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1传感器在智能家居中的应用（）摘要：本文以智能家居为背景，主要讨论了温度传感器、光传感器和气敏传感器这三种传感器在智能家居中的应用。首先对系统进行了需求分析，明确了系统要实现的功能，在本文中主要测温度、亮度和气体这三个量。其次对每种传感器的选型进行了详细的方案对比，然后选定一种较合适的传感器，最后对选定的传感器进行介绍，包括原理、电路图，精度分析等。最后对对智能家居目前存在的问题进行了简单描述以及对本文的一个总结。关键词：智能家居；温度传感器；光传感器；气敏传感器SensorsinthesmarthomeAbstract:Inthispaper,Imainlydiscussedthetemperaturesensors,lightsensorsandgassensorsinthesmarthome.Firstly,Ianalysisedthesmarthomesystemanddefinedthefunctionofsystem，primarilymeasuredthetemperature,thebrightnessandtheamountofgas。Secondly,theselectionofeachsensorforadetailedcomparisonhavebeenincludedinthispaper,andthenIselectamoresuitablesensor,introducedit，includingtheprinciple,schematics,precisionanalysis.Finally,Igaveasimpledescriptionofproblemsinsmarthomeandasummaryofthispaper.Keywords:smarthome；temperaturesensors；lightsensors；gassensors一、智能家居简介智能家居就是通过综合采用先进的计算机、通信和控制技术（3C），建立一个由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统组成的家庭综合服务与管理集成系统，从而实现全面的安全防护、便利的通讯网络以及舒适的居住环境的家庭住宅。智能家居是IT技术（特别是计算机技术），网络技术、控制技术向传统家电产业渗透发展的必然结果。相信很多人对一些美国科幻电影中的镜头印象深刻：主人公回到家中，随着门锁被开启，家中的安防系统自动解除警戒，廊灯缓缓点亮，空调、通风系统自动启动，动听的背景交响乐轻轻奏起。主人公坐在家中沙发上，手拿一个外观精美的遥控器，就能控制家中所有的电器。晚上，主人公上床休息，在他躺下的一刻，所有的窗帘都自动关闭，入睡前，床头边的面板上，晚安的灯光按钮亮起，所有需要关闭的灯光和电器设备自动关闭，同时安防系统自动开启处于警戒状态。主人公外出的时候，只要按一个键就可以关闭家中所有的灯和电器。在科技高速发展的今天，这已经不仅仅是只能在科幻电影中看到的情景了。随着智能家居逐渐走进我们的生活，这样的场景也许不久就会在您身边变成现实。现代科技进入家居的带来的变化令人啧啧称奇，给人们的家居生活带来了极大的便利。上文所描绘的这些场景，都是是智能家居将要带给您的“神奇”体验，而这一切，不过是智能家居控制系统能为您做的事情中的一小部分。智能化志在必行是发展的趋势，因为这个世界显然是为懒人设计的。智能家居的概念并不是一个新东西，其实早在10年前，智能家居的概念就从国外引入到国内，从最初的梦想到真正进入我们今天的生活，智能家居在随着科技的发展，经历了一个既热闹又艰难的发2展过程的同时，也完成了在中国的跨越式发展。那么到底什么是智能家居呢？智能家居并没有一个精确地定义，我们大家通常所说的智能家居就是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家居系统可以为您提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、以及可编程定时控制等多种功能和手段，使您的生活更加舒适、便利和安全。一个比较完善的智能家居的示意图如图1所示：图1智能家居示意图与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。由于每个家庭成员的职业、经历、喜好、教育程度、家庭背景千差万别，智能家居不仅是产品的设计安装和功能实现，更重要的是个人风格的体现。同时，智能家居高度的智能化和舒适化正是为了达到家居生活中的高度人性化，使用户个人感官在智能家居系统中得到淋漓尽致的舒展。在这样的趋势下，让智能家居中的人性化应用，成为智能家居得以发展普及的重心。二、系统需求分析要实现智能家居的基本功能，主要涉及到以下3个物理量的测量：1.温度系统可以自动启动家中的降温或取暖设备，让你每天都能享受最舒适的温度。因为是测室内温度，精度不需要太高，精度满足在±1℃即可2.亮度系统根据主人的需要达到最理想的亮度，而且当外界环境发生变化时还能自动调节，还能达到节约电能的效果。33.气体如果家中出现大的烟雾，可以自动启动通风器。如果发生火灾，系统可以自动启动家中的火警系统。三、测量方案3.1设计思路在设计这几个传感器的时候，应考虑到它是用在智能家居中，应满足如下几个总体要求：（1）体积小巧、可拆卸更换（2）对检测信号响应速度快，重复性好（3）长期工作稳定性好（4）使用寿命长制造成本低，使用与维护方便针对各个不同的传感器，还有如下具体要求：温度传感器：因为是测室内温度，测温范围不需要很大，测温范围在-55-100℃即可。光传感器：选定的光传感器应该要能根据室内光线强弱自动调节灯光的强弱和开关。