儿童监护系统的理论设计

1、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： 设计题目：儿童监护系统的理论设计设计时间： 2016.6.206.24 评定成绩： 评定教师： 【摘要】我国是世界上人口最多的国家，婴儿总数也位居世界前列。加之人民生活节奏越来越快、生活压力越来越大，父母照顾婴儿的时间也变得越来越少。由此，婴儿监护系统在家庭生活中就显得尤为重要。目前大多数家庭还是主要依托家人时刻看守者孩子，这就造成了父母正常工作、休息等的不便。同时，由于婴儿没有行为才能及判断能力，若婴幼儿尿床、或存在掉床、窒息危险时，婴幼儿自己不能解决问题。若采用儿童监护系统，父母就能够及时采取相应的处置措施。本文

2、以51单片机为微处理器，声音传感器、湿度传感器、人体红外传感器为检测元件，设计了一个多功能的婴幼儿监控系统。【关键词】儿童监控、51单片机、声音传感器、湿度传感器、人体红外传感器目 录1. 设计要求41.1. 设计题目：儿童监控系统的理论设计41.2. 设计要求分析42. 总体方案52.1. 模块方案选择52.1.1. 单片机模块52.1.2. 湿度检测模块52.1.3. 幼儿啼哭检测模块62.1.4. 幼儿接近危险物品检测模块62.1.5. 无线通信模块62.2. 方案设计83. 硬件设计93.1. 关键器件简介93.1.1. AT89C51简介93.1.2. 温湿度传感器DHT11103.

3、1.3. 人体红外传感器HC-SR501113.1.4. 声音传感器113.1.5. nRF24L01无线收发模块123.2. 电路各单元原理图133.2.1. USB接口及电源133.2.2. 晶振及复位电路143.2.3. 最小系统143.2.4. LCD1602液晶显示电路153.2.5. 报警电路153.2.6. 无线通讯与稳压单元163.3. 各模块电路原理图163.3.1. 幼儿啼哭检测模块163.3.2. 接近危险物品检测模块173.3.3. 幼儿尿床检测模块183.3.4. 主机模块194. 软件设计204.1. 湿度检测报警模块204.2. 幼儿接近危险物报警模块245. 系

4、统仿真285.1. 湿度超限报警检测模块285.2. 幼儿接近危险物品报警模块295.3. 仿真的局限性295.4. 方案改进306. 设计总结31参考文献.321. 设计要求1.1. 设计题目：儿童监控系统的理论设计设计一种切实可行的测量方法，能够检测幼儿啼哭、尿床、落床危险、睡眠窒息，或者儿童走失、接近危险物品（地点）等；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 对幼儿进行啼哭检测，实际上是对幼儿周围的声音进行监测。一旦幼儿啼哭，则报警装置启动，警示灯亮。2 对婴儿床就行湿度检测，用来检测幼儿是否尿床，当湿度大于设定值，则报警装置启动，警示灯亮，表示幼儿尿床。3 对幼

5、儿的落床危险进行监测，采用压力传感器，一旦压力传感器检测到信号，则报警装置启动，警示灯亮。4 采用人体红外传感器，对幼儿的位置进行监测。一旦幼儿靠近危险物，则报警装置启动，警示灯亮。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MSP43

6、0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. 湿度检测模块方案一：采用湿度传感器SHT21。SHT21作为一种常用的温湿

7、度传感器，其工作特性有以下几点：l 完全标定l 其采用数字输出，采用IIC总线接口。l 其具有优异的长期稳定性，相应迅速、抗干扰能力强。方案二：采用温湿度传感器DHT11。DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。其工作特性有以下几点：l 湿度精度+-5%RH，量程湿度20-90%RH.l 温度精度+-2，温度范围为050摄氏度。l 输出方式为单总线数字信号。l 该传感器能耗非常低。l 其具有超长的信号传输距离。以上两种传感器功能类似，结构相似。但DHT11在市场上有更大的份额，因为在性价比方面，DHT11相较于SHT21有更大的优势。所以，本设计采用DHT11作为温湿度传感器。2.

8、1.3. 幼儿啼哭检测模块本设计中，我们采用声音传感器对本模块进行监测。市面上的声音传感器模块并非用对应的声音传感器芯片集成而成，而是用话筒及放大电路搭成。本文中采用TELESKY公司制作的集成声音传感器模块。以此来完成设计。2.1.4. 幼儿接近危险物品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，该传感器安置于危险物品处，一旦幼儿接近，传感器模块会发出信号，触发喇叭报警、警示灯亮起。2.1.

