基于STC89C52單片機(jī)的智能家居的設(shè)計(jì)

浙江省杭州第十四中學(xué) 張嵩灝

基于STC89C52單片機(jī)的智能家居的設(shè)計(jì)

浙江省杭州第十四中學(xué) 張嵩灝

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為主控核心，搭配三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器、紅外對(duì)管、PM2.5傳感器、溫濕度傳感器等模塊，設(shè)計(jì)了一款智能家居系統(tǒng)。通過溫濕度傳感器對(duì)室內(nèi)環(huán)境的舒適度（包括溫度和濕度）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，與人為預(yù)先設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)加濕器的開關(guān)及空調(diào)的溫度。同時(shí)，通過三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器定時(shí)捕獲室外風(fēng)速的信息，若風(fēng)速超過一定閾值，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，關(guān)閉窗戶，從而避免外界塵土或者刮風(fēng)下雨等惡劣氣候影響室內(nèi)環(huán)境。此外，為了更好的適應(yīng)抵抗力較差的老人和嬰兒，本系統(tǒng)添加了對(duì)室內(nèi)空氣的監(jiān)測。通過PM2.5傳感器定時(shí)檢查室內(nèi)空氣的質(zhì)量，并根據(jù)PM2.5濃度的高低，自動(dòng)化地驅(qū)動(dòng)空氣凈化器的開與關(guān)?；谏鲜龅脑O(shè)計(jì)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)室外、室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，并根據(jù)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行合理、智能的調(diào)節(jié)相對(duì)應(yīng)的傳感器，以提供給人們最舒適的生活環(huán)境，讓人們充分體驗(yàn)智能化家居給生活帶來的巨大便捷。

STC89C52單片機(jī)；風(fēng)速傳感器；PM2.5傳感器；溫濕度傳感器；智能家居

0 引言

步入21世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)地飛速發(fā)展，科技日益騰飛?！爸悄芑钡母拍钪饾u進(jìn)入人們的視野中，并影響著人們的生活。人們熱愛并享受著高科技—“智能化設(shè)備”給他們生活帶來的巨大便捷。然而，市面上一體化的智能設(shè)備還遠(yuǎn)沒有“飛入平常百姓家”，最主要的因素來源于復(fù)雜控制系統(tǒng)的高昂費(fèi)用，普通老百姓對(duì)其望而卻步。因此，開發(fā)一款低成本、智能化的家居，以滿足廣大用戶的需求就顯得尤其最要。

基于此，本文選用結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉的STC89C52單片機(jī)作為主控核心，搭配SDS011粉塵傳感器、溫濕度傳感器等，對(duì)室內(nèi)及室外環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)指標(biāo)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)傳感器的參數(shù)，給人們營造出了一個(gè)最佳的生活環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STC89C52單片機(jī)的智能家居系統(tǒng)。采用DHT11溫濕度一體化的傳感器獲取室內(nèi)的溫度和濕度；風(fēng)速的大小值則是由BCQ-FS-TTL8三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器采集；SDS011傳感器負(fù)責(zé)室內(nèi)粉塵濃度（PM2.5）數(shù)據(jù)的捕獲，并通過串口實(shí)時(shí)傳到上位機(jī)，上位機(jī)可以很直觀地觀察室內(nèi)的空氣質(zhì)量，并定時(shí)將數(shù)據(jù)送到單片機(jī)內(nèi)部，從而控制是否啟動(dòng)空氣凈化器；同時(shí)，搭配L298N模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，控制窗戶的智能開關(guān)。此外，空調(diào)的智能控制是通過紅外對(duì)管模塊實(shí)現(xiàn)，其中，紅外發(fā)射管發(fā)射的載波信號(hào)頻率為38KHz，是由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生的。系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。

