传感器课程设计(智能家居、电子称).docx

传感与检测课程设计 智能家居监控系统设计设计目的： 随着智能分析技术、网络技术的迅速发展以及人民生活水平的提高，人们开始更加注重家居环境的安全，伴随着人们需求的提高，基于智能化的实时监控系统应运面生。目前，视频监控系统经历了模拟监控、数字监控和网络监控3个阶段。虽然视频监控系统在20世纪90年代末就在中国市场兴起，有很多公司推出了自己的智能家居系统，但是现在仍未得到普及，而且目前智能家居的国际标准尚未成热，因此智能家居监控系统存在广阔的发展空间。本次课题研究智能家居监控系统设计的四个部分，实现家居温度，煤气泄漏，外人闯入，火灾烟雾的检测！设计要求：1 用Protel画出设计原理图。2 采用Protuse进行仿真，完成系统电路图的部分和全部仿真，在设计说明书中体现仿真结果。3写设计说明书。总体设计方案： 本系统采用四个模块单独实现，设计简单，可靠！各个模块的设计 一 室内环境温度的检测 由于考虑到家居室内的环境比较良好，且不需要相当精确的检测，于是采用集成温度传感器来检测室内温度 硬件 该系统由集成温度传感器DS18B20 发光二极管(灯光报警) led显示 单片机组成 工作环境 在lcd上显示温度值 当室内温度低于某个数值或者高于某个数值是，发光二极管将发出报警信息 检测电路 该系统用集成温度传感器DS18B20检测环境温度。DS18B20是典型的单总线数字式温度传感器，工作电压为35v，测量结果以912位数字量方式串行传送，在使用中不需要任何外围元件。DS18B20的工作原理 在该检测系统中，单片机AT89S51作为主机，DS18B20作为从机，由于DS18B20采用的是主从结构，只有主机呼叫从机，从机才能应答。因此，访问器件时必须严格遵循单总线命令序列，以及初始化，ROM,命令功能的命令。单总线器件采用严格的通讯协议来保证数据的完整性。通讯协议包括：复位脉冲，应答脉冲，写0，写1，读0，读1，所有这些信号都是以先低位，后高位的方式发送的。DS18B20的一些指令软件设计 DS18B20的初始化 （1） 先将数据线置高电平“1”。 （2） 延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点） （3） 数据线拉到低电平“0”。 （4） 延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。 （5） 数据线拉到高电平“1”。 （6） 延时等待（如果初始化成功则在15到60微妙时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。 （7） 若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。 （8） 将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。 DS18B20的写操作 （1） 数据线先置低电平“0”。 （2） 延时确定的时间为15微秒。 （3） 按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。 （4） 延时时间为45微秒。 （5） 将数据线拉到高电平。 （6） 重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。 （7） 最后将数据线拉高。 DS18B20的读操作 （1）将数据线拉高“1”。 （2）延时2微秒。 （3）将数据线拉低“0”。 （4）延时3微秒。 （5）将数据线拉高“1”。 （6）延时5微秒。 （7）读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。 （8）延时60微秒。 显示电路 显示电路由lcd1602和上拉电阻组成。 LCD1602简介 LCD1602是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行） 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。 1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。 管脚功能1602采用标准的16脚接口，其中： 第1脚：VSS为电源地 第2脚：VCC接5V电源正极 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。 第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。 第714脚：D0D7为8位双向数据端。 第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。时序写操作时序写指令：RS=0;R/W=1;E=1;写数据：RS=1;R/W=0;E=1;读操作时序 读状态：RS=0;R/W=1;E=1;读数据：RS=1;R/W=1;E=1;Protuse仿真图 仿真结果：当温度传感器检测到室内温度达到某一设定值时，发出声光报警！