智能家居课程设计报告.docx

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1、南通大学智能家居监控系统设计学院：电气工程班级：电115姓名： 刘家辰学 号： 1112002083目录1引言 32系统设计 33硬件设计 43.1单片机的选型 43.2温度监测模块 53.2.1温度传感器简介 53.2.2 测量原理 53.2.3 电路仿真 63.3 烟雾监测模块73.4 Zigbee 模块 83.5报警模块 93.6键盘输入模块 103.7液晶显示模块 113.8人体红外感应模块114主机软件设计 124.1主机程序整体框架134.2无线发送/接收程序134.3温度监测节点程序154.4烟雾监测节点程序174.5红外热释电监测节点程序185设计体会 20206参考文献7附录

2、21主机电路原理图211引言随着社会经济和科学技术的发展，社会信息化程度越来越高，物联网的推出是 时代发展的需要，“三网合一”、“三屏合一”等新概念不断提出， 智能家居 成为未来家居的发展方向。智能家居在两个方面具有重要作用：(1) 家居智化，继而实现住户舒适最大化，家庭安全最大化。智能家居通过 其智能家庭控制帮助人们改进生活方式，重新安排每天的时间计划表，并为高质 量的生活环境提供安全保障。(2) 智能家居的另一个重要作用是降低能源消耗，操作成本最小化，帮助人们 节约日常能源消耗开支。智能家居主要通过智能家庭控制系统实现，家庭控制网络是实现智能家庭控制 系统的关键。近几年，各种家庭网络推进组

3、织相继成立，并各自推出了相 关建议和标准，但这些技术标准缺乏统一的通信接口，相互间不兼容，无法提供家 庭控制网络的完整解决方案。因此，智能家居研究者面临的最大挑战和机遇是家用 电子领域缺乏统一的通信标准和互操作协议。2系统设计智能家居监控系统的总体设计框图如图1所示。该系统采用主从方式，主机 负责接收无线信息、GSM远程报警、传感器阈值设置，从机负责温度、气体、烟雾、 等环境信号采集处理及无线发送。本文研制的智能家居环境监测报警系统能够实时 监测煤气泄漏、火灾、电热毯过热等温度异常、外人闯入等危险状态， 并可实现电话号码报警，设置传感器阈值等功能。温度检测模块ZigBee模块烟雾检测模块Zig

4、Bee模块温度监测模块ZigBee 模块有害气ZigBee模块体监测红外感模块ZigBee模块应模块ZigBee模块图1智能家居监控系统的总体设计框图3硬件设计3.1单片机的选型采用AT89S51作为主要单片机AT89S51是一种可编程可擦除的只读存储器并带有4K字节的闪烁，具有是低 功耗，高性能CMOS8 位微处理器，俗称单片机。AT89S51内有4K字节可编程闪 烁存储器，128字节的内部RAM，32个外部双向I/O口，6个中断源，两个16位 定时计数器及两个全双工串行通信口，看门狗电路。AT89S51有片内振荡器和 时钟电路，具有掉电模式和低功耗的闲置。AT89S51可降至0Hz的静态逻

5、辑操作， 空闲方式是停止CPU的工作，但允许定时计数器、RAM、中断系统及串行通信 口继续工作。掉电方式是保存RAM中的内容，但振荡器停止工作就要禁止其它所 有部件工作直到下一个硬件复位。3.2温度监测模块3.2.1温度传感器简介温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS （达拉 斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。DS18B20 具有以下特性：（1）独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯；（2）简单的多点分布应用；（3）无需外部器件；（4）可通过数据线供电；（5 ）零待机功耗；（6）测温范围-50+125C,以0.5C递增。华氏器件-67+257F,以0.

