李懷亮

(綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061)

家庭智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李懷亮

(綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061)

利用單片機(jī)進(jìn)行控制操作，主要對(duì)家庭生活中的有害氣體、溫度、濕度等的監(jiān)測(cè)，并通過(guò)12864液晶屏對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)有害氣體超標(biāo)時(shí)蜂鳴器將自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，另外利用液晶屏的滾動(dòng)效果設(shè)有時(shí)鐘顯示功能，還可以用來(lái)作為語(yǔ)音留言使用，提醒家人，以此來(lái)提高人們安全、舒適、方便的居家生活。

家庭；單片機(jī)；傳感器；監(jiān)測(cè)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷提高，人們對(duì)自己的家庭生活也有了更高的需求，顯然家庭生活的安全性是最重要，其次就是舒適性。本設(shè)計(jì)方案主要是利用單片機(jī)進(jìn)行操作控制，通過(guò)可燃?xì)怏w傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器對(duì)室內(nèi)的有害氣體、溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)12864液晶屏對(duì)數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)環(huán)境中超出人體正常適應(yīng)環(huán)境或達(dá)到一定危險(xiǎn)系數(shù)，單片機(jī)將做出及時(shí)反映，控制12864液晶屏顯示報(bào)警信息，并控制揚(yáng)聲器把預(yù)先存在語(yǔ)音芯片里的報(bào)警聲音播放出來(lái)。主要用到的器件有12864液晶屏、高速AD模塊ADSS7852、溫度傳感器DS18B20、可燃?xì)怏w模塊、濕度傳感器、ISD4004語(yǔ)音芯片。

圖1 家庭智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案框圖

一、硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）溫度傳感器DS18B20。

圖2 溫度傳感器電路圖

在本設(shè)計(jì)中，溫度的讀取才采用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20[1]，它采用獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與單片機(jī)連接時(shí)僅需要一條導(dǎo)線即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DS18B20的雙向通訊。首先要檢測(cè)出各個(gè)引腳的功能與接法。為了更精確的讀取溫度值，本設(shè)計(jì)設(shè)置了三個(gè)DS18B20進(jìn)行溫度讀取，并把數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行平均值計(jì)算處理，以此來(lái)提高數(shù)據(jù)讀取精準(zhǔn)度，也方便知道整體溫度家庭整體情況。

濕度監(jiān)測(cè)利用的是DS18B20傳感器,由三個(gè)DS18B20通過(guò)一根總線輸入與輸出。首先分別檢測(cè)出三個(gè)濕度傳感器DS18B20內(nèi)部的序列號(hào)，三個(gè)濕度傳感器讀取數(shù)值后，由單片機(jī)計(jì)算出平均值，然后由液晶屏顯示，“廚房溫度”“客廳溫度”“臥室溫度”室內(nèi)平均溫度。

（二）顯示部分12864液晶屏。液晶屏的選用首先要考慮到體積、功耗、溫度、顯示操作等條件，其次就是液晶屏的工作原理及其各引腳的接口功能作用，本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用的接口有1引腳和20引腳接地，2引腳和19引腳接5V電源，4腳（RS）與單片機(jī)P3.0口進(jìn)行數(shù)據(jù)/命令的選擇，5腳（SID）與P3.1口進(jìn)行讀/寫(xiě)選擇，6腳與P3.3進(jìn)行使能信號(hào)，7至14引腳（D0-D7）接單片機(jī)P1口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。液晶屏是重要的顯示元件，能夠在運(yùn)行過(guò)程中方便用戶讀取數(shù)據(jù)，還有要求在運(yùn)行過(guò)程中能準(zhǔn)確地顯示單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)在運(yùn)行過(guò)程中利用程序讓液晶屏進(jìn)行滾動(dòng)顯示，因此對(duì)液晶屏的穩(wěn)定性和程序與硬件的兼容性有了更高的要求。

（三）時(shí)鐘芯片。時(shí)鐘芯片用的是DS12C887[2]，在液晶屏的顯示內(nèi)容為(年、月、日、時(shí)、分、秒)，并設(shè)置有對(duì)它們進(jìn)行調(diào)節(jié)的三個(gè)按鍵，一個(gè)為進(jìn)入設(shè)置鍵，可以選擇調(diào)節(jié)哪一個(gè)部分；一個(gè)進(jìn)行加一鍵（這里設(shè)置減一的鍵）；還有一個(gè)退出鍵，具體操作為1、2、3、4個(gè)按鍵，1按鍵為進(jìn)入開(kāi)始設(shè)置界面按鍵，2按鍵為調(diào)節(jié)設(shè)置哪一部分按鍵，按2鍵時(shí)進(jìn)入設(shè)置時(shí)，既可以逐次進(jìn)行設(shè)置，也可以進(jìn)行循環(huán)設(shè)置，此時(shí)3按鍵為對(duì)部分進(jìn)行加一設(shè)置，4按鍵為總退出鍵，在此時(shí)必須先按1鍵小退出，然后再按總退出。

