智能家居监控专业系统设计.docx

电气工程学院传感器课程设计汇报班 级： 自133 姓 名： 王高飞 学 号： 131076 设计题目： 智能家居监控系统设计设计时间： .6.206.24 评定成绩： 评定老师： 【摘要】智能家居以住宅为平台，将建筑、网络通信、信息家电、管理融为一体高效、舒适、安全、便利、环境保护家居环境。智能家居是一个多功效系统，包含家庭内部安全防范、家居布线系统、家电控制、远程视频监控系统等。家居智能化设计包含传感器检测，信号传输，结果处理等。但现在仍未普及，而且现在智能家居国际标准未成热，所以智能家居监控系统仍然存在宽广发展空间。本文设计智能家居系统以AT89C51单片机为关键控制单元，实时获取DS18B20温度传感器、MQ-2煤气（烟雾）传感器、HC-SR501人体红外线传感器数据，并经过LCD1602来显示目前状态。除此之外，本文还设计了基于新型MEMS传感器老年人跌倒监测系统。【关键词】智能家居、AT89C51、MQ-2、HC-SR501、LCD1602、MPU6050目 录1. 设计要求51.1. 设计题目：智能家居监控系统设计51.2. 设计要求分析52. 总体方案62.1. 模块方案选择62.1.1. 单片机模块62.1.2. 温度检测模块62.1.3. 煤气、烟雾检测模块72.1.4. 外人入侵检测模块82.1.5. 老人跌倒监测模块82.1.6. 无线通信模块82.2. 方案设计103. 硬件设计113.1. 关键器件介绍113.1.1. AT89C51介绍113.1.2. 煤气、烟雾传感器MQ-2123.1.3. 人体红外传感器HC-SR501133.1.4. 温度传感器DS18B20133.1.5. 加速度传感器MPU6050143.1.6. nRF24L01无线收发模块153.2. 电路各单元原理图163.2.1. USB接口及电源163.2.2. 晶振及复位电路173.2.3. 最小系统173.2.4. LCD1602液晶显示电路183.2.5. 报警电路183.2.6. 无线通讯和稳压单元193.3. 各模块电路原理图193.3.1. 温度检测模块193.3.2. 外人入侵检测模块203.3.3. 煤气、烟雾检测模块213.3.4. 老人跌倒监测报警模块223.3.5. 主机模块234. 软件设计244.1. 温度检测报警模块244.2. 煤气、烟雾检测模块285. 系统仿真305.1. 温度报警检测模块305.2. 煤气、烟雾报警模块315.3. 仿真不足315.4. 方案改善326. 设计总结33参考文件.341. 设计要求1.1. 设计题目：智能家居监控系统设计以提升家居生活安全性、舒适度、人性化为目标，设计智能家居监控系统。利用所学传感器和检测技术知识，实现家居温度、煤气泄漏、外人闯进、火灾（烟雾）检测（以上检测项目必做。在此基础上增加检测项目并含有可行性，加分。除环境监测项目外，也可增加人体信号检测等。）。各检测节点可经过无线方法连接到主机，检测到危险信号后，主机可采取声光报警或远程报警。1.2. 设计要求分析假如要实现以上功效，进行以下功效分解： 对室内4个地点（如卧室、客厅等）温度检测，满足自动控制温度要求。 对室内空气中煤气、烟雾含量进行监控，一旦超出所设定值，则报警装置开启，警示灯亮。 设计预防外人侵入模块，采取红外线人体感应传感器，一旦有些人进入监测范围内，则报警装置开启，警示灯亮。 除满足以上基础要求外，另采取MPU6050加速度传感器对室内老人跌倒情况进行监测，一旦老人跌倒，自动装置会报警，并通知家眷及门卫，立即采取方法。2. 总体方案2.1. 模块方案选择2.1.1. 单片机模块方案一：使用AT89C51单片机模块。AT89C51是一个带4K字节FLASH存放器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）和128 BYTES随机数据存放器低电压、高性能CMOS 8位微处理器。内置功效强大微型计算机AT89C51提供了高性价比处理方案。方案二：使用MSP430单片机模块。MSP430系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场一个16位超低功耗、含有精简指令集（RISC）混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。