1、 学号： 201057308002 分类号： TN911 硕 士 学 位 论 文 基于 STM32 的智能家居系统 研究生姓名 ：刘鹏飞 指 导 教 师：刘云学副教授 学 科 门 类：工学 专 业 名 称：信号与信息处理 论文提交日期 ： 2013 年 04 月 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘要 随着经济的不断发展和生活水平的不断提高，人们对个人人身、财产的安全以及生活和工作环境的质量越来越关注。为了 给用户提供一个安全舒适的生活环境，安全可靠的 智能家居 系统 成为必然选择 。传统 的 自动化 设施已经不能满足 现今的 需求，于是各种 新型的智能家居 系统应运而生。 本文设计
2、了一种将智能报警与开窗电机相结合的系统，不仅实现了智能报警的功能，还实现了由微控制器根据传感器信息 控制窗 的 开 、 关， 从而 调节环境的目的 。同时 着重对系统 中的 电气隔离，过压和过流保护，遥控器收发， GSM 模块 收发信息，电机 驱动 控制 ，液晶显示，电池充电 等 部分的 硬件电路和相应软件进行了介绍。 系统 以 STM32F103 为控制核心，通过分析各传感器信息、 GSM 模块接收的信息与用户通过人机界面的操作信息，向电机模块发送相应的动作命令（控制开关窗户），同时将危险报警信息通过 GSM 模块发送至用户手机，以保证居住的舒适性及安全性。系统采用多种保护措施和隔离措施，并
3、加入了备用电源以保证掉电后开 、关窗操作仍然能够得到执行，如此不仅使整个系统具 了 有很强的抗干扰能力及很高的可靠性，也拓宽了系统的应用领域。 在软件设计中将 系统功能划分为多个任务，按任务重要性划分优先级 ， 这样 既保证 了 任务的可靠执行，也提高 了 系统的实时性。由此使 本方案可适用于智能家居及智能农业等多种 领域。 关键词： STM32F103；智能家居； GSM 模块；传感器； 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With the development of economy and the improvement of life quality, pe
4、rsonal and property safety, as well as the quality of life and work environment have been paid more attention to. Reliable Smart home systems are becoming more and more important. New types of smart home system are generated to satisfy the current needs instead of the traditional automated facilitie
5、s. A system that combines intelligent alarm system with window opening machine is designed, with the function of intelligent alarm and low risk coefficient received by controlling the switch of the window through analyzing the sensor information. Emphasis on the analysis of hardware and software des
6、ign of electrical isolation, over-voltage and over-current protection, remote control, GSM module, motor control, LCD display and battery charging, etc. Combining the modern sensor technologies to the modern information processing technologies, a smart home system based on STM32F103 is developed. Th
7、e system analyzes information from sensors, GSM module and human-computer interface, then control motor modules to open and shut down corresponding windows. At the same time, warning information is sent to users mobile phone by using short message. In this way, users security and comfort can be guar
8、anteed. Moreover, multiple protective measures and isolation measures are taken, and standby electric power is switched on when AC power off. So not only make the whole system has strong anti-interference ability and high reliability, and expand the application field of the system. In software desig
9、n, system function is divided into multiple tasks, and according to the importance of the tasks assigned to them priority, both to ensure the reliable task execution, and improve the real-time performance of the system. So that this system can be applied to Intelligent Agriculture and other related
10、fields. Keywords: STM32F103; smart home system; GSM module; sensor; 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 III 目录 摘要 . I Abstract II 1 绪论 1 1.1 国内外智能家居系统的现状 . 1 1.1.1 国外现状 . 1 1.1.2 国内现状 . 2 1.2 研究目的及意义 . 2 1.3 论文主要工作 . 3 2 系统总体设计与系统隔离介绍 4 2.1 系统设计需求 . 4 2.2 系统整体设计原则 . 4 2.3 系统整体设计结构 . 5 2.4 电气隔离介绍 . 6 2.4.1 供电系统的隔离 .
