智能家居监控系统设计.docx

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： 2016.6.206.24 评定成绩： 评定教师： 第 42 页 共 42 页【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. 关键器件简介113.1.1. AT89C51简介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. 无线通讯与稳压单元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. 仿真的局限性315.4. 方案改进326. 设计总结33参考文献.341. 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（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）以及128 BYTES随机数据存储器的低电压、高性能CMOS 8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（Mixed Signal Processor）。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0100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200300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、4g8g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2.5V5%、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nRF24L01 2.4G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3215.2mm，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： 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（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）以及128 BYTES随机数据存储器的低电压、高性能CMOS 8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3.1 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-SR501HC-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3.0V5.5V（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3.5 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、4g8g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2.5V5%、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1 nRF24L01无线模块是采用挪威NORDIC公司的nRF24L01 2.4G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l Mb/s或2Mb/s。4 SPI速率为0 Mb/s10 Mb/s2。5 QFN20引脚4 mm4 mm封装。6 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3.14 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3.17 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。u DS18B20的初始化：图4.2 DS18B20初始化流程图初始化程序： 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写数据流程图向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 /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口的第1位 （即P1.0）为指示端sbit DOUT=P20; /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*/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 ，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2030m之间），即可解决此问题。由于本次设计时间有限 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. 设计总结虽然本次课程设计只持续了不到一周，但我学到的东西很多很多。从接到这个题目到现在设计的完成，每一步我都有深刻的体会。作为一名工科生，我更喜欢有条理地总结这次设计的收获：1 首