其含有 处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点，所以在很多单片机领域全部得到广泛应用。AT89C51相对于MSP430即使存放容量小，功效较为逊色。不过出于我对AT89C51单片机较为熟悉，而且AT89C51足以满足此次设计任务，所以我选择AT89C51模块。一下全部模块单元中，全部采取AT89C51作为微控制器。2.1.2. 温度检测模块方案一：经过使用PCF8591芯片，首先检测多组热敏电阻电压和温度对应关系，经过MATLAB或excel列表绘图拟合出热敏电阻电压和温度对应函数关系，进而经过编写程序得出通常情况，即在任意对应电压下全部有对应温度。使之显示在LCD1602液晶显示器上。方案二：经过使用芯片直接将检测热敏电阻电压数据（数字量）传入至AT89C52单片机中，经过多组测量找到温度和电压对应关系，最终确定一个函数关系式，并经过此关系式编写程序算法，将其显示在LCD1602液晶显示器上。方案三：采取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。该芯片物理化学性质稳定，线性性能好，在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20最大特点之一采取了单总线数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89C51组成温度装置，它直接输出温度数字信号到控制器。每只DS18B20含有一个独有不可修改64位序列号，依据序列号可访问不一样器件。这么一条总线上可挂接多个DS18B20传感器，实现多点温度测量，轻松组件传感网络。综上，DS18B20相较于前两种方案含有很多优势： DS18B20采取数字量输出，能够直接连接到单片机I/O口上，而不需要D/A转换电路。 多个DS18B20能够挂靠在同一条总线上，能够轻松组件传感网络。 DS18B20相较于热敏电阻愈加灵敏，分辨率更高。所以，本文采取DS18B20温度传感器作为测温元件。2.1.3. 煤气、烟雾检测模块方案一：采取电离式烟雾传感器NAP-07。此传感器依据计算机模拟最好性能设计单元式结构，此电离室专用于烟感探测器。其全部材料采取高耐腐蚀材料，安全性能达成GB C6464标准。除此之外，其平衡电离度小，满足模拟量烟感探测器使用要求。方案二：采取气MQ-2型烟雾传感器，它是由二氧化锡半导体气敏材料组成，属于表面离子式N型半导体。当处于200300温度时，二氧化锡吸附空气中氧，形成氧负离子吸附，使半导体中电子密度降低，从而使其电阻值增加。当和烟雾接触时，假如晶粒间界处势垒受到该烟雾调制而改变，就会引发表面电导率改变。利用这一点就能够取得这种烟雾存在信息。本文采取方案二中MQ-2型烟雾传感器。首先它能够同时检测煤气和烟雾，能够同时满足设计中两项要求，这么选择能够节省成本，简化电路。其次，MQ-2相较于NAP-07愈加流行，其相关资料也较多，使用起来比较方便。2.1.4. 外人入侵检测模块本模块传感器采取HC-SR501 人体红外感应模块。HC-SR501人体红外感应模块是基于红外线技术自动控制产品。灵敏度高、可靠性强、超低功耗，超低电压工作模式。广泛应用于各类自动感应电器设备,尤其是干电池供电自动控制产品。在本设计中，该传感器安置于窗户，一旦陌生人靠近，触发喇叭报警。2.1.5. 老人跌倒监测模块本模块传感器采取MPU6050传感器。MPU6050是全球首例6轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴加速度计和一个可扩展数字运动处理器DMP，可用IIC接口连接一个第三方数字传感器。扩展以后就能够经过其IIC或SPI接口输出一个6轴信号。MPU-6000（6050）角速度全格感测范围为250、500、1000和/sec (dps)，可正确追踪快速和慢速动作，而且，用户可程式控制加速器全格感测范围为2g、4g8g和16g。产品传输可透过最高至400kHzIC或最高达20MHzSPI（MPU-6050没有SPI）。MPU-6000可在不一样电压下工作，VDD供电电压介为2.5V5%、3.0V5%或3.3V5%，逻辑接口VDDIO供电为1.8V 5%（MPU6000仅用VDD）。2.1.6. 无线通信模块方案一：采取蓝牙技术。蓝牙技术关键分为BT3.0+HS和4.0版本中加入BLE标准。