11、 7 2.4.2 数字信号的隔离 . 8 2.3.3 模拟信号的隔离 11 2.3 传感器介绍 . 12 2.4 开窗机简介 . 14 2.5 系统整体方案设计小结 15 3 系统硬件电路设计 16 3.1 系统硬件电路整体结构 16 3.2 智能家居系统中隔离设计 17 3.3 主控制芯片简 介 17 3.4 系统供电结构 18 3.4.1 开关电源设计 19 3.4.2 DC/DC 隔离降压模块 20 3.4.3 5V 离降压电路 . 21 3.4.4 12VDC 降压电路 21 3.5 外部看门狗 . 22 3.6 传感器接口 . 22 3.7 433MHz 遥控器功能 . 24 3.7
12、.1 HCS300 编码器简介 . 24 3.7.2 对 HCS300 编程 . 25 3.7.3 HCS300 编码过程 . 27 3.7.4 解码过程 29 3.8 LCD 界面显示 33 3.8.1 液晶显示 33 3.8.2 按键设计 34 3.9 实时时钟电路 35 3.10 TC35 模块 35 3.11 电机驱动电路 . 36 3.12 电池充电设计 . 38 3.12.1 锂电池充电过程 . 38 3.12.2 锂电池 PWM 充电电路设计 . 39 3.13 硬件电路小结 . 39 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 IV 4 系统软件设计 40 4.1 系统初始化 .
13、41 4.2 433MHz 遥控器的接收 . 42 4.3 电池充电软件设计 . 44 4.4 TC35 发送信息软件设计 . 45 4.4.1 TC35 的信息发送简介 . 45 4.4.2 系统中 TC35 的工作过程 . 46 4.5 任务优先级分配设计 47 4.6 软件设计总结 48 5 系统调试结果和分析 . 49 5.1 硬件调试环境 49 5.2 软件调试环境 49 5.3 系统调试 . 49 5.3.1 开窗机驱动电路测试 50 5.3.2 手动控制功能测试 52 5.3.3 遥控器控制功能 52 5.3.3 传感器触发功能 53 5.3.4 电池充电测试 53 5.3.5
14、远程报警和控制功能 54 5.3.6 调试总结 54 6 总结与展望 56 6.1 总结 . 56 6.2 展望 . 57 参考文献 58 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录：攻读学位期间发表的学术论文目录 错误 !未定义书签。 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 国内外智能家居系统的现状 1.1.1 国外现状 随着经济的不断发展和生活水平的不断提高，人们对个人人身、财产的安全以及生活和工作环境的质量越来越关注。 目前的家居自动化系统所提供的家居环境已无法满足人们对家居环境信息化、智能化的需 求， 于是各种新型的智能家居系统应运而生。 智能家居的根本目的是使用户居住
15、环境更舒适、更方便、更安全 、更智能 。随着经济发展和人们消费水平的不断提高， 未来的智能家居将会有更丰富的内容，系统设计也会越来 越复杂。系统 以住宅为平台，利用有线和无线网络平台通信技术、包括综合布线系统，安全防范系统，背景乐 /广播系统，灯光窗帘控制系统，空调控制系统，以及家庭影院控制系统 1；将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境 2。 在一些发达国家，智能家居已有了巨大的发展，为智能家具的发展奠定了基础，同时也 规范了技术标准。但由于国家经济水平和思想观念的差异，对智能家居的要求也不尽相同
16、。 在美国，智能家居以数字家庭和数字技术改造为契 机，追求舒适和享受，但能源消耗巨大，不符合低碳、环保和节能的理念 43。 在日本， 则更注重用户感受 ， 采用新 技术 、新 工艺 ，充分利用信息 化 、网络 化 、 智能 控制和人工智能技术， 并 兼顾 环保功能 ；德国的智能家居追求专利功能的开发，注重基本的功能性；韩国鼓励并支持智能小区和智能家居的开发建设，目前 80%以上的新建项目均采用智能家居系统，像三星、 LG 等知名的智能家居品牌也都应运而生 3。 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.1.2 国 内 现状 目前国内与智能家居相关的厂家不断增加，大致可以分为两类 :一类是
