基于光电探测的智能家居系统设计

1、 武汉轻工大学 毕 业 设 计（论 文）设计(论文)题目：基于光电探测的智能家居系统设计姓 名 黄 灼 彬 学 号 101204208 院（系） 电子与电气工程学院 专 业 电子信息科学与技术 指导教师 李 鸣 2014年6月15日III目录目录I摘要IIAbstractIII1.绪论11.1.智能家居的国内外发展概况11.1.1.智能家居的国外发展现状11.1.2.智能家居的国内发展状况21.2.研究智能家居的目的和意义21.3.智能家居的系统组成31.4.光电探测器在智能家居中的使用31.5.本文的主要研究方向32.系统总体的设计42.1.总体方案设计42.2.器件的选择42.2.1.控制

2、芯片选择42.2.2.光电探测器的原理及其选择62.3.A /D转换器82.4.本章小结93.防火系统硬件的设计103.1.电源模块的设计103.2.单片机电路103.2.1.晶振电路113.2.2.复位电路113.3.传感器控制电路113.4.声光报警电路123.5.数据采集与分析电路143.6.本章小结164.防火系统软件的设计174.1.基于Keil C51软件开发环境174.2.火灾报警系统主程序设计174.3.数据采集子程序184.4.本章小结205.系统的结果与误差分析215.1.光电烟雾探测器检定215.1.1.爆炸下限（LEL）概念介绍215.1.2.实验数据分析215.2.实

3、验误差分析24总结25谢辞26参考文献27附录28摘要随着现代科技的飞速发展，智能家居已成为我们生活的一部分。然而经济和城市建设的快速发展，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。所以，本文所介绍的智能家居系统中将会以防火系统作为重点详细介绍。本文通过介绍近年来国内外的智能家居发展概况，说明研究智能家居的目的与意义，以及本文所要设计的基于光电探测的家居系统主要关键所在。整个系统以AT89C51为控制芯片，光电感烟探测器为主要探测元件来进行设计，文中详细阐述了系统总体设计架构、硬件设计以及软件设计原理和方案，其中对于硬件部分的电路都有图解和分析，以便读者理解。最后，对该设计系统进行检定与误差分析

4、，通过对比烟雾浓度的理论和实际过程中测量的烟雾浓度值来看本设计在应用方面的可行性。关键词：智能家居系统；光电探测；防火系统AbstractWith the rapid development of modern technology, intelligent Home Furnishing has become part of our life. However, the rapid development of economy and city construction, the number of fires and the losses caused by a rising trend

5、year by year. Therefore, intelligent Home Furnishing system will be introduced in this paper to fire protection system as the key details.This paper introduces the intelligent Home Furnishing development situation at home and abroad in recent years, explain the purpose and significance of the resear

6、ch of intelligent Home Furnishing, and the design of the key Home Furnishing system based on photoelectric detection at. The system takes AT89C51 as the control chip, photoelectric smoke detector for detecting element to the design, the article describes in detail the overall design of system archit

7、ecture, hardware design and software design principle and scheme, which has charts and analysis for the circuit of hardware, so that the reader can understand. Finally, analysis of test and error of the design system, through the smoke concentration measurement comparison smoke concentration of theo

8、retical and practical values of the design process in the application feasibility.Keywords: Intelligent Home Furnishing system; Photoelectric detection; Fire protection system1. 绪论在21世纪生活的人们已经进入了一种快节奏、高强度的模式之中，生活中到处充满着竞争与压力，人们在对解决了吃饱穿暖的基础上，开始关注如何构建一个高度舒适、高度安全以及美观方便的家庭居所。由此，“智能家居”这个概念正式进入了人们的视野，不得不说如

9、今社会人们日益膨胀的需求使得家居智能化已然成为一种趋势。智能家居就是以住宅为平台，利用计算机技术、数字技术、网络通信技术和综合布线技术，将家庭生活密切相关的报警技术、家电控制技术、网络信息服务系统等各子系统有机的结合在一起，构建高效的住宅设施与家庭事务的管理系统，通过中央管理平台，提升家居舒适性、便利性、安全性，并实现节能环保的家居。1.1. 智能家居的国内外发展概况智慧家居概念很早之前就被提出，但是一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（United Technologies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneti

10、cut）哈特佛市（Hartford）的“City Place Building”时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此全世界掀起了争相建造智能家居的狂潮。1.1.1. 智能家居的国外发展现状自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，许多经济发达的国家先后提出了很多智能家居具体的方案。智能家居在日本、澳大利亚、韩国等国都有广泛应用。日本的智能家居产业在国际上享有盛誉，不仅实现了室内的家用电器自动化，还使用生物学的方法实现了自动门识别系统。站在安装了摄像机的门口，1秒钟后，假如确认为公寓的住户，就会打开大门。假如你提着东西，也能打开大门。厕所内的洗手池前还安装有体重计，你可以在洗手的时候测量

