家居环境通风系统控制器的设计毕业设计论文.doc

本科生毕业论文（设计）题 目：家居环境通风系统控制器的设计姓 名：分院、系：机电工程系专 业：电气工程及其自动化年 级：2012级学 号：指导教师： 职称：副教授/助理工程师2016 年 4 月 19 日原创性声明兹呈交的学位论文（设计），是本人在导师指导下独立完成的研究成果。除文中已经明确标明引用或参考的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。声明人（签名）：日期： 年 月 日家居环境通风系统控制器的设计家居环境通风系统控制器的设计摘要 家居环境为人们提供了睡眠、起居、娱乐、工作、聚会的空间，人们在这个空间里不仅要得到舒适的物质环境，还要得到健康的品质生活。目前，我国绝大多数住宅存在一定问题，房屋结构设计不合理导致房间过于密闭，室内氧气浓度低。室内装修及日常使用物有一定的污染。此外，使用空调使屋内通风度不比从前好，导致房屋里面污染的沉积，造成室内的空气品质大不如前。人长久生活在这种房子里容易诱发亚健康。屋内天然透风不够时，是可以靠风机换气的方式来优化房屋环境的。良好的室第通风系统，可以增强气体流通，淡化室内呼吸物的隐形有害物质，提高氧含量，优化气体品质。通风系统控制器对室内温度进行智能调节，还可以减少空调的使用，节约能源。本文着力于介绍以STC89C51单片机为核心的家居环境透风换气控制器。由DS18B20测温传感器作为测量元件，测出屋内的温度并在LCD12864显示屏显示，通过温度的比较和温度区间设定的程序控制产生PWM信号。温度越限会报警，同时发出指令控制相关通风设备运转。经驱动模块来控制通风装置的启动、停止、速率、转向。系统配有键盘电路，用户可以通过键盘在显示屏上设定想要的温度区间以及复位。还有人体红外检测，无人时智能断电。该控制器使用方便，可靠性强。关键词 单片机 通风系统 监测 调速 智能温控Home environment ventilation system controller designAbstract Home Furnishing environment provides sleep, living, entertainment, work, gathering space for people, people in this space not only to get a comfortable physical environment, but also a healthy quality of life. At present, there are some problems in the vast majority of residential buildings in our country, the housing structure design is not reasonable, the room is too closed, indoor oxygen concentration is low. Interior decoration and daily necessities have certain pollution. In addition, the use of air conditioning leads to indoor ventilation rates dropped significantly, resulting in the accumulation of residential indoor air pollution, resulting in relative deterioration of indoor air quality. People living in this environment for a long time will appear in sub-health state.The shortage of natural ventilation can improve the indoor environment quality by the way of mechanical ventilation. Reasonable residential ventilation system, can strengthen the ventilation, dilute indoor environmental pollutants, and improve