室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(哈爾濱工程大學學士學位論文)_圖文

1、學號2010041106密級哈爾濱工程大學學士學位論文室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計院(系名稱:自動化學院專業(yè)名稱:自動化學生姓名:錢磊指導教師:呂淑平教授孫偉講師哈爾濱工程大學2014年6月室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計錢磊哈爾濱工程大學學號2010041106密級室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計Indoor environment intelligent control systemdesign學生姓名:錢磊院(系:自動化學院專業(yè):自動化指導教師:呂淑平孫偉職稱:教授講師所在單位:哈爾濱工程大學論文提交日期:2014年6月15日論文答辯日期:2014年6月20日學位授予單位:哈爾濱工程大學室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)

2、設(shè)計摘要隨著社會的進步,人們生活水平不斷提高,人們對生活的要求不單單局限于簡單的物質(zhì)需求上,還需要一個舒適的居室環(huán)境,而一個舒適的居室環(huán)境需要適宜的溫度、濕度、以及光照強度。而如何把握室內(nèi)的環(huán)境溫度、濕度、光照強度的度,來進行妥善的調(diào)節(jié),從而營造一個舒適的室內(nèi)環(huán)境尤為重要。本文主要以微控制器為核心,以溫度檢測電路、濕度檢測電路、光照強度檢測電路、液晶顯示電路、鍵盤電路、報警電路等為基礎(chǔ)設(shè)計完成一個簡單的室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的簡單調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的工作過程如下:溫度傳感器、濕度傳感器以及光照強度檢測電路檢測室內(nèi)溫度、濕度以及光照強度,將數(shù)據(jù)傳送到微控制器中,數(shù)據(jù)經(jīng)微控制器處理后傳入LCD1

3、602液晶屏,液晶屏顯示所測到的數(shù)據(jù)。通過4*4矩陣鍵盤來改變溫度、濕度以及光照強度的上下限,當由檢測電路檢測到的數(shù)值超過其上下限,報警電路以及系統(tǒng)的執(zhí)行模塊啟動,對室內(nèi)的溫度、濕度、光照強度進行補償。系統(tǒng)微控制器選用英飛凌XC878單片機。檢測溫度選用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。檢測濕度采用濕度傳感器HS1101,HS1101與NE555集成電路芯片構(gòu)成振蕩電路,輸出頻率隨濕度增大而減小。系統(tǒng)采用光敏電阻檢測光照強度,光敏電阻與集成運算放大器LM358組成光強電壓轉(zhuǎn)換電路,輸出電壓與光照強度呈正比,通過AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)輸入微控制器中。在分析系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)功能基礎(chǔ)上,設(shè)計了系

4、統(tǒng)總體程序流程框圖。分析了各模塊功能,給出程序的設(shè)計思路,建立了各模塊的程序流程圖。根據(jù)流程圖涉及編寫了系統(tǒng)軟件程序。通過對系統(tǒng)的反復調(diào)試,使系統(tǒng)的性能進一步完善,結(jié)果表明了設(shè)計的正確性,滿足了設(shè)計的要求。關(guān)鍵詞:室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié);英飛凌XC878;溫度傳感器;濕度傳感器;光敏電阻哈爾濱工程大學學士學位論文ABSTRACTAlong with the progress of the society, people life level unceasing enhancement, peoples life requirement is not only limited to simple phys

5、ical demand, also need a comfortable bedroom environment, and a comfortable bedroom environment requires appropriate temperature, 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

6、environment is particularly important.This paper with micro controller as the core, in order to detect temperature, humidity, light intensity detection, liquid crystal display, keyboard, alarm circuit design on the basis of complete a simple indoor environment intelligent controller to realize the s

7、imple adjustment of indoor environment.The working process of the system are as follows:Temperature sensor, humidity sensor and light intensity sensor detect indoor temperature, humidity, light intensity.Data is transmitted to the micro-controller, obtained with micro-controller, transmitted into th

8、e LCD1602 screen, the screen display the measured data.Through 4 * 4 matrix keyboard to change threshold of the temperature, humidity and light intensity , When the data more than the critical value, alarm, start the executable module of system, to compensate temperature, humidity, light intensity o

9、f the indoor.The system micro-controller is infin-eon XC878 micro-controller.Choose the digital temperature sensor DS18B20 detection.Adopts HS1101 humidity sensor to detect the humidity, HS1101 and NE555 chips form oscillation circuit, output frequency decreases with increasing humidity.System uses