11、体重，检测的结果将显示于显示器上，全家人的测量结果都可被保存。让家居做到完全自动化是澳大利亚智能家居的主要特点，而且看不到任何手动开关。如一个用来推门的按钮，在其内部装了模拟手指来实现自动激活；游泳池和浴室的供水系统被结合在一起，加水或者排水将自动化；花园里的灌溉系统在下雨天将自动停止等等很多智能自动化的装置。在房屋中的一处安装了42英寸的等离子屏幕用于监测，其余房间的显示设备都隐藏在房间的护壁板中。安全问题也很考验智能家居的最终性能，在澳大利亚的智能家居安全系统里，传感器数量庞大，系统甚至可以检测出来一只飞行的小虫。韩国的数字化家庭系统特征可用4A描述，即Any Where，Any Time

12、，Any Device，Any Service，来说明系统在任何时间、任何地点都能让主人获得任何服务、操控家里的任何用具。比如，主人外出时，客厅里的录影机可以按要求将电视节目录制到硬盘上，录好的节目可在电视、个人电脑和PDA上随时播放；厨房中，联网的电冰箱成了其他智能家电的控制中心，冰箱不仅可以提供实物，还能上网、看电视，听起来不可思议；卧室内设有保健系统，可以监控到人的体温、脉搏和呼吸频率，医生可以根据这些来为主人提供及时的保健服务，通过网络和显示器，医生可“面对面”向病人提供服务。1.1.2. 智能家居的国内发展状况在国内，智能家居是一种基于小区的多层次家居智能化解决方案。它综合利用计算机

13、、网络通讯、家电控制、综合布线等技术，将家庭智能控制、信息交流及消费服务、小区安防监控等家居生活有效地结合起来，在传统“智能小区”的基础上实现了向家的延伸，创造出高效、舒适、安全、便捷的个性化住宅空间。2000年概念年：国内在这一年才开始有智能家居这个概念。通过网络、电视和许多刊物的宣传，许多小区住户开始了解到智能家居。各房产商户在楼宇的设计上也开始考虑实现智能化功能的设施，少数较为高级的住宅小区已经普及了比较全面的智能家庭网络。2001年研究开发年：在硬件和软件方面去实现智能家居都具有一定的困难，在短期内是很难研发成功的。国外对于这个系统过程的完成一般需要经过3年的时间，正因为已经有了国外的

14、一些经验可供参考，我国只花了2年的时间。2002年实验年：在这一年中，有些前卫的高档住宅小区和私人住宅，实现了家居在控制和管理上的智能化，一般居民的住宅和小区也已经接入了宽带网，这为智能家庭网络功能的完善打好了基础。2003年至2004年推广年：我国自行研制的智能家居系统已经比较成熟，基本有能力与国外的产品相抗衡，开始力行推广。2005年至2007年普及年：就从技术方面而言，我国的智能家居与欧美地区的差距并不大，仅滞后2年，在这几年中，我国自行研发的智能家庭网络系统和产品开始走进普通居民的家中1。1.2. 研究智能家居的目的和意义虽然在目前智能家居系统的发展有了一定的进展，而且各式各样的相应产

15、品也在市面上出现，但就从总体的发展而言，并未达到人们所期望的那样尽心尽意，尤其是行业中统一的标准和权威产品阻碍了智能家居的发展。随着人们生活条件的不断提高，对于家居环境提出的要求也越来越高，如何构建一个令人满意的家庭居所在生活21世纪以及未来的人们心中是至关重要的。1.3. 智能家居的系统组成智能家居系统包含以下主要的子系统：布线系统、网络系统、控制管理系统、照明控制系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、安防系统、环境控制系统八大系统。其中，控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统是必备系统，其余为可选系统2。1.4. 光电探测器在智能家居中的使用智能家居系统是一项庞大的工程，其中的防

16、火系统对其来讲更是十分重要的组成部分，而与防火系统中以光电探测技术为主要核心。光电探测器技术已经在广泛地运用于人们的生活当中，目前以主要应用于火灾探测的光电感烟探测技术最为完善。在当前火灾探测中主要有感温探测和感烟探测两种手段。感烟探测可以在火灾发生之前进行报警，所以在防火系统中，感烟探测器的使用率较高。感烟探测器又可分为离子感烟型和光感烟电型两大类，随着技术的进步，离子型探测器已经被淘汰，现在光电型探测器占据了市场的主导地位。1.5. 本文的主要研究方向本文中介绍的是一种应用于实际生活中的智能家居系统，通过对该系统的功能原理和具体实现机制的讲解，对其中硬件模块、芯片配置、软件模块进行简要说明

