基于傳感器的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的：以提高家居生活的安全性、舒適度、人性化為目的，設(shè)計(jì)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。利用所學(xué)的傳感器與檢測技術(shù)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)家居溫度、煤氣泄漏、外人闖入、火災(zāi)（煙霧）的檢測。設(shè)計(jì)要求：（1） 用Protel畫出設(shè)計(jì)原理圖；（2） 采用Quaters II、Maxplus II、EWB、pspice、Proteus中的一種或幾種軟件，完成系統(tǒng)電路中的部分或全部仿真，在設(shè)計(jì)說明書中體現(xiàn)仿真結(jié)果；（3） 寫設(shè)計(jì)說明書。總體設(shè)計(jì)方案：分模塊設(shè)計(jì)各個(gè)功能。各模塊設(shè)計(jì)（硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)）：一、 室內(nèi)環(huán)境溫度檢測和報(bào)警：本設(shè)計(jì)主要是介紹了單片機(jī)控制下的溫度檢測系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了其硬件和軟件設(shè)計(jì)，并

2、對其各功能模塊做了詳細(xì)介紹，其主要功能和指標(biāo)如下：由于傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度，需要比較多的外部元件支持，且硬件電路復(fù)雜，制作成本相對較高。這里采用DALLAS公司的數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為測溫元件。即利用溫度傳感器（DS18B20）測量某一點(diǎn)環(huán)境溫度測量范圍為-5599，精度為±0.5用液晶進(jìn)行實(shí)際溫度值顯示能夠根據(jù)需要方便設(shè)定上下限報(bào)警溫度（一）、溫度傳感器（DS18B20）的介紹:1、 DS18B20 簡單介紹:DALLAS 最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20是一種新型的“一線器件”，其體積更小、更適用于多種場合、且適用電壓更寬、

3、更經(jīng)濟(jì)。DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。溫度測量范圍為-55+125 攝氏度，可編程為9位12 位轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.0625攝氏度，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM 中，掉電后依然保存。被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可以在遠(yuǎn)端引入，也可以采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3 根或2 根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。因此用它來組成一個(gè)測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，

4、可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。DS18B20 的性能特點(diǎn)如下：獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電溫范圍55125，在-10+85時(shí)精度為±0.5零待機(jī)功耗可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可

5、實(shí)現(xiàn)高精度測溫在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快用戶可定義報(bào)警設(shè)置報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用與多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離溫度檢測系統(tǒng)。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排

6、列、各種封裝形式如圖 4.2 所示，DQ 為數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源；GND為地信號；VDD為可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。其電路圖 4.3所示.。 圖 4.2 外部封裝形式 圖4.3傳感器電路圖2、 DS18B20 使用中的注意事項(xiàng)：DS18B20 雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題：DS18B20 從測溫結(jié)束到將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，這是必須保證的，不然會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的現(xiàn)象，使溫度輸出總是顯示85。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)使電源電

7、壓保持在5V 左右，若電源電壓過低，會(huì)使所測得的溫度精度降低。較小的硬件開銷需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS1820與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS1820進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。在使用PL/M、C等高級語言進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，對DS1820操作部分最好采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。在DS18B20的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛DS18B20 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè)DS18B20，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此，當(dāng)單總線上所掛DS18B20 超過8 個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問題，這一點(diǎn)在進(jìn)行多點(diǎn)測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要加以注意。在DS18B

8、20測溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個(gè)DS18B20 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20 時(shí)，將沒有返回信號，程序進(jìn)入死循環(huán)，這一點(diǎn)在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。3、 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖為DS1820的內(nèi)部框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器（內(nèi)含便箋式RAM），用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）發(fā)生器等七部分。DS18B20采用腳PR35 封裝或腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

9、如圖 4.4所示圖 4.4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖4、 DS18B20測溫原理DS18B20的測溫原理如圖2所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量.計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將-55 所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中，減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55 所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對低溫度

10、系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，減法計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置將重新被裝入,減法計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù),如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫圖2中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性其輸出用，于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。另外，由于DS18B20單線通信功能是分時(shí)完成的，他有嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此讀寫時(shí) 序很重要。系統(tǒng)對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。操作

11、協(xié)議為：初始化DS18B20 （發(fā)復(fù)位脈沖）發(fā)ROM功能命令發(fā)存儲(chǔ)器操作命令處理數(shù)據(jù)。圖（2） DS18B20測溫原理圖在正常測溫情況下，DS1820的測溫分辨力為0.5，可采用下述方法獲得高分辨率的溫度測量結(jié)果：首先用DS1820提供的讀暫存器指令（BEH）讀出以0.5為分辨率的溫度測量結(jié)果，然后切去測量結(jié)果中的最低有效位（LSB），得到所測實(shí)際溫度的整數(shù)部分Tz，然后再用BEH指令取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)剩余值Cs和每度計(jì)數(shù)值CD。考慮到DS1820測量溫度的整數(shù)部分以0.25、0.75為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度Ts可用下式計(jì)算： Ts=（Tz-0.25）+(CD-Cs)/CD （二）硬件設(shè)計(jì)電路

