便攜式多功能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

羅淇尹 劉頓 粱文霞 史楠楠 李京

文章編號： 2095-2163（2018）03-0197-04中圖分類號： 文獻標(biāo)志碼： A

摘要： 關(guān)鍵詞： （School of Electronic Engineering Science， Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China）

Abstract： In modern home life， the comfort and safety of home environment is important. Therefore， the main task of home environment monitoring system is to detect the environment information and obtain the measurement results along with sending out early warning. Based on single-chip microcomputer， the designed portable home environment monitoring system can control a variety of devices by multiple sensors. The system integrates environmental monitoring， air purification， lamp control， gate control and burglarproof， which can improve the controllability， comfortability and security of the home environment effectively.

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收稿日期： 通訊作者： 引言

隨著人類物質(zhì)生活水平的提高，家居環(huán)境的改善越來越受到重視，各種家居環(huán)境智能控制系統(tǒng)應(yīng)運而生。本設(shè)計是一個以單片機為核心單元，多種傳感器采集信息，輸出控制多種設(shè)備的便攜式多功能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)集環(huán)境監(jiān)測、空氣凈化、燈控、門控和防盜于一體，提高了家居生活的品質(zhì)。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1硬件總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用MCS51系列單片機作為控制核心，多個子系統(tǒng)功能模塊協(xié)調(diào)工作。其中包括：溫濕度檢測、PM2.5檢測、甲醛檢測、燈控、門控、空氣凈化、及報警顯示等。液晶顯示屏將各傳感器采集到的當(dāng)前家居環(huán)境信息參數(shù)處理后實時顯示，對超標(biāo)的環(huán)境參數(shù)進行報警提示并自動控制空氣凈化模塊開始工作；系統(tǒng)還具有人工控制功能，通過鍵盤輸入相應(yīng)參數(shù)，可以根據(jù)自身情況設(shè)定一些環(huán)境參數(shù)閾值。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1.2電路設(shè)計

1.2.1PM2.5檢測電路設(shè)計

目前PM2.5測量的原理是采用粉塵采樣器抽取一定量的空氣，當(dāng)其通過濾膜時，粉塵會被收集到濾膜上。再用光學(xué)檢測法中的濁度法，基于朗伯特-比爾（Lambert-Beer）定律測量光透過被測物質(zhì)后，由于光的散射而使光強減弱，測定通過介質(zhì)前后的光束的光強比就可確定粉塵的濃度。

PM2.5采集電路如圖2所示，專用的LED光散法傳感器用來采集空氣中的PM2.5顆粒值，三極管 9012驅(qū)動磁傳感器的LED端，其輸出的模擬量通過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832轉(zhuǎn)換后傳送給單片機的P3口。單片機進行運算處理后，在LCD1602液晶屏上顯示出測量的PM2.5濃度值，LCD顯示電路如圖3所示。若濃度值超出設(shè)定的閾值，會發(fā)出聲光預(yù)警信號，報警電路如圖4所示，電路中采用了蜂鳴器和LED指示燈。

1.2.2門控電路設(shè)計

門控電路由FM1702高頻讀卡器、Mifare射頻卡、12864LCD顯示模塊、矩陣鍵盤輸入、電子鎖模塊組成，電路如圖5、圖6、圖7所示。FM1702S是應(yīng)用13.56 MHz晶振頻率的高集成度IC，非接觸式讀卡器，支持多種加密算法，兼容SPI接口，其內(nèi)部的發(fā)射器不需要增加有源電路就可以驅(qū)動近距離的天線（可達10 cm）。單片機與高頻讀卡器進行通信，將卡上信息與合法卡的信息匹配后，決定是否控制電子鎖開啟。同時矩陣鍵盤輸入可以選擇不同的功能，如密碼設(shè)置和卡的登記等。

1.2.3溫濕度測量電路設(shè)計

溫濕度測量電路采用的核心元件是DHT11溫濕度傳感器，其內(nèi)部包括電阻式感濕元件和NTC測溫元件。濕度精度：±5%RH；量程為：20%-90%RH；溫度精度：±2 ℃；量程為：0 ℃～50 ℃；可靠性和穩(wěn)定性較好。輸出為單總線數(shù)字信號，可以直接連接到單片機的IO口上，電路接線如圖8所示。