17、，切实反映该系统在功能上为人们生活带来的便捷，以实现光电探测的主要应用技术防火系统的设计为主要目的。具体的工作任务如下(1)对防火系统的总体方案设计：在对系统的设计中，本文以AT89C51单片机为控制芯片，采用光电感烟探测器为探测元件，模数转换电路以ADC0809芯片为核心来设计整个系统。(2)系统的硬件设计：在系统的硬件设计方面，首先对于电源模块的设计是至关重要，由整流电路、滤波电路、集成稳压电路等组成；单片机的电路则主要为晶振电路和复位电路的设计；然后设计了传感器控制电路、声光报警电路和数据采集分析电路。(3)系统的软件设计：软件部分以简洁而高效的C语言为设计语言，主要设计了系统的主程序流

18、程和数据采集子程序流程，最后在本文末尾的附录处给出了程序的代码。2. 系统总体的设计智能家居中的防火系统以火灾检测传感器为检测火灾是否发生的专门仪器，可以根据不同场合的要求，实地安装不同类型的火灾检测传感器。光电感烟探测器具有性能稳定，检测成功率高，使用期限长等优点，在防火报警系统中被广泛使用。2.1. 总体方案设计放大电路A/D转换单片机传感器状态指示灯声光报警系统的硬件设计框(图2.1)中，传感器将探测得到的物理信号转换为电信号，经过信号放大电路放大信号后进行A/D转换，单片机对数字信号进行判断，假如数值超出额定范围，单片机将发出报警信号。显示部分的电路通过准确地显示出警报的来源位置，对工

19、作人员起到警示的作用，从而及时地让工作人员做出适当的处理。图2.1 系统原理及组成框图2.2. 器件的选择2.2.1. 控制芯片选择本系统中使用的控制芯片使用的是AT89C51芯片(图2.2)，它自带有4K字节的FLASH存储器，是一种低电压、高性能的8位微处理器，也称单片机。AT89C51芯片可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，由于将微处理器和Flash存储器结合在一起，开发更为高效。如今市面上比较普遍的单片机有51系列与STC系列。STC系列虽然功耗低，性能好，但是存在内存溢出的隐患问题，多用于工业用途；AT89C51单片机价格便宜，上手容易。以下是AT80C51的主要部分引脚介绍：

20、P0口：P0口是8位漏级开路的双向I/O口，每个引脚可接受8TTL门电流。当P1口首次写1时，为高阻输入。P0可以用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。图2.2 AT89C51芯片实物图及其引脚图P1口：P1口也是8位双向I/O口，它为芯片内部提供上拉电阻，能接收输出4TTL门电流。在P1口管脚写入“1”时，被内部上拉为高电平，作为输入使用，被外部下拉为低电平时，作为输出使用。P2口：P2口是内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，作为输入端口。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/

21、O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平。通电时，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。ALE/PROG：当访问外部存储器时，该引脚用于保存存储器地址。PSEN：这是存储外部程序存储器选通信号的引脚。EA/VPP：该引脚为低电平时，无论是否存在内部程序存储器，都选外部程序存储器。XTAL1：引脚用于反向振荡放大器和内部时钟工作电路输入。    XTAL2：该引脚用于接收反向振荡器的输出3

22、。2.2.2. 光电探测器的原理及其选择火灾发生之前通常伴随有烟雾的产生，所以我们可以选择一种能够及时检测空气中烟雾含量的传感器来进行防止火灾的发生。根据本系统的设计要求和上网查阅了许多的相关资料，决定选择光电感烟探测器(图2.3)为烟雾传感器。这种探测器可安装于室内，多余可见或不可见的烟雾都能进行探测，能有效地对火灾发生初期进行预报4。当发生火灾之前，如果进入光电感烟探头中的烟浓度高于由阈值时，指示灯亮起，同时可以发出报警信号。这种探测器内的接口电路对于整个系统而言起着至关重要的作用，它可以将收到的烟雾信号转换为不同频率的电信号，由控制芯片来判断该位置是否真的发生火灾。图2.3常用的光电感烟

23、探测器以下介绍光电感烟探测器的工作原理：光电感烟探测器属于点型探测器，这是利用烟雾粒子的散射和吸收光原理进行工作，主要有两种形式的探测器：散射光型和减光型光电感烟探测器5。气溶胶粒子与光接触时，将发生吸收和散射两种不同的衰减过程。散射是将粒子已接收的光能以同样的波长再辐射，再辐射的强度在不同方向通常不同。吸收是将接收的光能转变其他形式的能，如化学能、动能。散射光型光电感烟探测器(图2.4)的光源发出的光和光电接收器成一个特定角度，无烟雾粒子时，光无法进入接受器件中；当有烟雾粒子进入探测室后，探测器光源发出的光线由于烟雾的散射被光电接收器件接收，产生电信号6。烟雾颗粒的直径一般在0.019

