-智能温度控制和风扇控制系统毕业论文.doc

摘摘 要要 本次毕业设计设计了一个基于热释人体红外的智能温控风扇及照明控制系 统，采用单片机 STC89C52 为控制器，以热释人体红外和温度传感系统来检测 室内有无人员以及室内温度，通过光敏电阻来检测室内的光线强度，用温度传 感器 DS18B20 来检测室内温度，用 LCD1602 来实时显示系统当前的工作模式 和室内的温度，同时可通过按键来实现正常模式与防盗模式两者之间的随意切 换。调试结果表明该系统可以实时调节和控制室内风扇的转速和灯管的照明， 达到了智能控制和节能的目的，并通过设置启动防盗模式来达到防盗的效果。 关键词：关键词：热释人体红外；STC89C52；智能温控风扇；照明控制 Title The design of intelligent temperature control fan and illumination system based on the body pyroelectric infrared Abstract: In this paper we designed an intelligent temperature control fan and illumination system based on the body pyroelectric infrared to control the fan and the lamp in real time. In this system we use the STC89C52 as the intelligent controller, we detect the inner-room temperature with the temperature sensor, and decide whether there is a person or not based on infrared from the body, and check the illumination intensity through the photoconductive resistance. Besides, we utilize the LCD1602 to display the present working mode and the inner-room temperature, meanwhile, we could change the mode freely by pressing the buttons. Result shows that the system can surely control the objects intelligently and decrease the electric power effectively. Besides, it can also realize the effect of anti-theft by setting the anti-theft mode. Key words: the body pyroelectric infrared; AT89C51; intelligent temperature control fan; illumination control 目 录 1 绪论 .1 1.1 智能温控风扇及照明控制系统的研发背景.1 1.1.1 智能温控风扇的设计背景 .1 1.1.2 智能照明控制系统的设计背景 .2 1.2 智能温控风扇及照明控制系统的研制意义.2 2 基于热释人体红外的智能温控风扇及照明控制系统的硬件设计 .3 2.1 总体设计.3 2.2 主控制器.4 2.2.1 STC89C52 单片机的性能特点 .4 2.2.2 由 STC89C52 构成的单片机最小系统 .4 2.3 人体感应模块.5 2.4 光度采集模块和照明控制模块.8 2.4.1 光敏电阻的特性 .9 2.4.2 发光二极管电路 .10 2.5 温度传感及显示模块.10 2.5.1 温度传感器 DS18B20 简介.10 2.5.2 DS18B20 的一般操作过程.10 2.5.3 DS18B20 的温度存储方式即温度计算.11 2.6 风扇控制模块.11 2.7 防盗报警模块.11 3 基于热释人体红外的智能温控风扇及照明控制系统的软件设计 .12 3.1 光度采集模块与照明控制模块的软件设计.12 3.2 人体感应模块的软件设计.13 3.3 温度控制风扇模块的软件设计.14 3.4 系统软件流程总图.15 4 基于热释人体红外的智能温控风扇及照明控制系统的软硬件联机调试 .17 结 论 .19 致 谢 .20 参 考 文 献 .21 附录 1 原理图 .22 附录 2 PCB 板图.23 附录 3 程序 .24 1 绪论绪论 1.1 智能温控风扇及照明控制系统的研发背景智能温控风扇及照明控制系统的研发背景 1.1.1 智能温控风扇的设计背景 随着空调机在日常生活中的普遍应用，很容易想到电风扇会成为空调的社 会淘汰品，其实经过市场的考验和证实，真实的并不是这样的,在空调产品的冲 击下，电风扇产品仍然具有很强大的生命力，电风扇在市场的考验中并没有淡 出市场，反而销售在不停的复苏中具有强大的发展空间。据市场调查，电风扇 的不停复苏主要在以下原因：一是电风扇虽然没有空调机的强大的制冷功能， 但电风扇是直接取风，风力更加温和，比较适合老年人、儿童以及体质虚弱的 人使用。