基于GPRS的智能家用多功能安全监控系统.pdf

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1、黑龙江大学硕士学位论文基于GPRS的智能家用多功能安全监控系统姓名：李宏伟申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：沈永良20081020中文摘要中文摘要智能家居的目标是用多种方法和设备来提高人们的生活质量，使家庭变得更舒适、安全有效。随着经济的发展，人们生活水平的提高，传统的家庭模式无法自动获取外界的信息，并且不同家庭节点之间无法协同工作，不能满足现代家庭生活的需要。开发智能化家庭控制系统己成为当前的迫切需要。本项目是采用A D Z S B F 5 6 1 开发平台基于G P R S 的远程家居智能安全监控系统。利用B F 5 6 1 在视频处理的优势和双核特点，使其工作在非对称多处理

2、架构上。由C o r eA 进行视频采集室内视频并采用J P E G 算法进行图像数据压缩，C o r eB 则承担所有应用层的任务。其中应用层的任务包括操作系统u c l i n u x、基于G P R S 的图像传输、室内温湿度检测及火灾报警、电能监测及计量、煤气泄漏检测及报警。然后通过G P R S 网络把图像和报警信息传送的主人的手机上。而主人也可以通过手机发送命令对室内的各种情况进行查看。同时该系统还具有通过红外遥控器控制开关组对室内的用电设备进行开关遥控。关键词：安全监控系统；A D Z S B F 5 6 1：B F 5 6 1；u c l i n u x黑龙江大学硕士学位论文A

3、 b s t r a c tT h eg o a lo fS m a r tH o m ei su s i n gv a r i o u sm e t h o d sa n de q u i p m e n tt oi m p r o v ep e o p l e Sl i f ea n dm a k ep e o p l e Sh o m em o r ec o m f o r t a b l e，s a f ea n de f f e c t i v e W i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n di m p r o v

4、e m e n to fp e o p l e Sl i v i n gs t a n d a r d s，t h et r a d i t i o n a lf a m i l ym o d e lc a nn o ta c c e s st oo u ts i d ei n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l y I tC a nn o tm e e tt h en e e d so fm o d e mf a m i l yl i f e F a m i l y Sc o n t r o ls y s t e mo ff u r t h e

5、rd e v e l o p m e n ti n f o r m a t i o nh a sa l r e a d yb e c o m et h ep r e s e n tu r g e n tn e e d T h i sp r o j e c ti st h a tu s i n gA D Z S-B F 5 61p l a t f o r mt od e s i g nh o u s es a f ei n t e l l i g e n ts u p e r v i s o r ys y s t e mb a s e do nt h eG P R Sl o n g-d i s

6、t a n c e U s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fB F 5 61i nt h ev i d e op r o c e s s i n gs u p e r i o r i t ya n dd u a l-c o r e，u s i n gt h ea s y m m e t r i c a lm u l t i p r o c e s s i n go v e r h e a dc o n s t r u c t i o n，c a r r y i n go nv i d e og a t h e r i n ga n dt h ev

7、 i d e od a t ac o m p r e s s i o nb yC o r eA，a n du s i n gt h eJ P E Ga l g o r i t h mt oC a l T yo nt h ei m a g ed a t ac o m p r e s s i o n C o r eBu n d e r t a k e sa l lo t h e ra p p l i c a t i o n s T h ea p p l i c a t i o n si n c l u d eo p e r a t i n gs y s t e mu c l i n u x，b a

8、 s e do nt h eG P R Si m a g et r a n s m i s s i o n，i nt h er o o mt h et e m p e r a t u r eh u m i d i t ym e a s u r e m e n t sw i t ht h ef i r ea l a r m，e n e r g ym e t e r i n ga n dt h ec o a lg a sl e a k i n ge x a m i n e sa n da l a r m T h e ns e n t i n gt h ei m a g ea n dt h ea l

9、 a r mi n f o r m a t i o nt ot h em a s t e r Sm o v e b l i ep h o n et h r o u g ht h eG P R Sn e t w o r k B u tt h em a s t e ra l s om a yc a r r yo nt h ee x a m i n a t i o nt h r o u g ht h em o v e b l i ep h o n es e t t h eo r d e rt oe x a m i n et h es i t u a t i o no fr o o m S i m u

