任成偉，師劍軍，劉俊杰，張 勇

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051）

基于AT89C51的室內(nèi)智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任成偉，師劍軍，劉俊杰，張 勇

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051）

基于AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套不依賴智能開關(guān)，即用即加的室內(nèi)智能化控制系統(tǒng)，通用的部分分門禁系統(tǒng)、智能電器、智能感知3個(gè)模塊，分別以電子密碼鎖、ZigBee組網(wǎng)和紅外接、發(fā)設(shè)備、各類傳感器為主，旨在使用戶擺脫對(duì)安防問題的困擾，方便對(duì)智能設(shè)備的使用。

AT89C51，智能化，紅外設(shè)備

0 引言

隨著科技的發(fā)展，室內(nèi)智能化控制越來越被用戶所期待，市場(chǎng)上逐漸涌現(xiàn)出一些智能產(chǎn)品，但多數(shù)需要和智能設(shè)備配套使用或者以智能開關(guān)為依托，不能滿足用戶在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上增加智能功用的需求。本文基于AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套室內(nèi)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，使用戶不僅可以擺脫室內(nèi)安防問題的困擾，還可以輕松掌握室內(nèi)溫濕度情況，并方便靈活地控制一些基于紅外設(shè)備的電器，達(dá)到了減輕壓力，提高舒適度的目的，是辦公室、實(shí)驗(yàn)室、教室與家庭等場(chǎng)所智能化不錯(cuò)的選擇。

該系統(tǒng)盡量覆蓋室內(nèi)有智能化需求的地方，并根據(jù)實(shí)際需求即用即加，通用的部分分門禁系統(tǒng)、智能電器、智能感知3個(gè)模塊。其中門禁系統(tǒng)以電子密碼鎖為主并設(shè)計(jì)遙控開鎖功能；智能電器模塊分為ZigBee組網(wǎng)、紅外發(fā)射與接收部分；智能感知模塊分為防盜傳感器電路、煙霧報(bào)警電路、溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)部分。具體布設(shè)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

1 門禁系統(tǒng)（電子密碼鎖設(shè)計(jì)）

電子密碼鎖分為密碼設(shè)置、本機(jī)開鎖、遙控開鎖3個(gè)部分。密碼設(shè)置時(shí)，按鍵選擇密碼后按“#”確認(rèn)即可。另外，該部分特意設(shè)計(jì)了模擬顯示電路，以便提醒用戶是否有鍵被按下。有鍵被按下顯示“F”，沒有則不顯示。本機(jī)開鎖部分，密碼輸入正確并按“#”確認(rèn)后，輸出高電平驅(qū)動(dòng)電磁鎖完成開鎖。同時(shí)電路延時(shí)5 s，然后回到初始閉鎖狀態(tài)。當(dāng)密碼輸入過程間隔3 s以上或未按“#”確認(rèn)，電路自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。當(dāng)密碼輸入錯(cuò)誤，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，持續(xù)5 s來提醒用戶。若選擇遙控開鎖，本機(jī)鍵便會(huì)被鎖死。用戶手持遙控器按下按鍵，發(fā)出數(shù)字，被對(duì)應(yīng)的接收頭接收，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過與原先設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來判斷是否開鎖。

圖2 電子密碼鎖流程圖

1.1 發(fā)射部分

圖3 發(fā)射部分硬件電路圖

發(fā)射部分以AT89C51芯片作為核心，由復(fù)位、晶振、紅外發(fā)射器等部分組成［1］。工作原理是：首先由串行發(fā)射口發(fā)出數(shù)據(jù)信號(hào)；其次送入P1.1口，并進(jìn)行內(nèi)部調(diào)制；最后由P1.2口送出至紅外發(fā)射管，并由此發(fā)射出信號(hào)［2］。（該部分也可被后文設(shè)計(jì)的遙控器學(xué)習(xí)后所替代。）具體硬件電路如圖3所示。

1.2 開鎖部分

該部分的電路也以AT89C51為核心，P1口中的P1.0、P1.1、P1.2與全部P0口外接本機(jī)鍵盤；P1.3口外接蜂鳴器，中間接有信號(hào)放大器，用來放大電信號(hào)；P1.4口外接LM386電源的控制電路，使得只有報(bào)警時(shí)才驅(qū)動(dòng)電路，從而控制電源；P1.5外接密碼選擇按鍵，設(shè)0到9加“#”共11個(gè)按鍵；P1.6口外接遙控接收頭；P2口全部外接數(shù)碼管，當(dāng)有鍵被按下時(shí)，數(shù)碼管會(huì)顯示“F”。EPROM內(nèi)可存儲(chǔ)2套密碼，顯示器方面選用7段共陽極LED（只要將8位并行輸出與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可）外加10個(gè)獨(dú)立按鍵，并配有10根I/O口線。具體硬件電路如圖4所示。

