儿童监护系统的理论设计.docx
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儿童监护系统的理论设计
电气工程学院
传感器课程设计报告
班级：
自133
姓名：
王高飞
学号：
1312011076
设计题目：
儿童监护系统的理论设计
设计时间：
2016.6.20~6.24
评定成绩：
评定教师：
【摘要】我国是世界上人口最多的国家，婴儿总数也位居世界前列。
加之人民生活节奏越来越快、生活压力越来越大，父母照顾婴儿的时间也变得越来越少。
由此，婴儿监护系统在家庭生活中就显得尤为重要。
目前大多数家庭还是主要依托家人时刻看守者孩子，这就造成了父母正常工作、休息等的不便。
同时，由于婴儿没有行为才能及判断能力，若婴幼儿尿床、或存在掉床、窒息危险时，婴幼儿自己不能解决问题。
若采用儿童监护系统，父母就能够及时采取相应的处置措施。
本文以51单片机为微处理器，声音传感器、湿度传感器、人体红外传感器为检测元件，设计了一个多功能的婴幼儿监控系统。
【关键词】儿童监控、51单片机、声音传感器、湿度传感器、人体红外传感器
参考文献.....................................................................................................................32
1.设计要求
1.1.设计题目：
儿童监控系统的理论设计
设计一种切实可行的测量方法，能够检测幼儿啼哭、尿床、落床危险、睡眠窒息，或者儿童走失、接近危险物品（地点）等；
1.2.设计要求分析
如果要实现以上功能，进行如下功能分解：
1 对幼儿进行啼哭检测，实际上是对幼儿周围的声音进行监测。
一旦幼儿啼哭，则报警装置启动，警示灯亮。
2 对婴儿床就行湿度检测，用来检测幼儿是否尿床，当湿度大于设定值，则报警装置启动，警示灯亮，表示幼儿尿床。
3 对幼儿的落床危险进行监测，采用压力传感器，一旦压力传感器检测到信号，则报警装置启动，警示灯亮。
4 采用人体红外传感器，对幼儿的位置进行监测。
一旦幼儿靠近危险物，则报警装置启动，警示灯亮。
2.总体方案
2.1.模块方案选择
2.1.1.单片机模块
方案一：
使用AT89C51单片机模块。
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）以及128BYTES随机数据存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。
内置功能强大微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
方案二：
使用MSP430单片机模块。
MSP430系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。
其具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点，因而在许多单片机领域都得到广泛应用。
AT89C51相对于MSP430虽然存储容量小，功能较为逊色。
但是出于我对AT89C51单片机较为熟悉，而且AT89C51足以满足此次设计任务，因此我选择AT89C51模块。
一下所有模块单元中，都采用AT89C51作为微控制器。
2.1.2.湿度检测模块
方案一：
采用湿度传感器SHT21。
SHT21作为一种常用的温湿度传感器，其工作特性有以下几点：
●完全标定
●其采用数字输出，采用IIC总线接口。
●其具有优异的长期稳定性，相应迅速、抗干扰能力强。
方案二：
采用温湿度传感器DHT11。
DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。
其工作特性有以下几点：
●湿度精度+-5%RH，量程湿度20-90%RH.