24、81;m 之间，其分布比较大、性质不稳定、容易让光产生散射。烟雾的直径处于0. 51µm 时，散射符合汤姆森散射。根据瑞利散射理论，空气中的烟雾颗粒可以近似看成一个微小的圆球，这时的瑞利比(即散射能力)7： (2-1)为散射函数，为圆球半径，为波长，为散射角，为圆球的体积，K为散射测量中的物理常数，为反差因子。从式（2-1）可以看出物质的散射能力与其体积平方成正比，因此烟雾中大颗粒比小颗粒的散射能力强得多。同时其散射能力也和散射函数有关，还与和有关，因此当烟雾颗粒较大且较大时，随着散射角的增大，函数下降较大；反之则情况相反。这就可以说明太大的颗粒散射能力也不强，以红外光作为光源可以有

25、效地感知火灾初期形成的烟雾浓度，很多高水平的烟雾探测器就是根据这个原理制作而成的。图2.4所示的是在一个不受外界光线影响，烟雾可以自由进出的光敏室中装有红外发光元件和红外受光元件。发光元件选取砷化镓红外二极管；光谱的范围介于0. 540. 95µm之间；光敏管使用的是硅光电池；接受的光谱选取于0. 51. 2µm之间。当光敏室中没有烟雾颗粒时，其散光能力极其微弱；燃烧开始时，烟雾颗粒将进入光敏室，红外光源发出的光在烟雾颗粒上产生散射，光敏二极管发生阻抗变化产生光电流。这个过程就实现了将烟雾信号转变为电信号，也正是光电感烟探测器的原理所在。 图2.4 散射光式光电式烟雾传感器

26、原理示意图由光电烟雾传感器对不同直径的烟雾粒子的响应曲线(图2.5)可以看出直径在0. 50. 9µm 的烟雾粒子，光电感烟传感器对其响应最好。图2.5 光电烟雾传感器对不同直径烟粒子的响应曲线2.3. A /D转换器在单片机控制系统中，往往需要控制或测量一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量等物理量。但是一般单片机本身只能处理数字量而不能处理模拟量，所以必须把模拟量转换为数字量(A/D转换)。A/D转换器(ADC)正是用来完成这个转换过程的器件。图2.6 ADC0809实物图及引脚图以下是ADC转换器的主要性能参数：(1) 分辨率：ADC对输入信号的分辨能力。分辨率以二进制数的位

27、数表示；(2) 转换时间：ADC从收到模拟信号开始，到输出数字信号使用的时间；(3) 转换误差：ADC实际输出的数字量和理论的输出数字量间的存在的误差；(4) 线性度：ADC的转移函数与理论中直线的最大偏移9。目前的ADC芯片在转换精度、转换速度和使用价值上都十分令人满意，本设计中采用的是ADC0809。由美国国家半导体公司生产，其内部有一个8通道多路开关，根据地址码锁存译码后的信号，只选用8路模拟输入信号中的其中一个来进行转换。目前国内最广泛使用的正是这种芯片。A/D转换电路采用了常用的8位8通道的专用芯片ADC0809(图2.7)，包括8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态

28、输出锁存缓冲器。以下为ADC0809的引脚功能：D7-D0 ：8位数字量输出引脚IN0-IN7 ：8位模拟量输入引脚GND ：地REF（+） ：参考电压正端REF（-） ：参考电压负端START ：A/D转换启动信号输入端ALE ：地址锁存允许信号输入端10。2.4. 本章小结本章主要介绍了系统的总体方案以及主要器件的选择。方案流程为从传感器接收烟雾信号经过A/D转换后传入单片机，再由其判断是否发生火灾。控制芯片为AT89C51，选用红外光电感烟探测器作为信号接收元件，模数转换器件则选用ADC0809。后面的硬件设计主要围绕所选的这些器件来展开陈述。3. 防火系统硬件的设计防火系统的硬件部分主

29、要由电源模块、单片机电路、传感控制电路、声光报警电路和数据采集与分析电路组成。这几个模块相互作用，整个系统缺少了其中任何一部分都不能正常运行。3.1. 电源模块的设计电源模块部分主要由整流电路、滤波电路、集成稳压电路等组成。集成电路型稳压电源具有性能稳定、带负载能力强、使用方便等特点 11。电源部分原理图如图3.1所示。220V的交流电通过变压器T1降低为12V，桥式整流以后将交流电压变为直流电压，再经滤波电容C11和C12去噪，再经IC4(7805)稳压后最终得到的+5V的电压，电容C13改善负载的瞬态影响，为主机电路供电12。图3.1电源部分原理图电容滤波电路是为了减小整流器输出电压中的波

30、动成分，使其成为稳定的直流电。因为经过二极管整流之后，交流电的就变得方向单一了，但是其大小还是在不断地变化。直流电不能直接为无线电装供电，而要使用平滑的直流电，所以还要进行滤波，让它变得平稳。3.2. 单片机电路单片机电路主要由晶振电路和复位电路两部分组成(图3.2)，晶振电路为单片机提供时钟信号，使其能稳定地进行工作；单片机启动时发出复位信号，使CPU及系统各部件从初态开始工作。3.2.1. 晶振电路AT89C51芯片中有一个高增益反相放大器用于构成内部振荡器，该放大器的输入端和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，它与石英晶体或陶瓷谐振荡器一起构成自激振荡器13。外接的石英晶体和电容C5

