室内环境智能调节系统设计学士学位论文.doc

哈尔滨工程大学学士学位论文 室内环境智能调节系统设计 学 号 2010041106 密 级 室内环境智能调节系统设计 indoor environment intelligent control system design 室内环境智能调节系统设计 i 摘 要 随着社会的进步，人们生活水平不断提高，人们对生活的要求不单单局限于简单 的物质需求上，还需要一个舒适的居室环境，而一个舒适的居室环境需要适宜的温度、 湿度、以及光照强度。而如何把握室内的环境温度、湿度、光照强度的度，来进行妥 善的调节，从而营造一个舒适的室内环境尤为重要。 本文主要以微控制器为核心，以温度检测电路、湿度检测电路、光照强度检测电 路、液晶显示电路、键盘电路、报警电路等为基础设计完成一个简单的室内环境智能 调节器实现对室内环境的简单调节。系统的工作过程如下：温度传感器、湿度传感器 以及光照强度检测电路检测室内温度、湿度以及光照强度，将数据传送到微控制器中， 数据经微控制器处理后传入 lcd1602 液晶屏，液晶屏显示所测到的数据。通过 4*4 矩 阵键盘来改变温度、湿度以及光照强度的上下限，当由检测电路检测到的数值超过其 上下限，报警电路以及系统的执行模块启动，对室内的温度、湿度、光照强度进行补 偿。 系统微控制器选用英飞凌 xc878 单片机。检测温度选用数字式温度传感器 ds18b20。检测湿度采用湿度传感器 hs1101，hs1101 与 ne555 集成电路芯片构成振 荡电路，输出频率随湿度增大而减小。系统采用光敏电阻检测光照强度，光敏电阻与 集成运算放大器 lm358 组成光强电压转换电路，输出电压与光照强度呈正比，通过 ad 模数转换器转换为二进制数输入微控制器中。 在分析系统的总体结构功能基础上，设计了系统总体程序流程框图。分析了各模 块功能，给出程序的设计思路，建立了各模块的程序流程图。根据流程图涉及编写了 系统软件程序。 通过对系统的反复调试，使系统的性能进一步完善，结果表明了设计的正确性， 满足了设计的要求。 关键词：室内环境调节；英飞凌 xc878；温度传感器；湿度传感器；光敏电阻 哈尔滨工程大学学士学位论文 ii abstract along with the progress of the society, people life level unceasing enhancement, peoples life requirement is not only limited to simple physical demand, also need a comfortable bedroom environment, and a comfortable bedroom environment requires appropriate temperature, humidity, and light intensity.and how to grasp the indoor temperature, humidity, light intensity of the degrees, to properly adjust, so as to create a comfortable indoor environment is particularly important. this paper with micro controller as the core, in order to detect temperature, humidity, light intensity detection, liquid crystal display, keyboard, alarm circuit design on the basis of complete a simple indoor environment intelligent controller to realize the simple adjustment of indoor environment.the working process of the system are as follows:temperature sensor, humidity sensor and light intensity sensor detect indoor temperature, humidity, light intensity.data is transmitted to the