智能家居监控系统设计

1、智能家居监控系统设计电气工程学院传感器课程设计报告班级：自133姓 名：王高飞学号：1312011076设计题目：智能家居监控系统设计设计时间：2016.6.206.24评定成绩：评定教师：1 / 42智能家居监控系统设计【摘要】智能家居以住宅为平台，将建筑、网络通信、信息家电、管理融为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的家居环境。智能家居是一个多功能的系统，包括家庭内部的安全防范、家居布线系统、家电控制、远程的视频监控系统等。家居智能化设计包括传感器的检测，信号的传递，结果处理等。但现在仍未普及，而且目前智能家居的国际标准未成热，因此智能家居监控系统仍然存在广阔的发展空间。本文设计的智能家居

2、系统以AT89C51I片机为核心控制单 元，实时获取DS18B20&度传感器、MQ-2煤气（烟雾）传感器、HC-SR50人体 红外线传感器的数据，并通过LCD160维显示当前状态。除此之外，本文还设计 了基于新型MEMS专感器的老年人跌倒监测系统。关键词 】智能家居、AT89C51、 MQ-2、 HC-SR501、 LCD1602、 MPU60509 / 42目录1 .设计要求7.1.1. 设计题目：智能家居监控系统设计 71.2. 设计要求分析 7.2 .总体方案8.2.1. 模块方案选择 8.2.1.1. 单片机模块8.2.1.2. 温度检测模块 8.2.1.3. 煤气、烟雾检测模

3、块92.1.4. 外人入侵检测模块1.02.1.5. 老人跌倒监测模块 1.02.1.6. 无线通信模块 1.12.2. 方案设计 1.23 .硬件设计.133.1. 关键器件简介1.33.1.1. AT89C51 简介.133.1.2. 煤气、烟雾传感器 MQ-2143.1.3. 人体红外传感器 HGSR501153.1.4. 温度传感器 DS18B201.63.1.5. 加速度传感器MPU60501.63.1.6. nRF24L01无线收发模块 1.73.2. 电路各单元原理图 193.2.1. USB接口及电源1.93.2.2. 晶振及复位电路2.03.2.3. 最小系统2.03.2.4

4、. LCD1602M晶显示电路 213.2.5. 报警电路2.13.2.6. 无线通讯与稳压单元2.23.3. 各模块电路原理图2.23.3.1. 温度检测模块2.23.3.2. 外人入侵检测模块2.33.3.3. 煤气、烟雾检测模块2.43.3.4. 老人跌倒监测报警模块2.53.3.5. 主机模块2.64 .软件设计2.7.4.1. 温度检测报警模块2.74.2. 煤气、烟雾检测模块3.25 .系统仿真3.5.5.1. 温度报警检测模块3.55.2. 煤气、烟雾报警模块3.65.3. 仿真的局限性3.65.4. 方案改进3.7.6 .设计总结3.9.参考文献341 . 设计要求1.1. 设

5、计题目：智能家居监控系统设计以提高家居生活的安全性、舒适度、人性化为目的，设计智能家居监控系统。 利用所学的传感器与检测技术知识，实现家居温度、煤气泄漏、外人闯入、火灾（烟雾）的检测（以上检测项目必做。在此基础上增加检测项目并具有可行性，加分。除环境监测项目外，也可增加人体信号检测等。）。各检测节点可通过无线方式连接到主机，检测到危险信号后，主机可采用声光报警或远程报警。1.2. 设计要求分析如果要实现以上功能，进行如下功能分解： 对室内 4 个地点（如卧室、客厅等）的温度检测，满足自动控制温度的要求。 对室内空气中煤气、烟雾的含量进行监控，一旦超过所设定值，则报警装置启动，警示灯亮。 设计防

6、止外人侵入模块，采用红外线人体感应传感器，一旦有人进入监测范围内，则报警装置启动，警示灯亮。 除满足以上基本要求外，另采用 MPU6050加速度传感器对室内老人的跌倒情况进行监测，一旦老人跌倒，自动装置会报警，并通知家属及门卫，及时采取措施。2 .总体方案2.1. 模块方案选择2.1.1. 单片机模块方案一：使用AT89C51单片机模块。AT89C51是一种带4K字节FLASH 存储器（FPERO）MFlash Programmable and Erasable Read Only Memory ）以 及128 BYTES随机数据存储器的低电压、高性能 CMOS 8位微处理器。内 置功能强大微

