第一组CAD课程设计初稿Word格式.docx

1、6 小结 12参考文献 13附录 13附1 部分源代码 13附2 部分模块原理图 17附3 所用主要元器件列表 18基于单片机的智能家居硬件系统设计摘要物联网技术的兴起与发展，不仅改变了我们的工作方式，也逐渐改变了我们的生活方式。不仅要求办公自动化、智能化也要求家居生活逐渐的变得智能化，智能家居就是这样产生的。智能家居就是利用计算机、嵌入式系统和网络通信技术将各种设施和网络连接起来对家居环境进行自动化的监测，对家居设备进行自动化的控制。本课程设计是基于单片机的智能家居系统的硬件设计，采用arduino单片机作为主控芯片，控制火焰传感器、人体感应传感器、光线传感器等智能化传感器来监测家居系统中的

2、环境因素，同时利用传感器采集到的数据反馈给步进电机等控制装置，对家居设备进行自动化控制，实现集环境监测与自动化控制于一体的智能家居硬件系统。关键字：智能家居；硬件系统；arduino单片机；传感器；1 设计要求1.1课程设计目的本课程设计旨在设计一个集环境监测、自动化控制于一体的智能家居硬件系统，通过对该硬件系统的设计，熟悉和了解硬件系统的设计流程，加深对单片机理论课的学习，提高动手实践及熟练运用所学理论知识的能力；同时通过对智能家居系统的设计加深对物联网的理解，提高专业素养。1.2课程设计任务（1） 掌握硬件系统设计的基本流程；（2） 学会arduino单片机的简单使用及熟悉其编程、烧录环境

3、；（3） 掌握相关数字传感器及模拟传感器的工作原理及编程； （4） 利用arduino单片机及相关传感器设备制作智能家居硬件系统。2 智能家居的发展2.1智能家居发展近况智能家居作为一个新生产业，处于一个导入期与成长期的临界点，市场消费观念还未形成，但随着智能家居市场推广普及的进一步落实，培育起消费者的使用习惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景广阔。正因为如此，国内优秀的智能家居生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究，一大批国内优秀的智能家居品牌迅速崛起，逐渐成为智能家居产业中的翘楚。智能家居至今在中国已经历了近12年的发展，从人们最初

4、的梦想，到今天真实的走进我们的生活，经历了一个较长的发展过程。2.2智能家居发展趋势相关预测显示，到2015年，全球智能家居市场规模将达1240亿美元。为此，众多智能家居集成商都在竞相发力抢占市场商机。由于政策、市场等条件的支持，智能家居行业发展前景备受看好。同时，物联网是国家重点发展战略，在国内掀起一股发展大潮，智能家居作为物联网在家庭中的典型应用，倡导了一种健康舒适、快捷便利、低碳节能的生活方式，带动了家装、房地产等多个相关联产业的发展，自然受到国家的高度重视和人们的欢迎。因此，智能家居的发展可以说是社会发展的必然趋势，智能家居也必将是非常具有市场前景的一个产业。3系统设计概述3.1系统功

5、能简介本系统利用arduino单片机控制火焰传感器、人体感应传感器、光线传感器及步进电机等设备对家居环境中的火焰、光照、人体活动情况进行监测，当检测到异常状况时，利用单片机控制蜂鸣器进行异常报警，同时单片机利用传感器采集的数据还能控制步进电机工作。其中火焰传感器为数字量输出传感器当检测到火焰时，向单片机I/O口传送低电平；人体感应传感器也是数字量输出传感器，当监测到活动的人体时向单片机I/O口传送高电平，人体感应传感器可与光线传感器协调使用，使人体感应传感器只在夜晚工作；步进电机也可与光线传感器协调使用，用来控制窗帘等设备。3.2系统设计框图下图为系统设计框图：图3-1系统设计框图3.3程序设

6、计流程图下图所示为系统程序设计流程图： 4 硬件系统设计简介4.1 arduino单片机简介如下图所示为本课程设计所使用arduino单片机的实物图，arduino单片机版本众多，本课程设计使用的是arduino UNO，下面对arduino UNO进行简单介绍。图4-1 arduino单品机实物图4.1.1相关参数 处理器 ATmega328 工作电压 5V 输入电压（推荐） 7-12V 输入电压（范围） 6-20V 数字IO脚 14 （其中6路作为PWM输出） 模拟输入脚 6 IO脚直流电流 40 mA 3.3V脚直流电流 50 mA Flash Memory 32 KB （ATmega3

7、28，其中0.5 KB 用于 bootloader） SRAM 2 KB （ATmega328） EEPROM 1 KB （ATmega328） 工作时钟 16 MHz4.1.2 供电方式Arduino UNO可以通过3种方式供电，而且能自动选择供电方式 外部直流电源通过电源插座供电。 电池连接电源连接器的GND和VIN引脚。 USB接口直接供电。电源引脚说明 VIN - 当外部直流电源接入电源插座时，可以通过VIN向外部供电；也可以通过引 脚向UNO直接供电；VIN有电时将忽略从USB或者其他引脚接入的电源。 5V - 通过稳压器或USB的5V电压，为UNO上的5V芯片供电。 3.3V -

