安全型-温度、湿度、气敏智能家居-毕业设计

上海第二工业大学本科毕业论文 安全型智能室内控制系统的设计 本科毕业设计题 目：安全型智能室内控制系统的设计学 号： 姓 名： 邓明星 班 级： 07机工A1 专 业：机械电子工程学 院：机电工程学院 入学时间： 2007级 指导教师：何成、王振华日 期：2011 年5 月 13日毕业设计独创性声明本人所呈交的毕业论文是在指导教师指导下进行的工作及取得的成果。除文中已经注明的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名：日期：安全型智能室内控制系统的设计摘要课题基于安全、健康、智能、节能的理念而开发研究的室内控制系统，对室内温度、湿度、气体浓度（主要是存在安全隐患的、可燃性的气体，如天然气，一氧化碳）进行监测。创造一个安全型、健康型、智能型室内控制系统。把温度控制在一个温度、湿度控制在一个舒适的范围里面、并且实时对室内的存在安全隐患的气体进行监测。做出一系列的反应。温度过高、过低，通过空调调节；湿度过高、过低，通过水汽制造机和干燥机控制；有害气体浓度过高，通过报警和排气装置处理。在21世纪的今天，迫切需要一个这样的智能型系统关键词：温度、湿度、气体浓度、智能控制系统、报警The safe intelligent interior control system designABSTRACTSubject based on safe, healthy and intelligent energy-saving concepts and development research indoor control system of indoor temperature, humidity, gas concentration (mainly is unsafe, combustible gas, such as natural gas, carbon monoxide) for monitoring. Create a safe, healthy, smart interior control system. The temperature control in a temperature, humidity control in a comfortable scope inside, and real-time right indoor unsafe gas for monitoring. Make a series of reactions. Temperature is too high, low, through the air conditioning regulation; Excessively high humidity, too low, through the water vapor manufacturing machine and drying machine control; The concentration of harmful gases is exorbitant, through alarming and air exhaust device processing. In the 21st century, the urgent need to such a control systemKey words: Temperature, humidity, gas concentration, intelligent control system, alarm目录第1章 绪论11.1控制系统的研究背景11.2控系统的研究现状11.3课题研究的意义21.4要研究的内容2第2章 室内控制系统的硬件设计32.1单片机的时钟、复位电路32.2 数码管驱动电路72.3温度传感器检测电路122.4湿度传感器检测电路182.5蜂鸣器、LED灯驱动电路 212.6 本章小结 24第3章 室内控制系统的软件设计 25 3.1常用软件介绍25 3.2室内系统的工作原理26 3.3针对DS18B20温度传感器的驱动编程27 3.4 针对sht10湿度传感器的驱动编程 313.5本章小结35第4章 室内控制系统的参数设置与优化调节 36 4.1温度、湿度、空气浓度参数设置 364.2 遇到的问题和解决办法36第5章 总结与展望38 5.1总结与展望 38参考文献40致谢41附录4255第一章 绪论 本章介绍了安全型智能室内控制系统的研究背景、研究现状、阐述了本系统的研究意义；大体介绍了该系统研究过程中所涉及的内容。1.1 安全型智能室内控制系统的研究背景随着人类生活水平的提高和高科技数字信息的发展，人类对生活环境和各种工具使用方法的要求也越来越高。不管怎样，人们希望自己的生活环境是健康的、清洁的、安全的；使用的各种工具，家用电器都是智能的、人性化的、节能减排的。在人们生活的环境的，对人影响最大的莫过于空气、水、食物等等。人们希望的空气是清晰地、新鲜的、湿度适宜的、没有污染的、空气的温度也控制在某个范围内。因而期望生活的室内房间里面，有那么一个智能的控制系统，它可以解决这些问题。本课题就是基于工作强度大，科技发展速度快，对健康追求程度高的背景的条件下，开发的安全型智能室内控制系统。