17、针对居住和工作环境进行设计的厂家 ，这类厂家主要 针对自动报警、环境监测、安保监控等领域 ； 另 一类是 针对家用电器的厂商 ，这类厂商主要 是将家用电器标准化，以标准化平台为基础，构建智能家用电器网络 ；此外还有一类专注于 外围设备和器件的生产 ， 它 们 主要是配合前两类厂商，提供各类智能开关和接口模块 44。 虽然智能家居控制系统产品众多，但由于国内相关的行业技术标准一直无法统一，在某种程度上制约了国内智能家居行业的发展。 制约国内智能家居市场发展的因素是多方面的， 主要 包括 ： （ 1）标准不统一：国内厂家虽然众多，但一直没有一个统一的标准，致使产品应用领域狭小，同时也制约 了厂家的
18、发展。 （ 2） 系统 使用 复杂 ：由于技术和标准的的限制使各厂家产品复杂多样，给用户的使用带来了不便 。 （ 3） 不美观：很多厂家的产品虽然质量有保障，但外观设计并不美观，致使用户不选择 。 (4) 售后服务不完善：由于市场的智能家居厂商多为独立小公司，产品售后服务问题也成为制约其发展的重要因素。 （ 5）价格过高：对于一个用户来说要想安装一套理想的智能家居系统， 往往需要针对于要求专门定制，这使得安装价格昂贵，不能为普通用户所接受。 1.2 研究目的及意义 本课题研究的意义在于： （ 1） 本文以应 用为目的，将智能家居与开窗机相结合，不仅实现通过传感器监视环境，远程报警，远程控制的目
19、的，而且实现通过分析传感器信息，控制开窗机自动 调节室内环境的目的。 （ 2） 对于该系统的设计，紧密围绕智能家居系统的设计基本要求，以系统的安全可靠为第一设计要求 ； 系统中加入了大量的安全和保护措施，确保系统的安全性，烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 同时加入备用电源提高了系统的应用领域。 1.3 论文主要工作 论文旨在设计一种安全、可靠地的智能家居系统，系统不仅对环境 具有 监测 和报警的功能 ，也 能通过控制 开窗机 实现对环境进行调节。同时在系统设计中加入大量保护和抗 干扰措施，使系统可以 适用于智能家居及智能农业等多种领域。文章对设计过程中用到的相关知识进行了详细介绍，对
20、具体硬件电路进行了分析，对软件结构进行了说明，最后介绍了调试结果。 本文文章结构如下： （ 1） 分析了 智能家居 的 国内外现状及研究的价值和意义 ； （ 2） 介绍了系统的整体框架结构，并着重介绍了系统隔离的意义，同时还对系统使用的传感器和开窗机进行了介绍 ； （ 3） 对以 STM32f103 为控制核心的硬件电路设计的每一部分进行了分析和介绍 ； （ 4） 对整体软件设计构架进行了介绍，并着重介绍了 短信、遥控、充电等功能 ； （ 5） 介绍了调试方法和步骤，对结果 进行了说明； （ 6） 总结全文工作，并对针对系统不足提出了改进方法。 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 2
21、系统 总体 设计 与系统隔离介绍 2.1 系统设计需求 现有的 传 统 智能家居 设施已经不能满足 人们 需求， 各种新型的智能家居系统急需被开发 。 另外，随着经济的发展， 大型体育馆，大型工厂，高层建筑 ，现代农业设施 越来越多，对这些场所的窗的开关 ，采取人工方式已经不现实，这就需要一种能够根据环境自动控制窗开关的系统。 国内智能 系统 虽然 已 有多年的发展， 在市场需求和政府相关政策的推动下，国内 智能家居系统 正 在逐步完善 。 目前， 虽然 已经有很多 成功的 应用案例， 但 由于国内该行业制度和体系的不完善 ， 使 智能家居系统 无法 在市场上 广泛 推广，主要体现在： （ 1