●温度精度+-2℃，温度范围为0~50摄氏度。
●输出方式为单总线数字信号。
●该传感器能耗非常低。
●其具有超长的信号传输距离。
以上两种传感器功能类似，结构相似。
但DHT11在市场上有更大的份额，因为在性价比方面，DHT11相较于SHT21有更大的优势。
所以，本设计采用DHT11作为温湿度传感器。
2.1.3.幼儿啼哭检测模块
本设计中，我们采用声音传感器对本模块进行监测。
市面上的声音传感器模块并非用对应的声音传感器芯片集成而成，而是用话筒及放大电路搭成。
本文中采用TELESKY公司制作的集成声音传感器模块。
以此来完成设计。
2.1.4.幼儿接近危险物品检测模块
本模块传感器采用HC-SR501人体红外感应模块。
HC-SR501人体红外感应模块是基于红外线技术的自动控制产品。
灵敏度高、可靠性强、超低功耗，超低电压工作模式。
广泛应用于各类自动感应电器设备,尤其是干电池供电的自动控制产品。
在本设计中，该传感器安置于危险物品处，一旦幼儿接近，传感器模块会发出信号，触发喇叭报警、警示灯亮起。
2.1.5.无线通信模块
方案一：
采用蓝牙技术。
蓝牙技术主要分为BT3.0+HS和4.0版本中加入的BLE标准。
在轻家居领域，主要讨论BLE部分。
低功耗蓝牙技术是低成本，远距离，可互操作的鲁棒性无线技术，工作在2.4G频段。
BLE采用可变连接时间间隔，几毫米到几秒，利用快速的连接方式，拥有极低的运行好待机功耗。
方案二：
采用nRF24L01无线模块。
nRF24L01无线模块是采用挪威NORDIC公司的nRF24L012.4G无线收发IC设计的一款高性能2.4G无线收发模块，采用GFSK调制，工作在2400-2483M的国际通用ISM频段，最高调制速度可达2MBPS。
Nrf24L01无线模块集成了所有频射协议在高速信号处理的部分。
模块大小32×15.2mm，2.54mm间距的双排插针接口，使用内置PCB天线设计，开阔地1MBPS速率下，收发10个字节的数据量测试距离最远约为70M左右。
由于蓝牙技术协议较复杂，功耗较高、成本较高，抗干扰能力不强，信息安全性差，使其不太适用于要求低成本、低功耗的工业控制和将网络，并制约其进一步发展和大规模应用。
相反，nRF24L01在本设计中具有低成本、稳定的显著特点，而且本人对nRF24L01相对了解些，故本文采用nRF24L01无线模块作为各模块与主机进行通讯的工具。
2.2.方案设计
综上，系统总体框图如下：
NRF24L01
NRF24L01
NRF24L011
图2.1系统结构图
各个模块之间相互独立，共同与主机进行通讯。
当主机收到模块（如烟雾、煤气检测模块）发送来的信号后，对信号进行分析。
若信号超出限定范围，则主机发出报警信号使喇叭响起，报警指示灯亮。
3.硬件设计
3.1.关键器件简介
3.1.1.AT89C51简介
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）以及128BYTES随机数据存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。
内置功能强大微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51提供以下标准功能：
4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
实物图及引脚排列如下：
图3.1AT89C51实物图
图3.2AT89C51引脚图
3.1.2.温湿度传感器DHT11
本文温湿度传感器型号为DHT11。
在NRF24L02网络中负责采集幼儿床的温度与湿度信息，一旦湿度值超过预定值，将触发蜂鸣器报警。
其引脚图和实物图如图4-23所示：
图3.3温湿度传感器引脚图和实物图
引脚介绍：
VCC——电源正极
GND——电源地
NC——空脚，悬空
DATA——串行数据，单总线
3.1.3.人体红外传感器HC-SR501
HC-SR501人体红外感应模块是基于红外线技术的自动控制产品。
灵敏度高、可靠性强、超低功耗，超低电压工作模式。
广泛应用于各类自动感应电器设备,尤其是干电池供电的自动控制产品.