oxygen concentration and air quality. Ventilation system controller for intelligent indoor temperature adjustment, but also can reduce the use of air conditioning, energy conservation. This paper mainly introduces the home environment ventilation system controller based on STC89C51 single chip microcomputer as the main control chip. The DS18B20 temperature sensor is used as the measuring element, the temperature data is collected and the current indoor temperature is displayed on the LCD12864 display screen, and the PWM signal is generated by the program control of the temperature and the temperature range. Temperature exceeds the upper limit will be issued a warning, while the control of the operation of the relevant ventilation equipment. Through the L298N drive module to control the DC motor start, speed, direction change. The system is equipped with a keyboard circuit, the user can set the desired temperature range and reset through the keyboard on the display screen. And the human body infrared detection, no one when the intelligent power outages. The controller is easy to use and reliable.Keywords Microcontrollers, Ventilation system, Monitor, Control of motor speed，Intelligent temperature control目录引言1第1章 概论21.1 家居环境通风系统概述21.2家居环境通风系统控制器的任务和特点21.3 单片机技术控制的优点31.4 论文的主要内容3第2章 家居环境通风系统控制器总体设计42.1 控制器的设计要求和主要技术指标42.2 系统总体方案4第3章 通风系统控制器的硬件设计53.1 单片机的选择53.1.1 MCS-51系列单片机53.1.2 STC89C51单片机53.1.3 引脚介绍63.1.4 单片机晶振电路73.1.5 单片机复位电路73.2 温度采集模块73.3 液晶显示模块93.3.1 液晶显示模块概述93.3.2 模块引脚说明93.3.3 用户指令集103.3.4 液晶显示模块的电路连接113.4 电源模块123.5 报警模块123.6 键盘输入模块133.7 转速控制模块133.7.1 直流电机调速原理133.7.2 电机调速控制方案143.7.3 直流电机PWM调速原理143.8 电机驱动模块15第4章 通风系统控制器的软件设计174.1 编程语言174.2 主程序流程图174.3 电机调速流程图184.4 原理图19第5章 硬件电路焊接及系统调试205.1 硬件电路焊接205.2 系统调试215.2.1硬件方面的调试215.2.2软件方面的调试21结论22致谢语23参考文献24附录2533引言如今，生活条件优化改善，群众的环保健康意识愈发强，居住氛围的硬性指标也愈发多起来。房屋的通风度、温湿度、光照度都是衡量家居环境舒适度的重要因素，它们则主要是依靠通风设备来实现。目前，一些发达国家早已实现室内通风设备的自动化和智能化，但我国相对比较落后。