二是电风扇经过多年的市场使用，较符合人们的使用习惯，而且结构 简单、操作方便、安装简易。三是电风扇比起空调产品而言，其价格低廉，相 对省电，更易的进入老百姓的家庭。 在激烈的市场竞争下，虽然电风扇具有广阔的市场空间，但不断新生产品 的出现，要使产品更具市场优势，仅仅是靠传统型的电风扇是远远不够的，因 此要对传统的电风扇根据市场的需要进行不断的更新，不断的改进，以使自己 的产品立于不败之地。 现在电风扇的现状：大部分只有手动调速，再加上一个定时器，功能单一。 存在的隐患或不足：比如说人们常常离开后忘记关闭电风扇，浪费电且不 说还容易引发火灾，长时间工作还容易损坏电器。再比如说前半夜温度高电风 扇调的风速较高，但到了后半夜气温下降，风速不会随着气温变化，容易着凉。 之所以会产生这些隐患的根本原因是：缺乏对环境的检测。 如果能使电风扇具有对环境进行检测的功能，当房间里面没有人时能自动 的关闭电风扇；当温度下降时能自动的减小风速甚至关闭风扇，这样一来就避 免了上述的不足。本次设计就是围绕这两点对现有电风扇进行改进。 1.1.2 智能照明控制系统的设计背景 随着社会的发展人们对生活质量的要求越来越高，为方便生活人们越来越 多的在各个场所引入照明设备，照明在能耗中所占的比例日益增加。为了达到 方便生活的目的，这些照明设备有时会彻夜开着，从而造成了大量电力能源的 浪费。据统计，在楼宇能量消耗中，仅照明就占 33%，因此照明节能日显重要。 现在国内外普及使用的节能开关基本有声控型、触摸型、感光型等。这几种开 关各有自己的弊端，如声控型不适合环境嘈杂场所、触摸型虽然能自动关闭但 不能自动打开、感光型开关在无人期间不能自动关闭。目前，纵观国内外研究 开发的智能照明控制系统，按其通信介质主要有总线型、电力线载波型、无线 网络型等。按照网络的拓扑结构可以分为集中式或分布式。集中式智能照明控 制系统主要为星形拓扑，即以中央控制节点为中心，把若干外围节点连接起来 的辐射式互连结构。各照明控制器、控制面板等设备均连接到中央控制器 （CPU）上，由中央控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包；分布式 智能照明控制系统以中央监控为中心，组建控制主干网和多个控制子网，各照 明控制器，控制面板等设备均具有中央处理器 CPU 单元，每个控制器和面板 都可以直接连接在子网上。 1.2 智能温控风扇及照明控制系统的研制意义智能温控风扇及照明控制系统的研制意义 近年来随着经济的发展和科技的进步，人们对用电设备的要求也越来越高， 传统的手动风扇及照明控制系统技术受到了时代的强烈冲击， “智能温控风扇 及照明”技术随之出现，并迅速地向前发展。一般来说，手动控制系统指的是 个人通过按钮的切换、旋转、揿动或遥控器和其他途径执行操作的单一开关或 一组开关和调光装置构成的系统，小规模情况下，的确具有成本低廉的优点， 但随着系统规模的扩大，手动控制将失去其成本上的效益。此外，不需要照明 时，是否关灯完全决定于人为因素，难免浪费电力增大能耗，照明范围越大， 问题尤其严重。相对智能照明控制系统而言，传统控制方式简单、有效、直观。 但它过多依赖控制者的个人能力，控制相对分散和无法有效管理，其实时性和 自动化程度太低。正因为如此，智能温控风扇及照明控制系统的研发有着极为 重要的意义。 目前，绝大多数楼宇风扇和电灯在使用时都是由人员手动操作，当天气闷 热时由楼宇内的人员手动开启风扇和选调风速，当灯光不足或在上楼梯时手动 开启电灯，常常会由于人员的疏忽在人离开之后忘记关闭设备而导致用电的浪 费。在本系统设计中，考虑采用单片机为控制器，以热释人体红外和温度传感 系统来检测室内有无人员以及室内温度，设计一个智能温控风扇及照明控制系 统，可以实时调节和控制室内的风扇和灯光的照明，从而达到智能控制和节能 的目的。 2 基于热释人体红外的智能温控风扇及照明控制系统的硬件基于热释人体红外的智能温控风扇及照明控制系统的硬件 设计设计 2.1 总体设计总体设计 图 2-1 所示是基于热释人体红外的智能温控风扇及照明控制系统的总体结 构框图。 单片机 人体感应模块 光度采集模块 照明控制模块 风扇控制模块 防盗报警模块 温度传感及显示模块 图 2-1 系统总体结构框图 由上图可以看出，该系统一共包括六个模块：人体感应模块、光度采集模 块、温度传感及显示模块、照明控制模块、风扇控制模块、防盗报警模块。系 统上电便进入默认的正常工作模式，1602 液晶显示器实时显示当前系统的工作 模式以及室内的温度。通过 51 单片机和热释人体红外来检测区域内是否有人， 如果距离人体红外感应模块 5-7 米范围内有人出现，则其会输出高电平，然后 可通过检测与感应模块相接的单片机 I/O 口的高低电平来进行相应的操作。在 正常模式下，若有人出现，系统则会一直检测室内的光线强度以及温度，并通 过与设定值相比较来进行智能控制：如果光线较暗，则开启两盏 LED 灯；如 果光线一般，则开启一盏 LED 灯；若光线较强，则选择不开灯；而如果温度 低于设定值，则不开风扇；若温度高于设定值则开启风扇；若温度过高（本系 统设置为 40 度），则会发出报警的声音。如果在正常模式下没有人出现，即 人体感应模块输出低电平的时候，系统则关闭所有的用电设备（LED 灯、风扇） 以节省电能。