智能家居监控系统设计.docx
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智能家居监控系统设计
智能家居监控系统设计
电气工程学院
传感器课程设计报告
班级:
自133
姓名:
王高飞
学号:
1312011076
设计题目:
智能家居监控系统设计
设计时间:
2016.6.20~6.24
评定成绩:
评定教师:
【摘要】智能家居以住宅为平台,将建筑、网络通信、信息家电、管理融为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的家居环境。
智能家居是一个多功能的系统,包括家庭内部的安全防范、家居布线系统、家电控制、远程的视频监控系统等。
家居智能化设计包括传感器的检测,信号的传递,结果处理等。
但现在仍未普及,而且目前智能家居的国际标准未成热,因此智能家居监控系统仍然存在广阔的发展空间。
本文设计的智能家居系统以AT89C51单片机为核心控制单元,实时获取DS18B20温度传感器、MQ-2煤气(烟雾)传感器、HC-SR501人体红外线传感器的数据,并通过LCD1602来显示当前状态。
除此之外,本文还设计了基于新型MEMS传感器的老年人跌倒监测系统。
【关键词】智能家居、AT89C51、MQ-2、HC-SR501、LCD1602、MPU6050
参考文献.....................................................................................................................34
1.设计要求
1.1.设计题目:
智能家居监控系统设计
以提高家居生活的安全性、舒适度、人性化为目的,设计智能家居监控
系统。
利用所学的传感器与检测技术知识,实现家居温度、煤气泄漏、外人闯入、火灾(烟雾)的检测(以上检测项目必做。
在此基础上增加检测项目并具有可行性,加分。
除环境监测项目外,也可增加人体信号检测等。
)。
各检测节点可通过无线方式连接到主机,检测到危险信号后,主机可采用声光报警或远程报警。
1.2.设计要求分析
如果要实现以上功能,进行如下功能分解:
1 对室内4个地点(如卧室、客厅等)的温度检测,满足自动控制温度的要求。
2 对室内空气中煤气、烟雾的含量进行监控,一旦超过所设定值,则报警装置启动,警示灯亮。
3 设计防止外人侵入模块,采用红外线人体感应传感器,一旦有人进入监测范围内,则报警装置启动,警示灯亮。
4 除满足以上基本要求外,另采用MPU6050加速度传感器对室内老人的跌倒情况进行监测,一旦老人跌倒,自动装置会报警,并通知家属及门卫,及时采取措施。
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是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)以及128BYTES随机数据存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。
内置功能强大微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
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年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(MixedSignalProcessor)。
其具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点,因而在许多单片机领域都得到广泛应用。
AT89C51相对于MSP430虽然存储容量小,功能较为逊色。
但是出于我对AT89C51单片机较为熟悉,而且AT89C51足以满足此次设计任务,因此我选择AT89C51模块。
一下所有模块单元中,都采用AT89C51作为微控制器。
2.1.2.温度检测模块
方案一:
通过使用PCF8591芯片,首先检测多组热敏电阻电压与温度的对应关系,通过MATLAB或者excel列表绘图拟合出热敏电阻电压与温度的对应函数关系,进而通过编写程序得出一般情况,即在任意对应的电压下都有对应的温度。
使之显示在LCD1602液晶显示器上。
方案二:
通过使用芯片直接将检测的热敏电阻的电压数据(数字量)传入至AT89C52单片机中,经过多组测量找到温度与电压的对应关系,最后确定一个函数关系式,并通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。
该芯片的物理化学性质稳定,线性性能好,在0~100摄氏度时,最大线形偏差小于1摄氏度。
DS18B20的最大特点之一采用了单总线的数据传输,由数字温度计DS18B20和微控制器AT89C51构成的温度装置,它直接输出温度的数字信号到控制器。
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。
综上,DS18B20相较于前两种方案具有很多优势:
1 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。
2 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。
3 DS18B20相较于热敏电阻更加灵敏,分辨率更高。
因此,本文采用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:
采用电离式烟雾传感器NAP-07。
此传感器根据计算机模拟最佳性能设计的单元式结构,此电离室专用于烟感探测器。
其所有材料采用高耐腐蚀材料,安全性能达到GBC6464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:
