摘 要

本次设计是基于STC89C52单片机作为核心控制器件的智能家居控制系统，目的是实时监控家居环境参数的变化，并针对这些变化进行相应的反馈调节。本次设计结合了传感器技术，利用温湿度传感器模块DHT11及光强传感器GY-30分别对室内的温度，光强和烟雾这些重要的室内环境参数进行实时检测和显示，并且根据光照强度自动控制窗帘打开和关闭，采用PWM调速原理根据温湿度对排气扇进行无极自动调速，来达到对室内环境进行反馈调节的目的。同时利用到空气质量传感器MQ-135来对室内空气进行监控，如果检测到烟雾、燃气等污染气体则进行声光报警并自动开启换气扇。

本设计的试验结果表明：本次设计能够对室内环境参数进行监控并且实现相应的反馈调节，能够让大家充分感受到智能家居生活所提供的便利和高效。而且本系统具有稳定高效，设计成本较小，具有很大扩展空间等优点，对于智能家居控制系统的研究及发展具有一定的参考价值。

关键词: 传感器技术；STC89C52单片机；智能家居；PWM调速

Abstract

This design is based on the STC89C52 microcontroller as the core control device of the smart home control system, the purpose is to monitor real-time changes in the home environment parameters, and for these changes in the corresponding feedback regulation. This design incorporates sensor technology. The temperature and humidity sensor module DHT11 and the light intensity sensor GY-30 are used to detect and display indoor temperature, light intensity, and smoke, which are important indoor environmental parameters, and automatically control the curtains according to the light intensity. Turning on and off, the principle of PWM speed control is used to automatically adjust the speed of the exhaust fan according to the temperature and humidity to achieve the purpose of feedback adjustment of the indoor environment. At the same time, the air quality sensor MQ-135 is used to monitor the indoor air. If smoke, gas and other polluting gases are detected, sound and light alarms are performed and the ventilation fan is automatically turned on.

The experimental results of this design show that this design can monitor the indoor environment parameters and implement corresponding feedback adjustments, which will allow everyone to fully feel the convenience and efficiency provided by smart home life. Moreover, the system has the advantages of stability and high efficiency, low design cost, and large space for expansion, and has certain reference value for the research and development of the smart home control system.

Key Words : sensor technology; STC89C52 MCU; smart home; PWM speed regulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究的目的及意义 2

