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CAD课程设计
基于智能家居的硬件系统设计
摘要
物联网技术的兴起与发展,不仅改变了我们的工作方式,也逐渐改变了我们的生活方式。
不仅要求办公自动化、智能化也要求家居生活逐渐的变得智能起来,智能家居就是这样产生的。
智能家居就是利用计算机、嵌入式系统和网络通信技术将各种设施和网络连接起来对家居环境进行自动化的监测,对家居设备进行自动化的控制。
本课程设计是基于智能家居系统的硬件设计,采用arduino单片机作为主控芯片,控制火焰传感器、人体感应传感器、光线传感器等智能化传感器来监测家居系统中的环境因素,同时利用传感器采集到的数据反馈给步进电机等控制装置对家居设备进行自动化控制。
关键字:
智能家居arduino单片机传感器
1引言
1.1课程设计目的
本课程设计旨在设计一个集环境监测、自动化控制于一体的智能家居硬件系统,通过对该硬件系统的设计熟悉和了解硬件系统的设计流程,加深对单片机理论课的学习,提高我们的动手实践及熟练运用所学理论知识的能力;同时通过对智能家居系统的设计加深我们对物联网的理解。
1.2课程设计任务
(1)掌握硬件系统设计的基本流程;
(2)学会arduino单片机的简单使用及熟悉其编程、烧录环境;
(3)掌握相关数字传感器及模拟传感器的工作原理及编程;
(4)利用arduino单片机及相关传感器设备制作智能家居硬件系统
2绪论
2.1智能家居发展近况
智能家居作为一个新生产业,处于一个导入期与成长期的临界点,市场消费观念还未形成,但随着智能家居市场推广普及的进一步落实,培育起消费者的使用习惯,智能家居市场的消费潜力必然是巨大的,产业前景光明。
正因为如此,国内优秀的智能家居生产企业愈来愈重视对行业市场的研究,特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究,一大批国内优秀的智能家居品牌迅速崛起,逐渐成为智能家居产业中的翘楚!
智能家居至今在中国已经历了近12年的发展,从人们初最初的梦想,到今天真实的走进我们的生活,经历了一个艰难的过程。
2.1智能家居发展趋势
相关预测显示,到2015年,全球智能家居市场规模将达1240亿美元。
为此,众多智能家居集成商都在竞相发力抢占市场商机。
由于政策、市场等条件的支持,智能家居行业发展前景备受看好。
同时,物联网是国家重点发展战略,在国内掀起一股发展大潮,智能家居作为物联网在家庭中的典型应用,倡导了一种健康舒适、快捷便利、低碳节能的生活方式,带动了家装、房地产等多个相关联的的产业发展,自然受到国家的高度重视和欢迎,接连颁布几项政策刺激和促进智能家居快速发展。
3系统概述
3.1系统功能简介
3.2系统设计框图
3.3程序设计流程图
4系统组成简介
4.1arduino单片机简介
4.2火焰传感器模块简介
图4-:
2:
火焰传感器
用途:
各种火焰,火源探测
工作原理:
火焰是由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。
火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。
不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异,但总体来说,其对应火焰温度的近红外波长域及紫外光域具有很大的辐射强度,根据这种特性可制成火焰传感器。
模块特色:
1、可以检测火焰或者波长在760纳米~1100纳米范围内的光源,打火机测试火焰距离为80cm,对火焰越大,测试距离越远。
2、探测角度60度左右,对火焰光谱特别灵敏。
3、灵敏度可调(图中蓝色数字电位器调节)。
4、比较器输出,信号干净,波形好,驱动能力强,超过15mA。
5、配可调精密电位器调节灵敏度。
6、工作电压3.3V-5V。
7、输出形式:
DO数字开关量输出(0和1)和AO模拟电压输出。
8、设有固定螺栓孔,方便安装。
9、小板PCB尺寸:
3.2cmx1.4cm。
10、使用宽电压LM393比较器。
模块使用说明:
1、火焰传感器对火焰最敏感,对普通光也是有反应的,一般用做火焰报警等用途。
2、小板输出接口可以与单片机IO口直接相连。
3、传感器与火焰要保持一定距离,以免高温损坏传感器,对打火机测试火焰距离为80cm,对火焰越大,测试距离越远。
4.3HC-SR501人体感应模块简介
图HC-SR501模块
电气参数:
功能特点:
1、全自动感应:
人进入其感应范围则输出高电平,人离开感应范围则自动延时关闭高电
平,输出低电平。
2、光敏控制(可选择,出厂时未设)可设置光敏控制,白天或光线强时不感应。
3、温度补偿(可选择,出厂时未设):
在夏天当环境温度升高至30~32℃,探测距离稍变
短,温度补偿可作一定的性能补偿。
4、两种触发方式:
(可跳线选择)
a、不可重复触发方式:
即感应输出高电平后,延时时间段一结束,输出将自动从高电
平变成低电平;
b、可重复触发方式:
即感应输出高电平后,在延时时间段内,如果有人体在其感应
范围活动,其输出将一直保持高电平,直到人离开后才延时将高电平变为低电平(感应模块检
测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段,并且以最后一次活动的时间为延时
时间的起始点)。
5、具有感应封锁时间(默认设置:
2.5S封锁时间):
感应模块在每一次感应输出后(高电平
变成低电平),可以紧跟着设置一个封锁时间段,在此时间段内感应器不接受任何感应信
号。
此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作,可应用于间隔探测产
品;同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
(此时间可设置在零点几秒
—几十秒钟)。
6、工作电压范围宽:
默认工作电压DC4.5V-20V。
7、微功耗:
静态电流<50微安,特别适合干电池供电的自动控制产品。
8、输出高电平信号:
可方便与各类电路实现对接。
感应范围:
4.4光线传感器简介
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。
4.4.1光敏电阻的工作原理:
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线,将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻,为了增加灵敏度,两电极常做成梳状。
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体
及梳状欧姆电极,接出引线,封装在具有透光镜的密封壳体内,以免受潮影响其灵敏度。
在黑暗环境里,它的电阻值很高,当受到光照时,只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度,则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带,并在价带中产生一个带正电荷的空穴,这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目,使其电阻率变小,从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强,阻值愈低。
入射光消失后,由光子激发产生的电子—空穴对将复合,光敏电阻的阻值也就恢复原值。
在光敏电阻两端的金属电极加上电压,其中便有电流通过,受到波长的光线照射时,电流就会随光强的而变大,从而实现光电转换。
光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也加交流电压。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
4.4.2光线传感器结构
光敏电阻器都制成薄片结构,以便吸收更多的光能。
当它受到光的照射时,半导
体片(光敏层)内就激发出电子—空穴对,参与导电,使电路中电流增强。
为了获得高的灵敏度,光敏电阻的电极常采用梳状图案,它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。
一般光敏电阻器结构如右图所示。
光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片(或树脂防潮膜)和电极等组成。
光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。
4.5步进电机简介
如上图所示:
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
4.5.2步进电机电气特性
额定电压:
5VDC
相数:
4减速比:
1/64
步距角:
5.625°/64
频率:
100HZ
直流电阻:
50Ω±7%(25℃)
空载牵入频率:
≥600Hz
空载牵出频率:
≥1000Hz
牵入转矩:
≥34.3mN.m(120Hz)
自定位转矩:
≥34.3mN.m
绝缘电阻:
>10MΩ(500V)
绝缘介电强度:
600VAC/1mA/1S
绝缘等级:
A温升:
<50K(120Hz)
噪音:
<35dB(120Hz,NoLoad,10cm)
4.5.3步进电机驱动方式
我们所使用的步进电机型号为28BYJ-48是四相八拍(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…)电机,Arduino的输出直接接到电机上可能无法正常工作,我们要对它进行驱动,最简单的办法就是在Arduino的输出端口连接一个ULN2003A,它是一个7路反向器电路,每一通道允许的最大电流500mA。
ULN2003A与电机的连接如下示
驱动序列如下所示(反转,要正传就把序列反过来输出)
其中‟-„代表0,没填的代表一,但是由于我们采用了ULN2003A驱动,那么在Arduino输出驱动代码就要与上面的情况相反,这样才能符合上表的要求;
4.5.4使用说明
由于我们这次采用了ULA2003A作驱动,那么就让我们先来看看Arduino,ULN2003A,电机他们之间是如何连接的,这样对我们学会如何使用Arduino或是其他的MCU驱动步进电机是很有帮助的,它们的原理基本一致;
由上图可以看出,只要我们控制Arduino的数字端口8、9、10、11就可以达到控制电机的目的。
5硬件电路图
5.1面包板原理图
5.2原理图
6小结
为时两周的CAD课程设计已接近尾声,我们的课题为基于智能家居的硬件系统设计。
由于本系统不仅有硬件电路部分还要编写程序,因此在具体的制作的过程中我们遇到了很多问题,实验结果常常不像我们想的那样,在出现问题时,由于不知道是程序的问题还是硬件电路的问题,调试和排错难度比较大,但是在大家的通力合作的情况下我们还是顺利的完成了本课程设计;除了硬件相关问题,在绘制原理图的过程中也遇到了一些问题,例如如何合理放置原件,如何将电路图制作得美观等等,当然这些都需要大量的练习在以后的学习中我们会不断地提高与改进本次课程设计虽然历时不长,但是大家在其过程中学会了如何完善知识体系和如何提高团队协作,对于单片机的使用和本专业学习的知识也得到了很好的巩固。
同时也感谢智慧老师对于我们CAD课程设计的帮助和指导。
由于制作时间比较紧,很多方面都做得比较粗糙,现提出改进方案如下:
(1)主控芯片课用51单片机与我们的理论学习接轨;
(2)加入GSM模块,当检测到异常时向手机发送短信;
(3)加入摄像头模块采集图片信息,实现家居环境的监控功能;
(4)绘制原理图时使用更专业的软件,这样绘出的原理图会美观一些。
参考文献
附录
部分源代码
部分传感器电路图
所用的元器件列表
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- 关 键 词:
- CAD 课程设计