室内环境智能调节系统设计(哈尔滨工程大学学士学位论文)

1、 学 号 2010041106 密 级 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院（系） 名 称： 自动化学院 专 业 名 称： 自动化 学 生 姓 名： 钱磊 指 导 教 师： 吕淑平教授 孙 伟讲师哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学20142014 年 6 6 月室内环境智能调节系统设计钱磊哈尔滨工程大学学 号 2010041106 密 级 室内环境智能调节系统设计Indoor environment intelligent control system design 学学 生生 姓姓 名：钱磊名：钱磊 院院 （系）：自动化学院（系）：自动化学院 专专 业：自动化业：自动化 指指 导导

2、 教教 师：吕淑平师：吕淑平 孙伟孙伟 职职 称：教授称：教授 讲师讲师 所所 在在 单单 位：哈尔滨工程大学位：哈尔滨工程大学 论文提交日期：论文提交日期：2014 年年 6 月月 15 日日 论文答辩日期：论文答辩日期：2014 年年 6 月月 20 日日 学位授予单位：哈尔滨工程大学学位授予单位：哈尔滨工程大学摘 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

3、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D

4、S18B20。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；

5、湿度传感器；光敏电阻哈尔滨工程大学学士学位论文IABSTRACTAlong 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

6、, 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, li

7、ght 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

8、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, hum

9、idity 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 detec

10、tion.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 t

11、he 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 res

12、ults 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哈尔滨工程大学学士学位论文II目 录第 1 章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 室内环境智能调节系统研究现状11.3 设计任务与要求31.4 论文主要工作3第 2 章 系统总体设计42.1 系统功

13、能分析与结构框图42.1.1 系统功能分析42.1.2 系统结构框图42.2 系统各部分的分析与选型52.2.1 控制器选择52.2.2 温度检测电路选择52.2.3 湿度检测电路选择62.2.4 光照强度检测电路选择62.2.5 显示电路选择72.2.6 报警电路与键盘电路选择72.2.7 执行器部分介绍72.3 本章小结7第 3 章 系统硬件电路设计93.1 系统硬件电路设计概述93.2 微控制器93.2.1 英飞凌 XC878 简介93.2.2 英飞凌 XC878 主要特性总结103.2.3 英飞凌 XC878 引脚功能介绍113.2.4 系统引脚113.3 温度检测电路123.3.1

14、数字式温度传感器 DS18B20 简介123.3.2 温度检测电路设计13室内环境智能调节系统设计III3.4 湿度检测电路133.4.1 湿度传感器 HS1101 简介133.4.2 NE555 简介 153.4.3 湿度检测电路设计153.5 光照强度检测电路163.5.1 光敏电阻主要特性及参数163.5.2 光照强度检测电路设计173.6 报警电路与键盘173.6.1 报警电路设计173.6.2 矩阵键盘电路设计183.7 显示电路设计183.7.1 LCD1602 简介183.7.2 LCD1602 显示电路设计213.8 本章小结21第 4 章 系统软件程序设计244.1 系统软件

15、总体设计244.2 系统初始化方法264.2.1 I/O 端口设置 264.2.2 T0/1 定时器设置284.2.3 ADC 转换单元304.3 温度检测电路软件设计思路334.4 湿度检测电路软件设计思路354.5 光照强度检测电路软件设计思路374.6 报警电路程序设计384.7 键盘扫描程序384.7.1 键盘扫描程序384.7.2 键盘输入上下限程序404.8 液晶显示程序424.9 本章小结42第 5 章 系统软硬件调试455.1 系统硬件调试45哈尔滨工程大学学士学位论文IV5.2 系统软件调试465.3 系统调试过程中的问题与解决方案465.4 本章小结48结 论49参考文献5

16、0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 哈尔滨工程大学学士学位论文0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

17、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

18、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

19、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第 1 章 绪论1调节器、湿度调节器、光找强度调节器、室内空气净化器以及

20、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

21、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

22、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。哈尔滨工程大学学士学位论文21.3 设计任务与要求本此设计的任务

23、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

24、、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

25、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。第 2 章 系统总体设计33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

26、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 系统结构框图哈尔滨工程大学学士学位论文4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

