基于AT89C51的室内智能化控制系统设计

任成伟，师剑军，刘俊杰，张 勇

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

基于AT89C51的室内智能化控制系统设计

任成伟，师剑军，刘俊杰，张 勇

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

基于AT89C51单片机设计了一套不依赖智能开关，即用即加的室内智能化控制系统，通用的部分分门禁系统、智能电器、智能感知3个模块，分别以电子密码锁、ZigBee组网和红外接、发设备、各类传感器为主，旨在使用户摆脱对安防问题的困扰，方便对智能设备的使用。

AT89C51，智能化，红外设备

0 引言

随着科技的发展，室内智能化控制越来越被用户所期待，市场上逐渐涌现出一些智能产品，但多数需要和智能设备配套使用或者以智能开关为依托，不能满足用户在现有产品基础上增加智能功用的需求。本文基于AT89C51单片机设计了一套室内自动化控制系统，使用户不仅可以摆脱室内安防问题的困扰，还可以轻松掌握室内温湿度情况，并方便灵活地控制一些基于红外设备的电器，达到了减轻压力，提高舒适度的目的，是办公室、实验室、教室与家庭等场所智能化不错的选择。

该系统尽量覆盖室内有智能化需求的地方，并根据实际需求即用即加，通用的部分分门禁系统、智能电器、智能感知3个模块。其中门禁系统以电子密码锁为主并设计遥控开锁功能；智能电器模块分为ZigBee组网、红外发射与接收部分；智能感知模块分为防盗传感器电路、烟雾报警电路、温度检测、湿度检测部分。具体布设如图1所示：

图1 系统框图

1 门禁系统（电子密码锁设计）

电子密码锁分为密码设置、本机开锁、遥控开锁3个部分。密码设置时，按键选择密码后按“#”确认即可。另外，该部分特意设计了模拟显示电路，以便提醒用户是否有键被按下。有键被按下显示“F”，没有则不显示。本机开锁部分，密码输入正确并按“#”确认后，输出高电平驱动电磁锁完成开锁。同时电路延时5 s，然后回到初始闭锁状态。当密码输入过程间隔3 s以上或未按“#”确认，电路自动恢复到初始状态。当密码输入错误，蜂鸣器发出报警信号，持续5 s来提醒用户。若选择遥控开锁，本机键便会被锁死。用户手持遥控器按下按键，发出数字，被对应的接收头接收，并将光信号转换为电信号，然后通过与原先设置的数据进行比较来判断是否开锁。

图2 电子密码锁流程图

1.1 发射部分

图3 发射部分硬件电路图

发射部分以AT89C51芯片作为核心，由复位、晶振、红外发射器等部分组成［1］。工作原理是：首先由串行发射口发出数据信号；其次送入P1.1口，并进行内部调制；最后由P1.2口送出至红外发射管，并由此发射出信号［2］。（该部分也可被后文设计的遥控器学习后所替代。）具体硬件电路如图3所示。

1.2 开锁部分

该部分的电路也以AT89C51为核心，P1口中的P1.0、P1.1、P1.2与全部P0口外接本机键盘；P1.3口外接蜂鸣器，中间接有信号放大器，用来放大电信号；P1.4口外接LM386电源的控制电路，使得只有报警时才驱动电路，从而控制电源；P1.5外接密码选择按键，设0到9加“#”共11个按键；P1.6口外接遥控接收头；P2口全部外接数码管，当有键被按下时，数码管会显示“F”。EPROM内可存储2套密码，显示器方面选用7段共阳极LED（只要将8位并行输出与显示块的发光二极管引脚相连即可）外加10个独立按键，并配有10根I/O口线。具体硬件电路如图4所示。

图4 开锁部分硬件电路图

2 智能电器模块

智能电器模块，在ZigBee（短距离无线通信协议）技术的基础上，引入可学习型的红外遥控设计。使用红外遥控部分对室内电器遥控信号进行学习，把相应编码存储在EEPROM里，当接收到对某一电器控制的指令时，便会调用存储数据通过SPI协议传输到CC2530设备，再分发到每个被控房间的红外发射设备，使用户可以无间距地、方便地控制各种电器。

ZigBee技术的特点是：成本低、功耗低、传输速率低，而且可以作为网络协调器、网络路由器和网络终端设备［6］。本设计采用CC2530芯片与Z-stack协议来构建ZigBee网络通信，在可以实现红外控制电器的房间配置红外发射设备，构成简易的室内红外无线控制网络。

图5 智能电器模块

遥控部分以AT89S51为红外遥控器的解码核心［3］。当用户同时按下该遥控器的学习按键与被学习遥控器的按键，红外信号接收模块把接收到的信号解调，使其变成一列串行信号。这时，单片机采集其特征信息，并记录下来。此后，单片机将有用信号提取，存储在EEPROM里。发射时，AT89S51通过SPI协议把对应按键存储的编码信息传输到CC2530，通过ZigBee网络把红外编码信息发送到对应的发射终端。此后，利用单片机模拟出38 kHz的载波，对编码信息进行脉宽调制，这时编码信息会变成红外信号，发出后便可进行红外控制。

遥控器分为自学习与发射两种工作模式［4］。自学习模式中，通过对高低电平的脉宽进行测量并记忆存储，达到学习的目的。该模式下，当检测到红外信号时，定时器启动，检测输入端口是否有电平变化。有变化时，记录下变化过程中每一个高低电平的脉宽。当脉宽超过66 ms，寄存器便会溢出，记录过程中断。此时，数据被存入数组中。此后，数组中的数据将被转写到对应的EEPROM里，该过程由写入函数执行。发射时，会从EEPROM中调用存储的编码以进行相应器件的控制。该部分主要由接收头、存储器、光电转换放大器、解码电路与红外发光管驱动电路组成。

