【《智能家居控制系统的硬件设计案例》3800字】

智能家居控制系统的硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u9551智能家居控制系统的硬件设计案例 1288901.1气体传感器 121341.2HC-SR501人体红外感应 212741.3DHT11数字温湿度传感器 4290481.4BH1750光强度光照度传感器 4168151.5ESP8266WIFI模块 564391.6STM32硬件介绍 61.1气体传感器气体传感器的主要组成部分是MQ135气敏元件。传感元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器组成。气敏元件的工作条件由加热器提供，其中，该气体传感器使用的材料SnO2在纯空气中具有低电导率和高电阻。当传感器处于一定浓度的待检测气体的环境时，随着待检测气体浓度的增加，气敏元件的电导率也会增加，即电阻值会减小。利用电路将电导率的变化转化为相应的污染气体浓度变化。它能探测到空气中的有害气体，当有害气体浓度超过一定范围时，可驱动蜂鸣器报警。其结构图如下：图1.1MQ135气体传感器结构图表1.1MQ135气体传感器结构示意表序号部件材料1气体敏感层二氧化锡（SnO2）2点击金（Au）3测量电机引线铂（Pt）4加热器镍铬合金（Ni—Cr）5陶瓷管三氧化二铝（Al2O3）6防爆网100目双层不锈钢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）图1.2MQ135气体传感器原理图该传感器对一些化学气体、烟气等有害气体具有较为理想的灵敏度，且检测目标气体的浓度范围也比较宽。具有耐用、低价、使用安装简单的优点。可应用于生活空气质量和工业空气质量的检测。规格：表1.2MQ135气体传感器灵敏度特性符号参数名称技术参数备注Rs敏感体表面电阻2KΩ—20KΩ适用范围：10—1000ppm氨气、甲苯、氢气αR100ppm/R50ppmNH3浓度斜率≤0.6标准工作条件预热时间温度：20℃±2℃VC：±5V±0.1V相对湿度：65%±5%VH：5.0V±0.1V不少于48小时1.2HC-SR501人体红外感应HC—SR501人体感应模块所用到的基本技术是红外先扫描技术，可以自动检测，可以在可调的范围内感人到人的存在并输出电信号。具有灵敏度高、可靠性强、超低的工作电压模式等优点，在多种自动感应类的设备中都有使用到该传感器模块。该模块还具备光敏控制，可在强光的情况下不工作，能够很好的应用于各种场景。在30℃到32℃工作时，其所能够探测的有效范围会有所减小，可设置温度补偿来弥补这一缺陷。值得注意的是在传感器刚上电时会由一段时间的初始化。如图所示为模块原理图：图1.3HC—SR501人体传感器原理图该模块将双探头至于左右两侧并加之长方形的探头窗口，当人从某一方向经过其中一个探头时，红外光谱经过人体反射到该探头，另一个探头经过一段时间也会接收到红外光谱，但两个红外光谱到达两个探头的时间不一样，传感器便输出电信号，以此来探测是否有人经过。若两个探头旁都没有人经过，则红外光谱到达两个探头的时间几乎同时，传感器不输出电信号。由于探头设置在两侧，当人经过两侧是，传感器探测的灵敏度最高，若人不从探头测经过，则探测不到人的存在。为了增加传感器的感应范围，模块采用了圆透镜封装，这样就可以在传感器周围感应到人的存在，但探头两侧的灵敏度还是最高的。安装时，探头端部应与被测区域对齐，以达到最佳效果。该传感器还有2.5s的感应阻断时间。当传感器模块检测到有人在场并输出低电平后，可以设置一段阻断时间，即在这段时间内，传感器不感知人体，此设置可以抑制负载切换期间的各种干扰。表1.3HC-SR501人体红外感应模块工作参数表感应方式被动式工作电压12VDC感应原理人体红外最大功耗<0.00005W感应距离3-5米输出方式继电器控制输出12VDC高电平/低电平感应角度140度圆锥角负载范围小功率灯具,电器光控感应5LUX-500LUX(可调、默认无光控功能)环境温度-20℃—+50℃1.3DHT11数字温湿度传感器DHT11数字温湿度传感器，可以同时检测温度和湿度数据。该传感器响应速度快，抗干扰能力强，接线简单（单线串行接口），信号传输距离远，性价比高，可靠性高。广泛应用于各种工业场合，传感器由NTC（NegativeTemperatureCoefficient）元件和电阻式湿敏元件组成，并与一个简易高速的微处理器相连接。传感器内置一个一次性可编程只读存储器OTP(OneTimeProgrammableRead-OnlyMemory)，在该存储器中存储着校准时需要用到的数据，检测元件的检测信号处理会用到这些数据。其原理图如下：图1.4DHT11数字温湿度传感器原理图若传感器长时间工作在恶劣环境下会影响传感器的测量精度、加速传感器的老化。并且，在传感器恢复标准工作条件后，需要一定的时间恢复至校准状态。且化学物质会影响该传感器的敏感层，造成一定的测量误差。气体的相对湿度是单位体积内水蒸气的质量与该温度下水蒸气达到饱和时单位体积内水蒸气的质量之比，所以相对湿度与温度有关，要想得到准确的相对湿度就要让湿度传感器部分与温度传感器部分所处的温度相同。还要注意避免传感器长时间暴露在强光之下工作，避免性能的降低。