10、 l t a n e o u s l yt h i ss y s t e ma l s oh a st h e i n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l o rt Oc o n t r o ls w i t c hg r o u p ss w i t c h i n gd o m e s t i ce l e c t r i ca p p l i a n c e s K e y w o r d s：s a f ei n t e l l i g e n ts u p e r v i s o r ys y s t e m；A D Z S B F 5 61；B

11、F 5 61；u c l i n u x黑龙江大学硕士学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕉江太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。躲节乡饼期：嘲，月尸同学位论文版权使用授权书本人完全了解墨蕉江太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权墨蕉堑态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学

12、位论文。学位论文作者签签字同期：D 缪学位论文作者毕业后去向：翩虢厂惦砂签字日期：莎。矿纱富年ff 月7 日莎r 沁阳食工觯位：劬1 1 矿棚书慨陟叫2 棚7通讯地址：啦峨惫I 孙蝴：巾?)Vy第1 章绪论1 1 研究背景第1 章绪论1 1 1 智能家居控制系统概述随着社会经济水平的发展，现在人们的生活追求个性化、自动化，追求快节奏，追求充满乐趣的生活方式，家居要求的档次越来越高，生活家居要求一种人性化、智能化。智能电子技术在现实生活中的智能家居电子产品中得到广泛应用。特别是计算机技术、网络通信技术、信息控制技术的迅猛发展与提高，促使家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经

13、影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，智能化家居也正是在这种形势下应运而生的。智能家居的日渐兴起给人们的家居生活带来了全新的感受，家居智能化成为一种趋势。1、智能家居简介住宅智能化系统的概念是从上世纪7 0 年代末起源于美国，随后，欧洲、同本等国家住宅智能化也得到了飞速发展。在我国，智能家屠这一概念推广较晚，约在9 0 年代末住宅智能化系统进入国内，但其发展的速度非常快，全国己建立了一些具有一定智能化功能的住宅小区和家庭智能化住宅【。智能家居系统是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术，将与家居生活有关的名种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居

14、生活更加舒适、安全、有效。与普通的家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，甚至为各种能源支出节约资金。智能家居的基本目标是：将家庭中各种与信息相关的通信设备，家用电器和黑龙江大学硕士学位论文家庭保安装置通过有线或无线的方式连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。2、智能家居控制系统的现状与发展趋势中国的智能家居行业兴起于九十年代的术期。随着人民的生活水平越来越高，以及一浪高过一浪的房

15、地产热潮，中国的智能家居行业取得了更加迅猛的发展并同益渗透到平常百姓的生活当中。随着I n t e m e t 网向普通家庭生活不断扩展，消费电子、计算机、通讯一体化趋势日趋明显，现代智能家居由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特点在2 1 世纪将成为现代社会和家庭的新时尚。当家庭智能网关将家庭中各种各样的家电通过家庭总线技术连接在一起时，就构成了功能强大、高度智能化的现代智能家居系统。近年来中国对智能化住宅的关注力度逐渐加大，国家对智能化住宅小区的发展政策将更加注重绿色、环保、智能和可持续性。智能家居是住宅智能化的核心部分，目前我国的智能家居市场有三个特点：一是市场潜力大，现在的房地产业在

16、全国的发展都很火爆，作为其下游产业，智能家居市场前景还是非常乐观的。第二点就是产品多，厂家多，大部分集中在上海、北京、深圳、广州等地。但到目前为止还没有一家形成规模化。第三，就是目前国家对智能家居行业还没有实施统一的行业标准，使得很多中小企业各自为政，按自己对市场的理解来丌发产品，相互间的产品不具备兼容性，这种局面有点春秋战国时代诸侯争霸的感觉。因此，今后几年智能家居市场会进入一个行业整合阶段，最终可能会出现几家规模比较大，品牌影响力好的厂家。从产品角度来讲，以后的智能家居产品会朝着实用化、傻瓜化(操作简单)、模块化的方向发展，所谓模块化就是产品开发商把智能家居产品做成模块化的，可以根据用户的

17、实际需求任意搭配。这样不仅可满足不同层次用户的需要，而且可以节约成本，也可以节约不必要的端口模块的浪费。中国智能化住宅的发展将有两个阶段性目标，第一个阶段，到2 0 1 0 年，全国新建建筑争取三分之一以上能够达到绿色建筑和节能建筑的标准。同时，最主要2第1 章绪论的是全国城镇建筑的总耗能要实现节能5 0。第二个阶段，到2 0 2 0 年，要通过进一步推广绿色建筑和节能建筑，使全社会建筑的总能耗能够达到节能6 5 的总目标。如果中国大力推广绿色建筑，仅在铺设智能化系统上所需的新设备的生产上就有2 0 0 0 亿到3 0 0 0 亿元人民币的新市场。而中国“智能家庭网络”必将在“智能化住宅”框架