在本项目中，该传感器安置于危险物品处，一旦幼儿接近危险物品后，触发蜂鸣器报警。
图3.4人体红外传感器实物图
3.1.4.声音传感器
本文所采用的声音传感器是由TELESKY公司制作的集成声音传感器模块，其引脚图和实物图如下所示：
图3.5声音传感器模块引脚图图3.6声音传感器模块实物图
3.1.5.nRF24L01无线收发模块
无线收发模块nRF24L01具有以下特性：
1 nRF24L01无线模块是采用挪威NORDIC公司的nRF24L012.4G无线收发IC设计的一款高性能2.4G无线收发模块。
其主要特色如下：
2 采用GFSK调制。
3 数据传输率为lMb/s或2Mb/s。
4 SPI速率为0Mb/s～10Mb/s2。
5 QFN20引脚4mm×4mm封装。
6 供电电压为1.9V～3.6V。
图3.7nRF24L01模块封装引脚图图3.8nRF24L01模块实物图
3.2.电路各单元原理图
在本次设计中，我主要负责DXP原理图的设计。
3.2.1.USB接口及电源
图3.9USB接口及电源单元原理图
3.2.2.晶振及复位电路
图3.10晶振与复位电路单元原理图
3.2.3.最小系统
图3.11最小系统单元原理图
3.2.4.LCD1602液晶显示电路
图3.12LCD1602单元原理图
3.2.5.报警电路
图3.13报警电路单元原理图
3.2.6.无线通讯与稳压单元
图3.14无线通讯与稳压单元原理图
3.3.各模块电路原理图
3.3.1.幼儿啼哭检测模块
图3.15声音传感器单元原理图
图3.16幼儿啼哭检测模块原理图
3.3.2.接近危险物品检测模块
图3.17HC-SR501单元原理图
图3.18接近危险物品检测模块原理图
3.3.3.幼儿尿床检测模块
图3.19DHT11单元原理图
图3.20幼儿尿床检测模块原理图
3.3.4.主机模块
图3.21主机模块原理图
4.软件设计
4.1.湿度检测报警模块
通讯过程：
用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送相应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。
从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。
采集数据后转换到低速模式。
1.通讯过程如图所示
图4.1DHT11通讯过程
总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必
须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。
DHT11接收到主机的开始信号后,
等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可,总线由上拉电阻拉高。
图4.2DHT11通讯过程
总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉
高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短决定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有
响应,请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线
50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
图4.3数字1信号表示方法
图4.4数字2信号表示方法
流程图：
图4.5DHT11工作流程图
相关程序如下：
/******************************************
单片机：
STC89C52
波特率：
9600
*****************************************/
#include
unsignedchardate;
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitkey1=P0^1;
/*函数申明-----------------------------------------------*/
voiddelay（uintz）;
voidInitial_com（void）;
voiddelay（uintz）
{
uinti,j;
for（i=z;i>0;i--）
for（j=110;j>0;j--）;
}
//*****串口初始化函数***********
voidInitial_com（void）
{
EA=1;//开总中断
ES=1;//允许串口中断
ET1=1;//允许定时器T1的中断
TMOD=0x20;//定时器T1，在方式2中断产生波特率
PCON=0x00;//SMOD=0
SCON=0x50;//方式1由定时器控制
TH1=0xfd;//波特率设置为9600
TL1=0xfd;
TR1=1;//开定时器T1运行控制位
}
//**********主函数*********
main（）
{
Initial_com（）;
while
（1）
{
if（key1==0）
{
delay（）;//消抖动