10、photosensitive resistance testing light intensity, photosensitive resistance and LM358 form voltage conversion circuit,Through the 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

11、 the systems overall program flow diagram.Through repeated debug system, improve the performance of the system further, the results 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;Ph

12、otosensitive resistanceII室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計目錄第1章緒論 (11.1課題研究背景及意義 (11.2 室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 (11.3設(shè)計任務(wù)與要求 (31.4論文主要工作 (3第2章系統(tǒng)總體設(shè)計 (42.1系統(tǒng)功能分析與結(jié)構(gòu)框圖 (42.1.1系統(tǒng)功能分析 (42.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 (42.2系統(tǒng)各部分的分析與選型 (52.2.1 控制器選擇 (52.2.2 溫度檢測電路選擇 (52.2.3 濕度檢測電路選擇 (62.2.4 光照強度檢測電路選擇 (72.2.5 顯示電路選擇 (72.2.6 報警電路與鍵盤電路選擇 (72.2.7 執(zhí)行器部分介紹 (

13、82.3本章小結(jié) (8第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 (103.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計概述 (103.2微控制器 (103.2.1 英飛凌XC878簡介 (103.2.2 英飛凌XC878主要特性總結(jié) (113.2.3 英飛凌XC878引腳功能介紹 (123.2.4 系統(tǒng)引腳 (123.3溫度檢測電路 (133.3.1 數(shù)字式溫度傳感器DS18B20簡介 (133.3.2 溫度檢測電路設(shè)計 (14I II哈爾濱工程大學學士學位論文3.4濕度檢測電路 (143.4.1濕度傳感器HS1101簡介 (143.4.2 NE555簡介 (163.4.3 濕度檢測電路設(shè)計 (163.5光照強度檢測電路 (173.5.

14、1光敏電阻主要特性及參數(shù) (173.5.2 光照強度檢測電路設(shè)計 (183.6報警電路與鍵盤 (183.6.1報警電路設(shè)計 (183.6.2矩陣鍵盤電路設(shè)計 (193.7顯示電路設(shè)計 (193.7.1 LCD1602簡介 (193.7.2 LCD1602顯示電路設(shè)計 (223.8本章小結(jié) (21第4章系統(tǒng)軟件程序設(shè)計 (254.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計 (254.2系統(tǒng)初始化方法 (274.2.1 I/O端口設(shè)置 (274.2.2 T0/1定時器設(shè)置 (294.2.3 ADC轉(zhuǎn)換單元 (314.3溫度檢測電路軟件設(shè)計思路 (344.4濕度檢測電路軟件設(shè)計思路 (364.5光照強度檢測電路軟件設(shè)計思路

15、 (384.6報警電路程序設(shè)計 (394.7鍵盤掃描程序 (394.7.1鍵盤掃描程序 (394.7.2鍵盤輸入上下限程序 (414.8液晶顯示程序 (434.9本章小結(jié) (42第5章系統(tǒng)軟硬件調(diào)試 (465.1系統(tǒng)硬件調(diào)試 (46IV室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計5.2系統(tǒng)軟件調(diào)試 (475.3系統(tǒng)調(diào)試過程中的問題與解決方案 (475.4本章小結(jié) (49結(jié)論 (50參考文獻 (50攻讀學士學位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果 (1致謝 (1附錄 (1附錄A系統(tǒng)電路原理圖 (1附錄B程序 (1附B1 溫度檢測程序 (1附B2 濕度檢測程序 (1附B3 光照強度檢測程序 (1附B4 LCD1602程序

16、(1附B5 鍵盤掃描與報警電路程序 (1V第1章緒論第1章緒論1.1 課題研究背景及意義隨著社會的進步,人們生活水平愈來愈高,人們對生活的要求不單單局限于“吃飽,穿暖”的簡單的物質(zhì)需求上,還有一個舒適的居室環(huán)境,而一個舒適的居室環(huán)境需要適宜的溫度、濕度、以及光照強度。而如何把握室內(nèi)的環(huán)境溫度、濕度、光照強度的度,來進行妥善的調(diào)節(jié),從而營造一個舒適的室內(nèi)環(huán)境尤為重要。根據(jù)研究顯示,室內(nèi)環(huán)境比較適宜的條件是,室溫達到24時,相對濕度應(yīng)控制在4050%之間,當室溫為18時,相對濕度控制在3040%之間1。除此之外,適當?shù)年柟夂涂諝饬鲃痈苁谷藗兏惺艿绞孢m。所以,改變室內(nèi)環(huán)境同時,應(yīng)相應(yīng)地調(diào)節(jié)溫度和濕