1.3 系统设计的主要任务 2

第2章 方案设计 3

2.1 系统方案介绍 3

2.2 系统功能介绍 3

2.3 系统总体结构设计 4

第3章 系统硬件设计 5

3.1 单片机STC89C52介绍 5

3.1.1 STC89C52芯片介绍 5

3.1.2 时钟电路与复位电路设计 6

3.2 LCD1602显示模块 8

3.2.1 LCD1602原理及特性介绍 8

3.2.2 LCD1602引脚及与单片机的接口介绍 9

3.3 温湿度检测模块 10

3.3.1 DHT11传感器简介 11

3.3.2 DHT11与单片机之间的通讯介绍 11

3.4 光强检测模块 12

3.4.1 GY-30传感器简介 13

3.4.2 IIC总线通路 14

3.5 烟雾检测模块 15

3.6 声光报警模块 16

3.6.1 蜂鸣器电路设计 16

3.6.2 LED电路设计 17

3.7 步进电机模块 18

3.8 L298N电机驱动模块 19

3.8.1 L298N的工作原理 19

3.8.2 L298N电机驱动电路设计 19

第4章 系统软件设计 21

4.1 主程序设计 21

4.2 传感器程序设计 23

4.2.1 温湿度传感器子程序设计 23

4.2.2 光强传感器子程序设计 24

4.2.3 烟雾传感器子程序设计 24

4.3 LCD1602液晶显示子程序设计 25

4.4 输出控制程序设计 26

4.4.1 步进电机驱动子程序设计 26

4.4.2 直流电机驱动子程序设计 27

4.5 PID算法程序设计 28

第5章 仿真与实物调试 30

5.1 PID调速仿真 30

5.2 实物调试 31

5.2.1 实物演示 31

5.2.2 调试所遇问题及解决方法 32

第6章 总结与展望 34

参考文献 35

附录A 元器件清单 36

附录B 硬件电路图 37

附录C 程序代码 38

致谢 55

第1章 绪论

1.1 研究背景

在如今这个信息时代的背景下，伴随着电子技术以及计算机技术的快速发展，我们的生活也随之受到了很大的改变。因而大家对于居家环境的要求和需求也随之提高了，现在大家更想追求的是一个让人感到更加便利、安适和智能化的家庭生活环境，因此人们才渐渐有了智能家居这个概念。因为智能家居是今几年来才有了较为快速的发展，因此很多人对于智能家居这个概念不是很清楚。智能家居系统通俗来说就是采用了计算机网络及综合布线等高新技术，把与居家生活中有联系的一些小的相关系统利用家庭的信息管理平台智能结合起来的一个控制系统^[1]。用更简单的话来描述，就是将家电系统、智能手机、计算机等进行互联，实现信息传递及远程控制等功能。

事实证明智能家居系统从极大层面上是可以提升大家的生活水准。智能家居系统为我们提供了多种控制方法，使得人们能够按照自己的偏爱自由选择控制方式，使得自己能够更加舒适和方便处理事务^[2]。依靠搭建远程的监控系统，人们能够对于家居远程监控的能力大大的提高了，这样人们就能够及时发现和处理如火灾、盗窃等紧急事情，居民的安全感在极大的程度上得到了提高，大家对生活的满意度也在很大层面上得到了提高。另外可以通过安装配置相应的传感器，用来实时监测家庭的气温、湿度、光强等环境参数，利用控制系统控制空调、风扇、灯光等家电自主工作以达到让居民感到舒适的环境^[3]。因此从这个进程状况来看，在未来智能家居这个领域必定能够得到一个很好的发展。

国外比国内更早地就提出了智能家居这个理念，在国外智能家居控制系统也被叫作“Smart Home” ^[4]。1984年，美国成功开创先河，建造了这个世界上的第一个智能化建筑，在它的引领下各中各样的智能家居设计方案被北美、欧洲、东南亚等经济能力相对雄厚的国家所开发出来。就当前情况来看智能家居系统于美国、新加坡、德国以及日本等国家都得到了重视并且正处于高速发展的时间段。根据相关统计于美国大约存在40000个家庭已经应用了智能化家居系统，在新加坡亦存在5000左右的住户应用了与之相似的智能化家居系统。在2004年的年初，韩国的三星公司首次推行由它自主开发研究的智能家居系统，特别是在中、韩这两个国家之间得到广泛的推广^{[5] [6]}。国外对于智能家居系统的研究已经有超过40年的历史了，相对而言国内对于这个领域的研究则比较晚，因此智能家居系统在国内还有很大的发展空间。在中国，咱们对于智能家居的理解是：使用互联网传输信息的能力，通过通信与互联网、智能控制、微处理器以及IC卡技术，将社区的物业管理与安全防互平台、通信处理与治理平台、智能化社区家居控制系统进行有机集成，利用全新地高新产品及高科技技术为住宅小区提供更加智能有效的服务和管理，用来达到更好地社区服务和有效地管理的目的，使居民的家居环境变得更加智能和方便。从这个角度分析，我们可以看出，国内外现在对于智能家居的研究发展都十分的重视。

