基于单片机的室内环境智能调节系统设计10000字论文

基于单片机的室内环境智能调节系统设计随着科学技术水平的发展与进步，人们对家居环境的舒适度和安全性有了更高的要求。开发一款能够监测室内环境参数并进行自动调整，能够监测室内火灾危险情况并分析预警的智能装置，具有十分重要的实用价值。本文主要设计了一套面向智能家居的室内环境调节遥控装置，通过装置整体方案的设计，硬件模块的设计，各硬件功能模块的设计及连接交互实现，以及对客户端的功能流程进行设计以及编码，实现了室内环境调节遥控装置。该装置能够通过手机及硬件装置对室内环境进行调节，室内监测参数通过LCD显示器进行显示；同时能够采集室内烟雾浓度信息并进行实时分析预警；能够对室内光照及温湿度进行监测并进行自动调整。经过软硬件调试，该室内环境调节遥控装置实现了设计功能，满足了室内环境的智能调关键词：智能家居；单片机；温湿度；室内环境调节 I 41.1课题设计背景以及设计意义 41.2国内外研究现状 51.2.1国外研究现状 51.2.2国内研究现状 51.3论文主要设计内容 62整体方案设计 72.1系统的设计思路 72.2系统总体设计框图 72.3本章小结 83系统整体硬件电路设计 93.1单片机电路设计 93.1.1STC89C52单片机介绍 93.1.2单片机最小系统电路设计 93.2液晶显示器电路设计 3.2.1LCD1602液晶显示器 3.2.2液晶显示器电路设计 3.3温湿度的采集 3.3.1DHT11温湿度传感器 3.3.2DHT11电路图的设计 3.4MQ-2烟雾浓度传感器 3.5光照强度检测模块 3.8继电器 3.8.1继电器的作用 3.8.2继电器在家居环境调节中的用途 3.9本章小结 4主程序设计 4.1整体设计流程图 4.2DHT11温湿度子程序设计流程图 4.3WIFI模块流程图 4.4光照以及烟雾浓度模块流程图 20 5.1硬件组装调试 215.1.1连接测试 5.1.2光照及烟雾浓度及温湿度采集模块测试 5.1.3WiFi模块测试 4随着软硬件技术的不断发展，目前单片机控制器作为系统核心处理装置，已经在各类场景中得到了大量的应用，并且使用其设计的产品已经遍布生产生活的各个方面，比如城市交通信号灯控制装置，工厂流水线控制中心，健康电子设备控制装置，住宅电梯控制装置等等[1]。单片机技术的发展和应用为我们的生活提供了很多便利。随着科学技术的快速发展与进步，相比生活质量的提升，人们更加注重生活舒适性的提升，因此人们对于家居环境的舒适度以及安全性有了更高的要求。目前市面上所售卖的各种智能家居控制系统功能较多，操作上也存在着较大的差异。目前能够满足人们基本需求的智能家居室内环境调节系统较少，并且有的智能家居室内环境调节系统，仅能实现某一方面的功能，例如对环境当中的光照强度进行控制，对环境当中的温湿度进行检测控制，对烟雾浓度超标或者发生火灾时进行报警等等，在对这些智能家居在进行控制的时候，由于其功能较为单一，因此在进行互联的时候较为复杂，并且兼容性较差，难以得到有效的整合2且市面上智能家居控制系统价格昂贵，普通消费者难以承受。在未来的设计当中，更加便捷以及功能更加完善的智能家居设备将会越来越受到人们的青睐。近几年随着无线通信技术的快速发展与应用，无线遥控产品种类越来越多，通过无线通信技术实现设备的远程连接，可以极大的提高相关设备的安全性，并且在后期进行联网控制的时候，能够使用统一的远程管理终端，也能够进行数据的实时连接控制。本设计的重要性在于采用了远程遥控的思路来实现对智能家居环境的调节控制，在现有的智能家居环境调节系统上更好地实现了人机互动，能够让家居环境按照人们的意愿实时调整，在提高家居环境舒适度的同时也最大程度的降低了能源消耗。