智能家居监控专业系统设计.docx

电气工程学院

传感器课程设计汇报

班 级： 自133
姓 名： 王高飞
学 号： 131076

设计题目： 智能家居监控系统设计
设计时间： .6.20~6.24

评定成绩：
评定老师：

【摘要】智能家居以住宅为平台，将建筑、网络通信、信息家电、管理融为一体高效、舒适、安全、便利、环境保护家居环境。智能家居是一个多功效系统，包含家庭内部安全防范、家居布线系统、家电控制、远程视频监控系统等。家居智能化设计包含传感器检测，信号传输，结果处理等。但现在仍未普及，而且现在智能家居国际标准未成热，所以智能家居监控系统仍然存在宽广发展空间。本文设计智能家居系统以AT89C51单片机为关键控制单元，实时获取DS18B20温度传感器、MQ-2煤气（烟雾）传感器、HC-SR501人体红外线传感器数据，并经过LCD1602来显示目前状态。除此之外，本文还设计了基于新型MEMS传感器老年人跌倒监测系统。

【关键词】智能家居、AT89C51、MQ-2、HC-SR501、LCD1602、MPU6050

目 录

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. 关键器件介绍 11
3.1.1. AT89C51介绍 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. 无线通讯和稳压单元 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. 仿真不足 31
5.4. 方案改善 32
6. 设计总结 33
参考文件.....................................................................................................................34

1. 设计要求
1.1. 设计题目：智能家居监控系统设计
以提升家居生活安全性、舒适度、人性化为目标，设计智能家居监控
系统。利用所学传感器和检测技术知识，实现家居温度、煤气泄漏、外人闯进、火灾（烟雾）检测（以上检测项目必做。在此基础上增加检测项目并含有可行性，加分。除环境监测项目外，也可增加人体信号检测等。）。各检测节点可经过无线方法连接到主机，检测到危险信号后，主机可采取声光报警或远程报警。
1.2. 设计要求分析
假如要实现以上功效，进行以下功效分解：
①　 对室内4个地点（如卧室、客厅等）温度检测，满足自动控制温度要求。
②　 对室内空气中煤气、烟雾含量进行监控，一旦超出所设定值，则报警装置开启，警示灯亮。
③　 设计预防外人侵入模块，采取红外线人体感应传感器，一旦有些人进入监测范围内，则报警装置开启，警示灯亮。
④　 除满足以上基础要求外，另采取MPU6050加速度传感器对室内老人跌倒情况进行监测，一旦老人跌倒，自动装置会报警，并通知家眷及门卫，立即采取方法。
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是一个带4K字节FLASH存放器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）和128 BYTES随机数据存放器低电压、高性能CMOS 8位微处理器。内置功效强大微型计算机AT89C51提供了高性价比处理方案。

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年开始推向市场一个16位超低功耗、含有精简指令集（RISC）混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。其含有 处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点，所以在很多单片机领域全部得到广泛应用。
AT89C51相对于MSP430即使存放容量小，功效较为逊色。不过出于我对AT89C51单片机较为熟悉，而且AT89C51足以满足此次设计任务，所以我选择AT89C51模块。一下全部模块单元中，全部采取AT89C51作为微控制器。
2.1.2. 温度检测模块
方案一：经过使用PCF8591芯片，首先检测多组热敏电阻电压和温度对应关系，经过MATLAB或excel列表绘图拟合出热敏电阻电压和温度对应函数关系，进而经过编写程序得出通常情况，即在任意对应电压下全部有对应温度。使之显示在LCD1602液晶显示器上。

方案二：经过使用芯片直接将检测热敏电阻电压数据（数字量）传入至AT89C52单片机中，经过多组测量找到温度和电压对应关系，最终确定一个函数关系式，并经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：采取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最大特点之一采取了单总线数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器AT89C51组成温度装置，它直接输出温度数字信号到控制器。每只DS18B20含有一个独有不可修改64位序列号，依据序列号可访问不一样器件。这么一条总线上可挂接多个DS18B20传感器，实现多点温度测量，轻松组件传感网络。
综上，DS18B20相较于前两种方案含有很多优势：
①　 DS18B20采取数字量输出，能够直接连接到单片机I/O口上，而不需要D/A转换电路。
②　 多个DS18B20能够挂靠在同一条总线上，能够轻松组件传感网络。
③　 DS18B20相较于热敏电阻愈加灵敏，分辨率更高。
所以，本文采取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：采取电离式烟雾传感器NAP-07。此传感器依据计算机模拟最好性能设计单元式结构，此电离室专用于烟感探测器。其全部材料采取高耐腐蚀材料，安全性能达成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：采取气MQ-2型烟雾传感器，它是由二氧化锡半导体气敏材料组成，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氧，形成氧负离子吸附，使半导体中电子密度降低，从而使其电阻值增加。当和烟雾接触时，假如晶粒间界处势垒受到该烟雾调制而改变，就会引发表面电导率改变。利用这一点就能够取得这种烟雾存在信息。

