基于51单片机的智能家居监测系统硬件设计

12 计算机与信息技术 开发与应用

基于51单片机的智能家居监测系统硬件设计

周兴中 陈万林 刘林菊 何艳霞

（湖南科技学院 计算机与通信工程系，湖南 永州 425100）

摘 要 提出了一种智能家居监测系统的硬件设计方案。该设计以AT89S51单片机为控制器，利用多传感器信息融合

技术开发了可用于智能家居监控的报警系统，系统包括室内的温度、湿度、煤气、烟雾监控报警。测试结果表明，该系统操作简单、安全可靠、扩展性好。

关键字 单片机；传感器；智能家居

1 引言

生存环境的舒适与安全是人类永恒追求的物质目标。随着计算机技术、通信技术、控制技术的飞速发展，人们对居住环境提出了更高的要求，希望居住在一个生活现代化，环境舒适化、安全化的生活空间。智能家居的概念由此而生，人们通过智能家居系统实现家庭设备与住宅环境的智能化监

[1]

而提供用户全控与管理，从而满足人类对居住环境的需求。

境信息作为其他家庭设备运行时的参数，实现对环境的智能化控制

[2-3]

。因此，智能家居监测系统是实现智能家居系统功

能的重要组成部分与先决条件，是提供用户安全、舒适、便捷生活的重要手段。该监测系统对于构建智能家居系统和提高用户的生活环境质量具有重要的意义。

2 系统总体设计

智能家居监控系统的总体结构框图如图 1 所示，该系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、显示模块和报警模块组成。

面、可靠的环境监测信息是智能家居系统中尤为关键的部分之一。通过环境监测系统，用户可以实时获得居住环境的信息，如：温湿度、毒气浓度、火灾信息等。并将采集到的环

图1 系统总体结构框图

单片机是整个监测报警系统的核心，系统的工作原理是：先通过传感器（包括温感、湿感、烟感和煤气浓度传感器）将现场温度湿度、煤气浓度和烟雾浓度等非电信号转化为电信号，调理电路将传感器输出的电信号进行调理（放大、滤波等）是指满足A/D转换的要求，最后由A/D转换电路，完

成将模拟信号到数字信号的转换，单片机判断是否发生异常，如果环境有异常系统将显示并报警。按实现功能主要包括：主控制模块，采用AT89S51单片机作为主控单元；温度检测模块，采用DS1820温度传感器采集温度数据；湿度检测模块，采用DHT11湿度传感器采集湿度数据；煤气浓度检测模

块，采用 MQ-5传感器采集数据；烟雾浓度检测模块，采用MQ-6 传感器采集数据；液晶显示模块，采用SMC1602A液晶显示器显示；报警模块，采用蜂鸣器报警。

3 系统硬件设计

3.1微控制器模块

本系统中的控制芯片是AT89S51[4]

，

它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（EPEROM）和128字节的随机存取数据存储器（RAM）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一个低功耗搞性能的单片机，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可灵活应用于各种控制领域，40个引脚，32个外部双向输入、输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器。2个全双工穿行通信口。芯片可按照常规方法进行编程，也可以在线编程，其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash 存储器可有效地降低开发成本。 3.2温度传感器

温度传感器采用DS18b20数字温度传感器，可以提供9-12位的数字量指示器件的温度，信息经过单向接口送入DS18b20或从DS18b20送出，因此从处理器到DS18b20仅需连接一条线。读写和完成温度变换所需的电源可以由数据本身提供，而不需要外部电源。因为每一个DS18b20有一个唯一的系列号，因此多个DS18b20可以并联在同一条单线总线上实现多点测温，这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件。独特的单线接口，只需一个接口即可与单片机通信；多点能力使分布式温度检测应用得以简化；不需要外部元件；可用数据线供电；不需备份电源；测量范围从-55℃-+125℃，增量值为0.5℃。 3.3湿度传感器

湿度传感器选择DHT11数字湿度传感器，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NIC测温元件，超快响应、抗干扰能力强。

3.4烟雾传感器

MQ系列传感器的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体。金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了负氧离子，同时在半导体表面空间形成一个正的空间电荷层导致表面势垒升高。从而阻碍电子波动。在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属

氧化物半导体微晶粒结合部位（晶界）才能形成电流。

MQ-2可用于家庭和工厂的气体泄漏检测装置，适宜于液化气、丁完、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。 3.5煤气传感器

MQ-5气体传感器对液化气、天然气、城市煤气有较好

的灵敏度，对乙醇、烟雾几乎不响应。主要应用于家庭或工业上对液化气、天然气、煤气的检测装置优良的抗乙醇、烟雾干扰能力。 3.6 A/D转换模块

A/D转换电路采用了常用的8位8通道数模转换专用芯片ADC0809，ADC0809由8路模拟开头、地址所存与译码器、8位A/D转换器和三态输出所存缓冲器组成，ADC0809的主要性能指标为：

分辨率为8位。

最大不可调误差：ADC0809为_+1LSB。

单电源+5v供电，基准电压由外部提供，典型值为+5V，此时允许输入模拟电压0-5v。

具有所存控制的8路模拟选通开关。

可所存三态输出，输出电平与TTL电平兼容。 转换速度取于芯片的始终平率，当时钟平率500KHZ时，转换时间为128us。 3.7晶振及复位电路

晶振电路为单片机AT89S51工作提供时钟信号，芯片中有一个用于构成内部振荡器的高增益反响放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外石英浸提或陶瓷谐振荡器一起构成自激振荡器。电路中的外接石英晶体及电容接在放大器的反馈回路中构成并联震荡回路，由于外接电容的容量大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容的容量大小范围在30PF-/+10PF.如果使用陶瓷谐振，则电容容量大小为40PF-/+10PF。本设计中使用石英晶体，电容的容值设定为30PF。

复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于初始状态，并从初态开始工作。AT89C51的复位信号是从REST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振

（下转第17页）

值立即更新。所以，从图4中可以看出寄存器变量b被赋值时引用的是上一个时钟的a值，而寄存器变量c被赋值时引用的是a

的新值。

（3）无论是阻塞赋值语句还是非阻塞赋值语句，若在该语句之前对其值进行应用，则只能引用其上一个时钟周期赋于的旧值。

参考文献：

[1] 刘波. 精通Verilog HDL语言编程[M]. 电子工业出版社，2007.5.

[2] 田耘，许文波，胡彬. Xilinx ISE Design Suite 10.x FPGA开发指 …… 此处隐藏：3017字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……