在设计的过程中，完成了装置的硬件选型、电路设计、软件设计、程序编写以及实物安装调试，相较于现有的研究设计，本设计的设计过程相对比较系统化，装置的使用性能也相对更具有优势。本设计能够通过手机APP实现远程操作13-51,对光照强度、温湿度以及烟雾浓度进51.2国内外研究现状近年来，由于巨大的市场潜力，越来越多的大型国际科技公司将目光投向了的智及控制窗帘、安全防控以及其它场景控制功能。德国西门子公司SieNeur个品类超过20款智能硬件产品，通过手机APP和云端后台提供功能服务。日本在很多年前便开始研发能够实现统一管理的智能家居设备，并且在设计智能家居的过程当中提出了一系列的标准，并引出了家庭总线控制这一技术，该种技术能够在小区当中多个家庭户当中进行使用，能够接受大量的数据信息，为建设智能化小区提供了大力的支持。这种控制方式可以极大的保证人们的使用需求，在进行设计的我国智能家居行业在进行发展的过程当中主要是经历了三个阶段，第一阶段就是2007年以前的互联网阶段，该阶段主要是由国内的相关科研机构对安防控制系统进行该联盟使智能安防设备开始进入到家庭当中。第二阶段是2007年至2012年，该阶段主要是属于移动互联网时代，中国的互联网领域开始进入快速发展，2010年TCL研制了中国第1台基于Android的智能互联网电视131,2012年海尔发起了成立中国智能家居产业联盟的口号。第三阶段则是从2012年开始的物联网时代，在国家政策扶持下，国内大部分的科技公司便开始纷纷进入到智能家居行业当中，使得整个智能家居控制系统在发展的时候呈现较为迅猛的态势，基于各种控制系统特别是语音控制系统的智能家居控制系统层出不穷，越来越多的智能产品开始融入到普通的家庭生活当中各有建树。比如格力电器在2019年中国家电及消费电子博览会展示了格力公司在智能6家居领域的发展成果，以集成化的系统打造了现代智能家居智能化、健康化、绿色化的1.3论文主要设计内容面向智能家居系统的智能调节遥控装置系统，对其实现主要结合单片机技术、传感器数据采集技术和物联网通信技术等，通过系统整体方案的设计实现各种所需的功能。本文主要分为6个章节：第一章分析了系统的设计背景和设计意义，介绍了国内外相关技术和应用系统的研究现状，表明了设计该系统的重要性以及目的。第二章分析了系统的整体方案，并且对该系统的设计思路和整体的设计框图进行了介绍。第三章设计分析了整个系统的硬件组成部分，同时对于各个部分的模块化进行设第四章分析了整个系统的软件部分，主要包含主程序整体设计部分以及各个模块的软件设计部分。第五章介绍了硬件系统部分以及软件系统部分的调试过程。第六章总结了全文，并对下一步工作进行了展望。7本次毕业设计，主要通过外部的传感器检测环境当中的各种参数信息，对室内影分析室内烟雾浓度数值，从而判断室内火灾情况。为了提高遥控装置的可操作性和交互性，采用液晶显示器进行实时显示数据信息，并利用WiFi通信模块来进行数据的远控装置进行控制，来调节室内各监测参数。2.2系统总体设计框图对该系统进行整体硬件以及软件系统设计的时候，需要按照设计的思路来进行绘制硬件设计框图。整体硬件设计如图2-1所示：图2-1整体硬件设计传感器模块的数据信息进行解析，同时也能够通过模数转换进行采集外部的烟雾浓度状况以及光照信息状况，并且还能够利用按键来进行输入相应的阈值范围，在处理的过程当中接收到上述输入信号之后进行数据判断，同时对控制结果进行输出，外部设当前环境的烟雾浓度，并且能够将该烟雾浓度的信息进行电路的转换，通过电路方面的设计控制系统进行输出。