兒童監(jiān)控系統(tǒng)的理論設(shè)計第第頁電氣工程學(xué)院傳感器課程設(shè)計報告班級：自133姓名：王高飛學(xué)號：1312011076設(shè)計題目：兒童監(jiān)護系統(tǒng)的理論設(shè)計設(shè)計時間：2016.6.20~6.24評定成績：評定教師：【摘要】我國是世界上人口最多的國家，嬰兒總數(shù)也位居世界前列。加之人民生活節(jié)奏越來越快、生活壓力越來越大，父母照顧嬰兒的時間也變得越來越少。由此，嬰兒監(jiān)護系統(tǒng)在家庭生活中就顯得尤為重要。目前大多數(shù)家庭還是主要依托家人時刻看守者孩子，這就造成了父母正常工作、休息等的不便。同時，由于嬰兒沒有行為才能及判斷能力，若嬰幼兒尿床、或存在掉床、窒息危險時，嬰幼兒自己不能解決問題。若采用兒童監(jiān)護系統(tǒng)，父母就能夠及時采取相應(yīng)的處置措施。本文以51單片機為微處理器，聲音傳感器、濕度傳感器、人體紅外傳感器為檢測元件，設(shè)計了一個多功能的嬰幼兒監(jiān)控系統(tǒng)。【關(guān)鍵詞】兒童監(jiān)控、51單片機、聲音傳感器、濕度傳感器、人體紅外傳感器

目錄TOC\o"1-3"\h\u1.設(shè)計要求 41.1.設(shè)計題目：兒童監(jiān)控系統(tǒng)的理論設(shè)計 41.2.設(shè)計要求分析 42.總體方案 52.1.模塊方案選擇 52.1.1.單片機模塊 52.1.2.濕度檢測模塊 52.1.3.幼兒啼哭檢測模塊 62.1.4.幼兒接近危險物品檢測模塊 62.1.5.無線通信模塊 62.2.方案設(shè)計 83.硬件設(shè)計 93.1.關(guān)鍵器件簡介 93.1.1.AT89C51簡介 93.1.2.溫濕度傳感器DHT11 103.1.3.人體紅外傳感器HC-SR501 113.1.4.聲音傳感器 113.1.5.nRF24L01無線收發(fā)模塊 123.2.電路各單元原理圖 133.2.1.USB接口及電源 133.2.2.晶振及復(fù)位電路 143.2.3.最小系統(tǒng) 143.2.4.LCD1602液晶顯示電路 153.2.5.報警電路 153.2.6.無線通訊與穩(wěn)壓單元 163.3.各模塊電路原理圖 163.3.1.幼兒啼哭檢測模塊 163.3.2.接近危險物品檢測模塊 173.3.3.幼兒尿床檢測模塊 183.3.4.主機模塊 194.軟件設(shè)計 204.1.濕度檢測報警模塊 204.2.幼兒接近危險物報警模塊 245.系統(tǒng)仿真 285.1.濕度超限報警檢測模塊 285.2.幼兒接近危險物品報警模塊 295.3.仿真的局限性 295.4.方案改進 306.設(shè)計總結(jié) 31參考文獻32設(shè)計要求設(shè)計題目：兒童監(jiān)控系統(tǒng)的理論設(shè)計設(shè)計一種切實可行的測量方法，能夠檢測幼兒啼哭、尿床、落床危險、睡眠窒息，或者兒童走失、接近危險物品（地點）等；設(shè)計要求分析如果要實現(xiàn)以上功能，進行如下功能分解：對幼兒進行啼哭檢測，實際上是對幼兒周圍的聲音進行監(jiān)測。一旦幼兒啼哭，則報警裝置啟動，警示燈亮。對嬰兒床就行濕度檢測，用來檢測幼兒是否尿床，當(dāng)濕度大于設(shè)定值，則報警裝置啟動，警示燈亮，表示幼兒尿床。對幼兒的落床危險進行監(jiān)測，采用壓力傳感器，一旦壓力傳感器檢測到信號，則報警裝置啟動，警示燈亮。采用人體紅外傳感器，對幼兒的位置進行監(jiān)測。一旦幼兒靠近危險物，則報警裝置啟動，警示燈亮。

