基于單片機(jī)的智能家居信息看板設(shè)計(jì)

周苗苗

摘 要：為方便人們提高居住環(huán)境的舒適度，筆者設(shè)計(jì)了一款智能家居信息板。該信息板以單片機(jī)AT89S52為核心，結(jié)合指令按鍵、DHT11溫濕度傳感器、GP2Y1010AU0F粉塵傳感器、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器、有源蜂鳴器和GT12864液晶顯示器等外圍器件的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了居住環(huán)境參數(shù)信息可視化的功能，而且集成了時(shí)間調(diào)整、溫濕度和PM2.5值分級(jí)及超限報(bào)警功能。

關(guān)鍵詞：智能家居 單片機(jī) 信息看板 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)進(jìn)步、科技發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，21世紀(jì)的人類對(duì)于美好生活的追求，不僅僅滿足于溫飽問題的解決，更加注重生活品質(zhì)。因此，越智慧、便捷的數(shù)字產(chǎn)品，越能提升人們的幸福指數(shù)。本文基于人們對(duì)居住環(huán)境調(diào)整改善的需要，設(shè)計(jì)了一款以單片機(jī)AT89S52為核心，能夠?qū)崟r(shí)、便捷、可視化反映居民生活環(huán)境的智能家居信息看板。本系統(tǒng)不僅可同屏顯示年、月、日、星期、時(shí)、分、秒、溫度、濕度和PM2.5值，而且能夠反映當(dāng)時(shí)溫濕度是否超限及空氣質(zhì)量等級(jí)。同時(shí)，若溫濕度不在設(shè)定舒適范圍或空氣質(zhì)量處于嚴(yán)重污染等級(jí)，則會(huì)發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52最小系統(tǒng)為核心，12864液晶顯示屏、電子蜂鳴器、DHT11溫濕度傳感器、GCG1000粉塵傳感器和指令按鍵等外圍器件為功能支撐，實(shí)現(xiàn)了集時(shí)間顯示和溫濕度、PM2.5值監(jiān)測與報(bào)警為一體的同屏顯示信息看板。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）單片機(jī)最小系統(tǒng)

該設(shè)計(jì)采用的主控芯片是ATMEL公司所生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器AT89S52，具有8位在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。

單片機(jī)的最小系統(tǒng)由單片機(jī)芯片（如AT89S52）、復(fù)位電路和外接晶體振蕩電路組成。

振蕩電路-單片機(jī)活起來的心臟AT89S52內(nèi)部具有振蕩電路，在XTAL1和XTAL2之間接上石英晶體，給單片機(jī)加上工作所需直流電源，振蕩器開始振蕩，單片機(jī)也開始工作起來。

復(fù)位電路-恢復(fù)初始狀態(tài)值復(fù)位電路就是在RST端外接的一個(gè)電路，目的是當(dāng)單片機(jī)上電開始工作時(shí)，內(nèi)部電路從初始狀態(tài)開始工作，或者在工作中要想人為讓單片機(jī)重新從初始狀態(tài)開始工作。

（二）溫濕度監(jiān)測模塊

室內(nèi)的溫度過高會(huì)使人血管擴(kuò)張、脈搏加速，甚至出現(xiàn)頭暈等癥狀;溫度過低又會(huì)使人代謝功能下降，脈搏和呼吸變緩，皮膚過緊，皮下血管收縮，呼吸道抵抗力下降。同樣，夏天濕度大時(shí)，抑制人體蒸發(fā)散熱，使人體感不適;冬天濕度大時(shí)，會(huì)使人覺得寒冷。濕度過低時(shí)，人感到口干舌燥，并易感冒。研究表明，人體感覺相對(duì)舒適的溫度范圍為15℃～24℃，濕度范圍為30%～60%。因此，對(duì)于溫濕度的檢測也是必要的。

本模塊采用DHT11溫濕度傳感器。它包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫原件，具有快捷、體積小、低功耗的特點(diǎn)。通過單片機(jī)AT89S52的I/O口與DHT11單總線串行接口進(jìn)行通信。溫濕度數(shù)據(jù)一次性傳送給單片機(jī)，數(shù)據(jù)分整數(shù)和小數(shù)部分，并采用校驗(yàn)和方式校驗(yàn)，能夠有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

傳感器內(nèi)部一次完整傳輸5Byte（40bit） 數(shù)據(jù)，高位先出。傳感器輸出未編碼二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中校驗(yàn)和數(shù)據(jù)為前四字節(jié)和。數(shù)據(jù)格式及說明如下：濕度整數(shù)（Byte4）+濕度小數(shù)（Byte3）+溫度整數(shù)（Byte2）+溫度小數(shù)（Byte1）=校驗(yàn)和（Byte0）。