31、、C6形成的反馈回路中组成并联振荡电路。C5、C6的容量大小会对响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性等造成轻微影响，所以电容的容值设定为30pF。图3.2晶振电路与复位电路3.2.2. 复位电路AT89C51将信号从REST发送到施密特触发器中，振荡器稳定后，假如REST有一个超过2个机器周期的高电平信号，则系统实现复位14。本系统使用手动按钮进行复位，使用的方法是在REST引脚和Vcc之间串联一个按钮。按钮被按下时，REST端加入Vcc的+5V电压，系统完成复位。该电路中的SW-PB是手动复位开关，C10可以去除电路中的高频谐波干扰。图3.2给出了AT89C51的复位电路图。3.3. 传感器

32、控制电路因此，系统需要对传感器输出的模拟信号进行放大和滤波，以获得出理想的信号源15。温度传感器采用LM94022传感器，该传感器精度高，其输出电压与测量的温度成反比例关系。传感器的灵敏度为-5.5mV/，需要将GS0和GS1口进行接地。烟雾传感器输出的电压能达到好几伏，不需要放大，只需要进行滤波处理。由于传感器电路接的是直流电源，可以安装几个电容器来起到隔直通交的作用。本系统判断火灾是否发生的方法为固定门限检测法，设置温度阈值为56，烟雾的浓度为3.2%/cm-3 16。电路设计中要求高输入低输出，故放大电路、滤波电路的前置电阻R4、R8的阻值设为10K和1K。由于运放LM324的输入级是差

33、动放大电路，要求两端输入回路参数对称，即，故，。依据运算放大器“虚短”、“虚断”特性，有。电压放大倍数为：， (3.1)滤波电路能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分，滤除或衰减无用频率信号到足够小。为了使滤波器的效果达到最佳，可以用过加强网络的强度来实现，本系统使用的是通过二阶滤波器电路来改善电路8。因为在发生火灾初期，温度和烟雾的变化十分缓慢，所以可以使用二阶有源低通滤波器电路来增强输入信号。将串联的两节RC低通网络直接与反向电压跟随器电路相连，可以构成烟雾和温度调理电路中的简单二阶低通滤波器电路，这就实现了滤波的功能。在该电路中，。LPF电路电压放大倍数为： (3.2)用取代s，且令

34、，得出电压放大倍数为： (3.3)由于为信号频率二次幂的函数式，故为二阶LPF。设带通截止频率为，则当时，上式的分母的模应等于，可解出二阶LPF的上限截止频率为： 二阶低通滤波电路的衰减斜率可达-40dB/十倍频，但是又由于远离，即在处，信号的放大倍数已急剧下降，所以该滤波电路以降低滤波器通频带为代价来获得滤波器衰减斜率。3.4. 声光报警电路声光报警电路在AT89C51的控制下，可以根据不同的情况发出不同的声光信号报警。蜂鸣器(图3.3)需要的工作电流比较大，单片机的I/O 口不能提供太大的电流，可以使用三极管放大电路进行驱动。该电路由单片机的P10引脚进行控制，当P10输出的电平为高电平时

35、，三极管导通，蜂鸣器的电流形成回路，发出声音进行报警；否则，三极管截止，蜂鸣器不进行工作。光报警电路图(图3.4)中单片机的P2口进行控制，P2口的P23P26分别控制4个发光二极管，予以光报警，如图所示。P23P26控制的灯依次为红色(火灾信号灯、异常信号灯)、黄色(故障信号灯)和绿色(正常信号灯)。当P23P26输出低电平时，对应的信号灯便会发光报报警。图3.3 蜂鸣器报警图3.4 光报警电路3.5. 数据采集与分析电路系统中的A/D转换器采用ADC0809，以下是该芯片中的几个重要管脚功能：ALE用于地址锁存允许输入，高电平时有效，当它进行工作时，A，B，C三条线的地址信号被译码器与地址

36、锁存器锁存，通过译码器后，被选通道的模拟信号进入A/D转换器进行数字转换。A，B，C用于选择IN0IN7中的一个模拟信号表示输入。当START端口处于上跳沿时，内部寄存器全部被清零；当其为下跳沿时，则对模拟信号进行A/D转换；在这个期间，START必须一直处于低电平状态。EOC为高电平时，表示A/D转换过程结束；否则，表示还在进行转换。OE为允许输出信号的端口，OE1，输出数据。ADC0809的时钟频率为500KHz，时钟信号由外部C51单片机的ALE端口进行提供。图3.5为系统AT89C51与ADC0809接口电路。图3.5 AT89C51与ADC0809接口电路当AT89C51的ALE端口