總體方案模塊方案選擇單片機模塊方案一：使用AT89C51單片機模塊。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）以及128BYTES隨機數(shù)據(jù)存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。內(nèi)置功能強大微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。方案二：使用MSP430單片機模塊。MSP430系列單片機是美國德州儀器1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（MixedSignalProcessor）。其具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富等特點，因而在許多單片機領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。AT89C51相對于MSP430雖然存儲容量小，功能較為遜色。但是出于我對AT89C51單片機較為熟悉，而且AT89C51足以滿足此次設(shè)計任務(wù)，因此我選擇AT89C51模塊。一下所有模塊單元中，都采用AT89C51作為微控制器。濕度檢測模塊方案一：采用濕度傳感器SHT21。SHT21作為一種常用的溫濕度傳感器，其工作特性有以下幾點：完全標(biāo)定其采用數(shù)字輸出，采用IIC總線接口。其具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，相應(yīng)迅速、抗干擾能力強。方案二：采用溫濕度傳感器DHT11。DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器。其工作特性有以下幾點：濕度精度+-5%RH，量程濕度20-90%RH.溫度精度+-2℃，溫度范圍為0~50攝氏度。輸出方式為單總線數(shù)字信號。該傳感器能耗非常低。其具有超長的信號傳輸距離。以上兩種傳感器功能類似，結(jié)構(gòu)相似。但DHT11在市場上有更大的份額，因為在性價比方面，DHT11相較于SHT21有更大的優(yōu)勢。所以，本設(shè)計采用DHT11作為溫濕度傳感器。幼兒啼哭檢測模塊本設(shè)計中，我們采用聲音傳感器對本模塊進行監(jiān)測。市面上的聲音傳感器模塊并非用對應(yīng)的聲音傳感器芯片集成而成，而是用話筒及放大電路搭成。本文中采用TELESKY公司制作的集成聲音傳感器模塊。以此來完成設(shè)計。幼兒接近危險物品檢測模塊本模塊傳感器采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊。HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品。靈敏度高、可靠性強、超低功耗，超低電壓工作模式。廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備,尤其是干電池供電的自動控制產(chǎn)品。在本設(shè)計中，該傳感器安置于危險物品處，一旦幼兒接近，傳感器模塊會發(fā)出信號，觸發(fā)喇叭報警、警示燈亮起。無線通信模塊方案一：采用藍(lán)牙技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)主要分為BT3.0+HS和4.0版本中加入的BLE標(biāo)準(zhǔn)。在輕家居領(lǐng)域，主要討論BLE部分。低功耗藍(lán)牙技術(shù)是低成本，遠(yuǎn)距離，可互操作的魯棒性無線技術(shù)，工作在2.4G頻段。BLE采用可變連接時間間隔，幾毫米到幾秒，利用快速的連接方式，擁有極低的運行好待機功耗。方案二：采用nRF24L01無線模塊。nRF24L01無線模塊是采用挪威NORDIC公司的nRF24L012.4G無線收發(fā)IC設(shè)計的一款高性能2.4G無線收發(fā)模塊，采用GFSK調(diào)制，工作在2400-2483M的國際通用ISM頻段，最高調(diào)制速度可達(dá)2MBPS。Nrf24L01無線模塊集成了所有頻射協(xié)議在高速信號處理的部分。模塊大小32×15.2mm，2.54mm間距的雙排插針接口，使用內(nèi)置PCB天線設(shè)計，開闊地1MBPS速率下，收發(fā)10個字節(jié)的數(shù)據(jù)量測試距離最遠(yuǎn)約為70M左右。由于藍(lán)牙技術(shù)協(xié)議較復(fù)雜，功耗較高、成本較高，抗干擾能力不強，信息安全性差，使其不太適用于要求低成本、低功耗的工業(yè)控制和將網(wǎng)絡(luò)，并制約其進一步發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用。相反，nRF24L01在本設(shè)計中具有低成本、穩(wěn)定的顯著特點，而且本人對nRF24L01相對了解些，故本文采用nRF24L01無線模塊作為各模塊與主機進行通訊的工具。

方案設(shè)計綜上，系統(tǒng)總體框圖如下：幼兒啼哭監(jiān)測模塊溫濕度監(jiān)測模塊幼兒啼哭監(jiān)測模塊溫濕度監(jiān)測模塊NRF24L01NRF24L01主機NRF24L01NRF24L01主機NRF24L011NRF24L011幼兒接近危險物品檢測模塊幼兒接近危險物品檢測模塊圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖各個模塊之間相互獨立，共同與主機進行通訊。當(dāng)主機收到模塊（如煙霧、煤氣檢測模塊）發(fā)送來的信號后，對信號進行分析。若信號超出限定范圍，則主機發(fā)出報警信號使喇叭響起，報警指示燈亮。

硬件設(shè)計關(guān)鍵器件簡介AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）以及128BYTES隨機數(shù)據(jù)存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。內(nèi)置功能強大微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k