22、） 可靠性不足：虽然智能家居控制系统产品众多，但由于国内相关的行业技术标准一直无法统一，致使这些产品在 安全性和可靠性上缺乏统一的检测标准。很多产品在使用一定时间后出现误报现象。 （ 2） 使用不方便：当今市场上出现的智能家居系统多种多样，使用方法也各不相同，这给用户带来了极大的不方便，这也是很多用户不选择智能家居系统的一个原因。 （ 3） 技术不完善： 虽然国内已有了近二十多年的发展，但由于技术标准不统一，致使 很多 智能家 居 产品存在功能单一，缺乏人性化，产品不美观等缺陷。 （ 4） 价格昂贵：现阶段比较完善的产品的造价还过高，不能为大多数人所接受。 为 此 本文设计了一种 适合于家庭
23、，农业， 大型建筑使用的 高可靠性的智能家居系统，在通过传感器检测环境的条件下通过开窗机调节室内环境 ，为用户创造良好的家居环境的同时尽量简化操作，使产品更加人性化。 2.2 系统整体设计原则 虽然 智能家居到目前为止还没有一个统一的定义 ，但其基本思想是“以人为本”，烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 构建一个安全、可靠、舒适、美观的工作或生活环境。 本系统依据 了 智能家居系统的基本原则，设计过程中遵循 以下原则： （ 1） 安全：智能家居作为一种与用户日常工作和生活息息相关的产品，必须将用户的生命 、 财产安全放在第一位，因 此 设计中系统自身的 安全 性 是 至关重要的 。 （
24、 2）可靠：智能家居系统作为一 种改善 居住环境 的系统 ， 系统 对用户操作和系统自身的触发事件，必须做出及时 、 准确的响应，这就要求系统有绝对的可靠性，能够在长时间内对任意 状况 做出及时、准确、无误的响应。 (3) 舒适：智能家居的本质是改善用户的生活环境，使生活环境更加 舒适 ，设计中注重对生活环境的自动调整和检测。 (4) 方便： 智能家居 是 一种方便用户生活， 改善生活质量的一种设施，方便就成为了一个重要要求 。 (5) 美观：智能家居着急应用于用户的工作和生活环境，系统的美观 、 大方是必要的。 2.3 系统整体设计结构 本设计方案将开窗机融入智能家居中，通过主控制板分析来自
25、各传感器和用户的操作信息，实现 通过 自动开 、 关窗 来 调节室内环境的 功能 ，同时对危险传感器进行报警，通过 GSM 模块发送信息至用户手机。系统整体结构图如图 1 所示。主控制板用于完成对各方面信息的综合和 处理 ；传感器部分包含各种传感器用于对环境的检测；备用电池用于在系统断电时对系统供电；人机界面方便用户对系统操 作和状态的查询；开窗机在主控制板的电机驱动电路的驱动下可以实现开 、 关窗操作； GSM模块用于向用户手机发送报警信息，同时接收用户的运程控制。 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 主 控 制 板传 感 器备 用 电 池 及 充电 电 路开 窗 机人 机 界 面G
26、 S M 模 块图 1 系统结构图 系统设计完成以下功能： （ 1） 系统实时监测环境，并根据环境自动开 、 关窗，完成对环境的调整 ； （ 2） 接收用户通过人机界面对开窗机的操作 ； （ 3） 接收用户通过 GSM 模块对开窗机的操作 ； （ 4）对开窗机动作时具有过流保护机制； （ 5） 自动检测备用电池电量，并在电量不足时自动充电 ； （ 6） 监测系统的工 作状态，并显示在液晶屏上 ； （ 7） 对危险状况发出报警，并通过 GSM 模块发送信息至用户手机 ； （ 8） 软件设计中 合理安排任务提高系统的实时性和稳定性。 2.4 电气隔离 介绍 电路隔离的主要目的是抑制干扰 、 保护电
27、路 、 提高系统的安全性和可靠性。在工业控制系统设计中，面对复杂多变的工作环境，经常会遇到电网谐波、高频干扰、电磁干扰等现象，为了避免这些影响因素，对系统进行合理的电气隔离是最为有效的方法。 电 气 隔离的主要原理是通过隔离器件将电路 分 隔 开 ，从而 阻止 干扰 在整个电路中的传播 。虽然电路被隔离成不共地的几部分，但电源和 信号依旧可以通过隔离器件耦合至另一回路 ，从而实现供电与通信。 电路隔离 主要应用在将控制电路与电源、大功率用电器、外来信号、强干扰设备隔离开， 阻止 干扰信号进入控制电路，破坏了系统的正常运行。电路隔离器主要包括电源隔离和信号隔离两部分，电源隔离主烟 台 大 学 硕
