家庭智能监测系统设计

李怀亮

(绥化学院电气工程学院 黑龙江绥化 152061)

家庭智能监测系统设计

李怀亮

(绥化学院电气工程学院 黑龙江绥化 152061)

利用单片机进行控制操作，主要对家庭生活中的有害气体、温度、湿度等的监测，并通过12864液晶屏对监测数据进行实时显示，当有害气体超标时蜂鸣器将自动发出报警，另外利用液晶屏的滚动效果设有时钟显示功能，还可以用来作为语音留言使用，提醒家人，以此来提高人们安全、舒适、方便的居家生活。

家庭；单片机；传感器；监测

随着经济的快速发展，科学技术的不断提高，人们对自己的家庭生活也有了更高的需求，显然家庭生活的安全性是最重要，其次就是舒适性。本设计方案主要是利用单片机进行操作控制，通过可燃气体传感器、温度传感器、湿度传感器对室内的有害气体、温度、湿度进行实时监测，并通过12864液晶屏对数值进行实时显示，当环境中超出人体正常适应环境或达到一定危险系数，单片机将做出及时反映，控制12864液晶屏显示报警信息，并控制扬声器把预先存在语音芯片里的报警声音播放出来。主要用到的器件有12864液晶屏、高速AD模块ADSS7852、温度传感器DS18B20、可燃气体模块、湿度传感器、ISD4004语音芯片。

图1 家庭智能监测系统总体方案框图

一、硬件设计与实现

（一）温度传感器DS18B20。

图2 温度传感器电路图

在本设计中，温度的读取才采用的数字温度传感器DS18B20[1]，它采用独特的单线接口方式，DS18B20在与单片机连接时仅需要一条导线即可实现单片机与DS18B20的双向通讯。首先要检测出各个引脚的功能与接法。为了更精确的读取温度值，本设计设置了三个DS18B20进行温度读取，并把数据传送给单片机，经单片机进行平均值计算处理，以此来提高数据读取精准度，也方便知道整体温度家庭整体情况。

湿度监测利用的是DS18B20传感器,由三个DS18B20通过一根总线输入与输出。首先分别检测出三个湿度传感器DS18B20内部的序列号，三个湿度传感器读取数值后，由单片机计算出平均值，然后由液晶屏显示，“厨房温度”“客厅温度”“卧室温度”室内平均温度。

（二）显示部分12864液晶屏。液晶屏的选用首先要考虑到体积、功耗、温度、显示操作等条件，其次就是液晶屏的工作原理及其各引脚的接口功能作用，本设计主要应用的接口有1引脚和20引脚接地，2引脚和19引脚接5V电源，4脚（RS）与单片机P3.0口进行数据/命令的选择，5脚（SID）与P3.1口进行读/写选择，6脚与P3.3进行使能信号，7至14引脚（D0-D7）接单片机P1口进行数据传输。液晶屏是重要的显示元件，能够在运行过程中方便用户读取数据，还有要求在运行过程中能准确地显示单片机实时监测出来的数据，本设计在运行过程中利用程序让液晶屏进行滚动显示，因此对液晶屏的稳定性和程序与硬件的兼容性有了更高的要求。

（三）时钟芯片。时钟芯片用的是DS12C887[2]，在液晶屏的显示内容为(年、月、日、时、分、秒)，并设置有对它们进行调节的三个按键，一个为进入设置键，可以选择调节哪一个部分；一个进行加一键（这里设置减一的键）；还有一个退出键，具体操作为1、2、3、4个按键，1按键为进入开始设置界面按键，2按键为调节设置哪一部分按键，按2键时进入设置时，既可以逐次进行设置，也可以进行循环设置，此时3按键为对部分进行加一设置，4按键为总退出键，在此时必须先按1键小退出，然后再按总退出。

（四）ISD4004语音芯片。

图3 语音模块电路图

语音报警部分用的是ISD4004语音芯片[3]，具有8 分钟语音录放功能；内置控制器串行通信接口；3V 单电源工作；可以多段信息处理；工作电流25-30mA,维持电流1μA；具有高质量、自然的语音还原技术，自动静噪功能，提高了语音高清度；片内免调整时钟,可选用外部时钟。在本设计中ISD4004语音芯片内预先存储有录好的报警声音，当危害程度到达设定的报警范围，单片机发出指令语音芯片会播放报警声音。

本设计还设置有语音留言功能，最长录音为三分钟，在晶振为11.0592Hz时实际录音时间为2分54秒，方便用户不在家时，可以通过预留的信息传递给家人，本录音功能巧妙地利用了一个三项开关，可以完成两个单片机工作之间的方便转换，第一个单片机为进行实时监测的，第二个为进行录音与放音的。本录音功能总共可以录制两条录音。并在P2. 0~P2.3口分别接一个LED发光二极管进行亮度指示，设置有RST按键，此按键为紧急退出键，可在此录音环境中任意时刻终止单片机活动，此时将进入初始状态。

第一条录音与放音。按下与P3.2相接的按键，将进入第一段录音与放音环境，此时四个指示灯全部点亮；按下与P3. 5相接的按键，将进入开始录音环境，此时第一、三个指示灯点亮；按下与P3.6相接的按键，将进入开始播放第一段录制的声音，此时第二、三指示灯点亮；按下与P3.7相接的按键，将结束第一条录音的录制或播放。

