室内空气的全智能舒适型多参量自动调节系统.doc

广东省电子设计竞赛设 计 报 告 参赛题目：室内空气的全智能健康舒适型多参量自动调节系统参赛单位：惠州学院电子科学系 参赛队员: 指导老师： 原创性说明本队伍郑重声明：所呈交的设计报告是本队在指导老师的指导下独立进行完成的。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本队完全意识到本声明的法律后果由本队承担。摘要随着人们对居住环境的健康指数及舒适度的要求日趋严格, 实现室内空气健康及舒适度的全智能自动调节可以说是当今城市智能化不可或缺的项目之一。本系统分为主控机和窗户控制机两部分,系统会根据室内情况，通过红外线对空调的模式转换，窗户的开关换气，风扇的转速，加湿器的工作与否进行控制，从而营造出健康，舒适的室内环境。关键词:avr单片机 温湿传感 空气质量检测 TFT彩屏 红外学习 舒适度指数 英文版 一、系统方案与功能指标1.0系统方案:系统方案综述:系统由主机及窗户控制机两部分组成, 均采用ATMEL公司研发的avr单片机作为核心，主机主要由温湿传感模块、空气质量检测模块、红外学习模块、红外发送模块组成. 窗户控制机由开窗模块及红外收发模块组成。主机通过温湿传感模块,空气质量检测模块采集室内温度，湿度，空气质量等参数，显示到TFT彩屏，并代入人体舒适度指数公式1得到的室内pmv初值;最后与设定的最舒适pmv值进行比对后，通过红外线实现对窗户的开关换气,空调的模式转换,风扇的转速，加湿器的工作与否进行控制。调节合适的湿度、温度，并优化室内空气质量，使室内一直处于健康、舒适的环境下。本系统根据不同的人群需要，设立了四种不同模式,分别为待机模式、睡眠模式、婴儿模式、休闲模式待机模式：实时显示室内的相对湿度，温度和空气质量，此模式下，用户可以像往常一样，人手控制空调，风扇，窗户各个模块的独立开启。本系统不作任何干预休闲模式：自动对室内温湿度进行调节，使室内pmv值处于舒适的范围内，同时隔一段时间适时开窗，通风透气半个小时，又自动关闭窗户。睡眠模式：此模式应用于晚上睡眠之时，自动对室内温湿度进行调节，同时自动对室外温度进行采集，当外界温度在30分钟内均小于28C时，在不影响舒适度的情况下，将空调关闭，改用风扇，同时开窗透气。隔天室外温度上升，当外界温度30分钟内均大于28C时，又会自动将风扇关闭，改用空调，同时将窗户自动关闭。婴儿模式：此模式用于有婴儿或小孩子的室内场所，按下婴儿模式按键，系统自动设定健康、舒适温度27C，在空调运行2小时后，空调会自动切换为通风档，窗户控制机会使窗户打开，如此进行“空气循环对流”半个小时后，通风档会自动关闭，窗户也会在窗户控制机控制下关闭。同时，因为婴儿在空气质量要非常高的环境下才能健康成长，我们还让系统，实时监测室内空气质量的等级，当质量差时系统自动控制开窗，并给予蜂鸣器报警提示用户。1.1系统功能简介1.1.1系统功能介绍本系统通过个对窗户的开关，空调与风扇工作的切换来营造出一个健康，舒适的室内环境第一 ：几乎能学习市面上的风扇、空调的红外遥控键值码。第二 ：根据从空气中收集回来的参数所计算出的PMV初值，自动改变空调工作模式（如除湿、通风、制冷等）、控制空调与风扇之间的切换、调节风扇的转速，触发窗户的开关，使室内处于舒适和健康环境下第三 ：以健康、舒适、人性化为设计核心，分别设立了睡眠模式，婴儿模式，休闲模式，待机模式第四 ： 窗户的开关可用遥控控制，方便安全。第五 ：TFT彩屏实时显示室内空气温湿度、空气质量状况、正处于的模式。 帮助用户了解室内情况1.1.2系统功能特色、创新点（实现功能） (1)通过学习回来的红外信号控制各电器，通过推杆控制窗户开关，很好的做到了即插即用，无需改变电器、窗户自身结构，方便，安全。适用范围大 (2)一键设置,自动调节室内环境舒适度、优化室内空气质量。(3)模式选择多，可在大小室内场所使用，如各类宿舍、宾馆、办公室、卧室、排舞室等，真正实现“智能城市”。 (4)独特的婴儿模式。增大了空气的流动的同时还满足了一般用户的要求，年轻的爸爸，妈妈不用再为婴儿的健康担心。半夜起来开窗关空调 (5)节能、健康的睡眠模式。上半夜空调，当下半夜温度低于28C时自动关闭空调，打开窗花，开启风扇，并根据温湿度调节风扇的转速。很好的节约了用电，同时降低了空调病发生的概率。 (6)特有的智能窗模块,可调节窗户开窗角度，从而能根据自己的需要，控制通风效率。