论文部分内容阅读
文章编号： 2095-2163（2018）03-0197-04中图分类号： 文献标志码： A
摘要： 关键词： （School of Electronic Engineering Science， Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China）
Abstract： In modern home life， the comfort and safety of home environment is important. Therefore， the main task of home environment monitoring system is to detect the environment information and obtain the measurement results along with sending out early warning. Based on single-chip microcomputer， the designed portable home environment monitoring system can control a variety of devices by multiple sensors. The system integrates environmental monitoring， air purification， lamp control， gate control and burglarproof， which can improve the controllability， comfortability and security of the home environment effectively.
Key words：
基金项目：
作者简介：
收稿日期： 通讯作者： 引言
随着人类物质生活水平的提高，家居环境的改善越来越受到重视，各种家居环境智能控制系统应运而生。本设计是一个以单片机为核心单元，多种传感器采集信息，输出控制多种设备的便携式多功能家居环境监控系统。该系统集环境监测、空气净化、灯控、门控和防盗于一体，提高了家居生活的品质。
1系统设计
1.1硬件总体设计
本系统采用MCS51系列单片机作为控制核心，多个子系统功能模块协调工作。其中包括：温湿度检测、PM2.5检测、甲醛检测、灯控、门控、空气净化、及报警显示等。液晶显示屏将各传感器采集到的当前家居环境信息参数处理后实时显示，对超标的环境参数进行报警提示并自动控制空气净化模块开始工作；系统还具有人工控制功能，通过键盘输入相应参数，可以根据自身情况设定一些环境参数阈值。系统总体框图如图1所示。
1.2电路设计
1.2.1PM2.5检测电路设计
目前PM2.5测量的原理是采用粉尘采样器抽取一定量的空气，当其通过滤膜时，粉尘会被收集到滤膜上。再用光学检测法中的浊度法，基于朗伯特-比尔（Lambert-Beer）定律测量光透过被测物质后，由于光的散射而使光强减弱，测定通过介质前后的光束的光强比就可确定粉尘的浓度。
PM2.5采集电路如图2所示，专用的LED光散法传感器用来采集空气中的PM2.5颗粒值，三极管 9012驱动磁传感器的LED端，其输出的模拟量通过模数转换芯片ADC0832转换后传送给单片机的P3口。单片机进行运算处理后，在LCD1602液晶屏上显示出测量的PM2.5浓度值，LCD显示电路如图3所示。若浓度值超出设定的阈值，会发出声光预警信号，报警电路如图4所示，电路中采用了蜂鸣器和LED指示灯。
1.2.2门控电路设计
门控电路由FM1702高频读卡器、Mifare射频卡、12864LCD显示模块、矩阵键盘输入、电子锁模块组成，电路如图5、图6、图7所示。FM1702S是应用13.56 MHz晶振频率的高集成度IC，非接触式读卡器，支持多种加密算法，兼容SPI接口，其内部的发射器不需要增加有源电路就可以驱动近距离的天线（可达10 cm）。单片机与高频读卡器进行通信，将卡上信息与合法卡的信息匹配后，决定是否控制电子鎖开启。同时矩阵键盘输入可以选择不同的功能，如密码设置和卡的登记等。
1.2.3温湿度测量电路设计
