毕业设计----家庭智能控制系统设计.doc

目 录目 录i第1章 绪 论11.1前言11.2家庭智能控制系统设计的主要内容11.3家庭智能控制系统设计的基本思路1第2章 非法入侵报警电路设计32.1设计要求32.2 方案设计32.3 方案论证32.4 电路设计42.4.1稳压电源部分电路设计42.4.2 报警波形产生部分电路设计52.4.3红外线发射部分电路设计62.4.4 红外线接收与处理部分电路设计62.4.5 报警延时控制部分电路72.4.6 声光报警部分电路设计92.5 工作原理与流程10第3章 节能灯控制电路设计123.1 设计要求123.2 方案设计123.3 方案论证123.4 电路设计133.4.1声音信号采集与处理部分电路设计133.4.2延时及光控部分电路设计143.4.3 电灯控制部分电路设计153.4 工作原理与流程16第4章 有害气体检测报警及抽排电路设计194.1 设计要求194.2方案设计194.3 方案论证194.4 电路设计204.4.1 稳压电源部分电路设计204.4.2 空气信号采集部分电路设计204.4.3 有害气体抽排部分电路设计214.5工作原理与流程22结论25参考文献26致谢2728第1章 绪 论1.1前言现在人们的生活水平越来越高，更加注意自己财产与生命安全，虽然人们的素质有了很大的提升，但依然有部分不法分子乘主人不在时进行盗窃，人们期望有一种防盗报警装置，在有人试图盗窃时，会发出警报，以保护人们的财产安全，这就是非法入侵报警电路设计的初衷1。现在倡导的是创建节约型社会，而我们目前的节电意识还比较薄弱，生活中我们常常因为忘记关灯而让灯亮一整天，造成了极大的浪费2。我们迫切需要节能开关，在白天或者没有人是让灯熄灭，即可为国家节约大量电能。为国家的建设贡献自己的力量3。人们的生活水平提高了，城市居民生活配套设施也愈加完善，现在城市居民普遍用煤气作为燃料，然而我们经常听说因为不小心而致使煤气泄露，造成煤气中毒而亡的悲剧，我们需要有一种有害气体检测、报警、抽排装置，有了这一装置后，当煤气泄露后，它会自动启动排气系统，排出毒气，保卫人的生命安全4。家用智能控制系统与人们的日常生活息息相关，它使人们的生活更加舒适与安全，是社会发展的必然方向5。1.2家庭智能控制系统设计的主要内容1. 非法入侵报警电路设计2. 节能灯控制电路设计3. 有害气体检测报警及抽排电路设计1.3家庭智能控制系统设计的基本思路本次设计的题目是基于家庭智能控制系统设计，并简单介绍相关的知识，如：单片机的定义、电工电子技术图电路、单片机的硬件组成等。根据设计内容和控制要求画出顺序功能图和梯形图，再根据单片机的相关知识设计出它的外部接线图，结合梯形图和外部接线图分析说明该设计的控制原理过程。第2章 非法入侵报警电路设计2.1设计要求如遇警情，要求报警电路发出警笛声和警灯的周期闪烁；警笛音量和警灯闪烁时间均可调；警灯用220伏灯泡，警笛用8欧、2瓦扬声器。2.2 方案设计根据要求，当有人从那窗户非法进入时，电路要能够发出警报，于是可以在窗户处安装红外线发射与检测装置，当人入侵挡住红外线时，便被电路感知，触发报警动作。用ne555构成的多谐振荡器产生的1khz高频方波信号经放大后作为声音报警驱动信号，同时用另一 555定时器构成的多谐振荡器产生的2 hz低频方波信号来触发可控硅进而控制警灯的周期性闪烁，方案框图如图1-1所示。稳压滤波整流变压红外线发射接收交流电放大整流波形发生器声音报警闪光报警放大波形发生器图1-1 方案框图2.3 方案论证正常情况时，红外发光管发出的红外线被接收管接收，电路处于稳定状态，一旦遇到警情，即接收管没有接收到红外线时，便会触发报警延时装置（它作为声光报警电路的开关），使报警电路开始工作。2.4 电路设计电路主要由稳压电源部分，红外线发射部分，红外线接收与处理部分，报警延时部分，报警波形发生部分，声光报警部分六大部分构成。2.4.1稳压电源部分电路设计该部分电路将220v交流市电降压后应用桥式全波整流、电容滤波、稳压二极管稳压后得到稳定的+9v直流电压输出，原理图如图1-2所示。图1-2稳压电源部分电路元件的参数的确定与选取变压器：要想的到+9v的直流电压输出，根据vo=vi*0.9/1.1 可得 vi=11v ，于是变压器的变比为20 ：1，功率应大于总电路的功率，取20w以上即可。整流二极管：耐压值应大于1.414*11v=16v 即可，最大电流可选择大于300ma。