采用气MQ-2型烟雾传感器,它是由二氧化锡半导体气敏材料构成,属于表面离子式N型半导体。
当处于200~300℃温度时,二氧化锡吸附空气中的氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。
当与烟雾接触时,如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化,就会引起表面电导率的变化。
利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。
本文采用方案二中的MQ-2型烟雾传感器。
一方面它可以同时检测煤气和烟雾,能够同时满足设计中的两项要求,这样选择可以节约成本,简化电路。
另一方面,MQ-2相较于NAP-07更加流行,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
本模块传感器采用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的自动控制产品。
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,尤其是干电池供电的自动控制产品。
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
本模块传感器采用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轴加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器DMP,可用IIC接口连接一个第三方的数字传感器。
扩展之后就可以通过其IIC或SPI接口输出一个6轴的信号。
MPU-6000(6050)的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec(dps),可准确追踪快速与慢速动作,并且,用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。
产品传输可透过最高至400kHz的IC或最高达20MHz的SPI(MPU-6050没有SPI)。
MPU-6000可在不同电压下工作,VDD供电电压介为2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%,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:
采用蓝牙技术。
蓝牙技术主要分为BT3.0+HS和4.0版本中加入的BLE标准。
在轻家居领域,主要讨论BLE部分。
低功耗蓝牙技术是低成本,远距离,可互操作的鲁棒性无线技术,工作在2.4G频段。
BLE采用可变连接时间间隔,几毫米到几秒,利用快速的连接方式,拥有极低的运行好待机功耗。
方案二:
采用nRF24L01无线模块。
nRF24L01无线模块是采用挪威NORDIC公司的nRF24L012.4G无线收发IC设计的一款高性能2.4G无线收发模块,采用GFSK调制,工作在2400-2483M的国际通用ISM频段,最高调制速度可达2MBPS。
Nrf24L01无线模块集成了所有频射协议在高速信号处理的部分。
模块大小32×15.2mm,2.54mm间距的双排插针接口,使用内置PCB天线设计,开阔地1MBPS速率下,收发10个字节的数据量测试距离最远约为70M左右。
由于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,使其不太适用于要求低成本、低功耗的工业控制和将网络,并制约其进一步发展和大规模应用。
相反,nRF24L01在本设计中具有低成本、稳定的显著特点,而且本人对nRF24L01相对了解些,故本文采用nRF24L01无线模块作为各模块与主机进行通讯的工具。
2.2.方案设计
综上,系统总体框图如下:
图2.1系统结构图
各个模块之间相互独立,共同与主机进行通讯。
当主机收到模块(如烟雾、煤气检测模块)发送来的信号后,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.关键器件简介
3.1.1.AT89C51简介
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)以及128BYTES随机数据存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。
内置功能强大微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51提供以下标准功能:
4k 字节Flash 闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
实物图及引脚排列如下:
图3.1AT89C51实物图
图3.2AT89C51引脚图
3.1.2.煤气、烟雾传感器MQ-2
本文才用的烟雾传感器为MQ-2烟雾传感器。
在NRF24L02网络中负责采集室内烟雾信息,一旦烟雾值超过预定值,将触发蜂鸣器报警。
其引脚图和实物图如图4-23所示:
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,否则为低电平
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-SR501
HC-SR501人体红外感应模块是基于红外线技术的自动控制产品。
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,尤其是干电池供电的自动控制产品.