37、不访问外部存储器时，AT89C51的ALE端以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，故晶振设定12MHz，再经过二分频电路，单片机即可向ADC0809输出500KHz的时钟信号。二分频电路由D触发器实现，R、S端接地，D接Q非，Q端作为输出端，CLK接AT89C51的ALED端。D触发器的特性方程为 (3.4)由于当CP=1时，D触发器有效；CP=0时，触发器保持原来状态。故D触发器能实现对ALE端口的信号二分频。由于本火灾报警系统只采集温度、烟雾信号，经过调理的温度、烟雾信号分别进入ADC0809的IN-0和IN-1端口，其余输入引脚接地，8个数字量输出引脚接AT89C51的P0口。单片

38、机的P0口接受ADC0809传输来8位数字量，向A/D输出的8位地址经地址锁存器74LS373锁存，选择低3位地址作为A/D的通道选通地址。ADC0809通道选通如表3-1。表3-1 ADC0809通道选通通入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7A BC 000 001 0 10 1111001011101113.6. 本章小结本章介绍了智能家居防火系统的硬件电路设计。电源部分为整个系统提供可靠的工作电源，单片机的复位和晶振电路使其能从初态进行稳定地工作，传感器电路获取的信号经过放大滤波，再由数据采集和分析电路进一步地处理，最终由单片机判定是否需要进行声光报警。4. 防火系统软

39、件的设计本系统使用C语言进行程序设计，因为C语言由函数组成，是一种结构化的程序设计语言，易于实现模块化，可读性好，移植性强，同时还能进行位操作。在数据结构方面，可以使用结构体和数组等多种复杂的数据，用于实时处理系统再好不过。编程软件使用的是Keil C51开发系统，它是一种是51系列兼容单片机C语言软件。Keil C51提供了很丰富的库函数和集成开发调试工具，功能强大，操作简单。Keil C51还能高效地进行编译，生成目标代码效率很高，在开发大型软件时还能自动生成许多代码。 Keil C51是一种集成开发环境(IDE)，在用户区可以一次性完成编写、编译、链接、调试和仿真整个流程。首先，在文本区

40、可以用C或汇编进行编写代码；然后由C51及A51编译器生成目标文件(Obj)；再由目标文件链接为绝对目标文件(ABS)；最后将绝对目标文件转换为标准Hex文件。在开发环境中还可以使用调试器dScope51或tScope51进行调试。4.1. 火灾报警系统主程序设计本系统采用模块化程序设计方法，这样有利于系统的维护和功能扩充，通过调用子程序使得程序结构清晰，以便于以后进一步扩展其功能。本系统主要包括数据采集、火灾判断与报警子程序等。系统采用了多次采集、多次判断的方法来降低误报率，每次进行数据采集之后再根据所得到的数据对当前现场的情况进行一次判断，然后综合多次判断结果从而做出最终的火情判断。火灾报

41、警系统控制器上采用AT89C51作为主控芯片，其主要功能包括：控制IO端口、逻辑判断处理、驱动外部电路和A/D采样等，该部分是火灾报警系统智能化的集中体现。系统程序流程图如图4.1所示。主程序是一个无限循环体，其流程是：首先在上电之后系统的各部分包括单片机输出输入端口的设置、数据存储电路、外围驱动电路等完成初始化，接下来执行火灾报警系统的数据采集程序、火灾判断、报警程序。系统初始化后，AT89C51的P26和P10口为低电平，P23、P24和P25口为高电平，所以只有绿灯D8亮，D5、D6、D7不亮，蜂鸣器不报警。图4.1 程序流程图4.2. 数据采集子程序数据采集函数在整个程序中的是最重要的

42、部分。，系统设计时采用了两次采集、两次判断的方法为温度烟雾降低误报率。当采集完烟雾信号的数据之后，将其存入寄存器中，再将寄存器中的数值和原先设定的阈值进行直接比较，判断该位置是否真的有火灾情况。流程如下：硬件部分和软件部分初始化完成后，ADC0809芯片中的IN0引脚对接收到的温度信号实现A/D转换，单片机将转换好的数据存入寄存器中，由INT1实现中断服务；接着延时10ms，ADC0809芯片中的IN1引脚对转换烟雾信号，完成后也将其存入寄存器中。接着延时50ms，准备进行第二次数据采集。单片机每次完成A/D转换后开始等待外部中断1，当ADC0809芯片中的EOC口被写为1时，系统进行中断，通

43、过中断服务程序进行读取A/D转换得到的数据。系统烟雾信号采集程序的流程图如图4.2所示，该设计采用的是模块化设计，报警功能是通过调用子程序实现的。在数据采集子程序中，一次烟雾信号采集延时10ms，让ADC0809准备好进行下一次信号转换。当系统采集2次烟雾信号后，转换好的数据存入单片机的寄存器中，系统再调用火灾判断子程序。图4.2 数据采集流程图 火灾报警系统中使用的是温度传感器LM94022和光电烟雾传感器，烟雾传感器输出电压V和烟雾浓度p之间的关系为： V=-0.3p+5.6 (4-1)设计中的温度传感器的灵敏度为-5.5mV/。在本设计中报警温度设为56，烟雾报警浓度设为3.2%/cm-