7、型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。方案二：使用MSP430单片机模块。MSP430系列单片机是美国德州仪 器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC） 的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。其具有处理能力强、运算速 度快、超低功耗、片内资源丰富等特点，因而在许多单片机领域都得到广泛 应用。AT89C51相对于MSP430虽然存储容量小，功能较为逊色。但是出于我 对AT89C51单片机较为熟悉，而且 AT89C51足以满足此次设计任务，因此 我选择AT89C51模块。一下所有模块单元中，者B采用 AT89C51作为微控制 器

8、。2.1.2. 温度检测模块方案一：通过使用PCF8591芯片，首先检测多组热敏电阻电压与温度的 对应关系，通过MATLA嗽者excel列表绘图拟合出热敏电阻电压与温度的 对应函数关系，进而通过编写程序得出一般情况，即在任意对应的电压下都 有对应的温度。使之显示在 LCD1602夜晶显示器上。方案二：通过使用芯片直接将检测的热敏电阻的电压数据（数字量）传入至AT89C52I片机中，经过多组测量找到温度与电压的对应关系，最后确 定一个函数关系式，并通过此关系式编写程序算法，将其显示在LCD1602夜晶显示器上。方案三：采用单总线数字温度传感器 DS18B20M量温度，直接输出数字信号。 便于单片

9、机处理及控制，节省硬件电路。该芯片的物理化学性质稳定，线性性能好，在0100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。DS18B20勺 最大特点之一采用了单总线的数据传输， 由数字温度计DS18B2阱口微控制器 AT89C51 构成的温度装置，它直接输出温度的数字信号到控制器。每只DS18B20M有一个独有白不可修改的64位序列号，根据序列号可访问不同的 器件。这样一条总线上可挂接多个 DS18B2质感器，实现多点温度测量，轻 松的组件传感网络。综上，DS18B20g较于前两种方案具有很多优势： DS18B2床用数字量输出，可以直接连接到单片机的I/O 口上，而不需要D/A转换电路。 多个DS18B

10、2M以挂靠在同一条总线上，能够轻松的组件传感网络。 DS18B201较于热敏电阻更加灵敏，分辨率更高。因此，本文采用DS18B2W度传感器作为测温元件。2.1.3. 煤气、烟雾检测模块方案一：采用电离式烟雾传感器 NAP-070此传感器根据计算机模拟最佳性能设计的单元式结构，此电离室专用于烟感探测器。其所有材料采用高耐腐蚀材料，安全性能达到 GB C6464标准。除此之外，其平衡电离度小，满 足模拟量烟感探测器使用要求。方案二：采用气MQ-2 型烟雾传感器，它是由二氧化锡半导体气敏材料构成，属于表面离子式 N型半导体。当处于200300c温度时，二氧化锡 吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使

11、半导体中的电子密度减少，从而智能家居监控系统设计使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调 制而变化，就会引起表面电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存 在的信息。本文采用方案二中的MQ-2 型烟雾传感器。一方面它可以同时检测煤气和烟雾，能够同时满足设计中的两项要求，这样选择可以节约成本，简化电路。另一方面，MQ-2相较于NAP-07更加流行，其相关资料也较多，使用起 来比较方便。2.1.4. 外人入侵检测模块本模块传感器采用HC-SR501 人体红外感应模块。HC-SR501 人体红外感应模块是基于红外线技术的自动控制产品。灵敏度高、可靠性强、超低功耗，超低电压

12、工作模式。广泛应用于各类自动感应电器设备, 尤其是干电池供电的自动控制产品。在本设计中，该传感器安置于窗户，一旦陌生人靠近，触发喇叭报警。2.1.5. 老人跌倒监测模块本模块传感器采用MPU6050传感器。MPU6050是全球首例6轴运动处 理传感器。它集成了 3轴MEMS陀螺仪，3轴加速度计以及一个可扩展的数 字运动处理器DMP,可用IIC接口连接一个第三方的数字传感器。扩展之后 就可以通过其IIC或SPI接口输出一个6轴的信号。MPU-6000( 6050)的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000 与±2000° /sec (d

