智能家居监控系统设计.docx

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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：

2016.6.20~6.24

评定成绩：

评定教师：

【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

1.设计要求 5

1.1.设计题目：

智能家居监控系统设计 5

1.2.设计要求分析 5

2.总体方案 6

2.1.模块方案选择 6

2.1.1.单片机模块 6

2.1.2.温度检测模块 6

2.1.3.煤气、烟雾检测模块 7

2.1.4.外人入侵检测模块 8

2.1.5.老人跌倒监测模块 8

2.1.6.无线通信模块 8

2.2.方案设计 10

3.硬件设计 11

3.1.关键器件简介 11

3.1.1.AT89C51简介 11

3.1.2.煤气、烟雾传感器MQ-2 12

3.1.3.人体红外传感器HC-SR501 13

3.1.4.温度传感器DS18B20 13

3.1.5.加速度传感器MPU6050 14

3.1.6.nRF24L01无线收发模块 15

3.2.电路各单元原理图 16

3.2.1.USB接口及电源 16

3.2.2.晶振及复位电路 17

3.2.3.最小系统 17

3.2.4.LCD1602液晶显示电路 18

3.2.5.报警电路 18

3.2.6.无线通讯与稳压单元 19

3.3.各模块电路原理图 19

3.3.1.温度检测模块 19

3.3.2.外人入侵检测模块 20

3.3.3.煤气、烟雾检测模块 21

3.3.4.老人跌倒监测报警模块 22

3.3.5.主机模块 23

4.软件设计 24

4.1.温度检测报警模块 24

4.2.煤气、烟雾检测模块 28

5.系统仿真 30

5.1.温度报警检测模块 30

5.2.煤气、烟雾报警模块 31

5.3.仿真的局限性 31

5.4.方案改进 32

6.设计总结 33

参考文献.....................................................................................................................34

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.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（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）以及128BYTES随机数据存储器的低电压、高性能CMOS8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（MixedSignalProcessor）。

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0~100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GBC6464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200～300℃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、±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2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，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nRF24L012.4G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32×15.2mm，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：

NRF24L01

NRF24L011

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（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）以及128BYTES随机数据存储器的低电压、高性能CMOS8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3.2AT89C51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-SR501

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3.0V~5.5V

（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3.5DS18B20引脚图图3.6DS18B20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。

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2.5V±5%、3.0V±5%或3.3V±5%，逻辑接口VDDIO供电为1.8V±5%（MPU6000仅用VDD）。

图3.7MPU6050模块实物图图3.8MPU6050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nRF24L012.4G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lMb/s或2Mb/s。

4　SPI速率为0Mb/s～10Mb/s2。

5　QFN20引脚4mm×4mm封装。

6　供电电压为1.9V～3.6V。

图3.9nRF24L01模块封装引脚图图3.10nRF24L01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3.11USB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3.14LCD1602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3.17DS18B20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3.19HC-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3.21MQ-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3.23MPU6050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。

◆DS18B20的初始化：

图4.2DS18B20初始化流程图

初始化程序：

voidds1820rst（）

{ unsignedcharx=0;

DQ=1;

delay_18B20（6）;

DQ=0;

delay_18B20（600）;

DQ=1;

delay_18B20（30）;

}

◆向DS18B20写数据:

图4.3向DS18B20写数据流程图

向DS18B20写数据程序：

voidds1820wr（ucharwdata）

{unsignedchari=0;

for（i=8;i>0;i--）

{DQ=0;

DQ=wdata&0x01;

delay_18B20（10）;

DQ=1;

wdata>>=1;

}

◆从DS18B20读数据：

图4.4从DS18B20读数据

程序：

uchards1820rd（）

{unsignedchari=0;

unsignedchardat=0;

for（i=8;i>0;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。