18、下，走计算机、信息家电、家庭控制三合而一之路，形成一个新型I T产业，对未来几十年对中国房地产行业健康发展产生重大影响【2 l。1 1 2 嵌入式系统简介1 嵌入式系统嵌入式系统】被定义为以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，其中嵌入式微控制器的品种和数量最多，并且己经在家庭和工业的各个领域得到了应用。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用面前更具有竞争力，嵌入式C P

19、U 具有与通用型C P U 不同的特征，那就是，功能更强大的微处理器并不一定要取代早期的微处理器，诸如银行所用的P O S 机等产品，只要符合该特定应用即可，因此嵌入式系统的设计人员有着更广泛的选择范围，可以根据产品的功能、特点、价格等因素选择合适的微处理器产品。从某种程度上讲，嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式C P U 与通用型的最大不同就是嵌入式C P U 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用C P U 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的藕合也越来越紧密。与传统的通

20、用计算机相比，通用计算机具有完善的操作系统和应用程序接口，应用程序的开发以及完成后的软件都在O S 平台上面运行，但一般不是实时的。嵌黑龙江大学硕士学位论文入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。可见，对于完成特定的功能，嵌入式系统完全可以替代通用计算机，并且在实时性方面做得更好。嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指埋藏在宿主设备中的微处理机系统。嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。简单的嵌入式系统由微控制

21、器或单片机及嵌入式软件组成。嵌入式系统与通用计算机相比有五个明显的特征：专用性，可封装性，外来性，实时性，可靠性。专用性是指嵌入式计算机系统用于特定设备完成特定任务。可封装性是指嵌入式计算机系统隐藏于目标系统内部而不被操作者察觉。实质上是面向对象封装以实现信息隐藏思想的体现。外来性体现在嵌入式计算机一般自成一个子系统，与目标系统的其他子系统保持一定的独立性。实时性是指与实际事件的发生频率相比，嵌入式系统能够在可预知的极短时I 白J 内对事件或用户的干预做出响应。可靠性是指嵌入式系统隐藏在系统或设备中，用户很难直接接触控制。根据嵌入式系统达到的复杂程度，可以将嵌入式系统分为以下四类：(1)单个微

22、处理器(2)不带计时功能的微处理器装置(3)带计时功能的组件(4)在制造或过程控制中使用的计算机系统和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率的设计，量体裁衣，去除冗余，力争在同样的体积上实现更高的性能。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器要根据用户的具体要求，对芯片配置进行裁减和添加才能达到理想的性能嵌入式微处理器一般具有以下几个特点：(1)对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到剧氏限度。(2)具有功能很强的存储区保护功能，有利于软件诊断石4 第1 章绪论(3)可扩展的处理器结构，以便能迅速扩展出满

23、足应用的最高性能的嵌入式微处理器。2 嵌入式系统的现状及发展方向嵌入式系统无所不在，它几乎包括了我们周围的所有电器设备：掌上P D A、移动计算机设备、上网手机、多媒体、蜂窝式电话等等。越来越多的设备需要复杂的嵌入式操作系统，为了适应嵌入式设备的复杂性和多样性，缩短其丌发周期，嵌入式操作系统应运而生。在嵌入式系统开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键。通常，对嵌入式软件的基本要求是体积小、执行速度快、具有较好的可裁剪性和可移植性。随着嵌入式系统的发展和应用的多样性，对嵌入式软件的要求也发生了相应的变化，主要有以下几点：(1)操作系统的支持嵌入式系统覆盖面很广，主要由具体应用决定的，简单的嵌

24、入式系统没有操作系统，而只是一个控制循环。但是，当系统变得越来越复杂时，就需要一个嵌入式操作系统来支持，否则，应用软件就会变得过于复杂，使开发难度过大，安全性和可靠性都难于保证。(2)多任务且具有实时性在多任务嵌入式系统中，合理的任务调度必不可少，单纯通过提高处理器速度无法达到目的，这样就要求嵌入式系统的软件必须具有多任务调度能力13 1。(3)强大的联网功能在网络日益重要的今天，越来越多的嵌入式系统有了联网要求。嵌入式系统与各种网络相连，尤其是与I n t e m e t 相连，给系统提出了很多要求，系统需要支持T C P I P 协议和相关实用程序，并且需要处理安全认证和访问控制问题。(4