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
可采用DS18B20作为测温元件,来测量室内的温度。
其特性如下:
(1)单总线接口,仅需要个引脚与单片机进行通信。
(2)多个DS18B20均可挂在单总线上,实现多点测温功能。
(3)可通过数据线供电,电压范围为3.0V~5.5V
(4)温度以9或12位的数字读数方式
(5)用户可定义报警设置
(6)报警搜素命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件
(7)负电压特性,电源极性接反时,温度计不会发热而烧毁,但不能正常工作。
(8)DS18B20采用3引脚PR-35封装或8引脚SOIC封装。
图3.5DS18B20引脚图图3.6DS18B20实物图
3.1.5.加速度传感器MPU6050
模块传感器采用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轴加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器DMP,可用IIC接口连接一个第三方的数字传感器。
扩展之后就可以通过其IIC或SPI接口输出一个6轴的信号。
MPU-6000(6050)的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec(dps),可准确追踪快速与慢速动作,并且,用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。
产品传输可透过最高至400kHz的IC或最高达20MHz的SPI(MPU-6050没有SPI)。
MPU-6000可在不同电压下工作,VDD供电电压介为2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%,逻辑接口VDDIO供电为1.8V±5%(MPU6000仅用VDD)。
图3.7MPU6050模块实物图图3.8MPU6050引脚图
3.1.6.nRF24L01无线收发模块
1 nRF24L01无线模块是采用挪威NORDIC公司的nRF24L012.4G无线收发IC设计的一款高性能2.4G无线收发模块。
其主要特色如下:
2 采用GFSK调制。
3 数据传输率为lMb/s或2Mb/s。
4 SPI速率为0Mb/s~10Mb/s2。
5 QFN20引脚4mm×4mm封装。
6 供电电压为1.9V~3.6V。
图3.9nRF24L01模块封装引脚图图3.10nRF24L01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3.11USB接口及电源单元原理图
3.2.2.晶振及复位电路
图3.12晶振与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3.14LCD1602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.无线通讯与稳压单元
图3.16无线通讯与稳压单元原理图
3.3.各模块电路原理图
3.3.1.温度检测模块
图3.17DS18B20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3.19HC-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3.21MQ-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3.23MPU6050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
声明:
软件设计只设计了温度与煤气检测模块,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温度检测模块流程图
温度检测模块流程图如图4.1所示。
◆DS18B20的初始化:
图4.2DS18B20初始化流程图
初始化程序:
voidds1820rst()
{unsignedcharx=0;
DQ=1;
delay_18B20(6);
DQ=0;
delay_18B20(600);
DQ=1;
delay_18B20(30);
}
◆向DS18B20写数据:
图4.3向DS18B20写数据流程图
向DS18B20写数据程序:
voidds1820wr(ucharwdata)
{unsignedchari=0;
for(i=8;i>0;i--)
{DQ=0;
DQ=wdata&0x01;
delay_18B20(10);
DQ=1;
wdata>>=1;
}
}
◆从DS18B20读数据:
图4.4从DS18B20读数据
程序:
uchards1820rd()
{unsignedchari=0;
unsignedchardat=0;
for(i=8;i>0;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、烟雾等气体的浓度大于设定值时,单片机IO口会输出低电平。
相关程序如下:
#include
#defineucharunsignedchar//宏定义无符号字符型
#defineuintunsignedint//宏定义无符号整型
/***************************************************************/
I/O定义
***************************************************************/
sbitLED=P1^0;//定义单片机P1口的第1位(即P1.0)为指示端
sbitDOUT=P2^0;//定义单片机P2口的第1位(即P2.0)为传感器的//输入端
/****************************************************************
延时函数
****************************************************************/
voiddelay()//延时程序
{
ucharm,n,s;
for(m=20;m>0;m--)
for(n=20;n>0;n--)
for(s=248;s>0;s--);
}
/****************************************************************
主函数
****************************************************************/
voidmain()
{
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,执行条件函数
{
delay();//延时抗干扰
if(DOUT==0)//确定浓度高于设定值时,执行条件函数
{
LED=0;//点亮P1.0口灯
}
}
}
}
5.系统仿真
采用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的温度超过限定值时,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
由于Proteus软件中并没有MQ-2传感器,故采用滑动变阻器代替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、烟雾等气体的浓度大于所设定值时,报警电路启动(喇叭响。
)
5.3.仿真的局限性
软件仿真与实际验证有很大的不同。
软件仿真是将元器件、导线等理想化了,不会出错,而实际电路的走线布线、元器件、工作环境(如温度、湿度等)对电路的运行都是有影响的,只是影响大小不同而已,甚至期间因为受到影响而直接损坏,这些都是在软件仿真时不可能遇到的。
除此之外,同一型号的元器件,不同厂家,甚至是同一厂家不同批次生产出来的元器件都多少有些差异,而这些差异都有可能使硬件运行失败。
最直观的例子就是:
我在调试的过程中,在Proteus上完美运行的程序,烧写进实验板之后现实的效果就没有了。
根本看不见温度显示。
最后经过很长时间的调试,期间对1602工作的时序作了一些调整,我才解决了这个问题,让实验板与仿真实现同样的效果。
由此看来,仿真的局限性很大,只有在硬件上实现才能算是真正的完成了设计。
5.4.方案改进
虽然此设计已经满足了基本要求,但在满足用户方面还存在一些缺陷。
如:
nRF24L01无线传输模块的有效传输距离在10m以内,倘若距离超过10m,则nRF24L01则无法满足需求。
针对此种情况,若采用WiFi无线传输方案(WiFi的传输距离一般在20~30m之间),即可解决此问题。
由于①本次设计时间有限②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。
参考文献
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化学工业出版社,2012.
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