滤波电容：rl=vl/il=9v/50ma=0.18k ， rl*c=4*t/2=0.04s ，c=222.2uf,，为了得到平滑的输出，可取容量为470uf。稳压二极管：选择2cw107， 稳压值9v，最大电流100ma。2.4.2 报警波形产生部分电路设计用555定时器构成的多谐振荡器来产生不同频率的方波，ne555内部原理图如图1-3所示。图1-3 ne555内部原理图图1-4 波形发生部分原理图波形发生部分原理图如上图1-4所示。元件的参数的确定与选取：555定时器构成的多谐振荡器发出波形的频率f=1.43/（r1+2r2）*c），当分别取f为2hz及1khz时，可分别计算得电容及电阻，r10=51k，r11=10k，c10=10uf，r12=1k，r13=0.5k，c12=1uf，c9及c12为0.01uf的滤波电容。2.4.3红外线发射部分电路设计应用555定时器构成的多谐振荡器产生的高频方波信号来驱动红外发光管ph303发射红外光，原理图如图1-5所示。图1-5红外线发射部分电路元件的参数的确定与选取：用1khz作为红外发光管ph303的驱动频率，红外发光管工作时的电流为10.30ma, 故可取r1=0.5k，产生1khz的方波时的电阻及电容同上，不再赘述。2.4.4 红外线接收与处理部分电路设计用ph302来接收红外线，经过三极管的两级放大后，再利用倍圧整流电路来输出一个稳定的电压同时可进一步放大信号，部分原理图如图1-6所示。图1-6 红外线接收与处理部分电路元件的参数的确定与选取：r5和r7为q2及q3提供和合适的静态工作点，可取为1m，r6和r8为上偏置电阻，为了得到合适的放大倍数取r6=r8=5k。经过放大后，应用倍压整流电路，取c5=c6=10uf即可得到较平滑的直流电压输出，三极管的应大于80。2.4.5 报警延时控制部分电路这部分电路应用555定时器构成的单稳态触发器来控制报警的时间。单稳态触发器的工作波形如图1-7所示。图1-7单稳态触发器的工作波形部分电路原理图如图1-8所示。图1-8 报警延时控制部分电路元件的参数的确定与选取：为了使触发器有较长的暂稳态（报警）时间，可以适当的将r9取的大些，同时为了实现报警时间可调，可以选用可变电阻器，根据555暂态持续时间tw=1.1rc，取c8=47uf，r9=10m可调电阻器，便可控制报警持续时间。2.4.6 声光报警部分电路设计利用振荡器产生的低频方波控制可控硅的通断，从而实现闪光报警，同时利用1khz高频与2hz低频混合后的信号来产生声音报警，部分原理图如图1-9所示。图1-9 声光报警部分电路元件的参数的确定与选取：这部电路结构比较简单，个根据要求，扬声器参数为8欧2瓦，可控硅的耐压值应大于1.414*220=311v，声音调节电阻选用50欧电位器，r15=0.25k，r16=8k分别作为光电耦合器及可控硅的限流电阻，对三极管没有特殊要求。非法入侵报警电路设计原理图如图1-10所示。元器件参数如表1-1所示表1-1 元器件参数表r1r2r3r4r5r6r7r80.5k1k0.5k1k1m5k1m5kr9r10r11r12r13r14r15r1610m51k10k1k0.5k500.25k8kc1c2c3c4c5c6c7c80.0114.74.710100.0147c9c10c11c12c13c14c15c160.01100.0110电阻：欧姆。电容:微法。d1d2d3d4d5d6ph303ph3021n941n942cw107th3008d1d2d3d4d5d6ph303ph3021n941n942cw107th3008q1q2q3q4q5q6q72n18932n18932n18932n18932n18932n1893mcr100.62.5 工作原理与流程红外线发射与接收管按直射方式工作，正常情况时，接收管接到红外线，经过q2和q3两级放大，再经过c5、c6、d3、d4组成的倍压整流电路整流后输出一个较稳定的高电平，单稳态触发器处于稳态，输出低电平，三极管q4、q5都截止，报警电路没有工作6。当遇到警情时，红外线被遮挡，接收管没有接收到红外线，接收处理电路输出低电平，触发单稳态触发器输出高电平,三极管q4、q5导通，波形发生器产生的波形通过q4、q5从而发出声光报警信号。设定的报警时间到后，报警停止。图1-10 非法入侵报警电路原理图第3章 节能灯控制电路设计3.1 设计要求光线强，有声响，灯不亮；光线弱，无声响，灯亦不亮；只有当光线弱且有声响时，灯才亮，灯亮后须延时30秒自动熄灭。