25、)窗口交互功能当日，很多应用领域都要求嵌入式系统能够提供类似于XW i n d o w s 或者黑龙江大学硕士学位论文M i c r o s o f tw i n d o w s 的窗口交互系统。由于嵌入式系统越来越追求数字化、网络化和智能化，要达到上述“三化”要求，、整个系统必须是开放的、提供标准的A P I，并能方便的与众多第三方的软硬件沟通。1 1 3 智能家居控制系统的主要技术和解决方案伴随着D S P 处理器性能的提高和网络技术的飞速发展，尤其图像编解码技术的同益成熟，手机无线通信网络带宽和手机本身视频处理性能的提高。使实现远程图像监控和报警成为可能。而人们利用高科技手段提高生活环境

26、的安全和保护财产需求越来越高，从而使本项目有非常广阔的应用市场。本设计以B F 5 6 1 开发平台为核心，采用数字温湿度传感器S H l l 监测室内温湿度，红外线收发射单元控制照明设备；利用P C F 8 5 6 3 多功能时钟R 历芯片获得时间和同历；并利用煤气传感器进行泄漏检测和报警；通过A D E 7 7 5 3 电度表芯片进行电能监测；通过T F T-L C D 进行时钟和室内环境参数显示：通过A D V l 7 8 3 A和模拟摄像头进行图像采集，使用J P E G 算法进行图像压缩处理，并利用S D 卡实现了图像及参数实时存储，并在可以通过G P R S 模块实现图像和参数的网

27、络传输。创新点：1、电能计量和电网参数检测；2、采用开关阵列实现家用电器电路的集中控制；3、火灾出现后系统可自行判断是否采用短信模式向1 1 9 火警短信平台报警，并将该信息发送到户主的手机上；4、一旦有人非法入室采用主动式触发图像采集同时根据情况自行决定是否向11 0 匪警短信平台报警，并将该图片信息发送到户主的手机上。论文主要完成的工作；l、通过G P R S 模块实现实时图像传送和家居环境参量传送；2、通过G P R S 网络采用拨号上网方式进行以太网远程监控。特色：第1 章绪论1、家居环境参数的智能检测和家用电器的集中智能控制：2、出现煤气泄漏，火灾，非法入室等情况后系统便自行判断并向

28、相应的短信报警平台报警并将该信息及时通知给户主；3、通过G P R S 网络实现拨号上网功能并通过以太网进行远程实时监控。1 2 系统总体方案系统总体构架如图1 1 所示。像头S P IA D Z S B F 5 61E Z L I T E温湿度4-#感器S H T l lH T l 2 D 目码芯，红外接收竹T S O P l 7 3 7 8时铡一|煤气传P C F 8 5 6 3l I感器翳G T J 2I l 渊嘲态继r 乜I I“0 0”器|I”图1 1 系统接体构架F i g 1-1T h eo v e r a l ls y s t e ma r c h i t e c t u r

29、e各功能单元原理与实现方法如下：(1)室内温湿度监测单元：采用数字温湿度传感器S H l l 监测室内温湿度，通过两线制接口电路与B F 5 6 1 的可编程I O 相连接。B F 5 6 1 从该芯片读取室内的温度和湿度数值。黑龙江大学硕士学位论文(2)红外收发单元：采用H A l 2 A 编码芯片、发射电路、H T l 2 D 解码芯片和红外线接收器T S O P17 3 7 8。(3)发送单元：键盘输出的数据通过编码芯片H A l 2 A 编码由红外发光二极管和三极管8 0 5 0 组成的发射电路发送。(4)接收单元：由红外线接收器T S O P l 7 3 7 8 接收遥控器发射的编码

30、数据，继而由解码芯片H T l 2 D 解码并通过B F 5 6 1 的可编程I O 传送到B F 5 6 1 中。(5)时钟单元：P C F 8 5 6 3 是P H I L I P S 公司推出的一款内含1 2 C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟日历芯片。输出B C D 码表示的时钟计数(包括时、分、秒)和万年历(包括闰年、平年、月、日、周)。B F 5 6 1 通过可编程I O 模拟1 2 C接口与P C F 8 5 6 3 通信，从该芯片获得时间和日历，用作时钟并为报警发生的时刻作时间标记。(6)显示单元：采用S h a r pL Q 0 3 5 Q 7 D B 0 2T F

