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讲解文档格式.docx
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自动化学院
专业：
自动化
吕淑平孙伟
职称：
教授讲师
所在单位：
论文提交日期：
2014年6月15日
论文答辩日期：
2014年6月20日
学位授予单位：
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DS18B20。
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；
湿度传感器；
光敏电阻
ABSTRACT
Alongwiththeprogressofthesociety,peoplelifelevelunceasingenhancement,people'
sliferequirementisnotonlylimitedtosimplephysicaldemand,alsoneedacomfortablebedroomenvironment,andacomfortablebedroomenvironmentrequiresappropriatetemperature,humidity,andlightintensity.Andhowtograsptheindoortemperature,humidity,lightintensityofthedegrees,toproperlyadjust,soastocreateacomfortableindoorenvironmentisparticularlyimportant.
Thispaperwithmicrocontrollerasthecore,inordertodetecttemperature,humidity,lightintensitydetection,liquidcrystaldisplay,keyboard,alarmcircuitdesignonthebasisofcompleteasimpleindoorenvironmentintelligentcontrollertorealizethesimpleadjustmentofindoorenvironment.Theworkingprocessofthesystemareasfollows:
Temperaturesensor,humiditysensorandlightintensitysensordetectindoortemperature,humidity,lightintensity.Dataistransmittedtothemicro-controller,obtainedwithmicro-controller,transmittedintotheLCD1602screen,thescreendisplaythemeasureddata.Through4*4matrixkeyboardtochangethresholdofthetemperature,humidityandlightintensity,Whenthedatamorethanthecriticalvalue,alarm,starttheexecutablemoduleofsystem,tocompensatetemperature,humidity,lightintensityoftheindoor.
Thesystemmicro-controllerisinfin-eonXC878micro-controller.ChoosethedigitaltemperaturesensorDS18B20detection.AdoptsHS1101humiditysensortodetectthehumidity,HS1101andNE555chipsformoscillationcircuit,outputfrequencydecreaseswithincreasinghumidity.Systemusesphotosensitiveresistancetestinglightintensity,photosensitiveresistanceandLM358formvoltageconversioncircuit,ThroughtheADconverteroutputvoltageisconvertedintoabinarynumberinputinthemicro-controller.
Basedontheanalysisoftheoverallstructureandfunctionofsystem,designthesystem'
soverallprogramflowdiagram.
Throughrepeateddebugsystem,improvetheperformanceofthesystemfurther,theresultsshowthatthevalidityofthedesign,meettherequirementsofthedesign.
Keywords:
Adjusttheindoorenvironment；
Infin-eonXC878；
temperaturesensor；
Humiditysensor；
Photosensitiveresistance
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。
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40~50%之间，当室温为18℃时，相对湿度控制在30~40%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调节器、湿度调节器、光找强度调节器、室内空气净化器以及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WhisenVictory（产品型号FNQ167VEMS）空调新产品[4]。
该产品具有制冷、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。
1.3设计任务与要求
本此设计的任务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、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。
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
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
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[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。
根据以上具体分析选择方案三。
2.2.2温度检测电路选择
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。
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-55℃~125℃，-10℃~85℃，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]。
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0~50℃，在温度测量过程中误差为2℃[11]。
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
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。
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0~100％RH变化时，电容的值由163pF到202pF变化，在整个过程中误差不大于±
2％RH[13]。
这种传感器的量程为1~99％RH，适合在-40℃~100℃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。
采用DHT11检测湿度。
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20~90%RH，在湿度测量过程中误差5%RH[11]。
2.2.4光照强度检测电路选择
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。
采用光强传感器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
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]。
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，因此需要的数码管数量多，编程复杂。
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P1端口与矩阵键盘连接，其中P1_0～P1_3作矩阵键盘的行线，P1_4～P1_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。
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。
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
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