基于嵌入式系统的家居智能门窗设计

引言

　　随着我国国民经济的快速发展， 人民生活水平的提高， 人们对家庭住房的防盗、防劫、防火设备的重视程度也在不断提高， 所以现代社会有更多的人需要对偷盗、抢劫、火灾、煤气泄漏等事故进行监测和报警。为了有效的保证居民的生命财产安全， 我们设计了一款智能家庭防盗报警系统。该系统是利用无处不在的电话网络进行监控，将AT89S51 单片机、ISD4000 集成语音芯片、HT1602 液晶显示驱动芯片及集成电路组成的双音多频拨号电路等有机地结合在一起， 构成一种功能先进、实用、成本低廉的家庭智能防盗报警器。

　　1 系统的总体设计

　　智能门窗属建筑领域的附件，它包括智能控制系统和门窗开关装置以及报警系统。该智能门窗实现的主要功能是当室内燃气泄露，CO和CO2含量过高，甲醛、苯等有毒物质超标时，能够控制窗户自动打开，让空气形成对流，并启动排风扇向室外排出有害气体，当室外环境不允许开窗时由风光雨传感器传输信号到主控系统，使其发出指令关闭窗户，同时整个系统将以排风扇工作为主。如果状况仍未缓解，则启动警报装置。

　　整个系统由主控芯片、各种传感器、报警器终端，以及机械传动装置组成，控制芯片和传感器等直接固定在门窗上，而报警终端则可固定在室内墙壁或容易引起主人警觉的地方。系统结构如图1所示。

 

 

 

　　1.1 LPC2136微控制器概述

　　LPC2136是基于一个支持实时仿真和跟踪的16／32位ARM7TDMI-S CPU微控制器，它带有256 KB嵌入的高速片内FLASH存储器。片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。

　　P0.27～P0.30为LPC2136的A／D转换器输入端，作为风光雨模拟信号、温度模拟信号和有害气体检测信号等的模拟输入端，分时段扫描查询这几个模拟量，并将风光雨模拟信号、有害气体模拟信号等做A／D转换后显示在LCD显示单元上。风光雨传感器输出的信号非线性误差较大，并对温度敏感，本文设计了专用的放大、处理和补偿电路对其信号进行处理和补偿，使其输出的模拟量基本达到线性。实测证明可达到5％的误差，这对于一般的监控已可以满足要求。

　　1.2 感应系统硬件设计

　　该部分主要以传感器为采集信号手段，经转换元件将采集到的信号进行加工，使采集到的模拟信号能够被主控制芯片识别，结构框图如图2所示。

 

 

 

　　1.3 有害气体检测模块

　　由于室内引入能释放有害物质的污染源或室内环境通风不佳，导致室内空气中有害物质无论数量上还是种类不断增加，并引起人的一系列不适症状的现象，即为室内空气受到了污染。就环境污染对人体健康的影响而言，由于人们生活、工作在室内环境的时间长，室内通风状况不良、不利于污染物稀释扩散自净等原因，室内环境质量比室外环境质量显得更为重要。室内空气污染物有生物性污染物，如细菌；化学性污染物，如甲醛、氨气、苯、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等；还有放射性污染物氡气及其子体。室内空气污染与大气污染由于所处的环境不同，其污染特征也不同。

　　有害气体检测电路，如图3所示。在该电路中主要用气敏传感器实现“气-电”转换，在正常情况下，气敏传感器不接触有害气体或有害气体浓度很低时，气敏传感器两端呈现高阻状态，检测到的信号小，不能驱动后级电路而使其工作。反之，检测信号变大，从而驱动开窗器和排风扇工作，及时报警，并尽可能地排除有害气体。

　　（1）一氧化碳传感器。选用深圳富安达公司的CO／MF-500型电化学传感器，当环境的CO浓度发生变化时，电化学方程的平衡产生移动，输出的电流发生相应的变化。该传感器量程为0～500 ppm，分辨率为1 ppm，线性输出，并且过滤了H2S和SO2气体，测量精度较高。

　　（2）甲醛传感器。选用深圳市富安达公司的S-10电化学传感器，测量范围为0～10 ppm，最大负载为50 ppm，输出信号为800 nA／ppm，分辨率为0.05 ppm，响应时间小于50 s，可在高湿度等恶劣环境下工作。

　　（3）烟雾传感器。选用深圳市商斯达公司的离子室烟雾传感器，电源电压为直流6.0～18.0 V，输出电压为（5.6±0.4）V，灵敏度为（0.6±0.1）V，温度为-10～+60℃。

　　气体传感器需要用导线引出，同时控制器需要一组12 V（DC，500 mA）的电源供电。由于气体传感器需要电源预热，功耗较大，+5 V电源下约需150 mA电流。本文采用一个LM7805三端稳压器供电，同时加上适当的散热器，以保证长时间可靠稳定的工作。实践证明，它对温度和湿度测量是准确和迅速有效的，对气体的检测也十分敏感，遇到有危险气体时能可靠地发出报警和自动接通风扇排风，为人员的安全起到高灵敏度的检测和保护作用。

　　1.4 风光雨感应系统设计

　　风光雨传感器是一种集多种传感器于一身的多功能传感器，它可以自动检测风力、光线强度、雨量大小，为窗户的开启控制提供依据，这里选用深圳卓灵公司的ZF-WRR型风光雨传感器，其工作电压为直流12 V；工作电流为0.1 A；风感器可设定风速值为1～4级，范围为3～20 km／h；雨感器可设定范围为1～5 mm／h；采用防水结构设计方案，以及风感部分双轴承结构，可确保风感灵敏度。当室内有害气体浓度过大，除开启排风扇将有害气体排出室外，还可连接开窗器作为辅助将窗户打开，但若逢大风、大雨或风沙天气，因不适宜开窗，则由MCU发出关闭窗户指令。