智能家居监控系统设计.docx

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： 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： 智能家居监控系统设计第 2 页 共 35 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

2、。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智能家居监控系统设计第 3 页 共 35 页目 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

3、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-2 123.1.3. 人体红外传感器 HC-SR501 133.1.4. 温度传感器 DS18B20133.1.5. 加速度传感器 MPU6050 143.1.6. nRF24L01 无线收发模块 15智能家居监控系统设计第 4 页 共 35 页3.2. 电路各单元原理图 .163.2.

4、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

5、报警模块 .315.3. 仿真的局限性 .315.4. 方案改进 .326. 设计总结 .33智能家居监控系统设计第 5 页 共 35 页参考文献.34智能家居监控系统设计第 6 页 共 35 页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

6、. 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。智能家居监控系统设计第 7 页 共 35 页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 AT89C

7、51 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

8、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

9、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，直接输出数字智能家居监控系统设计第 8 页 共 35 页信号。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

10、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

11、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

12、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。智能家居监控系统设计第 9 页 共 35 页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

13、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（MP

14、U-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。nRF24L

15、01 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智能家居监控系统设计第 10 页 共 35 页处理的部分。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

16、，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。智能家居监控系统设计第 11 页 共 35 页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。主机烟雾、煤气检测模块温度检测模块入侵检测模块老人跌倒

17、检测模块NRF24L01NRF24L01NRF24L01NRF24L011智能家居监控系统设计第 12 页 共 35 页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 Flash 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

18、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 实物图智能家居监控系统设计第 13 页 共 35 页图 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

19、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：烟雾传感器模块VCCGNDD0A0图 3.3 烟雾传感器引脚图和实物图引脚介绍：VCC电源正极智能家居监控系统设计第 14 页 共 35 页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

20、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。

21、（8）DS18B20 采用 3 引脚 PR-35 封装或 8 引脚 SOIC 封装。智能家居监控系统设计第 15 页 共 35 页图 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、5

22、00、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 2.5V5%、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 引脚图温度传感器模块VCCDOGND智能家居监控系统设计第 16 页 共 35 页3.1.6

23、. 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 模块实物图智能家居监控系统设计第 17 页 共 35 页3.2. 电路各单元原理图3.2.1. USB 接口及电

24、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智能家居监控系统设计第 18 页 共 35 页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 单元原理图智能家居监控系统设计第 19 页 共 35 页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智能家居监控系统设计第 20 页 共 35 页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

25、图 3.18 温度检测模块原理图智能家居监控系统设计第 21 页 共 35 页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智能家居监控系统设计第 22 页 共 35 页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智能家居监控系统设计第 23 页 共 35 页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智能家居监控系统设计第 24 页 共 35 页3.3.5. 主机模块图 3.25 主机模块原理图4. 软

26、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。智能家居监控系统设计第 25 页 共 35 页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：智能家居监控系统设计第 26 页 共 35 页图 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); 向 DS18B20 写数据:智能家居监控

27、系统设计第 27 页 共 35 页图 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 = wdatadelay_18B20(10);DQ = 1;wdata=1; 从 DS18B20 读数据：智能家居监控系统设计第 28 页 共 35 页图 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

28、 = 0; dat=1;DQ = 1; 智能家居监控系统设计第 29 页 共 35 页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 ，执行条件函数智能家居监控系统设计第 30 页 共 35 页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