毕业论文-基于无线网络的智能家居监控系统

1、摘要随着电子信息产业的飞速发展，家用电子电器产品不断推陈出新，人们的生 活水平也不断向高层次迈进。传统的家居电子电器产品具有独立分隔和单个控制 的特点，不能形成有效网络以便于人们进行集成监测和控制，而市场上的成熟的 智能家居监测控制系统解决方案往往功耗与成木都较高，难以在普通家庭中得到 普及。木文提出了一种新型的智能家居监控系统，系统中包括上位机（pc机） 与五大检测模块，分别是：可燃气体检测模块，烟雾检测模块，视频监控（图像 检测模块），电气火灾检测模块以及雨量检测模块。其中，上位机与各模块之间 通过无线网络中的无线局域网技术（wlan）进行通信和数据的传输，十分准确 快捷。当各模块检测指标

2、超出设定值时，系统会报警并自动采取一系列措施保证 家庭安全。本系统可以实现防盗，防火，防雨以及防屮毒等多种功能，具有很好 的市场前景。关键i司：家居，监控，传感器，无线网络目录1、引言1智能家居系统31.2无线网络技术42需求分析53.项目技术方案63.1总体方案设计63.2无线网络技术选择73.3系统硬件设计83.3.1可燃气体检测模块83.3.2烟雾检测模块103.3.3视频监控（图像检测模块）123.3.4电气火灾监控模块143.3.5雨量检测模块16小结19参考文献201、引言1.1智能家居系统从人类进入信息时代以来，计算机技术、网络技术、控制技术都取得了快速 发展与极大提高，人们也更

3、加关注自身居住环境的舒适化与智能化。如今己经可 以把信息技术、自动控制技术和计算机技术结合起来应用于建筑及住宅，智能家 居技术则应运而生，为人们提供了一个具有高度安全性、舒适性、实时性的信息 化与自动化生活空间，极大地满足了当代社会人们追求高速度工作生活节奏和高 品质生活环境的要求。智能家居系统是将家庭中各种与信息相关的通讯设备，家用电器和家庭保安 装置通过总线连接到一个家庭智能化系统的集中或者远程控制中心，控制和管理 家庭事务，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。通过智能家居系统，人们的 牛活品质得到的大幅提高，从而可以实现“以人为木"的家居牛活。智能家居的实现需要大量的信息采集，

4、这就离不开对无线传感器网络的应用。 智能家居通过在家居空间中的特定位置安置各种感知设备,完成对环境数据的采 集，从而实现对环境信息的感知。这样人可以通过无线传感器所传递出来的信息， 在适当的时候对环境条件做岀正确的判断。随着经济的发展和社会信息化程度的不断提高，智能家居的概念逐渐深入人 心。自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳 大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。猶能家 居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛的应用。美国电子工业协会于1988 年编制了第1个适用于家庭住宅的电气设计标准，即家庭自动化系统与通讯标 准，也有称之为家庭

5、总线系标准（hbs）；我国也从1997年初开始制定小康住 宅电气设计（标准）导则（讨论稿）。目前已经出现的智能家居家庭信息处理平 台大致分为三类：第一类平台是机顶盒技术；第二类平台是家庭网关；第三类 平台是拥有自主知识产权的软组合家庭信息平台。智能家居能够为人们提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式。相信在 不久的将來，智能家居的概念一定会更加普及，而我们的生活质量也一定会有很大的提升。1.2无线网络技术远程控制技术由来已久，是控制领域的一项垂要技术。传统的远程控制主要 包括：基于无线的远程控制、基于有线的远程控制（包括基于公用电话网远程控 制、专用线路的远程控制）。其中无线方式和电话线远程控