31、T-L C D 来用做时间、报警信息显示、图片显示以及在系统设定时所需要的显示功能。(7)电能检测单元：采用A D I 公司的A D E 7 7 5 3 电能计量芯片。A D E 7 7 5 3 是A D I的一款功能先进的数字电镀表芯片，是一种带串行接口和脉冲输出的高精度有功和视在能量计量的集成电路，集成了二阶E AA D C s、一个数字积分器(在C H l上)、一个参考电压源和一个温度传感器，能对电压、电流有效值(R M S)、有功功率、无功功率和视在功率进行计算。(8)图像存储单元：采用S D 存储卡存储报警图片和各种报警信息。S D 卡的接口是9 针口，其中，电源线3 根，数据线4

32、根，一根L C K，一根命令C M D，工作作品率最高为2 5 M H Z。B F 5 6 1 通过几根控制线和与一片S D 卡的桥接控制芯片W 8 6 L 3 8 8 D 相连，；利用W 8 6 L 3 8 8 D 控制芯片完成读S D 卡的命令发送和数据传输功能。写数据是先送到数据总线上，经W 8 6 L 3 8 8 D 送给S D 存储卡。S D 的协议均由B F 5 6 1 给W 8 6 L 3 8 8 D 编程实现。该S D 卡的接口可以支持两种操作模式：类型l 模式类型2 模式8第1 章绪论本设计中S D 卡的桥接控制芯片W 8 6 L 3 8 8 D 工作在类型1 模式。(9)图

33、像采集：系统的图像采集通过A D V 7 1 8 3 来完成，输入至U A D S P B F 5 6 1的P P I 接口上，A D S P 5 6 1 的P p l 接口在I T U 6 5 6 的模式下，采用D M A 的方式将视频流中的一场C I F 格式视频图像(3 5 2 X 2 8 8 像素)存储到外部存储器S D R A M 中，当一个完成的图像帧存放在S R A M 后，数据将传输到内部数据存储器中，A D S P B F 5 6 1对数据进行J P E G 压缩处理。(1 0)G P R S 单元：本系统选用M 1 2 0 6G P R SM o d e m 实现终端的网络

34、与户主手机之间进行相互通信，G P R S 联网通过P P P(点对点协议)协议来完成的。L i n u x 已经完整地实现了P P P 协议，可以很方便地支持各种无线M o d e m 通过拨号访问I n t e m e t。一个P P P 会话分为四个步骤：连接建立、连接质量控制、网络层协议配置、连接终止。提供了密码认证协议(P A P)或者邀请握手认证协议(C H A P)来保证连接安全。1 3 论文主要完成的工作本课题对智能家居控制系统进行研究，通过该系统，可通过I n t e m e t 及时了解家罩的各种运行状态，并能根据现场情况做出相应的调整和控制。为了实现该目的，本文研究主要内

35、容如下：(1)智能家居控制系统方案的选择和总体设计。(2)嵌入式操作系统以及应用程序的开发。(3)G P R S 无线通讯和电力线载波通信的实现。(4)系统软硬件调试及实验测试。1 4 文章结构第一章绪论，主要介绍了本论文的研究背景、研究意义和本论文的主要内容及其安排；第二章温湿度感测系统设计，主要介绍了传感器S H T ll 在单片机嵌入式系统黑龙江大学硕士学位论文中的应用；第三章电能检测系统设计，介绍了单相多功能电能计量芯片A D E 7 7 5 3 的基本功能和特点，论述了利用A D E 7 7 5 3 的各种功能设计适用于特定应用场合的方法及其技术；第四章图像处理系统，介绍了图像采集、

36、压缩及存储的方法：第五章G P R S 及嵌入式系统，介绍了G P R S 业务、嵌入式系统及嵌入式系统的应用；第六章智能家居控制系统的设计；第七章智能家居系统的调试及运行结果。第2 章温湿度感测系统设计第2 章温湿度感测系统设计目前，智能传感器正处于蓬勃发展的新时期，新技术不断涌现，新产品层出不穷。所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一利用嵌入式技术原理，实现