程序如下#include#include INTRINS.Hsbit DQ = P20;sbit p3_2 = P32;sbit p3_5 = P35;sbit rs=P21;sbit rw=P22;sbit en=P23;unsigned char temp1;/温度值高位unsigned char temp0;/温度值低位unsigned char idata TMP; unsigned char idata TMP_d; unsigned char f;unsigned char code Char=tmepture :;unsigned char code wendu=0123456789; float tem;void delay_18B20(int i) while(i-); return;void delay(unsigned int count)unsigned int i;while(count)i=200;while(i0)i-;count-; void Delay_us(unsigned char n)unsigned char i;i=0;while(in)i+;return;void wr_ds18_1(char dat) signed char idata i=0; unsigned char idata j; bit testb; for(j=1;j1; if(testb) /写一 DQ=0; _nop_(); _nop_(); DQ=1; delay_18B20(8); else /写0 DQ=0; delay_18B20(8); DQ=1; _nop_(); _nop_(); void Init_18B20(void)/ unsigned char x; DQ=0; delay_18B20(103); DQ=1; delay_18B20(4); delay(1); / x=DQ; / DQ=0; / delay_18B20(480); / DQ=1; wr_ds18_1(0xcc); / wr_ds18_1(0xbe); wr_ds18_1(0x44); unsigned char ReadByte(void)unsigned char i,k;i=8;k=0;while(i-)DQ=1;/Delay_us(1); _nop_();_nop_(); DQ=0; k=k1; DQ=1;/Delay_us(60);/_nop_();if(DQ) k|= 0x80;Delay_us(60);return(k); void tempture(void) / delay_18B20(12); / Init_18B20(); / wr_ds18_1(0xcc); /wr_ds18_1(0x44); / delay_18B20(12); /Init_18B20(); DQ=0; delay_18B20(103); DQ=1; delay_18B20(4); delay(1); wr_ds18_1(0xcc); wr_ds18_1(0xbe); /delay_18B20(12); temp0=ReadByte();/diwei temp1=ReadByte();/gaowei f=temp1&0xf8; if(f)temp1=temp1;if(temp0=0)temp1+;temp0=temp0+1; tem=(temp1*256+temp0)/16;/*lcd*/ void write_com(unsigned char com) rs=0; rw=0; P0=com; Delay_us(550); en=1; Delay_us(550); en=0; void write_data(unsigned char dat) rs=1; rw=0; P0=dat; Delay_us(550); en=1; Delay_us(550); en=0; void init1602() rw=0; en=0; write_com(0x3c); write_com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x01); write_com(0x80);void lcd_clear() int i,j; for(i=0;i28|tem22) p3_2=0;else p3_2=1; h=(int)tem/10; l=(int)tem%10; for(i=0;i10;i+) write_data(Chari); write_com(0x80+0x40); write_data(wenduh); write_data(wendul); delay_18B20(20000); /等待转换结束，不然转换结果会不稳定 delay_18B20(20000); 二 煤气泄漏的检测 煤气泄漏报警器的系统电路组成系统以多机方式与前端机通信。本机采用主从工作模式。单片机控制系统由于系统对实时性、精确性和可靠性要求非常高，系统采用单片机作为现场控制器，完成对煤气浓度信号采集、运算、控制和以及及时发出报警信息。本系统采用多点采集，通过屏幕显示室内环境气体的浓度，当气体浓度大于某一具体的数值时，系统会自动报警！所需硬件：单片机，气体传感器，信号调理电路，A/D转换电路，声光报警电路.系统原理：监控系统的工作原理是利用半导体气敏传感器将煤气浓度变换为模拟电压信号，此模拟电压送到A/D转换器，变换成数字量送CPU进行数据分析。并将数据通过数码管显示，当空气中的煤气浓度达到设定值时，报警启动。用protuse仿真时，根据气敏电阻的特性，用滑动变阻器代替气敏电阻！系统框图如下：1. 单片机采用AT89S51，这里不在详细介绍。2. 气体传感器气体传感器是指对气体量敏感，并能将其转换成电信号，而电参数值随感受气体的浓度变化而变化的敏感元器件。气体传感器的种类很多，但任何一个气体传感器应当具备以下特点：选择性的检测某种单一气体，对共存的其他气体不响应或低响应；对被测气体有较高的灵敏度，能有效检测允许范围内的气体浓度；对检测信号响应速度快；稳定性好；使用寿命长；成本低、使用与维护方便。气体传感器是本设计检测系统的数据采集单元。传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的输出、处理、存储和控制等要求 。传感器一般由敏感元件（sensing element）、转换元件（transduction element）和基本转换电路三部分组成如图所示传感器工作原理图我所选用的气体传感器是MQ-2传感器 部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（Au）3测量电极引线铂（Pt）4加热器镍铬合金（Ni-Cr）5陶瓷管 三氧化二铝6防爆网100目双层不锈钢（SUB316）7卡环镀镍铜材（Ni-Cu）8基座胶木或尼龙9针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu）MQ-2/MQ-2S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/MQ-2S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。