传感器课程设计报告智能家居监控系统设计大学毕业设计论文.docx

1、传感器课程设计报告智能家居监控系统设计大学毕业设计论文 电气工程学院传感器课程设计报告班 级： 电132 姓 名： 袁吉收 学 号： 1312021047 设计题目： 智能家居监控系统设计 设计时间： 2015.12.2212.28 评定成绩： 评定教师： 摘要 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、TGS813气敏传感器、UD-02感烟传感器数据.并通过LCD1602来显示当前的状态。关键字：AT89c51、DS18B20、TGS813、UD-02、LCD1602一、题目要求1.1 题目介绍1.2 模块分解 二、 方案设计2.1 方案介

2、绍三、硬件设计 3.1硬件原理图 四、软件设计4.1时序图五、设计总结六、参考文献附件：程序代码一、题目要求1.1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。要求（1）用Protel画出设计原理图； （2）采用Quaters II、Maxplus II、multisim（EWB

3、）、pspice、Proteus中的一种或几种软件，完成系统电路图部分或全部仿真，在设计说明书中体现仿真结果； （3）写设计说明书；1.2模块分解1. 温度检测：采用DS18B20温度传感器。2. 煤气泄漏检测：气敏传感器TGS813来检测空气中的可燃性气体。3. 烟雾检测：UD-02离子感烟传感器检测空气中烟雾。二、方案设计 2.1方案设计及选择在实际设计中我们要考虑的因素有很多，比如成本最低、性价比最高、性能最优、功能最强、界面最友好等等。而本次课设我采用了性价比最高的方案（首先能实现基本功能）。选用了DS18B20、TGS813、UD-02、LCD1602模块实现本次设计。基于AT89c

4、51的智能家居系统设计 智能家居是人们的一种居住环境，其以住宅为平台安装有智能家居系统，实现家庭生活更加安全，节能，智能，便利和舒适。以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、 智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术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。又称智能住宅，在国外常用Smart Home表示。与智能家居含义近似的有家庭自动化（Home Automation）、电子家庭（Electronic Home、E-home）、数字家园（Digital Family）、家庭

5、网络（Home Net/Networks for Home）、网络家居（Network Home）、智能家庭/建筑（Intelligent Home/Building），在我国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。智能家居系统让您轻松享受生活。出门在外，您可以通过电话、电脑来远程遥控您的家居各智能系统，例如在回家的路上提前打开家中的空调和热水器；到家开门时，借助门磁或红外传感器，系统会自动打开过道灯，同时打开电子门锁，安防撤防，开启家中的照明灯具和窗帘迎接您的归来；回到家里，使用遥控器您可以方便地控制房间内各种电器设备，可以通过智能化照明系统选择预设的灯光场景，读书时营造书房舒适的安

6、静；卧室里营造浪漫的灯光氛围这一切，主人都可以安坐在沙发上从容操作，一个控制器可以遥控家里的一切，比如拉窗帘，给浴池放水并自动加热调节水温，调整窗帘、灯光、音响的状态；厨房配有可视电话，您可以一边做饭，一边接打电话或查看门口的来访者；在公司上班时，家里的情况还可以显示在办公室的电脑或手机上，随时查看；门口机具有拍照留影功能，家中无人时如果有来访者，系统会拍下照片供您回来查询。2.1.1DS18B20的原理 DS18B20的特点:DS18B20 单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：( 1 )采用单总线的接口方式 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20

7、的双向通讯。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。( 2 )测量温度范围宽，测量精度高 DS18B20 的测量范围为 -55 + 125 ; 在 -10+ 85C范围内，精度为 0.5C 。( 3 )在使用中不需要任何外围元件。( 4 )持多点组网功能 多个 DS18B20 可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。( 5 )供电方式灵活 DS18B20 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。( 6 )

8、测量参数可配置 DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定 912 位。( 7 ) 负压特性电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。( 8 )掉电保护功能 DS18B20 内部含有 EEPROM ，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。DS18B20 具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此也就被设计者们所青睐。DS18B20管脚排列：1. GND为电源地;2. DQ为数字信号输入/输出端;3. VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)DS18B20 单线通信：DS18B20 单