6、制应用比较广泛，主 要是这两者初期建设的时间短，而且短时间应用中费用小，线路的维护费也比较 低。随着控制系统规模的不断扩大，现场环境越来越复杂，需要监控的目标越来 越多样化，对驱动器和用户接口的需求越来越高，同时监控系统的结构也变得越 来越分散化。目前的远程控制系统由于结构复杂、分布距离远，而且耍求集成网 络中的不同平台，这些问题是传统的方法所难以解决的。传统的远程控制方法已 不能适应系统拓扑结构的分散化需求。因此，随着计算机硬件成本的降低、功能 的口益强大，远程控制系统已开始倾向于使用计算机网络系统。利用网络进行远程控制始于上世纪80年代初，特别是随着网络带宽的发展 和稳定性提高，通过网络进

7、行远程控制越来越现实和可行。基于网络的远程控制 系统是以计算机为核心，结合多媒体编程技术、计算机网络通信技术以及自动控 制技术构建的控制系统。其优点就是体现在远距离监控方面，同时这种控制系统 还能与信息管理系统融合在一起，更好的管理服务，提高管理水平和工作效率。 适用于银行、邮电、电力、水电、教育、交通、公安、大型公共设施、大型仓库 及军事基地等场所。目前，计算机网络的传输介质基本上是有线介质，由电缆和光缆构成的有线 网络有其本质的缺陷：布线、改线工程量大；线路容易损坏；网络屮的各站点不 可移动。特别是当要把相距数公里到数十公里距离的远程控制站点接入网络时, 或把这样距离的两个远程控制子网相连

8、吋，如果采用电话线路做传输媒体时，有 速率低、误码率高和线路可靠性差的问题；而铺设专用通讯线路吋，有布线施工 难度大、费用多、耗时长等不足。这些问题都不同程度地制约着远程控制的需求。 而计算机无线局域网具有无需布线、安装周期短、后期维护容易、网络用户容易 迁移和增加的特点。所以弥补有线网络这一缺陷最迅速和最有效的方法是采用计 算机无线通信网络。2.需求分析国家建设部住宅产业化办公室提岀：作为智能化小区和家庭智能化的最低功 能要求，就是要实现家庭住宅内的“三防"功能；即：“防盗、防灾、防意外事故覽 由此可见家庭的安保在住宅小区安全防范工作中显的愈来愈重要。从防盗角度来看，传统的防盗铁门

9、和楼宇对讲等封闭式被动型的家庭安全防 范模式，这些防盗设施和产品对居民住宅的安全防范起到了重要的作用。但是随 着人们生活水平的提高，并且犯罪分子的作案手段趋于突发和智慧性，这些产品 已经不能满足居民的要求。因此，家庭住宅使用小型安保视频监控系统显得十分 必要。传统的视频监控系统一般只能为事后调查提供依据，而智能化的视频监控 系统应当不仅仅局限于被动地提供视频画面，还应该有一定的远程控制、识别物 体、发现异常，以最快和最佳方式发出警报、提供有效信息的能力。随着云计算、 图像处理以及传输技术的飞速发展，智能化的视频监控技术可行性越来越高。从防灾角度来看，家庭住宅最常发生的是普通火灾和电气火灾。对于

10、普通火 灾的报警系统，通常采用烟雾传感器。当发牛火灾时，烟尘进入传感器内部，报 警电路检测到浓度超过预设的阈值时将自动发出信号。对于电气火灾监控系统， 特点在于漏电监控方面属于先期预报警系统。与传统的火灾报警系统不同的是， 电气火灾监控系统早期报警是为了避免损失，而传统的火灾报警系统是为了减少 损失。将多个烟雾传感器与电气火灾监控系统结合，同时与火灾报警控制器联网、 通讯，可以组成一个具备灾前预警、灾后及时报警能力的火灾报警系统。该火灾 报警系统若接入小区和市区的消防部门，基本能够最大程度的预防和减少火灾带 来的损失。从防止意外事故发生的角度来看，家庭住宅主要还要防范以下几个安全隐患:(1)