达到了真正的健康与人性化结合。 1.1.3实现原理 本系统首先通过学习空调遥控，风扇遥控，相应功能（除湿，加速，减速等）的键值码并放到E2PROM相应的地址后，根据室内空气温度，湿度，质量等各个参数所计算出来的PMV初值与设定的PMV值做对比，选择E2PROM相应地址的键值码以红外的方式调制在38KHz的载波上发射出去，不同的红外信号对空调，风扇，窗户进行相应的控制，使室内一直处在较舒适和健康的环境下，当主机进入了不同模式后，avr芯片会根据选择的模式做出相应操作。 1.1.4功能指标（1）红外遥控常用的载波频率为38kHz，这是由发射端所使用的455kHz晶振来决定的。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455kHz1237.9 kHz38kHz（2）舒适度指数的计算方法1：K=1.8T-0.55(1.8T-26) (1-RH)-3.2V1/2+32其中K为舒适指数，T为温度，RH为湿度，V为风速。因为在空调房内风速较低，小于0.1m/s的风速对PMV值影响很小,因此计算室内空调环境的PMV时,将风速设定为0.1m/s常数。（3）根据 睡眠环境人体热舒适的实验研究D 人体睡眠舒适温度为282左右（4）根据分析,环境变量的每一个变量都可能作为被控参数,由于空调系统、风速系统的复杂性,综合各个变量对人体热舒适的影响的重要程度,我们选择其中的相对湿度和空气温度变量作为PMV的控制参数,它们是影响人体热舒适最主要的因素3（5）TPM-300空气质量模块 探测气体:氨气、氢气、酒精、一氧化碳、甲烷、丙烷、甘烷、苯乙烯、丙二醇、酚、甲苯、乙苯、二甲苯、甲醛等有机挥发气体、香 烟、木材、纸张燃烧烟雾污染等级表：AB污染等级低低0（优）低高1（良）高低2（中）高高3（差）注：污染等级数值越高表示空气质量越差 二、系统硬件设计 2.1系统硬件框图按键 红外学习与红外接收模块温湿传感器空气质量检测模块MCUAVR红外发射模块TFT显示模块主控机2.2 硬件模块2.2.1 AVR mega16最小系统：AVR mega16 单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。提高了指令执行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶颈现象，增强了功能；同时内置EEPROM，减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本2.2.2TFT显示模块考虑到要显示给用户看的信息比较多，一般的1602,12864等屏幕满足不了需求，所以我们采用了128*160 TFT彩屏，它亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳、，同时可以精确控制显示色阶。能随意定出显示的位置和内容。很好解决了我们的考虑的问题2.2.3红外学习模块 针对市面上流行的NEC红外协议，可利用小型一体化接收头IR1838对红外遥控发出的红外信号进行接收，再用单片机对红外信号进行解码，把解码结果存储到AVR片内的E2PROM的指定地址待用。2.2.4红外发射模块当需要发送红外时，从E2PROM里中读出相应的红外遥控编码，调制到由单片机产生38KHz载波上，最后，通过9013，8050三极管组成的两级放大放电路驱动红外发光二极管发射红外信号，为了能够全方位发射，我们设计了一个全方位发射器，我们使用五个发射头，风别安装在东南西北和上五个方向，而且每个发射头都可以调节角度。更加准确的控制。2.2.5温湿传感模块由于该系统同时需要检测温度湿度，且对温度和湿度的准确性要求高，所以我们采用了AM2301湿敏电容数字温湿度模块,它具有能耗超低、传输距离远、全部自动化校准、标准数字单总线输出、稳定性搞、精度高的优点。符合我们的需求2.2.6空气检测模块该模块灵敏度高，寿命长，不受温湿度影响，自动校准。能探测一氧化碳，二氧化碳、甲烷，甲醛，甲苯，酒精，烟雾等空气污染程度，单片机可根据AB口的电平来检测空气的污染程度。