温湿度测量电路采用的核心元件是DHT11温湿度传感器，其内部包括电阻式感湿元件和NTC测温元件。湿度精度：±5%RH；量程为：20%-90%RH；温度精度：±2 ℃；量程为：0 ℃～50 ℃；可靠性和稳定性较好。输出为单总线数字信号，可以直接连接到单片机的IO口上，电路接线如图8所示。
1.2.4灯控电路
灯控电路由延时、光感、红外感应、拾音电路、继电器驱动等组成，能够检测出室内的光线强度和声音大小。当光线暗并有声响发出时，表示有人走动电路就会自动开启灯光照明，做到人来灯亮，人走灯灭的功能，同时还可以手动开灯，多种开关灯的方式可以极大适应不同场合的要求。
1.2.5液化气检测电路
液化气检测电路如图9所示。系统采用对液化气、天然气和煤气都有较高灵敏度的MQ-5气体传感器，当传感器所处环境中存在上述可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用运算放大器构成的比较器电路即可将电导率的变化量转换为与该气体浓度相对应的输出控制信号。
1.2.6空气净化控制电路设计
在检测电路监测到家居中有害物质或PM2.5颗粒浓度超过设定的最高值时，单片机会产生开机信号给空气净化电路中的控制继电器开启空气净化模式，直到空气中有害物质达到标准时自动停止净化。空气净化控制电路如图10所示。 2软件系统设计
本系统采用keil软件编程，用C语言编写的程序可以调试检查。软件编程采用模块化实现各个子模块功能，用主编程调用各子模块功能 ，最终实现整个多功能家居控制系统的工作过程。
2.1PM2.5检测程序设计
程序首先初始化信息，然后从粉尘传感器检测到PM2.5浓度后，用串口方式将模拟信号经过ADC 0832芯片转换，传输给单片机，计算PM2.5值。为减少测量误差，再将多次采集到的数据通过拟和求平均值的方法，计算出最终测量结果。通过液晶显示屏将PM2.5值显示出来。具体流程如图11所示。
2.2门控系统流程设计
门控系统首先初始化信息，液晶显示屏显示菜单界面，用户通过键盘输入相应功能，将卡放到读卡器上读出信息，由单片机自动核对卡的信息，若合法则开门，反之则报警返回读卡状态。程序流程如图12所示。
其它软件模块编程过程同上，不再一一赘述，各个子模块功能实现后，主编程调用各子程序模块，最终实现整个系统的工作过程。温湿度检测过程如图13所示。
3系统测试
系统硬件设计、组装调试后，在一个模拟的环境模型中运行，测量环境的温湿度以及甲醛浓度。实验过程：首先对家居环境状态进行整体研究，采用传感器采集数据，显示对家居状况的监测与控制，液晶显示器实时显示室内各种参数，显示部分如图14所示。报警电路和空气净化电路及时提醒家居的异常情况，还可将数据传输到计算机中分析环境变化的规律，最后将数据情况显示出来。为进一步完善系统功能，可以在系统中加入无线传输模块及手机远程控制系统，从而使系统的性能更加智能化和完善。
4结束语
便携式多功能家居环境监控系统以单片机为控制核心，通过与多种传感器结合做到了全方位、多功能的监控家居情况，并自动排除安全隐患，在实现安全监控的基础上还加装了灯控电路，智能调配电能，做到智能化用电，节约了能源。系统通过智能防盗门锁电路可以实现门控，做到安全出行，保障了财产和人身安全。系统功能操作简单便捷，是现代家居生活的好帮手。
参考文献
[1] 陈致远，朱叶承，周卓泉，等. 一种基于STMB32 的智能家居控制系统[J]. 电子技术应用，2012，38（9）： 138- 140.
[2] 孟平. 多功能智能家居系统的设计与实现 [D]. 哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014.
[3] 曾思通. 基于STC89C52的智能家居系统设计[J]. 电子质量，2015（12）： 45- 47.
[4] 李宗 . 智能家居中灯光控制系统的研究 [D]. 上海：上海交通大学， 2008.
[5] 叶香美. 单片机控制强电的简单实用电路[J]. 数字技术与应用，201（6）：116-120.
[6] 杨凡. 基于传感器的家居环境监测系统应用与设计 [J]. 电脑知识与技术，2016. 12（16）：87-89.
[7] 韩丹翱， 王菲. DHT11 数字式温湿度传感器的应用性研究 [J]. 电子设计工程 ，2013（13）：83-85.
[8] 董继，张政煊，李铃庆，等. 便捷式家庭安全环境监测分析儀 [J]. 电子制作，2017（4）：99-100.