在轻家居领域，关键讨论BLE部分。低功耗蓝牙技术是低成本，远距离，可互操作鲁棒性无线技术，工作在2.4G频段。BLE采取可变连接时间间隔，几毫米到几秒，利用快速连接方法，拥有极低运行好待机功耗。方案二：采取nRF24L01无线模块。nRF24L01无线模块是采取挪威NORDIC企业nRF24L01 2.4G无线收发IC设计一款高性能 2.4G无线收发模块，采取GFSK调制，工作在2400-2483M国际通用ISM频段，最高调制速度可达2MBPS。Nrf24L01无线模块集成了全部频射协议在高速信号处理部分。模块大小3215.2mm，2.54mm间距双排插针接口，使用内置PCB天线设计，开阔地1MBPS速率下，收发10个字节数据量测试距离最远约为70M左右。因为蓝牙技术协议较复杂，功耗较高、成本较高，抗干扰能力不强，信息安全性差，使其不太适适用于要求低成本、低功耗工业控制和将网络，并制约其深入发展和大规模应用。相反，nRF24L01在本设计中含有低成本、稳定显著特点，而且本人对nRF24L01相对了解些，故本文采取nRF24L01无线模块作为各模块和主机进行通讯工具。2.2. 方案设计综上，系统总体框图以下： NRF24L01NRF24L01主机NRF24L01NRF24L011入侵检测模块烟雾、煤气检测模块老人跌倒检测模块温度检测模块 图2.1 系统结构图各个模块之间相互独立，共同和主机进行通讯。当主机收到模块（如烟雾、煤气检测模块）发送来信号后，对信号进行分析。若信号超出限定范围，则主机发出报警信号使喇叭响起，报警指示灯亮。3. 硬件设计3.1. 关键器件介绍3.1.1. AT89C51介绍AT89C51是一个带4K字节FLASH存放器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）和128 BYTES随机数据存放器低电压、高性能CMOS 8位微处理器。内置功效强大微型计算机AT89C51提供了高性价比处理方案。AT89C51 提供以下标准功效：4k字节Flash闪速存放器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中止结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器立即钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选节电工作模式。空闲方法停止CPU工作，但许可RAM，定时/计数器，串行通信口及中止系统继续工作。掉电方法保留RAM中内容，但振荡器停止工作并严禁其它全部部件工作直到下一个硬件复位。实物图及引脚排列以下：图3.1 AT89C51实物图图3.2 AT89C51引脚图3.1.2. 煤气、烟雾传感器MQ-2本文才用烟雾传感器为MQ-2烟雾传感器。在NRF24L02网络中负责采集室内烟雾信息，一旦烟雾值超出预定值，将触发蜂鸣器报警。其引脚图和实物图图4-23所表示：烟雾传感器模块VCCGNDD0A0图3.3 烟雾传感器引脚图和实物图引脚介绍：VCC电源正极GND电源地D0数字量输出口，检测到烟雾时输出高电平，不然为低电平A0模拟量输出口，输出模拟电压，电压越低，烟雾浓度越大3.1.3. 人体红外传感器HC-SR501HC-SR501 人体红外感应模块 是基于红外线技术自动控制产品。灵敏度高、可靠性强、超低功耗，超低电压工作模式。广泛应用于各类自动感应电器设备,尤其是干电池供电自动控制产品.在本项目中，该传感器安置于窗户，一旦陌生人靠近，触发蜂鸣器报警。 图3.4 人体红外传感器实物图3.1.4. 温度传感器DS18B20可采取DS18B20作为测温元件，来测量室内温度。其特征以下：（1） 单总线接口，仅需要个引脚和单片机进行通信。（2） 多个DS18B20均可挂在单总线上，实现多点测温功效。（3） 可经过数据线供电，电压范围为3.0V5.5V（4） 温度以9或12位数字读数方法（5） 用户可定义报警设置（6） 报警搜素命令识别并标志超出程序限定温度（温度报警条件）器件（7） 负电压特征，电源极性接反时，温度计不会发烧而烧毁，但不能正常工作。（8） DS18B20采取3引脚PR-35封装或8引脚SOIC封装。温度传感器模块VCCDOGND 图3.5 DS18B20引脚图图3.6 DS18B20实物图3.1.5. 加速度传感器MPU6050模块传感器采取MPU6050传感器。