12、：本溫度計(jì)大體分三個(gè)工作過程。首先，由DS18820溫度傳感器芯片測量當(dāng)前的溫度，并將結(jié)果送入單片機(jī)。然后，通過89C205I單片機(jī)芯片對送來的測量溫度讀數(shù)進(jìn)行計(jì)算和轉(zhuǎn)換，井將此結(jié)果送入液晶顯示模塊屏上。 由圖1可看到，本電路主要由DSl8820溫度傳感器芯片、89C2051單片機(jī)芯片和聲光報(bào)警電路組成。其中，DSI8B20溫度傳感器芯片采用“一線制”與單片機(jī)相連，它獨(dú)立地完成溫度測量以及將溫度測量結(jié)果送到單片機(jī)的工作。當(dāng)溫度傳感器檢測到室內(nèi)溫度超過某一限定值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警溫度計(jì)電路設(shè)計(jì)proteus仿真圖1、溫度檢測電路DS18B20與芯片連接電路如圖 5.2所示：圖 5.2 D

13、S18B20與單片機(jī)的連接2、顯示電路 顯示電路由lcd1602和上拉電阻組成。 LCD1602簡介 LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。（16列2行） 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形。 1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 管腳功能1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16

14、腳接口，其中： 第1腳：VSS為電源地 第2腳：VCC接5V電源正極 第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高（對比度過高時(shí)會(huì) 產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對比度）。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。 第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作。 第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。 第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。 第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。時(shí)序 寫操作時(shí)序?qū)懼噶睿篟S=0;R/W=1;E=1;寫數(shù)

15、據(jù)：RS=1;R/W=0;E=1;讀操作時(shí)序讀狀態(tài)：RS=0;R/W=1;E=1; 讀數(shù)據(jù)：RS=1;R/W=1;E=1;（三）、軟件設(shè)計(jì)電路：DS18B20在單片機(jī)控制下分三個(gè)階段:18B20 初始化：初始化流程圖見6.1DS18B20的初始化 （1） 先將數(shù)據(jù)線置高電平“1”。 （2） 延時(shí)（該時(shí)間要求的不是很嚴(yán)格，但是盡可能的短一點(diǎn)） （3） 數(shù)據(jù)線拉到低電平“0”。 （4） 延時(shí)750us（該時(shí)間的時(shí)間范圍可以從400到960us）。 （5） 數(shù)據(jù)線拉到高電平“1”。 （6） 延時(shí)等待（如果初始化成功則在15到60us時(shí)間之內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)由DS18B20所返回的低電平“0”。據(jù)該狀態(tài)可以來

16、確定它的存在，但是應(yīng)注意不能無限的進(jìn)行等待，不然會(huì)使程序進(jìn)入死循環(huán)，所以要進(jìn)行超時(shí)控制）。 （7） 若CPU讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“0”后，還要做延時(shí)，其延時(shí)的時(shí)間從發(fā)出的高電平算起（第（5）步的時(shí)間算起）最少要480us。 （8） 將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平“1”后結(jié)束。 void Init_18B20(void)/ unsigned char x; DQ=0; delay_18B20(103); DQ=1; delay_18B20(4); delay(1); / x=DQ; / DQ=0; / delay_18B20(480); / DQ=1; wr_ds18_1(0xcc); / wr_d

17、s18_1(0xbe); wr_ds18_1(0x44); 讀18B20時(shí)序：讀DS18B20流程見圖 6.3DS18B20的讀操作 （1）將數(shù)據(jù)線拉高“1”。 （2）延時(shí)2微秒。 （3）將數(shù)據(jù)線拉低“0”。 （4）延時(shí)3微秒。 （5）將數(shù)據(jù)線拉高“1”。 （6）延時(shí)5微秒。 （7）讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1個(gè)狀態(tài)位，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 （8）延時(shí)60微秒。 DS18B20的讀操作時(shí)序圖如圖4.15所示unsigned char ReadByte(void)unsigned char i,k;i=8;k=0;while(i-)DQ=1;/Delay_us(1); _nop_();_nop_(); DQ=0; k=k>>1; DQ=1;/Delay_us(60);/_nop_();if(DQ) k|= 0x80;Delay_us(60);return(k);寫18B20時(shí)序： DS18B20的寫操作 （1） 數(shù)據(jù)線先置低電平“0”。 （2） 延時(shí)確定的時(shí)間為15us。 （3） 按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)（一次只發(fā)送一位）。 （4） 延時(shí)時(shí)間為45us。 （5） 將數(shù)據(jù)線拉到高電平。 （6） 重復(fù)上（1）到（6）的操作直到所有的字節(jié)全部