17、度,令人們在室內(nèi)時處于舒適的環(huán)境,從而身體健康,心神愉悅。但是,現(xiàn)有技術(shù)中,對室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備的控制,往往是人們感到溫度、濕度等環(huán)境因素不適時,通過人工手動調(diào)節(jié),這樣不僅麻煩,而且不精確,費時費力。最重要的是不能保持環(huán)境調(diào)節(jié)的實時性,浪費能源。而本課題就是為了設(shè)計一個可以隨人心意自動調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度以及光照強度的系統(tǒng)。本設(shè)計為一個微型的室內(nèi)智能調(diào)節(jié)系統(tǒng),能夠簡單的調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度和光照強度。本設(shè)計利用英飛凌XC878單片機作為系統(tǒng)的控制器,可以通過它來控制相關(guān)的傳感器,如溫度傳感器、濕度傳感器、光照強度傳感器、液晶顯示器等,以此來檢測室內(nèi)的環(huán)境。達到實時的對室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度

18、以及光照強度的監(jiān)控。通過4*4矩陣鍵盤可以對系統(tǒng)進行相關(guān)設(shè)定,限定溫度、濕度、光照強度的臨界值。當某項環(huán)境指標超過臨界值,系統(tǒng)的報警裝置啟動即蜂鳴器開始響。同時系統(tǒng)的執(zhí)行模塊開始運行,對室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、光照強度進行調(diào)節(jié)。例如,當溫度值超過臨界值,蜂鳴器響起,同時打開風扇,直到溫度降到臨界值時,風扇停止,從而實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的智能調(diào)節(jié)。滿足了人們對智能化的需求,提高了人們生活環(huán)境的質(zhì)量。同時,室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)的實時性得到保證,減少了不必要的能源浪費。1.2 室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀受經(jīng)濟水平和科學技術(shù)的制約,我國室內(nèi)安裝環(huán)境智能監(jiān)測調(diào)節(jié)系統(tǒng)的占絕少數(shù),除了一些大型城市中人們對室內(nèi)環(huán)境要求高,

19、室內(nèi)裝有環(huán)境智能監(jiān)測調(diào)節(jié)設(shè)備以外,我國絕大數(shù)地區(qū)的人們對室內(nèi)環(huán)境沒有太高要求,室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、光照強的基本上是人工手動調(diào)節(jié)的。隨著生活水平和科學技術(shù)的迅速提高,全國各地開始了投資室內(nèi)環(huán)境智能檢測業(yè)務(wù)的熱潮。目前關(guān)于室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的產(chǎn)品主要有溫度調(diào)節(jié)器、哈爾濱工程大學學士學位論文濕度調(diào)節(jié)器、光找強度調(diào)節(jié)器、室內(nèi)空氣凈化器以及基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)器等類型。室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)展歷史:上世紀70年代,“家庭自動化”的概念首次在國外被踢出來。隨著電子技術(shù)、自動測試技術(shù)、傳感器技術(shù)的急劇提高,在計算機廣泛的推動下,家庭自動化控制系統(tǒng)逐漸形成了現(xiàn)場總線為核心的體系結(jié)果2。近年來,隨著無

20、線銅線技術(shù)的普及與推廣,無線技術(shù)在室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)組成中占有了一席之地。1984年美國建成了世界上第一個智能居室,在此之后許多發(fā)達國家也提出了很多的方案,智能家居得到越來越廣泛的應(yīng)用3。具體產(chǎn)品介紹如下:(1LG電子推出制冷性能得到進一步強化的Whisen Victory(產(chǎn)品型號FNQ167VEMS空調(diào)新產(chǎn)品4。該產(chǎn)品具有制冷、除浮沉(甚至能夠去除直徑比頭發(fā)絲細小2,500倍的0.02微塵,此外還支持“雙路除濕”功能?？筛鶕?jù)用戶的便利從“強力除濕”和“節(jié)能除濕”功能中進行選擇4。(2LightwaveRF推出了智能家居溫控器產(chǎn)品,產(chǎn)品配有ARM處理器,包括鍋爐控制,自動調(diào)溫器和散熱器恒溫閥

