家庭智能監測系統設計

李懷亮

(綏化學院電氣工程學院 黑龍江綏化 152061)

家庭智能監測系統設計

李懷亮

(綏化學院電氣工程學院 黑龍江綏化 152061)

利用單片機進行控制操作，主要對家庭生活中的有害氣體、溫度、濕度等的監測，并通過12864液晶屏對監測數據進行實時顯示，當有害氣體超標時蜂鳴器將自動發出報警，另外利用液晶屏的滾動效果設有時鐘顯示功能，還可以用來作為語音留言使用，提醒家人，以此來提高人們安全、舒適、方便的居家生活。

家庭；單片機；傳感器；監測

隨著經濟的快速發展，科學技術的不斷提高，人們對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。本設計方案主要是利用單片機進行操作控制，通過可燃氣體傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器對室內的有害氣體、溫度、濕度進行實時監測，并通過12864液晶屏對數值進行實時顯示，當環境中超出人體正常適應環境或達到一定危險系數，單片機將做出及時反映，控制12864液晶屏顯示報警信息，并控制揚聲器把預先存在語音芯片里的報警聲音播放出來。主要用到的器件有12864液晶屏、高速AD模塊ADSS7852、溫度傳感器DS18B20、可燃氣體模塊、濕度傳感器、ISD4004語音芯片。

圖1 家庭智能監測系統總體方案框圖

一、硬件設計與實現

（一）溫度傳感器DS18B20。

圖2 溫度傳感器電路圖

在本設計中，溫度的讀取才采用的數字溫度傳感器DS18B20[1]，它采用獨特的單線接口方式，DS18B20在與單片機連接時僅需要一條導線即可實現單片機與DS18B20的雙向通訊。首先要檢測出各個引腳的功能與接法。為了更精確的讀取溫度值，本設計設置了三個DS18B20進行溫度讀取，并把數據傳送給單片機，經單片機進行平均值計算處理，以此來提高數據讀取精準度，也方便知道整體溫度家庭整體情況。

濕度監測利用的是DS18B20傳感器,由三個DS18B20通過一根總線輸入與輸出。首先分別檢測出三個濕度傳感器DS18B20內部的序列號，三個濕度傳感器讀取數值后，由單片機計算出平均值，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，本設計主要應用的接口有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P3.0口進行數據/命令的選擇，5腳（SID）與P3.1口進行讀/寫選擇，6腳與P3.3進行使能信號，7至14引腳（D0-D7）接單片機P1口進行數據傳輸。液晶屏是重要的顯示元件，能夠在運行過程中方便用戶讀取數據，還有要求在運行過程中能準確地顯示單片機實時監測出來的數據，本設計在運行過程中利用程序讓液晶屏進行滾動顯示，因此對液晶屏的穩定性和程序與硬件的兼容性有了更高的要求。

（三）時鐘芯片。時鐘芯片用的是DS12C887[2]，在液晶屏的顯示內容為(年、月、日、時、分、秒)，并設置有對它們進行調節的三個按鍵，一個為進入設置鍵，可以選擇調節哪一個部分；一個進行加一鍵（這里設置減一的鍵）；還有一個退出鍵，具體操作為1、2、3、4個按鍵，1按鍵為進入開始設置界面按鍵，2按鍵為調節設置哪一部分按鍵，按2鍵時進入設置時，既可以逐次進行設置，也可以進行循環設置，此時3按鍵為對部分進行加一設置，4按鍵為總退出鍵，在此時必須先按1鍵小退出，然后再按總退出。

（四）ISD4004語音芯片。

圖3 語音模塊電路圖

語音報警部分用的是ISD4004語音芯片[3]，具有8 分鐘語音錄放功能；內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；具有高質量、自然的語音還原技術，自動靜噪功能，提高了語音高清度；片內免調整時鐘,可選用外部時鐘。在本設計中ISD4004語音芯片內預先存儲有錄好的報警聲音，當危害程度到達設定的報警范圍，單片機發出指令語音芯片會播放報警聲音。

本設計還設置有語音留言功能，最長錄音為三分鐘，在晶振為11.0592Hz時實際錄音時間為2分54秒，方便用戶不在家時，可以通過預留的信息傳遞給家人，本錄音功能巧妙地利用了一個三項開關，可以完成兩個單片機工作之間的方便轉換，第一個單片機為進行實時監測的，第二個為進行錄音與放音的。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LED發光二極管進行亮度指示，設置有RST按鍵，此按鍵為緊急退出鍵，可在此錄音環境中任意時刻終止單片機活動，此時將進入初始狀態。

