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1、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 学 号 2010041106 密 级 室内环境智能调节系统设计 Indoor environment intelligent control system design 室内环境智能调节系统设计 I 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
2、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
3、 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
4、阻 哈尔滨工程大学学士学位论文 II ABSTRACT Along 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, hu
5、midity, 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, light
6、 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 lig
7、ht 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, humidi
8、ty 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 detecti
9、on.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 the
10、 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 resu
11、lts 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 室内环境智能调节系统设计 III 目 录 第 1 章 绪论1 1.1 课题研究背景及意义1 1.2 室内环境智能调节系统研究现状1 1.3 设计任务与要求3 1.4 论文主要工作3 第 2 章 系统总体设计
12、4 2.1 系统功能分析与结构框图4 2.1.1 系统功能分析4 2.1.2 系统结构框图4 2.2 系统各部分的分析与选型5 2.2.1 控制器选择5 2.2.2 温度检测电路选择5 2.2.3 湿度检测电路选择6 2.2.4 光照强度检测电路选择6 2.2.5 显示电路选择7 2.2.6 报警电路与键盘电路选择7 2.2.7 执行器部分介绍7 2.3 本章小结7 第 3 章 系统硬件电路设计9 3.1 系统硬件电路设计概述9 3.2 微控制器9 3.2.1 英飞凌 XC878 简介9 3.2.2 英飞凌 XC878 主要特性总结10 3.2.3 英飞凌 XC878 引脚功能介绍11 3.2
13、.4 系统引脚11 3.3 温度检测电路12 3.3.1 数字式温度传感器 DS18B20 简介12 3.3.2 温度检测电路设计13 哈尔滨工程大学学士学位论文 IV 3.4 湿度检测电路13 3.4.1 湿度传感器 HS1101 简介13 3.4.2 NE555 简介 15 3.4.3 湿度检测电路设计15 3.5 光照强度检测电路16 3.5.1 光敏电阻主要特性及参数16 3.5.2 光照强度检测电路设计17 3.6 报警电路与键盘17 3.6.1 报警电路设计17 3.6.2 矩阵键盘电路设计18 3.7 显示电路设计18 3.7.1 LCD1602 简介18 3.7.2 LCD16
14、02 显示电路设计21 3.8 本章小结21 第 4 章 系统软件程序设计24 4.1 系统软件总体设计24 4.2 系统初始化方法26 4.2.1 I/O 端口设置 26 4.2.2 T0/1 定时器设置28 4.2.3 ADC 转换单元30 4.3 温度检测电路软件设计思路33 4.4 湿度检测电路软件设计思路35 4.5 光照强度检测电路软件设计思路37 4.6 报警电路程序设计38 4.7 键盘扫描程序38 4.7.1 键盘扫描程序38 4.7.2 键盘输入上下限程序40 4.8 液晶显示程序42 4.9 本章小结42 第 5 章 系统软硬件调试45 5.1 系统硬件调试45 室内环境
15、智能调节系统设计 V 5.2 系统软件调试46 5.3 系统调试过程中的问题与解决方案46 5.4 本章小结48 结 论49 参考文献50 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 第 1 章 绪论 1 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
16、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。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
17、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
18、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
19、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 哈尔滨工程大学学士学位论文 2 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
20、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
21、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
22、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。 第 1 章 绪论 33 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。
23、 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
24、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。 哈尔滨工程大学学士学位论文 4 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
25、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 第 2 章 系统总体设计 35 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