21、5。結(jié)合LightwaveRF加熱開關(guān),可以提供完全的遠程控制的加熱供暖系統(tǒng)。其中每個散熱器都可以單獨從手機或電腦的應(yīng)用軟件進行控制。(3LG推出的凈化產(chǎn)品,可配套裝在智能家居凈化系統(tǒng)該產(chǎn)品采用“3MTM超微塵濾膜”,不僅能夠去除沙塵,甚至還能夠去除比直徑小于2.5微米的超微塵小125倍的0.02微米級別灰塵。“雙能除臭濾膜”具備高達98%的業(yè)界最高水平除臭效率,不僅能夠去除室內(nèi)異味,而且能夠過濾作為新居綜合癥誘發(fā)物質(zhì)的甲醛、甲苯和苯。另外,還采用了能夠有效去除大顆?；覊m的“極細濾膜”和用于去除病毒及有害細菌的“等離子負離子發(fā)生器”等6?！扒鍧嵍蕊@示燈光”功能能夠使用戶更加容易地確認空氣污染狀

22、態(tài)。“一鍵式彩色濾光片系統(tǒng)”能夠使濾膜更容易與其他各種顏色加以區(qū)分。(4可聲控的霍尼韋爾智能家居WIFI溫控器7,該產(chǎn)品具有以下特點聲音控制、無線(wifi控制、設(shè)置簡單、可定義操控界面、內(nèi)嵌有濕度傳感器,具有報警功能等。第1章緒論1.3 設(shè)計任務(wù)與要求本此設(shè)計的任務(wù)為設(shè)計一個可以自動調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度以及光照強度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以微控制器為核心,控制溫度、濕度、光照強度檢測電路來檢測室內(nèi)的溫度、濕度和光照強度。然后微控制器把接收到的來自檢測電路的信號處理后在顯示電路上顯示出來,另外系統(tǒng)還設(shè)有鍵盤和報警電路,用來修改上下限值和在室內(nèi)溫度、濕度、光在強度數(shù)值超過限值時進行報警提示。1.4 論

23、文主要工作本文主要設(shè)計并完成的內(nèi)容如下:第1章:為全文的緒論部分,主要介紹課題的研究背景及意義,闡述室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀,簡述了設(shè)計的任務(wù)和要求。第2章:為系統(tǒng)的總體設(shè)計,首先對系統(tǒng)的功能進行中分析并建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,將系統(tǒng)分為:主控制器模塊、系統(tǒng)直流電源模塊、4*4矩陣鍵盤模塊、執(zhí)行模塊、溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、亮度檢測模塊、顯示模塊八個部分。然后對系統(tǒng)各個模塊分析,方案設(shè)計、比較,選出最有方案。第3章:為系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計,詳細介紹了每個模塊中用到的元器件并根據(jù)每個模塊的設(shè)計方案和元器件類型進行硬件電路設(shè)計。第4章:為系統(tǒng)軟件程序設(shè)計,在分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上,設(shè)

24、計了系統(tǒng)總體程序流程框圖。分析了各模塊功能,給出程序的設(shè)計思路,建立了各模塊的程序流程圖。第5章:為系統(tǒng)軟硬件調(diào)試,分別對硬件電路以及軟件程序的調(diào)試過程進行了描述,詳細介紹了調(diào)試過程中遇到的問題,并對問題進行分析、處理,找到解決方案。對論文內(nèi)容進行總結(jié),分析設(shè)計是否滿足任務(wù)設(shè)計要求,并說明本論文設(shè)計的進一步擴展方向。哈爾濱工程大學學士學位論文第2章系統(tǒng)總體設(shè)計2.1 系統(tǒng)功能分析與結(jié)構(gòu)框圖2.1.1系統(tǒng)功能分析1、室內(nèi)環(huán)境要求控制系統(tǒng)具有以下功能:(1溫度檢測電路將測得的溫度信號傳輸給單片機;(2濕度檢測電路將測得的濕度信號傳輸給單片機;(3光照強度檢測電路將測得的光照強度信號傳輸給單片機;(

25、4可通過按鍵設(shè)定溫度、濕度、光照強度的臨界值;(5當某項數(shù)值超過臨界值時,蜂鳴器開始響,同時啟動執(zhí)行設(shè)備進行相應(yīng)的補償;(6由液晶屏可以將室內(nèi)的溫度、濕度、亮度顯示出來;2、為此,相應(yīng)地在系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)當進行如下工作:(1選用合適的傳感器,設(shè)計溫度、濕度、光照強度檢測電路;(2設(shè)計4*4矩陣鍵盤電路以根據(jù)用戶實際需求進行臨界值設(shè)置;(3在系統(tǒng)電路中要加裝顯示電路,以顯示溫度、濕度、光照強度的當前值;(4設(shè)計溫度、濕度、光照強度檢測電路的程序;(5設(shè)計報警電路編寫報警程序,選定具體的執(zhí)行設(shè)備;(6探索其他可靠的控制方案,并將多種方案進行對比、分析與驗證。2.1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第2章系統(tǒng)總體設(shè)計