3.2 方案设计可利用光电三极管的感光特性来控制灯在有光时自动熄灭，没有光同时麦克风采集到声音信号时，触发555定时器构成的可重复触发的单稳态触发器，让它输出一段时间的高电平，用这一信号控制可控硅导通，灯亮。一段时间后，单稳态触发器回复到稳态，输出低电平，可控硅截止，灯自动熄灭，方案框图如图2-1所示。滤波整流稳压交流电声音采集放大整流声控开关延时电路光控开关总控开关电灯光源变压图2-1 方案框图3.3 方案论证声音信号由麦克风采集再经过放大处理后与光信号一起同时控制单稳态延时电路，光信号控制着ne555的清零端，有光时单稳被强制清零，没有光时单稳正常工作。声音信号控制触发端，有声音时，单稳被触发，灯亮，无声响30s后，单稳触发器回到稳态，灯灭7。3.4 电路设计电路主要由稳压电源部分，声音信号采集与处理部分，延时部分，电灯控制部分，四大块构成。3.4.1声音信号采集与处理部分电路设计麦克风来采集声音信号，经过三极管的两级放大，再利用倍圧整流电路来输出一个稳定的电还可进一步放大信号，以获得足够的强度来控制后续电路，原理图如图2-2所示图2-2 声音信号采集与处理部分电路元件的参数的确定与选取：r1和r3为q2及q3提供和合适的静态工作点，可取为1m，r2和r4为上偏置电阻，为了得到合适的放大倍数取r6=r8=5k。经过放大后，应用倍压整流电路，取c5=c6=10uf即可得到较平滑的直流电压输出，三极管的应大于803.4.2延时及光控部分电路设计用ne555构成可重复触发的单稳态触发器，用三极管q3的导通来作为触发信号，光电三极管直接控制清零端，它导通时，触发器一直输出低电平。光电三极管是在光电二极管的基础上发展起来的光电器件，它用硅材料制作而成，其本身也具有放大功能，当光照强弱变化时，电极之间的会随之导通于截止，它的原理及特性如图2-3所示。图2-3 光电三极管特性可重复触发的触发器的输出波形如图2-4所示。图2-4可重复触发的触发器的输出波形部分电路结构如图2-5所示。图2-5 延时及光控部分电路元件的参数的确定与选取：r5、r6为q3、q4的限流电阻，可分别取r5=5k，r6=10k，c5为滤波电容，取为0.01uf，延时时间为30秒，根据暂态持续时间tw=1.1rc，当tw为30s时，经计算可取 r7=580k，c6=47uf。3.4.3 电灯控制部分电路设计这部分结构较简单，用单稳的输出来控制光电耦合器来触发可控硅，进而控制电灯的亮灭，电路结构如图2-6所示。 图 2-6 控制部分电路节能灯控制电路如图2-7所示。节能灯控制电路印制电路板图pcb如图2-8所示。 元件参数表如表2-1所示。表2-1元器件参数表r1r2r3r4r5r6r7r8r91m5k1m5k5k10k580k0.25k5kc1c2c3c4c5c6c7c8电阻4.74.710100.01470.01470欧姆d1d2q1q2q3q4q5q6电容1n98a1n98a2n9302n18932n18933du5a2n2102mcr100.6微法3.4 工作原理与流程有光时光电三极管导通，单稳态触发器一直输出低电平，可控硅截止，灯不亮8。没有光照时，触发器正常工作。没有声音时单稳触发端输入高电平，单稳态触发器仍然输出低电平，无光有声音时，麦克风采集声音信号，经过三极管q1，q2两级放大后，再利用d1，d2，c3，c4组成的倍圧整流电路来输出一个稳定的电压，同时进一步放大信号，进而使q3导通，单稳态触发器接收的低电平信号被触发，进入暂稳态，输出高电平，通过光电耦合器触发可控硅，灯亮。30s后单稳态触发器回复到稳态可控硅失去触发信号而截止，灯灭。从而实现技能的目的9。由于单稳态触发器是可重复触发的，所以灯亮30s是以最后一次接收到的声音信号为准10。图2-7 节能灯控制电路原理图图2-8 节能灯控制电路印制电路板pcb第4章 有害气体检测及报警电路设计4.1 设计要求应用气体传感器，检测到煤气泄漏或其他有害气体意外排放时，自动启动抽排系统，以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。4.2方案设计采用qm.n5型气敏元件作为气体信号的检测装置，当检测到还原性气体达到一定浓度时，让可控硅导通，启动换气扇，抽排有毒气体，当浓度降到安全级别时，可控硅截止，系统回到检测状态，方案框图如图3-1所示。