基于STC89C52单片机的智能家居监测器设计与实现方案

摘  要：对智能家居使用需求进行了研究，分析了传统家居监测现状，进行了智能家居监测可行性调查，提出了一种基于STC89C52单片机的控制方案，设计了一款嵌入式智能家居监测控制终端。以ARM7TDMI处理器为核心，集主控单元、蓝牙功能、数字温湿度传感器、继电控制、无源蜂鸣报警及电源稳压等为一体，通过扩展RF模块组建智能Wi-Fi无线网络，使用无线通信进行实时监控与远程控制，对智能家居环境温湿度进行监测调控，提升家庭生活现代化水平。

关键词：STC89C52单片机;智能家居监测器;设计与实现;集成方案

中图分类号：TP368           文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）01-0175-04

Abstract： This paper studies the use requirements of smart home， analyzes the current situation of traditional home monitoring， investigates the feasibility of smart home monitoring， puts forward a control scheme based on STC89C52 single-chip microcomputer， and designs an embedded smart home monitoring and control terminal. Taking ARM7TDMI processor as the core， it integrates the main control unit， Bluetooth function， digital temperature and humidity sensor， relay control， passive buzzer alarm and power supply voltage stabilization， establishes an intelligent Wi-Fi wireless network by expanding RF module， uses wireless communication for real-time monitoring and remote control， monitors and regulates the temperature and humidity of smart home environment， and improves the modern level of family life.

Keywords： STC89C52 single-chip microcomputer; smart home monitoring meter; design and implementation; integrated solution

0  引  言

當前社会背景下，市面上出现了大量的智能家居产品，尤其随着近年来信息化越来越普及，家庭中的通信终端、智能家电越来越多[1]。如今是互联网时代，更是万物智能的“物联时代”，智能家居产品的出现，让家庭信息化和现代化成为一种时尚和潮流，正是生活水准的提高，进一步激发了人们对于居家环境的多样化、个性化追求。因此，如何针对智能家居产品进行更好地监测与控制，营造更加舒适的居家环境，俨然已成为社会关注的焦点所在[2]。本文基于上述需求，在充分考虑监测控制方案的可行性、便捷性与经济性基础上，提出一种基于STC89C52单片机的控制方案，旨在使得家居生活变得更加轻松便捷、简单舒心，充满无限乐趣。

1  智能家居监测器总体设计方案

1.1  监测原理

智能家居监测器是现代家庭智能化设备的核心控制终端，目前人们对物联网的认知在不断深化，使得家电的网络化日益受到重视，智能家居不仅能够给用户提供便捷的智能化生活环境，更能够提供舒适、健康和安全的居家环境，但要想实现居家环境控制智能化与自动化，就必须要借助嵌入式智能家居控制终端来对家居中的相关智能家电产品进行实时监测与运行状态遥控。目前，主流的智能家居控制终端是带有Android系统的智能手机，但是它作为为一个中央媒介解释器往往具有一定的局限性，比如数据处理、协议转换等均需要依赖于控制终端自带的Wi-Fi模块或无线RF模块，为了实现对用户居家环境中温度和湿度参数进行实时监测与调控，同时维持和营造一个更加适宜人体生活的健康居住生活环境，本研究以STC89C52单片机作为系统主控单元，分别借助继电保护、报警、温湿度模块以及电源模块等实现蓝牙/Wi-Fi小程序进行信号处理并传送信号，通过STC89C52单片机监测居家环境的状况，由温湿度传感模块实时将相关监测数据传输到用户智能手机中，这种基于单片机控制的智能家居监测器设计与控制策略能够实现人机交互和无线远程开关控制，用户每发送一次控制指令，系统报警模块就会触发相应警报，由此保护监测器的安全[3]。

1.2  控制过程

串口按“位”来接收和发送字节就是“串口通信”，虽然串口通信要慢于并行通信，但是由于串口通信过程中的“串口”是一步的，所以只需要两根线就能进行数据通信，其中一根用来数据接收，另外一根则用来数据发送。同时，来自CPU的并行数据经过串行接口，即可快速转换为连续的串行数据流，并将其实时发送出去。另外，串口通信模块的功能是将系统实时接收到的串行数据流转换为并行的数据字符并供给CPU器件[4]。