micro-controller, obtained with micro-controller, transmitted into the lcd1602 screen, the screen display the measured data.through 4 * 4 matrix keyboard to change threshold of the temperature, humidity and light intensity , when the data more than the critical value, alarm, start the executable module of system, to compensate temperature, humidity, light intensity of the indoor. the system micro-controller is infin-eon xc878 micro-controller.choose the digital temperature sensor ds18b20 detection.adopts hs1101 humidity sensor to detect the humidity, hs1101 and ne555 chips form oscillation circuit, output frequency decreases with increasing humidity.system uses photosensitive resistance testing light intensity, photosensitive resistance and lm358 form voltage conversion circuit,through the ad converter output voltage is converted into a binary number input in the micro-controller. based on the analysis of the overall structure and function of system, design the systems overall program flow diagram. through repeated debug system, improve the performance of the system further, the results show that the validity of the design, meet the requirements of the design. key words: adjust the indoor environment；infin-eon xc878；temperature sensor； humidity sensor；photosensitive resistance 室内环境智能调节系统设计 iii 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 课题研究背景及意义 1 1.2 室内环境智能调节系统研究现状 1 1.3 设计任务与要求 3 1.4 论文主要工作 3 第 2 章 系统总体设计 4 2.1 系统功能分析与结构框图 4 2.1.1 系统功能分析 4 2.1.2 系统结构框图 4 2.2 系统各部分的分析与选型 5 2.2.1 控制器选择 5 2.2.2 温度检测电路选择 5 2.2.3 湿度检测电路选择 6 2.2.4 光照强度检测电路选择 6 2.2.5 显示电路选择 7 2.2.6 报警电路与键盘电路选择 7 2.2.7 执行器部分介绍 7 2.3 本章小结 7 第 3 章 系统硬件电路设计 9 3.1 系统硬件电路设计概述 9 3.2 微控制器 9 3.2.1 英飞凌 xc878 简介 9 3.2.2 英飞凌 xc878 主要特性总结 10 3.2.3 英飞凌 xc878 引脚功能介绍 11 3.2.4 系统引脚 11 3.3 温度检测电路 12 3.3.1 数字式温度传感器 ds18b20 简介 12 3.3.2 温度检测电路设计 13 哈尔滨工程大学学士学位论文 iv 3.4 湿度检测电路 13 3.4.1 湿度传感器 hs1101 简介 13 3.4.2 ne555 简介 15 3.4.3 湿度检测电路设计 15 3.5 光照强度检测电路 16 3.5.1 