基于AT89C51的室內智能化控制系統(tǒng)設計

任成偉，師劍軍，劉俊杰，張 勇

（空軍工程大學防空反導學院，西安 710051）

基于AT89C51的室內智能化控制系統(tǒng)設計

任成偉，師劍軍，劉俊杰，張 勇

（空軍工程大學防空反導學院，西安 710051）

基于AT89C51單片機設計了一套不依賴智能開關，即用即加的室內智能化控制系統(tǒng)，通用的部分分門禁系統(tǒng)、智能電器、智能感知3個模塊，分別以電子密碼鎖、ZigBee組網(wǎng)和紅外接、發(fā)設備、各類傳感器為主，旨在使用戶擺脫對安防問題的困擾，方便對智能設備的使用。

AT89C51，智能化，紅外設備

0 引言

隨著科技的發(fā)展，室內智能化控制越來越被用戶所期待，市場上逐漸涌現(xiàn)出一些智能產品，但多數(shù)需要和智能設備配套使用或者以智能開關為依托，不能滿足用戶在現(xiàn)有產品基礎上增加智能功用的需求。本文基于AT89C51單片機設計了一套室內自動化控制系統(tǒng)，使用戶不僅可以擺脫室內安防問題的困擾，還可以輕松掌握室內溫濕度情況，并方便靈活地控制一些基于紅外設備的電器，達到了減輕壓力，提高舒適度的目的，是辦公室、實驗室、教室與家庭等場所智能化不錯的選擇。

該系統(tǒng)盡量覆蓋室內有智能化需求的地方，并根據(jù)實際需求即用即加，通用的部分分門禁系統(tǒng)、智能電器、智能感知3個模塊。其中門禁系統(tǒng)以電子密碼鎖為主并設計遙控開鎖功能；智能電器模塊分為ZigBee組網(wǎng)、紅外發(fā)射與接收部分；智能感知模塊分為防盜傳感器電路、煙霧報警電路、溫度檢測、濕度檢測部分。具體布設如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

1 門禁系統(tǒng)（電子密碼鎖設計）

電子密碼鎖分為密碼設置、本機開鎖、遙控開鎖3個部分。密碼設置時，按鍵選擇密碼后按“#”確認即可。另外，該部分特意設計了模擬顯示電路，以便提醒用戶是否有鍵被按下。有鍵被按下顯示“F”，沒有則不顯示。本機開鎖部分，密碼輸入正確并按“#”確認后，輸出高電平驅動電磁鎖完成開鎖。同時電路延時5 s，然后回到初始閉鎖狀態(tài)。當密碼輸入過程間隔3 s以上或未按“#”確認，電路自動恢復到初始狀態(tài)。當密碼輸入錯誤，蜂鳴器發(fā)出報警信號，持續(xù)5 s來提醒用戶。若選擇遙控開鎖，本機鍵便會被鎖死。用戶手持遙控器按下按鍵，發(fā)出數(shù)字，被對應的接收頭接收，并將光信號轉換為電信號，然后通過與原先設置的數(shù)據(jù)進行比較來判斷是否開鎖。

圖2 電子密碼鎖流程圖

1.1 發(fā)射部分

圖3 發(fā)射部分硬件電路圖

發(fā)射部分以AT89C51芯片作為核心，由復位、晶振、紅外發(fā)射器等部分組成［1］。工作原理是：首先由串行發(fā)射口發(fā)出數(shù)據(jù)信號；其次送入P1.1口，并進行內部調制；最后由P1.2口送出至紅外發(fā)射管，并由此發(fā)射出信號［2］。（該部分也可被后文設計的遙控器學習后所替代。）具體硬件電路如圖3所示。

1.2 開鎖部分

該部分的電路也以AT89C51為核心，P1口中的P1.0、P1.1、P1.2與全部P0口外接本機鍵盤；P1.3口外接蜂鳴器，中間接有信號放大器，用來放大電信號；P1.4口外接LM386電源的控制電路，使得只有報警時才驅動電路，從而控制電源；P1.5外接密碼選擇按鍵，設0到9加“#”共11個按鍵；P1.6口外接遙控接收頭；P2口全部外接數(shù)碼管，當有鍵被按下時，數(shù)碼管會顯示“F”。EPROM內可存儲2套密碼，顯示器方面選用7段共陽極LED（只要將8位并行輸出與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可）外加10個獨立按鍵，并配有10根I/O口線。具體硬件電路如圖4所示。

