基于光电探测的智能家居系统设计毕业设计论文文档格式.docx
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摘要
随着现代科技的飞速发展，智能家居已成为我们生活的一部分。
然而经济和城市建设的快速发展，火灾的数量及其造成的损失呈逐年上升趋势。
所以，本文所介绍的智能家居系统中将会以防火系统作为重点详细介绍。
本文通过介绍近年来国内外的智能家居发展概况，说明研究智能家居的目的与意义，以及本文所要设计的基于光电探测的家居系统主要关键所在。
整个系统以AT89C51为控制芯片，光电感烟探测器为主要探测元件来进行设计，文中详细阐述了系统总体设计架构、硬件设计以及软件设计原理和方案，其中对于硬件部分的电路都有图解和分析，以便读者理解。
最后，对该设计系统进行检定与误差分析，通过对比烟雾浓度的理论和实际过程中测量的烟雾浓度值来看本设计在应用方面的可行性。
关键词：
智能家居系统；
光电探测；
防火系统
Abstract
Withtherapiddevelopmentofmoderntechnology,intelligentHomeFurnishinghasbecomepartofourlife.However,therapiddevelopmentofeconomyandcityconstruction,thenumberoffiresandthelossescausedbyarisingtrendyearbyyear.Therefore,intelligentHomeFurnishingsystemwillbeintroducedinthispapertofireprotectionsystemasthekeydetails.
ThispaperintroducestheintelligentHomeFurnishingdevelopmentsituationathomeandabroadinrecentyears,explainthepurposeandsignificanceoftheresearchofintelligentHomeFurnishing,andthedesignofthekeyHomeFurnishingsystembasedonphotoelectricdetectionat.ThesystemtakesAT89C51asthecontrolchip,photoelectricsmokedetectorfordetectingelementtothedesign,thearticledescribesindetailtheoveralldesignofsystemarchitecture,hardwaredesignandsoftwaredesignprincipleandscheme,whichhaschartsandanalysisforthecircuitofhardware,sothatthereadercanunderstand.Finally,analysisoftestanderrorofthedesignsystem,throughthesmokeconcentrationmeasurementcomparisonsmokeconcentrationoftheoreticalandpracticalvaluesofthedesignprocessintheapplicationfeasibility.
Keywords:
IntelligentHomeFurnishingsystem;
Photoelectricdetection;
Fireprotectionsystem
1.绪论
在21世纪生活的人们已经进入了一种快节奏、高强度的模式之中，生活中到处充满着竞争与压力，人们在对解决了吃饱穿暖的基础上，开始关注如何构建一个高度舒适、高度安全以及美观方便的家庭居所。
由此，“智能家居”这个概念正式进入了人们的视野，不得不说如今社会人们日益膨胀的需求使得家居智能化已然成为一种趋势。
智能家居就是以住宅为平台，利用计算机技术、数字技术、网络通信技术和综合布线技术，将家庭生活密切相关的报警技术、家电控制技术、网络信息服务系统等各子系统有机的结合在一起，构建高效的住宅设施与家庭事务的管理系统，通过中央管理平台，提升家居舒适性、便利性、安全性，并实现节能环保的家居。
