毕业设计--家居智能安保系统设计

毕业设计--家居智能安保系统设计内容摘要：

两种方案，方案一运行速度快，但成本高，虽然 52 单片机运行速度低的多，但是价格便宜，该设计是最常用的电压采集，对运行速度没有太高要求。 用 52 单片机完全能完成要求。 （ 1）方案一 采用积分型 AD 转换器，其工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器 /计数器活的数字值。 其优点是用简单电路获得高分辨率。 （ 2） 方案二 采用逐次比较式 A/D 转换器，逐次比较型 AD 由一个比较器和 DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从 MSB开始，顺序 地对每一位将输入电压与内置 DA 转换器输出进行比较，经 N 次比较二输出数字值。 其电路规模属于中等。 其优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（ 12 位）时价格便宜，但高精度（ 12 位）时价格很高。 总结 比较以上三种方案，方案一由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低，电路设计与连接复杂。 方案二虽然转换速率较高，功耗低，在低分辨率（ 12 位）时价格便宜，所以选用 8 位的 ADC0809。 家居智能安保系统的设计 9 显示电路方案 （ 1） 方案一 选用数码管动态显示，它由单片机实现动态扫描，只需外接少量三极管作为驱动电路，电路简单，便于控制，价格 便宜。 但是占用大量 I/O资源，以及单片机内部资源，显示不稳定。 （ 2） 方案二 选用液晶显示模块。 它有很多不可代替的优点，首先它显示方便，显示信息全面，内容丰富，很符合人机交互的要求；其次，它有自己的储存器，显示时只要按时序将数据写入其中即可，不用进行扫描，也就不用占用 CPU，并且它能显示丰富的字符。 总结 比较以上两种方案，方案一占用大量 I/O 资源以及单片机内部资源，并且显示不稳定。 在设计中剩余的 I/O 口有限，并且需要显示的内容比较多，所以选用方案二。 操作模块方案 由于本设计只需要 4 个按键，而且 MCU 的 I/O 口资源足够，所以每个按键就对应一个 I/O 口即可。 用户可通过该模块按照自己的需要设定报警值，并且当有人发现报警时，可以通过按键退出报警。 声光报警模块方案 该模块由三个发光二极管和一个蜂鸣器组成。 三个发光二极管分别表示正常工作，临界报警，报警。 蜂鸣器在煤气浓度超过警戒值时报警。 控制电路方案 该模块由电磁阀和排风扇组成。 电磁阀用于关闭气源，排风扇进行通风，将有毒气体排出室内，单片机可控制电磁阀使之关闭，自动关闭 家居智能安保系统的设计 10 气源，并且驱动继电器是排风扇进行通风。 家居智能安保系统的设计 11 4系统硬件结构 整体硬件设计思路 本课 题的家居智能安保系统是由 AT89S52 单片机为主控制芯片，将有害气体检测经过数模转换成数字信号传给单片机，同时声光报警，浓度显示，通过继电器驱动风扇排气，驱动电磁阀关闭煤气罐。 图 整体框架图 单片机最小系统电路 单片机为本设计的核心部分，原理下图所示，数据采集模块将采集到的数据经过 A/D 转换后传给单片机，单片机进行判断，并将电压值转化成浓度，送到显示电路显示其浓度，当浓度达到报警值时，单片机驱动声光报警电路、控制电路。 单片机最小系统包括单片机时钟振荡电路、复位电路、下载线接口等。 复位电路 是采用按键脉冲复位，它是利用 RC 微分电路产生正脉冲来达到目的的。 晶振电路结合单片机内部电路产生单片机所需要的时钟频率。 家居智能安保系统的设计 12 图 单片机最小系统 数据采集电路 QMN5 型气敏元件是以金属氧化物 SnO2 为主体材料的 N 型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。 特点： 用于可燃性气体的检测（ CH C4H H2 等） 灵敏度高 响应速度快 输出信号大 寿命长，工作稳定可靠 技术指标： 加热电压（ Vh） AC 或 DC 5177。 响应时间(trec) ≤ 10S 回路电压（ Vc） 最大 DC 24V 恢复时间(trec) ≤ 30S 负载电阴（ Rl） 2KΩ 元件功耗 ≤ 清洁空气中电阻 （ Ra） ≤ 2020 KΩ 检测范围 50 —10000ppm 灵敏度（ S=Ra/Rdg） ≥ 4( 在1000ppmC4H10 中 ) 使用寿命 2 年 家居智能安保系统的设计 13 QMN5 型半导体气敏元件是以金属氧化物 SnO2 为主体材料的 N 型半导体气敏元件 ,当元件接触还原性气体时 ,其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。 特点： 用于可燃性气体的检测 (CH4,C4H10,H2 等 ) 灵敏度高 响应速 度快 输出信号大 寿命长 ,工作稳定可靠 技术指标 加热电压 (VH) AC 或 DC 5177。 