligent home control system based on AT89C51 as control core, combining with the flame sensor, smoke/combustible gas sensor and human body infrared sensor module. Realized to test whether the gas was leak, whether there is a fire, whether there is a thief enter the doors and windows, and do the corresponding with the above phenomenon happened.Keywords: intelligent home control system; flame sensor; smoke/combustible gas sensor; human body infrared sensor module1. 引言20世纪末，电子技术迅速发展起来，其衍生的一系列电子产品也快速渗透到各个领域，社会信息化程度显著提高。又随着电子技术的快速更新换代，通信技术、计算机技术等也迅猛发展起来，家庭生活已经初步实现了现代化，人们的居住环境也向着更加的安全、舒适的方向迈进。当下，高科技已经融入了我们的生活，为我们的工作、家居提供了极大的便利，为了更好的提高家居舒适度，智能家居控制系统应运而生。单片机所拥有的强大功能使嵌入式设备的方案更加完美，现今的嵌入式系统设计已完全摈弃过往的处理器简单结合模式。随着半导体相关领域发展的额不断成熟和多媒体技术的普及，单片机已经经历了由4位到32位的4次演变，在广大电子爱好者的注视下，单片机经历了一场革新，不单单是功能的提升、价格的降低，同事应用领域也越来越广泛。如今的电子技术已是一门新新技术，专业人才的数量也是逐年增多，在广大电子工作者们的共同努力下，单片机技术的创新与进步可谓是日新月异。与单片机的发展相比，传感器也是毫不逊色，当下，各传感器的使用数量已经达到了一个惊人的数字，其精确度更是不在话下，传感器的使用为智能家居控制系统提供了极大的便利。家居智能化这一概念起源于美国，其次在世界传播开来，21世纪人们追求的不只是物理家居，更是安全家居、方便家居。智能家居控制系统的原理是通过计算机的网络技术、控制集成等技术建立一个以家庭为主体、小区为中心、城市为对象的综合管理系统，以提高居住的整体环境和水平。通常来说，大型的智能家居控制系统主要由服务器、交换机，以及各种执行机构组成，正是这些简单的设备，构成了强大且功能多样的智能控制系统。使用通讯、网络等高新科技手段，把与智能家居相关的各种子系统模块链接在一起，就组成了一个完整的便于维护和统筹管理的智能家居控制系统。该系统较普通家居而言优势更在于能够提供更加舒适、有品味的家居生活。它能够将一尘不变的家居变得智慧化，还能够实现信息交换，让家居内外保持信息通畅，让人们能够更好的安排时间，提高能源利用率。智能家居系统的优势更在于能够实现网络化管理，能够遥控指挥家中的各种电器设备，例如窗帘自控，远程控制照明设备，自动报警等功能。此外，我们还可通过该系统对家电进行定时设定，让生活更加方便省心。又由于智能家居系统布线极其简单，具有灵活性和可操作性，功能灵活可拓展，因此更加容易获得人们的接受和认可。2. 系统硬件的具体设计与实现2.1 系统原理和框图该系统主要围绕单片机，结合开关显示、声光报警、人体红外检测、火焰传感器检测、烟雾传感器检测、电源，以及其外围电路来进行设计。图2.1展示了其硬件设计组成。AT89C51开关显示电路声光报警电路人体红外检测电路火焰传感器检测电路烟雾传感器检测电路电源图2.1 系统设计框图正常情况下，室内煤气为开启状态，家用电路总闸为闭合状态，窗户为开启状态，若烟雾传感器检测到附近有可燃性气体或火焰传感器检测到有火源时，则会关闭煤气和家用电总闸，当安装在窗户和门内的人体红外模块检测到有人进入时，此时会开启红闪灯并启动报警，以此来起到威慑盗贼的效果。2.2 功能模块的设计2.2.1单片机最小系统设计将电源、晶振、/EA=1、复位相结合就组成了如图2.2所示的AT89C51的最小系统。接下来，简单介绍一下该最小系统的复位、时钟电路。图2.2AT89C51最小系统 （1）. 