本文采取方案二中MQ-2型烟雾传感器。首先它能够同时检测煤气和烟雾，能够同时满足设计中两项要求，这么选择能够节省成本，简化电路。其次，MQ-2相较于NAP-07愈加流行，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
本模块传感器采取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
本模块传感器采取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轴加速度计和一个可扩展数字运动处理器DMP，可用IIC接口连接一个第三方数字传感器。扩展以后就能够经过其IIC或SPI接口输出一个6轴信号。
MPU-6000（6050）角速度全格感测范围为±250、±500、±1000和±°/sec (dps)，可正确追踪快速和慢速动作，而且，用户可程式控制加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g和±16g。产品传输可透过最高至400kHzIC或最高达20MHzSPI（MPU-6050没有SPI）。MPU-6000可在不一样电压下工作，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：采取蓝牙技术。蓝牙技术关键分为BT3.0+HS和4.0版本中加入BLE标准。在轻家居领域，关键讨论BLE部分。低功耗蓝牙技术是低成本，远距离，可互操作鲁棒性无线技术，工作在2.4G频段。BLE采取可变连接时间间隔，几毫米到几秒，利用快速连接方法，拥有极低运行好待机功耗。

方案二：采取nRF24L01无线模块。nRF24L01无线模块是采取挪威NORDIC企业nRF24L01 2.4G无线收发IC设计一款高性能 2.4G无线收发模块，采取GFSK调制，工作在2400-2483M国际通用ISM频段，最高调制速度可达2MBPS。Nrf24L01无线模块集成了全部频射协议在高速信号处理部分。模块大小32×15.2mm，2.54mm间距双排插针接口，使用内置PCB天线设计，开阔地1MBPS速率下，收发10个字节数据量测试距离最远约为70M左右。

因为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，使其不太适适用于要求低成本、低功耗工业控制和将网络，并制约其深入发展和大规模应用。相反，nRF24L01在本设计中含有低成本、稳定显著特点，而且本人对nRF24L01相对了解些，故本文采取nRF24L01无线模块作为各模块和主机进行通讯工具。

2.2. 方案设计
综上，系统总体框图以下：

NRF24L01
NRF24L01

主机

NRF24L01
NRF24L011

入侵检测模块
烟雾、煤气检测模块
老人跌倒检测模块
温度检测模块

图2.1 系统结构图

各个模块之间相互独立，共同和主机进行通讯。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. 关键器件介绍
3.1.1. AT89C51介绍
AT89C51是一个带4K字节FLASH存放器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）和128 BYTES随机数据存放器低电压、高性能CMOS 8位微处理器。内置功效强大微型计算机AT89C51提供了高性价比处理方案。
AT89C51 提供以下标准功效：4k 字节Flash 闪速存放器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中止结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器立即钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选节电工作模式。空闲方法停止CPU工作，但许可RAM，定时/计数器，串行通信口及中止系统继续工作。掉电方法保留RAM中内容，但振荡器停止工作并严禁其它全部部件工作直到下一个硬件复位。实物图及引脚排列以下：

图3.1 AT89C51实物图

图3.2 AT89C51引脚图
3.1.2. 煤气、烟雾传感器MQ-2
本文才用烟雾传感器为MQ-2烟雾传感器。在NRF24L02网络中负责采集室内烟雾信息，一旦烟雾值超出预定值，将触发蜂鸣器报警。其引脚图和实物图图4-23所表示：

烟雾传感器
模块
VCC
GND
D0
A0

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，不然为低电平
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
可采取DS18B20作为测温元件，来测量室内温度。其特征以下：
（1） 单总线接口，仅需要个引脚和单片机进行通信。
（2） 多个DS18B20均可挂在单总线上，实现多点测温功效。
（3） 可经过数据线供电，电压范围为3.0V~5.5V
（4） 温度以9或12位数字读数方法
（5） 用户可定义报警设置
（6） 报警搜素命令识别并标志超出程序限定温度（温度报警条件）器件
（7） 负电压特征，电源极性接反时，温度计不会发烧而烧毁，但不能正常工作。
（8） DS18B20采取3引脚PR-35封装或8引脚SOIC封装。

温度传感器模块
VCC
DO
GND

图3.5 DS18B20引脚图 图3.6 DS18B20实物图

3.1.5. 加速度传感器MPU6050
模块传感器采取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轴加速度计和一个可扩展数字运动处理器DMP，可用IIC接口连接一个第三方数字传感器。扩展以后就能够经过其IIC或SPI接口输出一个6轴信号。
MPU-6000（6050）角速度全格感测范围为±250、±500、±1000和±°/sec (dps)，可正确追踪快速和慢速动作，而且，用户可程式控制加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g和±16g。产品传输可透过最高至400kHzIC或最高达20MHzSPI（MPU-6050没有SPI）。MPU-6000可在不一样电压下工作，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3.7 MPU6050模块实物图 图3.8 MPU6050引脚图

3.1.6. nRF24L01无线收发模块
①　 nRF24L01无线模块是采取挪威NORDIC企业nRF24L01 2.4G无线收发IC设计一款高性能 2.4G无线收发模块。其关键特色以下：
②　 采取GFSK调制。
③　 数据传输率为l Mb/s或2Mb/s。
④　 SPI速率为0 Mb/s～10 Mb/s2。
⑤　 QFN20引脚4 mm×4 mm封装。
⑥　 供电电压为1.9 V～3.6 V。