第二条录音与放音。按下与P3.3接的按键，将进入第二段录音与放音环境，此时四个指示灯全部点亮；按下与P3.5相接的按键，将进入开始录音环境，此时第一、四个指示灯点亮；按下与P3.6相接的按键，将进入开始播放第一段录制的声音，此时第二、四指示灯点亮；按下与P3.7相接的按键，将结束第一条录音的录制或播放。

（五）湿度传感器。湿敏传感器传输方式是模拟信号，读取信号后由AD7852转化成数字信号，然后把数字信号传给单片机，单片机转化成十进制，以百分比的形式显示。在与是好的值比较。是否是“适合”“干燥”还是“潮湿”。通过液晶屏的实时显示来告诉用户，室内的湿度情况。

（六）高速AD模块ADS7852。单片机在采集模拟信号时，通常都需要在前端模拟量/数字量的转换器，也就是A/D芯片，本设计用到的ADS7852是12位并行A/D芯片，它是一种逐次逼近式8路模拟输入，12位数字量并行输出的A/D转换器。在8MHz时钟输入条件下，其采用速率可达500Ksps。ADS7852的参考输入电压为2.5V（本设计选用的是5V电压），8通道电压的输入范围是0至5V。

其中，AIN0至AIN7:8路模拟信号输入端；DB0至DB11：12位数字量输入端；VREF：参考电压输入端；CLK：外部时钟输入端，ADS7852的最高采样率为CLK的1//16；CS：片选信号，低电平有效；WR：写信号，低电平有效。BUSY：ADS7852状态输入端。

本设计中ADS7852的工作过程为：首先用指令选择ADS7852的一个模拟输通道，当执行MOVX @DPTR，A时，启动被选择通道的转换，BUSY信号被拉低。当转换结束后，BUSY信号被拉高。CPU检测到BUSY信号被变高后，发出指令MOVXA,@DPTR,把该通道转换结果读到A累加器中。再由CPU进行数据处理。

（七）可燃气体模块。可燃气体传输方式是模拟信号，由AD7852把模拟信号转化成数字信号，在把数值传给单片机，然后由单片机判断是否超标。如果超标，液晶会显示“超标”字样，语音芯片会做出相应的报警，始终实时检测是否超标。直到监测空气中可燃气体不超标为止。

因为湿敏、可燃气体传感器检测的是模拟量然后转换成数字量，通过单片机进行运算，然后再由液晶显示，主要显示有湿度浓度（“干燥”“适合”“潮湿”）、可燃气体是否超标，这两个传感器检测到超标或不适合，会进行提示。

二、软件程序设计

接通电源，系统进入初始化，初始化后，各传感器开始进入工作状态，温度传感器开始收集室内温度情况并通过LCD液晶屏实时显示，湿度传感器开始收集室内湿度情况并通过LCD液晶屏实时显示，当可燃气体传感器检测到空气中存在有害气体时，系统将自动报警并通过LCD液晶屏实时显示，通过时钟调节按键按钮可以对时间进行调节，通过录放音按键按钮可以进行录放音，并通过指示灯显示。

图4 温度程序流程图

图5 时钟程序流程图

图6 可燃气体流程图

三、总结

特色列举：用三个DS18B20监测不同位置温度，并求平均值使测量温度更加准确。本系统增加语音录放功能，可提醒家人，并使家庭生活更加有乐趣。

系统适用范围：家庭智能监测系统是利用先进的计算机技术、电子检测技术、自动化控制技术、依照室内国家统一安全标准，融合个性需求，将与家庭生活有关的各个子系统如温度控制，湿度控制，煤气阀控制等有机地结合在一起，通过单片机智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家庭生活体验。

家庭智能监测系统让您轻松享受生活。出门在外，你不用担心家中的安全，无需为自己是否出门时忘记关水关气，休假在家，家中的所有情况一目了然，系统自动控制家中的温度湿度，让你随时享受最舒适的家庭环境。总之，家庭智能监测系统能够有时间享受生活的舒适，同时更环保经济。正如比尔·盖茨所言：在不远未来，没有家庭智能监测系统的住宅会像今天不能上网的住宅那样不合潮流。

[1]李钢，赵彦峰.1-Wire总线数字温度传感器DS18B20原理及应用[J].现在电子技术，2005（21）：77-79.

[2]田富洋，李晋洋，李法德，等.DS12C887在单片机系统中的应用[J].电测与仪表，2005（3）:62-63.

[3]张常年，王振红，郝承祥.ISD4004语音芯片的工作原理及其在智能控制系统中的应用[J].元器件应用，2010（6）：22-23.

[责任编辑 郑丽娟]

Design of Family Intelligent Monitoring System

Li Huailiang
(School of Electrical Engineering,Suihua University,Suihua,Heilongjiang 152061)

The use of single-chip microcomputer control operations,mainly on the family life of harmful gases,temperature,humidity and other monitoring,and through the 12864 LCD screen monitoring data for real-time display,when the harmful gas exceeded the buzzer will automatically send an alarm,the other The use of LCD screen rolling effect with a clock display function,can also be used as a voice message to remind the family,in order to improve people safe,comfortable and convenient home life.

family;single chip;sensor;monitoring

TP391

A

2095-0438（2017）06-0146-04

2016-11-02

李怀亮（1982-），男，黑龙江兰西人，绥化学院电气工程学院讲师，研究方向：单片机应用与设计。

黑龙江省教育科学“十三五“规划2016年重点课题（编号：GJB1316115）。