1.1.智能家居的国内外发展概况
智慧家居概念很早之前就被提出，但是一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（UnitedTechnologiesBuildingSystem）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州（Conneticut）哈特佛市（Hartford）的“CityPlaceBuilding”时，才出现了首栋的“智能型建筑”，从此全世界掀起了争相建造智能家居的狂潮。
1.1.1.智能家居的国外发展现状
自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，许多经济发达的国家先后提出了很多智能家居具体的方案。
智能家居在日本、澳大利亚、韩国等国都有广泛应用。
日本的智能家居产业在国际上享有盛誉，不仅实现了室内的家用电器自动化，还使用生物学的方法实现了自动门识别系统。
站在安装了摄像机的门口，1秒钟后，假如确认为公寓的住户，就会打开大门。
假如你提着东西，也能打开大门。
厕所内的洗手池前还安装有体重计，你可以在洗手的时候测量体重，检测的结果将显示于显示器上，全家人的测量结果都可被保存。
让家居做到完全自动化是澳大利亚智能家居的主要特点，而且看不到任何手动开关。
如一个用来推门的按钮，在其内部装了模拟手指来实现自动激活；
游泳池和浴室的供水系统被结合在一起，加水或者排水将自动化；
花园里的灌溉系统在下雨天将自动停止等等很多智能自动化的装置。
在房屋中的一处安装了42英寸的等离子屏幕用于监测，其余房间的显示设备都隐藏在房间的护壁板中。
安全问题也很考验智能家居的最终性能，在澳大利亚的智能家居安全系统里，传感器数量庞大，系统甚至可以检测出来一只飞行的小虫。
韩国的数字化家庭系统特征可用4A描述，即AnyWhere，AnyTime，AnyDevice，AnyService，来说明系统在任何时间、任何地点都能让主人获得任何服务、操控家里的任何用具。
比如，主人外出时，客厅里的录影机可以按要求将电视节目录制到硬盘上，录好的节目可在电视、个人电脑和PDA上随时播放；
厨房中，联网的电冰箱成了其他智能家电的控制中心，冰箱不仅可以提供实物，还能上网、看电视，听起来不可思议；
卧室内设有保健系统，可以监控到人的体温、脉搏和呼吸频率，医生可以根据这些来为主人提供及时的保健服务，通过网络和显示器，医生可“面对面”向病人提供服务。
1.1.2.智能家居的国内发展状况
在国内，智能家居是一种基于小区的多层次家居智能化解决方案。
它综合利用计算机、网络通讯、家电控制、综合布线等技术，将家庭智能控制、信息交流及消费服务、小区安防监控等家居生活有效地结合起来，在传统“智能小区”的基础上实现了向家的延伸，创造出高效、舒适、安全、便捷的个性化住宅空间。
2000年——概念年：
国内在这一年才开始有智能家居这个概念。
通过网络、电视和许多刊物的宣传，许多小区住户开始了解到智能家居。
各房产商户在楼宇的设计上也开始考虑实现智能化功能的设施，少数较为高级的住宅小区已经普及了比较全面的智能家庭网络。
2001年——研究开发年：
在硬件和软件方面去实现智能家居都具有一定的困难，在短期内是很难研发成功的。
国外对于这个系统过程的完成一般需要经过3年的时间，正因为已经有了国外的一些经验可供参考，我国只花了2年的时间。
2002年——实验年：
在这一年中，有些前卫的高档住宅小区和私人住宅，实现了家居在控制和管理上的智能化，一般居民的住宅和小区也已经接入了宽带网，这为智能家庭网络功能的完善打好了基础。
2003年至2004年——推广年：
我国自行研制的智能家居系统已经比较成熟，基本有能力与国外的产品相抗衡，开始力行推广。
2005年至2007年——普及年：
就从技术方面而言，我国的智能家居与欧美地区的差距并不大，仅滞后2年，在这几年中，我国自行研发的智能家庭网络系统和产品开始走进普通居民的家中[1]。
1.2.研究智能家居的目的和意义
虽然在目前智能家居系统的发展有了一定的进展，而且各式各样的相应产品也在市面上出现，但就从总体的发展而言，并未达到人们所期望的那样尽心尽意，尤其是行业中统一的标准和权威产品阻碍了智能家居的发展。