26、圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖主控模塊:作為系統(tǒng)的核心部分,控制傳感器使其按照設(shè)計要求工作,處理從傳感器上傳送過來的數(shù)據(jù),將處理后的數(shù)據(jù)傳送到顯示模塊中。溫度檢測模塊:檢測室內(nèi)環(huán)境溫度,采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)傳送到主控模塊中。濕度檢測模塊:檢測室內(nèi)環(huán)境濕度,采集室內(nèi)濕度數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)傳送到主控模塊中。亮度檢測模塊:檢測室內(nèi)環(huán)境光照強度,采集室內(nèi)光照強度數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)傳送到主控模塊中。顯示模塊:顯示傳感器檢測到的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)以及上下限值。鍵盤模塊:修改系統(tǒng)測量溫度、濕度、光照強度的上下限。執(zhí)行模塊:在傳感器檢測到的數(shù)據(jù)超過上下顯示,啟動執(zhí)行模塊進行相應(yīng)補償。電源模塊:為整個系統(tǒng)提供電源。2.2系統(tǒng)各部分的

27、分析與選型2.2.1 控制器選擇方案一:采用51單片機控制系統(tǒng)。單片機算術(shù)運算功能較強,軟件編程靈活、自由度大,可用軟件編程實現(xiàn)控制要求,而且具有功率損耗低、體型小、技術(shù)成熟和價格便宜等優(yōu)點8。并且51單片機是最簡單的單片機類型,易于學習,能滿足題目要求。方案二:采用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA作為系統(tǒng)的控制核心9?，F(xiàn)場可編程邏輯門陣列擁有強大的資源,使用起來簡單方便靈活,更加易于進行功能的擴展,并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試9。但其成本高,引腳多,硬件電路復雜。方案三:采用XC878單片機控制系統(tǒng)。英飛凌XC878單片機在功能優(yōu)由于51單片機很多,且英飛凌XC878用的是51的內(nèi)核,但是其

28、資源比51的豐富很多,XC878芯片擁有5個8位I/O口、4個16位定時器、8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC,可靠性也強。根據(jù)以上具體分析選擇方案三。2.2.2 溫度檢測電路選擇哈爾濱工程大學學士學位論文方案一:選用熱敏電阻,該元件價格便宜,功能簡單,但由熱敏電阻組成的溫度檢測電路輸出為模擬信號,需要AD轉(zhuǎn)換后才能送到單片機中,而且熱敏電阻的非線性特性將嚴重影響系統(tǒng)精度。方案二:選用數(shù)字化溫度傳感器DS18B20。DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器,具有獨特的單線式接口方式,測量范圍在-55125,-1085,誤差為-+0.5,最高精度可以達到0.0625,DS18B20作為數(shù)字化溫度傳感器10

29、,不需要外接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,可以直接輸出數(shù)字量。無需AD轉(zhuǎn)換,可以直接與XC878單片機通訊,讀取測到的溫度數(shù)據(jù),電路也不復雜。該元器件具有體積小、抗干擾能力強、價格便宜、性能穩(wěn)定可靠性強等優(yōu)點,滿足此系統(tǒng)的設(shè)計要求10。方案三:采用DHT11檢測溫度。DHT11是一種輸出數(shù)字量的復合式傳感器,包含兩部分:電阻式感濕元件、NTC式溫度檢測元件,這種元件的溫度量程為050,在溫度測量過程中誤差為211。綜合上文所敘述的內(nèi)容看,雖然方案三即可檢測溫度又可檢測濕度功能綜合,但是方案二的測量范圍和誤差精度等級都優(yōu)于方案三,因而溫度檢測電路選用方案二。2.2.3 濕度檢測電路選擇方案一:選用HR202濕敏

30、電阻檢測室內(nèi)環(huán)境的濕度,HR202的阻值隨濕度變化幅度比較大12,并且這種變化不是線性的而是非線性的變化,這種電阻式測量濕度的元件測量的輸出量為模擬量,須經(jīng)AD模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換之后才能由單片機處理。方案二:采用濕度傳感器HS1101,這種元器件是基于獨特工藝設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu),在電路中可以當作一個電容元件,它的電容值隨著被檢測的空氣的相對濕度成正比變化13。這種元件擁有相當好的線性輸出特性,當相對濕度在0100%RH變化時,電容的值由163 pF到202 pF變化,在整個過程中誤差不大于2%RH13。這種傳感器的量程為199%RH,適合在-40100的溫度下工作,溫度對傳感器的輸出受影響不大。在