光敏电阻主要特性及参数 16 3.5.2 光照强度检测电路设计 17 3.6 报警电路与键盘 17 3.6.1 报警电路设计 17 3.6.2 矩阵键盘电路设计 18 3.7 显示电路设计 18 3.7.1 lcd1602 简介 18 3.7.2 lcd1602 显示电路设计 21 3.8 本章小结 21 第 4 章 系统软件程序设计 24 4.1 系统软件总体设计 24 4.2 系统初始化方法 26 4.2.1 i/o 端口设置 26 4.2.2 t0/1 定时器设置 28 4.2.3 adc 转换单元 30 4.3 温度检测电路软件设计思路 33 4.4 湿度检测电路软件设计思路 35 4.5 光照强度检测电路软件设计思路 37 4.6 报警电路程序设计 38 4.7 键盘扫描程序 38 4.7.1 键盘扫描程序 38 4.7.2 键盘输入上下限程序 40 4.8 液晶显示程序 42 4.9 本章小结 42 第 5 章 系统软硬件调试 45 5.1 系统硬件调试 45 室内环境智能调节系统设计 v 5.2 系统软件调试 46 5.3 系统调试过程中的问题与解决方案 46 5.4 本章小结 48 结 论 49 参考文献 50 攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成果 52 致 谢 53 附 录 54 附录 a 系统电路原理图 54 附录 b 程序 54 附 b1 温度检测程序 54 附 b2 湿度检测程序 57 附 b3 光照强度检测程序 58 附 b4 lcd1602 程序 58 附 b5 键盘扫描与报警电路程序 59 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 随着社会的进步，人们生活水平愈来愈高，人们对生活的要求不单单局限于“吃 饱，穿暖”的简单的物质需求上，还有一个舒适的居室环境，而一个舒适的居室环境 需要适宜的温度、湿度、以及光照强度。而如何把握室内的环境温度、湿度、光照强 度的度，来进行妥善的调节，从而营造一个舒适的室内环境尤为重要。根据研究显示， 室内环境比较适宜的条件是，室温达到 24时，相对湿度应控制在 4050%之间，当室 温为 18时，相对湿度控制在 3040%之间 1。除此之外，适当的阳光和空气流动更能 使人们感受到舒适。所以，改变室内环境同时，应相应地调节温度和湿度，令人们在 室内时处于舒适的环境，从而身体健康，心神愉悦。但是，现有技术中，对室内环境 调节设备的控制，往往是人们感到温度、湿度等环境因素不适时，通过人工手动调节， 这样不仅麻烦，而且不精确，费时费力。最重要的是不能保持环境调节的实时性，浪 费能源。而本课题就是为了设计一个可以随人心意自动调节室内环境的温度、湿度以 及光照强度的系统。本设计为一个微型的室内智能调节系统，能够简单的调节室内环 境的温度、湿度和光照强度。本设计利用英飞凌 xc878 单片机作为系统的控制器，可 以通过它来控制相关的传感器，如温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、液晶 显示器等，以此来检测室内的环境。达到实时的对室内环境的温度、湿度以及光照强 度的监控。通过 4*4 矩阵键盘可以对系统进行相关设定，限定温度、湿度、光照强度 的临界值。当某项环境指标超过临界值，系统的报警装置启动即蜂鸣器开始响。同时 系统的执行模块开始运行，对室内环境的温度、湿度、光照强度进行调节。例如，当 温度值超过临界值，蜂鸣器响起，同时打开风扇，直到温度降到临界值时，风扇停止， 从而实现对室内环境的智能调节。满足了人们对智能化的需求，提高了人们生活环境 的质量。同时，室内环境调节的实时性得到保证，减少了不必要的能源浪费。 1.2 室内环境智能调节系统研究现状 受经济水平和科学技术的制约，我国室内安装环境智能监测调节系统的占绝少数， 除了一些大型城市中人们对室内环境要求高，室内装有环境智能监测调节设备以外， 我国绝大数地区的人们对室内环境没有太高要求，室内环境的温度、湿度、光照强的 基本上是人工手动调节的。 随着生活水平和科学技术的迅速提高，全国各地开始了投 资室内环境智能检测业务的热潮。目前关于室内环境智能调节系统的产品主要有温度 哈尔滨工程大学学士学位论文 2 调节器、湿度调节器、光找强度调节器、室内空气净化器以及基于物联网的室内环境 调节器等类型。 室内环境智能调节系统的发展历史：上世纪70年代， “家庭自动化”的概念首次在 国外被踢出来。