6、9T 递增；（7）温度以9位数字量读出温度数字量转换时200ms （典型值）；（8）用户可定义的非易失性温度报警设置；（9）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；（10）应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。3.2.2测量原理DS18B20有三个主要数字部件：1） 64位激光ROM , 2）温度传感器，3） 非易失性温度报警触发器TH和TL。器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：在 信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电 容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS18B20也可用外 部5V电源供电

7、。DS18B20图3 DS18B20与单片机的连接方式DS18B20依靠一个单线端口通讯，如图3所示。在单线端口条件下，必须先 建立ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制器必须首先提供下面 5个ROM操作命令之一：1）读ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳过 ROM，5）报警搜索。这些命令对每个器件的激光ROM部分进行操作，在单线总线 上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件 或是什么型号的器件。成功执行完一条ROM操作序列后，即可进行存储器和控制操 作，控制器可以提供6条存储器和控制操作指令中的任一条。一条控制操作命令指示DS18B20

8、完成一次温度测量。测量结果放在DS18B20 的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。 温度报警触发器TH和TL各由一个EEPROM字节构成。如果没有对DS18B20使用报警搜索命令，这些寄存器可以做为一般用途的用户存储器使用。可以用一条存储器操作命令对TH和TL进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器。所 有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。图4 DS18B20温度测量电路原理图3.2.3电路仿真1未达到设定值前:中；：ML - .tn!4-m*尸.-n iv TVD.UJdll ； 印A叩1 muzro 3.01 LUTMJLA+?twtf UMii

9、L1! |EL切iZM-alI ve.ti*-uL,i imfu km ImwW.1JTM 1Pl x.FIJIFUlimfi j-rams IPisF59FT1 IPI,日H； 1fl.TPfuri *aarwE3.3烟雾监测模块MQ系列气体传感器是常见的气体传感器，它有多种系列，可用于不同气体 浓度的检测。它的工作原理为：其内部由活性很高的金属氧化物半导体（常用的 是SnO2）组成，金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸 附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就 变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升 高，从而阻

10、碍电子流动。在敏感材料内部，自由电子必须穿过氧化物半导体微晶 粒的结合部位(晶界)才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻 碍电子的自由移动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇到 还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低， 势垒随之降低，传感器的阻值减小。在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内，传感器的电阻值和还原 性气体浓度之间的关系可近似由下面方程表示：Rs=AC - In7Xe两个字节的0x00,它表示CC2420自动替换CRC位。2 .检查CCA信号并且在信道空闲时才进行操作。另一做法是用STXCCA 命令寄存器代替第2和第3

11、步。不管你采用哪一种方法来执行CCA，建议你要经过一 段“随机”长的时间的等待后才重试。3 .执行STXON命令寄存器4. 在任何新数据写入TX FIFO前请确认SFD变高后变底并且已经等待了至少 60个 时钟周期。二、接收接收数据帧时，CC2420自动计算帧的CRC校验。你要人工检查接收帧的最后一个字节的CRC校验位。存到RX FIFO的首个字节是长度字节。CC2420将不会接 收任何数据除非它已经处于接收模式12个信号周期。你必须在数据包的发送过程中 加入等待时间以便CC2420检查和接收数据。按以下步骤进行数据接收：1. 检查FIFO和FIFOP信号，确认是否有新数据到来。2. 如果有新

12、数据到来，开始从RX FIFO中读取。a. 首字节是长度字节。要保存，因为它是帧结束的唯一标志。马上清除RX FIFO如果它的长度不是0x08。b. 接收源地址并检查它是否与希望的发送者相匹配。如果不匹配则随机的 丢弃整个帧。对地址的检查请参考4.4节。c. 接收目的地址并检查它是与本地地址相匹配还是广播地0xFF。如果不匹配则随机的丢弃整个帧。d. 接收并保存4字节负载到一个你将要设计的FIFO中。e. 接收两字节的CRC信息。如果CRC没有检查，则丢弃先前保存的数据负载。3.任何时候RX FIFO只要发生下溢或溢出，马上清除FIFO。接收中断程序如图所示。第14页共22页图11 无线接收流