8(3)DHT11温湿度模块：该温湿度传感器能够通过内部的采集电路，对环境当中的温度以及湿度进行实时转换，将其转化为相应的数字信息进行控制输出，利用单片机进行处理任务，完成环境当中温度以及湿度的采集功能。(4)ADC0832模数模块：由于单片机控制器不具备模数转换功能，因此在采集模拟电压的时候，需要借助相应的模数转换模块，所使用的模数转换模块为ADC0832,该模数转换模块能够同时转换两路模拟电压，使其能够转化为单片机可以识别的数字电压信号，以便进行读取。(5)LCD1602液晶显示器：LCD1602显示器所起到的主要作用是能够进行人机交互，将采集到的温度湿度以及烟雾浓度信息和光照数值信息进行实时显示，也能够显示阈(6)WIFI通信模块：为了能够实现数据的远程传送，因此需要利用WiFi通信模块进行数据上传。该模块能够将该单片机控制系统与手机建立起数据连接，完成数据的传送。本章主要介绍了整个系统的基本设计思路，设计了总体的设计框图，对硬件框图的组成部分进行了功能分析。93.1.1STC89C52单片机的介绍STC89C52单片机处理器属于八位型单片机处理器，该单片机的内部具有一个8K字节大小的flash存储空间。既可以利用该存储空间来进行程序的存储，又可以对计算过程当中输出的数据结果来进行保存。该单片机在进行生产的过程当中，主要采用了CMOS的生产工艺。利用该生产工艺生产的单片机处理器，不仅可以大大缩小单片机的体积，还可以在很大程度上降低单片机的功耗，提高单片机的性能。STC89C52单片机实物图如图3-1所示：3.1.2单片机的最小系统电路设计在单片机处理器进行设计的时候，为了使STC89C52单片机可以进行程序的运行，则需要对单片机进行外部电路焊接处理。能够使单片机进行工作的最精简电路被称为单片机最小系统电路，单片机的最小系统电路主要有两种，分别是单片机时钟电路和单片机复位电路。以下是对这两种电路的介绍。(1)单片机复位电路复位电路在整体硬件电路的结构上，主要由按键，电阻以及电容来构成。它的工作原理是当按下复位电路当中的按键时，单片机的复位引脚会连接到高电平信号上。当高电平信号持续两个单片机周期时，会自动进行复位的相关操作，让单片机进行重新启动。(2)单片机时钟电路单片机时钟电路的主要功能是能够在进行设计的时候为单片机运行提供频率信号。该部分电路主要是由按键电阻以及电容所构成的。所选择的晶振大小为11.0592MHz,电容大小为22pf,晶振可以在通电的时候产生振荡信号，电容可以为振荡信号提供并联谐振回路。单片机最小系统电路原理图如图3-2所示：芒芒串口下载接口NTP3.2恶3.2液晶显示器3.2.1LCD1602液晶显示器的介绍LCD1602液晶显示器可以将数据信息分为两行进行显示，总共能够显示32个字时还包含数字。在多个应用场景当中都得到了广泛的应用，在一些小型设备当中也开始使用这款液晶显示装置。使用该液晶显示器时，由于该液晶显示器可以使用对比度实物图如图3-3所示。3.2.2液晶显示器的电路设计通过上网查阅相关资料，得知LCD1602液晶显示器一共有16个引脚，它的功能电压为5V,在与单片机进行连接的时候并且与单片机进行数据通信的时候，必须将各引脚的功能了解清楚，更好的设计其电路。LCD1602液晶显示器的第3号引脚需要外接相关电位器，以便用来实时调节它的对比度，它的第1号引脚第16号引脚需要进行电路的连接设计，因此需要连接电源的负极，它的第2号引脚和第15号引脚，则需要连接电源的正极。液晶显示器电路图如图3-4所示。