37、单片机对传感器的控制，可以加快检测速度、效率、安全性、智能性。2 1 湿度及传感器的相关概念b 3在计量法中规定，湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的湿度为相对湿度(R H 表示)。总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比湿度和温度很久以前就与生活存在着密切的关系，但用数量来进行表示较为困难。湿度计测的历史可以追溯到中国的天秤型(公元前1 7 9 年)为最早的湿度计测(温度计测可追溯到记载的希腊时代的温度计)。绝对湿度(a b s o l u t eh u m i d i t y)：单位体积(1 m 3)的气体中含有

38、水蒸气的质量(g)o 表示：厶=罟。；式中：m 为待测空气中水蒸气质量：V 为待测空气的总体积；I v 为待测空气的绝对湿度。但是，即使水蒸气量相同，由于温度和压力的变化气体体积也要发生变化，即绝对湿度l v 发生变化。l v 为容积基准。如果把待测空气看作是一种由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合气体的话，根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可以得到如下关系式：，=e M 尼7 黑龙江大学硕士学位论文式中：e 为空气中水蒸气分压；M 为水蒸气的摩尔质量；T 为空气的绝对温度。相对湿度(R e l a t i v eH u m i d i t y)：气体中的水蒸气压(e)与其气体的饱和水蒸气

39、压(e s)的比，用百分比表示：pR H=二1 0 0 P 占但是温度和压力的变化导致饱和水蒸气压的变化，R H 也将随之而变化。通常在工作和生活中我们使用的湿度即为相对湿度。(1)湿度传感器的分类湿度传感器分为电阻式和电容式2 种，产品的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。(2)湿度传感器的特性国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价都相差较大，用户如何选择性价比最优的理想产品确有定难度，需要在这方面做深入的了解。湿度传感器具有下特点：精度和长期稳定性，湿度传感器的温度系数，度传感器的供电，互换性

40、，湿度校正等特性。2 2S H T l1 温湿度传感器智能传感器最大的特点就是将传感器检测信息的能与微处理器的信息处理功能有机的结合在一起。具有下功能：(1)具有自动调零、自校准、自标定功能；(2)具有逻辑判断和信息处理功能，能对被测信号行处理(线性化、或对温度、静压力等参数自动补偿等)；(3)具有自诊断功能；(4)具有组态功能，使用灵活；(5)具有数据存储和记忆功能，能随时存取检数据：(6)具有双向通信功能，能通过R S2 3 2，R S4 8 5，U S B，1 2 C 等标准总线接第2 章温湿度感测系统设计口直接与微型计算机通信。S H T l l 是瑞士S e n s i r i o

41、n 公司推出的基C M O S e n s T M 技术的新型温湿度传感器。该传感器C M O S 芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出他强大的优势互补作用。S H T l1 温湿度传感器的主要特性如下：(1)将温湿度传感器、信号放大调理，A D 转换，1 2 总线接口全部集成于一芯片(C M O S e n s T M 技术)；(2)可给出全校准相对湿度及温度值输出；(3)带有工业标准的1 2 C 总线数字输出接口；(4)具有露点值计算输出功能；(5)具有卓越的长期稳定性；(6)湿度值输出分辨率为1 4 位，温度值输出分辨为1 2 位，并可编程为1 2位和8 位；(7)小体积(7 6 5

42、 5 0 8 2 3 5m m)，可表面贴；(8)具有可靠的C R C 数据传输校验功能；(9)片内装载的校准系数可保证1 0 0 互换性：(1 0)电源电压范围为2 4 5 5V：(11)电流消耗，测量时为5 5 0“A，平均为2 8 1 t A，眠时为3 p A。G N DD A T AS C KV D DN CN CN CN C图2 1S H T l l 外形及引脚排列F i g 2-1S H T1 1p i ns h a p ea n da r r a n g e m e n tS H T l l 温湿度传感器采用S M D(L C C)表面贴片封形式，管脚排列如图2 1所示，其引脚说

43、明如下：(1)G N D：接地端；黑龙江大学硕士学位论文(2)D A l r A：双向串行数据线；(3)S C K：串行时钟输入；(4)V D D 电源端：O 4 5 5V 电源端；(5)(5 8)N C：空管脚。工作原理：S H T l1 的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于他将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。C M O S e n s T