28、 士 学 位 论 文 7 要采用电磁隔离的方法，信号隔离主要采用光电隔离、电磁隔离、电容隔离等 方法 。 由于系统设计中传感器接口输入信号为外来输入信号，极易引入外来干扰 ；外接的 开窗机中电机在动作时会产生 很强的 干扰 ； 电池的 PWM 充电方式也会对系统的正常工作产生 一定的 干扰，所以为了保障系统的可靠运行必须 对主控制部分和外围电路部分进行了隔离。 2.4.1 供电系统的隔离 1. 交流供电系统的隔离 由于交流电网中存在着大量的谐波，雷击浪涌，高频干扰等噪声，所以对由交流电源供电的控制装置和电子电气设备，都应采取抑制来自交流电源干扰的措施 27。采用电源隔离变压器，可以有效地 抑制
29、这些 干扰。 它 的主要作用是使一次 线圈 与二次 线圈 的电气完全绝缘， 把两个 回路隔离 开 。 对于交流电网引入的高频杂波，可以被具有强高频损耗能力的铁芯所抑制 。由于电源隔离变压器的输出端是对地悬浮的，所以不适合大范围，长距离的供电场合，同时 输出端对地 悬浮还具有防触电的功能。所以隔离变压器既可以对电路中的差模干扰和共模干扰进行阻止，也可以对人身安全起到保护作用。 2. 直流供电系统的隔离 一般来说，对于安全性要求较高的场合，为了避免外来干扰都要采用隔离技术，要对系统实现可靠地隔离，不仅要对通信线路隔离，还要对供电系统进行隔离。 最常用的隔离方式有两种 ：第一种是在交流 供电场合使用
30、 变压器 隔离；第二种是使用DC/DC 隔离变换器。 在交流供电场合采用变压器进行隔离是一种长用的方法 ，如图2 所示， 交流电 输 入变压器以后，输出两路完全隔离的电源。这种设计成本较低，但对于需 要多路隔离输出的场合，变压器和外围器件的体积会非常庞大，每输出电压的性能也会下降，不适合小型、高稳定性要求的电路使用。 DC/DC 隔离模块主要应用在直流电源的隔离，它的体积相对于变压器较 小， 具有 应用电路简单 、 效率高 、应用灵活 、 对电路干扰小 的特点 。 在很多要求苛刻的领域都得到了广泛的应用 ，是小功率隔离电路的首选，但对于功率较大的 DC/DC 隔离模块体积较大，成本还较高。 烟
31、 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 系统 1系统 2220VAC图 2 隔离变压器隔离示意图 2.4.2 数字信号 的隔离 数字隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的 隔离 。 依据工作原理的不同，数字隔离器件大致可 以分为光电隔离类、电磁隔离类、电容隔离类 4。 在进行数字信号的隔离时应该从以下几个方面综合考虑： （ 1） 信号 速度： 对于不同的应用领域，对信号隔离的速率有不同的要求，如果隔离器件选择不当，会使隔离后的信号失真 无法有效传输数据 ，所以在进行系统设计是必须根据系统被隔离信号的速率，合理的选择隔离器件。 （ 2）功耗限制： 对于对功耗敏感的系统，就必须考虑隔离器件的功耗
32、问题 。 例如对于普通的光耦隔离，发光二极管正常工作需要毫安级的工作电流；如果需要较高的信号隔离速率，功耗会进一步增加，因此对于有功耗要求的电路，特别是需要大量信号隔离的电路，光电隔离功耗很大，不适合使用。 （ 3）电路 复杂程度： 对于不同的隔离 器件 需要相应的不同的外围电路 。 有 些 隔离器件需要配合外围电路才能正常工作，对于复杂的电路系统，过多的使用该类需要外围电路的隔离器件，会明显曾 加 设计电路的复杂程度。对于不同工艺的隔离器件，芯片自身的封装也有很大的差别，在电路设计时需要具体考虑。 （ 4）抗干扰能力：对于不同制造原理和工艺的芯片的抗干扰能力是不同的。例如电磁隔离的器件易受外
33、部磁场的干扰，所以选择器件时还要考虑应用的环境。 1. 光电隔离 光电隔离器（ optoelectronic isolator），简称光耦 5。 光电隔离器 的原理是通过输烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 入信号驱动输入侧的发光 LED 发光，光线透过 透明绝缘隔离层 ，触发接收侧的感光二极管的导通和关断，实现对数字信号和开关信号的传递。整个过程实现了由电到光，再由光到电的转换过程。 最为常用的光电隔离电路如图 3 所示，应用最为普遍的光电耦合器如东芝TLP521 等都可以使用此电路，电路的输入端使用一个限流电阻 R1，输出端使用一个分压电阻 R2，当左侧输入端输出高电平点亮 LED
