智能家居系统设计方案技术报告

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℃~+125℃，-10~+85℃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 。它支持“一线总线”的数字方式传输，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：64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依靠一个单线端口通讯。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DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20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：

NE555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 ≤≤cc V 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HS1101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 两端电压为0,故cc V 通过R2 和R3 对C1充电,当C1 两端电压达到2cc V /3 时,定时电路翻转,输出变为“0”。此时555定时器内部的放电BJT 的基极电压为“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cc V /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h T =0.7(R2+R3)C1；放电时间为1T = 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MQ—2烟雾传感器实现室内烟雾的检测。a.MQ—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，供单片机读取和处理发出指令。

光敏电阻检测亮度原理图

6、亮度控制器：

根据亮度检测模块采集的数据和单片机内部设定的数据相比较，当采集数据小于内部设定的数据，单片机控制IO口，利用三极管开关作用，控制继电器，从而控制220v电源开关接通，灯光照明。

继电器连接原理图

7、无线收发模块

为了达到远程远程接收数据和发送发送命令的功能，设计了无线接收和发送模块。模块采用主流的nfr24l01芯片，搭建外围电路，从而达到接收数据和发送指令的功能。

NRF24L01 的框图如下图所示：

从单片机控制的角度来看，我们只需要关注框架图右面的六个控制和数据信号，分别为CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。

CSN：芯片的片选线，CSN 为低电平芯片工作。

SCK：芯片控制的时钟线（SPI 时钟）

MISO：芯片控制数据线（Master input slave output）

MOSI：芯片控制数据线（Master output slave input）

IRQ：中断信号。无线通信过程中MCU 主要是通过IRQ 与NRF24L01 进行通信。CE：芯片的模式控制线。在CSN 为低的情况下，CE 协同NRF24L01 的CONFIG 寄存器共同决定NRF24L01 的状态（参照NRF24L01 的状态机）。

NRF24L01 状态机：

NRF24L01 的状态机见Fig.2 所示，对于NRF24L01 的固件编程工作主要是参照

NRF24L01 的状态机。主要有以下几个状态

Power Down Mode：掉电模式

Tx Mode：发射模式

Rx Mode：接收模式

Standby-1Mode：待机1 模式

Standby-2 Mode：待机2 模式

对24L01 的固件编程的基本思路如下：

1）置CSN 为低，使能芯片，配置芯片各个参数。（过程见3.Tx 与Rx 的配置过程）配置参数在Power Down 状态中完成。

2）如果是Tx 模式，填充Tx FIFO。

3）配置完成以后，通过CE 与CONFIG 中的PWR_UP 与PRIM_RX 参数确定24L01 要切换到的状态。

Tx Mode：PWR_UP=1; PRIM_RX=0; CE=1 (保持超过10us 就可以)；

Rx Mode: PWR_UP=1; PRIM_RX=1; CE=1;

4) IRQ 引脚会在以下三种情况变低：

Tx FIFO 发完并且收到ACK（使能ACK 情况下）

Rx FIFO 收到数据

将IRQ 接到外部中断输入引脚，通过中断程序进行处理。

Nfr24l01电路图

8、LCD1602液晶显示模块：

1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形

（用自定义CGRAM，显示效果也不好）

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶

单片机实验板LCD1602与单片机的接线

引脚功能：

第1脚：VSS为地电源

第2脚：VDD接5V正电源

第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对

比度

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可

以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。

第15～16脚：空脚

HD44780内置了DDRAM（显示数据存储RAM）、CGROM（字符存储ROM）和CGRAM （用户自定义RAM）。

DDRAM就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如下表：

也就是说想要在LCD1602屏幕的第一行第一列显示一个“A”字,就要向DDRAM的00H地址写入“A”的代码就行了。但具体的写入是要按LCD模块的指令格式来进行的，后面我会讲到的。一行有40个地址在1602中我们就用前16个就行了。第二行也一样用前16个地址。对应如下：DDRAM地址与显示位置的对应关系

1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，如下表所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”

9.电源模块：

三、软件编程

软件编程部分采用KEIL利用C语言编程，在此过程中需要重点了解单片机串口传输、中断、定时等。

四：自我发挥部分：

因本组成员中课余时间学习了android编程，考虑到现今智能手机在大学校园中广泛流行，故考虑将智能手机蓝牙无线收发数据及操作融入到智能家居系统中去。

在应用的时候，硬件搭建以手机自带的蓝牙模块为主机模块，以蓝牙从机模块连接51单片机的TX、RX.和单片机的串口通讯大同小异。

硬件搭建完毕后，给智能手机编写应用程序，本次给android智能机编写程序，android 程序以java为基础，以google公司提供的API函数库，利用shock编通信程让智能手机通过应用程序想单片机的蓝牙模块发送指令，并监听从机模块时刻接受单片机发送的智能家居采集系统的信息。从而达到智能手机控制家居电灯、电视、空调等开关。并且可以延伸利用手

机自带的mysqlt建立个人函数库，不同的智能手机与单片机连接时自动检测并根据该智能手机的主人设置的喜好自动调节温湿度等

五、附部分电路原理图

六、小结：

本次原理设计报告由于时间匆忙比较粗糙，部分原理图没有直接画出，应用了网络上部分图片，望组委会成员谅解。

由于本次选题为智能家居系统，所使用的东西比较繁杂，故采用了模块讲解的时候一点点分解整个系统设计原理，从而尽量让自己心里有一个比较完整的思路。

在器件购买的同时，考虑到无线通信过程中用到的nfr24Lo1芯片比较难操作，希望能直接给予模块的提供，否则，在短时间内PCB制版，很难完成任务。

本次制作准备制作三个采集节点、每个节点配置一个无线发射模块一个无线数据接收主装置！

七、附原件清单