2 主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 DHT11溫濕度傳感器

DHT11是一個(gè)基于單總線（即地址信號(hào)、 數(shù)據(jù)信號(hào) 控制信號(hào)均在同一根總線上傳輸）的傳感器。該傳感器共有四根引腳，其中，VDD引腳接3V～5.5V的電壓，GND引腳與單片機(jī)的GND引腳接在一起（即兩者共地），信號(hào)引腳則與單片機(jī)P1.3引腳相連接，將數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)內(nèi)部 ，最后一根引腳默認(rèn)懸空。此外，DHT11傳感器需要上拉一個(gè)至少5KΩ的電阻來增大驅(qū)動(dòng)電流（通常，電阻的選擇為10KΩ）。

首先，單片機(jī)找到DHT11傳感器的地址，并發(fā)送一個(gè)至少18ms的低電平請求響應(yīng)，再拉高電平延時(shí)等待；DHT11傳感器接收到單片機(jī)的開始信號(hào)后，等待單片機(jī)開始信號(hào)結(jié)束，然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號(hào)；DHT11傳感器發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后，再把總線拉高80us，準(zhǔn)備向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)接。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，包括8位濕度整+8位濕度小數(shù)+8位溫度整數(shù)+8位溫度小數(shù)+8位是校驗(yàn)和（用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)真?zhèn)危?。此外，?個(gè)bit的數(shù)據(jù)都從50μs的低電平開始，并根據(jù)高電平持續(xù)時(shí)間的不同來區(qū)分邏輯0電平和邏輯1電平。其中，26～28μs的高電平時(shí)間表示邏輯“0”，70μs的高電平時(shí)間表示邏輯“1”。

2.2 BCQ-FS-TTL8三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器

本文通過計(jì)算三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖個(gè)數(shù)來計(jì)算其所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速。該傳感器每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈產(chǎn)生八個(gè)脈沖，每6個(gè)脈沖代表1米，風(fēng)速的計(jì)算公式如2-2-1所示：

三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器共有三個(gè)引腳。其中，VCC引腳接+5V電源，GND引腳與單片機(jī)共地，余下的一根引腳則為信號(hào)引腳，與單片機(jī)P3.2引腳相接，該傳感器根據(jù)風(fēng)速的大小從信號(hào)引腳輸出相對(duì)應(yīng)的脈沖。值得注意的是，應(yīng)該上拉5KΩ～20KΩ的電阻來增大驅(qū)動(dòng)電流（電阻的一端接在VCC上，另一端接至信號(hào)引腳上）。此外，三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器的啟動(dòng)風(fēng)速是0.2m/s，即風(fēng)速大于下限值0.2m/s時(shí)，信號(hào)引腳才會(huì)有相對(duì)應(yīng)的脈沖產(chǎn)生。

L298N驅(qū)動(dòng)具有兩種工作模式，一方面，當(dāng)使能A（控制電機(jī)A）、使能B（控制電機(jī)B）時(shí)，可以分別從IN1、IN2輸入PWM（Pulse Width Modulation）信號(hào)來控制電機(jī)A的轉(zhuǎn)速和方向。同時(shí)，可以分別從IN3、IN4輸入相同PWM脈沖信號(hào)來控制電機(jī)B的轉(zhuǎn)速和方向。另一方面，若禁止A和B使能時(shí)，即可通過單片機(jī)向IN1、IN2、IN3、IN4四個(gè)引腳輸入邏輯“1”和邏輯“0”來控制電機(jī)A和電機(jī)B。

2.3 SDS011 PM2.5傳感器

SDS011 粉塵傳感器采用激光散射原理，能夠得到空氣中 0.3～10μm懸浮顆粒物濃度。當(dāng)激光照射到通過檢測位置的顆粒物時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的光散射，在特定方向上的光散射波形與顆粒直徑有關(guān)，通過不同粒徑的波形分類統(tǒng)計(jì)及換算公式可以得到不同粒徑的實(shí)時(shí)顆粒物的數(shù)量濃度，按照標(biāo)定方法得到跟官方單位統(tǒng)一的質(zhì)量濃度（μg/）。