9、5. 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

10、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： 幼儿啼哭监测模块温湿度监测模块NRF24L01N

11、RF24L01主机NRF24L011幼儿接近危险物品检测模块 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

12、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. 温湿度传感器DHT11本文温

13、湿度传感器型号为DHT11。在NRF24L02网络中负责采集幼儿床的温度与湿度信息，一旦湿度值超过预定值，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 温湿度传感器引脚图和实物图引脚介绍：VCC电源正极GND电源地NC空脚，悬空DATA串行数据，单总线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，该传感器安置于危险物品处，一旦幼儿接近危险物品后，触发蜂鸣器报警。 图3.4 人体红外传感器实

14、物图3.1.4. 声音传感器本文所采用的声音传感器是由TELESKY公司制作的集成声音传感器模块，其引脚图和实物图如下所示： 图3.5声音传感器模块引脚图 图3.6 声音传感器模块实物图3.1.5. nRF24L01无线收发模块无线收发模块nRF24L01具有以下特性：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

15、 V。 图3.7 nRF24L01模块封装引脚图 图3.8 nRF24L01模块实物图3.2. 电路各单元原理图在本次设计中，我主要负责DXP原理图的设计。3.2.1. USB接口及电源图3.9 USB接口及电源单元原理图3.2.2. 晶振及复位电路图3.10 晶振与复位电路单元原理图3.2.3. 最小系统图3.11 最小系统单元原理图3.2.4. LCD1602液晶显示电路图3.12 LCD1602单元原理图3.2.5. 报警电路图3.13 报警电路单元原理图3.2.6. 无线通讯与稳压单元图3.14 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. 幼儿啼哭检测模块图3.15

16、 声音传感器单元原理图图3.16 幼儿啼哭检测模块原理图3.3.2. 接近危险物品检测模块图3.17 HC-SR501单元原理图图3.18 接近危险物品检测模块原理图3.3.3. 幼儿尿床检测模块图3.19 DHT11单元原理图图3.20 幼儿尿床检测模块原理图3.3.4. 主机模块图3.21 主机模块原理图4. 软件设计4.1. 湿度检测报警模块通讯过程：用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送相应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果

17、没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。1. 通讯过程如图所示图4.1 DHT11通讯过程总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后, 读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。图4.2 DHT11通讯过程总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后

18、,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短决定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。图4.3 数字1信号表示方法图4.4 数字2信号表示方法流程图：图4.5 DHT11工作流程图相关程序如下：/*单片机：STC89C52波特率：9600*/#include unsigned char date;#define uchar unsigned char#define uint unsig

19、ned intsbit key1=P01;/* 函数申明 -*/void delay(uint z);void Initial_com(void);void delay(uint z) uint i,j; for(i=z;i0;i-) for(j=110;j0;j-); /*串口初始化函数*void Initial_com(void) EA=1; /开总中断 ES=1; /允许串口中断 ET1=1; /允许定时器T1的中断 TMOD=0x20; /定时器T1，在方式2中断产生波特率 PCON=0x00; /SMOD=0 SCON=0x50; / 方式1 由定时器控制 TH1=0xfd; /波特

20、率设置为9600 TL1=0xfd; TR1=1; /开定时器T1运行控制位/*主函数*main() Initial_com(); while(1) if(key1=0)delay(); /消抖动if(key1=0) /确认触发 SBUF=0X01; delay(200); if(RI) date=SBUF; /单片机接受SBUF=date; /单片机发送RI=0; 4.2. 幼儿接近危险物报警模块人体红外传感器HC-SR501采用数字单总线输出，当人体进入到检测范围内是，IO口会输出高电平，否则IO口会一直输出低电平。流程图：相关程序如下： ORG 0000h LJMP MAIN ORG 0

21、003H LJMP PINT0 ORG 000BH LJMP TINT ORG 0200HMAIN: MOV IE,#81H SETB IT0 MOV SP,#30H SETB P3.0 CLR P3.1 MOV P1,#0FFH MOV P2,#00H CLR P1.2 LP: JNB P1.0,LA LA: ACALL DELAY JNB P1.0,ALARM AJMP LPDELAY: MOV R1,0AAH LD2: MOV R2,0BBH LD1: NOP DJNZ R2,LD1 DJNZ R1,LD2 RET ALARM: CPL P3.0 MOV R7,#0C8H MOV TMO

22、D,#01H MOV TL0,#0B0H MOV TH0,#03CH SETB ET0 SETB EA SETB TR0 TINT: CPL P3.1 MOV TL0,#0B0H MOV TH0,#03CH L2: JBC TF0,L1 SJMP L2 L1: DJNZ R7,TINT SETB P3.0 CPL P3.0 RET PINT0: CLR EX0 PUSH PSW PUSH ACC JNB P3.2,LN LN: LCALL DELAY JNB P3.2,LN1 AJMP LN2 LN1: SETB P3.0 CLR P3.1 / CLR P1.2 POP ACC POP PSW

23、 SETB EX0 LJMP LP LN2: RETI END5. 系统仿真采用Proteus软件对系统进行仿真。5.1. 湿度超限报警检测模块用滑动变阻器来模拟幼儿床环境的湿度情况。仿真图如下所示：图5.1 湿度超限报警检测仿真当幼儿床环境的湿度超过限定值时，系统会报警（喇叭响、警示灯亮）。5.2. 幼儿接近危险物品报警模块图5.2 幼儿接近危险物品报警模块仿真由于Proteus软件中并没有HC-SR501传感器，故采用一个按键来模拟传感器的输出。当按钮按下时，代表传感器输出高电平，报警装置启动。当按键没有按下时，报警装置熄灭。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

24、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。根本看不见湿度显示。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

25、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 首先，本次设计我收获最大的就是我懂得了：学习传感器与检测技术这门课不单单是学会使用传感器就OK了，要能够做到对传感器原理的充分理解。2 其次，这次设计也培养了我独自完成任务的能力。之前的课程设计任务都是多人一组的，而这