时钟电路：振荡器有两类：一类是高增益反相放大器构成的内部振荡器，输入、输出接口分别是XTAL1 、XTAL2；一类是外部振荡器。外部振荡器作用时，直接将信号加入到XTAL1, XTAL2处于悬空的状态。内部方式则是时钟发生器产生振荡的脉冲二分频，比如说，晶振是12MHz，那么时钟的频率就是6MHz。晶振所接电容一般约30PF，频率范围为1MHz-24MHz。片外晶振、反馈元件与这个放大器一起组成自激振荡器，为系统提供时钟电路。放大器反馈电路中的并联谐振电路由外接晶振和电容C1、C2共同构成。为了避免外接电容对振荡器的起振速度、稳定性、频率高低等的影响，尽管没有特殊要求，系统还是要求：晶振的值选为12MHz，电容选陶瓷电容，值取22F。为了进一步提高系统稳定性，保证振荡器更加可靠地工作，再设计制作电路板时，尽量让电容、晶振贴近单片机，从而将寄生电容降到最低。图2.3 晶振的两种工作方式（2）. 复位电路：振荡器运行的过程当中，会在引腿处出现两个机器周期以上，也就是24个振荡周期以上的高电平，这种情况会引起单片机复位，只要保证这个脚的高电平，51芯片就能够实现循环性的复位，复位之后PO-P3这一口均置一引脚会表现出高电平，特殊功能寄存器SFR和程序计数器会全部清零。复位脚从高电平逐步转化为低电平的过程当中，使用ROM芯片的00H处程序开始运行。复位是由外部的复位电路来实现的。片内的复位电路通常是在复位引脚RST的作用下，经由斯密特触发器连接复位电路，斯密特触发器的作用是抑制噪声，在每一个机器周期的S5P2上实现输出，而且每一次输出都会伴随复位电路的一次采样。按钮复位和上电自动复位时复位电路会经常采用的两种方式，本次设计当中的电路系统采用的是上电和按钮复位的电路，时钟的频率是6MHz时，Rs大约为200，C选取22F，Rk大约是1K。常用的复位电路如图2.4所示：图2.4 常用复位电路图2.2.2 人体红外传感器简介热释电红外传感器是能够对动物和人体发出的射线进行感应，并输出电信号的传感器。1938年，就有人提出了热释电感应在红外辐射探测过程中的应用，但是并没有得到业界的重视和认可，一直到了六十年代，伴随着科学技术的发展，红外激光技术的进步，才对热释电效应以及热释晶体的应用产生了巨大的推动。截至目前为止，热释电晶体技术在红外遥感、热辐射探测器以及红外光谱仪等领域都得到了广泛的应用，已经成为了红外激光领域中十分理想的一款探测器。热释电技术正广泛地应用于各种自动化控制的装置当中，在我们的生活当中就十分常见，包括防盗报警器、楼道开关等都有它的存在，并且在多个领域都得到认可，业界十分看好。在以后的生活中，它还可能得到更为高端的应用，比如说生产出当房间无人时会自动关闭的饮水机、空调、电灯、电视机，或者是自动门铃和监视器，还有可能生产出能够结合数码相机和摄影设备实现的全自动人类及动物活动记录仪。热释电效应与同压电效应具有异曲同工之妙，主要原理就是温度变化引起晶体表面的荷电现象，热释电传感器对温度十分敏感，主要由压电晶体元件和陶瓷氧化物构成，两个元件的表面会形成一个电极，当检测范围之内发生了温度变化时，热释电就会在两极上产生电荷，并形成微弱的电压。热释电传感器的输出阻抗非常高，在传感器当中会进行一次阻抗的变换，这个变换在场效应管中进行。热释电效应生成的电荷如果同空气当中的离子结合就会消失，当温度稳定不变的情况下，传感器就不会发生输出。这个时候，一旦人体进入了检测区，环境温度就会因人体温度的加入发生改变，进而产生了温度差，有温度差就会有输出电荷，但是如果人体进入到检测区之后不产生动作，温度没有改变，传感器不会有输出。这种传感器的作用就是对动物和人类的活动进行传感的。并且有实验证明，当传感器配备光学透镜之后，检测的距离会增加5m。（1）. BISS0001芯片介绍和典型电路BISS0001作为传感信号处理集成电路中的高性能产品，当与热释电传感器及少量外界元件配套后，就会构成一个被动式热释电红外的开关，这种开关能够自动地开启各种荧光灯、白炽灯、蜂鸣器，还能够自动控制各类电风扇、自动门、自动洗手池、烘干机等设备，而且十分快速，特别适合应用于各大商场、宾馆、企业、库房，在家庭当中的走廊、过道等敏感区域也可以适当设置，同时还可以作用于安全区域的照明、自动灯光和报警系统。这种设备主要是由与门电路、锁定时间控制器、禁止电路、电压比较器、运算放大器、状态控制器以及定时控制器构成。