智能家居控制系统的设计

郑惟晖

（黄山学院信息工程学院，安徽黄山245021）

智能家居控制系统的设计

郑惟晖

（黄山学院信息工程学院，安徽黄山245021）

介绍了一种基于单片机的智能家居控制系统,该系统能检测并控制环境的温湿度，能检测燃气泄露、火灾和非法入室，同时还能进行一定的应急处理。

单片机；智能控制；气敏传感器；火灾报警；防盗报警

1 引言

随着社会的发展，人们对居住环境及其安全性要求也随之提高，另一方面由于燃气泄露而引起中毒和火灾事故，以及屋内无人时的入室盗窃案件时有发生，给家庭和社会带来了巨大损失，因此普通的家庭装修已经不能满足人们的需要，而能够对室内的环境温度、湿度、可燃气体、火灾以及非法入室进行实时监测及控制，能及时发现室内的险情并报警的智能家庭环境监控系统，就能解决这一系列问题。本文设计了智能家庭环境监控系统，能够对温度、湿度进行自动控制，能进行可燃气体浓度、火灾的自动检测和报警以及防盗报警。

2 系统工作原理

2.1 系统的总体硬件结构(如图1)

图1 系统总体硬件结构图

2.2 系统总体设计方案

系统由检测部分和控制部分组成。检测的工作主要由传感器组完成，通过温湿度传感器检测室内的温度和湿度，气敏传感器检测可燃气体浓度，烟雾传感器检测火灾的发生，双鉴探测器主要检测非法入侵。系统控制部分通过驱动电路启动，控制空调机和加湿器的启停使室内温湿度处于最舒适的范围，可燃气体浓度过高时启动风扇排气，排出有害气体，当检测到火灾或非法入侵时，开启报警器声光报警。此外，用户可以通过键盘设定系统的各项参数，还可以通过显示器读取室内温度、湿度等信息来了解家居环境的实时状况。[1]

3 硬件设计

3.1 主控制器

为降低成本，减小体积，又能满足控制系统要求，选择技术成熟的AT89S52单片机作为主控制器。AT89S52具有8KBFLASH存储器，可在线编程，提高调试效率，外部不需扩展存储器，具有32位I/O口线，一个6向量2级中断系统，能满足系统需求，另外还设计了看门狗电路，防止程序跑飞，提高可靠性。[2]

3.2 温湿度检测模块

温湿度检测选择智能传感器SHT15，SHT15型传感器是单片、多用途的智能传感器，其中不仅包含基于湿敏电容器的微型相对湿度传感器和基于带隙电路的微型温度传感器，而且还有14位的A／D转换器和2线串行接口。能输出经过校准的相对湿度和温度的串行数据，所以系统中不再使用传统设计需要的多路转换开关、A／D转换器及信号调理电路，系统结构比较简单紧凑。[3]

由于89C51不具备串行I2C总线接口，利用通用输入输出口线来虚拟串行I2C总线，利用P1.0虚拟串行数据线DATA，利用P1.1虚拟串行时钟线SCK，并在DATA端添加一只上拉电阻，同时在Vdd和去耦端接一只0.1μF的去耦电容，电路如图2所示。

图2 温湿度检测电路

SHT15通过I2C总线直接输出数字量温湿度值，温度输出相对线性好，但是它的湿度输出特性呈一定的非线性，需要对输出量进行一定的非线性补偿。当电源电压为5V，分辨率为14位时，用公式T=-40+0.01M将温度输出量M转换为温度值T。对12位湿度输出量N，公式为RHL(-4+0.045N-2.8*10-6N2)%，湿度值还需根据环境温度进行一定的温度补偿，具体为RHT=RH+（T-25）（0.01+0.00008N)%。单片机根据公式得到实际的温湿度值，和系统预设的温湿度上下限进行比较，根据情况启停空调，加湿器和排气扇对环境温度、湿度进行控制，创造舒适的家居环境。

3.3 可燃气体检测模块

原理电路如图3所示，燃气泄漏检测气敏传感器使用QM型，这是一种半导体气敏元件，元件内部有电加热丝，A、B两电极为测量端，其阻值会随着可燃气体浓度发生变化，正常时A、B间电阻很大，当有燃气泄漏，燃气浓度超过允许范围时，A、B间的电阻值骤减，且燃气浓度越高，电阻下降越多，利用该特性并通过VT1等元件组成的开关电路即可获得电信号，完成燃气泄漏的检测。将该信号直接送到单片机的P3.3引脚，引起系统中断，报警并启动排气扇排除有害气体。调节RP1可设置不同燃气的报警值，C2为延时电容，用于减小传感器初始稳态的影响。

图3 燃气检测电路

气敏传感器在使用过程中，内部加热丝可能烧断，但是很难发现，一旦发生将可能引起系统失效，不能检测出危险，进而引发严重后果。本系统设计了气敏元件自检电路，能及时发现元件损坏，电路如图3。[4]元件正常工作时，R3上有电压信号，如果加热丝烧断，该信号不存在，VT3集电极输出低电平至单片机P1.2引脚，系统可以通过查询引脚状态及时发现，提醒用户更换传感器。为方便更换元件，气敏传感器不焊入电路，而是通过电子管座与电路连接，若损坏可方便地进行更换。

