基于单片机的智能家居环境检测系统设计

文/幸联星

（肇庆学院场馆中心 广东省肇庆市 526061）

全球工业污染的日益严重，导致空气质量急剧下降，生活环境不断恶化，人们在关注周边环境的同时，也越来越重视家居环境。那么怎样的家居环境才是最适合人们生活的环境呢？普遍认为室温适中，过高或过低都对健康不利； 空气湿度适中，不干不湿最健康； 空气质量优良以上，污染的空气影响健康[1]。为确保拥有优质的家居环境，实时家居环境检测，获取精确环境信息，显得尤其重要。

目前能获取家居环境信息途径主要有以下两种： 一是互联网实时监测数据，二是家居环境检测装置。 前者监测范围较大，往往特指某一城市的某一地区，且多为监测点数据，对于该地区住户来说，仅能作为参考； 后者采用室内安装或手持装置，实时监测，精确性高，适用于各种家庭和办公环境，然而大部分家居检测装置均为内置显示屏显示， 没法实现远程监控，难以实时了解家中情况，及时提醒老人小孩增减衣服或者通过其它智能机器如空气净化器、抽湿机等改变环境质量。 有鉴于此，本文提出基于51 单片机室内环境检测系统的开发构想，实现对室内温湿度、光强、 PM2.5 数据的检测， 系统具备了常用环境数据检测功能，除了实时显示数据外，亦可通过手机 APP 远程监测， 能满足一般家庭和办公场所环境监测需要。

1 系统功能简述及电子元件选配

系统装置通过灰尘传感器、温度传感器、湿度传感器、光强传感器分别感知室内空气中的 PM2.5（可入肺颗粒）、温度、湿度、光照强度数据，通过芯片及程序分析和处理，将数据显示在液晶屏上，最后通过 GSM 模块将数据发送至服务器，客户端可通过手机 APP 读取服务器数据，从而实现远程监控功能。

根据功能要求，笔者对市面主流的元器件进行筛选，通过对多款灰尘传感器、温度传感器、湿度传感器、光强传感器、数据传输模块等器件进行分析比较后[2]，决定采用以下功能完善、性格比高的器件构建本系统，各电子元件情况见表1。

2 系统设计及功能实现

图1：STC89C52 最小系统电路图

图2：系统复位电路图

图3：时钟电路

2.1 主控芯片最小系统设计

主控芯片采用 STC89 C52 微控制器（52 单片机），最小系统包括复位电路、时钟电路、供电电路、外围电路，外围电路含各种传感器电路、显示器电路等[3]。如图1 所示。

任何产品都不能排除会在启动或运行过程中出现问题，此时要用到复位键（复位电路）来重启程序。复位电路一般都是具备自动和手动两种方式，手动复位其本质是内置电容的充放电，手动复位电路图2所示，通过接9号的 RST引脚和 VCC引脚来实现重启功能。

时钟电路产生时钟信号包括外部产生及内部产生两种方式，本系统采用内部时钟产生信号设计。如图3 所示，相同数值30pf 电容元件，保证频率稳定并能确保在特定频率“起跳”。

系统电源电路相对简单，均按照标准设计，能很好满足系统需求，此处不再赘述。

2.2 温湿度检测功能的实现

2.2.1 电路设计

图4：温湿度传感器电路

图5：光强测量电路图

图6：灰尘检测电路图

如图4 所示，将温湿度传感器原件2 号引脚与单片机的12 号引脚相连，外接一个3 K 电阻，1 号引脚接电源，4 号引脚接上地线，3 号引脚悬空，这样的设计相对简单，有利于手工焊接操作。

2.2.2 温湿度模块数据采集

采用单总线双向串行通信协议，每次采集都要由单片机发起开始信号，然后DHT11 会向单片机发送响应并开始传输40 位数据帧，高位在前。 数据格式为：8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bit 温度整数数据+8bit 温度小数数据+8bit 校验位，温湿度小数部分默认为0[4]。

2.3 光强检测功能实现

2.3.1 电路设计

如图5 所示，1 号引脚接5V 电源；2 号3 号接线方法类似，2 号接的单片机 P10 引脚，3 号接单片机 P11 引脚，分支接10 K 的电阻后再连接到电源端； 4 号ADD 引脚联同5 号引脚一起接地线。

2.3.2 光强传感器数据采集

单片机发送开始信号后，进入等待应答状态， BH1750 FVI 传感器接收指令完成测量后发送16 bit 数据，单片机接收数据之后响应，当传感器没有采集到数据发送时，单片机就不会发出采集信号，功耗降低。

2.4 灰尘检测功能实现

2.4.1 电路设计

表1

如图6 所示，传感器 4 号脚与1 号脚悬空，2 号连接单片机的P32，3 号连接5V 电源端， 5 号接地线。电路相对简单，容易焊接。

2.4.2 灰尘传感器数据采集

ZPH01 粉尘PM2.5 传感器模组是整合了成熟的VOC 检测技术与先进PM2.5 检测机理，实现对VOC 与PM2.5 的同时检测。PM2.5 检测单元采用粒子计数原理，可灵敏检测直径1μm 以上灰尘颗粒物，其结构和电路比较简单。采用为红外LED 光源，气流进出风口主要靠电阻发热以获得热气流动，有颗粒通过即输出高电平，输出信号为PWM。

显示功能与数据传输功能的实现此处不再赘述，需要特别注意的是显示器元件焊接的引脚比较多，容易出错，在制作时必须特别留意。

3 开发环境

3.1 下位机开发环境

系统使用keil 第四版51 系列兼容单片机C 语言软件开发系统；使用Protues 软件进行仿真测试；使用STC-ISP 进行编程烧录。其中， Keil 是美国著名的一款 C 语言开发软件，与汇编相比， C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，它提供了众多完整的开发发案供我们使用；Protues 是英国的一款EDA 工具软件，近乎完美的概念设计，包括原理布线图到一键切换到PCB设计等。STC-ISP 是一款单片机下载编程烧录软件，是针对STC 系列单片机而设计的，使用简便，现已被广泛使用。

3.2 手机APP开发环境

系统检测数据获取的另一条渠道为手机APP 显示。由于安卓系统具有较高开源优势，为开发者提供了较高开发自有度，因此，系统 App 前期将选择基于 Android 平台进行设计和开发，待条件成熟后进一步考虑基于 iOS 平台的二次开发。

3.3 系统程序流程

系统程序流程设计如图7 所示：程序运行开始，系统初始化，程序数据归零，这个过程可以对上一次程序执行留下来的数据进行清零，避免前者对接下来检测数据产生影响；主程序命令，调用湿温度测量子程序、光强测量子程序和 PM2.5 测量子程序，获取相关数值，经过模数转化处理过程，在系统液晶屏上显示，同时调用 GPRS 子程序，通过手机 APP 获取数据信息，系统接收到获取的信号，重复运行信号调用子程序，就可以实现即时更新，实时显示的状态。

图7：程序整体流程图

4 结论

本系统实现了温湿度、光强、 PM2.5 几种常用的环境数据的检测，很好满足家庭的需要，家庭成员都能够通过手机 APP 实时查看装置家里环境的情况，尤其是家长外出，小孩和老人在家时，可实时获得环境信息，及时提醒家人增添衣服或者通过其它家庭的智能设备改变家居环境。