11、燃气泄漏。随着社会的发展以及国家对绿色环境的提出，近年来全国 大多数城市都在大力发展燃气行业。伴随着燃气的广泛应用，燃气泄漏事故也变 得多发，因此针对燃气泄漏事故进行准确的预防和控制显得十分必要。(2) 雨天意外。家庭住宅中，当室外雨量较大，而室内门窗乂未关闭时， 极易出现雨水进入室内，造成经济财产损失，并且容易导致地板湿滑，引起不必 要的人身伤害。为此，智能化的家居监测系统应当包含对雨量的检测，当雨量超 过预设的阈值时，自动关闭门窗，避免发生意外。传统的雨量检测需要传感器元 件直接与雨水接触，时间久了容易发生电路老化，形成安全隐患。我们采用新型 的红外散射式雨量传感器，能避免传感器元件直接与

12、雨水接触，使得智能家居生 活更加安全。基于此，本项目设计了一种智能家居监控系统，可以有效监控燃气泄漏，普 通火灾，电气火灾，是否下雨以及是否发生盗窃事故。如有上述情况发生，系统 均会自动采取相应的有效措施，保证家庭安全。3项目技术方案3.1总体方案设计由于无线网络技术与传统的有线网络技术相比，具有成本低，安装便捷，移 动性强，高安全性，易维护等优点，因此，本项目选择无线网络作为数据传输的 载体。本项目采用pc机为上位机（主机），接有无线数据收发模块，并制作相应 的控制界面；各模块中均有单片机（从机）以及相应无线数据收发模块；主机和 各模块之间利用无线网络通信技术进行数据传输，从而实现主机对各模

13、块的控制。 本项冃的整体结构图如图1所示：图1基于无线网络的智能家居监控系统整体结构图3.2无线网络技术选择通常无线网络技术按通信的距离划分，大体上可分为以下四类:无线个域网、 无线局域网、无线城域网、无线广域网。(1) 无线个域网wpan无线个域网是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无 缝连接而提出的新兴无线通信网络技术。wpan能够有效地解决“最后的几米电 缆”的问题，进而将无线联网进行到底。因此在网络构成上,wpan位于整个网络链 的末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接。wpan所覆盖的范围一般在 10m半径以内,必须运行于许可的无线频段owpan设备具有价格便宜、

14、体积小、 易操作和功耗低等优点。无线个域网技术主要包括irda、bluetooth. zigbee、 uwb、wusb 等。(2) 无线局域网wlanwlan主要工作于2.5ghz或5ghz频段,能够提供家庭、楼宇间等的无线数 据传输服务，典型的覆盖范围从儿十米到数百米。目前无线局域网领域常见的技 术标准包括ieee802.il系列协议以及homerf标准等。(3) 无线城域网wman无线城域网目的是用于解决城域网的接入问题,覆盖范围为几千米到几十千 米，主要是指ieee802.16 (wimax)系列标准，工作在10-66ghz频段。根据是否支 持移动特性jeee802.16标准可以分为固定

15、宽带无线接入空屮接口标准和移动宽 带无线接入空中接口标准，其中802.16、802.16a、802.16d属于固定宽带无线接入 空中接口标准，而802.16e则属于移动宽带无线接入空中接口标准。它具有建网快、 带宽大、容量高、见效早的优点，可为运营商快速提供各种业务，完全可以组建一 个支持城域网范围内的综合业务网络，并具备进一步漫游接入潜力。(4) 无线广域网wwan无线广域网是指覆盖全国或全球范围内的无线网络，提供更大范围内的无线 接入，与无线个域网、无线局域网、无线城域网相比,该系列标准更强调的是快速 移动性。它主要指ieee802.20 (mbwa也被称作mobile-fi)标准，以及2

