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传感器课程设计智能家居系统设计

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2020年4月19日
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传感器原理及应用
课题研究

课题名称： 智能家居系统
院 系： 机械与电子控制工程学院
专 业： 测控技术与仪器
姓 名：
学 号：
教 师：

目录

一、 引言 - 2 -
二、 温湿度检测系统 - 3 -
（一） SHTll简介 - 3 -
（二） 基于SHTll温湿度传感器的测控系统设计 - 3 -
1． 硬件电路设计 - 3 -
2． 系统软件设计 - 4 -
（三） 小结 - 5 -
三、 燃气泄露报警系统 - 5 -
（一） 传感器的选择 - 5 -
（二） 特点 - 5 -
四、 火灾报警系统 - 6 -
（一） 传感器的选用 - 6 -
（二） 主要电参数 - 7 -
（三） 报警电路图 - 7 -
（四） 电路原理 - 8 -
（五） 数据记录与查询系统 - 8 -
五、 报警系统 - 9 -
1. 蜂鸣器 - 9 -
2. 报警主机 - 9 -
六、 结论 - 10 -
七、 参考文献 - 11 -
八、 致谢 - 11 -

智能家居系统

Xxx,xxx,xxx
（北京交通大学，机电学院，机电xxxx班）

摘要：当前一般把智能家居被定义为利用电脑、网络和综合布线技术，经过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。本文经过设计温湿度检测、燃气泄露检测和火灾报警系统，从预防的角度来讲基本达到了智能家居对于突发情况的要求。经过四种传感器的输出信号，在报警主机中进行简单的编程，使得数据能够及时准确的发向预设的多个单元发送报警信号并能够实时监测。

关键词：智能，家居，温湿度，燃气，火灾，设计

Smart home system

Xxx,xxx,xxx
(Beijing Jiaotong University,School of Mechanical, Electronic and Control engineering,Class xxxx)

Abstract: At present, we used to defining smart home as a system by using computer,internet with integrated wiring technology via the family information management platform and combining all the sub-systems organically.In this paper,by designing temperature and humidity detection system,gas leak detection system and fire alarm system,we basically matched the need of prevention part of the intelligent home furnishing system.By analysing the signal from the four sensor and doing some simple programming on the alarm machine,data can be send both directly and timely to several unit which are preset and it can monitor the condition of the house as well.