13、程图4.3温度监测节点程序温度监测节点采用和主机类似的程序框架。主程序流程和温度采集判断流程分别如图12、13所示。图13温度检测、判断流程图无线节点同样有低功耗的要求，另一方面考虑到温度变化不快，所以程序中 对温度的检测间隔进行，每10s采样一次，使用一个定时器实现。在定时器中断服 务程序中实现温度检测及是否超限的判断，若超限置超限标志后退出低功耗，以便 主程序实现处理。在温度节点中要实现对上位机温度设定数据的接收，和主机类似，待机状态下CC2420处于休眠模式GIO1 pin周期性输出一方波，接于MSP430F149 具有中 断功能的P1.6上，定时通知CPU处理通信任务。其中P1.6设为

14、上升沿中断。中断 程序中判断是否接收到温度设定数据，若接收到则更新本地设定数据，并写入 FLASH信息段。DS18B20数字温度计提供9位 二进制 温度读数 指示器件的温度 信息经过 单线接口送入DS18B20或从DS18B20读出，因此从主机CPU，到DS18B20仅需 一条线 和地线）。这也决定了对DS18B20的操作时序有严格的要求。下面简单介绍 其工作过程及时序。图14温度转换程序流程4.4烟雾监测节点程序烟雾检测主要是测量烟雾传感器的电压，可以通过单片机AD模块将电压值数字化，通过调节灵敏度分压电阻可以得到适合的报警值，若单片机获得的AD值超过这一报警值，则延时 1s然后每隔 囱采集

15、一次烟雾传感器电压值，若5次该电压值均超过设定的报警值，则置报警标志位并通过无线发送给主机进行处 理。烟雾监测节点主程序流程和中断服务程序流程分别如图15、16所示。图16中断服务程序流程4.5红外热释电监测节点程序红外热释电监测节点程序的设计和烟雾监测节点的设计并无不同。主程序流程 和中断服务程序流程分别如图17、18所示。图18中断服务程序流程图总结：在本次传感器与检测综合设计中，让我受益匪浅。智能家居设计这个课题我们 就提出方案就花了好长的时间，从理论到实践，在整整一星期的日子里，可以说 得是苦多于甜。但是在这过程中我们查阅和浏览了很多的相关资料，一起商量，一起 调试，相互合作，并且对P

16、roteus软件的使用有了很大程度的提高。同时不仅可以 巩固和强化以前所学过的知识，还学到了很多书本上所不曾学到的知识。总之，本次设计让我对传感器有了进一步的认识和了解，同时懂得传感器在我们 生活中的重要性和必要性。5设计体会大学三年就会在这传感器设计总结上划上一个圆满的句号。我曾经以为时间是一个不快不慢的东西，但现在我感到时间过得是多么的飞快，三年了。最重要 的一个过程，最能把理论知识运用到实践当中的过程就数课程设计了。这也是我们 从一个学生走向社会的一个转折，另一个生命历程的开始。一个礼拜的课程设计， 我学到了很多，也成熟了很多。我觉得能够在这次课程设计中学到很多的东西，以往不注意的细节，

17、在这一 次设计中是必须让自己去注意的。也是这三年来所学到知识的一个体现，我深深 的知道，每一次的学习实践环节都是那么的来之不易，都是通过老师的深思熟虑后， 才给我们定下目标。然后让我们在知识的海洋里翱翔，让我们随着年龄的增长不 断的扩充自己的知识领域，也逐渐成熟，逐渐长大，老师同时也教导我们逐渐成 为一个能够为身边的人，为家庭，为国家做出点贡献的人，教导我们学会感恩。 所以，我在这次的课程设计中，认真对待每一个过程，希望自己的认真，自 己最后的课程设计的成果能够回报老师这么多年来的教导，这么多年的奉献。6参考文献1单片机原理及应用林立、张俊亮等著，电子工业出版社，2010年5月2 C语言程序设计杨忠宝、董晓明著，北京大学出版社，2010年2月3 单片机C语言程序设计实训100例彭伟著，电子工业出版社，2010年6月7附录主机电路原理图