随着电子技术、自动测试技术、传感器技术的急剧提高，在计算机广 泛的推动下，家庭自动化控制系统逐渐形成了现场总线为核心的体系结果 2。近年来， 随着无线铜线技术的普及与推广，无线技术在室内监控系统的技术组成中占有了一席 之地。1984年美国建成了世界上第一个智能居室，在此之后许多发达国家也提出了很 多的方案，智能家居得到越来越广泛的应用 3。 具体产品介绍如下： （1）lg 电子推出制冷性能得到进一步强化的 whisen victory（产品型号 fnq167vems）空调新产品 4。该产品具有制冷、除浮沉（甚至能够去除直径比头发 丝细小2,500倍的0.02微尘） ，此外还支持“双路除湿”功能。可根据用户的便利从 “强力除湿”和“节能除湿”功能中进行选择 4。 （2）lightwaverf 推出了智能家居温控器产品，产品配有 arm 处理器，包括锅 炉控制，自动调温器和散热器恒温阀 5。结合 lightwaverf 加热开关，可以提供完全的 远程控制的加热供暖系统。其中每个散热器都可以单独从手机或电脑的应用软件进行 控制。 （3）lg 推出的净化产品，可配套装在智能家居净化系统该产品采用“3mtm 超 微尘滤膜” ，不仅能够去除沙尘，甚至还能够去除比直径小于2.5微米的超微尘小125倍 的0.02微米级别灰尘。 “双能除臭滤膜”具备高达98%的业界最高水平除臭效率，不仅 能够去除室内异味，而且能够过滤作为新居综合症诱发物质的甲醛、甲苯和苯。另外， 还采用了能够有效去除大颗粒灰尘的“极细滤膜”和用于去除病毒及有害细菌的“等 离子负离子发生器”等 6。 “清洁度显示灯光”功能能够使用户更加容易地确认空气污 染状态。 “一键式彩色滤光片系统”能够使滤膜更容易与其他各种颜色加以区分。 （4）可声控的霍尼韦尔智能家居 wifi 温控器 7,该产品具有以下特点 声音控制、 无线（wifi ）控制、设置简单、可定义操控界面、内嵌有湿度传感器，具有报警功能等。 第 1 章 绪论 3 1.3 设计任务与要求 本此设计的任务为设计一个可以自动调节室内环境的温度、湿度以及光照强度的 系统。该系统以微控制器为核心，控制温度、湿度、光照强度检测电路来检测室内的 温度、湿度和光照强度。然后微控制器把接收到的来自检测电路的信号处理后在显示 电路上显示出来，另外系统还设有键盘和报警电路，用来修改上下限值和在室内温度、 湿度、光在强度数值超过限值时进行报警提示。 1.4 论文主要工作 本文主要设计并完成的内容如下： 第 1 章：为全文的绪论部分，主要介绍课题的研究背景及意义，阐述室内环境智 能调节的发展历程及研究现状，简述了设计的任务和要求。 第 2 章：为系统的总体设计，首先对系统的功能进行中分析并建立系统结构框图， 将系统分为：主控制器模块、系统直流电源模块、4*4 矩阵键盘模块、执行模块、温度 检测模块、湿度检测模块、亮度检测模块、显示模块八个部分。然后对系统各个模块 分析，方案设计、比较，选出最有方案。 第 3 章：为系统的硬件电路设计，详细介绍了每个模块中用到的元器件并根据每 个模块的设计方案和元器件类型进行硬件电路设计。 第 4 章：为系统软件程序设计，在分析系统总体结构功能的基础上，设计了系统 总体程序流程框图。分析了各模块功能，给出程序的设计思路，建立了各模块的程序 流程图。 第 5 章：为系统软硬件调试，分别对硬件电路以及软件程序的调试过程进行了描 述，详细介绍了调试过程中遇到的问题，并对问题进行分析、处理，找到解决方案。 对论文内容进行总结，分析设计是否满足任务设计要求，并说明本论文设计的进 一步扩展方向。 哈尔滨工程大学学士学位论文 4 第2章 系统总体设计 2.1 系统功能分析与结构框图 2.1.1 系统功能分析 1、室内环境要求控制系统具有以下功能： （1）温度检测电路将测得的温度信号传输给单片机； （2）湿度检测电路将测得的湿度信号传输给单片机； （3）光照强度检测电路将测得的光照强度信号传输给单片机； （4）可通过按键设定温度、湿度、光照强度的临界值； （5）当某项数值超过临界值时，蜂鸣器开始响，同时启动执行设备进行相应的补 偿； （6）由液晶屏可以将室内的温度、湿度、亮度显示出来； 2、为此，相应地在系统设计中应当进行如下工作： （1）选用合适的传感器，设计温度、湿度、光照强度检测电路； （2）设计 4*4 矩阵键盘电路以根据用户实际需求进行临界值设置； （3）在系统电路中要加装显示电路，以显示温度、湿度、光照强度的当前值； （4）设计温度、湿度、光照强度检测电路的程序； （5）设计报警电路编写报警程序，选定具体的执行设备； （6）探索其他可靠的控制方案，并将多种方案进行对比、分析与验证。 