keywords: intelligent,home,temperature and humidity,gas,fire hazard,design

一、 引言
智能家居是以住宅为平台，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。本文根据家居需要，选择了适当的传感器设计了三个独立检测的系统，最终由报警主机对于获得的信号进行简要分析并实时传输到各个终端，达到实时监测的目的。
二、 温湿度检测系统
（一） SHTll简介
SHTll为具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换等特点。该传感器的外形及管脚示意图如图1所示。
SHTll传感器默认的测量温度和相对湿度的分辨率分别为14位、12位，经过状态寄存器可降至12位、8位。湿度测量范围是0～100％RH，对于12位的分辨率为0．0300RH；测温范围为一40～+123．8℃，对于14位的分辨率为0．01℃。每个传感器芯片都在极为精确的湿度室中标定，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，在测量过程中可对相对湿度自动校准，使SHTll具有100％的互换性。
其测量原理：首先利用2只传感器分别产生相对湿度、温度的信号；然后经过放大，分别送至A／D转换器进行模数转换、校准和纠错；再经过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至微控器；最后利用微控器完成非线性补偿和温度补偿。
（二） 基于SHTll温湿度传感器的测控系统设计
1． 硬件电路设计
测控系统的硬件电路包括采样电路、键盘显示电路、电源电路和电器驱动电路。测控系统以SM89C51为主机，由SHTll实现温度和湿度的测量。具体电路原理如图所示。SM89C51是台湾新茂(SyncMos)公司生产的8位MCU，内含4 KB FLASH ROM、128 B RAM、扩展I／O，自带看门狗定时器、低EMI、DBANK寻址、片内WDT RC振荡器、PWM等。因此本系统不需要外扩ROM，也不必用外置的看门狗电路。
SM89C51与SHTll连接．只需用2条I／O口线分别作为数据线DATA和时钟线SCK，并在DATA端接入1只上拉电阻，同时在Vcc及GND端接入1只去耦电容，经过相应的软件设计，即可完成数据的采集与传输。显示器件选用南京国显的图形液晶显示模块GXMl2864。它内含KS0108B／HD61202控制器，是一种采用低功耗CMOS技术实现的点阵图形LCD模块，有8位的微处理器接口，经过内部的128×64位映射DDRAM，实现128点、64点大小的平板显示。它的主要功能是分2行同时显示现场节点的温度和湿度。LCD显示模块与单片机的接口电路如图所示。另外，为完成预定值的设置，系统设有4个预设按键，分别为加1键、减1键、设定功能选择键和设定完成确定键。电器驱动电路控制的设备主要包括风机、吸湿机等，可分别采用固态继电器控制工作。经过开关风机或加湿系统的工作状态，实现对测控系统的实时控制。继电器采用交流固态继电SSR(SolidState Releys)HCA2550。交流固态继电器是一种无触点通断电子开关，为四端有源器件，其中两端为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离，作为输入输出之间的电气隔离(浮空)，有效避免电磁干扰。当单片机检测到温度或湿度值超出预设范围时，I／o口P1．2输出控制信号触发继电器启动电器工作，从而实现对相应设备的控制。设计时应注意各个电器不应同时启动，以免冲击电网，这部分工作由软件延时完成。
2． 系统软件设计
系统软件程序基于KEILC 7．0开发平台，采用C51语言编写。该部分程序采用模块化设计方法，主要包括以下几个模块：
3． 主程序初始化
主要完成系统上电后进行定时器和LCD液晶模块、通信电路的初始化，包括关掉TO外的所有中断、设定计数初值等，断开各电器设备的电源，设定各个数据的存储单元地址。初始化完成后，系统将正常运行，并进行键盘扫描及温度的控制等操作。
4． 键盘扫描、显示子程序
提供人机信息交换接口，完成温度的上、下限值的设定与显示功能，并将2个限值存入到固定单元中。
5． 温度测量、控制子程序
微控制器首先发布1个启动传输时序，接着调用写时序发布温度或湿度(取决于入口参数，03H为测量温度，05H为测量湿度)的测量命令，然后延时等待测量的完成。在完成测量后，再调用读时序读回测量结果，进行温湿度的计算，最后将实际温度值存储于固定单元中。SM89C51比较温度预设值和实际值的大小，产生各个电器设备的启停及声光报警信号。
（三） 小结
SHTll是单片集成的数字温湿度传感器，所有信号的调理都在芯片内部完成，采用12C总线实现通信，完成数据和时钟的传输，而且直接输出数字信号。这样不但节省了单片机的I／O口线，而且减少了A／D器件，降低了成本。因此该器件具有极高的性能价格比，在温湿度测量控制系统中的应用前景非常地广阔。基于数字温湿度传感器SHTll的温湿度测控系统电路结构简单、检测准确、稳定性好，实现了对温湿度参数的测量。

三、 燃气泄露报警系统

（一） 传感器的选择
气敏传感器TGS813
（二） 特点
它对氢气、一氧化碳、丙烷、乙醇等一般可燃性气体均有较高的灵敏度；后期电路简单；长寿命、低功耗。

电路电压：〈24V（AC/DC）,工作电压为9V
测量范围：500-10,000ppm
灵敏度（电阻比）：0.55-0.65
加热器电压：5V±0.2V（AC/DC）