圖4 開鎖部分硬件電路圖

2 智能電器模塊

智能電器模塊，在ZigBee（短距離無線通信協(xié)議）技術的基礎上，引入可學習型的紅外遙控設計。使用紅外遙控部分對室內電器遙控信號進行學習，把相應編碼存儲在EEPROM里，當接收到對某一電器控制的指令時，便會調用存儲數(shù)據(jù)通過SPI協(xié)議傳輸?shù)紺C2530設備，再分發(fā)到每個被控房間的紅外發(fā)射設備，使用戶可以無間距地、方便地控制各種電器。

ZigBee技術的特點是：成本低、功耗低、傳輸速率低，而且可以作為網(wǎng)絡協(xié)調器、網(wǎng)絡路由器和網(wǎng)絡終端設備［6］。本設計采用CC2530芯片與Z-stack協(xié)議來構建ZigBee網(wǎng)絡通信，在可以實現(xiàn)紅外控制電器的房間配置紅外發(fā)射設備，構成簡易的室內紅外無線控制網(wǎng)絡。

圖5 智能電器模塊

遙控部分以AT89S51為紅外遙控器的解碼核心［3］。當用戶同時按下該遙控器的學習按鍵與被學習遙控器的按鍵，紅外信號接收模塊把接收到的信號解調，使其變成一列串行信號。這時，單片機采集其特征信息，并記錄下來。此后，單片機將有用信號提取，存儲在EEPROM里。發(fā)射時，AT89S51通過SPI協(xié)議把對應按鍵存儲的編碼信息傳輸?shù)紺C2530，通過ZigBee網(wǎng)絡把紅外編碼信息發(fā)送到對應的發(fā)射終端。此后，利用單片機模擬出38 kHz的載波，對編碼信息進行脈寬調制，這時編碼信息會變成紅外信號，發(fā)出后便可進行紅外控制。

遙控器分為自學習與發(fā)射兩種工作模式［4］。自學習模式中，通過對高低電平的脈寬進行測量并記憶存儲，達到學習的目的。該模式下，當檢測到紅外信號時，定時器啟動，檢測輸入端口是否有電平變化。有變化時，記錄下變化過程中每一個高低電平的脈寬。當脈寬超過66 ms，寄存器便會溢出，記錄過程中斷。此時，數(shù)據(jù)被存入數(shù)組中。此后，數(shù)組中的數(shù)據(jù)將被轉寫到對應的EEPROM里，該過程由寫入函數(shù)執(zhí)行。發(fā)射時，會從EEPROM中調用存儲的編碼以進行相應器件的控制。該部分主要由接收頭、存儲器、光電轉換放大器、解碼電路與紅外發(fā)光管驅動電路組成。

發(fā)射模式中，先讀取位于存儲器中的編碼信號，再利用硬件電路放大并發(fā)送出去來控制器件。單片機對矩陣鍵盤進行不間斷的掃描，當檢測到有鍵按下，便會立即從存儲器中提取數(shù)據(jù)。所提取的數(shù)據(jù)與按下的鍵值一一對應。此時，數(shù)據(jù)搭載由定時器產生的38 kHz的信號從I/O端口輸出，經三極管放大后，送紅外發(fā)射管發(fā)出，這樣就可以得到一個完整的紅外遙控信號。該模式主要分為存儲器、4*4矩陣鍵盤、三極管放大電路、LED與紅外發(fā)送器幾部分。

3 智能感知模塊

智能感知模塊主要設計防盜傳感器電路、煙霧傳感器電路、溫度檢測電路、濕度檢測電路等部分。目的是顯示室內溫濕度情況，超過設定門限蜂鳴報警提醒用戶，并在室內無人時，如果發(fā)生火災、盜竊等事故可及時蜂鳴提醒鄰居，一定程度上解決了用戶安防問題的困擾［5］。

3.1 防盜傳感器電路

防盜傳感器電路部分用來檢測窗戶邊上是否有人，從而達到防盜的目的。該部分由自動紅外探測器、三極管及相應的電路組成。接收部分正常接收到發(fā)射部分發(fā)來的紅外線時，輸出給單片機高電平信號。有障礙物擋住光束時，三極管截止，輸出給單片機低電平信號，即檢測到窗戶邊上有人了。