MQ-2/MQ-2S气敏元件的结构和外形如图2-3-1所示(结构 A 或 B), 由微型Al2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。基本电路如图2-3-2。图2-3-1 结构和外形图2-3-2 MQ-2基本电路主要技术参数3 转换电路 由于转换电路所输出的模拟电压随着环境中气体浓度的不同而不同，所以根据技术参数表可知，我所选取的分压电阻为20k，供电电压为5v （见右图）。当环境中气体浓度很高时，MQ-2的等效电阻很小，所以输出电压近似5v，符合A/D转换芯片是ADC0809模拟输入电压的要求。4 A/D转换电路 我所选用的A/D转换芯片是ADC0809，ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片,如下图主要特性1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时） 4）单个+5V电源供电 5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-40+85摄氏度 7）低功耗，约15mW。引脚功能 ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-12-8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入 。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一+5V。 GND：地。5 声光报警电路 如右图（Altium Designger仿真图），当输入端（单片机I/O口）有触发信号（高电平）时，三极管导通，蜂 鸣器和发光二极管亮，报警启动！6 LED显示电路 本系统采用数码管的动态显示，逐一位选（P2口），逐一显示（P0口）。 程序设计 Protuse软件仿真：仿真结果：用滑动变阻器的电阻变化代替气体传感器检测的气体浓度的变化，经A/D转化到单片机内进行处理，采到的数据送LED显示！如果气体浓度大于某一数值，将发出声光报警！程序如下：/*/#include #define uchar unsigned charsbit dula=P20;sbit wela=P21;sbit p1_7=P17;sbit CLK=P13;sbit ST=P12;sbit OE=P10;sbit EOC=P11;sbit wei1=P21;sbit wei2=P22;sbit wei3=P23;sbit wei4=P25;sbit wei5=P26;sbit wei6=P27;uchar code dulatab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40; /数字编码0-9uchar code welatab=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;/位控制字uchar count;void delay(uchar time) /延时uchar i,j;for(i=0;itime;i+)for(j=0;j150|in1150) p1_7=0;else p1_7=1;void timer0(void) interrupt 1 CLK=CLK;三 家居安全检测 家居安全检测的系统组成智能家庭防盗报警系统是由检测模块，单片机处理模块，报警模块！检测模块电路 在这里主要利用门窗磁报警模块,门窗磁探测器选用无线门磁,由一块永磁体和门磁主体(内部有一个常开型的干簧管)两部分组成。干簧管介绍干簧管（Reed Switch）也称舌簧管或磁簧开关，是一种磁敏的特殊开关，是干簧继电器和接近开关的主要部件。它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。工作原理干簧管的接点形式有三种：一是如右图中（a）子图所示的常开接点（H）型，平时打开 干簧管结构图只有簧片被磁化时，接点才接触；另两种是如右图中（b）子图所示的两种转换接点（Z）型：其结构上有三个簧片，上边的簧片2为常开接点，中间的簧片3为活动接点，下边的簧片1为常闭接点，簧片2和3必须用即导电又导磁的材料做成，最下边图示干簧管的簧片1必须用只导电不导磁的材料做成。平时，由于弹力的作用，1、3相连；当有外界磁力时，2、3磁化相吸（当中间干簧管的簧片1使用即导电又导磁的材料时1、3还有些微相斥作用）。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1；当磁力减小到一定程度时，接点被簧片的弹力打开。电路如图所示。H1是一个干簧管,当门闭合时,H1吸合,C1两端点位相同,Q1截止,Q2也截止;当门打开时,干簧管触点打开,有一个电流流过Q1的发射极、R32(和H12并联)、C1、R31、地,使得Q2饱和导通,输出低电平0给单片机,发出报警信号。 报警模块P3.2(INT0)连接防盗探测器,用来检测盗情,如果盗情发生,触发外部中断0,MCU接到报警信号以后,开始启动LED等闪烁报警,同时启动100dB的声音报警,来震慑入室的小偷。报警模块的设计同第二个设计，不在赘述。 Protuse仿真图：仿真结果：当有外人闯入时，干簧管闭合，声光报警开启！