（三） 报警电路图

（四） 报警电路的组成
报警电路有电源电路、检测电路、电压比较电路和指示电路四部分组成。
电源电路：220V经降压变压器T后变换为交流9V，经二极管VDI整流、电容C1滤波后输出直流电压，分别供给蜂鸣器和稳压集成电路IC1。9V和隔离二极管VD2为停电时的备用电源。
指示电路：由集成闪烁发生器IC2和发光二极管LED1组成，它指示气敏元件在额定的供电电压下正处于工作状态。当IC1输出电压低于5V时，IC3电压检测器输出低电平，使晶体管VT1截止，从而使IC2停止LED1闪烁来说明供电电压不正常。
检测电路：TGS813和R1组成检测电路。在20℃时，设置甲烷浓度0.5%时为报警点，此时R1压降为2.5V。
电压比较电路：由检测电路TGS813与R1分压输出的电压加到电压比较器IC4的同相端，反相输入端的参考电压由R2/R3/R4/热敏电阻R8共同决定。
当有可燃性气体超量出现时，TGS813的电阻下降，比较器IC4的2脚电压上升，当达到2，5V以上时，IC4输出高电平，晶体管VT2导通，从而激励蜂鸣器发声报警。
四、 火灾报警系统
（一） 传感器的选用
UD-02型离子感烟传感器。
（二） 主要参数

在20±5℃清洁空气条件下，收集电极（即C电极）的平衡电位为5.0～5.6V；有烟雾时，收集电极的电位变化可达1.1～1.2V。极间电容为4PF，AM241放射源为0.81～0.99uCi；器件重量为12g,主要结构材料为不锈钢和塑料。
用电加热器加热到440～480℃时，对不同材料所产生的烟雾，其传感器收集电极电位变化1.0V时的灵敏度见下表所示：
表1 UD—02 型离子感烟传感器对烟雾灵敏度（收集电极电位变化△V＝1.0V）
燃烧材料
烟雾含量（mg/）
阴暗度(%)
硅橡胶
26
1.0
乙烯基材料
29
1.1
纸烟
115
3
过滤纸
40
1.8
棉花
56
2.5
（三） 报警电路图

（四） 电路原理
在无烟幕时VDW导通，VT导通，IC1的adj端与地呈低阻态，输出端Uo较低，不足以使IC2和KA工作。
当发生火灾时，VDW截止，VT截止，LM317的adj端呈高阻态，输出端Uo电压较高。IC2驱动扬声器Y发出报警器，且KA吸合。
KA外接自动灭火装置或切断室内电源。
（五） 数据记录与查询系统

五、 报警系统
（五） 蜂鸣器
蜂鸣器选用宏研公司的SFB-55型报警蜂鸣器。它是一种高声压报警蜂鸣器,其特点是声压电平高.声音急促,紧迫感强,体积小,重量轻,适用于各种报警场所,如:防盗,防火,煤气泄漏,抢险,呼救报警以及需要强提示音的设备等。其参数如下表所示：

型号
SFB-55
额定电压（V）
12
消耗电流（mA）
160
电压范围（V）
8~16
最大功率（W）
12
声音电平（dB）
≥110
工作温度（℃）
-20~+50
储存温度（℃）
-20~+60
重量（g）
80

（六） 报警主机
安尔达 AD-288 GSM双网报警主机
工作电流
≤200mA
工作电压
交流220V
规格
260X225X77（mm）
适用范围
家用、社区、工厂等
型号
AD-288
颜色
浅灰色
音量≥
85dBm
照明功能
无