此外可通过按键来切换当前的工作模式，如果启动了防盗报警模 式，当检测到其区域内有人或者温度高于某一设定值时，就会发出连续的报警 信号，直到按键按下才停止报警。 2.2 主控制器主控制器 2.2.1 STC89C52 单片机的性能特点 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统 可编程 Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决 方案。具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线， 看门狗定时器 ，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，三个 16 位 定时 器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降 至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停 止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复 位为止。最高运作频率 35Mhz，6T/12T 可选。 2.2.2 由 STC89C52 构成的单片机最小系统 单片机最小系统是指单片机可以正常工作需要的部件（都是必须的） ，包 括 mcu（单片机） ，时钟（晶振） ，复位电路，电源。在实际中可以使用几节 1.5V 的干电池供电。由 STC89C52 构成的单片机最小系统图见图 2-2。 复位电路的原理是单片机 RST 引脚接收到 2us 以上的电平信号，只要保证 电容的充放电时间大于 2us，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变 的。按键按下系统复位，是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电 阻两端的电压增加引起的。 图 2-2 单片机最小系统 2.3 人体感应模块人体感应模块 人体红外感应模块电路主要由人体被动红外探头、菲涅尔透镜、专用芯片 BISS0001 组成，当有人出现在它的探测区，传感器便能探测到信号并把信号 传给单片机，单片机通过检测输出信号再根据实际情况是否该开启器件设备或 让房间的电器设备处于一种可开启状态。关于走廊及洗手问用灯情况，当晚上 有人经过时，人体红外感应到人便开启走廊用灯或者洗手间用灯。热释人体红 外模块电路如图 2-3 所示。 图 2-3 热释人体红外模块电路图 电路中运用了热释红外专用芯片 BISS0001。BISS0001 是由运算放大器、 电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模 混合专用集成电路。如图 2 所示，当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦 在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使 该信号先通过一个由 C1、C2、R1、R2 组成的带通滤波器，该滤波器的上限截 止频率为 16 Hz，下限截止频率为 0.16 Hz。 由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱(通常仅有 1 mV 左右)， 而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式 (脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为 O.1 Hz10 Hz 左右)， 所以应对热释红外传感器输出的电压信号通过运算放大器 OP1 和 OP2 进行二 级放大。再经由电压比较器 COP1 和 COP2 构成的双向鉴幅器处理后，检出有 效触发信号 Vs 去启动延迟时间定时器。 输出信号 Vo 接单片机以便检测，当有人时便输出 5 V 高电平，当人离开 之后延时一段时间后便复位为 O V 以便主控制电路的控制。电路设计让芯片处 于可重复触发状态以便适合教室的实际情况。重复触发其工作过程：可重复触 发工作方式下在 Vc=“1”、A=“1”时，Vs 可重复触发 Vo 为有效状态，并可促使 Vo 在 Tx 周期内一直保持有效状态。在 Tx 时间内，只要 Vs 发生上跳变，则% 将从 Vs 上跳变时刻起继续延长个 Tx 周期;若 Vs 保持为“1”状态，则 Vo 一直 保持 有效状态;若 Vs 保持为“0”状态，则在 Tx 周期结束后 Vo 恢复为无效状态，并 且，同样在封锁时间 Ti 时间内，任何 Vs 的变化都不能触发 Vo 为有效状态。 本次设计中，热释人体红外模块是系统实现智能控制的前提，所有功能的 实现比如风扇控制、灯管照明控制以及防盗等，都要以检测是否有人为前提， 如果检测失准，将会造成控制紊乱，从而一方面浪费了电能，另一方面还给人 们的生活和工作带来诸多不便。考虑到自己搭建以上人体感应电路的繁琐性以 及给系统正常运行可能造成的不准确性，因而特意选用了一个整体模块 SR- HC500。 SR-HC500 有三个端口，如图 2-4 所示：一个接电源、一个接地、一个信 号端口，它具有如下几种功能特点： 图 2-4 人体感应模块原理图 （1）全自动感应：当有人进入起感应范围则输出高电平，人离开感应范围则 自动延时关闭高电平，输出低电平。 （2）光敏控制（可选）：模模块预留有位置，可设置光敏控制，白天或光线 强时不感应。光敏控制为可选功能,出厂时未安装光敏电阻。如果有需要，可另 行加入光敏电阻。 （3）两种触发方式：L 不可重复，H 可重复。可跳线选择，默认为 H。 A.不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自 动从高电平变为低电平。 B.可重复触发方式： 即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人 体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高 电平变为低电平(感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时 间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。 （4）具有感应封锁时间(默认设置：0.2 秒)：感应模块在每一次感应输出后(高 电平变为低电平)，可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接 收任何感应信号。此功能可以实现(感应输出时间和封锁时间)两者的间隔工作， 可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干 扰。 （5）工作电压范围宽：默认工作电压 DC5V 至 20V。 （6）微功耗：静态电流 65 微安，特别适合干电池供电的电器产品。 （7）输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。 2.4 光度采集模块和照明控制模块光度采集模块和照明控制模块 光度采集模块的主要元器件用到的是光敏电阻、滑动变阻器和电压比较器 LM393。通过改变滑动变阻器的阻值向系统设定相应光强所对应的参考电压值， 并与由光敏电阻所反映的实际电压进行比较，经由 LM393 芯片得到输出电压， 然后通过输出电平的高低来控制照明系统。其电路原理图如图 2-5 所示： 图 2-5 光度采集模块原理图 本模块通过两个滑动变阻器设置两个参考电压，比较参考电压和实际电压 的大小从而得到几组不同光线强度下的输出电压情况，再根据这些去控制 LED 灯的亮灭。 2.4.1 光敏电阻的特性 利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器称为光敏电阻。目前， 光敏电阻应用的极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏 电阻。利用光敏电阻制成的光控开关在我们日常生活中随处可见。 当内光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为： （式 2-1） pn p en e 在（式 2-1）中，e 为电荷电量，为空穴浓度的改变量，为电子浓度pn 的改变量， 表示迁移率。 当两端加上电压 U 后，光电流为： （式 2-2） ph A IU d 式中 A 为与电流垂直的表面，d 为电极间的间距。在一定的光照度下， 为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。 光敏电阻的伏安特性如图 2-6 所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特 性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流 也越大，而且没有饱和现象。当然，与一般电阻一样光敏电阻的工作电压和电 流都不能超过规定的最高额定值。 图 2-6 光敏电阻的伏安特性曲线 图 2-7 光敏电阻的光照特性曲线 光敏电阻的光照特性则如图 2-7 所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同 的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图 2-7 的结果类似。由于光敏电 阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性敏感元件 ，这是光敏电阻的缺 点之一。所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。 2.4.2 发光二极管电路 发光二极管简称为 LED，它是半导体二极管的一种。发光二极管的反向击 穿电压约 5 伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制 通过管子的电流。限流电阻 R 可用下式计算： R（EUf）If （式 2-3） 式中 E 为电源电压，Uf为 LED 的正向压降，If为 LED 的一般工作电流。 发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。 