它可以针对室内的温度、空气的湿度、以及空气的浓度（值甲烷、一氧化碳等存在安全隐患的气体）不同，自行发出一系列的动作来调节这些东西。因为，本课题的研究方向还是顺应时代潮流的。1.2安全型智能室内控制系统国内外的研究现状在中国，类似的系统的已经开始出现了，但是还没有成批的生产。因为技术条件还不够成熟，例如；系统工作的时候不怎么稳定，测量温度、湿度、空气浓度的传感器要么不灵敏、要么就是过于灵敏了；还有大部分的商家生产的这个产品不够美观，不能吸引顾客；再次就是还有相当一部分顾客对于温度、湿度、空气浓度对身体健康还不够重视，因为上述原因造成类似的产品在中国发展还不够快，不够稳定，没有形成产业链。在国外，有很多类似这样的产品走进千家万户了。由于国外科技发展的比较快，所以在这个方面，他们走在中国的前面。因而深刻的体会到研究类似产品的迫切需要1.3安全型智能室内控制系统的研究意义本课题的意义：首先，基于安全的理念：由于室内存在很多安全隐患，例如厨房天然气的泄露，室内各种原因可能导致的火灾等。如果每个家庭都有一个装置，这个装置可以检测出室内天然气泄露，室内发生火灾。那么前端时间上海的胶州路火灾就可以及时被扑灭，进而避免有人身亡的背景。 其次，基于健康的理念：由于夏天的空气潮湿，冬天的空气干燥，还有室内吸烟的产生的烟，这些因素对于人体健康都有或大或小的危害，所以要是有一个这样的设备，该多么好 再次，基于节能的理念：由于夏天或者冬天室内的空调都一直开着，空调一直这样开着会浪费电，之前胡锦涛主席一直倡导节能减排，怎样做到节能减排呢，我认为节能减排就应该从小事做起，从现实生活做起。最后，智能理念。智能就是自己完成一件事件，自己控制系统。不需要人操心。因此，基于这些原因，老师和我准备一起开发研究一个这样的系统。这个系统的意义在于可以自动地调节室内的温度、湿度，检测室内的气味。而且可以节能省电，可以自行地打开窗户，自行报警。1.4安全型智能室内控制系统的研究内容研究内容：l 用温度、湿度、气敏传感器对分别对温度、湿度、空气浓度进行信号采集 。l 数据转换 包括把温度、湿度、空气浓度模拟信号转换为数字信号（A/D转换），以及单片机系统的数字信号转换为模拟信号（D/A转换），进而对外部设备发出各种命令。l 用单片机或仿真软件做的系统对 输入信号进行处理 l 共阴、共阳极数码管电路、以及驱动显示l 用单片机控制直流电机的正反转。第二章 室内控制系统的硬件设计本章主要是该系统的硬件设计，各种硬件电路的设计，电子元器件的选择。然后根据元器件的引脚，把各个电子元件件连接成电路。2.1单片的时钟、复位电路2.1.1、单片机的时钟电路设计89C51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。 在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图所示。 外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式在这里暂不介绍了。如图所示，电容器C0l，C02起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。晶振频率，但是典型值一般为12MH2，采用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟情号比较稳定，实用电路中使用较多。图-1 时钟振荡电路2.1.2基本时序单位 单片机以晶体振荡器的振荡周期(或外部引入的时钟周期)为最小的时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准。 振荡频率二分频后形成状态周期或称s周期，所以，1个状态周期包含有2个振荡周期。振荡频率foscl2分频后形成机器周期MC。所以，1个机器周期包含有6个状态周期或12个振荡周期。1个到4个机器周期确定一条指令的执行时间，这个时间就是指令周期。8051单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在1个到4个机器周期之间。 4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值(例如，波特率、定时器的定时时间等)的基本时序单位。下面是单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位的大小： 振荡周期1/fosc=1/12MHZ=0.0833usl 振荡周期：晶振的振荡周期，为最小的时序单位；l 状态周期：振荡频率经单片机片内的二分频器分频之后提供给片内CPU的时钟周期，因此，一个状态周期包含2个振荡周期；l 机器周期（MC）：一个机器周期由6个状态周期组成，即12个振荡周期。是计算机执行一种基本操作的时间单位；l 指令周期：执行一条指令所需的时间，一个指令周期由1到4个机器周期组成，依据指令的不同而不同。 振荡周期=s 状态周期=s 机器周期=s 指令周期=（14）机器周期=14s它们的关系如图2-2所示 图- 时钟周期、指令周期、机器周期、状态周期的关系2.1.3.