9、线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，如果出现序列混乱， 1-WIRE 器件将不响应主机，因此读写时序很重要。系统对 DS18B20 的各种操作必须按协议进行。根据 DS18B20 的协议规定，微控制器控制 DS18B20 完成温度的转换必须经过以下 3个步骤 ：(1)每次读写前对 DS18B20 进行复位初始化。复位要求主 CPU 将数据线下拉 500us ，然后释放， DS18B20 收到信号后等待 16us60us 左右，然后发出60us240us 的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号后表示复位成功。(2)发送一条 ROM 指令(3)发送存储器指令具体操作举例：现在我们要做的是让D

10、S18B20进行一次温度的转换，那具体的操作就是：1、主机先作个复位操作，2、主机再写跳过ROM的操作(CCH)命令，3、然后主机接着写个转换温度的操作命令，后面释放总线至少一秒，让DS18B20完成转换的操作。在这里要注意的是每个命令字节在写的时候都是低字节先写，例如CCH的二进制为11001100，在写到总线上时要从低位开始写，写的顺序是“零、零、壹、壹、零、零、壹、壹”。整个操作的总线状态如下图。读取RAM内的温度数据。同样，这个操作也要接照三个步骤。1、主机发出复位操作并接收DS18B20的应答(存在)脉冲。2、主机发出跳过对ROM操作的命令(CCH)。3、主机发出读取RAM的命令(B

11、EH)，随后主机依次读取DS18B20发出的从第0一第8，共九个字节的数据。如果只想读取温度数据，那在读完第0和第1个数据后就不再理会后面DS18B20发出的数据即可。同样读取数据也是低位在前的。整个操作的总线状态如下图：2.1.2TGS813的工作原理 下图为TGS813的内部结构，TGS813共有6个引脚，其中引脚1和引脚3短路后接回路电压；引脚4和引脚6短接后接回路电压；引脚4和引脚6短接后作为传感器的信号输出端；引脚2和引脚5为传感器的加热丝的两端，外接加热丝电压。TGS813传感器需要施加两个电压：加热器电压Vh和回路电压Vc。Vh用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施加

12、在集成的加热器上。Vc则是用于测定与传感器串联的负载电阻Rl上的两端电压Vrl。只要能满足传感器的电器特性要求，Vc和Vh 可以共用一路电源。为了使敏感素子的功耗 低于15mW的限度值，需要选择适当的RL向左转|向右转值。 基于气敏传感器TGS813的家用可燃气体泄漏报警通风装置的方案。该设计的系统利用TGS813对可燃性气体进行监测，当气体浓度超标时，传感器输出的电压信号将大于设定电压，比较器比较之后正向输出，经过功率放大，最后驱动音响报警电路及排气装置。该设计具有线路简单、成本低、操作方便等优点。为了补偿温度和湿度对传感器特性的影响，同时为了获得更高的精度，故使用热敏电阻或湿敏传感器对电路

13、进行补偿。该设计的传感器电路及温度补偿电路如图3所示。 2.1.3UD-02离子传感器 原理：在20左右的摄氏度条件、清洁空气下，收集电极的平衡电位为5伏到5.6伏；有烟雾是，电位变化可达1.11.2V。极间电容4PF，AM241放射源为0.810.99uCi；器件重量12g，主要结构材料为不锈钢和塑料。用电加热器加热到440480摄氏度时，对不同材料所产生的烟雾，其集电极电位变化1.0V是的灵敏度如表所示：燃烧材料烟雾含量mg/阴暗度%硅橡胶261.0乙烯基材料291.1纸烟纸烟11532.1.4显示屏的选择 一般来说，应用于显示屏的LED发光材料有以下几种形式： LED发光灯（或称单灯）

14、一般由单个LED晶片，反光杯，金属阳极，金属阴极构成，外包具有透光聚光能力的环氧树脂外壳。可用一个或多个（不同颜色的）单灯构成一个基本像素，由于亮度高，多用于户外显示屏。 LED点阵模块 由若干晶片构成发光矩阵，用环氧树脂封装于塑料壳内。适合行列扫描驱动，容易构成高密度的显示屏，多用于户内显示屏。 贴片式LED发光灯（或称SMD LED） 就是LED发光灯的贴焊形式的封装，可用于户内全彩色显示屏，可实现单点维护，有效克服马赛克现象。 LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、大型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的