if（key1==0）//确认触发
{
SBUF=0X01;
delay（200）;
}
}
if（RI）
{
date=SBUF;//单片机接受
SBUF=date;//单片机发送
RI=0;
}
}
}
4.2.幼儿接近危险物报警模块
人体红外传感器HC-SR501采用数字单总线输出，当人体进入到检测范围内是，IO口会输出高电平，否则IO口会一直输出低电平。
流程图：
相关程序如下：
ORG0000h
LJMPMAIN
ORG0003H
LJMPPINT0
ORG000BH
LJMPTINT
ORG0200H
MAIN:
MOVIE,#81H
SETBIT0
MOVSP,#30H
SETBP3.0
CLRP3.1
MOVP1,#0FFH
MOVP2,#00H
CLRP1.2
LP:
JNBP1.0,LA
LA:
ACALLDELAY
JNBP1.0,ALARM
AJMPLP
DELAY:
MOVR1,0AAH
LD2:
MOVR2,0BBH
LD1:
NOP
DJNZR2,LD1
DJNZR1,LD2
RET
ALARM:
CPLP3.0
MOVR7,#0C8H
MOVTMOD,#01H
MOVTL0,#0B0H
MOVTH0,#03CH
SETBET0
SETBEA
SETBTR0
TINT:
CPLP3.1
MOVTL0,#0B0H
MOVTH0,#03CH
L2:
JBCTF0,L1
SJMPL2
L1:
DJNZR7,TINT
SETBP3.0
CPLP3.0
RET
PINT0:
CLREX0
PUSHPSW
PUSHACC
JNBP3.2,LN
LN:
LCALLDELAY
JNBP3.2,LN1
AJMPLN2
LN1:
SETBP3.0
CLRP3.1
//CLRP1.2
POPACC
POPPSW
SETBEX0
LJMPLP
LN2:
RETI
END
5.系统仿真
采用Proteus软件对系统进行仿真。
5.1.湿度超限报警检测模块
用滑动变阻器来模拟幼儿床环境的湿度情况。
仿真图如下所示：
图5.1湿度超限报警检测仿真
当幼儿床环境的湿度超过限定值时，系统会报警（喇叭响、警示灯亮）。
5.2.幼儿接近危险物品报警模块
图5.2幼儿接近危险物品报警模块仿真
由于Proteus软件中并没有HC-SR501传感器，故采用一个按键来模拟传感器的输出。
当按钮按下时，代表传感器输出高电平，报警装置启动。
当按键没有按下时，报警装置熄灭。
5.3.仿真的局限性
软件仿真与实际验证有很大的不同。
软件仿真是将元器件、导线等理想化了，不会出错，而实际电路的走线布线、元器件、工作环境（如温度、湿度等）对电路的运行都是有影响的，只是影响大小不同而已，甚至期间因为受到影响而直接损坏，这些都是在软件仿真时不可能遇到的。
除此之外，同一型号的元器件，不同厂家，甚至是同一厂家不同批次生产出来的元器件都多少有些差异，而这些差异都有可能使硬件运行失败。
最直观的例子就是：
我在调试的过程中，在Proteus上完美运行的程序，烧写进实验板之后现实的效果就没有了。
根本看不见湿度显示。
最后经过很长时间的调试，期间对1602工作的时序作了一些调整，我才解决了这个问题，让实验板与仿真实现同样的效果。
由此看来，仿真的局限性很大，只有在硬件上实现才能算是真正的完成了设计。
5.4.方案改进
虽然此设计已经满足了基本要求，但在满足用户方面还存在一些缺陷。
如：
nRF24L01无线传输模块的有效传输距离在10m以内，倘若距离超过10m，则nRF24L01则无法满足需求。
针对此种情况，若采用WiFi无线传输方案（WiFi的传输距离一般在20~30m之间），即可解决此问题。
由于①本次设计时间有限②此方案设计难度较大，本人设计水平不够，使得WiFi无线传输方案落空。
6.设计总结
虽然本次课程设计只持续了不到一周，但我学到的东西很多很多。
从接到这个题目到现在设计的完成，每一步我都有深刻的体会。
作为一名工科生，我更喜欢有条理地总结这次设计的收获：
1 首先，本次设计我收获最大的就是我懂得了：
学习《传感器与检测技术》这门课不单单是学会使用传感器就OK了，要能够做到对传感器原理的充分理解。
2 其次，这次设计也培养了我独自完成任务的能力。
之前的课程设计任务都是多人一组的，而这次是一个人一组（必做题）。
起初我以为我自己一人完成不了任务，直到最后，我才明白自己确实有独立完成设计的能力。
3 由软件仿真到板子实现基本功能的过程，让我明白了软件仿真的局限性。
仿真不能将问题体现出来，不能代替实际。
在以后的设计任务中，如果条件允许，能用实物实现的都用实物实现。
4 学习传感器，看懂技术手册很重重要。
它是技术人员之间沟通的工具，只有完全看懂它，才能顺利的完成设计。
参考文献
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化学工业出版社,2012.
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机械工业出版社,2012.
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北京航空航天大学出版社,2000.
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