复位电路设计 当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和手动复位。 上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如下图中所示。图中电容C和电阻R对电源十5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能。图2-3 上电复位电路示意图手动复位，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的手动复位电路如下图所示。上电后，由于电容Ch的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。图2-4 手动复位电路示意图单片机复位后的状态： 单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表。 值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的韧始化部分是十分必要的。 说明：表中符号*为随机状态； A00H，表明累加器已被清零表2-1 51系列单片机复位各寄存器的状态表特殊功能寄存器 初始状态 特殊功能寄存器 初始状态 A 00H TMOD 00H B 00H TCON 00H PSW 00H TH0 00H SP 07H TL0 00H DPL 00H TH1 00H DPH 00H TL1 00H P0P3 FFH SBUF 不定 IP *00000B SCON 00H IE 0*00000B PCON 0*B 2.2 共阴、共阴数码管电路LED数码管是由发光二极管构成的，亦称半导体数码管。 将条状发光二极管按照共阴极(负极)或共阳极(正极)的方法连接，组成“8”字，再把发光二极管另一电极作笔段电极，就构成了LED数码管。若按规定使某些笔段上的发光二极管发光，就能显示从09的系列数字。同荧光数码管(VFD)、辉光数码管(NRT)相比，它具有：体积小、功耗低、耐震动、寿命长、亮度高、单色性好、发光响应的时间短，能与TTL、CMOS电路兼容等的数显器件。2.2.1、数码管的种类：共阴数码管: 是指数码管的输出端都接地，此时如果给输入端加高电平，那么数码管就显示。共阳数码管：是指数码管的输出端都接高电平，此时如果给输入端加低电平，那么数码管就显示。所以如果给一个数码管加高电平，数码管显示，那它就是共阴数码管，否则就是共阳的图2-5 LED数码管的结构（a）为常见的LED数码管结果（b）为共阳极数码管、（c）为共阴极数码管 如图2-5，（a）图为8段数码管的常见结构。 (b)图为共阳极8段数码管，（c）图为共阴极8段数码管。驱动(b)图中这类共阴极数码管，只需单片机发送低电平，这样数码管就会显示。而驱动（c）图中的这类共阴极数码管，只需单片机发送高电平，这样数码管就会被驱动2.2.2、数码管显示原理 ：共阴极数码管是把所有LED的阴极连接到共同接点com，而每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）。图2-6 数码管的引脚图例如，现在要显示“1”。那么就用单片机点亮“B”，“C”即可了， 下表为共阴数码管显示“0到9”的代码。表2-2数码管显示代码2.2.3、LED数码管的显示方式LED数码管显示接口电路分为：静态显示和动态显示两种（1） 静态显示接口电路 所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，常与74LS164串入并出译码器一起组合使用。如下图，就是静态显示图2-7 共阳极数码管的静态显示硬件图（2） 动态显示接口电路 单片机应用系统中常使用LED作为显示器,在需多位LED显示时,为了简化电路,降低成本,常将所有门的选线并联在一起,由一个8位I/O口控制,而共阴(阳)I/O线受控制,实现各部分时选通。这就是动态显示。如图图2-8 数码管的动态显示硬件图把数码管编译代码送数码管，想显示哪位就点亮哪位。如，想6号数码管显示数字，那么就把编码送缓冲器中，然后把6号数码管置位。用指令SETB p1.6即可。如果要连续显示几个数字，如要显示“25”.那么就可以把“2”的代码送缓冲器去，然后置位5号数码管，利用人分别频率的原理，延时1ms，然后再清楚p1.5. CLR P1.5.然后把“5”的代码送缓冲器中，点亮6号数码管，延时1ms，再清零p1.6.然后循环几百次即可。2.2.4、静态显示与动态显示的优缺点：u . 静态显示LED接口 （1）连接方法 各数码管的公共极固定接有效电平，各数码管的字形控制端分别由各自的控制信号控制。 （2）优点 LED显示亮度温度，容易调节，编程容易，工作时占用CPU时间短。 （3）缺点 若直接用单片机输出各位数码管的字形信号时，占用单片机的I/O口线较多。一般仅适用于 显示位数较少的应用场合。u 动态显示LED接口 （1）连接方法 各位数码管的字形控制端对应地并在一起，由一组I/O端口进行控制，各位的公共极相互独 立，分别由不同的I/O控制信号控制。 （2）优点 节省I/O端口线 （3）缺点 显示亮度不够稳定，影响因素较多；编程较复杂，占用CPU时间较多。u 共阴极数码管与74LS164的连接方式： 一般情况下，为了腾出更多的I/O口出来，数码管使用串行连接方式，通过引脚TXD、RXD连接到74LS164上，这样可以提高单片机芯片接口的使用效率。（图2-9为单片机与共阴极数码管的连接图）用串行口显示温度：显示步骤，首先先把数字“0”送第一个74LS164(从右到左算起)，发生完毕之后，清除串行中断标志位。然后再把“2”数字送第一个74LS164，当“2”发送完毕之后，数字“0”被送到第二个74LS164，同时串行中断标志位置位。按照以上做法，分别把“9”，“C”送第一个74LS164，然后数字“0”分别被送到第三，第四个74LS164。当“C”发生完毕之后，延时一段时间。这样人看见的就是“029C”了。图2-9 串行口显示温度2.3 温度传感器测量电路2.3.1、温度度传感器（temperature transducer）利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类 接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计 非接触式温度传感器，它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。 热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点 热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时，显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值2.3.2 DS18B20 温度传感器本公司最新推出TS-18B20数字温度传感器，该产品采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 图2-10 DS18B20实物 和 硬件图 2.3.3 DS18B20 温度传感器的结构 DS18B20的结构简图：图2-11 DS18B20的结构简图DS18B20有4个主要的数据部件：（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位 （28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用 是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。图2-12 DS18B20 测量数据结构这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20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。 例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FE6FH，-55的数字输出为FC90H。如表2-3表2-3 DS18B20测量值与温度实际温度对照 （3）DS18B20温度传感器的存储器 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL和结构寄存器。配置寄存器结构：表2-4 DS18B20配置寄存器结构 TMR1R011111低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用 户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）表2-5 DS18B20 测量数据设置 R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms 0110位187.5ms 1011位375ms 1112位750ms （4）高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如表2-6所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在 高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。对应的温度计算： 当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。表 2是对应的一部分温度值。第九个字节是 冗余检验字节。DS18B20暂存寄存器分布表2-6 DS18B20 暂寄存器地址分布2.3.4 DS18B20 与单片机的硬件连接图 图2-13 DS18B20与单片机的硬件连接图本图中有个上拉电阻。这是根据电路需要设计的，主要目的是为了防止干扰，增加电路的稳定性。假如没有上拉，时钟和数据信号容易出错，毕竟，CPU的功率有限，带很多BUS线的时候，提供高电平信号有些吃力。而一旦这些信号被负载或者干扰拉下到某个电压下，CPU无法正确地接收信息和发出指令，只能不断地复位重启。