51單片機(jī)根據(jù)DHT11采集的溫度數(shù)據(jù)，將相對(duì)應(yīng)的空調(diào)狀態(tài)的紅外編碼數(shù)據(jù)（即調(diào)節(jié)空調(diào)溫度、開啟空調(diào)、關(guān)閉空調(diào)的紅外編碼數(shù)據(jù)）調(diào)制到38KHz載波上，然后通過紅外發(fā)射管發(fā)射出去。其中，38K的載波可以通過單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生。根據(jù)廣泛使用的NEC協(xié)議（紅外遙控協(xié)議的一種），發(fā)射的控制信號(hào)數(shù)據(jù)共包含五個(gè)字節(jié)，1個(gè)字節(jié)引導(dǎo)碼 +1個(gè)字節(jié)用戶碼 +1個(gè)字節(jié)用戶反碼+1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)碼+1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)反碼。

2.4 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直流電機(jī)

軟件采用C語言編寫，整個(gè)系統(tǒng)在主函數(shù)（main函數(shù)）中循環(huán)執(zhí)行。系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。DHT11傳感器負(fù)責(zé)采集室內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)，三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器負(fù)責(zé)捕獲室外的風(fēng)速信號(hào)，SDS011粉塵傳感器則負(fù)責(zé)收集室內(nèi)PM2.5的濃度。

由于每個(gè)脈沖均包含一個(gè)上升沿和一個(gè)下降沿，因此考慮采用單片機(jī)P3.2（INT0外部中斷0復(fù)用引腳）或者P3.3（INT1 外部中斷1復(fù)用引腳）來計(jì)數(shù)風(fēng)速傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)。本文選用P3.2引腳與風(fēng)速傳感器的信號(hào)引腳進(jìn)行連接，并通過軟件設(shè)置IT0=0（即使用跳變沿“邏輯1—>邏輯0”觸發(fā)方式發(fā)送中斷請求信號(hào)）。P3.2引腳每來一個(gè)跳變沿（即一個(gè)脈沖）便向CPU發(fā)出一個(gè)中斷請求，CPU響應(yīng)此中斷請求，并跳轉(zhuǎn)到外部中斷0所對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子程序里，然后在中斷服務(wù)子程序里，進(jìn)行S++（預(yù)先定義一個(gè)全局變量S，初始化賦值為0）操作，S的值即為脈沖的個(gè)數(shù)。此外，通過定時(shí)器完成每隔1s的精確定時(shí)，并在定時(shí)器所對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)子程序計(jì)算風(fēng)速的值，即通過2-2-1公式計(jì)算得出風(fēng)速。

2.5 紅外對(duì)管

紅外對(duì)管包括紅外線發(fā)射管（白管）與紅外線接收管（黑管）。

SDS011粉塵傳感器通過串口把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)（PC），上位機(jī)每隔0.5h通過再串口把PM2.5的數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)（單片機(jī)）。單片機(jī)收到的PM2.5的數(shù)據(jù)格式為xx xx (兩個(gè)字節(jié)，用16進(jìn)制表示)。例如收到PM2.5的16進(jìn)制數(shù)據(jù)為 71 01 ，其中71 為低字節(jié)，01為高字節(jié)，其所對(duì)應(yīng)的PM2.5 計(jì)算公式如式2-3-1：

土壤綜合肥力指數(shù)(IFI)一般劃分為5個(gè)等級(jí)，即高(IFI≥0.8)、較高(0.6≤IFI<0.8)、中(0.4≤IFI<0.6)、較低(0.2≤IFI<0.4)和低(IFI<0.2)[21]。昌寧植煙區(qū)域土壤肥力綜合指數(shù)在0.12～0.99，平均值0.60，絕大部分植煙區(qū)土壤處于中等水平(37.02%)和較高水平(24.26%)，土壤肥力狀況良好。

3 主要軟件設(shè)計(jì)

L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)為2路H橋驅(qū)動(dòng)，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)模塊共有4根控制引腳，分別與單片機(jī)P0.0～P0.3引腳進(jìn)行連接。其中，IN1和IN2控制電機(jī)A，IN3和IN4控制電機(jī)B。此外，L298N驅(qū)動(dòng)需要較高的外接電源（+12V～+24V）進(jìn)行供電。