1.2 研究的目的及意义

在信息科技地高速发展以及人们的经济程度不断提高的潮流下，人们对于生活品质的需求也会日益提高，人们对于新型的智能化的高科技产品愈加青睐，在人们的生活环境中处处都有这些高新产品应用的影子，这些高新产品丰富了居民的日间生活，使居民的活动方式改变的越加高效便利，而其中很大部分都能在我们家庭环境中体现出来，因而智能家居这个观念开始走进我们地视野之中。设计智能家居系统的初衷就在于能够提升居民家居生活的质量。和普通地家居环境进行比较，智能家居不仅仅包含常见的居住功能，更能为居民们创造一个更加舒服、高效、安全、环保并且适宜人生活的居家生活环境。并且能够实现环境信息互换的功能，利用智能家居控制系统人们能够实现遥控家电控制、红外防盗报警、火灾烟雾报警、灯光自动控制、窗帘自动控制等功能，这些控制系统有助于人们合理的安排自己的时间，为人们的生活出行提供方便，增加了室内生活的安全性，使得居民的生活变的更加安全和智能^[7]。正因为智能家居控制系统的设计布局简单方便，功能实用且容易扩展，经济又环保，因而被人们广泛的接受和认可。

1.3 系统设计的主要任务

本次设计为基于STC89C52单片机的智能家居控制系统，使用多传感器感知监控家中环境参数变化并能够实现一定的反馈调节环境参数功能。在本次设计过程当中，分别利用温湿度传感器、光强传感器、烟雾传感器分别对室内的温湿度、光强、烟雾这些环境参数进行实时监控，并根据这些检测的结果通过单片机控制相应的执行器件以实现对环境的反馈调节，根据温度检测结果通过单片机控制排气扇的转速，使室内达到一个舒适的温度环境；利用光强检测结果控制步进电机实现窗帘的自动开关，使人们的生活更加便利和智能；当在室内检测到有害气体时进行声光报警以提醒居民及时采取相关措施预防由火灾、燃气泄漏等造成的灾难，并自动开启排气扇紧急排气处理，提高室内生活的安全性。通过这些传感器实时检测环境参数，并通过单片机控制相应的执行器件进行反馈调节，来达到营造一个更加舒适、安全、智能化的居家环境的目的。

第2章 方案设计

2.1 系统方案介绍

本次毕业系统设计的题目是基于单片机的智能家居控制系统设计，按照设计要求，我选用了STC89C52单片机作为这次系统设计的控制核心，采取多个传感器互相结合地方式，分别选用温湿度传感器DHT11、光强传感器GY-30、烟雾传感器MQ-135作为室内环境信息的采集源，对室内的温湿度、光强、烟雾这些环境参数进行实时采集，将采集到的环境参数信息实时显示在LCD1602上，并通过编程由单片机智能控制多个控制对象实现对这些环境参数的反馈调节^[8]。本次设计采用多种传感器相结合的方法，能够智能的根据相应的传感器所采集的数据实行对应的智能化控制，如根据光强参数通过单片机控制步进电机的正反转来模拟智能窗帘地自动打开或者关闭，根据烟雾参数来进行声光报警，利用温度参数来控制直流电机采用PWM调速的方法实现风扇的无级调速，而且经过PID算法形成闭环的电机转速调控系统。

2.2 系统功能介绍

就目前而言智能家居控制系统的设计方法有很多种，但其最主要功能可以归为以下两个方面：

1.家居设备自动控制功能

2.家庭安全防护功能

经过查阅大量的相关资料后，我决定从这两个方面开展我的系统设计，此次设计的控制系统主要功能有以下几点：

1. 通过温湿度传感器DHT11对室内的温度和湿度数据进行检测。
2. 利用光强传感器GY-30对室内的光强数据进行检测。
3. 利用烟雾传感器MQ-135实时监测室内有害气体并实现声光报警功能。
4. 利用LCD1602液晶显示屏对环境参数进行实时显示。
5. 利用步进电机带动窗帘开关来实现对室内光强的反馈调节。
6. 利用直流电风扇对室内温度进行反馈调节。
7. 利用调节PWM占空比的方法调控直流电风扇的转动速率。