MPU6050是全球首例6轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴加速度计和一个可扩展数字运动处理器DMP，可用IIC接口连接一个第三方数字传感器。扩展以后就能够经过其IIC或SPI接口输出一个6轴信号。MPU-6000（6050）角速度全格感测范围为250、500、1000和/sec (dps)，可正确追踪快速和慢速动作，而且，用户可程式控制加速器全格感测范围为2g、4g8g和16g。产品传输可透过最高至400kHzIC或最高达20MHzSPI（MPU-6050没有SPI）。MPU-6000可在不一样电压下工作，VDD供电电压介为2.5V5%、3.0V5%或3.3V5%，逻辑接口VDDIO供电为1.8V 5%（MPU6000仅用VDD）。 图3.7 MPU6050模块实物图 图3.8 MPU6050引脚图3.1.6. nRF24L01无线收发模块 nRF24L01无线模块是采取挪威NORDIC企业nRF24L01 2.4G无线收发IC设计一款高性能 2.4G无线收发模块。其关键特色以下： 采取GFSK调制。 数据传输率为l Mb/s或2Mb/s。 SPI速率为0 Mb/s10 Mb/s2。 QFN20引脚4 mm4 mm封装。 供电电压为1.9 V3.6 V。 图3.9 nRF24L01模块封装引脚图 图3.10 nRF24L01模块实物图3.2. 电路各单元原理图3.2.1. USB接口及电源图3.11 USB接口及电源单元原理图3.2.2. 晶振及复位电路图3.12 晶振和复位电路单元原理图3.2.3. 最小系统图3.13 最小系统单元原理图3.2.4. LCD1602液晶显示电路图3.14 LCD1602单元原理图3.2.5. 报警电路图3.15 报警电路单元原理图3.2.6. 无线通讯和稳压单元图3.16 无线通讯和稳压单元原理图3.3. 各模块电路原理图3.3.1. 温度检测模块图3.17 DS18B20单元原理图图3.18 温度检测模块原理图3.3.2. 外人入侵检测模块图3.19 HC-SR501单元原理图图3.20 外人入侵检测模块原理图3.3.3. 煤气、烟雾检测模块图3.21 MQ-2单元原理图图3.22 煤气、烟雾检测模块原理图3.3.4. 老人跌倒监测报警模块图3.23 MPU6050单元原理图图3.24 老人跌倒监测报警模块原理图3.3.5. 主机模块图3.25 主机模块原理图4. 软件设计申明：软件设计只设计了温度和煤气检测模块，且仿真也只做了这部分内容。4.1. 温度检测报警模块图4.1 温度检测模块步骤图温度检测模块步骤图图4.1所表示。u DS18B20初始化：图4.2 DS18B20初始化步骤图初始化程序： void ds1820rst() unsigned char x=0; DQ = 1; delay_18B20(6); DQ = 0; delay_18B20(600); DQ = 1; delay_18B20(30); u 向DS18B20写数据:图4.3 向DS18B20写数据步骤图向DS18B20写数据程序： void ds1820wr(uchar wdata) unsigned char i=0; for (i=8; i0; i-) DQ = 0; DQ = wdata&0x01; delay_18B20(10); DQ = 1; wdata=1; u 从DS18B20读数据：图4.4 从DS18B20读数据程序：uchar ds1820rd() unsigned char i=0; unsigned char dat = 0; for (i=8;i0;i-) DQ = 0; dat=1; DQ = 1; if(DQ) dat|=0x80; delay_18B20(10); return(dat); 4.2. 煤气、烟雾检测模块当传感器检测到空气中煤气、烟雾等气体浓度大于设定值时，单片机IO口会输出低电平。