北边-slite
智能家居系统设计方案
摘要：
本次参加电气学院电子设计大赛，我组所选题目为《智能家居系统设
计》
，根据题目要求，我组采用模块细想设计电路：
1.
温度采集模块
2.
湿度采集模块
3.
烟雾探测模块
4.
火灾报警模块
5.
亮度检测模块
6.
温湿度调节模块
7.
亮度调节模块
8.
无线收发模块
9.
显示模块
10.
电源模块
采用了
51
单片机作为主控芯片。
实现对各模块的数据采集和系统
各部分的控制。
一、
系统框架图：
1
、节点采集模块框架图：
2
、远程数据收发模块框架图：
二、
各模块电路原理分析：
1.
温度采集模块：
集成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。
其种
类很多，大致可分为以下
5
类：
1
、模拟集成温度传感器；
2
、模拟集成温度
控制器；
3
、智能温度传感器；
4
、通用智能温度控制器；
5
、微机散热保护专用
的智能温度控制器。
本模块考虑方案有两种：
1.
采用热电阻温度传感器。
热电阻是利
用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。
现应用较多的
有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大。
现在应用较多的有铂、
铜、
镍等热电阻。
但是热电阻在还原介质中温度性差，
不适合长期使用。
2
采用
DS18B20
DS18B20
测量范围从
-55
< br>℃
~+125
℃，
-10~+8
5
℃时测量精度为±
0.5
℃，测量分
辨
率为
0.0625
℃，
电源电压范围从
3.3~5V
。
< br>它支持
“一线总线”
的数字方式传输，
< br>可组建传感器网络。而且，无需进行线性校正，使用非常方便，接口简单，成本
低
廉。
与传统的热敏电阻温度传感器不同，
它能够直接读出被测温
度，
并且可根
据实际要求通过简单的编程实现
< br>9~12
位的数字值读数方式，
可以分别在
93.75ms
和
750ms
内将温度值转化
9
位和
12
位的数字量。它具有体积小、接口方便、传
输距离远等特点，内含寄生电
源。
综合比较方案一二，方案一更具有实用性，所以我们选择方案
二作为本设计
的温度采集模块。
DS18B20
原理分析：
DS18B20
内部结构主要由四部分组成：
6
4
位光刻
ROM
、温度传感器、非
挥发的温度报警触发器
TH
和
TL
、配置寄存器。
DS18B20
的管脚排列如下
:
DQ
为数
字信号输入
/
输出端；
GND
为电源地；
VDD
为外接供电电源输入端
（在
寄生电源接线方式时接地）。
DS18B20
< br>依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立
ROM
< br>操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制操作必须首先提供下
面
5
个
ROM
操作指令
之一：
(1)
读
ROM,(2)
匹配
ROM,
(3)
搜索
ROM,
(4)
跳过
ROM,
(5)
报警搜索。
这些指令操作作用在没有一个器件的
64
位光刻
ROM
序列号，
可以
在挂在一线上多个器件选定某一个器件，
同时，
总线也可以知道总线上挂有有多
少，
什么样的设备。
若指令成功地使
DS1
8B20
完成温度测量，
数据存储在
D
S18B20
的存储器。一个控制功能指挥指示
DS18B20
的演出测温。测量结果将被放置在
DS18B20
内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。
温度报
警触发器
TH
和
TL
< br>都有一字节
EEPROM
的数据。
如果
DS18B20
不使用报警
检
查指令，
这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。
在片上还载有
配置字节以理
想的解决温度数字转换。
写
TH,TL
指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完
成。
通过缓存器读寄存器。所有数据的读写都是从最低位开始
[5]
。
测温原理：
DS18B20
的测温原理如图
3.4
所示，
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度
影响很小，用
于产生固定频率的脉冲信号送给计数器
1
。高温度系数晶振随温
度
变化其振荡率明显改变，
所产生的信号作为计数器
2
的脉冲输入。
计数器
1
和温
度寄存器被预置在
-55
℃所对应的一个基数值。计数器
1
对低温度系数
晶振产生
的脉冲信号进行减法计数当计数器
1
< br>的预置值减到
0
时，
温度寄存器
的值将加
1
计数器
1
的预置将重新被装入，计数器
1
重新开始对低温度系数
晶振产生的脉
冲信号进行计数，如此循环直到计数器
2
计数到
0
时，停止温度寄存器值的累
加，
此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
斜
率累加器用于补偿和修正测温过
程中的非线性，其输出用于修正计数器
< br>1
的预置值
[10]
。
DS1820B
外部供电电路：
2.
湿度采集模块：
测量空气湿度的方式很多，
其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分
后引起的物理或化学性质的变化，
间接地获得该物质的吸水量及周围
空气的湿度。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常
数、
电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。
设计方案有
1.