31、正常溫度下使用該傳感器不需要進行溫度補償,也不需要進行校準工作。方案三:采用DHT11檢測濕度。DHT11是一種輸出數(shù)字量的復合式傳感器,包含兩部分:電阻式感濕元件和NTC式溫度檢測元件,這種元件的濕度量程為2090%RH,在濕度測量過程中誤差5%RH11。綜合上文所敘述的內(nèi)容看,雖然方案三即可檢測溫度又可檢測濕度功能綜合,但是方案二的測量范圍和誤差精度等級都優(yōu)于方案三,因而溫度檢測電路選用方案二。第2章系統(tǒng)總體設(shè)計2.2.4 光照強度檢測電路選擇方案一:采用光敏電阻檢測光照強度,光敏電阻的阻值隨著光照強度成反比,光敏電阻體積小、對環(huán)境的適應(yīng)性強,可以在高溫高濕的情況下保持良好的可靠性和穩(wěn)定性

32、,但光敏電阻的阻值受溫度的影響較大。方案二:采用光強傳感器TSL2561,一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片14。該芯片不但廣泛應(yīng)用于各種顯示屏的監(jiān)控,而且能夠用在街道光照控制、安全照明等許多方面。綜上所述,雖然方案二更為優(yōu)秀,但是方案二的元器件光強傳感器TSL2561價格貴且都是貼片式,故本模塊采用方案一。2.2.5 顯示電路選擇方案一:選用1602液晶顯示屏。液晶顯示屏LCD1602具有功耗小、輕薄短小,平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍,可視面積大,畫面效果好,抗擾能力強等特點15。方案二:選用七段數(shù)碼顯示管,雖然數(shù)碼管價格便宜,壽命較長。但設(shè)計要求顯示溫度、濕度、

33、光照強度并顯示輸入的上下限,因此需要的數(shù)碼管數(shù)量多,編程復雜。方案三:采用12864液晶屏,12864功能齊全,可顯示多組數(shù)據(jù),可顯示漢字,圖案,但12864液晶屏比1602液晶屏貴,硬件電路復雜,編程不易,故不采用。綜上所述,LCD1602編程比數(shù)碼管更加簡單,并且價格不算太貴,而12864雖然性能優(yōu)于前兩者,可以顯示漢字,但其價格高。根據(jù)系統(tǒng)要求LCD滿足要求,因此選擇方案一。2.2.6 報警電路與鍵盤電路選擇1、報警電路本次設(shè)計采用蜂鳴器報警。蜂鳴器,是普遍運用在眾多電子產(chǎn)品中的元件,它具有價格便宜、體積小、硬件電路簡單、使用方便等特點。2、鍵盤電路鍵盤采用4*4矩陣鍵盤,鍵值讀取方法采

34、用掃描法,單片機使用P1端口與矩陣鍵盤連接,其中P1_0P1_3作矩陣鍵盤的行線,P1_4P1_7作矩陣鍵盤的列線,在掃描之前,先會給整個P1口賦值,然后檢測是否有鍵按下,當讀到有鍵按下才,會去掃描行、列,確定具體按下的鍵。哈爾濱工程大學學士學位論文2.2.7 執(zhí)行器部分介紹當室內(nèi)的溫度、濕度、光照強度超過上下限值時,系統(tǒng)通過程序發(fā)出一個啟動信號,控制執(zhí)行模塊開啟,進行對溫度、濕度、光照強度的調(diào)節(jié)。當環(huán)境因素重新回到限制范圍內(nèi)時,系統(tǒng)通過程序發(fā)出停止信號。由于設(shè)計沒有執(zhí)行部分的要求,所以根據(jù)上述內(nèi)容,執(zhí)行部分可以在信號輸出口外接可以調(diào)節(jié)溫度、濕度、光照強度的電器。2.3本章小結(jié)本章從總體結(jié)構(gòu)和