（2）. BISS0001的内部结构及特点如图2.5中，运算放大器OPl的作用就是把热释电红外传感器输出的信号进行第一级放大，之后由C3耦合进行第二级放大，最后通过COP1以及ODP2组成的双向鉴幅器检测出有效的触发信号，启动延时定时器，最终输出的信号VO透过T1晶体管对驱动继电器进行放大，接通负载。图2.5 热释红外传感器处理芯片BISS0001采用CMOS工艺，具有功耗低的特点；模数结合，运放是具有独立高输入阻抗的；而且内部使用双向鉴幅器，可以有效抑制信号干扰；内设有延迟时间、封锁时间两类定时器；BISS0001采用16脚DIP封装，其工作电压范围较宽：3V5V。（3）. BISS001管脚图及管脚说明： 图2.6 BISS001管脚图BISS001管脚说明：表2.1 BISS0001管脚说明引脚名称I/O功能说明1AI选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触。2VOO控制信号输出端。高电平：输出延迟时间Tx、VS上跳变；低电平：其它。3RR1-输出延迟时间Tx的调节端4RC1-输出延迟时间Tx的调节端5RC2-触发封锁时间Ti的调节端6RR2-触发封锁时间Ti的调节端7VSS-工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端。接地时用于复位，否则接VCC。9VCI触发禁止端。当Vc<VR时禁止触发；当Vc>VR时允许触发10IB-设置端。用于设置运放偏置电流11VDD-工作电源正端122OUTO运放输出端（2级）132IN-I运放反相输入端（2级）141IN+I运放同、反相输入端（1级）151IN-I161OUTO运放输出端（1级）（4）. BISS0001工作原理BISS0001的构成主要包括了延迟时间定时器、运算放大器、状态控制器、电压比较器和封锁时间定时器，这是一种数模混合式的专用集成电路。热释电红外传感器会对人体发射出的信号进行接收，在14脚进行BISS0001的输入，内部电路处理之后，在2脚实现正向脉冲信号的输出，电容C6和外接电阻R9会共同控制输出脉冲信号的宽度。脉冲信号从2脚输出之后，电子开关接通，无线电发射电路和数字编码电路获取了电源开始工作。停电情况下，可以使用免维护的蓄电池E，其电压是12V；非停电情况下，可使用电源变压器，其电压是15V,功率是5W。锁控电源开关S1是可以结合实际的需求选择合适位置进行安装的，当然在没有应用必要的时候是可以不安装的。SCR采用1A的单向可控硅。HFC9301是一个软装的发生电路，会发出“嘀嘀”的响声，电路在调试的过程中主要看的就是主机与分机的配合，当发射和接收电路组装完成后，要确保主机和分机的统调一致。BISS0001 应用线路图如图2.7所示。图2.7 BISS0001热释电红外开关电路在上图当中，光敏电阻R3主要适用于环境照度的检测，如果用于照明控制，环境亮度较高R3阻值就会降低，9脚输入低电平，封锁触发信号Vs。工作方式选择开关SW1连通1端时，芯片处于可重复的触发状态，SW1连通2端时，芯片就处于不可重复触发的状态。R6能够对放大器的增益大小进行调节，原厂的图纸选择10K，实际使用的时候选择3K即可，提高电路增益改善性能。R9/R10可以用470欧姆，C6/C7可以选0.1U。 2.2.3火焰传感器检测电路火焰传感器：主要由各类中间物、燃烧生成物、碳氢物质、高温气体以及无机物质等高温的固体微粒组成，火焰热辐射可以分为连续光谱固体辐射和离散光谱气体辐射两大类，不同燃烧物火焰辐射的长度和波长分布都会有所差异，总体来看，火焰温度的紫外光域和近红外波长域都具有超强的辐射能力，结合这种特性就制成了火焰传感器。原理介绍：远红外火焰传感器能够对波长在7001000纳米范围内红外光进行探测，角度为60，当红外波长接近880纳米时，灵敏度达到顶点。远红外的火焰探头能够将外界的红外光强弱变化转化为电流强度的变化，并且经过A/D转换器对0255范围当中的数值变化做出反应。外界的红外光强度越大，数值就越小，红外光的强度越小，数值就越大。本设计的硬件电路如图2.8所示：图2.8 火焰传感器推荐电路火焰传感器对火焰的检测主要是通过光敏电阻对光的敏感性来实现的。当没有火情时，在光敏电阻作用下，电路输出结果为VCC(高电平)；反之，在有火情时，光敏电阻作用下，输出结果为GND（低电平）。AT89C51通过检测输出电平的高低，就可以判断火焰传感器所处环境是否存在火情。