16、g (如 gsm)、2.5g (如 gprs、edge)、3g (如 cdma2000、tdscdma、wcdma)、b3g （如hsdpa）、4g （如lte）等蜂窝移动通信技术。基于上述分析，无线局域网（wlan）传输距离最符合项冃要求，同时成本 也较低。因此，本项目采用无线局域网（wlan）技术进行上位机与模块间的通 信。3.3系统硬件设计3.3.1可燃气体检测模块家庭屮，可燃气体的主要成分为一氧化碳（co）,燃气泄漏事故集屮发生在 厨房，因此，需在厨房内安装可燃气体传感器。本项目选用mq7型可燃气体传 感器。（1）可燃气体传感器测量原理mq-7型co气体传感器内部的气敏材料是由sno2

17、制成的，它在清洁空气 中拥有极低的电导率。它采用高低温循环的方式进行检测:在低温（1.5v）时检测 co,传感器的电导率随空气中co的浓度增加而逐渐增大；在高温（5v加热）时 就会清洗低温时吸附的杂散气体。它对一氧化碳的灵敏度高，可以检测多种含一 氧化碳的气体，且不受温湿度的影响。mq-7型co传感器由微型also3陶瓷管、sn02敏感层、测量电极和加热 器等部件构成。它内部的皱感元件固定在圆形的腔体内，为了提高传感器的选择 性，传感器气室用活性炭过滤层与外界隔开并且通过加热器促使气敏元件稳定工 作。mq7传感器有6只针状管脚，其中4个管脚用于输出测量信号，2个管脚 用于为传感器提供加热电流。

18、当mq-7传感器被加热达到稳定后，具有多晶结构的sn02膜能够吸收氧化 型气体，当氧化型气体被热分解时，sn02膜就会通过获得电子而变成负离子吸 附，则sn02膜的表面就会聚集大量的正电荷，并且会产生阻挡电流通过的电势 垒，从而使sn02敏感层的电阻增加；当具有还原性气体co在传感器的腔体内 显著增加时，co气体会因为加热而分解，sn02膜将会夺得正电荷，从而使得电 势全逐渐减小，使sn02敏感层的电阻减小。它的电路与mq-2的相同，灵敏度 曲线如图2所示。图2 mq-7灵敏度曲线图3所示为mq7传感器的基木测试回路。vc 01o °rl.m hrl <' h gnd

19、o o图3基本测试回路传感器的基本测试电路。该传感器需要施加2个电压：加热器电压（vh） 和测试电压（vc）。其屮vh用于为传感器提供特定的工作温度。vc则是用于 测定与传感器串联的负载电阻（rl）上的电压（vrl）。这种传感器具有轻微的 极性，vc需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，vc和vh可以 共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的rl值。（2）可燃气体检测模块的整体设计可燃气体检测模块由mq-7传感器，单片机以及报警装置组成。单片机实时读取co浓度值，当浓度值大于looppm时，系统报警，若超过两分钟无人响应, 上位机控制相应装置切断煤气源，从而实现可燃气

20、体的监控。3.3.2烟雾检测模块为了防止家庭中小范围火灾的发生，需要在家屮各房间内安装烟雾检测模块 以防止火灾的发牛。（1）烟雾传感器的选择与测量原理本设计使用mq-2型烟雾传感器，它由微型ai2o3陶瓷管、sn02敏感层、测 量电极和加热器等部件构成。mq-2型传感器内部的测量电极和加热器构成了敏 感元件，它固定在传感器的腔体内，并通过加热器促使气敏元件达到稳定的工作状 态。它所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的sn02,属于表面离子式n 型半导体。当传感器预热后正常工作时,sn02会吸附空气中的氧，从而形成氧的负 离子吸附。这样使得半导体屮的电子密度减少，使其电阻值增加。当烟雾颗粒进

21、 入后，原来吸附的氧脱落，烟雾颗粒以正离子状态吸附在sn02半导体表面。氧脱落 放出电子，而烟雾颗粒以正离子状态吸附也要放出电子，这样sn02半导体电子密 度增加，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增大而增大，电阻值下降，从而 输出的电压增大。当空气中没有烟雾颗粒时,sno2半导体又会自动恢复氧的负离 子吸附，使电阻值升高，输岀电压回到初始状态。它的等价电路如图4所示。h图4 mq2等价电路图烟雾传感器在最佳工作条件下接触同一种烟雾，其电阻值rs随气体浓度变化 的特性称之为灵敏度，用k表示:k=rs/ro上式中ro为烟雾传感器在洁净空气条件下的电阻值,rs为烟雾传感器在一 定浓度的检测烟雾中