（四）ISD4004語(yǔ)音芯片。

圖3 語(yǔ)音模塊電路圖

語(yǔ)音報(bào)警部分用的是ISD4004語(yǔ)音芯片[3]，具有8 分鐘語(yǔ)音錄放功能；內(nèi)置控制器串行通信接口；3V 單電源工作；可以多段信息處理；工作電流25-30mA,維持電流1μA；具有高質(zhì)量、自然的語(yǔ)音還原技術(shù)，自動(dòng)靜噪功能，提高了語(yǔ)音高清度；片內(nèi)免調(diào)整時(shí)鐘,可選用外部時(shí)鐘。在本設(shè)計(jì)中ISD4004語(yǔ)音芯片內(nèi)預(yù)先存儲(chǔ)有錄好的報(bào)警聲音，當(dāng)危害程度到達(dá)設(shè)定的報(bào)警范圍，單片機(jī)發(fā)出指令語(yǔ)音芯片會(huì)播放報(bào)警聲音。

本設(shè)計(jì)還設(shè)置有語(yǔ)音留言功能，最長(zhǎng)錄音為三分鐘，在晶振為11.0592Hz時(shí)實(shí)際錄音時(shí)間為2分54秒，方便用戶不在家時(shí)，可以通過(guò)預(yù)留的信息傳遞給家人，本錄音功能巧妙地利用了一個(gè)三項(xiàng)開(kāi)關(guān)，可以完成兩個(gè)單片機(jī)工作之間的方便轉(zhuǎn)換，第一個(gè)單片機(jī)為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的，第二個(gè)為進(jìn)行錄音與放音的。本錄音功能總共可以錄制兩條錄音。并在P2. 0~P2.3口分別接一個(gè)LED發(fā)光二極管進(jìn)行亮度指示，設(shè)置有RST按鍵，此按鍵為緊急退出鍵，可在此錄音環(huán)境中任意時(shí)刻終止單片機(jī)活動(dòng)，此時(shí)將進(jìn)入初始狀態(tài)。

第一條錄音與放音。按下與P3.2相接的按鍵，將進(jìn)入第一段錄音與放音環(huán)境，此時(shí)四個(gè)指示燈全部點(diǎn)亮；按下與P3. 5相接的按鍵，將進(jìn)入開(kāi)始錄音環(huán)境，此時(shí)第一、三個(gè)指示燈點(diǎn)亮；按下與P3.6相接的按鍵，將進(jìn)入開(kāi)始播放第一段錄制的聲音，此時(shí)第二、三指示燈點(diǎn)亮；按下與P3.7相接的按鍵，將結(jié)束第一條錄音的錄制或播放。

第二條錄音與放音。按下與P3.3接的按鍵，將進(jìn)入第二段錄音與放音環(huán)境，此時(shí)四個(gè)指示燈全部點(diǎn)亮；按下與P3.5相接的按鍵，將進(jìn)入開(kāi)始錄音環(huán)境，此時(shí)第一、四個(gè)指示燈點(diǎn)亮；按下與P3.6相接的按鍵，將進(jìn)入開(kāi)始播放第一段錄制的聲音，此時(shí)第二、四指示燈點(diǎn)亮；按下與P3.7相接的按鍵，將結(jié)束第一條錄音的錄制或播放。

（五）濕度傳感器。濕敏傳感器傳輸方式是模擬信號(hào)，讀取信號(hào)后由AD7852轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后把數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制，以百分比的形式顯示。在與是好的值比較。是否是“適合”“干燥”還是“潮濕”。通過(guò)液晶屏的實(shí)時(shí)顯示來(lái)告訴用戶，室內(nèi)的濕度情況。

（六）高速AD模塊ADS7852。單片機(jī)在采集模擬信號(hào)時(shí)，通常都需要在前端模擬量/數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器，也就是A/D芯片，本設(shè)計(jì)用到的ADS7852是12位并行A/D芯片，它是一種逐次逼近式8路模擬輸入，12位數(shù)字量并行輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。在8MHz時(shí)鐘輸入條件下，其采用速率可達(dá)500Ksps。ADS7852的參考輸入電壓為2.5V（本設(shè)計(jì)選用的是5V電壓），8通道電壓的輸入范圍是0至5V。

其中，AIN0至AIN7:8路模擬信號(hào)輸入端；DB0至DB11：12位數(shù)字量輸入端；VREF：參考電壓輸入端；CLK：外部時(shí)鐘輸入端，ADS7852的最高采樣率為CLK的1//16；CS：片選信號(hào)，低電平有效；WR：寫(xiě)信號(hào)，低電平有效。BUSY：ADS7852狀態(tài)輸入端。