滤波整流稳压气体信号检测控制开关排风扇交流电变压 图3-1 方案框图4.3 方案论证利用qm.n5型气敏元件电阻随还原性气体浓度的增加降低的特点，检测煤气的浓度，当空气中煤气浓度升高到一定值时qm.n5电阻减小，上面的电压随减小，让排气扇工作，当煤气浓度降低后qm.n5电阻变得很大，排气扇不工作11。4.4 电路设计电路主要由稳压电源，空气信号采集，控制开关与排气系统组成。4.4.1 稳压电源部分电路设计参看2.4.1。4.4.2 空气信号采集部分电路设计qm.n5型气敏元件与可变电阻串联，电阻上的电压作为输出，利用三极管的开关特性控制后续电路。qm.n5型气敏元件是以金属氧化物sno2为主体材料的n型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。他的特点：1、用于可燃性气体的检测（ch4、c4h10、h2等） 2、灵敏度高响应快。主要参数：加热电压(vh) ac或dc 50.5v回路电压(vc) 最大dc 24v负载电阻(rl) 2k清洁空气中电阻(ra) 4000k他的结构如图3-2所示。图3-2 qm-n5型气敏元件空气信号采集部分电路原理如图3-3所示。图3-3空气信号采集部分电路元件的参数的确定与选取：qm.n5的加热电压在5v左右，而供电电压为9v，r3为加热部分的分压电阻，取r1=30欧，为了实现检测灵敏度调节，r2采用10k可变电阻，r3和r4分别r3=1k，r4=5k。 4.4.3 有害气体抽排部分电路设计电路结构很简单，由光电耦合器，可控硅及排气扇构成，有害气体超过一定浓度时，使可控硅导通，排气扇工作，排除有害气体，电路原理如3-4所示。图3-4有害气体抽排部分电路元件的参数的确定与选取：r5和r6为光耦及可控硅的分压电阻，取r5=0.25k，r6=10k，可控硅耐压值要大于1.414*220=311v，选用mcr100.6型 可控硅，耐压值400v，最大电流0.8a。有害气体检测、抽排电路原理图如图3-5所示。有害气体检测、抽排电路印制电路板pcb图如图3-6所示。元器件参数如表3-1表3-1元器件参数表r1r2r3r4r5r63010k1k5k0.25k10kq1q2u1u2电阻欧姆2n1893mcr100.6moc3063qm-n5电容微法4.5工作原理与流程当空气正常时，气敏元件的电阻很大，r2上分得的电压很低，三极管截止，可控硅没有触发，电路处在检测状态，一旦空气中煤气浓度到一定值时，气敏元件的电阻急剧减小，电阻r2上分压加大，使三极管导通，光电耦合器上加有一定电压，它导通触发可控硅，开始排出毒气，当毒气浓度降低到危险值以下时气敏元件电阻又上升，r2分压减小，三极管截止，可控硅也截止，停止排气，即电路又回到检测状态12。图3-5 有害气体检测报警及抽排电路原理图图3-6 有害气体检测报警及抽排电路印制电路板pcb图结论毕业设计作为大三的压轴大戏，给了我们展示自己所学知识的舞台，同时也给我们学习新知识动力，从一开始便对它充满期待。经过近两个星期的忙碌，终于做出了自己的成果。经过这次毕业设计我感受颇多。首先，温故而知新。课程设计开始，思绪全无，对理论知识学习不够扎实的我感受到“书到用时方恨少”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，努力掌握基本理论知识，学习书中思考的思维方式，只有熟练掌握以学知识，才会找到设计的灵感。第二，在不断的改正中进步。其实生活也是一个不断改正自己的过程。在设计过程中，我不断发现自己的错误并改正，得到最终的设计方案。我们怕的不是错误，而是明知错误确不去改正。我想这对以后的学习和生活大有裨益。第三，学海无涯，学无止境。尽管毕业设计是在大三上学期才开始，我们的教材学习完毕，掌握较多知识，但是课程还涉及到很多我们没有接触过过的知识，例如可控硅，传感器，光敏元件等，这些知识都需要我们查阅资料自己学习。是我切实感受到学无止境，要活到老学到老。最后，要理论联系实际，以前一直觉的书本上的知识离我们很远，经过这次课程设计，才发现其实我们所学的知识就在我们身边。这大大激发了我以后学习十本知识的兴趣，再者我们学习的是功课，不单纯只是理论方面的工作，还应考虑实际情况。总之经过这次课程设计，我对以后的学习更加充满了兴趣和信心。参考文献1 刘鸣,马超. 基于单片机的光栅位移测量. 第七届全国信息获取与处理学术会议论文集, 2009 2 陈方辉,董李江. 一种单片机外部中断源扩展的实验设计. 安徽电子信息职业技术学院学报, 20073 潘忠