34、，右侧接收到光信号后电阻变小，输出端输出低电平，否则输出高电平，如果要使 输入输出端电平状态一致可以将左侧改为灌电流输入的方式或者将右侧分压电阻接地连接。 R1VCCVin VoutR2图 3 光电隔离 光耦合器 通过光电转换实现了对信号的隔离，由于器件中光的单向性，使光耦和隔离具有较强的抗干扰能力和工作稳定可靠地优势，且成本较低。由于 光耦合器 工作原理和制造工艺的限制，使这种隔离器件也有不少的缺点，主要包括： （ 1）功耗大： 光耦合器 依靠发光二极管的光进行信号传递，驱动发光二极管正常工作需要 几毫安的电流，所以在低功耗应用领域不适合大量使用 。 （ 2） 需要外围电路：为了保护器件，一
35、般在输入端接保护电阻，在输出端为了实 现电平转换也需要外接电阻， 这样就增加了电路复杂度 。 同时普通光耦普遍存在封装较大的问题，为大规模使用带来了不方便。 （ 3）速度 低：由于 结构的 限制 ， 使光电隔离器件的速率普遍不高 。 光电隔离 虽然具有以上缺点，但由于其具有使用简单、成本低、高抗干扰能力的特点，使其在低成本电路中被广泛应用。 2. 电磁隔离 电磁隔离 最初主要应用于模拟信号和电源的隔离，原理是利用透过隔离层的不断变化的磁场来实现信号和电能的传递。这种方式在对输入和输出信号进行一定 处理的条件下，也可以应用于数字信号的隔离，但由于这种隔离方式依靠的是烟 台 大 学 硕 士 学 位
36、 论 文 10 磁场传递信息 ，所以易 受 到外部磁场 的干扰。由于电感对直流表现为通路，所以直接的电磁隔离不能应用于直流信号 。 在电磁隔离对数字信号进行隔离时也存在这种限制因素，主要表现在数字信号中如果一段时间内信 号保持信号电平不变化时，此时的信号无法被直接隔离。解决的 方法 是 先对信号编码，然后再对信号进行隔离 。 ADI(美国模拟器件公司 )推出的 iCoupler 就使用了编码功能，并提供了支持从 DC 到 100Mbps 运 行范围的数字隔离解决方案，内部结构如图 4 所示。 图 4 ADuM1100 磁隔离背部结构 由图可知， 输入 ADuM1100 芯片 进行电磁隔 离的信
37、号要先经过编码后再隔离，隔离后要先解码再输出。为了使隔离输出的信号更加理想，对输入和输出信号都要经过施密特触发器处理 。 ADuM1100 芯片基于 iCoupler 磁隔离技术构建 ，芯片内部集成 iCoupler 变压器，该变压器具有体积小、高带宽、低电感、高阻抗的特点，使芯片具有体积小、速度快、低功耗的特点。为了 能 对低频信号和对高频信号 隔离，iCoupler 技术将输入的信号编码为宽度不超过 2ns 的脉冲后再进行隔离，输出端通过解码器对这些信号解码获得输出信号，从而实现 了 对高频信号和低频信号的隔离。 电磁隔离的 相对 于光电耦合器的 优点主要有： （ 1）体积小： 在新工艺的
38、支持下，芯片 体积 可以做到较 小 ； （ 2）性能高：更高的速率、更快的传输时间 ； （ 3）低功耗：最低可达 0.8mA/通道 ； （ 4）简化电路： 芯片可以不使用任何其它外部器件，适合大规模使用 。 虽然如此，但由于 电磁隔离 依靠磁场传递信号，导致它易受到环境中磁场的影响， 同时 它的价格也要高于光电耦合器。 3电容隔离 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 电容隔离 是 使用 电容对交流信号表现为通路的特性来 实现信息传输 的 。 电容器极板之间的材料是电介质绝缘体，即隔离层 27。 电极板的大小、板间距离以及电介质材料 决定了电气特性。 电容隔离不像电磁隔离那样 易受到空
39、间电磁场的干扰，也不像光电耦合器那样需要较大的功耗， 具有体积小、效率高、 速度快的特点。 在 电容隔离中片内小容量的隔离电容对低频信号 和直流信号表现为高阻抗，无法直接用电容隔离。 为了实现电容对低频信号的隔离， 芯片对输入信号（无论高频还是低频）先 用片内信号发生器产生的高频载波 进行调制 ； 然后 才 对高频的调制信号进行电容隔离，隔离以后再经过片内滤波器恢复出原始信号。 电容隔离对 电磁干扰不像电磁隔离那样敏感， 使得 这种 器件可以在饱和或密集磁场环境下工作 。另外，随着生产工艺的进 步，片内集成的隔离电容不断减小，使电容隔离芯片具有了 较小 的体积和 更快 的速度。 2.3.3 模