图中只需要单片机的一个引脚与DQ引脚连接即可。但是硬件的连接必然会导致软件的复杂。下一章节会谈到相关的软件编程。2.4湿度传感器（humidity transducer）测量电路湿度传感器：能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。人类的生存和社会活动与湿度密切相关。随着现代化的实现，很难找出一个与湿度无关的领域来。由于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看，同是湿度传感器，材料、结构不同，工艺不同其性能和技术指标有很大差异，因而价格也相差甚远2.4.1 湿度传感器的简介湿敏元件是最简单的湿度传感器。 湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。 湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。2.4.2 SHT10湿度传感器的简介瑞士Sensirion公司推出了SHTxx单片数字温湿度集成传感器。采用CMOS过程微加工专利技术（CMOSens technology），确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器由1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件组成，并与1个14位A/D转换器以及1个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合，使得该产品具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。图2-14 SHT10实物(1） SHT10的特点 SHT10的主要特点如下： 相对湿度和温度的测量兼有露点输出； 全部校准，数字输出； 接口简单（2-wire）,响应速度快； 超低功耗，自动休眠； 出色的长期稳定性； 超小体积（表面贴装）； 测湿精度45%RH，测温精度0.5（25）。(2) 引脚说明及接口电路u 典型应用电路图2-15 SHT10与单片机的硬件连接图u 引脚以及接口说明图2-16 SHT10湿度传感器的引脚说明图电源引脚（VDD、GND）： SHT10的供电电压为2.4V5.5V。传感器上电后，要等待11ms，从“休眠”状态恢复。在此期间不发送任何指令。电源引脚（VDD和GND）之间可增加1个100nF的电容器，用于去耦滤波。 串行接口： SHT10的两线串行接口（bidirectional 2-wire）在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容I2C总线。 串行时钟输入（SCK）。SCK引脚是MCU与SHTIO之问通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。 串行数据（DATA）。DATA引脚是1个三态门，用于MCU与SHT10之间的数据传输。DATA的状态在串行时钟SCK的下降沿之后发生改变，在SCK的上升沿有效。在数据传输期间，当SCK为高电平时，DATA数据线上必须保持稳定状态。 为避免数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。2.5蜂鸣器（speaker）、LED灯驱动电路2.5.1 蜂鸣器 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器的分类：蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型 压电式蜂鸣器：压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。2.5.2 有源蜂鸣器和无源蜂鸣器这里的“源”不是指电源。而是指震荡源。 也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫。 而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用2K5K的方波去驱动它。 有源蜂鸣器往往比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。 所以，用单片机驱动有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的方法就不同了。驱动有源蜂鸣器的方法就是直接给高、低电平。但是驱动无源蜂鸣器的方法就不同了，因为无源蜂鸣器内部没有振荡源，所以不能单纯的给无源蜂鸣器高电平，而是给“方波”驱动。所谓方波就是分别让高、低电平持续一段时间。有源蜂鸣器的驱动电路： 图2-17蜂鸣器的驱动电路当给FM一个低电平，三极管导通，在蜂鸣器的两端加上工作电压+5V，（工作电压随型号的变化而变化），蜂鸣器发声；如果再FM端输出高电平，三极管截止，蜂鸣器不发声。而对于无源蜂鸣器，这需要编程，让FM端输出方波。这样才能驱动蜂鸣器。