35、功能上分析了室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成和設(shè)計功能要求,針對系統(tǒng)的功能要求將系統(tǒng)分為主控模塊、顯示模塊、溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、光照強度檢測模塊、報警模塊、鍵盤模塊以及執(zhí)行模塊八個部分。然后本章針對系統(tǒng)的性能要求對各部分的硬件設(shè)計進行了不同方案之間的分析、比較和元器件的選型,詳細說明了對系統(tǒng)各個模塊的最優(yōu)方案的選型過程,并對所有方案的特點和優(yōu)缺點進行了比較充分的闡述,為后續(xù)內(nèi)容展開奠定基礎(chǔ)。第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計哈爾濱工程大學學士學位論文第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計概述系統(tǒng)的硬件電路包括微控制器電路、溫度檢測電路、濕度檢測電路、光照強度檢測電路、報警器電路、矩陣鍵盤電路、顯示

36、電路等。本系統(tǒng)的功能是以英飛凌單片機XC878為核心,通過溫度檢測電路、濕度檢測電路、光照強度檢測電路來采集測量室內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)被處理后送到顯示電路顯示室內(nèi)的溫度、濕度、光照強度值,用矩陣鍵盤電路來修改上下限,當測量到的數(shù)據(jù)超過上顯現(xiàn)啟動報警電路。各部分選用的主要元器件具體介紹見本章內(nèi)容,包括各部分硬件電路的設(shè)計思路。3.2微控制器3.2.1英飛凌XC878簡介XC878 是高性能8 位微控制器XC800 家族的新成員,其設(shè)計基于和8051 處理器兼容的XC800 內(nèi)核16。XC878 單片機芯片內(nèi)集成有CAN 控制器而且還支持LIN 協(xié)議,擁有高級互聯(lián)的能力。單片機芯片內(nèi)的CAN 控制

37、器可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所需要的大部分功能,因而可以減輕CPU的負荷。XC878單片機內(nèi)部嵌有Flash存儲器,極大的提高了系統(tǒng)的靈活性16。XC878 的存儲器防護策略為用戶知識產(chǎn)權(quán)(IP提供讀保護,為Flash(閃存存儲器提供編程以及消除保護以防數(shù)據(jù)遭到意外的損壞。Flash 結(jié)構(gòu)支持在應(yīng)用編程(IAP,在程序執(zhí)行期間允許用戶程序修改Flash 的內(nèi)容16。在Boot ROM 中的引導程序的加載(BSL下可以實現(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP,通過外部主機(如PC對嵌入式Flash 方便的編程或擦除。其它主要特性包括:捕獲/比較單元6(CCU6,產(chǎn)生電機控制專用的脈寬調(diào)制信號;10 位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC

38、,擁有自動掃描和結(jié)果累加(用于抗混迭濾波或結(jié)果平均等拓展功能16;乘法/除法單元(MDU,支持XC800 內(nèi)核用于需要大量數(shù)學運算的高級電機控制(如磁場定向控制16;CORDIC(坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機協(xié)處理器,可以支持三角函數(shù)、線性或雙曲函數(shù)的計算以實現(xiàn)向量旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換16;片上調(diào)試支持(OCDS單元,提供基于XC800 系統(tǒng)進行軟件開發(fā)與調(diào)試所需的基本功能16。3.2.2英飛凌XC878主要特性總結(jié)1、高性能XC800內(nèi)核:(1和標準8051單片機兼容。(22個時鐘的機器周期結(jié)構(gòu)。(3雙數(shù)據(jù)指針。2、片內(nèi)存儲器:(18KB B OOT ROM。(2256B RAM。(33KB XRAM。(452

39、/64KB F LASH,用于存放程序代碼和數(shù)據(jù)。3、I/O口3.3V或5.0V供電,而單片機芯片內(nèi)部核心的邏輯電路由2.5V的電壓源供電16。4、上電復位產(chǎn)生。5、內(nèi)核電壓壓降檢測。6、片內(nèi)振蕩器(OSC和鎖相環(huán)(PLL產(chǎn)生時鐘16。時鐘丟失檢測。7、省電模式:(1低速模式。(2空閑模式。(3掉電模式,可以用RXD或EXINT0來喚醒系統(tǒng)16。8、五個端口:40個I/O管腳(5個8位I/O端口。9、8通道、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(ADC16。10、四個16位定時器:(1定時器T0和定時器T1(T0和T1。(2定時器T2和定時器T21(T2和T21。11、專門用于算術(shù)運算的乘法/除法單元(MDU1

40、6。12、CORDIC(坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機協(xié)處理器,可以支持三角函數(shù)、雙曲和線性函數(shù)計算16。13、兩個捕獲/比較單元(1可以發(fā)出PWM信號(脈寬調(diào)制的CCU6。(2可以發(fā)出不同數(shù)字信號的T2CCU。14、同步串行通道(SSC。15、PG-LQFP-64引腳封裝。16、溫度范圍TA:(1SAF(4085C。(2SAX(40105C。3.2.3英飛凌XC878引腳功能介紹英飛凌XC878有五個雙向I/O口P0、P1、P3、P4、P5。P0 口是8 位通用雙向I/O端口,還能夠作為JTAG、CCU6、UART、UART1、T2CCU、T21、MultiCAN、SSC 以及外部接口的功能引腳。P1