[9] LIN Yuanxin， KONG Rui， SHE Rongbin. et al. Design and implementation of remote / short-range smart home monitoring system based on ZigBee and STM32 [J]. Research Journal of Applied Sciences， Engineering
摘要： 关键词： （School of Electronic Engineering Science， Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China）
Abstract： In modern home life， the comfort and safety of home environment is important. Therefore， the main task of home environment monitoring system is to detect the environment information and obtain the measurement results along with sending out early warning. Based on single-chip microcomputer， the designed portable home environment monitoring system can control a variety of devices by multiple sensors. The system integrates environmental monitoring， air purification， lamp control， gate control and burglarproof， which can improve the controllability， comfortability and security of the home environment effectively.
Key words：
基金项目：
作者简介：
收稿日期： 通讯作者： 引言
随着人类物质生活水平的提高，家居环境的改善越来越受到重视，各种家居环境智能控制系统应运而生。本设计是一个以单片机为核心单元，多种传感器采集信息，输出控制多种设备的便携式多功能家居环境监控系统。该系统集环境监测、空气净化、灯控、门控和防盗于一体，提高了家居生活的品质。
1系统设计
1.1硬件总体设计
本系统采用MCS51系列单片机作为控制核心，多个子系统功能模块协调工作。其中包括：温湿度检测、PM2.5检测、甲醛检测、灯控、门控、空气净化、及报警显示等。液晶显示屏将各传感器采集到的当前家居环境信息参数处理后实时显示，对超标的环境参数进行报警提示并自动控制空气净化模块开始工作；系统还具有人工控制功能，通过键盘输入相应参数，可以根据自身情况设定一些环境参数阈值。系统总体框图如图1所示。
1.2电路设计
1.2.1PM2.5检测电路设计
目前PM2.5测量的原理是采用粉尘采样器抽取一定量的空气，当其通过滤膜时，粉尘会被收集到滤膜上。再用光学检测法中的浊度法，基于朗伯特-比尔（Lambert-Beer）定律测量光透过被测物质后，由于光的散射而使光强减弱，测定通过介质前后的光束的光强比就可确定粉尘的浓度。
PM2.5采集电路如图2所示，专用的LED光散法传感器用来采集空气中的PM2.5颗粒值，三极管 9012驱动磁传感器的LED端，其输出的模拟量通过模数转换芯片ADC0832转换后传送给单片机的P3口。单片机进行运算处理后，在LCD1602液晶屏上显示出测量的PM2.5浓度值，LCD显示电路如图3所示。若浓度值超出设定的阈值，会发出声光预警信号，报警电路如图4所示，电路中采用了蜂鸣器和LED指示灯。
1.2.2门控电路设计
门控电路由FM1702高频读卡器、Mifare射频卡、12864LCD显示模块、矩阵键盘输入、电子锁模块组成，电路如图5、图6、图7所示。FM1702S是应用13.56 MHz晶振频率的高集成度IC，非接触式读卡器，支持多种加密算法，兼容SPI接口，其内部的发射器不需要增加有源电路就可以驱动近距离的天线（可达10 cm）。单片机与高频读卡器进行通信，将卡上信息与合法卡的信息匹配后，决定是否控制电子鎖开启。同时矩阵键盘输入可以选择不同的功能，如密码设置和卡的登记等。
1.2.3温湿度测量电路设计
温湿度测量电路采用的核心元件是DHT11温湿度传感器，其内部包括电阻式感湿元件和NTC测温元件。湿度精度：±5%RH；量程为：20%-90%RH；温度精度：±2 ℃；量程为：0 ℃～50 ℃；可靠性和稳定性较好。输出为单总线数字信号，可以直接连接到单片机的IO口上，电路接线如图8所示。