长久居住在通风不佳的住宅中，可能会患上“建筑物综合症”。室内空气质量的降低，会让人出现各种不舒服状况，眼部不适、喉咙不适、流鼻涕、呼吸不畅、头昏、精力难集中等，最好的解决办法就是屋内配备有健康智能的家居环境透风系统。跟着电子科技的成长，单片机MCU不断革新，其产品的功能性也加强了许多，在各行各业获得认可广泛，它如同一个微型计算机。单片机有着精致巧妙、操控佳、能耗小、扩展便利、能够长时间可靠工作等特性。因此，应用单片机技术制作一个家居环境通风系统控制器，用于控制通风设备的运转，该系统能够实现了自动化和智能化，不仅有效节能，更能使室内通风系统更安全可靠、经济地运行，力争营造舒服环保的居住氛围。对我个人而言，此次毕业设计是一次很好的学习和锻炼机会。我有信心可以完成本课题的毕业设计及提交合格的论文。STC89C51是优化推广较好的MCU产品，它作为设计的主体部分，控制着温度传感器，显示屏，报警系统，红外检测系统，按键开关和通风电机的驱动。总体的设计思路：首先是供电后，能在LCD12864上看到室温温度。按下设置键，可以根据个人需要设定舒适的家居环境温度范围，如果室温不在设置区间内，会产生警报，并启动通风设备的电机开关。单片机会根据温差值的大小对通风电机进行PWM调速，使室温回到设定范围内。如果用户离开家，红外检测会检测到并切断电源。这样做到节能环保，合理运用。总体看，本课题的立项到制作是可行的。第1章 概论1.1 家居环境通风系统概述室内通风环境是衡量室内环境的重要因素，而健康、舒适则是对室内通风系统的两个基本要求。随着各种新型材料在建筑、装修及制造方面的应用，房屋密闭性能的提高，各种通风设备尤其是空调的使用，让人们有一个相对舒适的家居环境的同时，空调污染物的排放以及室内氛围中种种不利物质带来的健康问题则逐步成为人们的关切点。透风是净化屋内气体的有力手段。现在在国内，大多数的居住房屋是通过自然通风实现房屋内的透风换气，新建房屋基本上也还是靠自然通风1。空调虽然能迅速改变室内的温度，让人暂时性的感觉到舒适，但是却带来了许多副作用。比如说空调的制冷实际上是依靠制冷剂氟利昂来实现的，而氟利昂本身属于污染物，会对人体产生危害。长期打开空调的房间里空气不流通，空气中氧浓度会降低，有害物质会增多，人长时间待在里面会产生头晕，恶心等不适症状，甚至得“空调病”。从当初的空调大量使用到后来呼吁少用空调可见，“通风不足空调补”的做法是不健康而且不环保的。因此，强化家居环境透风换气系统的能力，设计一款能够提高通风机器的可控性和智能水平，减少对环境的污染，人体的损伤，更加健康环保的家居环境通风系统控制器十分有必要。1.2家居环境通风系统控制器的任务和特点家居环境通风系统控制器的主要任务是通风设备进行综合控制，运用单片机、传感器、红外监测、PWM调速等技术，使系统达到自动化控制，操作友好，节能省电等功能。1. 家居环境通风系统控制器的任务该控制器采用STC89C51单片机为主，用户可以预先通过按键设置想要的适宜室温，通过单片机驱动测温的传感器，测取室温并体现在屏幕上。单片机即刻进行当前室温和温度范围设定值的比较，并根据比较值（温差度数）的大小产生PWM（脉宽调制）信号给L298N电机驱动模块，以此来控制通风设备的速度、方向变化。当比较值04时，电动机慢速运作；当比较值48时，电机全速运作。只要比较值大于0，温度越限指示灯就会亮起；当比较值大于8时，蜂鸣器会产生警报提醒用户。除了以上功能，该控制器还在家门口设置了红外监测开关，若用户出门，会自动进入节能模式。2. 家居环境通风系统控制器的特点（1）综合能力强。该控制器包含了8051系列单片机的最小应用系统，同时在此基础上拓展了一些实用性强的外围电路。（2）具有友好的操作界面，通过键盘输入，操作方便简单。（3）自动化程度高。运用编程方法让单片机依据温度比较值的变化对PWM信号进行调制，对风机进行平滑调速。（4）具有节能和环保特性。拥有多种速度模式，合理控制通自然风量，使家居环境健康舒适。无人时断电，自动节能。1.3 单片机技术控制的优点 单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，用集成电路技术把处理数据的中央处理器、随机存储器、只读存储器、不同I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能，集合到一起构造出一个迷你完备的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用2。