例如，一次數(shù)據(jù)傳輸為：00101100 00000000 00011100 00000000 01001000。則表示濕度為44.0（%RH），溫度為28.0℃，校驗(yàn)和為72。

（三）粉塵監(jiān)測模塊

粉塵又稱可吸入顆粒物，對(duì)人的身體健康百害而無一利。這種可吸入粉塵能夠進(jìn)入人的肺泡，長時(shí)間沉淀，心肺病、心血管疾病均可由它引起，而且細(xì)菌能夠以粉塵為載體，一同散入空氣，極易傳播疾病。因此，粉塵檢測儀便成為生活中具有重大意義的必備品。

本設(shè)計(jì)的粉塵監(jiān)測模塊由ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器和GP2Y1010AU0F粉塵傳感器組成。其中GP2Y1010AU0F粉塵傳感器是一個(gè)采用光學(xué)傳感系統(tǒng)的灰塵傳感器。該器件由紅外線發(fā)光二極管和一個(gè)光電管成對(duì)角布置而成，能夠檢測空氣中的塵埃的反射光，尤其是香煙煙霧等非常細(xì)的粒子。ADC0832轉(zhuǎn)換芯片實(shí)時(shí)將GP2Y1010AU0F粉塵傳感器采集的粉塵濃度進(jìn)行模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。進(jìn)而通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理后在液晶看板上顯示空氣質(zhì)量。當(dāng)監(jiān)測濃度大于設(shè)置粉塵濃度時(shí)，蜂鳴器則發(fā)出鳴叫報(bào)警。

（四）報(bào)警模塊

報(bào)警模塊采用程序控制方便的有源蜂鳴器，因其采用直流電壓供電，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、電子玩具、報(bào)警器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。當(dāng)溫度、濕度或PM2.5值超限時(shí)，將通過單片機(jī)的I/O引腳使其報(bào)警鳴叫。

（五）液晶顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用的是由S6B0108、S6B0107、128×64點(diǎn)液晶顯示板、背光構(gòu)成的液晶TG12864顯示模塊，其中S6B0108是TG12864的控制驅(qū)動(dòng)器，S6B0107是TG12864的行、列驅(qū)動(dòng)控制器。即只要控制好S6B0108、S6B0107就能使TG12864進(jìn)行顯示，可顯示圖形、字母、數(shù)字和漢字等。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用簡潔、高效、移植性強(qiáng)、模塊化的C語言作為編程語言，使用Keil軟件對(duì)源程序進(jìn)行編輯、編譯、仿真調(diào)試、下載。以主函數(shù)為主線，并根據(jù)功能劃分成若干易于解決問題且功能相獨(dú)立的子函數(shù)完成整個(gè)軟件設(shè)計(jì)，具體軟件編程依據(jù)如下。

（一）溫度模塊

設(shè)定溫度范圍“15℃～24℃”，若超限，液晶看板顯示偏低（符號(hào)為“↓”）或偏高（符號(hào)為“↑”）。無論偏高或偏低，只要不在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，蜂鳴器均會(huì)發(fā)出報(bào)警聲信號(hào)。

（二）濕度模塊

設(shè)定濕度范圍“30%～60%”，若超限，液晶看板則會(huì)反映環(huán)境干濕情況（若低于30%，顯示“干”，若高于60%，顯示“濕”）。無論偏濕或偏干，只要不在設(shè)定濕度范圍內(nèi)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲信號(hào)。

（三）PM2.5模塊

根據(jù)空氣質(zhì)量劃分成六個(gè)等級(jí)：優(yōu)（0～35ug/m3）、良（35～75ug/m3）、輕度污染（75～115ug/m3）、中度污染（115～150ug/m3）、重度污染（150～250ug/m3）、嚴(yán)重污染（高于250ug/m3）。無論P(yáng)M2.5值為上述何種情況，液晶看板都會(huì)有所反映，依次分別顯示優(yōu)、良、輕、中、重和嚴(yán)。只要PM2.5值高于150 ug/m3，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲信號(hào)。

（四）時(shí)間模塊

液晶顯示年、月、日、星期、時(shí)、分和秒，指令按鍵用于矯正時(shí)間。

具體功能實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

四、小結(jié)

該智能家居信息看板具有結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)時(shí)靈敏，可編程且程序易于植入等特點(diǎn)。它不僅僅適用于家庭，由于病人、兒童和老人相對(duì)抵抗力差，對(duì)于環(huán)境舒適度要求較高，因此更適用于醫(yī)院、幼兒園、養(yǎng)老院等場所，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

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（作者單位：鄭州市技師學(xué)院）