8、通过稳压器产生的3.3V电压，最大驱动电流50mA。 GND - 地脚。4.1.3 输入输出口简介1. 14路数字输入输出口：工作电压为5V，每一路能输出和接入的最大电流为40mA。每一路配置了20-50K欧姆内部上拉电阻（默认不连接）。除此之外，有些引脚有特定的功能： 串口信号RX（0号）、TX（1号）: 与内部 ATmega8U2 USB-to-TTL 芯片相连，提供TTL电压水平的串口接收信号。 外部中断（2号和3号）：触发中断引脚，可设成上升沿、下降沿或同时触发。 脉冲宽度调制PWM（3、5、6、9、10 、11）：提供6路8位PWM输出。 SPI（10（SS），11（MOSI），12

9、（MISO），13（SCK）：SPI通信接口。 LED（13号）：Arduino专门用于测试LED的保留接口，输出为高时点亮LED，反之输出为低时LED熄灭。2. 6路模拟输入A0到A5：每一路具有10位的分辨率（即输入有1024个不同值），默认输入信号范围为0到5V，可以通过AREF调整输入上限。除此之外，有些引脚有特定功能： AREF：模拟输入信号的参考电压。 Reset：信号为低时复位单片机芯片。4.2 火焰传感器模块简介 图4-2 火焰传感器实物图上图所示即为本课程设计中所用火焰传感器实物图，下面对其进行简单介绍4.2.1 工作原理火焰是由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及

10、无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但总体来说，其对应火焰温度的近红外波长域及紫外光域具有很大的辐射强度,根据这种特性可制成火焰传感器。4.2.2 模块特色1、可以检测火焰或者波长在760纳米1100纳米范围内的光源，打火机测试火焰距离为80cm，对火焰越大，测试距离越远。2、探测角度60度左右，对火焰光谱特别灵敏。3、灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节）。4、比较器输出信号干净、波形好，驱动能力强，超过15mA。5、配可调精密电位器调节灵敏度。6、工作电压3.3V-5V。7、输出形式 ：DO数

11、字开关量输出（0和1）和AO模拟电压输出。8、设有固定螺栓孔，方便安装。9、小板PCB尺寸：3.2cm x 1.4cm。10、使用宽电压LM393比较器。4.2.3 模块使用说明1 、火焰传感器对火焰最敏感，对普通光也是有反应的，一般用做火焰报警等用途。2、 小板输出接口可以与单片机IO口直接相连。3、 传感器与火焰要保持一定距离，以免高温损坏传感器，对打火机测试火焰距离为80cm，火焰越大，测试距离越远。4.3 HC-SR501人体感应模块简介图4-3 HC-SR501模块实物图4.3.1 电气参数表4-1 HCSR501模块电气参数4.3.2 功能特点1、全自动感应:人进入其感应范围则输出

12、高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。2、光敏控制（可选择，出厂时未设）可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。3、温度补偿（可选择，出厂时未设）：在夏天当环境温度升高至 3032，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。4、 两种触发方式：（可跳线选择）a、不可重复触发方式:即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；b、可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段， 并且以最后一次活动的时间为延

13、时时间的起始点）。5、具有感应封锁时间（默认设置:2.5S 封锁时间）：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段， 在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。（此时间可设置在零点几秒-几十秒）。6、 工作电压范围宽：默认工作电压 DC4.5V-20V。7、 微功耗:静态电流 800） /ADBuffer值大于设定值，相当于光照强度小于设定值 digitalWrite（LED,HIGH）; /点亮LED digitalWrite（LE

14、D,LOW）; /关闭LED delay（500）; /延时500ms4、步进电机程序#include #define A1 2 /引脚命名#define B1 3#define C1 4#define D1 5 pinMode（A1,OUTPUT）; /设置引脚为输出引脚 pinMode（B1,OUTPUT）; pinMode（C1,OUTPUT）; pinMode（D1,OUTPUT）; Phase_A（）; /设置A相位 delay（10）; /改变延时可改变旋转速度 Phase_B（）; /设置B相位 Phase_C（）; /设置C相位 Phase_D（）; /设置D相位 phase_

15、E（）; phase_F（）; phase_G（）; phase_H（）;void Phase_A（） digitalWrite（A1,HIGH）; /A1引脚高电平 digitalWrite（B1,LOW）; digitalWrite（C1,LOW）; digitalWrite（D1,LOW）;void Phase_B（） digitalWrite（A1,LOW）; digitalWrite（B1,HIGH）; /B1引脚高电平 void Phase_C（） digitalWrite（C1,HIGH）; /C1引脚高电平 void Phase_D（） digitalWrite（D1,HIGH）; /D1引脚高电平 void Phase_E（）void Phase_F（） /B1引脚高电平 void Phase_G（） /A1引脚高电平 void Phase_H（）附2 部分模块原理图1、火焰传感器模块电路图2、HCSR501模块感应范围图3、步进电机时序图附3 所用主要元器件列表序号元器件数量1Arduino主板2火焰传感器模块3HCSR501模块4达林顿管5步进电机6光敏电阻7蜂鸣器8LED灯9面板版10面包线若干11供电电源模块12下载线1310K电阻