2  智能家居监测器硬件模块选型及功能设计

2.1  主控单元

STC89C52单片机是一种CMOS8位的微型控制器，与传统的STM32单片机相比，它具有“性能高”“功耗低”等优点，同时该单片机内置有3个16位定时器/计数器，4 kB EEPROM，4个外部中断及MAX810复位电路，基于全双工串行口作为本智能家居监测器主控单元的串行通路。该模块主要作用是负责采集蓝牙终端与温湿度监测模块发送的数据信息，同时针对系统报警装置与继电装置相关信号进行处理与分析，然后再将其发送给HC-05蓝牙小程序[5]。

2.2  蓝牙模块

HC-05蓝牙模块主要作用是实现STC89C52单片机与用户手机之间的相关信息传递，在信息传输过程中，蓝牙模块首先需要对用户实时发送的相关监测控制指令进行接收，然后基于HC-05模块的TXD发送终端将系统接收的相关控制指令传输给STC89C52的RXD接收端，中间经过主控单元模块进行信息处理之后，再由TXD发送终端将单片机的信息数据指令传输给RXD接收端，最终借助HC-05蓝牙模块将操控信息指令发送到用户手机控制终端[6]。

2.3  温湿度数字传感模块

在温湿度控制模块，本系统内置具有实时仿真和跟踪功能的LPC2214微控器主控芯片，基于16/32位的ARM7TDMI内核的ARM处理器，外接112个GPIO口与2个SPI串行外设接口，采用DHT11数字温湿度传感器对家居环境的温度和湿度等实时数据进行智能监测与控制。该传感器是一款标准化的数字信号传感器，它相比于传统的DS18B20传感器而言，同时复合了温度传感器与湿度数字传感器，因此既能测量温度，又能监测家居环境的湿度[7]。

2.4  继电器控制模块

本监测器所使用的继电器模块直流电压可达5 V，其操作的环境温度为-40°～85°，工作运行的湿度环境为45%～85% RH，SRD-05VDC-SL-C继电器模块的实际开关容量为10 A左右。

2.5  触发报警模块

触发报警模块是智能家居监测器的发声模块，该模块主要功能是对智能家居环境中的人和物进行实时监测与记录，比如实时追踪和监测室内人体的行动是否异常以及人体体征是否正常等，在智能监测过程中，监测装置需要利用激光传感器实时监测室内人的进门或出门动作，该传感器由于是激光对射式传感器，所以需要将其安装于用户的房间门口，一般两对即可，没对均包含1个接收部件和1个发射部件，通过传感器进行超声波测距，监测人体是否有跌倒的风险，并及时报警送医。同时，该报警模块也是智能家居环境重要的安防模塊，它主要负责室内房间的电、气、火等使用状态，以防触电、煤气中毒、火灾以及小偷侵入等，保证居家生活安全[8]。

2.6  降压稳压电路模块

电源是智能监测器工作运行的动力保障，只有当监测器处于正常的工作电压之内，才能可靠监测，相反，如果电压出现大幅波动，可能会降低监测器工作稳定性，所以结合目前市面上各类线性电源适配器，本系统充分考虑到稳压电路的优点，最终选择采用12 V 0.5 A AC/DC左右的电源给智能监测器供电，经过降压稳压电路使电源实际电压稳定在5 V左右。该电源适配器体积小、功耗低、绿色环保，价格更加低廉，是智能家居的不二之选。

3  智能家居监测器软件功能的实现

3.1  主控单元的实现

晶振电路、强上拉电路及复位电路共同组成乐STC89C52单片机的主控单元部分，因此在主控单元功能实现过程中，需要按图1所示要求将强上拉电路设计于P0口，从而使其保持高阻态的上拉电阻和高电平状态。在系统运行时，只有保证P0、P1、P2口都被占满时，再考虑使用P3口。

3.2  蓝牙功能的实现

为了便于共地通信与串口通信，本系统在Wi-Fi模块基础上外接HC-05蓝牙模块，与STC89C5单片机进行数据通信，既保证了传输数据的可靠性与稳定性，又实现了远程控制，通过给HC-05模块设计一个低功耗、低成本的4脚2.54 mm间距的插座，可与单片机实现共地通信，也能为蓝牙模块供电，传输速率更快更稳定，而且大大方便了用户检修与更换。