例如，2016年全國卷Ⅰ詩歌鑒賞題李白的《金陵望漢江》與人教版必修四的詩詞單元的三篇課文相關(guān)度極高。詩歌的前四句“漢江回萬里，派作九龍盤。橫潰豁中國，崔嵬飛迅湍”寫景的特征 與柳永《望海潮》“怒濤卷霜雪”和蘇軾的《念奴嬌·赤壁懷古》“亂石穿空，驚濤拍岸，卷起千堆雪”相似度極高，它們都?xì)鈩莅蹴纭鈩莺甏?。而思想感情與柳永《望海潮》也高度相似，都有“夸贊太平盛世”的意味，都有“渴望施展才華”的意味，又都暗含“沒有機(jī)會(huì)施展才華的隱隱的失落”。

數(shù)據(jù)的表示采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示邏輯0電平；以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的組合表示邏輯1電平。上述“0”和“1”組成的32位二進(jìn)制碼經(jīng)38kHz的載波進(jìn)行二次調(diào)制后，再通過紅外發(fā)射管向空間發(fā)射。空調(diào)內(nèi)置的紅外接收管解調(diào)出相對(duì)于的控制指令，從而調(diào)節(jié)空調(diào)的工作狀態(tài)。

電子鎖通過RTC時(shí)鐘與服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步，每隔60 s生成一個(gè)新密碼，用戶通過權(quán)限驗(yàn)證后從認(rèn)證服務(wù)器獲得密碼并通過鍵盤輸入主控制器，STM32主控制器將輸入密碼與電子鎖當(dāng)前生成動(dòng)態(tài)密碼進(jìn)行比對(duì)，如果匹配則控制繼電器打開電磁鎖，并將開鎖狀態(tài)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至樹莓派核心，輸入錯(cuò)誤累計(jì)3次則報(bào)警，圖4為動(dòng)態(tài)密碼電子鎖程序流程圖。

圖2 基于STC89C52單片機(jī)智能家居系統(tǒng)的流程圖

其中，繼電器控制加濕器和空氣凈化器的開與關(guān)；L298N驅(qū)動(dòng)控制著直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而控制窗戶的開與關(guān)；空調(diào)的智能化操控則是由紅外發(fā)射模塊負(fù)責(zé)，單片機(jī)根據(jù)接收到的室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，將空調(diào)的響應(yīng)操作所對(duì)應(yīng)的紅外編碼數(shù)據(jù)調(diào)制到38KHz的載波上，并通過紅外發(fā)射管發(fā)射出去，空調(diào)內(nèi)置的紅外接收管接收到相應(yīng)的指令，從而調(diào)節(jié)空調(diào)的工作狀態(tài)。

依據(jù)傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法，在生成變量的回歸結(jié)果之后，再生成回歸方程的殘差，經(jīng)過ADF檢驗(yàn)，證實(shí)殘差序列在不包含時(shí)間趨勢和截距項(xiàng)的情況下是平穩(wěn)的。

通過實(shí)地走訪調(diào)研，我們與青巖劉電商從業(yè)者、服務(wù)商、村管理者等進(jìn)行深入訪談，同時(shí)為了真實(shí)準(zhǔn)確地了解網(wǎng)商的實(shí)際需求，采用問卷調(diào)查來了解受訪者的看法及觀點(diǎn)，采取網(wǎng)絡(luò)群發(fā)和一對(duì)一上門等方式采集問卷，共發(fā)放問卷350份，收回有效問卷302份。

4 總結(jié)

本文采用結(jié)構(gòu)簡易、成本低廉的STC89C52單片機(jī)作為主控系統(tǒng)。各個(gè)傳感器定時(shí)地采集室內(nèi)和室外的環(huán)境數(shù)據(jù)，并送入單片機(jī)內(nèi)部，單片機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能化地分析、處理，并通過驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的模塊（例如L298N、發(fā)射模塊、繼電器等）來控制相應(yīng)的傳感器，使得整個(gè)系統(tǒng)在不需要人為干擾的情況下，能夠有條不紊地工作，為人們提供便捷化、智能化地服務(wù)。

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