40、拟信号的隔离 对于 模拟信号隔离 来说，无论是对外围电路 ， 还是对性能指标的要求都要比数字隔离高。在对模拟隔离进行设计时，需要考虑器件的 带宽、非线性度、输出噪声、输入输出电压 等参数。对模拟信号的隔离最常用的隔离方式一种是光电隔离，另一种是电磁隔离。 1. 光电隔离 在数字信号的隔离中光耦器件的接收端处于开关状态，具有较大的非线性 ； 如果直接用来传输模拟量，其线性度无法满足系统的性能要求。因此使用光耦器件来进行模拟信号的隔离一 般引入反馈电路来进行补偿，使光耦器件的非线性得到改善，因此可以使用普通的光耦通过外部电路的配合，构成反馈电路从而达到使用非线性光耦实现 对 模拟信号线性隔离的目的
41、 ； 另一种就是选用专门针对模拟信号隔离的线性光耦 6。 对于线性光耦， 以最为常见的 HCNR200 为例，应用电路如图 5 所示。 HCR200由一个高 性 能的发光 LED 和两个 相同工艺的 光电二极管 PD1 和 PD2 组成。发光 LED由运发 A1 输出端驱动， 光电二极管 PD1 根据 感应 到的 LED 光照强度对输入部分起到负反馈的作用 ， PD2 与运放 A2 构成隔离电路的输出部分。由于整个 电路输入部分烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 构成负反馈回路，因而只要负反馈通道的发光 LED 和光电二极管 PD1 关系确定，隔离转换电路的输入部分就稳定 78。 图
42、 5 HCNR200 应用电路 2. 隔离放大器 隔离放大器 与线性光耦相比具有更好的传输特性，从内部结构的不同一般分为两类，一类通过变压器耦合传递信号，另一类以 光耦合 传递信号。 光耦合隔离放大器的基本原理与现行光耦隔离相似，但 其内部结构更复杂，并 具有比线性光耦更好的性能。 隔离放大器一般应用 对模拟信号隔离要求相对较苛刻的领域， 它不仅具有对模拟信号良好的隔离特性，而且 包含放大和转换功能，同时也可以滤除高频干扰。 现阶段的隔离放大器具有精度高、功耗低、共模性能好等特点，一些新型的隔离放大器例如： CIM1100 带宽已经可以达到 120MHz， 但 由于 集成的隔离放大器内部电路复
43、杂、体积大、成本高不适合大规模应用。 2.5 传感器介绍 系统采用的传感器主要包括模拟信号传感器和开关量两类 。 开关量的传感器包括：风 速 传感器 、 雨 滴 传感器 、 光 照 传感器 、 燃气传感器 、 烟雾传感器 、 红外传感器。模拟量传感器包括：二氧化碳传感器 、 温度传感器 、 湿度传感器。由于两类传感器返回的信号不同，所以系统分别对 他们进行模拟隔离和数字隔离以后送入主控制器，如图 6 所示。 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 主 控 制 器模 拟 个 隔离数 字 隔 离温 度 传 感 器湿 度 传 感 器二 氧 化 碳 传 感 器燃 气 传 感 器烟 雾 传 感 器
44、风 传 感 器雨 传 感 器光 照 传 感 器红 外 传 感 器图 6 传感器连接示意图 主要传感器介绍： （ 1） 燃气传感器： 燃气传感器是家居和工作环境安全的一种重要传感器，一个可靠、有效的燃气传感器可以避免大量因燃气引发的危险状况，所以系统采用 以 高质量 MC205 为核心的催化燃烧式可燃气体传感器，该传感器可用于工业现场的天然气、液化气、煤气、 烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测，也可用作可燃性气体泄漏报警器，可燃性气体探测器，气体浓度计 等设备。同时该元件工作稳定、可靠具有良好的灵敏度、抗震性、的重复性、选择性。 （ 2） 烟雾传感器： 烟雾传感器是当前环
