智能家居環(huán)境檢測系統(tǒng)設計

李紅嶺，張 華，楊 梅，賈尚云，高曉陽

(甘肅農業(yè)大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

近年來隨著人們健康意識的提高，對于住宅室內環(huán)境的要求也越來越高，因此人們會更加注重居家環(huán)境的變化。把握環(huán)境的變化，調節(jié)空氣中的溫濕度，才會有一個適宜的居家環(huán)境。為確保擁有優(yōu)質的家居環(huán)境，實時檢測家居環(huán)境，獲取精確環(huán)境信息，顯得尤其重要[1～3]。本文結合生活實際，利用智能化技術，設計了功耗極低、電路簡單并能長期穩(wěn)定運行的智能環(huán)境檢測系統(tǒng)，為改善居家生活環(huán)境添磚加瓦。

2 設計方案

通過幾種方案的成本、功耗、可靠性等多方面的比較與實驗，最終確定方案框圖如圖1所示，以單片機AT89C52最小系統(tǒng)為控制核心，由溫濕度采集電路、人機接口電路、顯示電路、驅動電路以及報警電路幾部分組成。溫度和濕度數(shù)據(jù)的采集選用將感濕元件和測溫元件相結合的復合溫濕度傳感器DHT11完成，DHT11將采集到的信號轉化成數(shù)字信號后送入AT89C52單片機，單片機接收DHT11輸出的數(shù)字信號并對數(shù)據(jù)進行處理輸出到顯示器LCD1602進行顯示。與此同時單片機將人機交互按鍵預設的參考值與DHT11測量的值進行比較，根據(jù)比較結果判斷是否啟動報警電路與加濕、加熱裝置。

3 硬件電路設計

3.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)電路主要由單片機芯片、復位電路和晶振電路三部分組成，如圖2所示。單片機芯片是系統(tǒng)控制的核心；復位電路采用手動復位，在使用過程中，想重新開始，或單片機發(fā)生死機的故障時，方便隨時重啟系統(tǒng)；晶振電路相當于電腦的主頻，控制單片機有節(jié)奏、有步驟地工作。

圖1 系統(tǒng)框圖

3.2 顯示電路

顯示電路選用體積小、通電電壓小、耗能很低，能夠顯示文字、圖形和各種符號的液晶顯示LCD1602，用于實時顯示外界環(huán)境中的溫濕度值和手動預設的溫濕度。與單片機的接口電路如圖3所示。

3.3 溫濕度采集電路

溫濕度的采集選用將感濕元件和測溫元件相結合的復合溫濕度傳感器DHT11。DHT11是一種能輸出數(shù)字信號并且信號已校準的復合式傳感器，能夠同時測量溫度和濕度并直接將溫度和濕度的物理量轉化為電信號，其與單片機的接口電路如圖4所示。其中DATA引腳(數(shù)據(jù)端)連接單片機P1.0口，將采集的溫度和濕度以數(shù)字量的形式輸入給單片機，1號引腳連接電源，4號引腳接地。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

圖3 顯示電路

圖4 溫濕度采集電路

3.4 人機接口電路

人機接口電路包括4個獨立式按鍵，單片機P3.4-P3.7口分別與K1、K2、K3、K4連接；K1鍵按一次為預設溫度最高值，按兩次為預設溫度最低值，按三次和四次分別為預設濕度最高值與最低值，按第五次則返回到正常顯示界面。K2和K3按鍵用于加減預設溫度或濕度值，K4按鍵為確定儲存鍵，用于保存設置好的參數(shù)。與單片機接口電路如圖5所示。

圖5 人機接口電路

3.5 數(shù)據(jù)存儲電路

電路選擇了24C02C電路作為溫度、濕度參數(shù)的儲存電路，掉電時存儲的數(shù)據(jù)不會丟失，當溫度或濕度值預設定后，按下K4鍵24C02C將設定的溫濕度存儲下來。與單片機的接口電路如圖6所示，SCK和SDA引腳分別與單片機的P3.2和P3.3引腳相連。

圖6 數(shù)據(jù)存儲電路

3.6 報警電路

本設計報警電路由蜂鳴音報警和燈光報警構成，如圖7所示蜂鳴音報警電路連接單片機P2.3口，當單片機檢測到的溫濕度超出預設范圍時P2.3會得到一個低電平，這時三極管Q1導通。

圖7 報警電路

3.7 加溫加濕電路

如圖8和圖9所示，加溫、加濕電路分別連接單片機的P1.7引腳和P1.6引腳。為便于電路的調試，將加熱和加濕裝置用電機代替。以加溫電路為例介紹其工作原理，單片機將傳感器采集的數(shù)據(jù)與預設值進行比較后，若溫度值低于預設下限值時，單片機會給P1.7引腳一個低電平，經(jīng)電阻R10三極管Q2時繼電器吸合驅動加熱裝置進行加熱，當溫度高于下限值時P1.7變?yōu)楦唠娖健⒗^電器斷開，加熱裝置停止工作，系統(tǒng)加熱停止。

4 軟件設計

主程序流程圖如圖10所示。系統(tǒng)采用模塊化編程，主要有程序初始化模塊、按鍵掃描程序模塊，數(shù)據(jù)采集程序模塊、顯示程序模塊、報警程序模塊、加溫程序和加濕程序模塊。

圖8 加溫電路

圖9 加濕電路

圖10 主程序流程

5 結語

本次設計采用傳感器技術和單片機技術，結合顯示器、人機接口電路、蜂鳴器、繼電器等外圍電路實現(xiàn)了對家居環(huán)境溫濕度的智能檢測。傳感器DHT11作為溫濕度數(shù)據(jù)的采集電路，其數(shù)據(jù)端可直接與單片機引腳相連，使系統(tǒng)電路連接大大簡化，降低了后期制作電路的成本。該系統(tǒng)人機接口電路能預先設定適宜的溫濕度范圍，可以適用于人們對不同環(huán)境的要求。該系統(tǒng)實時性強且能夠長期可靠穩(wěn)定運行，為改善居家生活環(huán)境起到了積極的作用[4,5]。