相关程序以下：#include /库文件#define uchar unsigned char/宏定义无符号字符型#define uint unsigned int /宏定义无符号整型/*/ I/O定义*/sbit LED=P10; /定义单片机P1口第1位 （即P1.0）为指示端sbit DOUT=P20; /定义单片机P2口第1位 （即P2.0）为传感器 /输入端/* 延时函数*/void delay()/延时程序uchar m,n,s;for(m=20;m0;m-)for(n=20;n0;n-)for(s=248;s0;s-);/* 主函数*/void main()while(1) /无限循环 LED=1; /熄灭P1.0口灯 if(DOUT=0)/当浓度高于设定值时 ，实施条件函数 delay();/延时抗干扰if(DOUT=0)/确定 浓度高于设定值时 ，实施条件函数 LED=0; /点亮P1.0口灯 5. 系统仿真采取Proteus软件对系统进行仿真。5.1. 温度报警检测模块图5.1 温度检测报警模块仿真当4个地点中有一个地点温度超出限定值时，系统会报警（喇叭响、警示灯亮）。5.2. 煤气、烟雾报警模块图5.2 煤气、烟雾报警模块仿真因为Proteus软件中并没有MQ-2传感器，故采取滑动变阻器替换MQ-2传感器来对电路进行仿真。当MQ-2传感器检测到室内煤气、烟雾等气体浓度大于所设定值时，报警电路开启（喇叭响。）5.3. 仿真不足软件仿真和实际验证有很大不一样。软件仿真是将元器件、导线等理想化了，不会犯错，而实际电路走线布线、元器件、工作环境（如温度、湿度等）对电路运行全部是有影响，只是影响大小不一样而已，甚至期间因为受到影响而直接损坏，这些全部是在软件仿真时不可能碰到。除此之外，同一型号元器件，不一样厂家，甚至是同一厂家不一样批次生产出来元器件全部多少有些差异，而这些差异全部有可能使硬件运行失败。最直观例子就是：我在调试过程中，在Proteus上完美运行程序，烧写进试验板以后现实效果就没有了。根本看不见温度显示。最终经过很长时间调试，期间对1602工作时序作了部分调整，我才处理了这个问题，让试验板和仿真实现一样效果。由此看来，仿真不足很大，只有在硬件上实现才能算是真正完成了设计。5.4. 方案改善即使此设计已经满足了基础要求，但在满足用户方面还存在部分缺点。如：nRF24L01无线传输模块有效传输距离在10m以内，倘若距离超出10m，则nRF24L01则无法满足需求。针对此种情况，若采取WiFi无线传输方案（WiFi传输距离通常在2030m之间），即可处理此问题。因为此次设计时间有限 此方案设计难度较大，本人设计水平不够，使得WiFi无线传输方案落空。6. 设计总结即使此次课程设计只连续了不到一周，但我学到东西很多很多。从接到这个题目到现在设计完成，每一步我全部有深刻体会。作为一名工科生，我更喜爱有条理地总结这次设计收获： 首先，此次设计我收获最大就是我知道了：学习传感器和检测技术这门课不单单是学会使用传感器就OK了，要能够做到对传感器原理充足了解。 其次，这次设计也培养了我独自完成任务能力。之前课程设计任务全部是多人一组，而这次是一个人一组（必做题）。起初我认为我自己一人完成不了任务，直到最终，我才明白自己确实有独立完成设计能力。 由软件仿真到板子实现基础功效过程，让我明白了软件仿真不足。仿真不能将问题表现出来，不能替换实际。在以后设计任务中，假如条件许可，能用实物实现全部用实物实现。 学习传感器，看懂技术手册很重关键。它是技术人员之间沟通工具，只有完全看懂它，才能顺利完成设计。参考文件1张毅. 自动检测技术及仪表控制系统M. 北京：化学工业出版社,.2吴建平. 传感器原理及其应用M. 北京：机械工业出版社,.3张洪润. 传感器技术大全M. 北京：北京航空航天大学出版社,.4窦振中. 单片机原理主程序设计M. 北京：北京航空航天大学出版社,.5 孙永坚.基于无线传感器网络智能家居远程监控系统研究和设计D.吉林大 学,.6杨彬彬.智能家居安防监控系统设计及软件实现D.山东大学,.7赵建.智能家庭监控系统设计D.西南交通大学,.8李徐迎.基于单片机多点无损温度监控系统D.上海交通大学,.9周小燕,尚晓明.基于AT89C51单片机温度自动监控系统J.制造业自化,10李光忠.基于单片机温湿度检测系统设计D.山东大学,.11薛源.基于多传感器老人跌倒检测系统研究和应用D.武汉理工学,.12赵祥欣.基于三维加速度传感器跌倒监测研究D.浙江大学,.13郑方磊,夏春蕾,戴曙光等.基于单片机家庭多功效监控系统设计J.信息技术,(7)14周从明,刘念聪,王银芝等.基于单片机技术智能型煤气监控系统J.仪表技术和传感器,(6)15姚丰,刘念聪.单片机技术在智能煤气监控系统中应用J.河南科技大学学报（自然科学版）,25(4)16刘志平,赵国良.基于nRF24L01近距离无线数据传输J.应用技术,35(3)