13、ps),可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的 加速器全格感测范围为土 2g、±4g±8g与土 16g。产品传输可透过最高至 400kHz 的 IC或最高达 20MHz 的 SPI (MPU-6050 没有 SPI。MPU-6000 可在 不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V± 5%、3.0V± 5%或3.3V± 5%,逻10 / 42智能家居监控系统设计辑接口 VDDIO供电为 1.8V± 5% （MPU6000仅用 VDD）。2.1.6. 无线通信模块方案一：采用蓝牙技术。蓝牙技术主要分为BT3.0+HSW 4.0

14、版本中加入的BLE标准。在轻家居领域，主要讨论BLE部分。低功耗蓝牙技术是低成本， 远距离，可互操作的鲁棒性无线技术，工作在 2.4G频段。BLE采用可变连接 时间间隔，几毫米到几秒，利用快速的连接方式，拥有极低的运行好待机功 耗。方案二：采用nRF24L01无线模块。nRF24L01无线模块是采用挪威NORDIC 公司的nRF24L012.4G无线收发IC设计的一款高性能 2.4G无线收发模块， 采用GFSKM制，工作在2400-2483M的国际通用ISM频段，最高调制速度可 达 2MBPS。 Nrf24L01 无线模块集成了所有频射协议在高速信号处理的部分。模块大小32 x 15.2mm,

15、 2.54mm间距的双排插针接口，使用内置PCB天线设 计，开阔地1MBPS速率下，收发10个字节的数据量测试距离最远约为 70M 左右。由于蓝牙技术协议较复杂，功耗较高、成本较高，抗干扰能力不强，信息安全性差，使其不太适用于要求低成本、低功耗的工业控制和将网络，并制约其进一步发展和大规模应用。相反，nRF24L01在本设计中具有低成本、 稳定的显著特点，而且本人对 nRF24L01相对了解些，故本文采用nRF24L01 无线模块作为各模块与主机进行通讯的工具。2.2. 方案设计综上，系统总体框图如下:老人跌倒 检测模块图2.1系统结构图各个模块之间相互独立，共同与主机进行通讯。当主机收到模块

16、（如烟 雾、煤气检测模块）发送来的信号后，对信号进行分析。若信号超出限定范 围，则主机发出报警信号使喇叭响起，报警指示灯亮。3 .硬件设计3.1. 关键器件简介3.1.1. AT89C51 简介AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory以及 128 BYTES 随机数据存 储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。内置功能强大微型计算机的 AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内 部RAM, 32

17、个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断 结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时， AT89C51 可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲 方式停止CPU的工作，但允许RAM,定时/计数器，串行通信口及中断系 统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它 所有部件工作直到下一个硬件复位。实物图及引脚排列如下：图3.1 AT89C51实物图P1 0匚P1 1匚 VCC PD,0 (ADO)14030P1.2L3比_IPD.1 (ADI)P1 3匚437 PU.2 (A Dy)P1.4 匚s36二1 PQ3/网P1

18、 5 C6至J Pn.4 (AD4)PI s r734l prjfiAD)P1 7匚633 PD.G (ADG)ASTE032 PD.7 (AD?)RXDj P3.0 匚1031n EM/PP(TXD) P31 匚1130ALE/PROG(INTO) P3.2 匚1220 PSEN(iNTTj P3.3 匚1328 _J P37 A1 &l(TO) P3 4 匚1427 P2.6 (A14i(T1) P3 5 r152f)l P2.5 (A 131面角P3 6 r16?5口 P2.4(A1?>(FID) P3 7 T1724-|P2.3(A11¥XTAL2E1923 P

19、2.2 (A1O>XTAL1 匚二)P2J (A阴GNDL2021_IP2.0(Afi)图3.2 AT89C51引脚图3.1.2. 煤气、烟雾传感器 MQ-2本文才用的烟雾传感器为MQ-2烟雾传感器。在NRF24L02网络中负责采集 室内烟雾信息，一旦烟雾值超过预定值，将触发蜂鸣器报警。具引脚图和实物图 如图4-23所示：阳-2燃雪冷感短模炭15 / 42智能家居监控系统设计图3.3烟雾传感器引脚图和实物图引脚介绍：VCC-电源正极GND-电源地D0-一数字量输出口，检测到烟雾时输出高电平，否则为低电平A0模拟量输出口，输出模拟电压，电压越低，烟雾浓度越大3.1.3. 人体红外传感器HC