单片机不仅仅能集成通讯口、定时器、实时时钟等外部设备，如今好的单片机系统能将声像信息、网络、庞大的系统集成在一个小芯片中3。单片机控制的优点有很多，精巧集成，稳定度高，单片机是集模块之所长于一身，依照工业需求制作，布线巧妙，不易受外界信号扰动。控制功能强，可以集成在一些核心控制器中，供电要求低，能耗小。易扩展，多功能，代码是可改的，能够达到不一样的功能，包括是一些客户要求的拓展功能。 1.4 论文的主要内容论文主要针对家居环境通风系统控制器进行整体规划，根据实际要求，完成整个控制系统的总体方案，硬件模块的设计选材，控制程序代码的设计编写和注意点，重点流程框图，焊接电路，总体设计的调试和处理遇到的问题，另外主程序的代码放在附录中。第1章：课题的背景，家居环境通风现状，开题设计的目的，并对单片机的控制优点和控制器的主要任务和特点进行阐述。第2章：通风系统控制器总体设计。第3章：细分硬件电路的主要模块，设计、选材及原理介绍。第4章：透风换气系统的主体框图，流程图介绍，电机调速的流程图。第5章：介绍在焊接、仿真、调试过程中碰到的难题，如何解决难题，同时对设计进行了系统抗干扰方面的优化。第2章 家居环境通风系统控制器总体设计2.1 控制器的设计要求和主要技术指标本论文设计的控制器使用单片机为核心，用户可以预先通过键盘输入在控制器显示屏设置想要的适宜室温范围，而后单片机驱动温度传感器，室温测取转换后显示在LCD12864屏上。单片机即刻进行当前室温和温度范围设定值的比较，并根据比较值（温差度数）的大小产生PWM（脉宽调制）信号给电机驱动模块，以此来控制通风设备的速度、方向变化。当比较值04时，电动机慢速运作；当比较值48时，电机全速运作。只要比较值大于0，温度越限指示灯就会亮起；当比较值大于8时，蜂鸣器会产生警报提醒用户。该控制器还设置了红外监测开关，若用户出门，会自动进入节能模式。2.2 系统总体方案单片机温度显示温度采集DS18B20PWM输出直流电机驱动模块L298N220V转5V系统供电键盘输入报警电路红外监测系统总体方案如图2-1所示。图2-1 系统总体方案图第3章 通风系统控制器的硬件设计3.1 单片机的选择3.1.1 MCS-51系列单片机Intel公司推出的8位单片机：1976年推出的MCS-48系列：8039，8048等。1980年推出了MCS-51系列：8031，8051，8751，8052等，因为性能优异，可操作性好，51系列得到了良好的发展和推广。Philips、Siemens、Atmel、SST、STC等半导体公司，也生产出与8051相匹配的低功耗、高性能的产物。3.1.2 STC89C51单片机STC89C51RC是由宏晶公司推出的新型快速、低耗能、强抗滋扰的单片机，它的指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择4。它具有可直接编程（ISP），可以用电脑直接把代码导入单片机内，省去了采办通用编程器，而且下载很快。主要特征如下：1.这款芯片是优化加强型的8051MCU，与MCS-51系列的MCU在指令系统和管脚相匹配，适用性强2.工作电压：5.5V-3.4V3.工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0-80MHz，实际工作频率可达48MHz4.用户应用程序空间为4K字节5.片上集成512字节RAM6.四组共三十二个输入/输出设备接口，本设计中使用到的芯片P0接5K排阻上拉，避免管脚处于悬空状态7.支持ISP导入，无需专用编程器8.具有EEPROM功能9.具有看门狗功能10.配备三个十六位定时计数器11.有着四路外部中断, falling edge中断或低电平触发中断，掉电模式能够让外部中断低电平触发中断方式唤醒12.工作温度范围：0-7513.PDIP-40封装3.1.3 引脚介绍STC89C51单片机的引脚如图3-1所示。图3-1 STC89C51引脚图STC89C51管脚功能说明：VCC（40脚）：接+5V电源。GND（20脚）：接电源地端。XTAL1，XTAL2（18，19脚）：构成振荡电路。RST (9脚)：复位脚。 EA(31脚)：外部程序存储器选择端，一般接高电平。P0口P3口：8位I/O口。P3口第二功能：在CPU访问外部存储时，P3口还提供读写控制信号、串行通信、外部中断等。如表3-1所示。