与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅 一点几伏） ；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光） ；抗冲击和抗震性能 好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。 由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设 备中用作信号显示器。 2.5 温度传感及显示模块温度传感及显示模块 本模块采用温度传感器 DS18B20 来检测室内的温度，并将实时采集的温 度传输至单片机的一个 I/O 口，同时使用 LCD1602 来实时显示室内的温度值。 2.5.1 温度传感器 DS18B20 简介 新型数字温度传感器 DS18B20 具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、 采用一线总线，在实际应用中取得了良好的测温效果。 DS18B20 的主要特性： （1）独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即 可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 （2）测温温范围55125 （3）最高分辨率为 0.0625。 2.5.2 DS18B20 的一般操作过程 （1）初始化； （2）跳过 ROM（命令：CCH） ； （3）温度变换（命令：44H） ； （4）读暂存存储器（命令：BEH） ； 注：每次读取温度都要经过上面四个过程。 2.5.3 DS18B20 的温度存储方式即温度计算 DS18B20 是用 12 位存储温度，最高位为符号位，表 2-1 为它的温度存储 方式： 表 2-1 DS18B20 温度存储地址分配 232221202-12-22-32-4 LSBYTEBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0 SSSSS262524 MSBYTEBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8 这是 12 位转化后得到的 12 位数据，存储在 DS18B20 的两个 8 比特的 RAM 中，二进制中的前面 5 位是符号位，如果测得的温度大于 0，这 5 位为 0，只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于 0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到实际温度。 2.6 风扇控制模块风扇控制模块 将由 DS18B20 芯片采集到的实时温度与软件设置的温度参数值做对比， 用 P1.6 口控制三极管 9012 的导通和截止，通过 PWM 调速方式使风扇在某一 温度范围内实现低速、中速或者快速转动，从而实现温控风扇的智能控制。考 虑到系统设计重在对现实情况进行模拟，具有一定的实验性，所以本次采用的 风扇就是一般的电脑风扇。 2.7 防盗报警模块防盗报警模块 蜂鸣器工作原理简介：当控制端口通以不同频率及不同占空比的信号时蜂 鸣器将发出不同强度及不同频率的声音。由于其具有比传统的喇叭体积小，价 格低等优点，所以此次提示音电路选用蜂鸣器，具体电路如图 2-8。 图 2-8 蜂鸣器驱动电路 本模块用一个 9012PNP 三极管作为蜂鸣器的驱动，蜂鸣器的负极接到地， 当基极 b 为低电平时三极管导通，蜂鸣器发出声音。当 b 极为高电平时三极管 不导通，蜂鸣器不工作。P3.0 连接一个按键开关来切换正常模式和防盗模式。 通过单片机的 P1.4 口控制其发出报警声音，当温度太高或发生火灾时蜂鸣器 长鸣以提醒楼宇人员，当开启防盗模式时如果有小偷入侵时蜂鸣器发出连续的 报警声。 3 基于热释人体红外的智能温控风扇及照明控制系统的软件基于热释人体红外的智能温控风扇及照明控制系统的软件 设计设计 3.1 光度采集模块与照明控制模块的软件设计光度采集模块与照明控制模块的软件设计 本模块的重点和难点在于硬件部分的设计，软件部分相对而言较为简单， 只要将 LM393 的两个输出 out1 和 out2 分情况讨论即可（见表 3-1） 。 表 3-1 开灯情况表 Out1Out2光线强度开灯数 HL强0 LL一般1 LH弱2 该部分的软件设计流程图如图 3-1： 开始 Out1=1,out2=0 Out1=0,out2=0 Out1=1,out2=1 Led1=1,led2=1 Led1=0,led2=1 Led1=0,led2=0 Yes No Yes No Yes No 图 3-1 光度采集模块与照明控制模块的软件流程图 将 LM393 的两个输出 out1、out2 分别与单片机的 P2.0 和 P2.1 相连，将两 个 LED 灯的控制端（低电平时亮灯）分别与单片机的 P2.3 和 P2.2 相连，通过 不断检测单片机的这四个 I/O 口的高低电平来实现对照明系统的控制。如果 out1out2 分别为高电平和低电平，单片机的 P2.3 和 P2.2 就都输出高电平，从 而实现不开灯的操作；如果 out1out2 都是低电平，那么单片机的 P2.3 就输出 低电平，P2.2 输出高电平，从而实现开一盏灯的操作；如果检测到 out1out2 分 别是低电平和高电平，那么 P2.3 和 P2.