2.3 系统总体结构设计

本次智能家居系统设计采取地是模块化的设计方法，整个设计是以单片机STC89C52为控制核心，通过多个传感器来获取必需的环境参数，由单片机对这些参数进行分析处理并对执行器件如直流电风扇和步进电机发出控制指令，从而对室内的环境参数实现反馈调节。此次系统设计具体可以归纳为下面几个模块：单片机最小系统模块、温湿度测量模块、光强测量模块、有害气体测量模块、LCD液晶显示模块、声光预警模块、步进电机驱动模块、PWM直流电机驱动模块。按照各模块的协同工作，最终完成整个设计的所有功能，此次设计的控制系统的整体结构设计参考下图2-1。

图2-1 系统总体设计框架图

第3章 系统硬件设计

3.1 单片机STC89C52介绍

3.1.1 STC89C52芯片介绍

本次系统设计的核心为STC89C52单片机芯片。STC89C52是被经常使用的一种8bit微处理控制器，具备低消耗和高功能CMOS的特点。STC89C52采用MCS-51这一典型的内核，而于此基础之上又进行大量提升让其拥有普通51单片机所不满足地性能，是STC89C51单片机的加强版。单片机芯片具有非常复杂的内部结构，构成小型计算机地基础功能器件都能在单片机内部得到体现，每个单片机芯片都是集成一个CPU、震荡与时钟电路、程序及数据储存器、寄存器组、3个16bit定时器/计数器、中断器、并行I/O接口、总线扩展控制、穿行通信接口等部分，内部总线将各部分之间相互有序连接在一起形成一个整体的系统^[9]。另外若芯片处于空闲地状态情况，CPU即暂停运作，但是其它部件如定时器/计数器、中断、串口、及RAM还是能够连续运作。具有两种12MHz和6MHz两晶振可供选择。

芯片引脚图如图3-1所示：

图3-1 89C52芯片引脚图

芯片具有4个并行口分别为P0、P1、P2、P3能够执行字节数据的输入/输出操作，也就是我们常说的并行操作。另外，每个端口也有对应的位地址，也可以单独使用各条I/O口线。其中P3端口作为I/O接口时，与其他端口地工作方式相同，但与其他端口不同的是，P3口增加了第二功能的输入输出。P3端口作为第二功能时地输入/输出特性功效见表3-1^[10]。

表3-1 P3口的第二功能

3.1.2 时钟电路与复位电路设计

STC89C52单片机的组成部件比较复杂，其中最为基础的是单片机的最小系统，是由STC89C52芯片作为主要部件组成，并且包含了单片机的时钟电路与复位电路^[11]。

(1) 时钟电路设计

STC89C52单片机用时钟电路来产生所需的时钟信号，目的是为单片机内部多种数字逻辑电路提供工作时间标准。单片机能够通过以下方法产生时钟信号，分别为内部自激振荡的方法以及外部振荡地方法，通过选择相应的电路来选择不同的振荡方法。本次设计利用的是单片机内部振荡的方式，因此在此主要介绍单片机的内部自激振荡的方法。在52单片机里面有一个振荡器电路是由XTAL1（19脚）以及XTAL2（18脚）之间的高增益反相放大地器件组成的，其中XTAL1以及XTAL2这两引脚功能为单片机内部振荡电路的输入端和输出端。本次设计中选用的为12MHz频率的晶振，电容器C1、C2起到快速起振以及稳定振荡频率的作用，一般电容值在5~33pF内，本次选用的是33pF。本次控制系统设计单片机的时钟电路的设计参照下图3-2。

图3-2 内部时钟振荡电路

(2) 复位电路设计

复位操作是对单片机里面所有的电路进行初始化的指令，设计这个电路的目的就是为了让单片机返回到初始状况开启工作。目前普遍使用的单片机地最小系统的设计一般会包含有两种复位方式：开关复位以及上电复位，这两种复位方式操作具备不一样的电路形式。本次单片机最小系统的复位电路设计参照下图3-3，包括有效的上电复位以及手动复位这两种方式。R和C的取值应满足要求：R2、C1gt;2个机器周期，本次取C1=10uF,R2=10KΩ。

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