回路电压 (VC) 最大 DC 24V 负载电阻 (RL) 2KΩ 清洁空气中电阻 (Ra) ≤ 4000KΩ 灵敏度 (S=Ra/Rdg) ≥ 4(在 1000ppmC4H10 中 ) 响应时间 (tres) ≤ 10S 恢复时间 (trec) ≤ 30S 检测范围 5010000ppm 基本测试电路： 图 测试电路 使用方法及注意事项： VC 输出信号 RL VRL VH 家居智能安保系统的设计 14 元件开始通电工作时，没有接触可燃性气体 ,其电导率也急剧增加 1分钟后达到稳定 ,这时方可正常使用，这段变化在设计电路时可采用延时处理解决。 加热电压的改变会直接影响元件的性能，所以在规定的电压范围内使用为佳。 元件在接触标定气体 1000ppm C4H10后 10秒以内负载电阻两端的电压可达到 (Vdg Va)差值的 80%(即响应时间 )；脱离标定气体 1000ppm C4 H1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到 (Vdg Va)差值的 80%(即恢复时间 )。 符号说明： 气体中电阻 Rdg 检测气体中电压 Vdg Rdg 与 Vdg的关系： Rdg=RL(VC/Vdg1) 负载电阻检测可根据需要适当改动，不影响元件灵敏度。 使用条件：温度 15~35℃；相对湿度 45~75%RH；大气压力80~106KPa。 环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响，当 元件在精密仪器上使用时 ,应进行温湿度补偿，最简便的方法是采用热敏电阻补偿之。 避 元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用。 MQ5 灵敏度特性曲线： 家居智能安保系统的设计 15 免腐蚀性气体及油污染，长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网。 RS 为气敏传感器在不同气体、不同浓度下的电阻值， Ro 为气敏传感器在洁净空气中的电阻值，经测量， Ro= 欧。 根据 MQ5 的灵敏度特性曲线和测试电路，可以得出电压与浓度的关系。 家居智能安保系统的设计 16 图 A/D 转换电路如上所示，在 A/D 转换电路中，由于只需用一个通道，所以选用 IN0， ADDA、 ADDB、 ADDC 接地， IN0 采集数据， ADC0809将 IN0 采集的模拟电压转换成数字电压送至单片机的 P0 口。 ADC0809需要 500KHz的时钟信 REF()接地。 操作模块电路 操作电路如下所示，该模块可以让用户自己设定报警值，并且当用户听到报警时，可以退出报警。 由于按键只有四个，所以每一个按键对应一个 I/O 口。 按下按键 S5,报警值加 100；按下按键 S4,报警值减少 100；当按下 S3 时确定报警值；按下按 键。 该模块加上上拉电阻，上拉电阻可以产生上拉电压，使电路更稳定。 家居智能安保系统的设计 17 图 操作电路 显示模块 图 显示电路 该模块用于显示煤气浓度值和用户设定的报警值。 家居智能安保系统的设计 18 声光报警电路 图 声光报警电路 控制模块电路 控制电路由电磁阀控制模块和风扇驱动电路组成。 电磁阀模块用于关闭气源，风扇驱动模块用于通风，将有毒气体排出。 电磁阀控制模块 图 电磁阀控制电路 家居智能安保系统的设计 19 电路图如下所以，本设计选用燃气电磁阀。 燃气电磁阀是燃气管道安全禁忌切断装置。 它可以与燃气泄漏 报警系统连接或与消防及其他只能报警控制终端模块等连接，实现现场控制或远程自动 /手动紧急切断气源，确保用气安全。 当发生有害的强烈震动时，阀门会自动关闭。 在电磁阀模块中，由于电磁阀的额定电压是 3V,而电路提供的电压是5V,，所以用二极管降压，二极管还有驱动作用。 电磁阀不通电时默认关闭状态，上电即可导通。 当检测煤气浓度超过警戒值时，单片机给三极管一个低电平，三极管截止，电磁阀关闭；当检测煤气浓度低于警戒值时，单片机给三极管一个高电平，三极管导通，电磁阀导通。 电风扇驱动模块 图 图 电风扇驱动 电路 家居智能安保系统的设计 20 5系统软件设计 程序流程图 图 程序流程图 MQ5 气敏传感器只能把煤气浓度转化成电阻，经信号调理后输出电压信号，因此需要找到电压和浓度的关系式，才能显示煤气浓度。 MQ5 的灵敏度曲线如下图所示，根据它的灵敏度曲线和本设计的数据采集电路，可以得到 Vout 和浓度的离散点关系，经测试， Ro=欧，取 RL=20K 欧，计算过程如下：先列出每一点浓度对应一个 Rs/Ro值，再求出 Rs，通过数据采集电路可得到 Rs/RL=（ VccVout） /Vout,即Rs/20=（ 5Vout） /Vout。 因此可以求出每一点浓度对应的电压值，通过 家居智能安保系统的设计 21 曲线拟合，可以得出电压和浓度对应的关系式。 下面分别介绍 CO、 alcohol、 CH4 的电压 =浓度曲线拟合过程。 (1)CO 的电压 浓度计算过程如下表所示： 图 电压 — 浓度 图 得出电压和浓度的关系，公式如下所示： 11* xy  家居智能安保系统的设。