摘 要

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。
本文介绍了基于AT89C51的智能家居的设计方案与软硬件实现。通过NTC热敏电阻实现环境温度的采集，利用MQ2测量烟雾浓度和煤气浓度，采用干簧管实现外人侵入检测。同时，采用蓝牙模块实现数据的无线传输，并能在主机上实时显示，并对异常情况进行声光报警。
关键词：智能家居、AT89C51、NTC热敏电阻、MQ2气体传感器、干簧管

2.整体方案设计

2.1 系统组成及结构

图1 系统总体框图
2.2 模块方案选择
2.2.1 温度检测
方案一：采用单总线数字温度传感器DS18B20测量温度，直接输出数字信号。便于单片机处理及控制，节省硬件电路。DS18B20的采用了单总线的数据传输。每只DS18B20具有一个独有的不可修改的64位序列号，根据序列号可访问不同的器件。这样一条总线上可挂接多个DS18B20传感器，实现多点温度测量，轻松的组件传感网络。DS18B20采用数字量输出，可以直接连接到单片机的I/O口上，而不需要D/A转换电路。多个DS18B20可以挂靠在同一条总线上，能够轻松的组件传感网络。DS18B20相较于热敏电阻更加灵敏，分辨率更高。
方案二：搭建NTC热敏电阻测温电路，结合ADC0808将采集的电压模拟量转换为数字量，通过单片机对NTC测温公式实时处理，进而获取到温度值。热敏电阻灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10~100倍以上，能检测出10-6C的温度变化；工作温度范围宽，并且由于体积小，可以检测狭小空间的温度，灵活性强，使用方便，成本低。
综上所述，虽然方案一能及时准确地获取温度，但由于其软件难度较大，所以本次设计采用方案二，利用NTC热敏电阻实现获取环境温度。

3.传感器工作原理

3.1 NTC热敏电阻
NTC热敏电阻是指具有负温度系数的热敏电阻，是使用单一高纯度材料、具有接近理论密度结构的高性能陶瓷。因此，在实现小型化的同时，还具有电阻值、 温度特性波动小、对各种温度变化响应快的特点，可进行高灵敏度、高精度的检测。
NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写,意思是负的温度系数,泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10O_{1000000欧姆，温度系数-2%}-6.5%。NTC热敏电阻器可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。
3.2 MQ2气体传感器
MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ-2 气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。
3.3 磁控开关
磁控开关由永久磁体和干簧管构成。干簧管通常有两个软磁性材料做成的、 无磁时断开的金属簧片触点，有的还有第三个作为常闭触点的簧片。这些簧片触点被封装在充有惰性气体 (如氮、氦等)或真空的玻璃管里，玻璃管内平行封装的簧片端部重叠，并留有一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭触点。干簧管比一般机械开关结构简单、体积小、速度高、工作寿命长；而与电子开关相比，它又有抗负载冲击能力强等特点，工作可靠性很高。
干簧管的工作原理非常简单，两片端点处重叠的可磁化的簧片、密封于一玻璃管中，两簧片分隔的距离仅约几个微米，玻璃管中装填有高纯度的惰性气体，在尚未操作时，两片簧片并未接触、外加的磁场使两片簧片端点位置附近产生不同的极性，结果两片不同极性的簧片将互相吸引并闭合。依此技术可做成非常小尺寸体积的切换组件，并且切换速度非常快速、且具有非常优异的信赖性。永久磁铁的方位和方向确定何时以及多少次开关打开和关闭。如此形成一个转换开关：当永久磁铁靠近干簧管或绕在干簧管上的线圈通电形成的磁场使簧片磁化时，簧片的触点部分就会被磁力吸引，当吸引力大于簧片的弹力时，常开接点就会吸合；当磁力减小到一定程度时，接点被簧片的弹力释放。

4.硬件电路设计

4.1 控制器

图2 主控制器
主控制器采用AT89C51，该单片机有4个输入输出端口，每个端口8位，有3个定时器，可用来定时计数，有2个外部中断口，可用来实时检测外部信号，有一个全双工串口模块，可用来数据通信。

5.软件设计及仿真调试

5.1 系统程序流程图
系统软件的设计主要分为以下模块：采集数据、处理数据、显示数据、发送数据、报警处理。本系统软件部分流程大致为：首先对各部分模块进行初始化，然后单片机分别对温度、烟雾、煤气的传感器的数据进行采集，通过相关的公式，对采集到的数据进行数据处理，进而显示数据，同时通过串口模块发送数据，最后做报警系统处理。本系统所涉及的软件部分的框图如图所示。

图10 程序流程图
5.2 仿真结果

图11 仿真结果

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