表3-1 P3口的第二功能引脚号信号功能P3.0RXD串行口数据输入（接收数据）P3.1TXD串行口数据输出（发送数据）P3.2INT0外部中断0输入P3.3INT1外部中断1输入P3.4T0定时器0的外部输入（计数输入）P3.5T1定时器1的外部输入（计数输入）P3.6WR外部数据存储器写选通P3.7RD外部数据存储器读选通3.1.4 单片机晶振电路在单片机系统里，晶振至关重要，它产生单片机必备的时钟频率，晶振愈高，运行愈快，指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上5。振荡电路由2个瓷片电容103和1个晶振组成。纵然没有十分严格的要求但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性6。若是使用石英晶体，推荐使用30pf左右，若是陶瓷振荡器最好选择40pf左右。XTAL1，XTAL2和单片机18，19连接。本设计采用11.0592M的晶振是为了获得精准的波特率。仿真如图3-2所示。3.1.5 单片机复位电路复位是单片机的初始化操作。因此，复位是一个很重要的操作方式。但单片机自己是不行做到RST操作的，必须与外围电路合作来完成，RST的操作方法有上电复位和手动复位两种。本控制器使用按钮复位：先经过上电复位，按下按钮时，RST经按键与VCC导通，为高电平形成复位，此刻电解电容被短路放电；松开按钮时，电容被充电，电容释放的电压在R1上，9脚依旧为高电平，依旧是复位，充电完成后，电容相当于开路，9脚为低电平，正常工作，Protues仿真如图3-2所示。图3-2晶振及复位图3.2 温度采集模块温度的数据采集是本设计非常重要的部分。本模块的功能即测取室温然后传递给单片机处理。DS18B20智能测温元件接线简便，可应用于各类场景，如机房测温，室内测温，大棚测温等地方。包含耐磨耐碰、造型迷你、使用方便、强抗扰动、精度高等特性，适用于各种空间设备数字测温和控制领域7。样品如图3-3所示，三管脚由接地，供电，数字信号输入/输出端组成。DS18B20GND I/O VDD图3-3 DS18B20封装DS18B20智能测温元件最高十二位分辨率，测温误差0.5摄氏度，带限温报警。单总线数据通讯，仅靠一根单线接口收发信息。它的测温范围为-55到+125。人为设定的分辨率和报警触发值都包含在内部存储器中，断电不丢失。元件焦点功能是它的直接读数字的温度传感器。温度传感器的精度可设定，在寄存器9至12位，表示0.5，0.25，0.125和0.0625摄氏度，一般通电后精度为初始的十二位。测量出的温度数据用2BIT的方式给存放到温度寄存器中，传感器仍旧处于等待状况8。温度寄存器格式如图3-4所示。图3-4 温度寄存器报警动作信号是指每完成一次温度转换后，温度值就同存储在TH（高温触发设定值）和TL（低温触发设定值）中一个字节的用户自定义的报警预置值进行比较。标志位（S）指出温度值的正负：正数S=0,负数S=1。TH和TL寄放器它们在掉电时仍然保留数据。TH和TL的格式如图3-5所示。图3-5 TH和TL寄存器若报警条件成立，DS18B20内部就会置位一个报警标识。此时，总线控制器通过发出报警确认命令ECH检查总线上所有的报警标识，然后，对报警标识置位的传感器将响应这条搜索命令，不断更新。若是条件不成立了，在下一次温度转换后报警标识将被移去。本系统中DS18B20的I/O口与单片机的P3.3口连接，GND接地。Protues软件仿真图如图3-6所示。图3-6 DS18B20仿真图3.3 液晶显示模块3.3.1 液晶显示模块概述本控制器使用显示质量高、数字接口、微型低能耗屏LCD12864，带中文字库，方便使用，性价比较高。家居环境通风系统控制器的人机交互使用这款显示屏可以带来许多便利，显示清晰，操作方便，性价比高。12864主要技术参数和显示特性：1.供电方便，电源模块的5V可直接接入2.分辨率：128643.带字库，有8000多个汉字可直接调用 4.装置内配有点阵字符5.时钟频率2兆赫兹 6.显示模式灵活多变 7.驱动方式：1/32功率，1/5偏差 8.视角方向：6点9.通讯方式：一般使用并行 10.内置电压转换电路，不用外加负压 11.不用片选，方便设计12.工作温度：0+55，存储温度：20+6013.价格经济适用3.3.2 模块引脚说明选用的显示元件的管脚功能如表3-2所示。