摘 要

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。
本文介紹了基于AT89C51的智能家居的設計方案與軟硬件實現。通過NTC熱敏電阻實現環境溫度的采集，利用MQ2測量煙霧濃度和煤氣濃度，采用干簧管實現外人侵入檢測。同時，采用藍牙模塊實現數據的無線傳輸，并能在主機上實時顯示，并對異常情況進行聲光報警。
關鍵詞：智能家居、AT89C51、NTC熱敏電阻、MQ2氣體傳感器、干簧管

2.整體方案設計

2.1 系統組成及結構

圖1 系統總體框圖
2.2 模塊方案選擇
2.2.1 溫度檢測
方案一：采用單總線數字溫度傳感器DS18B20測量溫度，直接輸出數字信號。便于單片機處理及控制，節省硬件電路。DS18B20的采用了單總線的數據傳輸。每只DS18B20具有一個獨有的不可修改的64位序列號，根據序列號可訪問不同的器件。這樣一條總線上可掛接多個DS18B20傳感器，實現多點溫度測量，輕松的組件傳感網絡。DS18B20采用數字量輸出，可以直接連接到單片機的I/O口上，而不需要D/A轉換電路。多個DS18B20可以掛靠在同一條總線上，能夠輕松的組件傳感網絡。DS18B20相較于熱敏電阻更加靈敏，分辨率更高。
方案二：搭建NTC熱敏電阻測溫電路，結合ADC0808將采集的電壓模擬量轉換為數字量，通過單片機對NTC測溫公式實時處理，進而獲取到溫度值。熱敏電阻靈敏度較高，其電阻溫度系數要比金屬大10~100倍以上，能檢測出10-6C的溫度變化；工作溫度范圍寬，并且由于體積小，可以檢測狹小空間的溫度，靈活性強，使用方便，成本低。
綜上所述，雖然方案一能及時準確地獲取溫度，但由于其軟件難度較大，所以本次設計采用方案二，利用NTC熱敏電阻實現獲取環境溫度。

3.傳感器工作原理

3.1 NTC熱敏電阻
NTC熱敏電阻是指具有負溫度系數的熱敏電阻，是使用單一高純度材料、具有接近理論密度結構的高性能陶瓷。因此，在實現小型化的同時，還具有電阻值、 溫度特性波動小、對各種溫度變化響應快的特點，可進行高靈敏度、高精度的檢測。
NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫,意思是負的溫度系數,泛指負溫度系數很大的半導體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度系數熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，因為在導電方式上完全類似鍺、硅等半導體材料。溫度低時，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10O_{1000000歐姆，溫度系數-2%}-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應用于溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流等場合。
3.2 MQ2氣體傳感器
MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。 MQ-2 氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。
3.3 磁控開關
磁控開關由永久磁體和干簧管構成。干簧管通常有兩個軟磁性材料做成的、 無磁時斷開的金屬簧片觸點，有的還有第三個作為常閉觸點的簧片。這些簧片觸點被封裝在充有惰性氣體 (如氮、氦等)或真空的玻璃管里，玻璃管內平行封裝的簧片端部重疊，并留有一定間隙或相互接觸以構成開關的常開或常閉觸點。干簧管比一般機械開關結構簡單、體積小、速度高、工作壽命長；而與電子開關相比，它又有抗負載沖擊能力強等特點，工作可靠性很高。
干簧管的工作原理非常簡單，兩片端點處重疊的可磁化的簧片、密封于一玻璃管中，兩簧片分隔的距離僅約幾個微米，玻璃管中裝填有高純度的惰性氣體，在尚未操作時，兩片簧片并未接觸、外加的磁場使兩片簧片端點位置附近產生不同的極性，結果兩片不同極性的簧片將互相吸引并閉合。依此技術可做成非常小尺寸體積的切換組件，并且切換速度非常快速、且具有非常優異的信賴性。永久磁鐵的方位和方向確定何時以及多少次開關打開和關閉。如此形成一個轉換開關：當永久磁鐵靠近干簧管或繞在干簧管上的線圈通電形成的磁場使簧片磁化時，簧片的觸點部分就會被磁力吸引，當吸引力大于簧片的彈力時，常開接點就會吸合；當磁力減小到一定程度時，接點被簧片的彈力釋放。

4.硬件電路設計

4.1 控制器

圖2 主控制器
主控制器采用AT89C51，該單片機有4個輸入輸出端口，每個端口8位，有3個定時器，可用來定時計數，有2個外部中斷口，可用來實時檢測外部信號，有一個全雙工串口模塊，可用來數據通信。

5.軟件設計及仿真調試

5.1 系統程序流程圖
系統軟件的設計主要分為以下模塊：采集數據、處理數據、顯示數據、發送數據、報警處理。本系統軟件部分流程大致為：首先對各部分模塊進行初始化，然后單片機分別對溫度、煙霧、煤氣的傳感器的數據進行采集，通過相關的公式，對采集到的數據進行數據處理，進而顯示數據，同時通過串口模塊發送數據，最后做報警系統處理。本系統所涉及的軟件部分的框圖如圖所示。

圖10 程序流程圖
5.2 仿真結果

圖11 仿真結果

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