一般用定时器T0、T1来编程或者延时程序来编程，产生方波。3、LED二极发光管的驱动。发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。图2-18发光二极管当给发光二极管的正极高电平，发光二极管发光。相反，给低电平，发光二极管熄灭。根据这个原理，可以如下设计电路。图2-19发光二极管与单片机的硬件连接图当单片机给P2.3高电平时，D1点亮，给P2.3低电平时，D1熄灭当单片机给P2.4低电平时，D2点亮，给P2.4高电平时，D2熄灭。 但是，D2较之于D1，其发光亮度更亮，因为是电源直接供电。2.6本章小结本章主要讲了51芯片、DS18B20温度传感器、SHT10湿度传感器、有源蜂鸣器、LED发光二极管、7段码数码管、74LS164芯片的工作原理、引脚的定义。然后根据本研究的对象，初步设计出了电气原理图和硬件图。图2-20系统硬件图设计第三章 室内控制系统的软件设计本章主要是针对室内控制系统的各种要求进行软件设计。针对给元器件的时序要求，如DS18B20温度传感器、SHT10湿度传感器的时序要求进行数据采集、数据处理、数据传输。3.1 常用软件介绍 3.1.1 PROTEUS的介绍Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件，它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Proteus的功能模块：u 智能原理图设计（ISIS）u 完善的电路仿真功能（Prospice）u 独特的单片机协同仿真功能（VSM）u 实用的PCB设计平台 该软件最大的特点就是把 原理图布图、代码调试、单片机与外围电路协同仿真、PCB设计 有效的结合到一起。因而在电子这个行业很受欢迎。3.1.2 Keil uVision2 的介绍Keil uVision2是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。该软件主要是开发驱动单片机的程序，可以采用汇编语言和C语言，C语言工作效率更高。3.1.3 Keil uVision2 的介绍Protel DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。Protel DXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，Protel DXP提供了全面的设计解决方案。3.2 室内系统的工作原理 该系统的工作原理如下图所示： 首先各种传感器采集数据，采集数据之后进行A/D转换，A/D转换之后送中央处理器（单片机），单片机处理数据之后，再进行D/A转换，最后控制各种执行装置。图3-1系统工作原理简图3.3针对DS18B20温度传感器的驱动编程访问DS18B20的顺序处理：u 初始化u ROM命令u DS18B20的函数命令 每一次访问DS18B20时必须遵循这一顺序，如果其中任何一步缺少或者打乱它们的顺序，DS18B20将不会响应。（1）初始化时序 所有与DS18B20的通信首先必须初始化：控制器（单片机）发出复位脉冲：先高电平，延时一小会儿，然后低电平，这段时间一般在480到960us，接着发一个高电平，等待DS18B20的响应。当DS18B20发出存在响应脉冲时，它指示控制器（单片机）该DS18B20已经在总线上并且已经做好操作准备。若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起最少要480us，复位时序见图3-2.图3-2 DS18B20复位时序 （2） 读/写时序 控制器（单片机）在写时序写数据到DS18B20，在读时序从DS18B20中读取数据，每一总线时序传送1位数据。（3） 写流程时序有两种类型的写时序：写1时序和写0时序。控制器用写“1”时序写到辑“1”到DS18B20，用写“0”时序写逻辑“0”到DS18B20.所有写时序必须持续至少60uS,每个写时序之间必须至少1uS的恢复时间。两种类型的写时序都从控制器把总线拉低开始。为产生写“1”时序，在将总线拉低后，总线控制器必须在15uS内释放总线。总线释放后，5K的上拉电阻将总线电平抬高，为写“0”时序，在将总线拉低后，控制器在整个时序内必须持续控制总线为低电平（至少60uS）。DS18B20在控制器发出写时序后的15到60uS的时间内采样总线。如果再采样窗口期间为高，“1”就被写入DS18B20；如果再采样窗口期间总线为低，“0” 就被写入DS18B20. 时序图如图3-3图3-3 DS18B 20 写“0”，写“1”时序（3） 读时序 图3-4 DS18B20 读“0”，读“1”时序图当控制器发出读时序时，DS18B20可以发送数据到控制器。所有读时序必须持续至少60uS，每个读时序之间必须至少1uS的恢复时间。读时序从控制器设备将总线拉低至少1uS后释放总线开始。控制器启动读时序后，DS18B20开始在总线上传送“1”或“0”时，DS18B20通过保持总线为高发送“1”，将总线拉低发送“0”时，DS18B20在时序结束时释放总线，总线被上拉电阻拉回到高电平空闲状态。