表3-2 引脚表引脚号名称功能介绍1GND接地管脚2VCC供电管脚，可接+5V3V0接滑动变阻器可调亮度4RS并行方式下指令/数据选择5R/W并行方式下是读写选择6E(CLK)信号使能端口714DB0DB7数据端口0数据端口715PSB并行时PSB接高电平，也可以接VCC 16NC空脚17模块的复位，可不连接18NC空脚19LED+背光源+，一般接5V20LED-背光源-，一般接地注：PSB脚出厂时默认成并口方式，R7下方的跳线接成高电平；用串口方式时需接成低电平。3.3.3 用户指令集12864液晶显示屏的指令集如表3-3所示表3-3 指令集指 令指 令 码功 能RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清除显示0000000001将DDRAM位址计数器调整为00H地址归位000000001X将DDRAM位址计数器调整为00H游标回原点显示状态开/关0000001DCBD=1: 整体显示ON ；C=1: 游标ON；B=1: 游标位置ON进入点设置00000001I/DS指定的资料在读写时,设置游标的MOVE方向和显示位置 游标或显示移位控制000001S/CR/LXX设置游标移和显；不影响存储器数据续上表指 令指 令 码功 能RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0功能设定00001DLXREXXDL=1（必须设1）RE=0:基本指令集动作RE=1:扩充指令集动作设置CGRAM 地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0设置CGRAM 地址设置DDRAM 地址0010AC5AC4AC3AC2AC1AC0设置DDRAM 地址（显示位址）第一行：80H-87H第二行：90H-97H读取忙标志和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0读取繁忙标志(BF)检验内部行动是否实现写数据到RAM10数据数据D7D0至内部RAM里写入读RAM的数据11数据数据D7D0从内部RAM里读出3.3.4 液晶显示模块的电路连接 Protues仿真电路连接如图3-7所示。图3-7 LCD12864仿真图3.4 电源模块电源电路在很大程度上决定了一个系统的稳定性，它起到了安全隔离、保护电路、电压变换、稳压、降噪等功能，因此电源电路的设计在本系统中也占据了重要的地位。系统配备220V转5V电源，选用了市售的HLK-PM01模块，它具有形状迷你、低纹波、低噪声、低能耗、过载保护、可靠性高等特点。能满足我们的系统要求，实物如图3-8所示。图3-8 电源模块3.5 报警模块本设计中的报警模块由2盏LED指示灯和蜂鸣器构成。当单片机检测到存在温差值时，温度过高或者过低指示灯就会亮起。当差值超过8时，蜂鸣器会产生警报。Protues仿真如图3-9所示。图3-9 报警模块3.6 键盘输入模块在微机应用系统，人机交互对话最常用的方式就是通过键盘进行的，操作者可以通过键盘向系统发送各类指令或者置入需要的数据信息9。在本设计中使用的是4个按钮输入，设定温度后执行温度对照和温度变更。因为如果在编程扫描方式,单片机或连续在键盘扫描键盘的工作,同时微控制器不能对任何其他工作开展；定期扫描模式是有规律的监控键盘输入,其余时间微控制器可以做其他事情；中断扫描表示,条件满足感应到压下钮键时响应，进一步强化单片机的利用率。因此在本设计中选用的是中断扫描方式。使用单片机的P1.4P1.7，对应操作为复位、设置、加、减，Protues仿真如图3-10所示。图3-10 键盘输入模块3.7 转速控制模块3.7.1 直流电机调速原理直流电动机转速n的具体公式可表示为： n=Ua-IaRaCe （3-1）式(3-1)中， Ua表示电枢上的压值（V），Ia 表示电枢的电流（A），表示励磁磁通（Wb），Ra表示电枢的总阻值（），Ce表示电势系数。 Ce=Np60a （3-2）式（3-2）中，p表示电磁对数，a表示电枢并联支路数，N表示导体数。调速方法：1.调节R电枢2.调节U电枢3.改变励磁由第二条可知，直流电机转速与机端电压相关，因此可用单片机产生PWM方波，经L298芯片模块放大后驱动通风系统风扇扭转。3.7.2 电机调速控制方案采用专用芯片L298的PWM控制。用单片机控制PWM信号以此来调整占空比，以此牵动电动机转速的变换。这种电路效率非常高；单片机和芯片L298担当着实现转速和方向的控制的责任。调速性能好、速率区间宽、平滑转变、带动负载的能力好。PWM调速系统优越性： 1.主电路精炼，用到的能耗元件少2.开关频率高，电流平滑稳定，谐波少，电机消磨低3.