圖4 開鎖部分硬件電路圖

2 智能電器模塊

智能電器模塊，在ZigBee（短距離無線通信協(xié)議）技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入可學(xué)習(xí)型的紅外遙控設(shè)計(jì)。使用紅外遙控部分對(duì)室內(nèi)電器遙控信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)，把相應(yīng)編碼存儲(chǔ)在EEPROM里，當(dāng)接收到對(duì)某一電器控制的指令時(shí)，便會(huì)調(diào)用存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通過SPI協(xié)議傳輸?shù)紺C2530設(shè)備，再分發(fā)到每個(gè)被控房間的紅外發(fā)射設(shè)備，使用戶可以無間距地、方便地控制各種電器。

ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)是：成本低、功耗低、傳輸速率低，而且可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備［6］。本設(shè)計(jì)采用CC2530芯片與Z-stack協(xié)議來構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信，在可以實(shí)現(xiàn)紅外控制電器的房間配置紅外發(fā)射設(shè)備，構(gòu)成簡(jiǎn)易的室內(nèi)紅外無線控制網(wǎng)絡(luò)。

圖5 智能電器模塊

遙控部分以AT89S51為紅外遙控器的解碼核心［3］。當(dāng)用戶同時(shí)按下該遙控器的學(xué)習(xí)按鍵與被學(xué)習(xí)遙控器的按鍵，紅外信號(hào)接收模塊把接收到的信號(hào)解調(diào)，使其變成一列串行信號(hào)。這時(shí)，單片機(jī)采集其特征信息，并記錄下來。此后，單片機(jī)將有用信號(hào)提取，存儲(chǔ)在EEPROM里。發(fā)射時(shí)，AT89S51通過SPI協(xié)議把對(duì)應(yīng)按鍵存儲(chǔ)的編碼信息傳輸?shù)紺C2530，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)把紅外編碼信息發(fā)送到對(duì)應(yīng)的發(fā)射終端。此后，利用單片機(jī)模擬出38 kHz的載波，對(duì)編碼信息進(jìn)行脈寬調(diào)制，這時(shí)編碼信息會(huì)變成紅外信號(hào)，發(fā)出后便可進(jìn)行紅外控制。

遙控器分為自學(xué)習(xí)與發(fā)射兩種工作模式［4］。自學(xué)習(xí)模式中，通過對(duì)高低電平的脈寬進(jìn)行測(cè)量并記憶存儲(chǔ)，達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。該模式下，當(dāng)檢測(cè)到紅外信號(hào)時(shí)，定時(shí)器啟動(dòng)，檢測(cè)輸入端口是否有電平變化。有變化時(shí)，記錄下變化過程中每一個(gè)高低電平的脈寬。當(dāng)脈寬超過66 ms，寄存器便會(huì)溢出，記錄過程中斷。此時(shí)，數(shù)據(jù)被存入數(shù)組中。此后，數(shù)組中的數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)寫到對(duì)應(yīng)的EEPROM里，該過程由寫入函數(shù)執(zhí)行。發(fā)射時(shí)，會(huì)從EEPROM中調(diào)用存儲(chǔ)的編碼以進(jìn)行相應(yīng)器件的控制。該部分主要由接收頭、存儲(chǔ)器、光電轉(zhuǎn)換放大器、解碼電路與紅外發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路組成。

發(fā)射模式中，先讀取位于存儲(chǔ)器中的編碼信號(hào)，再利用硬件電路放大并發(fā)送出去來控制器件。單片機(jī)對(duì)矩陣鍵盤進(jìn)行不間斷的掃描，當(dāng)檢測(cè)到有鍵按下，便會(huì)立即從存儲(chǔ)器中提取數(shù)據(jù)。所提取的數(shù)據(jù)與按下的鍵值一一對(duì)應(yīng)。此時(shí)，數(shù)據(jù)搭載由定時(shí)器產(chǎn)生的38 kHz的信號(hào)從I/O端口輸出，經(jīng)三極管放大后，送紅外發(fā)射管發(fā)出，這樣就可以得到一個(gè)完整的紅外遙控信號(hào)。該模式主要分為存儲(chǔ)器、4*4矩陣鍵盤、三極管放大電路、LED與紅外發(fā)送器幾部分。