2.2.4烟雾/可燃性气体检测电路二氧化锡(SnO2)是气体传感器（MQ-2/MQ-2S）中的气敏材料，它是一种电导率在清洁空气中较低的材料。这就使得传感器的电导率与其所在空气中可燃气体浓度成正比，再通过电路将其电导率的变化转化为电信号的变化，即可得到可燃气体的浓度变化。经实验测试，这种气体传感器对丙烷、天然气、液化气、氢气等可燃蒸汽的灵敏度都比较高，检测效果十分理想，而且这款传感器的成本较低，所以使用极其普遍。（1）. 基本测试回路： MQ-2/MQ-2S气体传感器的简单测试电路如图2.9所示。该传感器需要施加2 个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中，VH使传感器所处工作温度恒定；VC 为直流源，用来测量VRL，即负载电阻（RL）上的电压。如果满足电性能的要求，可以用一个电源让VC 、VH 共用。采用合适的RL，有利于更好地提升传感器的性能， 图2.9 基本测试电路（2）.自感应器件MQ2参数A. 标准工作条件标记名字要求说明 Vc回路电压15VAC or DC VH加热电压5.0V±0.2 VAC or DC RL负载电阻可调 RH加热电阻31±3室温 PH加热功耗900mW B. 环境条件标记名字要求说明 Tao使用温度-10-50 Tas储存温度-20-70 RH相对湿度小于95%RH O2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于C. 灵敏度特性标记名字要求说明Rs敏感体表面电阻 3K-30K (1000ppm 异丁烷 )探测浓度范围100ppm-10000ppm液化气和丙烷300ppm-5000ppm 丁烷5000ppm-20000ppm 甲烷300ppm-5000ppm 氢气100ppm-2000ppm 酒精 (3000/1000) 异丁烷浓度斜率 0.6标准工作条件 温度： 20±2 Vc:5.0V±0.1V 相对湿度： 65%±5% Vh: 5.0V±0.1V预热时间 不超过1小时3. 系统软件设计3.1. 程序设计思路本设计软件方面较于简单，主要在硬件电路设计的基础上，通过检测几个传感器的输出信号，从而判断系统是否处于煤气泄漏、火灾或者盗贼入室灯情况，再由单片机控制相应的操作，使智能化的家居风险降至最低。3.2.程序流程图开始器件和端口初始化启动蜂鸣器YN火焰？亮“火灾”报警灯YN可燃性气体？亮“煤气泄漏”报警灯YN盗情？亮“盗贼”报警灯关“电路”“煤气”灯关“电路”“煤气”灯关闭蜂鸣器、灭所有灯结束图3.1 主程序流程图3.3. 程序具体程序见附录。4. 总结通过本次智能家居设计，我更深层次地感受到单片机的复杂程度，它虽然常见，并且就存在于我们生活的各处，但远远没有想象中的简单，即使如此，这也并不是一个无法攻克的难关，还是能够通过科学的研究实现突破。在本次设计过程中，主要针对51单片机展开探究，内容包括了单片机、电路分析、电路模拟、C语言以及EDA技术，除此之外还涉及了动手制作和材料才买的内容，整体设计方案都是来自于实际生活的应用领域，为实际产品的应用设计提供了借鉴和依据。在进行硬件设计之前，要做好基础资料的搜集工作，通过才买及借阅整理出相关的专业类、应用类相关书籍，汇总出具有参考价值的专利文献和科技期刊，并且要经常性地阅读，了解最新的科技发展情况。在设计的过程当中，要对芯片的输入输出特性和使用条件进行充分的了解，避免走不科学的弯路。关于电路设计，重点在于广泛地搜集资料，当脑容量储备有限，不能够解决发现的问题，就必须要及时通过网络或者是书籍寻求帮助，然后开动脑筋将搜寻到的资料转化为自己的知识，学以致用，让系统电路更加地完整和完美。在电路设计的过程当中，必须要充分地发挥出单片机所具备的判断控制以及记忆运算的特点，不使用稳定性差或者是较为复杂的模拟电路。单片机的出现突破了传统的设计观念，在过去，想要构建一个系统是需要很多电路单元和模拟器件才能够实现的，这种方式产生的系统通常灵活性不足、可靠性较差，而且维护起来十分不便、成本较高，还不能够实现智能化。当单片机出现，一切都得到了解决，只要编写一个软件，就能够透过单片机实现简单的外接电路，并且在具备智能化的同时实现了很多种功能。对于后期维护也带来了很多的便利。在本次设计的整个过程当中，我必须要郑重地感谢我的学校为我们提供了交流的平台，更要感谢我们的老师为我们制造更多的学习机会，让我们完整地历经了一整个项目的开发，体会到项目开发的艰难，也第一次地以一个设计者的角度，看待自己的专业。