气体传感器:第一，除了检测氧气、二氧化碳、水蒸气这些常见气体外，还要能检测甲烷、一氧化碳等这些在家里可能出现的危险气体；第二，能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应；第三，对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度。3.2方案论证与比较3.2.1温度传感器的设计常用的温度传感器有四类：即热电偶、热电阻RTD、热敏电阻及集成电路温度传感器；每一类温度传感器有自己独特的温度测量范围，有自己适用的温度环境；没有一种温度传感器可以通用于所有的用途：热电偶的可测温度范围最宽，而热电阻的测量线性度最优，热敏电阻的测量精度最高。因为热电阻RTD一般价格较昂贵，在这里不予考虑。（1）方案比较方案一：使用热电偶传感器，热电偶传感器的测温范围为-270-1800℃，测温精度为±0.5℃。线性度：需要至少是四次多项式或是等效的对照表。鲁棒性：热电偶线径较粗，使得这种传感器较为坚实，加之外表绝缘皮进一步增强其强度激励方式：不需要输出形式：电压外形轮廓：圆柱尺寸=5倍线径价格：70-350元方案二：使用热敏电阻传感器，热敏电阻传感器的测温范围为-100-150℃，测温精度为±0.1℃。线性度：需要至少是三次多项式或是等效的对照表鲁棒性：热敏电阻封装方式较多，密封性、稳定性最好的封装方式是玻璃封装。热敏电阻的处置稍难，但它不受冲击和振动的影响激励方式：电压源输出形式：电阻外形轮廓：2.5×2.5毫米价格：14-70元方案三：使用集成电路温度传感器，集成电路温度传感器的测温范围为-55-150℃，测温精4度为±1℃。线性度：最优在±1℃以内，无需线性化鲁棒性：其结实耐受度与集成电路及表面贴装器件相同激励方式：一般外用电源输出形式：电压、电流或数字信号外形轮廓：从T018晶体管封装到双列直插封装价格：7-70元方案选择：综合以上三种方案比较，方案三比较适合用在智能家居的测温系统中，因为它不需要经常移动，测温环境比较好，价格便宜，灵敏度高，使用方便，组装后体积非常小。所以最后选用了一种数字输出型集成温度传感器DS18B20。其外形图和内部结构图如图2和图3所示：图2DS18B20外形图图3DS18B20内部结构图（2）DS18B20的特性(1)可用数据线供电，电压范围：3.0~5.5V；(2)测温范围：-55~+125℃，在-10~+85℃时精度为±0.5℃；(3)可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；(4)12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字；(5)负压特性：电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。（3）DS18B20的工作原理DS18B20测温原理如图所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用来向计数器1提供固定频率的脉冲信号。高温度系数晶振的振荡频率受温度影响较大，随温度的变化而明显改变，其产生的信号作为计数器2的脉冲输入，用于控制闸门的关闭时间。初5态时，计数器1和温度寄存器被预置在与-55℃相对应的一个基值上。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，在计数器2控制的闸门时间到达之前，如果计数器1的预置值减到0，则温度寄存器的值将作加1运算，与此同时，用于补偿和修正测温过程中非线性的斜率累加器将输出一个与温度变化相对应的计数值，作为计数器1的新预置值，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环，直到计数器2控制的闸门时间到达亦即计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图4测温原理图（4）DS18B20的精度分析根据开始所查资料的介绍，DS18B20的转换精度为0.5摄氏度，根据后来进一步的资料查证，发现其转换精度是可以调整的，其出厂设置为12位。DS18B20的转换精度设定需要对暂存器的第五六位进行数据操作。使用过程中要注意所使用的转换方式，每种转换方式转换温度所花的时间是不同的，必须要等待足够长的时间后才能从DS18B20中读出正确的温度值。如下图所示，DS18B20的可编程的分辨率为9-12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃。因为家用中传感器精度要求不高，所以编程时选9位的存储单元即可，这样可以提高反应速度。图5转换精度模式设定（5）DS18B20的测温电路图6图6测温电路图3.2.2光传感器的设计光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。光敏传感器的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、光电耦合器、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。在本文中主要是用光传感器来控制灯光的闭合和亮度，所以选用光敏电阻传感器和光敏二极管传感器进行比较。（1）方案比较方案一：使用光敏二极管传感器，光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。光敏二极管传感器的模块如图6所示：图6光敏二极管传感器模块光敏二极管传感器有如下特点：1、采用光敏二极管感应光线的强度，自带继电器，直接控制负载。2、配电位器调节灵敏度，通过调节电位器，设定启动继电器阀值，当亮于此阀值时，模块继电器吸合，暗于此阀值时，继电器释放，因此接常开与公共端就是控制白天的开关，