家庭智能控制系统设计

1、目录I第1章绪论11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设计要求32.2方案设计32.3方案论证32.4电路设计4241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声音信号釆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

2、.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空气信号釆集部分电路设计20443有害气体抽排部分电路设计214. 5工作原理与流程 结论参考文献II222526错误!未定义书签。致谢第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

3、路设计的初衷。现在倡导的是创建节约型社会，而我们H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壳一整天，造成了 极大的浪费。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 量叭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。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

4、，是社会发展的必然方向。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U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【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

5、、2 瓦扬声器。2.2方案i:vt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，当人入侵扌当 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。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），

6、使报警电 路开始工作。2.4电路设计电路主要山稳压电源部分，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。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二11V ,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*llv=16v即可，最大电流 可选择大于300m

7、Ao滤波电容:Rl=Vl/Il=9V/50mA=0.18K , Rl*C=4*T/2=0. 04s , C二222.2uF,为了得到平滑的输出，可取容量为470uFo稳压二极管：选择2CW107,稳圧值9V,最大电流lOOmAo242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。IrioS让:001*:论图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二1.43/ (R1+2R2) *C),当分别取f为2Hz及lKHz时，可分别 计算得电容及电

8、阻,R10二51K, RU=10K, C10=10uF, R12=1K, R13二0.5K, C12=luF, C9 及 C12 为 0. OluF 的滤波电容。243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。ft c13VP.0.5K寸JOu?RESET7CC3D12TRIGDISCHG7THOLD63OUTCTOLT55KGND/冷ia73nfu图1-5红外线发射部分电路元件的参数的确定与选取：用lKHz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1030mA，故可取 R1二0.5

9、K,产生lKHz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IM, R6和R8为上偏置电阻，为了得到合 适的放大倍数取R6二R8二5K。经过放大后，应用倍圧整流电路，取 C5二C6二10uF即可得到较平滑的直流电压输出，三极管的P应大于 80o2.4.5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

10、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。Vi +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=l. IRC,取 C8二47uF, R9二10H可调电阻器，便可控制报警持续时间。246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lKHz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。1.414*220=

11、31 IV,声音调节电阻选用50欧电位器,R15=0. 25K, R16二8K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R1R2R3R1R5R6R7R80. 5K1K0. 5K1K1M5K1M5KR9R10RUR12R13R14R15R1610M51K10K1K0. 5K500. 25K8KC1C2C3C4C5C6C7C80.0114.74.710100.0147C9C10C11C12C13C14C15C160.01100.0110电阻：欧姆。电容：微 法。D1D2D3D4D5D6PH3

12、03PH3021N941X942CW107TH3008D1D2D3D4D5D6PH303PH3021N941X942CW107TH3008Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q72N18932N18932N18932X18932X18932X1893MCR100. 625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组成的倍圧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、Q3都截止，报警电路没有工作。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

13、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。10r人31图i-io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， 没有光同时麦克风釆集到声音信号时，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

14、自动熄灭，方案框图如图2-1 所示。图2-1方案框图3.3方案论证声音信号山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3.4电路设计电路主要山稳压电源部分，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-

15、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IM, R2和R4为上偏置电阻，为了得到合 适的放大倍数取R6二R8二5K。经过放大后，应用倍压整流电路，取 C5二C6=10uF即可得到较平滑的直流电压输出，三极管的P应大于 8013342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

16、之导通于截止，它的原理及特性如图2-3 所示。（；“外形与结构/c(mA)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14部分电路结构如图2-5所示。R6I OkR580kzQ4出WPW-PFOTOR5Tco5k:U1RESETVCC2TRIGD】SCHG7THOLD6Q3n2Nt8)33OUTCVOLT5%GMDT25ICJuh2N212，一 丰 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. OluF,延时时 间为30秒，根据暂态持

17、续时间Tw=l. IRC,当Tw为30S时，经计 算可取 R7二580K, C6=47uFo343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26所示。15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R1R2R3R1R5R6R7RSR91M5K1M5K5K10K580K0. 25K5KC1C2C3C4C5C6C7C8电阻4. 74.710100.01470.01470欧姆D1D2Q1Q2Q3Q4Q5Q6电容1N98A1N98

18、A2N9302X18932N18933DU5A2N2102MCR100. 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，灯不壳。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岀低电平，无光 有声音时，麦克风采集声音信号，经过三极管Ql，Q2两级放大后, 再利用DI, 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16触发信号而截止，

19、灯灭。从而实现技能的口的。曲于单稳态触 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 信号为准他。图2-7 ij能灯控制电路原理图X咅口电口f匚 SMUaT1O 日lannilnm6 图2-8肖能灯控制电路印制电路板PCB18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型气敬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

20、止，系统回到检测 状态，方案框图如图3-1所示。图3-1方案框图4.3方案论证利用QH. N5型气敬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，排气扇不工作打194.4电路设计电路主要由稳压电源，空气信号釆集，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. Io4.4.2空气信号采集部分电路设计QM. N5型气敬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型气敬元件是以金属氧化物Sn

21、02为主体材料的N型半 导体气敬元件，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：AC 或 DC 5 土 0.5V 最大DC 24V 2KQW4000KQ加热电压（VJ回路电压（Vc）负载电阻（RJ清洁空气中电阻（RR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。20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R1二30欧，为了实 现检测灵敏度

22、调节,R2采用10K可变电阻,R3和R4分别R3二1K, R4=5Ko443有害气体抽排部分电路设计电路结构很简单，山光电耦合器，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。21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R5二0. 25K , R6二10K ,可控硅耐压值要大于 1.414*220=31 IV,选用MCR100. 6型 可控硅,耐压值400V,最大 电流0. 8Ao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。

23、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，气敬元件的电阻很大,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，气敬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敬元 件电阻乂上升，R2分压减小，三极管截止，可控硅也截止，停止 排气，即电路乂回到检测状态血。22图3-

24、5有害气体检测报警及抽排电路原理图23图3-6有害气体检测报警及抽排电路印制电路板PCB图24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