字節(jié)Flash

閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。實物圖及引腳排列如下：圖3.1AT89C51實物圖圖3.2AT89C51引腳圖溫濕度傳感器DHT11本文溫濕度傳感器型號為DHT11。在NRF24L02網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)采集幼兒床的溫度與濕度信息，一旦濕度值超過預(yù)定值，將觸發(fā)蜂鳴器報警。其引腳圖和實物圖如圖4-23所示：圖3.3溫濕度傳感器引腳圖和實物圖引腳介紹：VCC——電源正極GND——電源地NC——空腳，懸空DATA——串行數(shù)據(jù)，單總線人體紅外傳感器HC-SR501HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品。靈敏度高、可靠性強、超低功耗，超低電壓工作模式。廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備,尤其是干電池供電的自動控制產(chǎn)品.在本項目中，該傳感器安置于危險物品處，一旦幼兒接近危險物品后，觸發(fā)蜂鳴器報警。

圖3.4人體紅外傳感器實物圖聲音傳感器本文所采用的聲音傳感器是由TELESKY公司制作的集成聲音傳感器模塊，其引腳圖和實物圖如下所示：聲音傳感器模塊VCC聲音傳感器模塊VCCDOGND圖3.5聲音傳感器模塊引腳圖 圖3.6聲音傳感器模塊實物圖nRF24L01無線收發(fā)模塊無線收發(fā)模塊nRF24L01具有以下特性：nRF24L01無線模塊是采用挪威NORDIC公司的nRF24L012.4G無線收發(fā)IC設(shè)計的一款高性能2.4G無線收發(fā)模塊。其主要特色如下：采用GFSK調(diào)制。數(shù)據(jù)傳輸率為lMb/s或2Mb/s。SPI速率為0Mb/s～10Mb/s2。QFN20引腳4mm×4mm封裝。供電電壓為1.9V～3.6V。

圖3.7nRF24L01模塊封裝引腳圖 圖3.8nRF24L01模塊實物圖

電路各單元原理圖在本次設(shè)計中，我主要負(fù)責(zé)DXP原理圖的設(shè)計。USB接口及電源圖3.9USB接口及電源單元原理圖晶振及復(fù)位電路 圖3.10晶振與復(fù)位電路單元原理圖最小系統(tǒng)圖3.11最小系統(tǒng)單元原理圖LCD1602液晶顯示電路圖3.12LCD1602單元原理圖報警電路圖3.13報警電路單元原理圖無線通訊與穩(wěn)壓單元圖3.14無線通訊與穩(wěn)壓單元原理圖各模塊電路原理圖幼兒啼哭檢測模塊圖3.15聲音傳感器單元原理圖圖3.16幼兒啼哭檢測模塊原理圖接近危險物品檢測模塊圖3.17HC-SR501單元原理圖圖3.18接近危險物品檢測模塊原理圖幼兒尿床檢測模塊圖3.19DHT11單元原理圖圖3.20幼兒尿床檢測模塊原理圖主機模塊圖3.21主機模塊原理圖軟件設(shè)計濕度檢測報警模塊通訊過程：用戶MCU發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送相應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。通訊過程如圖所示圖4.1DHT11通訊過程總線空閑狀態(tài)為高電平,主機把總線拉低等待DHT11響應(yīng),主機把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機的開始信號后,等待主機開始信號結(jié)束,然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號.主機發(fā)送開始信號結(jié)束后,延時等待20-40us后,讀取DHT11的響應(yīng)信號,主機發(fā)送開始信號后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可,總線由上拉電阻拉高。圖4.2DHT11通訊過程總線為低電平,說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后,再把總線拉高80us,準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù),每一bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時隙開始,高電平的長短決定了數(shù)據(jù)位是0還是1.格式見下面圖示.如果讀取響應(yīng)信號為高電平,則DHT11沒有響應(yīng),請檢查線路是否連接正常.當(dāng)最后一bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11拉低總線50us,隨后總線由上拉電阻拉高進入空閑狀態(tài)。圖4.3數(shù)字1信號表示方法圖4.4數(shù)字2信號表示方法流程圖：圖4.5DHT11工作流程圖相關(guān)程序如下：/******************************************單片機：STC89C52波特率：9600*****************************************/#include<reg52.h>unsignedchardate;#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitkey1=P0^1;/*函數(shù)申明*/voiddelay(uintz);voidInitial_com(void);voiddelay(uintz){ uinti,j;for(i=z;i>0;i--)for(j=110;j>0;j--);}//*****串口初始化函數(shù)***********voidInitial_com(void){EA=1;//開總中斷ES=1;//允許串口中斷ET1=1;//允許定時器T1的中斷TMOD=0x20;//定時器T1，在方式2中斷產(chǎn)生波特率PCON=0x00;//SMOD=0SCON=0x50;//方式1由定時器控制TH1=0xfd;//波特率設(shè)置為9600TL1=0xfd;TR1=1;//開定時器T1運行控制位}//**********主函數(shù)*********main(){ Initial_com(); while(1) { if(key1==0) { delay(); //消抖動 if(key1==0) //確認(rèn)觸發(fā) { SBUF=0X01; delay(200); } } if(RI) { date=SBUF;//單片機接受 SBUF=date;//單片機發(fā)送 RI=0; } }}幼兒接近危險物報警模塊人體紅外傳感器HC-SR501采用數(shù)字單總線輸出，當(dāng)人體進入到檢測范圍內(nèi)是，IO口會輸出高電平，否則IO口會一直輸出低電平。流程圖：相關(guān)程序如下：ORG0000hLJMPMAINORG0003HLJMPPINT0ORG000BHLJMPTINTORG0200HMAIN:MOVIE,#81HSETBIT0MOVSP,#30HSETBP3.0CLRP3.1MOVP1,#0FFHMOVP2,#00HCLRP1.2LP:JNBP1.0,LALA:ACALLDELAYJNBP1.0,ALARMAJMPLPDELAY:MOVR1,0AAHLD2:MOVR2,0BBHLD1:NOPDJNZR2,LD1DJNZR1,LD2RETALARM:CPLP3.0MOVR7,#0C8HMOVTMOD,#01HMOVTL0,#0B0HMOVTH0,#03CHSETBET0 SETBEASETBTR0TINT:CPLP3.1MOVTL0,#0B0H MOVTH0,#03CHL2:JBCTF0,L1SJMPL2L1:DJNZR7,TINTSETBP3.0 CPLP3.0RETPINT0:CLREX0PUSHPSWPUSHACCJNBP3.2,LNLN:LCALLDELAYJNBP3.2,LN1AJMPLN2LN1:SETBP3.0CLRP3.1//CLRP1.2POPACCPOPPSWSETBEX0LJMPLPLN2:RETIEND

