第9章 智能家居环境监测系统传感器设计

1、2021-7-61 实用传感器技术教程实用传感器技术教程 22021-7-6 家居有害气体检测报警系统设计家居有害气体检测报警系统设计 1.2 第第9章章 智能家居环境监测系统传感器设计智能家居环境监测系统传感器设计 智能家居安防系统传感器设计智能家居安防系统传感器设计9.1 9.2 家居温湿度检测传感器系统设计家居温湿度检测传感器系统设计9.4 火灾报警系统传感器选择与设计火灾报警系统传感器选择与设计 9.3 32021-7-6 v传感器在原理与结构上千差万别，同一个物理量，可 以有多种不同测量原理的传感器可供选择，同一种传 感器，也可以用来测量多种不同的物理量。如何根据 具体的测量目的、测

2、量对象以及测量环境合理地选用 传感器，是在具体场合进行某个量的测量时首先要解 决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方 法和测量设备也随之确定，因而测量结果的成败，在 很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 v智能家居环境监测系统既有温湿度检测、有害气体检 测等检测功能，又有火灾报警和防盗报警等控制功能， 是一个典型的多传感器的测控系统。本章以智能家居 环境监测系统传感器设计作为传感器综合设计实例， 介绍传感器应用系统设计过程中的如何选择、计算以 及安装传感器，同时给出各种传感器的实际应用电路。 42021-7-6 9.1 智能家居安防系统传感器设计智能家居安防系统传感器设计 v智能家居

3、指的是一个居住环境，是指以住宅为平台安智能家居指的是一个居住环境，是指以住宅为平台安 装有装有智能家居系统智能家居系统的居住环境，又称智能住宅。通俗的居住环境，又称智能住宅。通俗 地说，它是融合了自动化控制系统、计算机网络系统地说，它是融合了自动化控制系统、计算机网络系统 和和网络通讯技术网络通讯技术于一体的网络化智能化的于一体的网络化智能化的家居控制系家居控制系 统统，本节重点介绍家庭安防系统和环境控制系统传感，本节重点介绍家庭安防系统和环境控制系统传感 器的选择和使用。器的选择和使用。 52021-7-6 9.1.1家居防盗报警系统传感器设计家居防盗报警系统传感器设计 v 防盗报警系统防盗

4、报警系统是指在防范现场探测到有入侵者时能发出相应报是指在防范现场探测到有入侵者时能发出相应报 警信号的专用电子系统。它通过相关信号探测传感器器，在建警信号的专用电子系统。它通过相关信号探测传感器器，在建 筑物中进行周界或定方位的探测和保护。筑物中进行周界或定方位的探测和保护。 v 1.常用防盗报警器的种类及特点常用防盗报警器的种类及特点 v （1 1）门磁传感器：）门磁传感器：门磁传感器是一种在保安监控、安全防范系门磁传感器是一种在保安监控、安全防范系 统中常用的器件，其优点是体积小，工作可靠，可以通过无线统中常用的器件，其优点是体积小，工作可靠，可以通过无线 工作，使用起来非常方便。门磁是接

5、近开关的一种，可以是光工作，使用起来非常方便。门磁是接近开关的一种，可以是光 电的，也可以是永磁的。门磁传感器通常安装在居室门窗上，电的，也可以是永磁的。门磁传感器通常安装在居室门窗上， 当门窗紧闭时，门磁传感器不报警，当门窗无论何种原因被打当门窗紧闭时，门磁传感器不报警，当门窗无论何种原因被打 开时，门磁传感器立即报警。开时，门磁传感器立即报警。 62021-7-6 常用防盗报警器的种类及特点常用防盗报警器的种类及特点 v（2）超声波传感器：超声波传感器是利用超声波的特 性研制而成的传感器，超声波报警装置的有效性取决 于能量在保安区域内多次反射后的能量大小，像墙壁、 桌子和文件柜等硬表面物体

6、对声波有很好的反射作用， 而地毯、窗帘和布等软质材料则是声波的不良反射体。 因此在充满软质材料的区域应该避免使用超声波传感 器。 72021-7-6 常用防盗报警器的种类及特点常用防盗报警器的种类及特点 v（3）微波雷达传感器：微波雷达探测器是一种将微波 收、发设备合置的探测器，采用多普勒雷达的原理， 将微波发射天线与接受天线装在一起，通过检测活动 目标产生的反射波频差进行报警。微波入侵探测器的 主要缺点是安装要求高，微波段的电磁波由于波长较 短，故穿透力强，所以在安装时不要面对室外。另外 金属物体对微波反射较强，因而在探测器防范区域内 不要有大面积（或体积较大）物体存在，如铁柜等， 否则其后