程序#includesbit p2_3=P23;void init_tx() EA=1; EX0=1; IP=0X00;void main() p2_3=1; init_tx(); void tx0() interrupt 0 p2_3=0;四 火灾烟雾检测 设计同二（家庭煤气泄漏检测）电子皮带秤电子皮带秤，是对皮带输送系统中的散状物料进行连续计量的理想设备，具有结构简单、称量准确，使用稳定、操作方便、维护量少等优点，不仅适用于常规环境，而且适用于酸、碱、盐及大气腐蚀环境。主要应用于冶金、电力、煤炭、矿山、港口、化工、建材等行业。图1为皮带秤组成部分：图2电子皮带秤由五个主要部分组成：称重桥架、称重传感器、测速滚筒、速度传感器和积算器。装有载荷传感器的称重桥架，安装于输送机的纵梁上，称重桥架支承的称重托辊，检测皮带上的物料重量，产生一个正比于皮带载荷的电压信号。速度传感器直接联结在从动滚筒上或者大直径的滚筒上，提供一系列脉冲，每个脉冲表示皮带运行的单位长度，脉冲频率正比于皮带速度。积算器从称重传感器和速度传感器接收信号，经A/D转换、滤波整形后进入微处理器进行运算，输出累计量和瞬时流量、皮带速度、计数脉冲等参数。1. 称重部分：称重桥架为全悬浮结构，四只称重传感器（程序见附录）如图所示，在此Proteus仿真图中，以四个滑动变阻器代替原来的四个电阻应变片作为称重传感器，相对的两只桥臂上变化是相反的，中间可加运放放大电压信号，单片机通过获得差压信号进行处理，在实际应用中：质量=/g 为材料的应变系数，S可测可在中间两根称重托辊上安装称重传感器，再去其平均值，则结果可稍准确些。安装位置： (1 )称量系统要安装在坚固的输送机上，否则必须增加支撑。 (2 )皮带秤不应设置在距给料机、漏口、导料栏板3米以内的地方。 (3 )秤不能装在凹形或凸形曲线的输送机上。 (4 )秤不应装在输送机因超速或倾斜而使物料滑动的地方。 (5 )秤应装在防风雨最好的地方。(6 )在装有皮带秤的输送机上不应联结或装有任何振动装置。称重传感器的安装 将称重传感器和连接杆用螺母紧固联接，连接杆和称重桥架的联接要用两个球面垫、两个螺母紧固连接。联接传感器的连接杆一定要自由垂直拉紧，不要碰到任何外物。调整连接杆和称重桥架联接用的两个螺母，使两个称重传感器的信号输出电压在6.0毫伏,且两个称重传感器的信号输出电压差值不大于0.1毫伏。如有倾角：等效公斤米(Kgrn)Kg / cos ( d1 / d2 )(1 / D ) Kg等效公斤输送机倾角dl从耳承支承中心线到传感器中心的距离(mm)d2从耳承支承中心线到称重托辊中心线的距离(mm)D计量段长度2. 皮带速度（m/s）速度传感器：速度传感器必须安装在以皮带输送机速度旋转的轴上，通常尾部滚筒或者大直径的从动滚筒可以满足此要求。如采用光电编码器（安装位置必须防尘隔躁）：与51单片机可按下图接线 在仿真中：可用方波信号代替由光电编码器发出的脉冲，例如根据方波周期为5ms，每100ms计数，根据单位时间内计数的个数和光电编码器的齿数可算得相应的转角，由此可推出皮带的速度。 (图中 方波周期为5ms )3.计算用链码校验皮带载荷累计量理论值 理论值=每米公斤(kg/m)皮带速度(m/s)时间(s)可外加通讯板：（略）在主板扩展槽中可安装通讯板，采用主从式通讯协议，上位机呼叫仪表，并发送控制命令，读写仪表过程参数和显示，或直接进行远程键盘操作，通讯板使用标准RS-232或RS-485方式。称重传感器仿真程序#include #include intrins.h#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit ADCS =P22; sbit ADDI =P21; sbit ADDO =P21; sbit ADCLK =P20; /sbit DP=P07; unsigned char dispbitcode8=0xf7,0xfb,0xfd,/*0xfe,0xef,0xdf,0xbf,0x7f*/; unsigned char dispbuf3;uint temp;uchar getdata; unsigned char a16=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8, 0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e; #define shuma P0sbit LED_4=P10;sbit LED_5=P11;sbit LED_6=P12;sbit LED_7=P13;void delay(unsigned int x);void display1(unsigned char d1,unsigned char d2,unsigned char d3,unsigned char d4);void delay(unsigned int x) unsigned int i; for(i=0;i1)&0x1;_nop_();_nop_();ADCLK=0;ADDI=1; _nop_();_nop_();dat=0;for(i=0;i8;i+)dat|=ADDO;ADCLK=1;_nop_();_nop_();ADCLK=0;_nop_();_nop_();dat=1;if(i=7)dat|=ADDO; for(i=0;i8;i+)j=0;j=j|ADDO;ADCLK=1;_nop_();_nop_();ADCLK=0;_nop_();_nop_();j=j7;ndat=ndat|j;if(i=1;ADCS=1;ADCLK=0;ADDO=1;dat=8;dat|=ndat; return(dat); void disp(void)getdata=Adc0832(0);temp=getdata*1.0/255*500; dispbuf0=temp%10; dispbuf2=temp/10%10; dispbuf1=temp/100; display1(0,dispbuf1,dispbuf2,dispbuf0); void main(void) while(1)d