采用电阻型湿度传感器
电子导电型湿度传感器，它通过将导电体粉末（金属、石墨等）分散于
膨
胀性吸湿高分子中制成湿敏膜。随湿度变化，膜发生膨胀或收缩，从
而使导电粉末间距变
化，
电阻随之改变。
但是这类传感器长期稳定性差，
且难以实现规模化生产，所以应用较少。
2
．
HS1101
电容传感器
HS
电容传感器在电路构成中等效于一个电容器件，
其电容量随着所测空气
湿度的增大而增大。
涉及如何将电容的变
化量准确地转变为计算机易于接受的信
号时，
常用两种方法
:
一是将
HS1101
置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，
所
产生的正弦波电
压信号经整流、直流放大、再
A/D
转换为数字信号
;
另一种是将
HS1101
置于
555
振荡电路中，
将电容值的
变化转为与之呈反比的电压频率信号，
可直接被计算机所采集。
比较方案一二，本设计采用
HS1101
采集湿度。
HS1101
工作原理分析：
NE555
时基电路：
NE5
55
是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，
其输出驱动电
流可达
200mA.
。
在多谐振荡器工
作方式时，
其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和
一个外接电容
确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一
个外接电容确定，它可以延
时数微秒到数小时。其工作电压范围为：
4.5V
?
V
cc
?
16V
。
NE555
的框图如下图所示。
基
于
555
振荡电路的湿度测量
电路设计：
把
HS110
1
和
NE555
同时接入电路中的电路
设计原理图如下图所示。
NE555
电路功能的简单概括为
:
当
6
端和
2
端同时输入为“
1
”时
,3
端输出为“
0
”；当
6
端和
2
端同时输入为“
0
”时
,3
端输出为“
1
”。在此电路中
,555
定时器正是
根据这一功能用作多稳态触
发器输出频率信号的。
当电源接通时
,
由于
6
和
2
端的输入为“
0
”
,
则定时器
3
脚输出为“
1
”；
又由于
C1 <
/p>
两端电压为
0,
故
V
cc
通过
R2
和
R3
对
C
1
充电
,
当
C
1
两端电压达到
2
V
cc
/3
时
,
定时电路翻转
,
输出变为“
0
”。此时
555
定时器内部的放电<
/p>
BJT
的基
极电压为“
< br>1
”
,
放电
BJT
导通
,
从而使电容
C1
通过
R3
和内部放电
BJT
进行放
电
,
当
C1
两端电压降低到
V
cc
/
3
时
,
定时器又翻转
,
使输出变为“
1
”
,
内部放电
BJT
截止
,VCC
又开始通过
R2
和
R3
对
C1
充电
,
如此周而复始
,
形成振荡。
其工
作循环中的充电时间为
T
< br>h
=0.7(R2+R3)C1
；放电时间为
T
1
=
0.7R3*C1
；
输出脉
冲占空比为
q
＝
(R2+R3)/(R2+2R3),
为了使输出脉
冲占空比接近
50
％
,R2
应远远
小于
R3
。
当外界湿度变化时
,HS1101
两端电容
值发生改变
,
从而改变定时电路的
输出
频率。
因此只要测出
555
的输出频率
,
并根据湿度与输出频率的关系
,
即可求
得环境的湿度。
3.
烟雾探测模块：
气敏传感器是一种因受周围环境中气体成分和浓度变化从而使电阻值或者其他敏感元件发
生变化，
然后将气体的有关变化信息转换成电信号的改变，
根据这些电信号的强弱，
就可以
了解到周围环境的变化，从
而实现环境的检测和监控。
基于
MQ
-2
气体传感器可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、
丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测，是一款适合多种应用的低成本
传感器的特点。
因此，
本模块拟采用
M
Q
—
2
烟雾传感器实现室内烟雾的检测
。
a.
M
Q
—
2
烟雾传感器的结构引脚图如下：
b.
数据
采集部分由烟雾传感器
MQ-2
和
A/
D
转换器组成
.
烟雾传感器
MQ-2
与
A/D
转换器的连接图如下
:
4.
火灾报警模块：
声光报警部分有蜂鸣器及三级放大管
8550
组成
.
当烟雾传感器和亮度传感器检测到数据
经
过单片机处理后超过预设的数值，
，则认为有发生火灾的危险，单片机将及时反应将
控制火灾报警器的
IO
口输出一个低电平，
三极管视为一个开关电路，
b
基低电位
视为有
效，发光二极管发光，蜂鸣器发出警报
其电路图所下
:
声光报警部分电路图
5
、亮度检测模块：
亮度检
测模块采用最简单的光敏电阻，光敏电阻根据光的强度不同改变电阻值。亮度越
大，电阻
越小。
然后采用模数转换，
将电阻的变化值用二进制数表示，<
/p>
供单片机读取和处理
发出指令。
光敏电阻检测亮度原理图