3.4 火灾检测报警模块

火灾检测报警选用离子型烟雾检测报警芯片MC14468，图4为使用MC14468构成的烟雾检测报警电路。[5]

图4 火灾检测报警电路

该部分采用9V叠层电池供电，R9和C2为振荡电阻和振荡电容。BZ为压电陶瓷蜂鸣器，它有B极、F极和S极3个电极。LED为发光二极管，R8为限流电阻。R7用于设置电池欠压告警值，一般设置为7V。R13用于设置检测灵敏度。C3为低泄露的电容，以提高电池的使用寿命。离子室使用放射源镅241，强度约为0.8微居里，不会对人体造成伤害，也不会污染环境。R10和R11为分压电阻，SW1为自检按钮，常态下离子源接+9V电压，按下SW1变为+4.5V，能模拟检测到烟雾的情况。还可以使用芯片的2脚接其他检测单元电路。

当检测到烟雾时，离子室离子电流会随着检测现场的烟雾变化而产生微弱的电压变化，传到芯片检测端15脚，由内部逻辑电路处理后，启动蜂鸣器，经外接的C5、R14和R15形成调制的变频输出，使得蜂鸣器发出报警声，同时5脚连接的LED以1Hz的频率闪烁发光，达到报警效果。

MC14468的1脚接单片机的P3.2（INT0）引脚，其输出的高电平用于控制单片机内部定时器T0定时100ms，定时时间到，设置火灾报警标志位。在检测到烟雾时，MC14468自身的100mV的滞后电压会防止其他外界因素（如飞虫）造成的误报警，辅以单片机产生100ms的延时，更能提高系统的可靠性。

3.5 防盗报警模块

防盗报警使用双鉴探测器，系统框图如图5。

图5 防盗报警原理框图

双鉴探测器的主要器件是热释电红外探测器和微波探测器，将这两种探测技术的探测器封装在一个壳体内，并将两个探测器的输出信号共同送到与门电路，只有当两种探测技术的传感器都探测到移动的人体时，才输出报警信号。主要负责对家中敏感位置的异常情况进行探测，它们同时对人体的移动和体温进行探测并相互验证之后才发出报警，由于两种探测器的误报基本上互相抑制了，而两者同时发生误报的概率又极低，所以误报率能大大下降。89S52单片机的P1.3引脚和输出的报警信号相连，系统通过查询引脚状态来确定是否需要报警。为防止外界干扰信号对系统的影响，间隔100ms连续两次报警信号都存在，才执行报警子程序，否则认为是外界干扰。从而进一步降低系统的误报率。

4 软件设计

系统软件由初始化、看门狗、温湿度检测、防盗检测、气敏传感器损坏检测、燃气报警、火灾报警等子程序模块和键盘显示及报警子程序、远程控制组成，主程序按预定顺序调用各服务子程序实现系统的控制功能。键盘操作根据预设的顺序输入相应的预设数据，各检测子程序根据各传感器输出信号，形成相应处理操作的标志位，通过查询标志位完成相应的操作。I/O控制和报警子程序根据标志位依次执行相应的显示输出、控制输出、报警输出子程序。燃气报警和火灾报警为中断程序。

5 结束语

综上所述，整个系统的设计以89S52单片机为核心，辅以各种传感器芯片，实现了控制功能的多样化和智能化，系统采用多种抗干扰措施，能有效防止误报、漏报的发生，提高了系统可靠性。另外还可利用单片机的串口，增设通讯模块和相关程序，利用RS485与计算机等设备连接，组成智能安防系统，应用前景广泛。

[1]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000:23-25.

[2]姜晓霞.基于AT89S52单片机的智能客房控制系统[J].微计算机信息,2005,21：1-2.

[3]李敏，孟臣.基于CMOSensTM技术的数字式温湿度传感器及其应用[J].传感器世界,2004,(4):8-9.

[4]刘良福.基于AT89C51的燃气泄露报警与应急处理器[J].微计算机信息,2005,21：9-12.

[5]沙占友.智能传感器原理及应用[M].北京:电子工业出版社，2004：313-316.

责任编辑：胡德明

Abstract:One type of Intelligent Home Control System based on single-chip computers is introduced.The system can not only examine and control humiture of the environment,fuel gas leak,fire and burglary but also handle some emergencies.

Key words:single-chip computer;intelligent control;gas sensor;fire alarming;burglar alarming

Intelligent Home Control System Design

Zheng Weihui
(School of Information Engineering,Huangshan University,Huangshan 245021,China)

TP237

A

1672-447X(2010)04-0016-03

2010-09-06

郑惟晖（1983-），安徽歙县人，黄山学院信息工程学院教师，研究方向为自动控制。