发射模式中，先读取位于存储器中的编码信号，再利用硬件电路放大并发送出去来控制器件。单片机对矩阵键盘进行不间断的扫描，当检测到有键按下，便会立即从存储器中提取数据。所提取的数据与按下的键值一一对应。此时，数据搭载由定时器产生的38 kHz的信号从I/O端口输出，经三极管放大后，送红外发射管发出，这样就可以得到一个完整的红外遥控信号。该模式主要分为存储器、4*4矩阵键盘、三极管放大电路、LED与红外发送器几部分。

3 智能感知模块

智能感知模块主要设计防盗传感器电路、烟雾传感器电路、温度检测电路、湿度检测电路等部分。目的是显示室内温湿度情况，超过设定门限蜂鸣报警提醒用户，并在室内无人时，如果发生火灾、盗窃等事故可及时蜂鸣提醒邻居，一定程度上解决了用户安防问题的困扰［5］。

3.1 防盗传感器电路

防盗传感器电路部分用来检测窗户边上是否有人，从而达到防盗的目的。该部分由自动红外探测器、三极管及相应的电路组成。接收部分正常接收到发射部分发来的红外线时，输出给单片机高电平信号。有障碍物挡住光束时，三极管截止，输出给单片机低电平信号，即检测到窗户边上有人了。

图6 红外遥控器硬件图

图7 防盗原理图

3.2 烟雾传感器电路

烟雾传感器的作用是通过监测环境中烟雾的浓度对火灾进行防范。考虑到一些对烟雾敏感的实验环境的需求，本文采用技术先进、工作可靠的离子式烟雾传感器。该传感器使用方便，连接简单，做到了真正意义上的即插即用。使用时，气敏元件的6个管脚中，有2个用来提供给器件加热电流，其余4个用来输出信号至终端［6］。具体如下页图8所示。

3.3 温、湿度检测

温、湿度的检测采用DHT11数字温湿度传感器，将其直接与CC2530相连，可以很方便地将温、湿度情况传给终端。它在适用温区范围内具有灵敏度高、线性好、功能全等优点，且功耗小、体积小，连接方法简单。图示4引脚中，一脚接电源正，一脚接电源负，一脚悬空，一脚为串行数据，单总线直接接于CC2530的I/O口。终端与加湿器相连，若湿度低于门限，加湿器自动工作，至湿度恢复标准值为止［7］。

图8 烟雾传感器电路

图9 温、湿度检测原理图

4 结论

经过实物组装与软硬件调试，3个模块均未在连续多天的实验中产生明显故障，工作正常。电子密码锁可自由设置密码，本机开锁和遥控开锁均运行流畅。红外遥控器学习了处在不同房间的电视与空调信号，发射时，通过ZigBee组网传输给对应房间的红外发射管，再进行发射，能有效控制电视与空调的开关。各类传感器均能实现预定目的，设置不同阈值也基本不影响器件的灵敏度与工作效率。系统整体测试效果良好，但因设备限制也仅仅可作为人工向全智能化、全自动化控制的过渡。这也是今后在该领域研究中的焦点。

［1］李珍，王国宇，崔丽娟.基于FPGA的可靠性电子密码锁设计［J］.现代电子技术，2013，36（7）：151-153.

［2］陆继远.电子密码锁的FPGA实现［J］.微计算机信息，2011，27（7）：3-5.

［3］方红萍，王阳.具有学习功能的通用红外遥控系统关键技术的研究［J］.计算机时代，2009，27（3）：20-21.

［4］芦健.自学习型智能红外遥控器设计［J］.国外电子测量技术，2006，25（8）：63-66.

［5］蒋立兵.基于STM32的智能家居控制系统的设计与开发［D］.北京：北京邮电大学，2011：20-43.

［6］张水平，李晓波，张凤琴.ZigBee在多传感器信息集成中的应用［J］.计算机工程与设计，2012，33（1）：41-46.

［7］高检，方滨，尹金玉，等.ZigBee无线通信网络节点设计与组 网 实 现 ［J］. 计算 机 测 量 与 控 制 ，2008，16（12）：1912-1914.

［8］霍晓丽，刘云朋.单片机原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2015.

［9］李金山，沈明山.电子系统设计［M］.北京：电子工业出版社，2012.

Design of Intelligentize Control System of Indoor Base on AT89C51

REN Cheng-wei，SHI Jian-jun，LIU Jun-jie，ZHANG Yong
（School of Air Defense and Anti-missile，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The article designs an intelligentize control system of indoor base on AT89C51without rely on intelligentize switch，which also could add optionally as the need of users.There are three modules in commonly part，which are gate lock system、intelligentize electrical equipment system and intelligentize perception system，and electron password lock、the net of ZigBee、infrared device and kinds of sensors are the main devices.The purpose of the design is to make users get rid of the puzzle of safety and defense，and make them control intelligentize equipment system convenient.

AT89C51，intelligentize，infrared device

TP332.2

：A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.06.041

2016-05-05

：2016-06-07

任成伟（1993- ），男，山西吕梁人，硕士生。研究方向：现代检测技术。

1002-0640（2017）06-0179-04