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基于STC89C52单片机的智能家居的设计
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发表于Sat Dec 29 16:25:46 CST 2018   |  只看该作者 1# 电梯直达

【摘要】本系统采用STC89C52单片机作为主控核心,搭配三杯风风速传感器、红外对管、PM2.5传感器、温湿度传感器等模块,设计了一  款智能家居系统。通过温湿度传感器对室内环境的舒适度(包括温度和湿度)进行实时监测,与人为预先设定好的阈值进行比较,动态地调节加湿器的开关及空调的温度。同时,通过三杯风风速传感器定时捕获室外风速的信息,若风速超过一定阈值,系统驱动电机,关闭窗户, 从而避免外界尘土或者刮风下雨等恶劣气候影响室内环境。此外,为了更好的适应抵抗力较差的老人和婴儿,本系统添加了对室内空气的监测。通过PM2.5传感器定时检查室内空气的质量,并根据PM2.5浓度的高低,自动化地驱动空气净化器的开与关。基于上述的设计,本系统 实现了对室外、室内环境的监测,并根据参数指标进行合理、智能的调节相对应的传感器,以提供给人们最舒适的生活环境,让人们充分体验智能化家居给生活带来的巨大便捷。

【关键词】STC89C52单片机;风速传感器;PM2.5传感器;温湿度传感器;智能家居

DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2017.23.067


 

0 引言

 

步入21世纪以来,随着经济地飞速发展,科技日益腾飞。“智能”的概念逐渐进入人们的视野中,并影响着人们的生活。人们热爱并享受着高科技—“智能化设备”给他们生活带来的巨大便捷。然而,市面上一体化的智能设备还远没有“飞入平常百姓家”,最主要的因素来源于复杂控制系统的高昂费用,普通老百姓对其望而却步。因此,开发一款低成本、智能化的家居,以满足广大用户的需求就显得尤其最要。

基于此,本文选用结构简单,价格低廉的STC89C52单片机作为主控核心,搭配SDS011粉尘传感器、温湿度传感器等,对室内及室外环境进行实时监测,并根据指标动态调节传感器的参数,给人们营造出了一个最佳的生活环境。

 

1 系统总体框架设计

 

本文设计了一个基于STC89C52单片机的智能家居系统。采用DHT11温湿度一体化的传感器获取室内的温度和湿度;风速的大小值则是由BCQ-FS-TTL8三杯风风速传感器采集;SDS011传感器负责室 内粉尘浓度(PM2.5)数据的捕获,并通过串口实时传到上位机,上 位机可以很直观地观察室内的空气质量,并定时将数据送到单片机内部,从而控制是否启动空气净化器;同时,搭配L298N模块驱动直流电机,控制窗户的智能开关。此外,空调的智能控制是通过红外对 管模块实现,其中,红外发射管发射的载波信号频率为38KHz,是由单片机内部的定时器产生的。系统的总体框架图如图1所示。

 

1 基于STC89C52智能家居系统的总体框架图

 

2 主要硬件设计

 

2.1 DHT11温湿度传感器

DHT11是一个基于单总线(即地址信号、 数据信号 控制信号

均在同一根总线上传输)的传感器。该传感器共有四根引脚,其

中,VDD引脚接3V~5.5V的电压,GND引脚与单片机的GND引脚接在一起(即两者共地),信号引脚则与单片机P1.3引脚相连接, 将数字信号的数据传输至单片机内部 ,最后一根引脚默认悬空。此外,DHT11传感器需要上拉一个至少5KΩ的电阻来增大驱动电流(通常,电阻的选择为10KΩ)。

首先,单片机找到DHT11传感器的地址,并发送一个至少18ms的低电平请求响应,再拉高电平延时等待;DHT11传感器接收到单片机的开始信号后,等待单片机开始信号结束,然后发送80us 低电平响应信号;DHT11传感器发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备向单片机发送数据接。一次完整的数据传输为40bit,包括8位湿度整+8位湿度小数+8位温度整数+8位温度小数+8位是校验和(用来检验数据真伪)。此外,每1bit的数据都从50?s的低电平开始,并根据高电平持续时间的不同来区分逻辑0电平和逻辑1电平。其中,26~28?s的高电平时间表示逻辑0”,70?s的高电平时间表示逻辑1”。

2.2 BCQ-FS-TTL8三杯风风速传感器

三杯风风速传感器共有三个引脚。其中,VCC引脚接+5V电源,GND引脚与单片机共地,余下的一根引脚则为信号引脚,与单片机P3.2引脚相接,该传感器根据风速的大小从信号引脚输出相对应的脉冲。值得注意的是,应该上拉5KΩ~20KΩ的电阻来增大驱动电流(电阻的一端接在VCC上,另一端接至信号引脚上)。此外,三杯风风速传感器的启动风速是0.2m/s,即风速大于下限值0.2m/s时,信号引脚才会有相对应的脉冲产生。