22、的电阻值。温度为20摄氏度，相对湿度为65%,氧气浓度为21%, rl为5kq。它的应用 电路如图5所示：i6k_|lzlxg39nouuojbout1voc w10 nl(>) z)gnd w) im()k30图5 mq-2电路图图5屮vcc为5v电压，用来驱动mq-2烟雾传感器，它的4和6引脚作为电 压输出端,r14作为限流电阻,r16作为分压电阻,r17为滑动变阻器，通过它可以调 节mq-2烟雾传感器的灵敏度,d5为发光二极管起到指示作用，c8起到滤波作 用,lm339n为比较器。mq-2烟雾传感器上电预热一段时间后进入工作状态，的 输出端接lm33nn比较器的in1(+)引脚,m

23、q2烟雾传感器的输出端接in1()引 脚。如果in1 ( + )引脚的电压大于in1()引脚电压，则0ut1输出引脚输出高电平; 反之，则0ut1输出引脚输岀低电平,d5指示灯会发光。在mq-2烟雾传感器进入 止常工作状态后，通过调节r17滑动变阻器，使d5发光二极管先亮然后再灭，就会 达到一个相对灵敏的状态。(2)烟雾检测模块的整体设计烟雾检测模块±mq-2烟雾传感器，单片机，以及报警系统组成。单片机实 时读取当前烟雾浓度，当大于设定值吋，系统开始报警，并由上位机拨打电话给 家庭主人，若烟雾浓度持续增大，上位机拨打电话给119,并提供相应地址信息， 从而实现普通火灾的监控。333视

24、频监控（图像检测模块）视频监控是安全防范系统的重要组成部分。通常监控系统包括前端摄像机、 传输线缆和视频监控平台。在家庭中，需在各房间及客厅内安装图像传感器。（1）图像传感器的种类与对比分析图像传感器根据元件的不同，可分为ccd （charge coupled device,电荷耦 合元件）和 cmos （complementary metal-oxide semiconductor,金展氧化物半 导体元件）两大类。下面对这两类图像传感器进行对比分析。ccd与cmos图像传感器相比，具较好的图像质量和灵活性，仍然保持 高端的摄像技术应用，如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电视、 高性

25、能工业摄像、大部分科学与医学摄像等应用。cmos与ccd图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小、可将信 号处理电路与mos图像传感器集成在一个芯片上等优点。但其图像质量（特別 是低亮度环境下）和系统灵活性与ccd的相比相对较低。由于具有上述特点, 它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应 用，如保安用小型/微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、某些车用摄 像系统等大量商用领域。cmos与ccd图像传感器的光电转换原理相同，均在硅集成电路工艺线 上制作，工艺线的设备亦相似。（2）图像传感器的选型在住宅安全市场，系统价格、尺寸、功能的方便性和良好的维护性是重要的

26、 差异化因素。cmos传感器技术在这个市场已经占有了重要的一席之地。综上所 述，对于家庭用的小型安保监控系统，考虑到低功耗、尺寸小、维护成木低等特 点,选用cmos作为前端摄像机的图像传感器较为适宜，并决定采用onmivision 公司的 ov7720 cmos camera chip 传感器。（3）cmos图像传感器的工作原理有源cmos图像传感器（aps）是指像素结构内含有有源品体管的cmos 图像传感器，其中最为常用的是兼容cmos工艺的光电二极管型有源cmos 图像传感器，其电路结构如下图所示。有源cmos图像传感器的每个像元结构由一个光电二极管pd, 一个复位管ml, 一个源极跟随晶