机能强，控速精度高，调速区间大4.系统频带较宽，反应动作机能好，动态抗扰动能力强5.可以由单片机通讯口接入信号，导通耗损小，装配效率高想要改变PWM，能够通过控制单片机的定时器T0和T1的数值，可以做到输出不同占空比的信号。如今在直流电机的调控领域，大部分用固定频率调宽，周期T不变，而改变T0 和 T1。3.7.3 直流电机PWM调速原理改变电机转子线圈的电压得电和失电的时长的占空比来控制电机速率的方式，唤作脉冲宽度调制(PWM)。PWM驱动是依靠全控型能耗器件的启停特性来配制固定电压的直流电源，并与电路中一些相应的储能元件辅佐，改变了输送到转子的电压幅值，从而改变直流电机转速，它的调制方式是调幅。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。PWM调速原理如图3-11所示。3-11平均速度和占空比的关系在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。由图3-11观察到，平均速度和占空比不完全是直线正相关，最优条件时，才可以将这种关系当作直线正相关关系。不难看出电机的电枢电压是与占空比成正相关关系的，调节它的大小就能调节电机转动频率。改变电枢电压的控制方式也称降压调速，此方法在负载变化时转速波动小，稳定性好，调速区间大，转速变化平滑，可实现无级调速10。PWM的占空比决定了输出到直流电机电枢的平均电压，一定程度上决定了直流电机的转速。这样的调速方式非常适合家居环境通风系统的调速设计，因为无级调速可调性能高，调整起来平滑，噪声小，不影响人们的正常工作和生活休息。3.8 电机驱动模块根据本设计的需求，选用L298芯片作为电机驱动模块。L298为ST-Microelectronics 公司所生品的双全桥直流电机专用驱动芯片，内部包括4信道Logical drive circuit，接收标准TTL逻辑准位信号，且可以直接透过电源来调节输出电压，这款芯片可直接让单片机的I/O口来提供模拟时序信号11。IN1，IN2，ENA三个端口相配合来控制电机转向和加减速。电机驱动芯片的管脚如图3-12所示,内部原理图如图3-13所示，逻辑功能如表3-4所示。图3-12 驱动芯片引脚图图3-13 内部原理图表3-4 逻辑功能IN1IN2ENA电机状态XX0停止101正转011反转001制动111制动在本模块中，5和7管脚作为脉冲控制输入口，分别接到MCU的1和2管脚，输入控制信号来改变电机转向。ENA与MCU的3管脚相连接，此处输出控制电动机速率的PWM信号，来变换电动机速率和起停。因为我们用到的电机是线圈构造的，在变更状态的时候，极易产生逆向电流，二极管的功能就是缓冲逆流，保护芯片的安全。二极管上面接电源是为了减少断电后，电机磁场产生的电动势影响(因为电机可能正转或者反转，所以两个方向均要设计二极管)，接地的作用在于保护单片机等元件。电机驱动模块Protues仿真如图3-14所示。图3-14电机驱动模块第4章 通风系统控制器的软件设计4.1 编程语言单片机软件的研发一般有C语言和汇编语言两种。汇编是用各个逻辑命令代码来表达机械指令的语言，贴近机器码，但较为繁琐，CPU不一样，其汇编语言可能有所不同，以是不易移植。而C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能，C语言包含多种功能的库函数、运行计算快、转换编码高效、有很好的延展性，可以直接实现对系统硬件的控制12。因此，本设计的软件编程使用C语言，模块化设计，整体程序由主程序、测温显示、键盘输入以及电机控制等子程序模块组成。设计仿真采取Protues模拟软件，按照原理图将各器件画在软件中。Keil C51是目前最强大的单片机C语言集成开发环境，简单好用，软件可塑性强，条理清晰，故选用它进行编码。4.2 主程序流程图端口初始化液晶屏初始化DS18B20函数初始化测量温度并显示键盘设定初值温度比较子程序延时中断定时器控制电动机正反转 PWM信号控制电动机转速开始结束系统主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主流程图4.3 电机调速流程图 电机调速的流程如图4-2所示。开始温差值048否是慢速全速加速是否-8否是慢速全速加速是否正转反转结束图4-2 电机调速流程图4.4 原理图家居环境通风系统控制器的原理图如图4-3所示。