图3.9 nRF24L01模块封装引脚图 图3.10 nRF24L01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3.11 USB接口及电源单元原理图

3.2.2. 晶振及复位电路

图3.12 晶振和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3.14 LCD1602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. 无线通讯和稳压单元

图3.16 无线通讯和稳压单元原理图
3.3. 各模块电路原理图
3.3.1. 温度检测模块

图3.17 DS18B20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3.19 HC-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3.21 MQ-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3.23 MPU6050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
申明：软件设计只设计了温度和煤气检测模块，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 温度检测模块步骤图

温度检测模块步骤图图4.1所表示。

u DS18B20初始化：

图4.2 DS18B20初始化步骤图

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);
}

u 向DS18B20写数据:

图4.3 向DS18B20写数据步骤图

向DS18B20写数据程序：

void ds1820wr(uchar wdata)
{unsigned char i=0;
for (i=8; i>0; i--)
{ DQ = 0;
DQ = wdata&0x01;
delay_18B20(10);
DQ = 1;
wdata>>=1;
}
}
u 从DS18B20读数据：

图4.4 从DS18B20读数据
程序：
uchar ds1820rd()
{ unsigned char i=0;
unsigned char dat = 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、烟雾等气体浓度大于设定值时，单片机IO口会输出低电平。
相关程序以下：

#include<reg52.h> //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=P1^0; //定义单片机P1口第1位 （即P1.0）为指示端
sbit DOUT=P2^0; //定义单片机P2口第1位 （即P2.0）为传感器 //输入端
/****************************************************************
延时函数
****************************************************************/
void delay()//延时程序
{
uchar m,n,s;
for(m=20;m>0;m--)
for(n=20;n>0;n--)
for(s=248;s>0;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 ，实施条件函数
{
delay();//延时抗干扰
if(DOUT==0)//确定 浓度高于设定值时 ，实施条件函数
{
LED=0; //点亮P1.0口灯
}
}
}
}
5. 系统仿真
采取Proteus软件对系统进行仿真。
5.1. 温度报警检测模块

图5.1 温度检测报警模块仿真
当4个地点中有一个地点温度超出限定值时，系统会报警（喇叭响、警示灯亮）。
5.2. 煤气、烟雾报警模块

图5.2 煤气、烟雾报警模块仿真
因为Proteus软件中并没有MQ-2传感器，故采取滑动变阻器替换MQ-2传感器来对电路进行仿真。
当MQ-2传感器检测到室内煤气、烟雾等气体浓度大于所设定值时，报警电路开启（喇叭响。）

5.3. 仿真不足
软件仿真和实际验证有很大不一样。软件仿真是将元器件、导线等理想化了，不会犯错，而实际电路走线布线、元器件、工作环境（如温度、湿度等）对电路运行全部是有影响，只是影响大小不一样而已，甚至期间因为受到影响而直接损坏，这些全部是在软件仿真时不可能碰到。除此之外，同一型号元器件，不一样厂家，甚至是同一厂家不一样批次生产出来元器件全部多少有些差异，而这些差异全部有可能使硬件运行失败。最直观例子就是：我在调试过程中，在Proteus上完美运行程序，烧写进试验板以后现实效果就没有了。根本看不见温度显示。最终经过很长时间调试，期间对1602工作时序作了部分调整，我才处理了这个问题，让试验板和仿真实现一样效果。由此看来，仿真不足很大，只有在硬件上实现才能算是真正完成了设计。
5.4. 方案改善
即使此设计已经满足了基础要求，但在满足用户方面还存在部分缺点。如：
nRF24L01无线传输模块有效传输距离在10m以内，倘若距离超出10m，则nRF24L01则无法满足需求。针对此种情况，若采取WiFi无线传输方案（WiFi传输距离通常在20~30m之间），即可处理此问题。因为①此次设计时间有限 ②此方案设计难度较大，本人设计水平不够，使得WiFi无线传输方案落空。

6. 设计总结
即使此次课程设计只连续了不到一周，但我学到东西很多很多。从接到这个题目到现在设计完成，每一步我全部有深刻体会。作为一名工科生，我更喜爱有条理地总结这次设计收获：
①　 首先，此次设计我收获最大就是我知道了：学习《传感器和检测技术》这门课不单单是学会使用传感器就OK了，要能够做到对传感器原理充足了解。
②　 其次，这次设计也培养了我独自完成任务能力。之前课程设计任务全部是多人一组，而这次是一个人一组（必做题）。起初我认为我自己一人完成不了任务，直到最终，我才明白自己确实有独立完成设计能力。
③　 由软件仿真到板子实现基础功效过程，让我明白了软件仿真不足。仿真不能将问题表现出来，不能替换实际。在以后设计任务中，假如条件许可，能用实物实现全部用实物实现。
④　 学习传感器，看懂技术手册很重关键。它是技术人员之间沟通工具，只有完全看懂它，才能顺利完成设计。

参考文件
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