27、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

28、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

29、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，-1085，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，不需要外接模数转第 2 章 系统总体设计35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

30、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

31、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2RH13。这种传感器的量程为 199RH，适合在-40100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：

32、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。哈尔滨工程大学学士学位论文6方案二：采用光

33、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

34、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

35、 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。第 2 章 系统总体设计37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

36、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。哈尔滨工程大学学士学位论文8第 3 章 系统硬件电路设计39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

37、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

38、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（闪存）存储器提供编程以及消除保护以防数据遭到意外的损坏。Flash 结构支持在应用编程（IAP） ，在程序执行期间允许用户程序修改 Flash 的内容16。在 Boot ROM 中的引导程序的加载（BSL）下可以实现在系统编程（ISP） ，通过外部主机（如 PC）对嵌入式 Flash 方便的编程或擦除。其它主要特性包括：捕获/比较单元 6（

39、CCU6） ，产生电机控制专用的脉宽调制信号；10 位模拟数字转换器（ADC） ，拥有自动扫描和结果累加（用于抗混迭滤波或结果平均）等拓展功能16；乘法/除法单元（MDU） ，支持 XC800 内核用于需要大量数学运算的高级电机控制（如磁场定向控制）16；CORDIC（坐标旋转数字计算机）协处理器，可以支持三角函数、线性或双曲函数的计算以实现向量旋转和转换16；片上调试支持（OCDS）单元，提供基于 XC800 系统进行软件开发与调试所需的基本功能16。哈尔滨工程大学学士学位论文103.2.2 英飞凌XC878主要特性总结1、高性能 XC800 内核：（1）和标准 8051 单片机兼容。（2）

40、2 个时钟的机器周期结构。（3）双数据指针。2、片内存储器：（1）8 KB BOOT ROM 。（2）256 B RAM 。（3）3 KB XRAM 。（4）52/64 KB FLASH，用于存放程序代码和数据。3、I/O 口 3.3V 或 5.0V 供电，而单片机芯片内部核心的逻辑电路由 2.5V 的电压源供电16。4、上电复位产生。5、内核电压压降检测。6、片内振荡器（OSC）和锁相环（PLL）产生时钟16。 时钟丢失检测。7、省电模式：（1）低速模式。（2）空闲模式。（3）掉电模式，可以用 RXD 或 EXINT0 来唤醒系统16。8、五个端口：40 个 I/O 管脚（5 个 8 位 I

41、/O 端口） 。9、8 通道、10 位模数转换单元（ADC）16。10、四个 16 位定时器：（1）定时器 T0 和定时器 T1（T0 和 T1） 。（2）定时器 T2 和定时器 T21（T2 和 T21） 。11、专门用于算术运算的乘法/除法单元（MDU）16。12、CORDIC（坐标旋转数字计算机）协处理器，可以支持三角函数、双曲和线性函数计算16。13、两个捕获/比较单元第 3 章 系统硬件电路设计311（1）可以发出 PWM 信号（脉宽调制）的 CCU6。（2）可以发出不同数字信号的 T2CCU。14、同步串行通道（SSC） 。 15、PG-LQFP-64 引脚封装。16、温度范围 T

42、A：（1）SAF（40 85 C） 。（2）SAX（40 105 C） 。3.2.3 英飞凌 XC878 引脚功能介绍英飞凌 XC878 有五个双向 I/O 口 P0、P1、P3、P4、P5。P0 口是 8 位通用双向 I/O 端口，还能够作为 JTAG、CCU6、UART、UART1、T2CCU、T21、MultiCAN、SSC 以及外部接口的功能引脚。P1 口是 8 位通用双向 I/O 端口，还能够作为 JTAG、CCU6、UART、T0、T1、T2CCU、T21、MultiCAN、SSC 以及外部接口的功能引脚。P3 口是 8 位通用双向 I/O 端口，还能够作为 CCU6、UART1、