45、境是否有火险的一种有效措施，系统 采用 MS5100V 烟雾传感器模块 为核心的传感器 ， 该模块可用于对液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测 。 （ 3） 红外传感器：在本系统中红外传感器主要用于防盗作用，传感器系统直接采用带 扩展 接口成品传感器，探测距离 为 12m， 探测角度 为 110 度 ， 报警输出 为 常闭 /常开可选 ，安装简单，工作稳定可靠。 （ 4） 雨 滴 传感器 ：由于系统中连接有开窗机，所以系统必须包含雨 检测传感器，在有降雨时及时关闭窗。 系统采用 SSM-002 型雨滴传感器 ，具有灵敏度高、抗腐蚀性强、应用简单的特点，适合在系统中用作降雨检测 。
46、 （ 5） 风传感器： 风速传感器的作用主要 在 窗 打开时 检测环境风速， 如果风速超过了设定值则 执行关窗动作 。 系统采用的时 TTL 电平输出的 8Hz 三风杯风速传感器 ，烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 这种传感器通过信号线输出脉冲，用户可以通过测量单位时间内接收到的脉冲数量计算风速。 该模块 具有风速测量范围宽、精度高、响应灵敏、信号传输远、工作电压范围宽的特点，可以广泛应用于农业、工业和日常生活中 需要进行风速检测的场合 。 （ 6） 其他传感器：光照传感器直接使用数字光强度检测模块，用于检测室内光照 程度 ， 从而 控制开窗机的动作。二氧化碳 传感器采用模拟量输出
47、的 MG811 模块，检测环境内的二氧化碳含量。温度传感器直接采用数字温度传感器， 用于环境温度检测 。 2.6 开窗机简介 开窗 机 是通过电机 把窗户自动打开 或 关闭的机器，在加入传感器的状况下可以根据 外部 天气 和室内环境 的 状 况自动的开 、 关窗户，其工作基本原理是通过直流电机驱动变速箱（一般为减速箱），再由变速箱带动链条或推杆（链条或推杆连接在窗上）使窗进行开 、 关， 一般用于大型体育馆、 高层建筑、现代 农业 、发电厂等 ，开窗机应用如图 7 所示。 图 7 开窗机应用 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 2.7 系统整体方案设计小结 在本章中重点介绍了系统整体
48、设计思想，阐述了系统隔离的重要性，同时对常用的数字信号隔离，模拟信号隔离和电源隔离措施进行了说明，并 对 中使用到的传感器 和开窗机 进行了介绍。 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 3 系统硬件电路设计 3.1 系统硬件电路整体结构 系统通过分析各个传感器的信息，以及用户通过人机界面输入的命令和 GSM 模块的控制信息，控制开窗机执行相应的开 、 关窗动作；同时对危险状况进行声音提示，并通过 GSM 模 块将报警信息发送至用户手机。对于停电情况，由备用电池维持系统的正常运行，同时在系统实时检测电池电量，在电量不足时通过充电电路对电池充电。系统整体结构如图 8 所示，主要由 MCU
49、及多个子模块组成，子模块部分包括： 24V 开关电源电路，备用电池充放电电路，开窗机电机驱动控制模块，多路传感器接口，实时时钟，声音报警，人机界面， 433MHz 遥控器接收模块， GSM 模块和和隔离电路等。 STM32F103 主要用于分析与处理 传感器信息、遥控器信息、用户操作信息、控制 GSM 模块的接收和发送、控制电机和备用电池充电，并按优先级执行相 应的任务。 S T M 3 2 F 1 0 3微 控 制 器多 路 传 感 器 接口实 时 时 钟外 部 看 门 狗G S M 模 块备 用 电 池 充 电控 制 隔 离声 音 报 警人 机 界 面2 4 V 直 流 电 源4 3 3 M 遥 控 器 接收 模 块传 感 器 接 口 隔离电 机 控 制 信 号隔 离开 窗 机 电 机 驱动 电 路主 控 部 分 电 源隔 离备 用 电 池 充 电以 及 放 电 电 路供 电供 电供 电供 电图 8 系统 硬件电路 组成框图 烟 台 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 3.2 智能家居系统中隔离设计 由于系统中包含开窗机（内部包含直流电机），外部传感器和 PWM 形式电池充电 电路 ，为了减小干扰保障系统的正常可靠运行，采取系统隔离是必须的，系统隔离 结构