1.2.4燈控電路

燈控電路由延時、光感、紅外感應(yīng)、拾音電路、繼電器驅(qū)動等組成，能夠檢測出室內(nèi)的光線強度和聲音大小。當(dāng)光線暗并有聲響發(fā)出時，表示有人走動電路就會自動開啟燈光照明，做到人來燈亮，人走燈滅的功能，同時還可以手動開燈，多種開關(guān)燈的方式可以極大適應(yīng)不同場合的要求。

1.2.5液化氣檢測電路

液化氣檢測電路如圖9所示。系統(tǒng)采用對液化氣、天然氣和煤氣都有較高靈敏度的MQ-5氣體傳感器，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在上述可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用運算放大器構(gòu)成的比較器電路即可將電導(dǎo)率的變化量轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出控制信號。

1.2.6空氣凈化控制電路設(shè)計

在檢測電路監(jiān)測到家居中有害物質(zhì)或PM2.5顆粒濃度超過設(shè)定的最高值時，單片機會產(chǎn)生開機信號給空氣凈化電路中的控制繼電器開啟空氣凈化模式，直到空氣中有害物質(zhì)達到標(biāo)準(zhǔn)時自動停止凈化?？諝鈨艋刂齐娐啡鐖D10所示。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用keil軟件編程，用C語言編寫的程序可以調(diào)試檢查。軟件編程采用模塊化實現(xiàn)各個子模塊功能，用主編程調(diào)用各子模塊功能 ，最終實現(xiàn)整個多功能家居控制系統(tǒng)的工作過程。

2.1PM2.5檢測程序設(shè)計

程序首先初始化信息，然后從粉塵傳感器檢測到PM2.5濃度后，用串口方式將模擬信號經(jīng)過ADC 0832芯片轉(zhuǎn)換，傳輸給單片機，計算PM2.5值。為減少測量誤差，再將多次采集到的數(shù)據(jù)通過擬和求平均值的方法，計算出最終測量結(jié)果。通過液晶顯示屏將PM2.5值顯示出來。具體流程如圖11所示。

2.2門控系統(tǒng)流程設(shè)計

門控系統(tǒng)首先初始化信息，液晶顯示屏顯示菜單界面，用戶通過鍵盤輸入相應(yīng)功能，將卡放到讀卡器上讀出信息，由單片機自動核對卡的信息，若合法則開門，反之則報警返回讀卡狀態(tài)。程序流程如圖12所示。

其它軟件模塊編程過程同上，不再一一贅述，各個子模塊功能實現(xiàn)后，主編程調(diào)用各子程序模塊，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的工作過程。溫濕度檢測過程如圖13所示。

3系統(tǒng)測試

系統(tǒng)硬件設(shè)計、組裝調(diào)試后，在一個模擬的環(huán)境模型中運行，測量環(huán)境的溫濕度以及甲醛濃度。實驗過程：首先對家居環(huán)境狀態(tài)進行整體研究，采用傳感器采集數(shù)據(jù)，顯示對家居狀況的監(jiān)測與控制，液晶顯示器實時顯示室內(nèi)各種參數(shù)，顯示部分如圖14所示。報警電路和空氣凈化電路及時提醒家居的異常情況，還可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中分析環(huán)境變化的規(guī)律，最后將數(shù)據(jù)情況顯示出來。為進一步完善系統(tǒng)功能，可以在系統(tǒng)中加入無線傳輸模塊及手機遠程控制系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)的性能更加智能化和完善。

4結(jié)束語

便攜式多功能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)以單片機為控制核心，通過與多種傳感器結(jié)合做到了全方位、多功能的監(jiān)控家居情況，并自動排除安全隱患，在實現(xiàn)安全監(jiān)控的基礎(chǔ)上還加裝了燈控電路，智能調(diào)配電能，做到智能化用電，節(jié)約了能源。系統(tǒng)通過智能防盜門鎖電路可以實現(xiàn)門控，做到安全出行，保障了財產(chǎn)和人身安全。系統(tǒng)功能操作簡單便捷，是現(xiàn)代家居生活的好幫手。

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