27、体管m2和一个列线 选通管m3组成。光电二极管的偏置电压由复位管提供，复位结束后，光电二 极管开始光积分，产生光生电荷，从而使pn结电压下降。光积分结束后，行选 通开关打开使得m3与列总线连通，光生屯荷信号通过m2和m3传递到列 总线上。紧接着光电二极管再次被复位，开始下一次的光积分。vdd行选通逻辑定吋和控制输出图6 aps像素结构cmos图像传感器的总体结构如（图7）所示，一般由像素阵列、行选通逻 辑、列选通逻辑、定时和控制电路、在片模拟信号处理器（asp）构成，高级 的cmos图像传感器还集成有在片模数转换器（adc）。模拟信号处理器<平行棋/散转换誥 列选通逻m图7 cmos图像

28、传感器行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器，也可以是译码器，其中的行选 通逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选通逻辑单元与列选通逻 辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。定时和控制电路限制信号读出模 式、设定积分吋间、控制数据输出率等。在片模拟信号处理器是完成相关双取样、 信号积分、放大、取样/保持、双取样等功能，对信号进行放大处理，提高信 噪比（snr）o在片模数转换器是数字成像系统所必需的，cmos图像传感器可 以是整个成像阵列有一个adc或几个adc （每种颜色一个），也可以是成像阵 列每列各一个。外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选 通逻

29、辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各 自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及adc,转换成数字图 像信号输出。与ccd相比，这种结构提供了随机进入像元、以非常高的帧速率 直接开窗口的能力，同时避免了 ccd屮大量电荷转移很长距离的情况。（4）视频监控模块的整体设计在视频监控系统中，图像传感器将收集到的图像直接传送给上位机，由相关 的图像处理软件对目标进行识别，当发现可疑人员时，系统将图像发送至户主手 机中，户主根据图像决定是否报警，从而实现防盗智能监控。3.3.4电气火灾监控模块常见的相与相间发生短路可以产生很大电流采用开关保护，而发生人体触电、 线路

30、老化而导致的电泄露产生的火灾以及设备的接地故障都是由于漏电流所造 成，一般都在30ma-3a,这些值很小，传统开关所无法进行保护而必须采用对剩 余电流进行监测并进行保护动作的装置來进行。（1）剩余电流监测原理剩余电流是指流过电气线路三相电流瞬时值的矢量和（用有效值表示），也 称漏电流。探测器的传感器为零序电流互感器，零序电流互感器探测剩余电流的 基木原理是基于基尔霍夫电流定律即流入电路中任一节点的复电流的代数和等 于零，即zi=0o在测量时，三相线a、b、c与中性线n起穿过零序电流互感 器，通过检测三相的电流矢量和，即零序电流io, i0=ia+ib+ico在线路与电气 设备正常的情况下（对零

31、序电流保护假定不考虑不平衡电流，无接地故障，且不 考虑线路、电器设备正常工作的泄漏电流），理论上各相电流的矢量和等于零， 零序屯流互感器二次侧绕组无电压信号输出。当发生绝缘下降或接地故障时的各 相电流的矢量和不为零，故障电流使零序电流互感器的环形铁芯中产生磁通，二 次侧绕组感应电压并输出电压信号，从而测出剩余电流。考虑电气线路的不平衡 电流、线路和电气设备正常的泄漏电流，实际的电气线路都存在正常的剩余电流, 只有检测到剩余电流达到报警值时才报警。b c np图8剩余电流测量原理示意图（2）传感器选择与模块设计本项目采用剩余屯流探测模块，图片如图9所示，配有lcd显示，将电流互感器至于家庭的屯路