1.2.4灯控电路
灯控电路由延时、光感、红外感应、拾音电路、继电器驱动等组成，能够检测出室内的光线强度和声音大小。当光线暗并有声响发出时，表示有人走动电路就会自动开启灯光照明，做到人来灯亮，人走灯灭的功能，同时还可以手动开灯，多种开关灯的方式可以极大适应不同场合的要求。
1.2.5液化气检测电路
液化气检测电路如图9所示。系统采用对液化气、天然气和煤气都有较高灵敏度的MQ-5气体传感器，当传感器所处环境中存在上述可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用运算放大器构成的比较器电路即可将电导率的变化量转换为与该气体浓度相对应的输出控制信号。
1.2.6空气净化控制电路设计
在检测电路监测到家居中有害物质或PM2.5颗粒浓度超过设定的最高值时，单片机会产生开机信号给空气净化电路中的控制继电器开启空气净化模式，直到空气中有害物质达到标准时自动停止净化。空气净化控制电路如图10所示。 2软件系统设计
本系统采用keil软件编程，用C语言编写的程序可以调试检查。软件编程采用模块化实现各个子模块功能，用主编程调用各子模块功能 ，最终实现整个多功能家居控制系统的工作过程。
2.1PM2.5检测程序设计
程序首先初始化信息，然后从粉尘传感器检测到PM2.5浓度后，用串口方式将模拟信号经过ADC 0832芯片转换，传输给单片机，计算PM2.5值。为减少测量误差，再将多次采集到的数据通过拟和求平均值的方法，计算出最终测量结果。通过液晶显示屏将PM2.5值显示出来。具体流程如图11所示。
2.2门控系统流程设计
门控系统首先初始化信息，液晶显示屏显示菜单界面，用户通过键盘输入相应功能，将卡放到读卡器上读出信息，由单片机自动核对卡的信息，若合法则开门，反之则报警返回读卡状态。程序流程如图12所示。
其它软件模块编程过程同上，不再一一赘述，各个子模块功能实现后，主编程调用各子程序模块，最终实现整个系统的工作过程。温湿度检测过程如图13所示。
3系统测试
系统硬件设计、组装调试后，在一个模拟的环境模型中运行，测量环境的温湿度以及甲醛浓度。实验过程：首先对家居环境状态进行整体研究，采用传感器采集数据，显示对家居状况的监测与控制，液晶显示器实时显示室内各种参数，显示部分如图14所示。报警电路和空气净化电路及时提醒家居的异常情况，还可将数据传输到计算机中分析环境变化的规律，最后将数据情况显示出来。为进一步完善系统功能，可以在系统中加入无线传输模块及手机远程控制系统，从而使系统的性能更加智能化和完善。
4结束语
便携式多功能家居环境监控系统以单片机为控制核心，通过与多种传感器结合做到了全方位、多功能的监控家居情况，并自动排除安全隐患，在实现安全监控的基础上还加装了灯控电路，智能调配电能，做到智能化用电，节约了能源。系统通过智能防盗门锁电路可以实现门控，做到安全出行，保障了财产和人身安全。系统功能操作简单便捷，是现代家居生活的好帮手。
参考文献
[1] 陈致远，朱叶承，周卓泉，等. 一种基于STMB32 的智能家居控制系统[J]. 电子技术应用，2012，38（9）： 138- 140.
[2] 孟平. 多功能智能家居系统的设计与实现 [D]. 哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014.
[3] 曾思通. 基于STC89C52的智能家居系统设计[J]. 电子质量，2015（12）： 45- 47.
[4] 李宗 . 智能家居中灯光控制系统的研究 [D]. 上海：上海交通大学， 2008.
[5] 叶香美. 单片机控制强电的简单实用电路[J]. 数字技术与应用，201（6）：116-120.
[6] 杨凡. 基于传感器的家居环境监测系统应用与设计 [J]. 电脑知识与技术，2016. 12（16）：87-89.
[7] 韩丹翱， 王菲. DHT11 数字式温湿度传感器的应用性研究 [J]. 电子设计工程 ，2013（13）：83-85.
[8] 董继，张政煊，李铃庆，等. 便捷式家庭安全环境监测分析儀 [J]. 电子制作，2017（4）：99-100.
[9] LIN Yuanxin， KONG Rui， SHE Rongbin. et al. Design and implementation of remote / short-range smart home monitoring system based on ZigBee and STM32 [J]. Research Journal of Applied Sciences， Engineering