随着人们生活条件的不断提高，对于家居环境提出的要求也越来越高，如何构建一个令人满意的家庭居所在生活21世纪以及未来的人们心中是至关重要的。
1.3.智能家居的系统组成
智能家居系统包含以下主要的子系统：
布线系统、网络系统、控制管理系统、照明控制系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、安防系统、环境控制系统八大系统。
其中，控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统是必备系统，其余为可选系统[2]。
1.4.光电探测器在智能家居中的使用
智能家居系统是一项庞大的工程，其中的防火系统对其来讲更是十分重要的组成部分，而与防火系统中以光电探测技术为主要核心。
光电探测器技术已经在广泛地运用于人们的生活当中，目前以主要应用于火灾探测的光电感烟探测技术最为完善。
在当前火灾探测中主要有感温探测和感烟探测两种手段。
感烟探测可以在火灾发生之前进行报警，所以在防火系统中，感烟探测器的使用率较高。
感烟探测器又可分为离子感烟型和光感烟电型两大类，随着技术的进步，离子型探测器已经被淘汰，现在光电型探测器占据了市场的主导地位。
1.5.本文的主要研究方向
本文中介绍的是一种应用于实际生活中的智能家居系统，通过对该系统的功能原理和具体实现机制的讲解，对其中硬件模块、芯片配置、软件模块进行简要说明，切实反映该系统在功能上为人们生活带来的便捷，以实现光电探测的主要应用技术——防火系统的设计为主要目的。
具体的工作任务如下
（1）对防火系统的总体方案设计：
在对系统的设计中，本文以AT89C51单片机为控制芯片，采用光电感烟探测器为探测元件，模数转换电路以ADC0809芯片为核心来设计整个系统。
（2）系统的硬件设计：
在系统的硬件设计方面，首先对于电源模块的设计是至关重要，由整流电路、滤波电路、集成稳压电路等组成；
单片机的电路则主要为晶振电路和复位电路的设计；
然后设计了传感器控制电路、声光报警电路和数据采集分析电路。
（3）系统的软件设计：
软件部分以简洁而高效的C语言为设计语言，主要设计了系统的主程序流程和数据采集子程序流程，最后在本文末尾的附录处给出了程序的代码。
2.
系统总体的设计
智能家居中的防火系统以火灾检测传感器为检测火灾是否发生的专门仪器，可以根据不同场合的要求，实地安装不同类型的火灾检测传感器。
光电感烟探测器具有性能稳定，检测成功率高，使用期限长等优点，在防火报警系统中被广泛使用。
2.1.总体方案设计
系统的硬件设计框（图2.1）中，传感器将探测得到的物理信号转换为电信号，经过信号放大电路放大信号后进行A/D转换，单片机对数字信号进行判断，假如数值超出额定范围，单片机将发出报警信号。
显示部分的电路通过准确地显示出警报的来源位置，对工作人员起到警示的作用，从而及时地让工作人员做出适当的处理。
图2.1系统原理及组成框图
2.2.器件的选择
2.2.1.控制芯片选择
本系统中使用的控制芯片使用的是AT89C51芯片（图2.2），它自带有4K字节的FLASH存储器，是一种低电压、高性能的8位微处理器，也称单片机。
AT89C51芯片可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，由于将微处理器和Flash存储器结合在一起，开发更为高效。
如今市面上比较普遍的单片机有51系列与STC系列。
STC系列虽然功耗低，性能好，但是存在内存溢出的隐患问题，多用于工业用途；
AT89C51单片机价格便宜，上手容易。
以下是AT80C51的主要部分引脚介绍：
P0口：
P0口是8位漏级开路的双向I/O口，每个引脚可接受8TTL门电流。
当P1口首次写1时，为高阻输入。
P0可以用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
图2.2AT89C51芯片实物图及其引脚图
P1口：
P1口也是8位双向I/O口，它为芯片内部提供上拉电阻，能接收输出4TTL门电流。
在P1口管脚写入“1”时，被内部上拉为高电平，作为输入使用，被外部下拉为低电平时，作为输出使用。
P2口：
P2口是内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，作为输入端口。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平。