3 智能感知模塊

智能感知模塊主要設(shè)計(jì)防盜傳感器電路、煙霧傳感器電路、溫度檢測(cè)電路、濕度檢測(cè)電路等部分。目的是顯示室內(nèi)溫濕度情況，超過設(shè)定門限蜂鳴報(bào)警提醒用戶，并在室內(nèi)無人時(shí)，如果發(fā)生火災(zāi)、盜竊等事故可及時(shí)蜂鳴提醒鄰居，一定程度上解決了用戶安防問題的困擾［5］。

3.1 防盜傳感器電路

防盜傳感器電路部分用來檢測(cè)窗戶邊上是否有人，從而達(dá)到防盜的目的。該部分由自動(dòng)紅外探測(cè)器、三極管及相應(yīng)的電路組成。接收部分正常接收到發(fā)射部分發(fā)來的紅外線時(shí)，輸出給單片機(jī)高電平信號(hào)。有障礙物擋住光束時(shí)，三極管截止，輸出給單片機(jī)低電平信號(hào)，即檢測(cè)到窗戶邊上有人了。

圖6 紅外遙控器硬件圖

圖7 防盜原理圖

3.2 煙霧傳感器電路

煙霧傳感器的作用是通過監(jiān)測(cè)環(huán)境中煙霧的濃度對(duì)火災(zāi)進(jìn)行防范?？紤]到一些對(duì)煙霧敏感的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的需求，本文采用技術(shù)先進(jìn)、工作可靠的離子式煙霧傳感器。該傳感器使用方便，連接簡(jiǎn)單，做到了真正意義上的即插即用。使用時(shí)，氣敏元件的6個(gè)管腳中，有2個(gè)用來提供給器件加熱電流，其余4個(gè)用來輸出信號(hào)至終端［6］。具體如下頁圖8所示。

3.3 溫、濕度檢測(cè)

溫、濕度的檢測(cè)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，將其直接與CC2530相連，可以很方便地將溫、濕度情況傳給終端。它在適用溫區(qū)范圍內(nèi)具有靈敏度高、線性好、功能全等優(yōu)點(diǎn)，且功耗小、體積小，連接方法簡(jiǎn)單。圖示4引腳中，一腳接電源正，一腳接電源負(fù)，一腳懸空，一腳為串行數(shù)據(jù)，單總線直接接于CC2530的I/O口。終端與加濕器相連，若濕度低于門限，加濕器自動(dòng)工作，至濕度恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)值為止［7］。

圖8 煙霧傳感器電路

圖9 溫、濕度檢測(cè)原理圖

4 結(jié)論

經(jīng)過實(shí)物組裝與軟硬件調(diào)試，3個(gè)模塊均未在連續(xù)多天的實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生明顯故障，工作正常。電子密碼鎖可自由設(shè)置密碼，本機(jī)開鎖和遙控開鎖均運(yùn)行流暢。紅外遙控器學(xué)習(xí)了處在不同房間的電視與空調(diào)信號(hào)，發(fā)射時(shí)，通過ZigBee組網(wǎng)傳輸給對(duì)應(yīng)房間的紅外發(fā)射管，再進(jìn)行發(fā)射，能有效控制電視與空調(diào)的開關(guān)。各類傳感器均能實(shí)現(xiàn)預(yù)定目的，設(shè)置不同閾值也基本不影響器件的靈敏度與工作效率。系統(tǒng)整體測(cè)試效果良好，但因設(shè)備限制也僅僅可作為人工向全智能化、全自動(dòng)化控制的過渡。這也是今后在該領(lǐng)域研究中的焦點(diǎn)。

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Design of Intelligentize Control System of Indoor Base on AT89C51

REN Cheng-wei，SHI Jian-jun，LIU Jun-jie，ZHANG Yong
（School of Air Defense and Anti-missile，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The article designs an intelligentize control system of indoor base on AT89C51without rely on intelligentize switch，which also could add optionally as the need of users.There are three modules in commonly part，which are gate lock system、intelligentize electrical equipment system and intelligentize perception system，and electron password lock、the net of ZigBee、infrared device and kinds of sensors are the main devices.The purpose of the design is to make users get rid of the puzzle of safety and defense，and make them control intelligentize equipment system convenient.

AT89C51，intelligentize，infrared device

TP332.2

：A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.06.041

2016-05-05

：2016-06-07

任成偉（1993- ），男，山西呂梁人，碩士生。研究方向：現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)。

1002-0640（2017）06-0179-04