43、T2CCU、T21、MultiCAN 以及外部接口的功能引脚16。P4 口是 8 位通用双向 I/O 端口，还能够作为 CCU6、T0、T1、T2CCU、T21、MultiCAN 以及外部接口的功能引脚16。P5 口是 8 位通用双向 I/O 端口，还能够作为 UART、UART1、T2CCU、JTAG 以及外部接口的功能引脚16。英飞凌 XC878 有 AN0AN7 引脚 ，8 个专用的输入通道，可以作为 AD 的输入通道。3.2.4 系统引脚英飞凌 XC878 单片机引脚图见图 3.1，该芯片共有 64 个引脚，其中包括 40 个 I/O口（P0、P1、P3、P4、P5） ，8 个 AD

44、转换通道（AN0AN7）哈尔滨工程大学学士学位论文12 图 3.1 英飞凌引脚图3.3 温度检测电路3.3.1 数字式温度传感器DS18B20简介1、DS18B20的特点DS18B20 和英飞凌单片机 XC878 之间只要一条接口线就可以实现英飞凌单片机和DS18B20 之间的双向通信。温度传感器 DS18B20 温度测量范围为-55+125，温度测量误差为 0.510。多个 DS18B20 可以并联在数据接口线 DQ 上，最多可并联 8 个10。而温度传感器的测温结果以 912 位的数字量方式串行传输到英飞凌 XC878 单片机 P3_3 端口中。2、温度传感器DS18B20温度的转换以 1

45、2 位转化为例：以 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17。 表 3.1 DS18B20 温度值格式表Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0LS Byte322212021-22-23-24-2Bit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8MS Byte SSSSS625242第 3 章 系统硬件电路设计13表格 3.1 中是 12 位转化后得到的 12 位二进制数据，保存于温度传感器 DS18B20的两个 8 bit 的 RAM （CGRAM 和 DDRAM）里面18。该 1

46、2 位二进制数据的前面 5位为符号位，若这 5 位二进制数全为 0，则测量所得的温度值大于 0，只须把测量所得的数值乘 0.0625 就可以算出实际的温度值；若这 5 位二进制数全为 1，那么测量所得到的温度值小于 0，把测量得到的数值取反后加 1 再乘 0.0625 就可以算出实际的温度值18。比方说+125的 12 位二进制数据是 07D0H，+25.0625的 12 位二进制数据是0191H，-25.0625的 12 位二进制数据是 FF6FH，-55的 12 位二进制数据是 FC90H。3.3.2 温度检测电路设计如图 3.2 的接线方法属于外部电源供电法，这种接线方法与其他接线方法相

47、比具有抵抗干扰的能力强，并且硬件电路接线简单，使用方便，同时可以并联多个温度传感器设计实现多点温度检控，工作稳定性强，比单点温度检测更接近室内真实温度等特点，是温度传感器的最好的工作模式。 图 3.2 温度检测电路图3.4 湿度检测电路3.4.1 湿度传感器 HS1101 简介湿度传感器 HS1101 基于独特的工艺设计的电容元件，它属于相对湿度传感器元 件，可以量产，广泛应用于有关空气质量检测的各个领域。HS1101 有全互换特性，且工作在标准环境下不需要进行校正；可以自动化焊接；快速反应时间；可以应用在线哈尔滨工程大学学士学位论文14性电压或频率输出回路；固态聚合物结构等有特点。相对湿度在

48、 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2RH13。这种传感器的量程为 199RH，适合在-40100的温度下工作，温度对传感器的输出受影响不大，响应时间小于 5s，测量精度较高13。HS1101 的湿度电容响应曲线如下图： 图 3.3 电容湿度响应曲线湿度检测电路可以将由湿度的不同引起的电容变化量转变为英飞凌 XC878 单片机容易直接接收的数字信号。具体有两种方法：一种是将湿度传感器 HS1101 元件放在由运算放大器和电容电阻组成的桥式振荡电路中，该电路在传感器电容变化时产生的正弦电压信号经整流、放大、AD 转换为数字信号；另一种是

49、由湿度传感器 HS1101 与NE555 集成芯片组成的振荡电路，湿度传感器 HS1101 在电路中充当振荡电容。由于湿度传感器 HS1101 的电容随测量的相对湿度的呈正比变化，因此在电路中振荡电容增加，会使电路产生的频率减小，从而实现湿度的测量。本文选用第二种方案，该方案电路简单，经振荡电路后直接与单片机通信，不需繁琐的信号处理、转换过程，在软件编程过程中也容易得多。 表 3.2 电压频率与空气湿度湿度/%RH01020304050频率/Hz735072257102696668506733湿度/%RH5060708090100频率/Hz672766016466632861906029频率与