●8个有线防区（可扩展至16个）+99个无线防区，无线自学习编码，自带编程键盘，操作简便
●大屏幕液晶显示屏，可显示报警状态、报警记录、主机状态、设置状态、时间、日期和星期等信息
●可配置4组遥控器，每组遥控器可单独对报警器进行布防、撤防和紧急情况等操作
●最多能够设置8组用户，每组用户可单独进行布防、撤防等操作
●两组可设置的自动布防/撤防防区
●可与各种无线探测器、无线按钮、各种红外对射和周界配接
●可自动记录近250条的报警、故障、布撤防等事件
●交直流自动转换，自动充电控制，直接低压检测
●可设置6组电话或手机接警号码，2组报警中心号码
●10秒自动报警语音，可设置为单段或分段，报警时自动回放，异地报警现场监听
●布、撤防信息和异地布、撤防信息上传功能
●兼容Contact ID\ANERDA通信格式
●电话掉线自动检测
●报警时可经过GSM网络拨打接警电话或报警中心电话
●报警时向接警手机号码发送警情信息（需运营商支持）
●自动检测电话线路和GSM状态，优先使用电话线路进行报警
应用范围：金融系统、别墅、学校、商店和企业等重要场所安全防范
●报警通讯方式：经过GSM和PSTN电话网拨号传送报警信号
●报警通信协议：ContactID、ANERDA
●防区数量：8个有线防区，可扩展至16个有线防区，99个无线防区
●编程和操作方式:本机键盘
●存储报警电话：6组电话号码，2组中心号码
●报警响应时间：≤0.8秒
●用户密码管理：8个用户、2组定时、4组遥控器
●布撤防方式：遥控器、键盘、异地电话、定时
●事件记录：255次报警、故障、布防、撤防事件
●语音录入：10秒分段或不分段
●无线接收：315MHz（316MHz、远距可选）学习对码
●安装方式：壁挂式
●机箱材料：优质钢板
●产品尺寸：260mm（长）X225mm（宽）X77mm（高），（不含天线超出部分）
●产品净重：2.6kg（不含备用电池）
●电源：交流220V（+10%，-15%）@50Hz
●备用电池：12V/4AH或12V/7AH免维护蓄电池
●保险装置额定电流：500mA
●待机电流：30mA±15%（不含显示背光、外接负载和扩展部分）
●报警电流：200mA±25%，（不含联动）
●报警（联动）输出：开关信号，触点DC24V/1A（最大值）
●使用环境：室内使用，温度-10℃~55℃，相对湿度40%~70%
●探测器供电总电流：500mA，探测器供电电压：DC12V-15V
六、 结论
与普通家居相比，智能家居不但具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。
本文中设计的智能家居系统涵盖了温湿度检测，燃气泄露检测和火灾报警系统，从预防的角度来讲基本达到了智能家居对于突发情况的要求。经过四种传感器的输出信号，在报警主机中进行简单的编程，使得数据能够及时准确的发向预设的多个单元发送报警信号并能够实时监测。
七、 参考文献
（四） 徐子豪.张腾飞 基于语音识别和无线传感网络的智能家居系统设计 [期刊论文] -计算机测量与控制 (1)
（五） 柯国琴 基于单片机的智能家居系统设计 [期刊论文] -赤峰学院学报（自然科学版） (5)
（六） 莫建平 智能家居组网技术的研究与分析 [期刊论文] -中国电子商务 (12)
（七） 丁俊 智能家居系统的研究 [期刊论文] -信息技术 (3)
（八） 李晓峰 家居环境无线网络监控系统 [期刊论文] -自动化与仪器仪表 (5)
（九） 李健.侯彤璞 嵌入式多方位视频监控系统的设计与实现 [期刊论文] -辽宁石油化工大学学报 (2)
（十） 宋伟.董云卫 一种智能家庭嵌入式系统的设计与实现 [期刊论文] -计算机应用研究 (3)

八、 致谢
经过了两周的努力，我们三个人完成了这次论文的写作。首先我们要感谢xx老师对于本次论文的耐心指导，在开题时也给我提供了不少的意见，提出了一系列可行性的建议而且对于其中的问题的指正并引导我们找到改正方法。另外，感谢论文中引文的原作者，还有其它各位为这篇论文的完成付出贡献的老师和同学们，仅仅凭借我们三个人的努力这篇论文是不可能这样顺利的完成的。最后，再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。