红外收发模块温度传感模块开窗角度控制模块MCUAVR显示模块加湿器控制器开窗（电机）模块窗户控制机2.2.7显示模块窗户控制机只需要显示温度与开窗角度，所以采用简单的数码管来显示，方便、清晰、容易控制2.2.8开窗模块该模块通过电机的正反转带动推杆伸缩，从而控制窗户的正常开关，在控制电机的正反转方面我们使用了SGS-THOMSON Microelectronics 所产出的双全桥电机专用驱动芯片l298n,它能驱动46v，2a以下的电机，满足我们系统的需求2.2.9 加湿器控制模块 我们利用继电器完成对加湿器的控制，继电器外围电路简单，控制方式简易，成本低，而且加湿器的功率低，继电器的相对使用寿命也会很长2.2.9开窗角度控制模块 利用74HC08N 逻辑芯片连接中断口，通过按键中断与软件编程结合，达到调试角度的功能，调试的角度会在显示模块中显示。2.2.10 温度传感模块独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源 测量温度范围为-55 C至+125 。华氏相当于是67 F到257华氏度 -10 C至+85 C范围内精度为0.5 C2.3系统软件设计2.3.1系统软件流程图PMV值舒适?主机优先控制湿度开窗30分钟系统运行时间=3小时系统初始化调节调节空调温度,使pmv达到最舒适值湿度45.65?模式1:休闲模式模式选择模式3:睡眠模式模式2:婴儿模式模式1:休闲模式显示室外温度,室内相对湿度,空气质量进入待机模式应用程序开始加湿器加湿或空调除湿PMV值舒适?否 模式2:睡眠模式室外温度28?关闭空调, 打开窗户,打开风扇,调节转速系统初始化湿度45,65?加湿器加湿或空调除湿关闭窗户，关闭风扇，打开空调室内相对湿度=55%PMV值舒适?主机优先控制湿度PMV值舒适?调节调节空调温度,使pmv达到舒适值是否是否模式3:婴儿模式湿度45.65?PMV值舒适?调节调节空调温度,使pmv达到舒适值初始化系统,主机优先控制湿度PMV值舒适?加湿器加湿或空调除湿打开窗户,蜂鸣器响开窗30分钟系统运行时间2小时?空气质量为差?是否是否否是2.3.2 各模块的软件实现1. 彩屏显示模块实现此部分程序主要使用颜色的填充，使背景颜色和字体颜色不同，从而显示出一个个字体和图画。其具体实现方法为：先设定一个小窗口大小：LCD_SetRamAddr(uint xStart, uint xEnd, uint yStart, uint yEnd)运用“取字模软件.EXE”，取出一个字宽大小的字模代码，例如取出一个16*16大小的字模。设置字体显示的位置，运用 LCD_SetRamAddr() 函数，遵循xEnd- xStart=16，yEnd- yStart=16，将位置定下来。将取到的字模代码一个一个写进设定的窗口中，运用背景与字体颜色的差别，将字体显示出来。将上述方法做成集成函数：LCD_ShowChar(uchar x,uchar y,uint For_color,uint Bk_color, char ch)LCD_ShowString(uchar x,uchar y,uint For_color,uint Bk_color,char *p)ChineseChar(uint x,uint y,int size,uint For_color,uint Bk_color ,char c)就可以显示字符，字符串和汉字。2. 红外学习发送模块实现这个模块分为红外接收和红外发送两方面：红外接收主要对红外键值码进行解码，运用外部中断0，执行w0chuli()外部中断处理函数，解码一个个字节的0,1电平，组成uchar IRCOM4，前两个码为用户码，第三个码IRCOM2为键值码，第四个码IRCOM3为键值码的反码。红外发送模块主要利用接收到的四个键值码，运用定时器发送38KHz的方波，将键值码的0,1电平以一定时间发送出去，从而实现红外的发送。主要实现的函数为：ir_send();3. 红外键值码记忆，窗户角度记忆实现这一部分运用AVR单片机片内EEPROM的功能，将获取的数据存入EEPROM中，即使掉电重启也不会失去数据，当要用到这些数据的时候，就可以从EEPROM中读出数据。主要实现的函数为：EEPROM_write(uchar addr,uchar data);EEPROM_read(uchar addr);4. 温湿度传感器模块实现程序主要实现是往温湿度传感器中写入读取命令RH()，当进入数据接收状态时，接收到的前两个数据为温度的高低字节U8T_data_H_temp和U8T_data_L_temp，第三四个字节数据分别为湿度高低字节U8RH_data_H_temp和U8RH_data_L_temp，而第五个字节数据为奇偶校验码U8checkdata_temp，判断读取的数据是否有误。