1.4BH1750光强度光照度传感器BH1750光照度光强度传感器是一款采用I2C与主机通讯的传感器，可直接输出对应亮度的数字值，它具有分辨率高、检测范围大、低功耗、误差小等特点。大多应用于手机、液晶电视、游戏机等需要根据光强度来调节屏幕亮度的设备。在与主机通讯时，主机可采用对应的指令集对该模块实行相同的控制。表1.4BH1750光照度光强度传感器指令表指令指令代码功能断电0000_0000置于待激活状态通电0000_0001等待接收测量指令重置0000_0111重置数据寄存器（在断电模式下无效）连续H分辨率模式10001_0000在1lx分辨率模式下测量120ms连续H分辨率模式20001_0001在0.5lx分辨率模式下测量120ms连续L分辨率模式0001_0011在41lx分辨率模式下测量16ms（测量后断电）一次H分辨率模式10010_0000在1lx分辨率模式下测量120ms（测量后断电）一次H分辨率模式20010_0001在0.5lx分辨率模式下测量120ms（测量后断电）一次L分辨率0010_0011在1lx分辨率模式下测量120ms（测量后断电）在给BH1750光照度光强度传感器模块供电后，模块自动切换至断电模式，主机发送通电指令后，传感器模块通电并进入等待接收测量指令的状态，主机发送测量指令后，传感器模块进入对应的测量模式。具体测量程序流程图如下：图1.5BH1750光照度光强度传感器测量程序流程图1.5ESP8266WIFI模块ESP8266是一款高性能的WIFI模块，它具有独立且完整的WIFI网络功能，既可以作为主机来独立工作，也可以作为从机与其他微处理器交互工作。当该模块独立工作时，它可以迅速启动。该模块作为从机与微处理器交互工作时，既可以通过SPI/SDOIO接口与主机通讯，也可以通过UART接口与主机通讯。ESP8266WIFI模块还集成了天线与功放、滤波器等模块，极大地增强了该模块的工作性能。该模块还具有睡眠/唤醒模式快速切换、低功耗的工作模式等优点，另外故障排除与射频共存的模式可以消除大部分的干扰。图1.6ESP8266WIFI模块原理图ESP8266WIFI模块内置超低功耗处理器，其CPU时钟最高可达160MHz，内置晶振所提供的频率在24MHz到52MHz之间。该模块的程序主要存储在外置的16MB的SPIflash之中。射频接收器把射频信号频率降低，变为正交基带信号，用两个高性能的AD转换器将正交基带信号转变为数字信号。射频发射器则是将正交基带信号的频率升高到2.4GHz，再由大功耗互补金属氧化物半导功率放大器驱动的天线发射出去。其中，由时钟生成器位射频发射器和射频接收器提供对应频率的正交基带时钟信号。内置等多种通讯接口，可以更加方便的其他设备进行通讯。1.6STM32硬件介绍本文所用到的STM32F103开发板具有十分丰富的资源和强大的功能，其中主要用到的由USB串口/串口1、USB转串口、电源模块、有源蜂鸣器、2个LED、启动选择端口、复位、3个按键、1.3V电源输入输出、5V电源输入输出。USB串口/串口1该开发板的USB串口与芯片的串口1连接，以此实现STM32代码的烧录和串口通信。CH340G的数据口分别标有RXD和TXD，STM32的PA9为TXDPA10为RXD。同时，P3是PA9与PA10的引出口。图1.7USB串口/串口1原理图（2）USB转串口USB转串口使用的时CH340G。图中的Q2与Q3部分构成了一键下载电路，只需要在下载程序的软件中进行相应的设置即可，可以省略BOOT0和按复位按键的设置。一键下载电路流程详解：首先，mcuisp控制DTR与RST让Q2与Q3导通，BOOT0被拉高，即BOOT0设置为1，RESET拉低实现复位。延时100ms之后，mcuisp控制DTR与RTS让设备停止复位，BOOT0继续维持为1，进入ISP模式，接下来STM32与mcuisp连接，实现一键下载代码。图1.8USB转串口电路原理图（3）电源模块系统的电源电路由2个稳压芯片U10和U11，DC_IN外部直流电源（6~24V）接口组成，外部输入电源经过U11DC-DC转换成5V的电源输出，另外还配备了一个防反接二极管D4，在外部电源反接是可以保护开发板不被烧坏。K1为开发板电源总开关，POWER开发板电源指示灯，F1为1000ma自恢复保险丝，U10为1.3V稳压芯片，用于提供1.3V的外接输入电源。图表1.9电源模块原理图有源蜂鸣器有源蜂鸣器即自带振荡电路，上电即可发生的蜂鸣器。其中,Q1是用来扩流的，R33是一个下拉电阻，防止单片机再复位的时候蜂鸣器会发生。图1.10蜂鸣器电路原理图LED开发板共板载3个LED灯，其中PWR为系统的电源指示灯，当系统供电时，改灯点亮为蓝色。LED0与LED1分别接在PB5与PE5上且LED0为红色，LED1为绿色。图1.11LED电路原理图按键开发板共板载了3个按键。其中，KEY0与KEY1作为普通的按键输入分别连接在PE4与PE3上，按键并没有外接上拉电阻，因为STM32的I/O口可以选择上下拉的输入模式拉提供上拉。KEY＿UP连接至PA0，它既可以作为按键使用，也可以作为STM32的唤醒输入。图1.12按键电路原理图启动电路BOOT0和BOOT1可以设置开发板不同的启动模式。图1.13BOOT电路原理图表1.5BOOT启动模式说明表BOOT0BOOT1启动模式说明0X用户闪存存储器即FLASH启动10系统存储器系统存储器用于串口下载11S