本文通过计算三杯风风速传感器单位时间内输出的脉冲个数来计算其所对应的风速。该传感器每转动一圈产生八个脉冲,每6个脉冲代表1米,风速的计算公式如2-2-1所示:

                      (式2-2-1

由于每个脉冲均包含一个上升沿和一个下降沿,因此考虑采用单片机P3.2INT0外部中断0复用引脚)或者P3.3INT1 外部中断1复用引脚)来计数风速传感器输出的脉冲个数。本文选用P3.2引脚与风速传感器的信号引脚进行连接,并通过软件设置IT0=0(即使用跳变沿“逻辑1>逻辑0”触发方式发送中断请求信号)。P3.2引脚每来一个跳变沿(即一个脉冲)便向CPU发出一个中断请求,CPU响应此中断请求,并跳转到外部中断0所对应的中断服务子程序里,然后在中断服务子程序里,进行S++(预先定义一个全局变量S,初始化赋值为0)操作,S的值即为脉冲的个数。此外, 通过定时器完成每隔1s的精确定时,并在定时器所对应的中断服务

子程序计算风速的值,即通过2-2-1公式计算得出风速。

2.3 SDS011 PM2.5传感器

SDS011 粉尘传感器采用激光散射原理,能够得到空气中 0.310

?m悬浮颗粒物浓度。当激光照射到通过检测位置的颗粒物时会产生微弱的光散射,在特定方向上的光散射波形与颗粒直径有关,通过不同粒径的波形分类统计及换算公式可以得到不同粒径的实时颗粒物的数量浓度,按照标定方法得到跟官方单位统一的质量浓度(μg/)。

SDS011粉尘传感器通过串口把数据传给上位机(PC),上位机每隔0.5h通过再串口把PM2.5的数据传送给下位机(单片机)。单片机收到的PM2.5的数据格式为xx xx (两个字节,用16进制表)。例如收到PM2.516进制数据为 71 01 ,其中71 为低字节,01 为高字节,其所对应的PM2.5 计算公式如式2-3-1

 

 

 

 

 

 

(式2-3-1

2.4 L298N电机驱动和直流电机

L298N电机驱动为2H桥驱动,可以同时驱动两个直流电机。该驱动模块共有4根控制引脚,分别与单片机P0.0~P0.3引脚进行连接。其中,IN1IN2控制电机AIN3IN4控制电机B。此外, L298N驱动需要较高的外接电源(+12V+24V)进行供电。

L298N驱动具有两种工作模式,一方面,当使能A(控制电机A)、使能B(控制电机B)时,可以分别从IN1IN2输入PWM

Pulse Width Modulation)信号来控制电机A的转速和方向。同时, 可以分别从IN3IN4输入相同PWM脉冲信号来控制电机B的转速和方向。另一方面,若禁止AB使能时,即可通过单片机向IN1IN2IN3IN4四个引脚输入逻辑1”和逻辑“0”来控制电机A电机B

2.5 红外对管

红外对管包括红外线发射管(白管)与红外线接收管(黑管)。

51单片机根据DHT11采集的温度数据,将相对应的空调状态的红外编码数据(即调节空调温度、开启空调、关闭空调的红外编码数据)调制到38KHz载波上,然后通过红外发射管发射出去。其中,38K的载波可以通过单片机定时器产生。根据广泛使用的NEC 协议(红外遥控协议的一种),发射的控制信号数据共包含五个字节,1个字节引导码 +1个字节用户码 +1个字节用户反码+1个字节数据码+1个字节数据反码。

数据的表示采用脉宽调制的串行码,以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示逻辑0电平;以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示逻辑1电平。上述0”和“1组成的32位二进制码经38kHz的载波进行二次调制后,再通过红外 发射管向空间发射。空调内置的红外接收管解调出相对于的控制指令,从而调节空调的工作状态。

 

0 主要软件设计

 

软件采用C语言编写,整个系统在主函数(main函数)中循环执行。系统的流程图如图2所示。DHT11传感器负责采集室内温度和湿度数据,三杯风风速传感器负责捕获室外的风速信号, SDS011粉尘传感器则负责收集室内PM2.5的浓度。

2 基于STC89C52单片机智能家居系统的流程图

其中,继电器控制加湿器和空气净化器的开与关;L298N驱动控制着直流电机的正反转,从而控制窗户的开与关;空调的智能化操控则是由红外发射模块负责,单片机根据接收到的室内温度数据,将空调的响应操作所对应的红外编码数据调制到38KHz的载波上,并通过红外发射管发射出去,空调内置的红外接收管接收到相应的指令,从而调节空调的工作状态。

 

1 总结

 

本文采用结构简易、成本低廉的STC89C52单片机作为主控系统。各个传感器定时地采集室内和室外的环境数据,并送入单片机内部,单片机根据接收到的数据,进行智能化地分析、处理,并通过驱动相应的模块(例如L298N、发射模块、继电器等)来控制相应的传感器,使得整个系统在不需要人为干扰的情况下,能够有条不紊地工作,为人们提供便捷化、智能化地服务。

 

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