7、面的阴影部分会形成探测盲区，造成防范漏 洞。其另一个缺点是会发出对人体有害的微量能量， 因此使用时必须将能量控制在对人体无害的水平。 82021-7-6 常用防盗报警器的种类及特点常用防盗报警器的种类及特点 v（4）玻璃破碎探测器：利用压电陶瓷片的压电效应 （压电陶瓷片在外力作用下产生变形时将会在其表面 产生电荷），可以制成玻璃破碎入侵探测器。对高频 的玻璃破碎声音（10k15kHZ）进行有效检测，而对 10kHZ以下的声音信号（如说话、走路声）则有较强的 抑制作用。但该产品灵敏度非常难调，灵敏度过高， 则室外的风吹雨打所也能导致报警；灵敏度过低，则 会因盗贼轻轻拉开窗户力度过轻而未感测到振动

8、而产 生漏报警。 92021-7-6 常用防盗报警器的种类及特点常用防盗报警器的种类及特点 v（5）主动式红外发射接收传感器：主动式红外发射 接收传感器由主动红外光发射器和接收器两部分组 成。红外光在人眼看不见的光谱范围，经过光束聚焦， 在收发器之间形成红外光束，当有人经过这条无形的 封锁线时，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端由 于红外光束产生变化将自动识别是否报警。 102021-7-6 （6 6）被动式热释电红外传感器）被动式热释电红外传感器 被动式红外入侵探测器采用热释电红外探测元件来探测移 动目标。只要物体的温度高于绝对零度，就会不停地向四 周辐射红外线，被动式热释电红外传感器利用移

9、动目标 (如人、畜、车)自身辐射的红外线进行探测。 常用防盗报警器的种类及特点常用防盗报警器的种类及特点 112021-7-6 与其它类型的保安设备相比，被动式红外入侵探测器具与其它类型的保安设备相比，被动式红外入侵探测器具 有以下特点：有以下特点： 1) 不需要在保安区域内安装任何设备，可实现远距离 控制； 2) 由于是被动式工作，不产生任何类型的辐射，故保 密性强，能有效执行保安任务； 3) 与环境照度无关，可以昼夜工作，特别适宜在夜间 或黑暗条件下工作； 4) 由于无能量发射，没有容易磨损的活动部件，因而 功耗低、结构牢固、寿命长、维护简便、可靠性高。 122021-7-6 2.2. 基

10、于分离元件的被动式热释电红外传感器报警系统设计基于分离元件的被动式热释电红外传感器报警系统设计 （1）被动式热释电红外传感器的结构原理 132021-7-6 1）光学系统：主要由菲涅耳透镜构成，菲涅耳透镜是根据 菲涅耳原理制成，其作用主要有两个：一是聚焦作用，即将 探测空间内的红外线有效地集中到热释电传感器上。二是将 探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动 物体能以温度不断变化的形式在热释电红外传感器上产生变 化的热释红外信号，这样热释电红外传感器就可以产生相应 的控制信号，图9-2为菲涅耳透镜外观图。 图9-2 菲涅耳透镜外观 142021-7-6 n 2）热释电传感器：热释电

11、红外传感器是报警器的核心器 件，它可以把人体的红外线信号转换为电信号以供信号处 理部分使用。 n 热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，3个引脚分别 为电源端（内部开关管D极），信号输出端（内部开关管S 极），接地端（GROUND），其外形及引脚见图9-3： 图9-3 热释电红外传感器外形 及引脚分布 152021-7-6 v 双元热释电红外检测元件双元热释电红外检测元件 LHI968LHI968内部电路图如图内部电路图如图9-49-4所所 示示 : 图9-4 双探测元热释电红外传感器 + - - + 光学滤镜 双热释 电元件 偏置 电阻 EMI 电容 D S GND + EMI电阻 外壳

12、场效应管 162021-7-6 v 3）信号处理 电路：信号处 理主要是把热 释电传感器输 出的微弱电信 号进行放大、 滤波、延迟和 比较，为报警 功能的实现打 下基础。如图 9-5所示 172021-7-6 3.3. 基于集成元件的被动式热释电红外传感器报警系统设计基于集成元件的被动式热释电红外传感器报警系统设计 图9-6 BISS0001管脚功能图 1 2 1 3 3 4 1 4 1 5 1 6 A VO RR1 RC12IN- BISS0001 1IN+ 1OUT 1IN- 6 RC2 RR2 VSS VRF/ RESET 9 1 0 1 1 1 2 2OUT VDD IB VC 7 5