50、湿度的响应曲线如图 3.4：第 3 章 系统硬件电路设计15 图 3.4 空气湿度与电压频率响应曲线3.4.2 NE555 简介NE555 是一种运用极其广泛的数字-模拟混合集成电路芯片，利用它构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器19。由于使用灵活、方便，所以在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多电子产品、电路设计都有它的身影，NE555 的作用是通过它集成在里面的定时器构成时基电路，给其他电路提供时钟脉冲19。引脚图如图 3.5 所示。3.4.3 湿度检测电路设计湿度传感器充当电容元件接在 NE555 芯片的 2、5 引脚之间，组成振荡电路。通过使湿度传感器 HS11

51、01 充电放电周期循环，在 3 脚处形成方波。引脚 3 输出高电平的时间（CX为 HS1101 的电容）： XCR41R693. 0TH （3-1）输出低电平的时间： XCR1693. 0TL （3-2）由此可知输出方波频率为 XLHCRRTTf41244. 11 （3-3） 哈尔滨工程大学学士学位论文16 R4DC7Q3GND1VCC8TR2TH6CV5U1NE555R1576kR2909kR31kR449.9kHS1101P4.5 图 3.5 湿度检测电路图3.5 光照强度检测电路3.5.1 光敏电阻主要特性及参数光敏电阻经常被使用在光照强度的检测、光照强度的控制以及光信号与电信号的转换。

52、其主要参数及特性如下：1、光电流、亮电阻光敏电阻在一定的外加电压下，当有光照射的时候，由光照产生的载流子再外加电压的作用下向电压源正极漂移运动，与之相对应的空穴向电源负极漂移运动，使光敏电阻电导增加，电阻减小。此时光敏电阻上通过的电流为光电流，此时光敏电阻的阻值即外加电压与光电流之比称为亮电阻，经常用“100LX”表示20。2、暗电流、暗电阻光敏电阻在一定的外加电压下，当无光照时，受光照激发产生的空穴-电子对重新组合，电阻恢复原来的数值，此时光敏电阻上流过的电流为暗电流，此时光敏电阻的阻值即外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示20。3、灵敏度灵敏度是指光敏电阻在没有光照时的电阻值

53、（暗）与有光照时的电阻值（亮）的相对变化值20。4、光照特性光照特性是指光敏电阻的输出电信号随着外界光照强度的改变而改变20。通过其光照特性曲线可以知道，伴随着光照强度的提高，其阻值首先快速下降。如果继续增加外界的光照强度，那么电阻的变化幅度将会减小，然后慢慢的趋于平缓。在大多数第 3 章 系统硬件电路设计17情况下，光照特性为非线性20。5、伏安特性曲线伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流之间的关系，光敏电阻的光电流与外加电压呈正比变化20。6、温度系数 光敏电阻的光电效应受温度影响较大20。3.5.2 光照强度检测电路设计光照强度检测电路图见图 3.6，设光敏电阻阻值为 R0，电

54、压为 5V,滑动变阻器阻值为 R521。 VRRRRUA470023504054 (3-4) 图 3.6 中的运放电路为同相比例放大电路，故 ACURRRU3521 (3-5)因而，随光照强度的不断提高，检测电路输出的电压也提高。 图 3.6 光照强度检测电路图3.6 报警电路与键盘3.6.1 报警电路设计报警电路见图 3.7，图中的三极晶体管 PNP9012，PNP 型晶体管用 EB 的电流 IB控制 EC 的电流 IC。当 B 为高电平时，三极管导通，蜂鸣器通电，开始工作。哈尔滨工程大学学士学位论文18图 3.7 报警电路图3.6.2 矩阵键盘电路设计键盘为 4*4 矩阵键盘，键盘读书采用