3.3温湿度的采集为了能够采集室内环境的温度以及湿度状况，需要利用相应的传感器装置。经过选型，所使用的传感器为DHT11温湿度传感器。该温湿度传感器属于一种能够进行数字校准的传感器输出装置，在采集温度以及湿度的过程中模块内部具有较高的精准度和极高的可靠性，同时能够长时间稳定性的进行工作，在模块的内部有一个电阻式感湿元器件以及NTC测温元器件，并且这两个传感器与内部的一个高性能8位单片机进大范围的使用，DHT11温湿度传感器实物图如图3-5所示。度传感器能够实现远距离数据的传输，如果数据数据线大于20米，则应该外接上拉电在火灾发生的时候，往往会伴随产生大量的烟雾，因此系统需要对生成的烟雾进行实时采集处理。采集烟雾浓度所选用的传感器为MQ-2烟雾浓度传感器，该烟雾浓度传感器能够实时采集当前环境当中的相关的烟雾浓度信息，并且将得到的烟雾浓度信息转化为电信号进行输出，利用相应的电路进行处理之后便能够得到烟雾浓度状况，其输出的模拟电压信号与烟雾浓度之间呈正比例关系。烟雾浓度传感器电路设计原理图如图3-7所示。光照强度模块是一种利用光敏作为感光元器件的传感器单元，该模块在进行工作的时候，光敏电阻的相关数值会随着光照强度的变化产生一定的改变，利用其内部电阻的电路设计，将输出电压的信号通过电压信号来进行一定的判断处理。STC89C52单片机采集模拟电压数值，将其转换为相应的光照强度，利用模拟电压信号来判断当前环境的光照情况。光敏电阻电路设计原理图如图3-8所示。3.6报警模块的设计在该系统执行工作的过程当中，如果检测到当前环境有大量烟雾浓度产生时，可能会有火灾发生，此时则需要报警。经过综合选择后，决定该系统的报警单元为峰鸣器。在使用蜂鸣器的时候，它的驱动形式上主要分为两种，分别是有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，为了能够使设计变得更加简单，在本次设计选择了有源蜂鸣器。在单片机进行驱动的时候，由于它的驱动能力较弱，输出电流较低，为了可以使蜂鸣器得以正常工作，因此需要使用三极管放大电路。三极管放大电路主要是由三极管限流电阻构成。蜂鸣器电路设计原理图如图3.9所示。3.7ESP8266WIFI模块的设计Esp8266WIFI模块是一款物联网型专用通信模块，它可以与单片机之间进行串口通信。在进行相关的数据传输时，主要利用AT指令进行模式的设置，已经数据的传输，该模块应用范围较广，能够应用在智能家居以及智能型物联网当中。单片机模块模式设置分为STA,AP两种模式，可以与云终端进行数据连接，访问远程服务器，进而实现远程控制的目的。该模块具备超低功耗的特点，能够在长时间的运行过程中始终保持稳定的性能，适合于较为复杂的工业环境中。在电路设计时，该模块主要与51单片机的串口进行连接。Esp8266WiFi模块电路原理图如图3-10所示。3.8继电器继电器是一种具有隔离功能的自动开关元件，它广泛应用于通讯、遥测、遥控、机电一体化、自动控制以及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一，它通常应用于自动控制电路中。它实际上是一种用较小的电流去控制较大的电流的“自动开关”。在电路中起着安全保护、转换电路、自动调节等作用。继电器在本次硬件设计中作为开关来控制外部设备工作，通过手机APP下发“11,22,33,44”等指令控制继电器的打开与关闭，图3-11为继电器实物图。3.8.2继电器在家居环境调节中的用途在家居环境调节中，继电器可用于家用空调，加湿器，窗帘等。