5. 空气质量模块实现空气质量模块主要引申出了两条输出信号线A和B，单片机主机对这两条信号线进行读取，依据读取到的两线电平组合，从而判断出空气质量0,1,2,3四个等级，污染等级数值越高表示空气质量越差。主要实现函数为：kongqi();6. 温度传感器模块实现主要程序是对温度传感器信号线进行读取，读取的第一二个字节就为温度的高低字节，对这一字节进行处理，就得出读取的温度值。函数为：uint Temperature();7. 开窗（电机）模块实现主要利用L298N芯片，当使能端EnA为高电平时，单片机主机输出一高一低两个电平，电机正转或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。主要函数为：z_fun(uchar kk); f_fun(uchar kk);三、系统功能测试测试方法及测试现象1.红外学习模块 1.1 测试方法 准备四个不同类型的遥控器，包括一个风扇遥控器，三个不同类型的空调遥控器，先用主机学习每个遥控器的两个功能键的键值码，通过编程，使主机从EEPROM里取出键值码，把他转为对应的红外线，调制在38khz 的载波上，发射出去，观察是否能完成各个遥控相应按键的功能。 1.2.测试现象及结果分析红外学习模块学习的功能美的空调开关美的空调增温风扇开关风扇风速格力空调1减温格力空调1除湿格力空调2通风格力空调2开关是否学习到是是是是是是是是是否完成对应的功能是是是是是是是是 美的 格力1 格力2 风扇由测试现象可以看出我们的红外学习模块，可以对一般的空调遥控，风扇遥控进行学习，主机能有效的完成“复制”回来的功能，这样就轻松解决如何控制空调、风扇、窗户工作的问题，这个功能设计巧妙简单易用，无需改变电器内部结构就可以实行对其控制。2.温度、湿度协调调节pmv值 2.1 测试方法模拟室内湿度改变，记录空调设定温度的改变值，带入舒适度指数值公式计算出pmv值，与舒适度指数等级划分表进行对比，看是否pmv值处于舒适的范围内。在此给出如何使湿度变化的方法湿度的增加：向温湿度传感器吹气或用手轻轻捂住，把带有湿气的空气传到传感器上。湿度的减少：向温湿度传感器上铺上一层处理过的干燥纸巾，干燥纸会将传感器附近空气的水分吸住，从而是湿度降低 2.2 .测试现象及结果分析相对湿度45%55%65%空调设定温度262728pmv值687172舒适情况大部分人舒适大部分人舒适多数人舒适由测试结果可以看出，室内在湿度变化过程中，空调的设置温度也随之变化，带入舒适指数公式得到的pmv值也一直基本处于舒适范围内，此时大部分人感觉舒适3.睡眠模式下，室外温度变化的影响 3.1 测试方法 进行5次试验，改变安装在窗外的温度传感器周边温度，使模拟室外温度变化，观察窗户、空调、风扇。是否按照主机发送指令，正常工作。在此给出如何使温度变化的方法温度的降低：用酒精涂抹在温度传感器上。利用酒精的挥发吸热，是温度下降，一般能下降5-7度温度的增加：用手捂住温度传感器，用身体的热量是温度传感器表面温度增加。3.2 .测试现象及结果分析实验次数第一次第二次第三次第四次第五次起始室外温度3031303031室外温度小于28C窗户是否开启是是是是是室外温度小于28C，风扇是否开启是是是是是室外温度小于28C，空调是否关闭是是是是是室外温度大于28C窗户是否关闭是是是是是室外温度大于28C，风扇是否关闭是是是是是室外温度大于28C，空调是否开启是是是是是由实验结果可以看出，系统较为稳定，能遵守我们编程所设定的控制指令，全自动完成相应工作4.空气质量差-报警与窗户的开启4.1 测试方法在一个约10平方米的废置打扫工具收纳室中，利用空气质量检测模块，检测空气质量情况，以燃烧塑料产生难闻气味点燃纸张产生烟雾 使打火机放出瓦斯 来模拟空气质量变差，通过放改变污染源与空气检测模块的距离，记录空气变差的时间，测试出空气质量模块的灵敏度，并且观察是否会自动报警，并打开窗户进行通风。 4.2 测试现象及结果分析实验方法燃烧塑料产生难闻气味燃烧塑料产生难闻气味点燃纸张产生烟雾点燃纸张产生烟雾使打火机放出瓦斯使打火机放出瓦斯与传感器的距离（m）12120.20.5空气质量变差耗时（秒否报警成功是是是是是是是否开窗成功是是是是是是由上面表格可以看出，在不同的距离下（因为瓦斯比较危险，所以我们把距离缩短，加快空气模块检