13、 8 （1）BISS0001介绍 182021-7-6 v （2）由BISS0001组成的热释电传感器信号处理电路 192021-7-6 202021-7-6 v4.4.热释电传感器应用领域及常用型号参数热释电传感器应用领域及常用型号参数 目前市场上常见的产品主要有：日本KDS产品：KDS209S， PIS-204S；尼赛拉产品：RE200B，RE03B，PD632；德国 海曼产品：LHI958，LH1954，LHI1448，LHI878， LHI778，上海产的SD02、PH5324，美国HAMAMATSU公司 产的P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、 RS02

14、D等。虽然生产厂商众多，但因其结构、外型和基 本参数大致相同，大部分可以互换使用。 212021-7-6 222021-7-6 5热释电红外传感器的安装注意事项 v1）不能安装在室外。2）红外线热释电传感器应离地 面22.4米，向下倾斜15度角。3）红外线热释电传感 器远离空调, 冰箱， 火炉等空气温度变化敏感的地方。 4）红外线热释电传感器和被探测的人体之间不得间隔 家具、大型盆景、玻璃、窗帘等其他物体。5）红外线 热释电传感器不能直对门窗及有阳光直射的地方，否 则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件 的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装 在有强气流活动的地方。6）安装探测

15、器的天花板或墙 要坚固，不能有晃动或震动。 232021-7-6 9.1.2.无线门磁传感器系统设计无线门磁传感器系统设计 1.1.无线门磁传感器简介无线门磁传感器简介 图9-10 门磁传感器外观 无线门磁传感器是一种在 保安监控、安全防范系统 中常用的器件，其体积小， 工作可靠，通过无线工作， 使用起来非常方便。 242021-7-6 v 2.无线门磁传感器内部工作原理无线门磁传感器内部工作原理 252021-7-6 3.PT22623.PT2262介绍介绍 图9-12 PT2262引脚图 PT2262PT2262 1 2 3 4 5 6 7 8 14 A8/D3 A9/D2 A10/D1

16、A11/D0 VSS OSC1 OSC2 DOUT VDD 10 11 12 13 9 15 16 17 18 A0 TE A7/D4 A6/D5 A4 A5 A2 A3 A1 262021-7-6 9.2家居有害气体检测报警系统设计家居有害气体检测报警系统设计 9.2.1.常用气敏传感器分类及工作原理 气敏传感器是一种将检测到的气体类别、成分、和浓度转换为 电信号的传感器。可用于对气体的定性或定量检测。气敏材料 与气体接触后会发生化学或物理相互作用，导致其某些特性参 数的改变，包括质量，电参数，光学参数等。气敏传感器利用 这些材料作为气敏元件，把被测气体种类或浓度的变化转化成 传感器输出信号

17、的变化，从而实现气体检测目的。 272021-7-6 9.2.2.9.2.2.基于基于QM-N5QM-N5型气敏元件的家居有害气体检测报警电路设计型气敏元件的家居有害气体检测报警电路设计 282021-7-6 9.39.3火灾报警系统传感器选择与设计火灾报警系统传感器选择与设计 “火灾”，是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成 的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁 公众安全和社会发展的主要灾害之一， 火灾的发展过程 大致可以分为初期阶段、发展阶段和衰减熄灭阶段。选 择合适的火灾探测器的目的在于：在初燃生烟阶段，能 自动发出火灾报警信号，达到早期预警的目的。 292021-7-6 9

18、.3.1.常用的火灾探测器种类及原理介绍常用的火灾探测器种类及原理介绍 v1.1.感烟探测器感烟探测器 （1）离子感烟探测器 （2）光电感烟探测器 v2.2.感温火灾探测器感温火灾探测器 （1）双金属片型 （2）膜盒型探测器 （3）电子感温探测器 302021-7-6 9.3.2.火灾探测器的选择火灾探测器的选择 火灾分为两大类：一类是燃烧过程极短暂的爆燃性火灾； 另一类是具有初始阴燃阶段，燃烧过程较长的一般性火灾。对 于第一类火灾，必须采用可燃气探测器实现灾前报警，或采用 感光式探测器对爆燃性火灾瞬间产生的强烈光辐射作出快速报 警反应。这类火灾没有阴燃阶段，燃烧过程中烟雾少，用感烟 式探测器