44、3。经过换算可得出温度烟雾传感器输出火灾报警临界电压值为： ，系统将每次信号采集到的数据与原先设定的阈值比较，当温度大于等于57时，寄存器变量a置为1，否则置为0；当烟雾浓度大于等于3.2，寄存器变量b置为1，否则置为0。根据寄存器变量a和b的状态，对现场情况进行判断：寄存器a、b均为0时，说明情况正常，没有火灾发生；寄存器中仅有1个为1，说明情况异常；寄存器a、b均为1时，说明有火灾发生。系统对现场进行报警判断后15s，会再次采集信号进行再次判断，如果情况异常，声光报警也将持续15s，直到下一次判断结果的出来。4.3. 本章小结本章实现了对系统的软件设计，在语言选择方面采用简洁、高效的C语言

45、进行程序设计。详细的流程图可以让读者对程序的结构一目了然，其中重点讲解了数据采集函数的实现方式，还对程序运行的结果进行预测。在论文的附录部分给出了整个程序的源代码。5. 系统的结果与误差分析在完成系统的设计之后，所要进行的是对系统的测试结果进行测量，并对结果进行分析，看这个设计是否满足实际生活的要求。理论上行得通的方案在实际应用中并不一定能完美地执行，还需要考虑诸多因素，所以对各方面所造成的误差还要进行进一步的分析，以提高该设计在实际应用中的可行性，本章就是对系统的结果进行全方位的检测。5.1. 光电烟雾探测器检定 整个防火系统中最为关键的一步就是光电烟雾探测器对于烟雾浓度的测量是否准确，如果

46、在这个过程中的测量误差比较大对整个设计将是致命的，在实际应用中对人身以及财产安全将会造成不可估量的损失。所以本章将主要分析光电感烟探测器对于烟雾浓度所转化的电压值是否能达到预期的精确度。5.1.1. 爆炸下限(LEL)概念介绍 在火灾发生前，烟雾的浓度过低或过高时造成的危险较小，而当与空气混合形成一定比例的混合气便会发生燃烧，严重时产生爆炸。本论文采用“%LEL”作为烟雾浓度的测量单位以及衡量标准，“LEL”是指爆炸下限。可燃烟雾在空气中遇明火发生爆炸时的最低浓度，被称为爆炸下限(Lower Explosion Limited)，简称LEL。 爆炸极限是指介于爆炸下限、爆炸上限之间的总称，当可

47、燃烟雾在空气中的浓度处于这个状态时会发生爆炸。一般检测仪可测量的可燃烟雾浓度的范围在0100%LEL，因此，进行测量时，我们应将烟雾的报警浓度设定在爆炸下限的25%LEL以下。因为煤气中主要成分为甲烷和一氧化碳，所以本实验决定选用甲烷作为测量烟雾。在空气，甲烷遇到明火产生爆炸的浓度为9%11%。假设10%为甲烷爆炸下限的浓度值，把甲烷的浓度进行一百等分，当检测仪器的数值达到20%LEL时发出报警信号，此时的甲烷含量为2%体积比。5.1.2. 实验数据分析 本实验中的甲烷浓度为010%，对应于0100%LEL。对于放入气体的测量，我决定采用M402133型便携式甲烷检测仪，该仪器能够准确测量甲烷

48、浓度。由仪器测得的甲烷烟雾浓度与单片机输入端的电压值如表5.1所示。表5.1甲烷烟雾浓度与单片机输入端电压值数据浓度（%LEL）电压（V）03.70103.65203.60303.48403.30502.98602.61702.22801.80901.021000由表5.1可得到图5.1，从曲线图可看出，电压值与烟雾浓度(%LEL)之间是非线性关系对其进行线性化处理后，使显示的烟雾浓度与实际浓度的误差在±5%范围内。对图5.1进行线性化分析时，根据该曲线将烟雾浓度分成7段。 图5.1 烟雾浓度与电压线性图曲线方程： (5.1) 其中，f(x)为实际烟雾检测的LEL浓度，x为对应的电压

49、值，xi对应下限浓度的电压值，xi+1对应上限浓度电压值，f(xi)对应下限点烟雾LEL浓度值，f(xi+1)对应上限点烟雾LEL浓度值，由式(5.1)得出以下方程式：0%10%LELf (x) = -0.50x + 3.7010%20%LELf (x) = -0.50x + 3.6120%40%LELf (x) = -1.50x + 3.9040%50%LELf (x) = -3.2x + 4.5850%60%LELf (x) = -3.7x + 4.8360%80%LEL f (x) = -4.05x + 5.0480%100%LELf (x) = -9.00x + 9.00 根据以上的方