系統(tǒng)仿真采用Proteus軟件對系統(tǒng)進行仿真。濕度超限報警檢測模塊用滑動變阻器來模擬幼兒床環(huán)境的濕度情況。仿真圖如下所示：圖5.1濕度超限報警檢測仿真當(dāng)幼兒床環(huán)境的濕度超過限定值時，系統(tǒng)會報警（喇叭響、警示燈亮）。幼兒接近危險物品報警模塊圖5.2幼兒接近危險物品報警模塊仿真由于Proteus軟件中并沒有HC-SR501傳感器，故采用一個按鍵來模擬傳感器的輸出。當(dāng)按鈕按下時，代表傳感器輸出高電平，報警裝置啟動。當(dāng)按鍵沒有按下時，報警裝置熄滅。仿真的局限性軟件仿真與實際驗證有很大的不同。軟件仿真是將元器件、導(dǎo)線等理想化了，不會出錯，而實際電路的走線布線、元器件、工作環(huán)境（如溫度、濕度等）對電路的運行都是有影響的，只是影響大小不同而已，甚至期間因為受到影響而直接損壞，這些都是在軟件仿真時不可能遇到的。除此之外，同一型號的元器件，不同廠家，甚至是同一廠家不同批次生產(chǎn)出來的元器件都多少有些差異，而這些差異都有可能使硬件運行失敗。最直觀的例子就是：我在調(diào)試的過程中，在Proteus上完美運行的程序，燒寫進實驗板之后現(xiàn)實的效果就沒有了。根本看不見濕度顯示。最后經(jīng)過很長時間的調(diào)試，期間對1602工作的時序作了一些調(diào)整，我才解決了這個問題，讓實驗板與仿真實現(xiàn)同樣的效果。由此看來，仿真的局限性很大，只有在硬件上實現(xiàn)才能算是真正的完成了設(shè)計。方案改進雖然此設(shè)計已經(jīng)滿足了基本要求，但在滿足用戶方面還存在一些缺陷。如：

nRF24L01無線傳輸模塊的有效傳輸距離在10m以內(nèi)，倘若距離超過10m，則nRF24L01則無法滿足需求。針對此種情況，若采用WiFi無線傳輸方案（WiFi的傳輸距離一般在20~30m之間），即可解決此問題。由于①本次設(shè)計時間有限②此方案設(shè)計難度較大，本人設(shè)計水平不夠，