5.致谢毕业时节到来，我即将离开校园，踏入社会之际。首先，我要对我的指导老师施文灶老师致以深深的谢意，感谢他在整个设计过程中给予我细心地指导，从论文的选题开始，帮助我确定整体方向，在整个设计过程中，不厌其烦的帮我分析智能家居的设计目标，在制定提纲时，又帮助我捋清思路，对我的初稿给予了很多指导和点评，对于我提出的每一个问题都悉心指导，并且为我提供了很多具有参考性价值的书籍，辅导我顺利完成了毕业设计。最后要对百忙之中审阅本文，以及参与我本次设计的评议和答辩老师致谢，您们辛苦了。6. 参考文献1 何立民.单片机应用系统设计.北京：航天航空大学出版社.2001年.2 李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社,2001年.3 何希才.新型实用电子电路400例.电子工业出版社,2000年.4 赵负图.传感器集成电路手册,第一版.化学工业出版社,2004年.5 杨邦文.新型实用电路制作200例.北京：人民邮电出版社，1998年.6 邹其洪.电工电子试验与计算机仿真.北京：电子工业出版社.2003年.7 梅丽凤. 单片机原理及接口技术M. 清华大学出版社 2004 年8 张迎新. 单片微型记数机原理，应用接口技术M.国防工业出版社 1993年9 李全利. 单片机原理及应用技术M. 高等教育出版社 2001年10潘松，赵敏笑.EDA技术及其应用. 北京：科学出版社，200711栾桂冬.传感器及其应用. 西安：电子科技大学出版社，200312 肖来胜单片机技术实用教程M武汉：华中科技大学出版社，200413 楼然苗，李光飞编著51系列单片机设计实例M北京：航天航空大学出版社.14 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉编著8051单片机实践与应用M北京：清华大学出版社.15 先锋工作室单片机程序设计实例M北京：清华大学出版社.7附录7.1原理图图8.1 系统原理图7.2仿真图8.2 系统仿真图7.3主程序#include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit Beep=P21; /蜂鸣器接口sbit Fire=P30; /火焰传感器接口sbit Smoke=P31; /烟雾传感器接口sbit Steal=P32; /人体红外模块接口sbit LED1=P03; /LED灯接口 火灾sbit LED2=P02; /烟雾/可燃性 泄漏sbit LED3=P01; /煤气正常sbit LED4=P00; /电路正常sbit LED5=P27; /防盗提示void delay(uint z) /延时1ms函数uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void Fire_Check(void)if(Fire=0)&&(Smoke=1)/单独检测到火灾 Beep=1;LED1=0;LED2=1;LED3=1;LED4=1;/LED5=1;void Smoke_Check(void)if(Smoke=0)&&(Fire=1)/单独检测到煤气 Beep=1;LED1=1;LED2=0;LED3=1;LED4=1;/LED5=1;void Steal_Check(void)uchar i;if(Steal=0)/单独检测到防盗 for(i=0;i<5;i+)/间断报警，灯闪烁Beep=1;LED5=0;delay(300);Beep=0;LED5=1;delay(300);elseLED5=1;void All_Check(void)if(Smoke=0)&&(Fire=0)/火灾和煤气同时检测 Beep=0;LED1=0;LED2=0;LED3=1;LED4=1;void Normal_Check(void)if(Smoke=1)&&(Fire=1)/正常情况 Beep=0;LED1=1;LED2=1;LED3=0;LED4=0;void Sys_Init(void)P1=0xff;/端口初始化P2=0xff;P3=0xff;void main(void)Sys_Init();while(1)Fire_Check();Smoke_Check();Steal_Check();All_Check();Normal_Check();