传感器的课程设计

一、课题

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（检测系统主要由传感器、放大器、采样/保持、采样/保持控制电路、A/D转换电路、数码显示、数字锁存控制电路组成）。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。

二、设计目的

1、掌握温度、气敏、光电开关等传感器检测系统的原理；

2、掌握智能家居检测系统的设计方法；

3、掌握智能家居检测系统的性能指标和调试方法。

三、设计任务及要求

1、任务：设计一个温度检测系统，一个烟雾检测系统，一个红外检测系统；

2、要求：

（1）温度传感器输出温度由7SEG-MPX4-CA显示，当检测温度值大于设定值时系统自动报警；

（2）气敏传感器检测到煤气浓度大于设定值时系统自动报警；

（3）光电开关利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的，即检测外人闯入。

四、设计原理

1、设计总体方案

据分析，可确定需设计系统的电路原理框图如图所示：

智能家居系统原理框图

2、各部分功能

Ⅰ. 家居温度检测

（1）DS 18B20简介

（2）利用DS-18B20数字温度传感器，对室内温度进行检测。该传感器独特的一线接口，只需要一条口线通信 多点能力，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5V无需备用电源 测量温度范围为-55℃至+125℃ 。华氏相当于是-67℉到257℉-10℃至+85℃范围内精度为±0.5℃。

（3）测量原理:

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图所示。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。图中的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。

在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。

当温度超过30℃时，蜂鸣器自动报警。

Ⅱ.煤气泄漏检测

（1）电阻气敏原件简介

气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。目前流行的定性模型是：原子价控制模型、表面电荷层模型、晶粒间界势垒模型。气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发生变化这一机理来进行检测的。人们发现某些氧化物半导体材料都具有气敏效应。用气敏电阻用滑动变阻器代替，气敏电阻率的变化即滑动变阻器阻值变化。

（2）单片机程序:

LJMP MAIN

ORG 0100H

MAIN:     MOV A,0ffh

MOV P2,A

LOOP:JB P1.6,LOOP

CLR P2.6

SETB P2.7

LCALL DELAY

LJMP MAIN

DELAY:MOV R7,#150

DEL1: MOV R6,#125

DEL2: DJNZ R6,DEL2

DJNZ R7,DEL1

RET                ；返回

END

Ⅲ.外人闯入

（1）光电开关简介

光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

（2）光电开关工作原理

下图所示是反射式光电开关的工作原理框图。图中，由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管GL辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极管DU。并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分 或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。 

光电开关一般都具有良好的回差特性，因而即使被检测物在小范围内晃动也不会影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。同时，自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作。

（3）单片机程序:

ORG 0000H

LJMP  MAIN 

ORG  0003H

LJMP PINT0

ORG  000BH

LJMP TINT

ORG  0200H

MAIN: MOV  IE,#81H    ;CPU开放中断，INT0允许中断

SETB  IT0      ;外部中断为边沿触发方式

MOV  SP,#30H    ;指针入口地址

SETB  P3.0

CLR P3.1

MOV  P1,#0FFH  ;使P1口全部置1

MOV  P2,#00H    ;P2口清零

CLR P1.2  

LP:    JNB  P1.0,LA    ;监测输入信号，是否有输入信号 

LA:    ACALL DELAY    ;延时消抖

JNB P1.0,ALARM ;再次监测输入信号，若有输入信号转入报警子程序

AJMP LP

DELAY:MOV R1,0AAH

LD2:MOV R2,0BBH

LD1:NOP

DJNZ R2,LD1

DJNZ R1,LD2

RET 

ALARM:SETB P1.2          ;开始报警使运行正常

绿指示灯熄灭，红灯和声报警启动

CPL P3.0                  ;10S钟定时: 

MOV R7,#0C8H          ;10S循环次数

MOV TMOD,#01H        ;定时器T0定时 方式1

MOV TL0,#0B0H        ;置50ms定时初值 

MOV TH0,#03CH

SETB ET0

SETB EA

SETB TR0                      ;启动T0

TINT: CPL P3.1

MOV TL0,#0B0H

MOV TH0,#03CH        ;启动T0

L2:JBC TF0,L1                    ;查询记数溢出

SJMP  L2 

L1: DJNZ R7,TINT

SETB P3.0                    ;10s到关闭报警

CPL P3.0    

CLR P1.2                      ;报警结束，正常运行绿指示灯亮

RET                          ;循环,继续工作

PINT0: CLR  EX0        ;外部中断0服务程序开始，屏蔽外部中断

PUSH  PSW  

PUSH  ACC

JNB  P3.2,LN        ;监测是否有中断输入

LN:  LCALL DELAY          ;延时

JNB  P3.2,LN1

AJMP LN2    ;无中断输入,中断返回

LN1:    SETB P3.0

CLR P3.1

CLR P1.2    ;使报警结束，绿指示灯亮

POP  ACC  

POP  PSW 

SETB EX0    ;开放外部中断0

LJMP LP    ;在中断继续检测是否有输入信号

LN2:    RETI

四、实践总结

智能家居监控系统设计不仅是对理论知识的巩固，同时也是动手实践能力的培养。设计环节是将我们所学理论知识运用到实际中，所需要的理论知识不是单一的，而是电路、数字电子技术、模拟电子技术等的综合，有助于我们学会将理论知识灵活应用到实践中，进一步提高理论水平。

设计方案要合理可行。如果设计方案存在错误或者在硬件实现方面存在问题等，这都将影响整个设计的结果，因此在设计时应注意每一个细节，务必要细心谨慎。熟知系统的功能以及每个模块的功能和调试方法。确保每一个功能模块都正确才能保证系统的正确性。

经过本次设计环节，我深刻体会到：在实践过程中，我们需要细心耐心，有钻研精神。耐心细心是确保我们实践顺利进行的前提条件，这样才能保证我们在实践过程中不出错误，才能顺利完成实践环节的任务。在实践过程中碰到一些问题，就需要我们有钻研精神，不能因为有问题而放弃，应该耐心细致的排查。

参考文献：

[1]. 张毅刚. 基于Proteus的单片机课程的基础实验与课程设计.人民邮电出版社 2012

[2].施湧潮. 传感器检测技术.国防工业出版社 2007 

[3].张毅刚. 单片机原理及应用.北京：高等教育出版社 2008

[4].赵勇.   传感器敏感材料与器件. 清华大学出版社 2012

[5].张洪润. 传感器应用电路200例 北京航空航天大学出版社 2006

[6].张宪.   传感器与测控电路.  化学工业出版社 2011

[7].徐湘元. 传感器及信号调理技术. 机械工业出版社 2012