通电时，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，该引脚用于保存存储器地址。
PSEN：
这是存储外部程序存储器选通信号的引脚。
EA/VPP：
该引脚为低电平时，无论是否存在内部程序存储器，都选外部程序存储器。
XTAL1：
引脚用于反向振荡放大器和内部时钟工作电路输入。
XTAL2：
该引脚用于接收反向振荡器的输出[3]。
2.2.2.光电探测器的原理及其选择
火灾发生之前通常伴随有烟雾的产生，所以我们可以选择一种能够及时检测空气中烟雾含量的传感器来进行防止火灾的发生。
根据本系统的设计要求和上网查阅了许多的相关资料，决定选择光电感烟探测器（图2.3）为烟雾传感器。
这种探测器可安装于室内，多余可见或不可见的烟雾都能进行探测，能有效地对火灾发生初期进行预报[4]。
当发生火灾之前，如果进入光电感烟探头中的烟浓度高于由阈值时，指示灯亮起，同时可以发出报警信号。
这种探测器内的接口电路对于整个系统而言起着至关重要的作用，它可以将收到的烟雾信号转换为不同频率的电信号，由控制芯片来判断该位置是否真的发生火灾。
图2.3常用的光电感烟探测器
以下介绍光电感烟探测器的工作原理：
光电感烟探测器属于点型探测器，这是利用烟雾粒子的散射和吸收光原理进行工作，主要有两种形式的探测器：
散射光型和减光型光电感烟探测器[5]。
气溶胶粒子与光接触时，将发生吸收和散射两种不同的衰减过程。
散射是将粒子已接收的光能以同样的波长再辐射，再辐射的强度在不同方向通常不同。
吸收是将接收的光能转变其他形式的能，如化学能、动能。
散射光型光电感烟探测器（图2.4）的光源发出的光和光电接收器成一个特定角度，无烟雾粒子时，光无法进入接受器件中；
当有烟雾粒子进入探测室后，探测器光源发出的光线由于烟雾的散射被光电接收器件接收，产生电信号[6]。
烟雾颗粒的直径一般在0.01~9µ
m之间，其分布比较大、性质不稳定、容易让光产生散射。
烟雾的直径处于0.5~1µ
m时，散射符合汤姆森散射。
根据瑞利散射理论，空气中的烟雾颗粒可以近似看成一个微小的圆球，这时的瑞利比（即散射能力）[7]：
（2-1）
为散射函数，
，
为圆球半径，
为波长，
为散射角，
为圆球的体积，K为散射测量中的物理常数，
为反差因子。
从式（2-1）可以看出物质的散射能力与其体积平方成正比，因此烟雾中大颗粒比小颗粒的散射能力强得多。
同时其散射能力也和散射函数
有关，还与
和
有关，因此当烟雾颗粒较大且
较大时，随着散射角
的增大，函数
下降较大；
反之则情况相反。
这就可以说明太大的颗粒散射能力也不强，以红外光作为光源可以有效地感知火灾初期形成的烟雾浓度，很多高水平的烟雾探测器就是根据这个原理制作而成的。
图2.4所示的是在一个不受外界光线影响，烟雾可以自由进出的光敏室中装有红外发光元件和红外受光元件。
发光元件选取砷化镓红外二极管；
光谱的范围介于0.54~0.95µ
m之间；
光敏管使用的是硅光电池；
接受的光谱选取于0.5~1.2µ
m之间。
当光敏室中没有烟雾颗粒时，其散光能力极其微弱；
燃烧开始时，烟雾颗粒将进入光敏室，红外光源发出的光在烟雾颗粒上产生散射，光敏二极管发生阻抗变化产生光电流。
这个过程就实现了将烟雾信号转变为电信号，也正是光电感烟探测器的原理所在。
图2.4散射光式光电式烟雾传感器原理示意图
由光电烟雾传感器对不同直径的烟雾粒子的响应曲线（图2.5）可以看出直径在0.5~0.9µ
m的烟雾粒子，光电感烟传感器对其响应最好。
图2.5光电烟雾传感器对不同直径烟粒子的响应曲线
2.3.A/D转换器
在单片机控制系统中，往往需要控制或测量一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量等物理量。
但是一般单片机本身只能处理数字量而不能处理模拟量，所以必须把模拟量转换为数字量（A/D转换）。
A/D转换器（ADC）正是用来完成这个转换过程的器件。
图2.6ADC0809实物图及引脚图
以下是ADC转换器的主要性能参数：
（1）分辨率：
ADC对输入信号的分辨能力。
分辨率以二进制数的位数表示；
（2）转换时间：