(1)家用空调上的继电器主要用于控制板对压缩机的启停控制①开启制冷模式时，当室内温度低于或等于设定温度，传感器会让继电器停止工作，不在制冷；当室内温度超过设定温度，传感器会让继电器开始空调的制冷动作。②开启制热模式时，当室内温度低于或等于设定温度，传感器会让继电器停止工作不在制冷；当室内温度超过设定温度，传感器会让继电器开始空调的制热动作。而对于监控和延时等功能大部分是由电路板的逻辑进行控制。此外，继电器在空调电路中起到隔离作用、使低压和高压隔离，可控硅也可以开关负载但它不能隔离。也可以把小的驱动电压变成可以启动更大电流的开关。(2)加湿器中的继电器主要用与控制加湿器的启停控制①当湿度值超过或等于设定值，传感器会让继电器停止工作，不再对空气加湿。②当湿度低于设定湿度值，传感器会让继电器驱动加湿器工作，对空气加湿。(3)窗帘中的继电器主要用于控制窗帘的开关控制①当光照强度超过肉眼所能接受的程度，传感器会让继电器关闭窗帘。②当光照强度符合肉眼所能接受的程度，传感器会让继电器打开窗帘。3.9本章小结本章主要对面向智能家居的室内环境调节遥控装置使用的单片机及其外围硬件模块进行介绍，给出了电路图设计方案。本次设计使用STC89C52进行开发，涉及的硬件模块主要有温湿度监测模块、LCD显示器模块、WIFI连接模块、MQ-2烟雾监测模块和继电器模块。4主程序设计进行温度以及湿度的采集，同时进行烟雾浓度和光照的采集，系统分析环境数据并进行判断：如果系统当中采集到烟雾浓度超标时进行蜂鸣器报警，当光照较弱时则进行令来控制设备工作。整体设计流程图如图4-1所示。不报警，WIF上传4.2DHT11温湿度子程序设计流程图在温湿度系统进行程序的执行过程当中，首先将该系统进行初始化，之后便开始进行DHT11的初始化，接着配置温湿度传感器模块的引脚，在采集完数据之后再进行数据的转换，最后单片机将DHT11所采集到的数据显示到液晶显示器上。流程图如图4-2所示：DHT11初始化单片机与WiFi之间建立起数据通信的过程当中，主要是通过串口进行数据连接。串口通信波特率设置为9600。首先是单片机控制WiFi模块连接到指定网络，在进行连接的时候打开串口中断，然后对WiFi模块发送相应的连接指令。使WIFI模块能够链接相应的手机端口，之后进行数据的传输。该模块设计流程图如图4-3所示：系统初始化开启串口中断发送连接指令连接指定网络数据通信成功?数据交换在光照以及烟雾浓度监测模块设计的过程中，由于光照模块以及烟雾浓度模块输出均为模拟电压，因此需要使用ADC0832模数转换模块。在使用AD转换模块时，首压，转换完毕后通过计算将其转化为光照数值以及烟雾浓度数值，流程图如图4-4所值图4-4光照烟雾AD转换流程图4.4本章小结本章主要针对面向智能家居的室内环境调节遥控装置的功能实现，对温湿度子模块、WIFI连接模块、光照以及烟雾浓度等模块功能进行了设计，为下一步硬件组装和系统调试做好准备。5系统调试在进行系统硬件设计时，首先需要设计相关的电路原理图，按照需要实现的功能，利用软件进行电路图的设计。将电路原理图设计完毕后，进行硬件的焊接。在进行焊接的过程中，需要先将元器件集中到板子上，按照设计的电路图进行摆放。焊接的过程中先焊接小元器件，再焊接大的元器件，当焊接完毕后需要利用万用表进行测量，检测各个元器件的引脚是否存在虚焊以及漏焊。当各个模块检测完毕后，再进行综合调试，然后下载代码进行测试。硬件组装如图5-1所示：根据电路设计图，检查单片机开发板上线路连接是否正确，对元器件规格进行检查，使用万用表对电路进行测试，发现电路连接完好，符合设计要求。