2.1.2 系统结构框图 图 2.1 系统结构框图 第 2 章 系统总体设计 35 主控模块:作为系统的核心部分，控制传感器使其按照设计要求工作，处理从传感 器上传送过来的数据，将处理后的数据传送到显示模块中。温度检测模块：检测室内 环境温度，采集室内温度数据，将数据传送到主控模块中。湿度检测模块：检测室内 环境湿度，采集室内湿度数据，将数据传送到主控模块中。亮度检测模块：检测室内 环境光照强度，采集室内光照强度数据，将数据传送到主控模块中。显示模块：显示 传感器检测到的室内环境数据以及上下限值。键盘模块：修改系统测量温度、湿度、 光照强度的上下限。执行模块：在传感器检测到的数据超过上下显示，启动执行模块 进行相应补偿。电源模块：为整个系统提供电源。 2.2 系统各部分的分析与选型 2.2.1 控制器选择 方案一：采用 51 单片机控制系统。单片机算术运算功能较强，软件编程灵活、自 由度大，可用软件编程实现控制要求，而且具有功率损耗低、体型小、技术成熟和价 格便宜等优点 8。并且 51 单片机是最简单的单片机类型，易于学习，能满足题目要求。 方案二：采用现场可编程逻辑门阵列（fpga）作为系统的控制核心 9。现场可编 程逻辑门阵列拥有强大的资源，使用起来简单方便灵活，更加易于进行功能的扩展， 并且可应用 eda 软件仿真、调试 9。但其成本高，引脚多，硬件电路复杂。 方案三：采用 xc878 单片机控制系统。英飞凌 xc878 单片机在功能优由于 51 单 片机很多，且英飞凌 xc878 用的是 51 的内核，但是其资源比 51 的丰富很多，xc878 芯片拥有 5 个 8 位 i/o 口、4 个 16 位定时器、8 通道 10 位模数转换（adc） ，可靠性 也强。 根据以上具体分析选择方案三。 2.2.2 温度检测电路选择 方案一：选用热敏电阻，该元件价格便宜，功能简单，但由热敏电阻组成的温度 检测电路输出为模拟信号，需要 ad 转换后才能送到单片机中，而且热敏电阻的非线 性特性将严重影响系统精度。 方案二：选用数字化温度传感器 ds18b20。ds18b20 是一线式数字温度传感器， 具有独特的单线式接口方式，测量范围在-55125 ，-10 85，误差为-+0.5 ， 最高精度可以达到 0.0625，ds18b20 作为数字化温度传感器 10，不需要外接模数转 哈尔滨工程大学学士学位论文 6 换电路，可以直接输出数字量。无需 ad 转换，可以直接与 xc878 单片机通讯，读取 测到的温度数据，电路也不复杂。该元器件具有体积小、抗干扰能力强、价格便宜、 性能稳定可靠性强等优点，满足此系统的设计要求 10。 方案三：采用 dht11 检测温度。dht11 是一种输出数字量的复合式传感器，包 含两部分：电阻式感湿元件、ntc 式温度检测元件，这种元件的温度量程为 050， 在温度测量过程中误差为 211。 综合上文所叙述的内容看，虽然方案三即可检测温度又可检测湿度功能综合，但 是方案二的测量范围和误差精度等级都优于方案三，因而温度检测电路选用方案二。 2.2.3 湿度检测电路选择 方案一：选用 hr202 湿敏电阻检测室内环境的湿度， hr202 的阻值随湿度变化幅 度比较大 12，并且这种变化不是线性的而是非线性的变化，这种电阻式测量湿度的元 件测量的输出量为模拟量，须经 ad 模数转换转换之后才能由单片机处理。 方案二：采用湿度传感器 hs1101，这种元器件是基于独特工艺设计的固态聚合物 结构，在电路中可以当作一个电容元件，它的电容值随着被检测的空气的相对湿度成 正比变化 13。这种元件拥有相当好的线性输出特性，当相对湿度在 0100rh 变化时， 电容的值由 163 pf 到 202 pf 变化，在整个过程中误差不大于 2rh 13。这种传感器 的量程为 199rh ，适合在-40 100的温度下工作，温度对传感器的输出受影响 不大。在正常温度下使用该传感器不需要进行温度补偿，也不需要进行校准工作。 方案三：采用 dht11 检测湿度。dht11 是一种输出数字量的复合式传感器，包 含两部分：电阻式感湿元件和 ntc 式温度检测元件，这种元件的湿度量程为 2090%rh，在湿度测量过程中误差 5%rh11。 综合上文所叙述的内容看，虽然方案三即可检测温度又可检测湿度功能综合，但 是方案二的测量范围和误差精度等级都优于方案三，因而温度检测电路选用方案二。 