ADC从收到模拟信号开始，到输出数字信号使用的时间；
（3）转换误差：
ADC实际输出的数字量和理论的输出数字量间的存在的误差；
（4）线性度：
ADC的转移函数与理论中直线的最大偏移[9]。
目前的ADC芯片在转换精度、转换速度和使用价值上都十分令人满意，本设计中采用的是ADC0809。
由美国国家半导体公司生产，其内部有一个8通道多路开关，根据地址码锁存译码后的信号，只选用8路模拟输入信号中的其中一个来进行转换。
目前国内最广泛使用的正是这种芯片。
A/D转换电路采用了常用的8位8通道的专用芯片ADC0809（图2.7），包括8路模拟开头、地址锁存与译码器、8位A/D转换器和三态输出锁存缓冲器。
以下为ADC0809的引脚功能：
D7-D0：
8位数字量输出引脚
IN0-IN7：
8位模拟量输入引脚
GND：
地
REF（+）：
参考电压正端
REF（-）：
参考电压负端
START：
A/D转换启动信号输入端
ALE：
地址锁存允许信号输入端[10]。
2.4.本章小结
本章主要介绍了系统的总体方案以及主要器件的选择。
方案流程为从传感器接收烟雾信号经过A/D转换后传入单片机，再由其判断是否发生火灾。
控制芯片为AT89C51，选用红外光电感烟探测器作为信号接收元件，模数转换器件则选用ADC0809。
后面的硬件设计主要围绕所选的这些器件来展开陈述。
3.
防火系统硬件的设计
防火系统的硬件部分主要由电源模块、单片机电路、传感控制电路、声光报警电路和数据采集与分析电路组成。
这几个模块相互作用，整个系统缺少了其中任何一部分都不能正常运行。
3.1.电源模块的设计
电源模块部分主要由整流电路、滤波电路、集成稳压电路等组成。
集成电路型稳压电源具有性能稳定、带负载能力强、使用方便等特点[11]。
电源部分原理图如图3.1所示。
220V的交流电通过变压器T1降低为12V，桥式整流以后将交流电压变为直流电压，再经滤波电容C11和C12去噪，再经IC4（7805）稳压后最终得到的+5V的电压，电容C13改善负载的瞬态影响，为主机电路供电[12]。
图3.1电源部分原理图
电容滤波电路是为了减小整流器输出电压中的波动成分，使其成为稳定的直流电。
因为经过二极管整流之后，交流电的就变得方向单一了，但是其大小还是在不断地变化。
直流电不能直接为无线电装供电，而要使用平滑的直流电，所以还要进行滤波，让它变得平稳。
3.2.单片机电路
单片机电路主要由晶振电路和复位电路两部分组成（图3.2），晶振电路为单片机提供时钟信号，使其能稳定地进行工作；
单片机启动时发出复位信号，使CPU及系统各部件从初态开始工作。
3.2.1.晶振电路
AT89C51芯片中有一个高增益反相放大器用于构成内部振荡器，该放大器的输入端和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，它与石英晶体或陶瓷谐振荡器一起构成自激振荡器[13]。
外接的石英晶体和电容C5、C6形成的反馈回路中组成并联振荡电路。
C5、C6的容量大小会对响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性等造成轻微影响，所以电容的容值设定为30pF。
图3.2晶振电路与复位电路
3.2.2.复位电路
AT89C51将信号从REST发送到施密特触发器中，振荡器稳定后，假如REST有一个超过2个机器周期的高电平信号，则系统实现复位[14]。
本系统使用手动按钮进行复位，使用的方法是在REST引脚和Vcc之间串联一个按钮。
按钮被按下时，REST端加入Vcc的+5V电压，系统完成复位。
该电路中的SW-PB是手动复位开关，C10可以去除电路中的高频谐波干扰。
图3.2给出了AT89C51的复位电路图。
3.3.传感器控制电路
因此，系统需要对传感器输出的模拟信号进行放大和滤波，以获得出理想的信号源[15]。
温度传感器采用LM94022传感器，该传感器精度高，其输出电压与测量的温度成反比例关系。
传感器的灵敏度为-5.5mV/℃，需要将GS0和GS1口进行接地。
烟雾传感器输出的电压能达到好几伏，不需要放大，只需要进行滤波处理。
由于传感器电路接的是直流电源，可以安装几个电容器来起
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