本設(shè)計(jì)中ADS7852的工作過(guò)程為：首先用指令選擇ADS7852的一個(gè)模擬輸通道，當(dāng)執(zhí)行MOVX @DPTR，A時(shí)，啟動(dòng)被選擇通道的轉(zhuǎn)換，BUSY信號(hào)被拉低。當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，BUSY信號(hào)被拉高。CPU檢測(cè)到BUSY信號(hào)被變高后，發(fā)出指令MOVXA,@DPTR,把該通道轉(zhuǎn)換結(jié)果讀到A累加器中。再由CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（七）可燃?xì)怏w模塊?？扇?xì)怏w傳輸方式是模擬信號(hào)，由AD7852把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，在把數(shù)值傳給單片機(jī)，然后由單片機(jī)判斷是否超標(biāo)。如果超標(biāo)，液晶會(huì)顯示“超標(biāo)”字樣，語(yǔ)音芯片會(huì)做出相應(yīng)的報(bào)警，始終實(shí)時(shí)檢測(cè)是否超標(biāo)。直到監(jiān)測(cè)空氣中可燃?xì)怏w不超標(biāo)為止。

因?yàn)闈衩簟⒖扇細(xì)怏w傳感器檢測(cè)的是模擬量然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，然后再由液晶顯示，主要顯示有濕度濃度（“干燥”“適合”“潮濕”）、可燃?xì)怏w是否超標(biāo)，這兩個(gè)傳感器檢測(cè)到超標(biāo)或不適合，會(huì)進(jìn)行提示。

二、軟件程序設(shè)計(jì)

接通電源，系統(tǒng)進(jìn)入初始化，初始化后，各傳感器開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)，溫度傳感器開(kāi)始收集室內(nèi)溫度情況并通過(guò)LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示，濕度傳感器開(kāi)始收集室內(nèi)濕度情況并通過(guò)LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)可燃?xì)怏w傳感器檢測(cè)到空氣中存在有害氣體時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警并通過(guò)LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)時(shí)鐘調(diào)節(jié)按鍵按鈕可以對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)錄放音按鍵按鈕可以進(jìn)行錄放音，并通過(guò)指示燈顯示。

圖4 溫度程序流程圖

圖5 時(shí)鐘程序流程圖

圖6 可燃?xì)怏w流程圖

三、總結(jié)

特色列舉：用三個(gè)DS18B20監(jiān)測(cè)不同位置溫度，并求平均值使測(cè)量溫度更加準(zhǔn)確。本系統(tǒng)增加語(yǔ)音錄放功能，可提醒家人，并使家庭生活更加有樂(lè)趣。

系統(tǒng)適用范圍：家庭智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、依照室內(nèi)國(guó)家統(tǒng)一安全標(biāo)準(zhǔn)，融合個(gè)性需求，將與家庭生活有關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)如溫度控制，濕度控制，煤氣閥控制等有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)單片機(jī)智能控制和管理，實(shí)現(xiàn)“以人為本”的全新家庭生活體驗(yàn)。

家庭智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)讓您輕松享受生活。出門(mén)在外，你不用擔(dān)心家中的安全，無(wú)需為自己是否出門(mén)時(shí)忘記關(guān)水關(guān)氣，休假在家，家中的所有情況一目了然，系統(tǒng)自動(dòng)控制家中的溫度濕度，讓你隨時(shí)享受最舒適的家庭環(huán)境。總之，家庭智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠有時(shí)間享受生活的舒適，同時(shí)更環(huán)保經(jīng)濟(jì)。正如比爾·蓋茨所言：在不遠(yuǎn)未來(lái)，沒(méi)有家庭智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的住宅會(huì)像今天不能上網(wǎng)的住宅那樣不合潮流。

[1]李鋼，趙彥峰.1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20原理及應(yīng)用[J].現(xiàn)在電子技術(shù)，2005（21）：77-79.

[2]田富洋，李晉洋，李法德，等.DS12C887在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電測(cè)與儀表，2005（3）:62-63.

[3]張常年，王振紅，郝承祥.ISD4004語(yǔ)音芯片的工作原理及其在智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].元器件應(yīng)用，2010（6）：22-23.

[責(zé)任編輯 鄭麗娟]

Design of Family Intelligent Monitoring System

Li Huailiang
(School of Electrical Engineering,Suihua University,Suihua,Heilongjiang 152061)

The use of single-chip microcomputer control operations,mainly on the family life of harmful gases,temperature,humidity and other monitoring,and through the 12864 LCD screen monitoring data for real-time display,when the harmful gas exceeded the buzzer will automatically send an alarm,the other The use of LCD screen rolling effect with a clock display function,can also be used as a voice message to remind the family,in order to improve people safe,comfortable and convenient home life.

family;single chip;sensor;monitoring

TP391

A

2095-0438（2017）06-0146-04

2016-11-02

李懷亮（1982-），男，黑龍江蘭西人，綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院講師，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)應(yīng)用與設(shè)計(jì)。

黑龍江省教育科學(xué)“十三五“規(guī)劃2016年重點(diǎn)課題（編號(hào)：GJB1316115）。