图4-3 控制器原理图第5章 硬件电路焊接及系统调试5.1 硬件电路焊接硬件电路的焊接是根据原理图，采购元器件通过电烙铁焊接在万用板上，因为未使用PCB板，所以焊的工作量较大，难免有错误，焊接完成后需要对成品展开线路、元件的排查。线路的检查使用万用表蜂鸣档，检查导线是否导通，是否存在漏焊，虚焊。检测元器件的好坏，是否正常工作。接通电源，首先检测复位电路，看是否可以正常进行工作。其次，检测单片机的各个引脚是否是处于正常工作状态，特别是电源与地是否正确接好。最后检查显示屏，风扇，红外开关，蜂鸣器，指示灯等能否正常工作。若是发现有元器件过热，马上断开电源排查线路。全部检查无误后，可以向单片机导入程序试运行。焊接实物如图5-1所示。 图5-1 焊接实物图5.2 系统调试5.2.1硬件方面的调试1.电源模块设计电源电路时，选用了220V转5V电源模块供电，这种模块小巧精致，内置输出过载保护功能，使电源的纹波更小，系统工作得更稳定。2.键盘输入模块设计键盘时外部加了上拉电阻，主要是用来提高系统抗扰动能力，以防单片机引脚在悬空状态下外界的干扰可能会导致单片机的错误反应。3.温度传感器温度传感器属于敏感器件。因为是调试，所以自然状态下室温变化不明显，需要人为操纵。因此想到了用电吹风吹出的热风加热DS18B20，观察显示屏上温度的刷新变化。4.电机模块电机的控制是本设计的核心部分。通过设定不一样的温度值，观察电机的速率变化。转速变化能做到平滑变速，基本符合预期效果。但是在刚开始调试时，遇到了一些问题。L298N模块正常得电，电机输出口电压却为零，电机不会转。查询电路和资料发现L298N的接地需要与单片机接地相连，且应该去掉ENA和板载上的跳线帽。5.显示模块在显示屏的接线过程中出了一个纰漏，17脚RST是复位脚，低电平有效，如果接入低电平，显示器将为一直复位，不发正常工作，故应把17脚接高电平。5.2.2软件方面的调试1.按键防抖 程序编译没有问题，但在调试时发现有时候按键功能不灵，按下时没有反应，经过排查研究，发现键盘扫描程序没有防抖部分。由于按钮在下压和弹起时导通线路需要一些时间，有些许的抖动，导致单片机出错。只要在按键动作时加一些软件延时就可以消除抖动。 2.输入模块加延时因为会有细微短暂的干扰信号出现，在设计中，可在不破坏实效性的前提下，在连续采集状态信号中引入一段延时，以提高抗扰能力。对于每次采集的最高次数限制和连续相同次数可按实际情况适当调整。结论本系统以STC89C51单片机为核心，单片机主要完成对外界环境温度信号的采集、处理、判断、显示等功能，再由外部电路驱动电机，调节室温。用Protues软件画出模块电路图及仿真测试和DXP，利用C语言编程。对该系统的总结如下: 1. 完成整个项目总体方案的设计的同时突出其优点。人们仅对参数设置并让系统正常运作就能够满足不同人对最适合温度的要求，实现对最适温度的实时监控和家居环境通风状况的整体把控，有效调节室内舒适度，提高房屋内气体的循环量，人在里面生活将会更加健康。 2.在保证主题功能完善的前提下，加入了各加智能的模块。系统配有报警模块，智能指示灯，能平滑调速且噪声很小的驱动模块。按键操作界面可扩展性强，只要稍加改变，即可增加其他按键的使用功能。 3.本系统温度节制采用DS18B20作为感温元件。采用L298驱动器利用PWM占空比调速原理对电动机速率进行操作，以达到目标。基于STC89C51单片机所设计的家居环境通风系统控制器，花费少且运行可靠、机能好、不浪费电，可监测断电等优点，在室内无人时能自动进入休眠模式，同样能给人们带来更多的方便。 4.本设计在软件仿真模拟检测中运行较好，但实物操作时候出现一点问题，液晶屏出现非正常闪烁，经过排查和研究发现P0口没加上拉电阻，显示稳定性不高，加上后屏幕恢复正常。 5.对以后的展望和改进方向。随着科技发展进程，智能家居走进千家万户，人员的安全性、环保要求的提高，家居环境的调控实际上还有很多工作要做，不仅要对外设情况在不同环境下进行监控，还要减少能耗，降低有害健康的物质排放，减少经济成本和更加精致迷你的产品更加有市场吸引力。所以在这些方面的改进和升级中，系统还有不断完善和加强的空间。致谢语经过了几个月的努力，在此毕业论文完成的重要时刻，我需要谢谢我的导师陈绳得老师，他是一位认真负责，耐心细心，严谨负责任的老师，在整个控制器的设计制作和论文的撰写过程中，他给了我许多帮助，进行了认真的指导和详细的修改，从陈老师的身上我也学到了很多，比如说严谨的作风、一丝不苟的工作态度、积极上进的人生观。我必须向陈绳得老师致谢，是您在繁忙的教学之余，对我进行耐心的指导和帮助，让我顺利完成了此次毕业设