20、-SR501HC-SR501人体红外感应模块 是基于红外线技术的自动控制产品。灵敏度 高、可靠性强、超低功耗，超低电压工作模式。广泛应用于各类自动感应电器设 备，尤其是干电池供电的自动控制产品.在本项目中，该传感器安置于窗户，一旦陌生人靠近，触发蜂鸣器报警。3.1.4. 温度传感器 DS18B20可采用DS18B20乍为测温元件，来测量室内的温度。其特性如下：(1)单总线接口，仅需要个引脚与单片机进行通信。(2)多个DS18B20匀可挂在单总线上，实现多点测温功能。(3)可通过数据线供电，电压范围为 3.0V5.5V(4)温度以9或12位的数字读数方式(5)用户可定义报警设置(6)报警搜素命令

21、识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件(7)负电压特性，电源极性接反时，温度计不会发热而烧毁，但不能正常工作(8) DS18B2床用3弓唧PR-35封装或8弓唧SOIC封装。图 3.5 DS18B23I脚图图 3.6 DS18B20®物图3.1.5. 加速度传感器 MPU6050模块传感器采用MPU6050传感器。MPU6050是全球首例6轴运动处理 传感器。它集成了 3轴MEMS陀螺仪，3轴加速度计以及一个可扩展的数字 运动处理器DMP,可用IIC接口连接一个第三方的数字传感器。扩展之后就可以通过其IIC或SPI接口输出一个6轴的信号MPU-6000 (6050)的角速度

22、全格感测范围为士 250、±500、± 1000与 ±2000° /sec (dps),可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的 加速器全格感测范围为土 2g、±4g±8g与土 16g。产品传输可透过最高至 400kHz 的 IC或最高达 20MHz 的 SPI (MPU-6050 没有 SPI 。MPU-6000 可在 不同电压下工作，VDD供电电压介为2.5V± 5%、3.0V± 5%或3.3V± 5%,逻 辑接口 VDDIO供电为 1.8V± 5% (MPU6000仅用 VDD)。

23、XUXDASCLAUX CLCLKOLTVLOGJCRFSVadoCPOVTXE6OL7RESTfivnw I Q's- intVDD图3.7 MPU6050模块实物图图3.8 MPU6050弓I脚图3.1.6. nRF24L01无线收发模块 nRF24L01无线模块是采用挪威 NORDIC公司的nRF24L01 2.4G无线 收发IC设计的一款高性能2.4G无线收发模块。其主要特色如下：采用GFSKM制。 数据传输率为l Mb/s或2Mb/s。 SPI 速率为 0 Mb/s 10 Mb/s2 。 QFN20gM却 4 mnriX4 mmi寸装。供电电压为1.9 V3.6 V。19 /

24、 42图3.9 nRF24L01模块封装引脚图图3.10 nRF24L0攸块实物图智能家居监控系统设计3.2.电路各单元原理图3.2.1. USB接口及电源i USB接口及电源 1# / 42图3.11 USB接口及电源单元原理图智能家居监控系统设计3.2.2. 晶振及复位电路晶振与发位电路图3.12晶振与复位电路单元原理图3.2.3. 最小系统笛二：PIO PL I Pt ： PH 71 PH>L« PLT Rtr 照i心6 MI(TXP> 用强四 内 i1?7TT P*T刀 产“8 讣v;p父诃 XT AL： XTU1 GtOyXC K O：ADDh PC 1储口1)

25、 P0 2AD2k PC 轨_4二 PCHAD4 K JfADf) PQ«：ADiL PC - AZr E、吃: AUdTO> PSSN p:力 F20(AI4h R XAih p： 火工【门 P2 九W， P2 2(AIO| n icAaCO542CS9CH最小系统图3.13最小系统单元原理图21 / 42智能家居监控系统设计3.2.4. LCD1602液晶显示电路>A/<加LCD 1602 液晶显示电路# / 42图3.14 LCD1602I元原理图3.2.5. 报警电路报警电路图3.15报警电路单元原理图智能家居监控系统设计3.2.6.无线通讯与稳压单元无线通

26、讯桢块图3.16无线通讯与稳压单元原理图3.3.各模块电路原理图3.3.1. 温度检测模块DSLKK "UjsiKircoSDi|L|vcc23 / 42图3.17 DS18B2M元原理图智能家居监控系统设计图3.19 HGSR501单元原理图25 / 42图3.18温度检测模块原理图3.3.2. 外人入侵检测模块VCCIIC-SR501 -CON3GND智能家居监控系统设计31 / 42图3.20外人入侵检测模块原理图3.3.3.煤气、烟雾检测模块图3.21 MQ-2单元原理图图3.22煤气、烟雾检测模块原理图3.3.4. 老人跌倒监测报警模块图3.23 MPU6050单元原理图图