3.3  数字温湿度传感

本系统配置的DHT11传感器是一款外接型的数字温湿度传感器，其数据测量结果准确，能够针对系统输出的温度和湿度信号数字进行自动校准，同时本研究还设计了一个方便用户更换与检修的4脚2.54 mm的插座，通过上拉电路避免高du/dt的干扰，采用SDA数据传输引脚设计确保智能家居环境中的温度与湿度数据传输稳定。

3.4  继电控制开与关

在继电控制模块实现过程中，选配松乐5 V继电器，它能够通过10 A的最大电流，电磁开关安全系数高，可针对弱电进行强电控制，不会产生火花。但是，在继电器工作过程中，通常需要较大的电流，所以本研究采用如图2所示实现流程，基于三极管放大电路将继电器电流放大至90～100倍，同时将一个续流二极管回路设计于继电器一端，从而对继电保护装置进行开关控制，它具有关断快、开通快的优点，在此基础上，搭配了一个红色的LED指示灯，让用户实时了解和掌握继电保护装置的工作状态。

3.5  无源蜂鸣器报警

智能家居监测器报警模块工作原理是无源蜂鸣器利用电磁感应原理，通过P1.2口输出低电平，将无源蜂鸣器触发导通，发出报警信号，从而为音圈接入交变电流后形成的电/永磁铁相吸或斥来推动振膜发声，所以只有当报警模块接入直流电之后，并且当无源蜂鸣器开关接通时才能持续推动振膜发声，为了实现实时报警，在系统实现过程中，仍需要将电流放大90～100倍，从而使无源蜂鸣器的驱动电流依靠三极管放大电路放大并输出P1.2口方波信号。

3.6  电源稳压

本智能家居监测器电源稳压模块主要由三极稳压电路、红色的电源指示灯以及6脚电源自锁开关、DC2.0电源接口几个部分组成，在电源稳压时，首先需要通过LM7805将12 V的直流电压降低为5 V，本研究以三极管为核心，基于三极管b/e极导通压降为0.7 V的原理，利用稳压管设计了低成本的三极管稳压电路，当实时电压达到5.6 V才能使整个电压模块实现完全导通，由此保证稳压电路的使用安全性。

4  结  论

在实现上述全部软硬件基本功能之后，本研究还需针对本智能家居监测器进行运行稳定性测试，在测试环节，本研究采用了低电平触发的无源蜂鸣器、最小核心板的继电器和STC89S C52单片机，搭载5 V稳压电源模块及带上拉电阻的HC-05蓝牙、DHT11温湿度传感器。

经过在实物测试环境下进行运行测试，经多次试验后，本系统温湿度传感器的控制精度为±0.25，通信最远距离为20.6 m，当家居室内的温度和湿度达到用户设定的最高阈值时，监测器自动通过继电保护装置将设备关断，同时无源蜂鸣器发出警报信号，提醒用户防火防灾，理论及试验测试结果均证明了该智能家居监测器工作运行可靠、稳定、安全与经济，可保证室内相关智能家居设备安全。

参考文献：

[1] 陈晓兵.物联网在智能家居中的应用与发展 [J].科技创新与应用，2020（9）：195-196.

[2] 蒙飚.基于无线传感器网络的智能家居系统设计 [J].南宁职业技术学院学报，2014，19（1）：97-100.

[3] 庞泳，李光明.基于ZigBee的智能家居系统改进研究 [J].计算机工程与设计，2014，35（5）：1547-1550+1582.

[4] 齐姝慧.物联网在智能家居中的应用 [J].通讯世界，2019，26（1）：251-252.

[5] 尹小曼，马俊，陈博行，等.基于zigbee技术的智能家居环境监测系统设计与实 [J].自动化与仪器仪表，2019（3）：96-99.

[6] 张瑞英，荊学海.基于物联网的智能家居设计与实现 [J].中国建材科技，2018，27（1）：128-129.

[7] 张佩，汪镭.家居环境质量的智能监测预警系统设计 [J].机电一体化，2013，19（9）：59-64.

[8] 杨文静.罗莱：从睡眠切入智能家居 [J].纺织科学研究，2015（8）：71-72.

作者简介：王静（1983.01—），女，汉族，陕西汉中人，讲师，本科，研究方向：电子技术。