15、发展前景极为广阔，正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。LED显示屏广泛应用2 在体育场馆、商业应用、银行、证劵、邮政、码头、商场、车站、邮政、电讯、机关、监控、学校、餐厅、酒店、娱乐、等不同户外场所的广告宣传。就本次课程设计来说LCD1602、12864、LCD5110都是可以选择的，我们着重比较他们的价格。芯片LCD1602LCD12864LCD5110价格（元）52350+稳定性稳定稳定稳定可靠性可靠可靠可靠这就是选择LCD1602的原因602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：GND为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶

16、显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，以51为例的简单原理图低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。特性3.3V或5V工作电压，对比度可调内含复位电路提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标

17、闪烁、显示移位等多种功能有80字节显示数据存储器DDRAM内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM特征应用微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。操作控制注：关于E=H脉冲开始时初始化E为0，然后置E为1。字符集1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出

18、来，我们就能看到字母“A”。在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如A。因为CGROM储存的字符代码与我们PC中的字符代码是基本一致的，因此我们在向DDRAM写C51字符代码程序时甚至可以直接用P1=A这样的方法。PC在编译时就把A先转换为41H代码了。CGROM中字符码与字符字模关系对照表字符代码0x000x0F为用户自定义的字符图形RAM(对于5X8点阵的字符，可以存放8组，5X10点阵的字符，存放4组)，就是CGRAM了。0x200x7F为标准的ASCII码，0xA00xFF为日文字符和希腊文字符，其余字符码(0x100x1F及0x800x9F)没有定义。以下是1602的16进制A

19、SCII码表地址：读的时候，先读上面那行，再读左边那列，如：感叹号！的ASCII为0x21，字母B的ASCII为0x42（前面加0x表示十六进制）。指令集指令码功能令:RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0说明清显示0000000001将DDRAM填满20H,并且设定DDRAM的地址计数器(AC)到00H归位000000001*设定DDRAM的地址计数器(AC)到00H,并且将游标移到开头原点位置;这个指令不改变DDRAM 的内容显示开关控制指令0000001DCBD=1: 整体显示 ON，C=1: 游标ON，B=1:游标位置反白允许进入模式设置指令00000001I/DSI/D=1，光标

20、或闪烁向右移动，AC增加1。I/D=0，光标或闪烁向左移动，AC减少1，S整个显示移动光标或显示移位指令000001S/CR/L*光标或显示移位指令可使光标或显示在没有读写数据的情况下，向左或向右移动,指令不改变DDRAM 的内容功能设定00001DLNF*DL=0/1：4/8位数据,N=0/1,单行/双行显示,F=0/1,5*8/5*10点阵显示模式设置CGRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0CGRAM地址设置指令设置CGRAM地址指针,设定DDRAM地址0010AC5AC4AC3AC2AC1AC0DDRAM地址设置指令设置DDRAM地址。一行地址范围00H4FH,两行DD

21、RAM地址第一行00H27H，第二行40H67H,加上高2位，一行：80HA7H，二行：C0HE7H读忙标志和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0BF：忙标志位,BF=1，模块正在进行内部操作，此时模块不接受任何外部指令和数据。BF=0，模块可以接受外部的指令和数据;同时可以读出地址计数器(AC)的值。写RAM指令10D7D6D5D4D3D2D1D0将数据D7-D0写入到内部的RAM (DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM),将用户自定义的字符写入CGRAM中，D7D5为000，D4D0为5点的字模数据读RAM指令11D7D6D5D4D3D2D1D0从内部RAM读取数据