圖6 紅外遙控器硬件圖

圖7 防盜原理圖

3.2 煙霧傳感器電路

煙霧傳感器的作用是通過監(jiān)測環(huán)境中煙霧的濃度對火災進行防范?？紤]到一些對煙霧敏感的實驗環(huán)境的需求，本文采用技術先進、工作可靠的離子式煙霧傳感器。該傳感器使用方便，連接簡單，做到了真正意義上的即插即用。使用時，氣敏元件的6個管腳中，有2個用來提供給器件加熱電流，其余4個用來輸出信號至終端［6］。具體如下頁圖8所示。

3.3 溫、濕度檢測

溫、濕度的檢測采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，將其直接與CC2530相連，可以很方便地將溫、濕度情況傳給終端。它在適用溫區(qū)范圍內具有靈敏度高、線性好、功能全等優(yōu)點，且功耗小、體積小，連接方法簡單。圖示4引腳中，一腳接電源正，一腳接電源負，一腳懸空，一腳為串行數(shù)據(jù)，單總線直接接于CC2530的I/O口。終端與加濕器相連，若濕度低于門限，加濕器自動工作，至濕度恢復標準值為止［7］。

圖8 煙霧傳感器電路

圖9 溫、濕度檢測原理圖

4 結論

經過實物組裝與軟硬件調試，3個模塊均未在連續(xù)多天的實驗中產生明顯故障，工作正常。電子密碼鎖可自由設置密碼，本機開鎖和遙控開鎖均運行流暢。紅外遙控器學習了處在不同房間的電視與空調信號，發(fā)射時，通過ZigBee組網(wǎng)傳輸給對應房間的紅外發(fā)射管，再進行發(fā)射，能有效控制電視與空調的開關。各類傳感器均能實現(xiàn)預定目的，設置不同閾值也基本不影響器件的靈敏度與工作效率。系統(tǒng)整體測試效果良好，但因設備限制也僅僅可作為人工向全智能化、全自動化控制的過渡。這也是今后在該領域研究中的焦點。

［1］李珍，王國宇，崔麗娟.基于FPGA的可靠性電子密碼鎖設計［J］.現(xiàn)代電子技術，2013，36（7）：151-153.

［2］陸繼遠.電子密碼鎖的FPGA實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2011，27（7）：3-5.

［3］方紅萍，王陽.具有學習功能的通用紅外遙控系統(tǒng)關鍵技術的研究［J］.計算機時代，2009，27（3）：20-21.

［4］蘆健.自學習型智能紅外遙控器設計［J］.國外電子測量技術，2006，25（8）：63-66.

［5］蔣立兵.基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)［D］.北京：北京郵電大學，2011：20-43.

［6］張水平，李曉波，張鳳琴.ZigBee在多傳感器信息集成中的應用［J］.計算機工程與設計，2012，33（1）：41-46.

［7］高檢，方濱，尹金玉，等.ZigBee無線通信網(wǎng)絡節(jié)點設計與組 網(wǎng) 實 現(xiàn) ［J］. 計算 機 測 量 與 控 制 ，2008，16（12）：1912-1914.

［8］霍曉麗，劉云朋.單片機原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2015.

［9］李金山，沈明山.電子系統(tǒng)設計［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

Design of Intelligentize Control System of Indoor Base on AT89C51

REN Cheng-wei，SHI Jian-jun，LIU Jun-jie，ZHANG Yong
（School of Air Defense and Anti-missile，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The article designs an intelligentize control system of indoor base on AT89C51without rely on intelligentize switch，which also could add optionally as the need of users.There are three modules in commonly part，which are gate lock system、intelligentize electrical equipment system and intelligentize perception system，and electron password lock、the net of ZigBee、infrared device and kinds of sensors are the main devices.The purpose of the design is to make users get rid of the puzzle of safety and defense，and make them control intelligentize equipment system convenient.

AT89C51，intelligentize，infrared device

TP332.2

：A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.06.041

2016-05-05

：2016-06-07

任成偉（1993- ），男，山西呂梁人，碩士生。研究方向：現(xiàn)代檢測技術。

1002-0640（2017）06-0179-04