测试结果如图5-2所示：5.1.2光照及烟雾浓度及温湿度采集模块测试方案：光照及烟雾浓度及温湿度采集功能通过观察LCD1602液晶显示器显示相关信息，以此来判断采集功能是否好用。测试用例：连接好开发板，先不连接DHT11温湿度传感器和MQ-2烟雾浓度传感器，观察LCD1602液晶显示器记录数据值，然后再连接DHT11温湿度传感器和MQ-2烟雾浓度传感器，最后进行测光、测温湿度、测烟雾浓度，再次观察LCD1602液晶显示器的数据。数据如图5-3所示：测试结果：传感器未连接时，LCD1602液晶显示器未检测到；连接好后，光照强度、温湿度、烟雾浓度与周围环境一致，功能基本正常。方案：WiFi串口调试APP能够实时显示各环境变量信息，以此来判断监测功能是否正常。测试用例：连接好开发板，先不连接WiFi模块，观察LCD1602液晶显示器显示相关数值，然后再连接WiFi模块，配对好WiFi,观察APP接收情况。测试结果：WiFi未连接时，LCD1602液晶显示器未检测到；当配对好WiFi后，光照强度、温湿度、烟雾浓度数据会通过串口更新到APP上，以达到远程监控的效果，显示的环境信息与家居环境一致。具体数据显示如图5-4所示。中国移动4G"4网网络调试助手中国移动4G"4网网络调试助手port40466环境温度：26C环境湿度：39RH光照强度：032LX烟雾浓度：013mg/m3环境温度：26C环境湿度：39RH光照强度：029LX烟雾浓度：013mg/m3环境温度：26C环境湿度：39RH光照强度：027LX烟雾浓度：013mg/m3环境温度：26C环境湿度：39RH光照强度：032LX烟雾浓度：013mg/m3环境温度：26C环境湿度：39RH光照强度：032LX烟雾浓度：013mg/m3环境温度：26C环境湿度：39RH光照强度：031LX烟雾浓度：009mg/m3发送发送5.1.4报警模块测试方案：报警模块能够超过或低于烟雾浓度数值时，做出相应的反馈，以此来判断报警功能是否好用。测试用例：连接好开发板，观察LCD1602液晶显示器显示相关数值，观察数据。测试结果：烟雾浓度未超过设定的烟雾浓度数值时，不会自动报警且灯灭；超过设定的烟雾浓度数值时，则会自动报警且亮灯。测试结果如图5-5所示。本系统需要进行程序的编写，所使用的编程软件为keil4。该款软件主要是采用了C语言进行程序的设计。在设计程序的过程中采用了模块化的设计方式，需要对每块部分进行子程序的调试，在调试完毕各个部分子程序后进行整体程序的调试，将WIFI模块链接手机之后观测是否进行数据的发送，在代码出现问题的时候需要进行调试，同时在后期也需要进行验证，通过不断地进行验证以及修改来完成系统软件的设计。下图5-6为软件调试界面成功截图：论a//放在这和放在一样的本章主要对面向智能家居的室内环境调节控制装置软件和硬件进行调试，对客户终端控制进行了调试，对遥控装置硬件组装和调试，验证了系统的完整性和稳定性。6总结与展望本次论文主要设计了一套面向智能家居的室内环境调节遥控装置，通过对装置整体方案的设计、硬件模块的设计、各硬件功能模块的设计及连接交互实现，对客户端的功能流程进行设计以及代码编程，最终实现了室内环境调节遥控装置，使其能够使用手机及硬件装置对室内环境进行监测和调节。本设计采用STC89C52单片机作为系统的主控核心，能够对来自温湿度传感器模块的数据信息进行解析，同时也能够通过模数转化模块，采集外部的烟雾浓度状况以及光照信息状况；室内监测参数通过LCD显示器进行显示；利用温湿度传感器采集家庭室内环境的温度以及湿度状况；同时为了应对火灾，利用烟雾浓度传