基于激光探测的智能家居系统设计Word格式文档下载.docx
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Keywords:
IntelligentHomeFurnishingsystem;
Photoelectricdetection;
Fireprotectionsystem
1引言
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。
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。
激光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。
1.1.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
1.2.器件的选择
1.2.1.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：
1.2.2.激光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，决定选择激光感烟探测器（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，如果进入激光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常用的激光感烟探测器
以下介绍激光感烟探测器的工作原理：
激光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：
散射光型和减光型激光感烟探测器[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。
散射光型激光感烟探测器（图2.4）的光源发出的光和激光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激光接收器件接收，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；
光敏管使用的是硅激光池；
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
图2.4散射光式激光式烟雾传感器原理示意图
生阻抗变化产生激光流。
这个过程就实现了将烟雾信号转变为电信号，也正是激光感烟探测器的原理所在。
由激光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，激光感烟传感器对其响应最好。
图2.5激光烟雾传感器对不同直径烟粒子的响应曲线
1.3.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、图2.6ADC0809实物图及引脚图
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。
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]。
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。
1.4.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。
1.5.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。
1.5.1.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图3.2晶振电路与复位电路
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。
1.5.2.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。
1.6.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到隔直通交的作用。
本系统判断火灾是否发生的方法为固定门限检测法，设置温度阈值为56℃，烟雾的浓度为3.2%/cm-3[16]。
电路设计中要求高输入低输出，故放大电路、滤波电路的前置电阻R4、R8的阻值设为10K和1K。
由于运放LM324的输入级是差动放大电路，要求两端输入回路参数对称，即
，故
。
依据运算放大器“虚短”、“虚断”特性，有
电压放大倍数为：
（3.1）
滤波电路能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率成分，滤除或衰减无用频率信号到足够小。
为了使滤波器的效果达到最佳，可以用过加强网络的强度来实现，本系统使用的是通过二阶滤波器电路来改善电路[8]。
因为在发生火灾初期，温度和烟雾的变化十分缓慢，所以可以使用二阶有源低通滤波器电路来增强输入信号。
将串联的两节RC低通网络直接与反向电压跟随器电路相连，可以构成烟雾和温度调理电路中的简单二阶低通滤波器电路，这就实现了滤波的功能。
在该电路中
LPF电路电压放大倍数为：
（3.2）
用
取代s，且令
，得出电压放大倍数为：
（3.3）
由于为信号频率二次幂的函数式，故为二阶LPF。
设带通截止频率为
，则当
时，上式的分母的模应等于
，可解出二阶LPF的上限截止频率为：
二阶低通滤波电路的衰减斜率可达-40dB/十倍频，但是又由于
远离
，即在
处，信号的放大倍数已急剧下降，所以该滤波电路以降低滤波器通频带为代价来获得滤波器衰减斜率。
1.7.声光报警电路
声光报警电路在AT89C51的控制下，可以根据不同的情况发出不同的声光信号报警。
蜂鸣器（图3.3）需要的工作电流比较大，单片机的I/O口不能提供太大的电流，可以使用三极管放大电路进行驱动。
该电路由单片机的P10引脚进行控制，当P10输出的电平为高电平时，三极管导通，蜂鸣器的电流形成回路，发出声音进行报警；
否则，三极管截止，蜂鸣器不进行工作。
光报警电路图（图3.4）中单片机的P2口进行控制，P2口的P23~P26分别控制4个发光二极管，予以光报警，如图所示。
P23~P26控制的灯依次为红色（火灾信号灯、异常信号灯）、黄色（故障信号灯）和绿色（正常信号灯）。
当P23~P26输出低电平时，对应的信号灯便会发光报报警。
图3.3蜂鸣器报警
图3.4光报警电路
1.8.数据采集与分析电路
系统中的A/D转换器采用ADC0809，以下是该芯片中的几个重要管脚功能：
ALE用于地址锁存允许输入，高电平时有效，当它进行工作时，A，B，C三条线的地址信号被译码器与地址锁存器锁存，通过译码器后，被选通道的模拟信号进入A/D转换器进行数字转换。
A，B，C用于选择IN0~IN7中的一个模拟信号表示输入。
当START端口处于上跳沿时，内部寄存器全部被清零；
当其为下跳沿时，则对模拟信号进行A/D转换；
在这个期间，START必须一直处于低电平状态。
EOC为高电平时，表示A/D转换过程结束；
否则，表示还在进行转换。
OE为允许输出信号的端口，OE＝1，输出数据。
ADC0809的时钟频率为500KHz，时钟信号由外部C51单片机的ALE端口进行提供。
图3.5为系统AT89C51与ADC0809接口电路。
图3.5AT89C51与ADC0809接口电路
当AT89C51的ALE端口不访问外部存储器时，AT89C51的ALE端以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，故晶振设定12MHz，再经过二分频电路，单片机即可向ADC0809输出500KHz的时钟信号。
二分频电路由D触发器实现，R、S端接地，D接Q非，Q端作为输出端，CLK接AT89C51的ALED端。
D触发器的特性方程为
（3.4）
由于当CP=1时，D触发器有效；
CP=0时，触发器保持原来状态。
故D触发器能实现对ALE端口的信号二分频。
由于本火灾报警系统只采集温度、烟雾信号，经过调理的温度、烟雾信号分别进入ADC0809的IN-0和IN-1端口，其余输入引脚接地，8个数字量输出引脚接AT89C51的P0口。
单片机的P0口接受ADC0809传输来8位数字量，向A/D输出的8位地址经地址锁存器74LS373锁存，选择低3位地址作为A/D的通道选通地址。
ADC0809通道选通如表3-1。
表3-1ADC0809通道选通
通入通道
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
A
B
C
0
1
1
0
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