22、D7D0(DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM)三、硬件设计（protell和proteus仿真)原理图：温度和感烟部分pcb板protues仿真：四、软件设计声明：软件设计只实现了温度检测。proteus也只仿真了这部分4.1LCD部分时序图LCD1602的时序图解释不同公司生产的1602液晶的时序图差不多都一样，所以MCU控制程序也差不多，一般都是通用的。下面来看一下它的时序图 五、设计总结 本次传感器课程设计-基于智能家居涵盖了温度检测，燃气泄漏，和火灾报警系统，基本上达到题目要求。遇到了许多问题：1. Protell里面好多的封装找不到，我都是自己画的。2. 好多传感器不了解其用

23、法，也不知道参数的实际选择。3. 对单片机软件编写不够熟练 当然主要还是学到了很多东西：1. 了解了各种传感器的应用，更深刻的理解了各种传感器的用法。2. 了解了智能家居的发展历史和前景。3. 对传感器参数有了跟进一步的认识和经验。4. 对单片机系统也有了进一步的掌握。六、参考文献【1】Atmel公司AT89C51用户手册【2】周润景，张丽娜.PROTEUS入门教程.北京：机械工业出版社，2007【3】Keil Software公司。Keil uvision4用户手册。【4】张丽娜，刘美玲，姜新华。51系统开发与实践.北京航空航天大学出版社【5】自动检测技术与仪表控制系统.化学出版社附件代码如

24、下#include #include #define DATA P1 /1602驱动端口/ROM操作命令#define READ_ROM 0x33 /读ROM #define SKIP_ROM 0xCC /跳过ROM #define MATCH_ROM 0x55 /匹配ROM #define SEARCH_ROM 0xF0 /搜索ROM #define ALARM_SEARCH 0xEC /告警搜索/存储器操作命令#define ANEW_MOVE 0xB8 /重新调出E2数据#define READ_POWER 0xB4 /读电源#define TEMP_SWITCH 0x44 /启动温度变

25、换 #define READ_MEMORY 0xBE /读暂存存储器#define COPY_MEMORY 0x48 /复制暂存存储器#define WRITE_MEMORY 0x4E /写暂存存储器/数据存储结构typedef struct tagTempData unsigned char btThird; /百位数据 unsigned char btSecond; /十位数据 unsigned char btFirst; /个位数据 unsigned char btDecimal; /小数点后一位数据 unsigned char btNegative; /是否为负数 TEMPDATA;T

26、EMPDATA m_TempData;/引脚定义sbit DQ = P27; /数据线端口sbit RS= P20;sbit RW= P21;sbit E= P22;/DS18B20序列号,通过调用GetROMSequence()函数在P1口读出(读8次)const unsigned char code ROMData18 = 0x28, 0x33, 0xC5, 0xB8, 0x00, 0x00, 0x00, 0xD7; /U1const unsigned char code ROMData28 = 0x28, 0x30, 0xC5, 0xB8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x8E;

27、 /U2const unsigned char code ROMData38 = 0x28, 0x31, 0xC5, 0xB8, 0x00, 0x00, 0x00, 0xB9; /U3const unsigned char code ROMData48 = 0x28, 0x32, 0xC5, 0xB8, 0x00, 0x00, 0x00, 0xE0; /U4const unsigned char code ROMData58 = 0x28, 0x34, 0xC5, 0xB8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x52; /U5const unsigned char code ROMData

28、68 = 0x28, 0x35, 0xC5, 0xB8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x65; /U6const unsigned char code ROMData78 = 0x28, 0x36, 0xC5, 0xB8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x3C; /U7const unsigned char code ROMData88 = 0x28, 0x37, 0xC5, 0xB8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x0B; /U8/判断忙指令void Busy() DATA = 0xff; RS = 0; RW = 1; while(DATA & 0x80) E

29、= 0; E = 1; E = 0;/写指令程序void WriteCommand(unsigned char btCommand) Busy(); RS = 0; RW = 0; E = 1; DATA = btCommand; E = 0;/写数据程序void WriteData(unsigned char btData) Busy(); RS = 1; RW = 0; E = 1; DATA = btData; E = 0;/清屏显示void Clear() WriteCommand(1);/初始化void Init() WriteCommand(0x0c); /开显示,无光标显示 WriteCommand(0x06); /文字不动，光标自动右移 WriteComma