50、程式可对应地将电压值换算为烟雾LEL浓度值，由仪器测量的烟雾浓度与单片机测量浓度误差对比如表5.2所示：表5.2分段线性化误差数据实际浓度（%LEL）测量浓度（%LEL）浓度误差000109-12023330355404445055560600707118079-1908911001000表中显示的烟雾浓度与实际浓度之间的平均误差为1.70%，而实际生活中对烟雾报警系统的误差要求在±5%的范围之内，本论文中的防火报警器满足检测要求。虽然在一定的范围内，该系统所达到的误差接近于5，但是本系统的所设定的烟雾浓度阈值为9%(90%LEL)，在这个范围内的误差还是很小的，所以就从触发报警这方

51、面而言，其精确度还是可以让人信服的。5.2. 实验误差分析 在测量仪器的实际使用中，通常误差源也很多，多种误差源综合作用导致实验结果误差增大。以下是我在实验中通过检验结果和分析得出来的可能存在的误差 ：(1)直流电源产生的误差 系统虽然使用整流滤波电路将交流电转换为直流电源供电，但还是会残留一定的交流成分而形成噪声信号，对硬件的运行有一定的影响。为了尽可能地减小噪声，数字电路和模拟电路要在同一点接地，这样每个芯片的电源就接近退耦电容，可以减小硬件误差。(2)A/D转换器产生的误差A/D转换器在转换模拟信号为数字信号时 ,量化误差对大小模拟信号影响不同 ,对小信号转换精度造成的误差较大。而在试验

52、中，烟雾的浓度比较小时，A/D转换器就会带来一定的误差。(3)信号放大造成的误差 传感器的输出信号通常比较小，同过放大电路和滤波电路对其调整，可以得到满足单片机的输入要求。运放器的误差是形成放大误差的根本原因，运放的输入失调电压是影响电路精度的重要因素。 (4)外部环境噪声引起的误差 实验环境中的温度、湿度、空气中的尘埃等都会对烟雾探测器和单片机及其外围电路造成影响。系统还会受到各种外部电磁噪声的干扰，通过用屏蔽电缆连接探测器与控制器之间的信号线能有效地抵抗噪声干扰。总结家居智能化是一个进程，它推动了传统的建筑产业与新兴的信息等产业的结合。本次智能家居系统的设计让我学到了很多知识，。在设计过程

53、中，由于自身知识的局限性，我查阅了大量的相关资料，并通过对参考文献的借鉴和学习才得以完成。在未下笔之前，对论文毫无概念，不知从何下手。但是，后来先从看别人的论文，一点一滴慢慢积累，每看一篇必定做好总结，之后便有了一定的思路。本论文通过分析国内外智能家居的发展状况，指出研究基于光电探测的智能家居系统设计对现实生活的具体意义，再进行合理设计整个系统。系统主要由探测器、A/D转换、单片机和报警器这几个部分组成，但各个部分也是一个独立的模块，所以虽然原理简单，但实际操作起来还是费了不少精力。在实验器件方面，以红外光电感烟探测器、AT80C51单片机和ADC0809转换器为核心，由此连接组成整个系统。当

54、然也对电源和晶振等电路也做了详细的设计和介绍。本文以C语言为软件设计语言，对51单片机进行编程，对于设计过程给了详细的流程图，而且在本文的附录部分给了实验代码。通过这次的论文设计，是我了解到电子技术在人类生活中的广泛使用，我们的生活正是因为有这些小器件的拼凑才变得如此的方便。智能家居这项新兴的建设技术正迈开了它坚实的步伐朝着21世纪越走越前，然而这一切都离不开电子信息技术的默默支持。未来的智能家居发展将会越来越智能化、人性化，但是这些都离不开电子专业人才日积月累的学习研究和一步一步将它实现，所以为了美好的明天，我们更得不断努力。谢辞光阴似箭，日月如梭，转眼间这篇论文将为四年的大学生活划上一个句

55、号，而对于我的人生却而言却仅仅只是开始。在武汉轻工大学四年的校园生活中，通过同学们和老师们的帮助，我收获满囊。在临近毕业之际，心中思绪万千，久久不能平静。 首先，我在这里首先要感谢我的论文指导老师李鸣老师，他以渊博的知识和广阔的视野给与我对电子科学深深的启迪，本篇论文也凝聚着他辛劳的汗水，他严谨的教学态度和一丝不苟的敬业精神深深的感染了我，对我在校期间的学习产生了巨大的影响，在此我衷心地向他表达了谢意。我为有这样一位好老师引以为豪，他值得我尊敬和学习。 另外，感谢和我同一屋檐的室友，谢谢他们在学习上和生活上给与我关怀和鼓励，在这段美好的日子里我们共同努力学习，探讨知识和人生，本论文的完成离不开他们的一份汗水和努力。我们共同维系着彼此之间兄弟般的感情，相处融洽。更要感谢我的父母，他们在我身后的无私地奉献，为我在这大学四年的的学习生活创造一个良好的环境。为了完成这四年的学业，父母为