44、M 技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模数转换器、校准数据存储器、标准1 2 C 总线等电路全部集成在一个芯片内。S H T ll传感器的内部结构框图如图2 2 所示。图2-2S H T l l 传感器的内部结构框图F i g 2-2S H T11s e r l S O r$i nt h ei n t e r n a ls t r u c t u r ed i a g r a mS H T l1 的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。S H T l1 传感器的校准系数预先存在O T P 内存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个1 4 位的A D 转换器相连，可将转

45、换后的数字温湿度值送给二线1 2 C 总线器件，从而将数字信号转换为符合1 2 C 总线协议的串行数字信号。由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其他类型的湿第2 章温湿度感测系统设计度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A D 转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能，即具有1 0 0 的互换性。最后，传感器可直接通过1 2 C 总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。2 3 单片

46、机与S H T l1 的接口电路及数字显示电路(1)运行条件：测量量程以外的温度会使湿度信号暂时地偏移+3。然后传感器会慢慢返回到校准条件。若将芯片在湿度小于5 环境下加热2 4h 到9 0 (2，芯片就会迅速恢复高相对湿度、高温度环境的影响，但是，延长强度条件会加速芯片的老化。图2-3 接口电路及数字显示电路F i g 2 3I n t e r f a c ec i r c u i ta n dt h ef i g u r e ss h o wc i r c u i t(2)原理说明：本制作最大的难点在于程序的编写与调试，因为电路中有黑龙江大学硕士学位论文数字显示、按键设定、数据采集、继电器

47、的控制，考虑3 个数码管的阳极是接在P 1 口上的，定时中断去处理显示，定时器定时值为2 0m s，每隔2 0m s 程序会执行定时中断，显示所要显示的数字。同时，这个定时中断中还会进行扫描按键，看是否有键被按下并对其结果进行处理。本电路S l，S 2，S 3 三个按键，在电路图上通过C O N l 单独引出，3 个按键分别为显示丌关温度设定、温度上调、温度下调，在电路上电运行时程序初始是处于关闭状态，按S 2，电路丌始显示和监测，再按S 2 则进入温度设定状态，设定值每秒闪烁一次。这时可以按S 1 或S 3 进行调节，再按S 2 时退回显示当前温度状态并保存温度到S H T l l。2 4

48、本章小结本章主要介绍了应用新型传感器S H T l1 的单片机嵌入式系统的设计方法，介绍了湿度及传感器的相关概念，S H T l1 温湿度传感器的介绍及相关原理、应用，S H T l l 温湿度传感器提高了传感器的性能，又降低了成本、减少了体积，同时也非常便于和微控制器接口，给出了系统设计中S H T l l 与单片机的接口电路及显示电路。第3 章电能检测系统设计第3 章电能检测系统设计电能检测系统设计采用A D I 公司的A D E 7 7 5 3 电能计量芯片。3 1A D E 7 7 5 3 功能简介(1)A D E 7 7 5 3 是A D I 最新一款功能先进的数字电度表芯片，这是一

49、种带串行接口和脉冲输出的高精度有功和视在能量计量的集成电路。它集成了二阶k A D C s、一个数字积分器(在C H l 上)、一个参考电压源，一个温度传感器，能对电压、电流有效值(蹦S)计算，有功、无功和视在能量的测量实际上A D E 7 7 5 3是一个电能计量片上系统(S O C)的芯片。(2)实用的电能监测、计量功能A D E 7 7 5 3 包含一个至少保持若干秒满负载累积功率的有功电能寄存器、视在电能寄存器和电压、电流有效值，可通过串行口读得A D E 7 7 5 3 的数据它同时提供一个与有功能量成比例的脉冲输出(C F)除了有效值计算、有功和视在能量的信息外，A D E 7 7

50、 5 3 提供一个有符号的无功能量信息和各种各样的系统校准特点，比如：通道偏置校准、相位校准和能量校准它还集成了一个检测线电压高低跌落的检测电路，可提前发出掉电和过压预警。A D E 7 7 5 3 具有可选正的累积模式，这样仅当检测到F 能量时才进行能量的累积当空载时，内部空载门限确保A D E 7 7 5 3 没有输出过零输出(Z X)产生与线电压过零同步的输出信号，Z X 信号可用来测量线电压周期，它还用于芯片内部有功能量和视在能量的周期校准模式这就能更快、更精确地校准能量计算结果该信号也可以用于与线电压过零同步来切换继电器，防止拉弧。中断请求输出是一种漏极开路的低电平有效逻辑输出中断寄