从DS18B20输出的数据在启动读时序的下降沿后15uS内有效。因此，控制器必须在时序开始15uS内释放总线然后采样总线状态。通过读写时序，控制器可以发出控制命令，对DS18B20进行读写操作。（4） DS18B20的 ROM指令如表3-1表3-1ROM操作指令表由于本系统只涉及一个DS18B20，所以直接选用“跳过ROM”操作。但是如果数据线上有多个DS18B20，那么每次操作之前发送代码“55H”，确定选用哪个DS18B20传感器，选择完毕之后再进行其他操作。RAM的指令如表3-2表3-2 RAM操作指令表调试中，对RAM的操作包括以下几个。在“跳过ROM”之后，DS18B20继续复位，然后执行“温度转换”指令。转换之后，单片机再次复位，成功之后，执行“读暂存器”指令。这样通过DS18B20测量的温度就可以数据引脚传送到单片机里面来。根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行 复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后 释放，当DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。3.4 针对SHT10湿度传感器的驱动编程3.4.1 SHT10的通讯：（1） 启动传感器 首先，选择供电电压后将传感器通电，上电速率不能低于1V/ms。通电后传感器需要进入休眠状态，在此之前不允许对传感器发送任何命令。（2） 发送命令用一组“启动传输”时序，来完成数据传输的初始化。它包括：当SCK时钟时钟高电平的DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随后是SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。图 3-4 SHT10“启动传输”时序后续命令包括三个地址位和五个命令位。SHT10会以下述方式表示已正确地接受到指令：在第8个SCK时钟的下降沿之后，将DATA下拉为低电平。在第9个SCK时钟的下降沿之后，释放DATA（恢复高电平）表3-3 SHT10的操作指令表（3） 温湿度测量发布一组测量命令（,表示相对湿度RH，表示温度T）后，控制器要等待测量结束。这个过程大约20/80/320ms，分别对应8/12/14bit测量。确切的时间随内部晶振速度，最多可能为-30%的变化。SHT10通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。控制器在再次触发SCK时钟之前，必须等待这个“数据备委”信号来读数据。检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其他任务在需要时读出数据。接着传输2个自己的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验（可选择读取）。uC需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。所有的数据从MSB开始，右值有效(例如，对于12bit数据，从第5个SCK时钟起算作MSB；而对于8bit数据，首字节则无意义)。在收到CRC的确认之后，表示通讯结束。如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量LSB后，通过保证测量和通讯结束后，SHT10自动转入休眠模式。（4） 通讯复位时序如果与SHT10通讯中断，可以通过下列信号时序复位，当DATA保持高电平时，触发SCK时钟9次或者更多，接着发送一个“传输启动”时序。这些时序只复位串口， 寄存器内容仍然保留。图 3-5 SHT10“复位”时序SHT10测试的整个时序图：图 3-5 SHT10工作的整个时序3.4.2 SHT10的信号转换 湿度的非线性补偿可以参考图3-4，为了获得更为精确的测量数据，可以参考以下公式（1）进行信号转换，公式中的参数见表：图 3-6 SHT10湿度测量曲线由图可知，测量数据与实际湿度并非线性关系，因此采样线性补偿和优化的方式来算出实际湿度，可以参考以下公式。RH=C + CSO +CSO -（式1） 表 3-4 C1、C2、C3的参数湿度信号的温度补偿由于实际温度与测量参考温度25的显著不同，湿度信号需要温度的补偿。湿度校正粗略对应于0.12% RH50%RH，温度补偿系数可以参考表-（式2）对应的软件设计在编写的程序中集中体现3.5 本章小结本章主要根据DS18B20温度传感器、SHT10湿度传感器的操作顺序，时序图进行软件设计。分别编写复位程序、数据采集程序、数据传送程序、数据处理程序、数据显示程序、高温/低温报警程序、高湿度/低湿度报警程序、蜂鸣器驱动程序。以上的程序是通过汇编语言实现的，所以编写程序的时候比较复杂繁琐，特别是编写湿度数据处理程序的时候。第四章 室内控制系统的参数设置与优化调节本章主要介绍如何根据季节的变化设置适合的参数，即在春夏秋冬这四个季节不同的季节，设置不同的高、低温度以及高、低湿度。还有就是调试过程中