55、扫描法，端口使用 P1 口，P1.0P1.3 为行线，P1.4P1.7 为列线。扫描时，先给 P1 口赋值：例如扫描第 1 行时 P1=0 xFE，使P1.0=0；然后扫描 P1.4P1.7，当 P1.4P1.7 中有 0 值存在，说明有键按下，根据具体数字可以判断是那个键按下。 图 3.8 键盘电路3.7 显示电路设计3.7.1 LCD1602 简介1、LCD1602 的引脚第 1 脚：Vss 为 LCD1602 的电源地。蜂鸣器BUZZER9012PNPR14.7kP3_4第 3 章 系统硬件电路设计19第 2 脚：Vcc 为 LCD1602 的电源（+5V） 。第 3 脚：Vee 为液晶

56、屏 LCD1602 的对比调整电压，一般连接一个滑动变阻器，通过调整其阻值来调节对比度。第 4 脚：RS 为寄存器选择端，RS=0 输入指令；RS=1 输入数据。第 5 脚：R/W 为读写信号选择端，R/W=0 向 LCD 写入指令或数据；R/W=1 从LCD 读取信息。第 6 脚：E 为 LCD1602 的使能端，其作用是使能信号，E=1 时读取液晶屏信息，E 为下降沿时执行指令，本系统只用到 LCD1602 的写入数据/指令的功能，因此，使能端为下降沿。第 714 脚：D0D7 为 8 为 LCD1602 的双向数据端，本系统 只用到 LCD1602 写入指令或数据的功能，故而 D0D7

57、为数据输入端。第 1516 脚：是空脚或是 LCD1602 的背光电源，第 15 脚是背光正极，第 16 脚是背光负极，第 15 脚和第 16 脚可接可不接。 2、LCD1602 操作指令 （1）清屏指令 表 3.3 清屏指令编码指令编码执行时间指令功能rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db0/ms清屏00000000011.64 该指令功能有：清除液晶屏所有内容；光标归位；将地址计数器的值设为 015。（2）光标归位指令 表 3.4 光标归位指令编码指令编码执行时间指令功能 rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db0/ms清屏 000000001X1.64

58、该指令功能有：光标撤回显示屏左上角15；地址计数器的值设置为 0；保持DDRAM 中的内容不变。（3）进入模式设置指令 表 3.5 进入模式设置指令编码指令编码执行时间指令功能rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db0/us清屏00000001I/DS40哈尔滨工程大学学士学位论文20该指令功能为：设定每输入 1 位数据后的光标移动方向，且设定每次写入的一个字符是否移动15。 表 3.6 参数设定表位名设置状态 0 1I/D光标左移光标右移S显示屏不移动显示屏整体右移一字符（4）显示开关控制指令表 3.7 显示开关控制指令编码指令编码执行时间指令功能rsr/wdb7db6db5

59、db4db3db2db1db0/us清屏0000001DCB40 该指令功能为控制显示器开或者关、光标显示或者关闭以及光标是否闪烁15。表 3.8 参数设定表位名设置状态01D显示功能管显示功能开C无光标有光标B光标闪烁光标不闪烁（5）设定显示屏或光标移动方向指令表 3.9 设定显示屏或光标移动方向指令编码指令编码执行时间指令功能rsr/wdb7db6db5db4db3db2db1db0/us清屏000001S/CR/LXX40该指令的功能为：光标移位或者显示屏移位。表 3.10 参数设定表S/CR/L设定情况00光标左移1格并且 ac 值减去101光标右移1格并且 ac 值加上110显示器所

60、有字符左移1格，但光标不动11显示器所有字符右移1格，但光标不动（6）功能设定指令第 3 章 系统硬件电路设计21表 3.11 功能设定指令编码指令编码执行时间指令功能rsr/wdb7db6db5db4db3db2Db1db0/us清屏00001DLNFXX40该指令功能为：设定数据总线位数、显示器的行数、字体型状15。 表 3.12 参数设定表位名设置状态01DL数据总线4位数据总线8位N显示1行显示2行F5*7点阵5*10点阵（7）设定 CGRAM 地址指令表 3.13 设定 CGRAM 地址指令 指令编码执行时间指令功能RSR/WDb7Db6Db5Db4Db3Db2Db1Db0/us清屏