27、3.24老人跌倒监测报警模块原理图3.3.5. 主机模块图3.25主机模块原理图4 .软件设计声明：软件设计只设计了温度与煤气检测模块，且仿真也只做了这部分内容。4.1. 温度检测报警模块图4.1温度检测模块流程图温度检测模块流程图如图4.1所示智能家居监控系统设计35 / 42DS18B20的初始化:图4.2 DS18B2M始化流程图初始化程序:void ds1820rst() unsigned char x=0;DQ = 1;delay_18B20(6);DQ = 0;delay_18B20(600);DQ = 1;delay_18B20(30);向DS18B2叼数据:图4.3向DS18B

28、201数据流程图向DS18B20W数据程序:void ds1820wr(uchar wdata)unsigned char i=0;for (i=8; i>0; -) DQ = 0;DQ = wdata&0x01;delay_18B20(10);智能家居监控系统设计41 / 42DQ = 1;wdata>>=1;从 DS18B20gt数据:图4.4从DS18B20读数据程序：uchar ds1820rd() unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i>0;i-) DQ = 0;dat>>=1;

29、DQ = 1;if(DQ)dat|=0x80;delay_18B20(10);return(dat);4.2. 煤气、烟雾检测模块IO当传感器检测到空气中煤气、烟雾等气体的浓度大于设定值时，单片机 口会输出低电平。相关程序如下：# include<reg52.h>/ 库文件# define uchar unsigned char/宏定义无符号字符型# define uint unsigned int /宏定义无符号整型定义/*/I/O*/sbit LED=P1A0;/定义单片机P1 口的第1位（即P1.0）为指示端sbit DOUT=P2A0； /定义单片机P2 口的第1位（即P2

30、.0）为传感器的/输入端/*延时函数*/ void delay()/ 延时程序uchar m,n,s;for(m=20;m>0;m-) for(n=20;n>0;n-) for(s=248;s>0;s-);/*主函数*/ void main()while(1) / 无限循环LED=1;/ 熄灭P1.0 口灯if（DOUT=0）/当浓度高于设定值时，执行条件函数delay();/延时抗干扰if(DOUT=0)/确定浓度高于设定值时，执行条件函数LED=0; / 点亮 P1.0 口灯5 .系统仿真采用Proteus软件对系统进行仿真。5.1. 温度报警检测模块图5.1温度检测报警

31、模块仿真当4个地点中有一个地点的温度超过限定值时，系统会报警（喇叭响、 警示灯亮）。5.2. 煤气、烟雾报警模块图5.2煤气、烟雾报警模块仿真由于Proteus软件中并没有MQ-2传感器，故采用滑动变阻器代替 MQ-2传感 器来对电路进行仿真。当MQ-2传感器检测到室内煤气、烟雾等气体的浓度大于所设定值时，报警 电路启动（喇叭响| I5.3. 仿真的局限性软件仿真与实际验证有很大的不同。软件仿真是将元器件、导线等理想化了， 不会出错，而实际电路的走线布线、元器件、工作环境（如温度、湿度等）对电 路的运行都是有影响的，只是影响大小不同而已，甚至期间因为受到影响而直接 损坏，这些都是在软件仿真时不

32、可能遇到的。除此之外，同一型号的元器件，不 同厂家，甚至是同一厂家不同批次生产出来的元器件都多少有些差异，而这些差异都有可能使硬件运行失败。最直观的例子就是：我在调试的过程中，在Proteus 上完美运行的程序，烧写进实验板之后现实的效果就没有了。 根本看不见温度显智能家居监控系统设计示。最后经过很长时间的调试，期间对1602 工作的时序作了一些调整，我才解决了这个问题，让实验板与仿真实现同样的效果。由此看来，仿真的局限性很大，只有在硬件上实现才能算是真正的完成了设计。5.4. 方案改进虽然此设计已经满足了基本要求，但在满足用户方面还存在一些缺陷。如：nRF24L01无线传输模块的有效传输距离在10m以内，倘若距离超过10m,则nRF24L01则无法满足需求。针对此种情况，若采用 WiFi无线传输方案（WiFi的 传输距离一般在2030m之间），即可解决此问题。由于本次设计时间有限 此方案设