32、总线中。图9剩余电流探测模块该型号剩余电流探测模块适用环境温度为:-10-65摄氏度，相对湿度95%, 剩余电流动作值可在50ma至1000ma内设置，可根据不同家庭需要设置不同的 值，使用十分方便。将该检测模块进行改装，与单片机以及报警装置相连。单片机实时读取当前 的剩余电流值，当电流互感器检测到屯路中剩余电流人于动作值时，报警器会发 出鸣响声，当鸣响声持续五分钟以上h无人响应时，上位机将电路切断，从而避 免电气火灾的发生。3.3.5雨量检测模块目前雨量传感器的基本工作原理主要分为电容式，热电偶式，红外散射式等， 采用红外光散射式原理工作的雨量传感器产品数量居多，效果更好。本项目采用 红外散

33、射式雨量传感器进行雨量检测。(1) 红外散射式雨量传感器原理：红外辐射是一种与可见光相邻的不可见光，它也具有可见光的一般性能，遵 循光的直线传播规律、反射定律、折射定律、全反射现象、干涉现象、衍射现象、 偏振现象等。红外辐射除了具有可见光的一些性能外，它还具有它固有的特殊规律：当两 个物体吸收的能量不同，则它们发射的能量也不同；善于发射的物体必善于吸收， 善于吸收的物体必善于发射。当红外辐射到达物体表面时，一般要产生三种现象： 透射、吸收、反射，即入射辐射的一部分被吸收，一部分被反射，一部分被透射。红外反射式雨量传感器就是根据红外辐射的特性来进行雨量的测量。实际应 用屮，整套红外反射式雨量传感

34、器的组成部分有：一个能发出直线传播的红外辐 射光源、一个接收红外辐射强度的装置、一个放大红外辐射强度的装置、一个对 红外辐射信号的处理装置。图10所示的是某个红外反射式雨量传感器安装在汽车驾驶室挡风玻璃内侧, 进行雨量检测的原理图。从红外发射管发出的红外光以一个角度育射到描风玻璃 并发牛折射。空气的折射率是1,水的折射率是1.33,玻璃的折射率是1.5。根 据光的折射定律计算得出，光从玻璃入射到空气的临界角是42。，从玻璃入射到 水的临界角是63。取在42。和63。之间。如果扌肖风玻璃上敏感区域（传感器作用 范围）无水，且红外光的入射角大于42。，雨量传感器发岀的红外光将在玻璃和 空气的界面发

35、生全反射并由红外接收管接收；如果挡风玻璃上敏感区域有水，且 红外光的入射角在42°63°区间内，玻璃和水滴的界而发生折射并在水和空气界 面散射出去，引起红外接收管接收到的反射光减弱。因此，根据红外接收管感应 反射信号的强弱可以判断挡风玻璃敏感区域雨水的大小。将红外接收管接收的红 外信号通过一定的方法转变为可用于测量的电流或电压等信号，根据检测的电流 或电压的强度变化来进行控制雨刷的运作，从而使得雨刷可根据雨量大小自动调 节。勺风玻璃图10红外反射式雨量传感器检测雨量原理图（2）传感器选择与设计红外散射式雨量监测模块由单片机，红外发射电路以及红外接收信号放人电 路组成。<

36、;1>单片机选用atmel公司的megal28单片机，编写相应控制程序。<2>红外发射电路采用mason公司生产的ms -ptv1608f1c型红外发射管，波长为940mm 图11所示的两组红外发射二极管同时工作,可以提高红外发射光强度。单片机发 出28khz的方波调制信号作为红外发射管的控制信号，此方波调制信号的频率远 大于雨滴下落的频率，也比环境光中的红外线强度波动频率高得多。这样，可消除 环境光中的红外线对测量的干扰。图11红外发射电路<3>红外接收放大电路图12为红外接收放大电路。mason公司的ms -ptv1608pt1c型红外接 收二级管d3在反向偏置下工作，可获得较高的开关速度，以满足接收较高频率的 红外光。红外接收信号的放大部分采用双运放lf353构成电流电压转换器。电 流信号通过电阻r3转化为电压信号,并由同相放大器放大输出。图12红外接收放大电路（三）传感器工作方式在家屮每处窗户玻璃内侧装