2.2.4 光照强度检测电路选择 方案一：采用光敏电阻检测光照强度，光敏电阻的阻值随着光照强度成反比，光 敏电阻体积小、对环境的适应性强，可以在高温高湿的情况下保持良好的可靠性和稳 定性，但光敏电阻的阻值受温度的影响较大。 第 2 章 系统总体设计 37 方案二：采用光强传感器 tsl2561，一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配 置的光强度数字转换芯片 14。该芯片不但广泛应用于各种显示屏的监控，而且能够用 在街道光照控制、安全照明等许多方面。 综上所述，虽然方案二更为优秀，但是方案二的元器件光强传感器 tsl2561 价格 贵且都是贴片式，故本模块采用方案一。 2.2.5 显示电路选择 方案一：选用 1602 液晶显示屏。液晶显示屏 lcd1602 具有功耗小、轻薄短小， 平面直角显示以及影象稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，抗扰能力强等特点 15。 方案二：选用七段数码显示管,虽然数码管价格便宜，寿命较长。但设计要求显示 温度、湿度、光照强度并显示输入的上下限，因此需要的数码管数量多，编程复杂。 方 案 三 ： 采 用 12864液 晶 屏 ， 12864功 能 齐 全 ， 可 显 示 多 组 数 据 ， 可 显 示 汉 字 ， 图 案 ， 但 12864液 晶 屏 比 1602液 晶 屏 贵 ， 硬 件 电 路 复 杂 ， 编 程 不 易 ， 故 不 采 用 。 综上所述，lcd1602 编程比数码管更加简单，并且价格不算太贵，而 12864 虽然 性能优于前两者，可以显示汉字，但其价格高。根据系统要求 lcd 满足要求，因此选 择方案一。 2.2.6 报警电路与键盘电路选择 1、报警电路 本次设计采用蜂鸣器报警。蜂鸣器，是普遍运用在众多电子产品中的元件，它具 有价格便宜、体积小、硬件电路简单、使用方便等特点。 2、键盘电路 键盘采用 4*4 矩阵键盘,键值读取方法采用扫描法，单片机使用 p1 端口与矩阵键 盘连接，其中 p1_0p1_3 作矩阵键盘的行线，p1_4p1_7 作矩阵键盘的列线，在扫 描之前，先会给整个 p1 口赋值，然后检测是否有键按下，当读到有键按下才，会去扫 描行、列，确定具体按下的键。 2.2.7 执行器部分介绍 当室内的温度、湿度、光照强度超过上下限值时，系统通过程序发出一个启动信 号，控制执行模块开启，进行对温度、湿度、光照强度的调节。当环境因素重新回到 限制范围内时，系统通过程序发出停止信号。 哈尔滨工程大学学士学位论文 8 由于设计没有执行部分的要求，所以根据上述内容，执行部分可以在信号输出口 外接可以调节温度、湿度、光照强度的电器。 2.3 本章小结 本章从总体结构和功能上分析了室内环境智能调节系统的组成和设计功能要求，针 对系统的功能要求将系统分为主控模块、显示模块、温度检测模块、湿度检测模块、 光照强度检测模块、报警模块、键盘模块以及执行模块八个部分。然后本章针对系统 的性能要求对各部分的硬件设计进行了不同方案之间的分析、比较和元器件的选型， 详细说明了对系统各个模块的最优方案的选型过程，并对所有方案的特点和优缺点进 行了比较充分的阐述，为后续内容展开奠定基础。 第 3 章 系统硬件电路设计 39 哈尔滨工程大学学士学位论文 10 第3章 系统硬件电路设计 3.1 系统硬件电路设计概述 系统的硬件电路包括微控制器电路、温度检测电路、湿度检测电路、光照强度检 测电路、报警器电路、矩阵键盘电路、显示电路等。本系统的功能是以英飞凌单片机 xc878 为核心，通过温度检测电路、湿度检测电路、光照强度检测电路来采集测量室内 环境的数据，在数据被处理后送到显示电路显示室内的温度、湿度、光照强度值，用 矩阵键盘电路来修改上下限，当测量到的数据超过上显现启动报警电路。各部分选用 的主要元器件具体介绍见本章内容，包括各部分硬件电路的设计思路。 3.2 微控制器 3.2.1 英飞凌xc878简介 xc878 是高性能 8 位微控制器 xc800 家族的新成员，其设计基于和 8051 处理 器兼容的 xc800 内核 16。 xc878 单片机芯片内集成有 can 控制器而且还支持 lin 协议，拥有高级互联 的能力。单片机芯片内的 can 控制器可以实现网络协议所需要的大部分功能，因而 可以减轻 cpu 的负荷。 xc878 单片机内部嵌有 flash 存储器，极大的提高了系统的灵活性 16。xc878 的 存储器防护策略为用户知识产权（ip）提供读保护，为 flash（闪