19、显然不行。燃烧过程中虽然有强热辐射，但总的来说 感温式探测器的响应速度偏慢，不能及时对爆燃性火灾作出报 警反应。一般性火灾初始的阴燃阶段，产生大量的烟和少量的 热，很弱的火光辐射，此时应选用感烟式探测器。烟雾粒子较 大时宜采用光电感烟式探测器。烟雾粒子较小时由于对光的遮 挡和散射能力较弱，光电式探测器灵敏度降低，此时宜采用离 子式探测器。火灾形成规模时，在产生大量烟雾的同时，光和 热的辐射也迅速增加，这时应同时选用感烟、感光及感温式探 测器，把它们组合使用。 1.1.火灾类型及形成规律与探测器的关系火灾类型及形成规律与探测器的关系 312021-7-6 2.2.根据建筑物的特点及场合的不同选用

20、探测器根据建筑物的特点及场合的不同选用探测器 v建筑物的室内高度的不同，对火灾探测器的选用有不 同的要求。房间高度超过 12m 感烟探测器不适用，房 间高度超过 8m 则感温探测器不适用，这种情况下只 能采用感光探测器。对于较大的库房及货场，宜采用 线型激光感烟探测器，而采用其它点型探测器则效率 不高。在粉尘较多、烟雾较大的场所，感烟式探测器 易出现误报警，感光式探测器的镜头易受污染而导致 探测器漏报。因此，在这种场合只有采用感温式探测 器。 322021-7-6 9.3.3.离子感烟探测器设计离子感烟探测器设计 1.MC14468介绍介绍 1 1 2 2 8 8 3 3 4 4 5 5 6

21、6 7 7 1 16 6 1 15 5 1 14 4 1 13 3 1 12 2 1 11 1 1 10 0 9 9 信号输出 输入/输出级连 检测输出 LED驱动 欠压设置 B极 电源负极 反馈输入 定时电阻 电源正极 S极 晶振电容 灵敏度设置 保护上限 信号输入 保护下限 图9-14 MC14468管脚示意图 332021-7-6 342021-7-6 v 2.MC14468应用电路图应用电路图 352021-7-6 9.3.4.9.3.4.光电感烟探测器设计光电感烟探测器设计 物质在燃烧初期会产生大量的烟雾颗粒和一氧化碳等大量 有害气体。烟雾颗粒的大小(以直径计)一般在0.0l9um

22、之间。这些烟雾颗粒分布界面极大、性质也不稳定，容易 使光产生散射。光电式烟雾传感器将烟雾颗粒作为被测对 象，通过进入烟室内的烟雾颗粒对发光元件发出的红外光 的散射作用，从而引起接受元件端产生电量的变化，通过 判断电量的变化确定烟雾报警状态。 362021-7-6 1.MC1450101.MC145010介绍介绍 1 2 5 3 4 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16C1 C2 Detect Strobe VDD IRED I/O BrassSilver Feedback LED Osc R1 Vss Low-Supply Trip Test MC145010 图9-17 M

23、C145010管脚功能图 372021-7-6 382021-7-6 v 2.MC145010应用电路 392021-7-6 9.4 家居温湿度检测传感器系统设计家居温湿度检测传感器系统设计 9.4.1.常用温度测量传感器及原理介绍常用温度测量传感器及原理介绍 湿度是表示空气中水蒸汽含量的物理量，常用绝对湿度、 相对湿度、露点等表示。绝对湿度是指单位体积空气内 所含水蒸汽的质量，一般用mgL作指标。相对湿度的 定义是单位体积空气内实际所含的水蒸汽的密度（用d1 表示）和同温度下饱和水气密度（用d2表示）的百分比， 即RH%= d1/ d2100%，其中RH%表示相对湿度，即人们 日常生活中所说

24、的空气湿度。 402021-7-6 v湿度测量方法众多，目前湿度测量方案最主要的有两 种：干湿球测湿法和电子式湿度传感器测湿法。一般 说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不 如干湿球湿度传感器，而且湿度传感器是采用半导体 技术，因此对使用的环境的温度有要求，超过其规定 的使用温度将对传感器造成损坏，所以电子式湿度传 感器测湿方法更适合于在洁净及常温的家庭环境中使 用。 412021-7-6 9.4.3. SHT11温湿度传感器的管脚、特点及内部电路温湿度传感器的管脚、特点及内部电路 v SHT11内部结构介绍内部结构介绍 422021-7-6 v SHT11与微处理器的硬件连接与微处理器的硬件连接 432021-7-6 442021-7-6 v SHT11传感器的软件设计传感器的软件设计 452021-7-6 462021-7-6 472021-7-6 v 温度和湿度值的计算温度和湿度值的计算 v （1）湿度线性补偿和温度补偿 482021-7-6 v 上式中：RHlinear为经过线性补偿后的湿度值，SORH为相对湿 度测量值，C1、C2、C3为线性补偿系数，取值如表9-7所列。 2