第一條錄音與放音。按下與P3.2相接的按鍵，將進入第一段錄音與放音環境，此時四個指示燈全部點亮；按下與P3. 5相接的按鍵，將進入開始錄音環境，此時第一、三個指示燈點亮；按下與P3.6相接的按鍵，將進入開始播放第一段錄制的聲音，此時第二、三指示燈點亮；按下與P3.7相接的按鍵，將結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，將進入第二段錄音與放音環境，此時四個指示燈全部點亮；按下與P3.5相接的按鍵，將進入開始錄音環境，此時第一、四個指示燈點亮；按下與P3.6相接的按鍵，將進入開始播放第一段錄制的聲音，此時第二、四指示燈點亮；按下與P3.7相接的按鍵，將結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，讀取信號后由AD7852轉化成數字信號，然后把數字信號傳給單片機，單片機轉化成十進制，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”。通過液晶屏的實時顯示來告訴用戶，室內的濕度情況。

（六）高速AD模塊ADS7852。單片機在采集模擬信號時，通常都需要在前端模擬量/數字量的轉換器，也就是A/D芯片，本設計用到的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位數字量并行輸出的A/D轉換器。在8MHz時鐘輸入條件下，其采用速率可達500Ksps。ADS7852的參考輸入電壓為2.5V（本設計選用的是5V電壓），8通道電壓的輸入范圍是0至5V。

其中，AIN0至AIN7:8路模擬信號輸入端；DB0至DB11：12位數字量輸入端；VREF：參考電壓輸入端；CLK：外部時鐘輸入端，ADS7852的最高采樣率為CLK的1//16；CS：片選信號，低電平有效；WR：寫信號，低電平有效。BUSY：ADS7852狀態輸入端。

本設計中ADS7852的工作過程為：首先用指令選擇ADS7852的一個模擬輸通道，當執行MOVX @DPTR，A時，啟動被選擇通道的轉換，BUSY信號被拉低。當轉換結束后，BUSY信號被拉高。CPU檢測到BUSY信號被變高后，發出指令MOVXA,@DPTR,把該通道轉換結果讀到A累加器中。再由CPU進行數據處理。

（七）可燃氣體模塊。可燃氣體傳輸方式是模擬信號，由AD7852把模擬信號轉化成數字信號，在把數值傳給單片機，然后由單片機判斷是否超標。如果超標，液晶會顯示“超標”字樣，語音芯片會做出相應的報警，始終實時檢測是否超標。直到監測空氣中可燃氣體不超標為止。

因為濕敏、可燃氣體傳感器檢測的是模擬量然后轉換成數字量，通過單片機進行運算，然后再由液晶顯示，主要顯示有濕度濃度（“干燥”“適合”“潮濕”）、可燃氣體是否超標，這兩個傳感器檢測到超標或不適合，會進行提示。

二、軟件程序設計

接通電源，系統進入初始化，初始化后，各傳感器開始進入工作狀態，溫度傳感器開始收集室內溫度情況并通過LCD液晶屏實時顯示，濕度傳感器開始收集室內濕度情況并通過LCD液晶屏實時顯示，當可燃氣體傳感器檢測到空氣中存在有害氣體時，系統將自動報警并通過LCD液晶屏實時顯示，通過時鐘調節按鍵按鈕可以對時間進行調節，通過錄放音按鍵按鈕可以進行錄放音，并通過指示燈顯示。

圖4 溫度程序流程圖

圖5 時鐘程序流程圖

圖6 可燃氣體流程圖

三、總結

特色列舉：用三個DS18B20監測不同位置溫度，并求平均值使測量溫度更加準確。本系統增加語音錄放功能，可提醒家人，并使家庭生活更加有樂趣。

系統適用范圍：家庭智能監測系統是利用先進的計算機技術、電子檢測技術、自動化控制技術、依照室內國家統一安全標準，融合個性需求，將與家庭生活有關的各個子系統如溫度控制，濕度控制，煤氣閥控制等有機地結合在一起，通過單片機智能控制和管理，實現“以人為本”的全新家庭生活體驗。

家庭智能監測系統讓您輕松享受生活。出門在外，你不用擔心家中的安全，無需為自己是否出門時忘記關水關氣，休假在家，家中的所有情況一目了然，系統自動控制家中的溫度濕度，讓你隨時享受最舒適的家庭環境。總之，家庭智能監測系統能夠有時間享受生活的舒適，同時更環保經濟。正如比爾·蓋茨所言：在不遠未來，沒有家庭智能監測系統的住宅會像今天不能上網的住宅那樣不合潮流。

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

[2]田富洋，李晉洋，李法德，等.DS12C887在單片機系統中的應用[J].電測與儀表，2005（3）:62-63.

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

[責任編輯 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，綏化學院電氣工程學院講師，研究方向：單片機應用與設計。

黑龍江省教育科學“十三五“規劃2016年重點課題（編號：GJB1316115）。