智能家居环境检测系统设计

李红岭，张 华，杨 梅，贾尚云，高晓阳

(甘肃农业大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 引言

近年来随着人们健康意识的提高，对于住宅室内环境的要求也越来越高，因此人们会更加注重居家环境的变化。把握环境的变化，调节空气中的温湿度，才会有一个适宜的居家环境。为确保拥有优质的家居环境，实时检测家居环境，获取精确环境信息，显得尤其重要[1～3]。本文结合生活实际，利用智能化技术，设计了功耗极低、电路简单并能长期稳定运行的智能环境检测系统，为改善居家生活环境添砖加瓦。

2 设计方案

通过几种方案的成本、功耗、可靠性等多方面的比较与实验，最终确定方案框图如图1所示，以单片机AT89C52最小系统为控制核心，由温湿度采集电路、人机接口电路、显示电路、驱动电路以及报警电路几部分组成。温度和湿度数据的采集选用将感湿元件和测温元件相结合的复合温湿度传感器DHT11完成，DHT11将采集到的信号转化成数字信号后送入AT89C52单片机，单片机接收DHT11输出的数字信号并对数据进行处理输出到显示器LCD1602进行显示。与此同时单片机将人机交互按键预设的参考值与DHT11测量的值进行比较，根据比较结果判断是否启动报警电路与加湿、加热装置。

3 硬件电路设计

3.1 单片机最小系统

单片机最小系统电路主要由单片机芯片、复位电路和晶振电路三部分组成，如图2所示。单片机芯片是系统控制的核心；复位电路采用手动复位，在使用过程中，想重新开始，或单片机发生死机的故障时，方便随时重启系统；晶振电路相当于电脑的主频，控制单片机有节奏、有步骤地工作。

图1 系统框图

3.2 显示电路

显示电路选用体积小、通电电压小、耗能很低，能够显示文字、图形和各种符号的液晶显示LCD1602，用于实时显示外界环境中的温湿度值和手动预设的温湿度。与单片机的接口电路如图3所示。

3.3 温湿度采集电路

温湿度的采集选用将感湿元件和测温元件相结合的复合温湿度传感器DHT11。DHT11是一种能输出数字信号并且信号已校准的复合式传感器，能够同时测量温度和湿度并直接将温度和湿度的物理量转化为电信号，其与单片机的接口电路如图4所示。其中DATA引脚(数据端)连接单片机P1.0口，将采集的温度和湿度以数字量的形式输入给单片机，1号引脚连接电源，4号引脚接地。

图2 单片机最小系统

图3 显示电路

图4 温湿度采集电路

3.4 人机接口电路

人机接口电路包括4个独立式按键，单片机P3.4-P3.7口分别与K1、K2、K3、K4连接；K1键按一次为预设温度最高值，按两次为预设温度最低值，按三次和四次分别为预设湿度最高值与最低值，按第五次则返回到正常显示界面。K2和K3按键用于加减预设温度或湿度值，K4按键为确定储存键，用于保存设置好的参数。与单片机接口电路如图5所示。

图5 人机接口电路

3.5 数据存储电路

电路选择了24C02C电路作为温度、湿度参数的储存电路，掉电时存储的数据不会丢失，当温度或湿度值预设定后，按下K4键24C02C将设定的温湿度存储下来。与单片机的接口电路如图6所示，SCK和SDA引脚分别与单片机的P3.2和P3.3引脚相连。

图6 数据存储电路

3.6 报警电路

本设计报警电路由蜂鸣音报警和灯光报警构成，如图7所示蜂鸣音报警电路连接单片机P2.3口，当单片机检测到的温湿度超出预设范围时P2.3会得到一个低电平，这时三极管Q1导通。

图7 报警电路

3.7 加温加湿电路

如图8和图9所示，加温、加湿电路分别连接单片机的P1.7引脚和P1.6引脚。为便于电路的调试，将加热和加湿装置用电机代替。以加温电路为例介绍其工作原理，单片机将传感器采集的数据与预设值进行比较后，若温度值低于预设下限值时，单片机会给P1.7引脚一个低电平，经电阻R10三极管Q2时继电器吸合驱动加热装置进行加热，当温度高于下限值时P1.7变为高电平、继电器断开，加热装置停止工作，系统加热停止。

4 软件设计

主程序流程图如图10所示。系统采用模块化编程，主要有程序初始化模块、按键扫描程序模块，数据采集程序模块、显示程序模块、报警程序模块、加温程序和加湿程序模块。

图8 加温电路

图9 加湿电路

图10 主程序流程

5 结语

本次设计采用传感器技术和单片机技术，结合显示器、人机接口电路、蜂鸣器、继电器等外围电路实现了对家居环境温湿度的智能检测。传感器DHT11作为温湿度数据的采集电路，其数据端可直接与单片机引脚相连，使系统电路连接大大简化，降低了后期制作电路的成本。该系统人机接口电路能预先设定适宜的温湿度范围，可以适用于人们对不同环境的要求。该系统实时性强且能够长期可靠稳定运行，为改善居家生活环境起到了积极的作用[4,5]。