41、口是8 位通用雙向I/O端口,還能夠作為JTAG、CCU6、UART、T0、T1、T2CCU、T21、MultiCAN、SSC 以及外部接口的功能引腳。P3 口是8 位通用雙向I/O端口,還能夠作為CCU6、UART1、T2CCU、T21、MultiCAN 以及外部接口的功能引腳16。P4 口是8 位通用雙向I/O端口,還能夠作為CCU6、T0、T1、T2CCU、T21、MultiCAN 以及外部接口的功能引腳16。P5 口是8 位通用雙向I/O端口,還能夠作為UART、UART1、T2CCU、JTAG 以及外部接口的功能引腳16。英飛凌XC878有AN0AN7引腳,8個專用的輸入通道,可以作

42、為AD的輸入通道。3.2.4系統(tǒng)引腳英飛凌XC878單片機引腳圖見圖3.1,該芯片共有64個引腳,其中包括40個I/O 口(P0、P1、P3、P4、P5,8個AD轉(zhuǎn)換通道(AN0AN7 圖3.1 英飛凌引腳圖3.3溫度檢測電路3.3.1數(shù)字式溫度傳感器DS18B20簡介1、DS18B20的特點DS18B20和英飛凌單片機XC878之間只要一條接口線就可以實現(xiàn)英飛凌單片機和DS18B20之間的雙向通信。溫度傳感器DS18B20溫度測量范圍為-55+125,溫度測量誤差為0.510。多個DS18B20可以并聯(lián)在數(shù)據(jù)接口線DQ上,最多可并聯(lián)8個10。而溫度傳感器的測溫結(jié)果以912位的數(shù)字量方式串行傳

43、輸?shù)接w凌XC878單片機P3_3端口中。2、溫度傳感器DS18B20溫度的轉(zhuǎn)換以12位轉(zhuǎn)化為例:以16 位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供,以0.0625/LSB形式表達,其中S為符號位17。表3.1 DS18B20 溫度值格式表Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 LS Byte322212021-22-23-24-2Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8 MS Byte S S S S S 625242表格3.1中是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位二進制數(shù)據(jù),保存于溫度傳感器DS18B20的兩個8 bi

44、t的RAM (CGRAM和DDRAM里面18。該12位二進制數(shù)據(jù)的前面5位為符號位,若這5位二進制數(shù)全為0,則測量所得的溫度值大于0,只須把測量所得的數(shù)值乘0.0625就可以算出實際的溫度值;若這5位二進制數(shù)全為1,那么測量所得到的溫度值小于0,把測量得到的數(shù)值取反后加1再乘0.0625就可以算出實際的溫度值18。比方說+125的12位二進制數(shù)據(jù)是07D0H,+25.0625的12位二進制數(shù)據(jù)是0191H, -25.0625的12位二進制數(shù)據(jù)是FF6FH,-55的12位二進制數(shù)據(jù)是FC90H。3.3.2 溫度檢測電路設(shè)計如圖3.2的接線方法屬于外部電源供電法,這種接線方法與其他接線方法相比具有

45、抵抗干擾的能力強,并且硬件電路接線簡單,使用方便,同時可以并聯(lián)多個溫度傳感器設(shè)計實現(xiàn)多點溫度檢控,工作穩(wěn)定性強,比單點溫度檢測更接近室內(nèi)真實溫度等特點,是溫度傳感器的最好的工作模式。 圖3.2 溫度檢測電路圖3.4濕度檢測電路3.4.1濕度傳感器HS1101簡介濕度傳感器HS1101基于獨特的工藝設(shè)計的電容元件,它屬于相對濕度傳感器元件,可以量產(chǎn),廣泛應(yīng)用于有關(guān)空氣質(zhì)量檢測的各個領(lǐng)域。HS1101有全互換特性,且工作在標準環(huán)境下不需要進行校正;可以自動化焊接;快速反應(yīng)時間;可以應(yīng)用在線性電壓或頻率輸出回路;固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)等有特點。相對濕度在0100%RH變化時,電容的值由163 pF到202

46、pF變化,在整個過程中誤差不大于2%RH13。這種傳感器的量程為199%RH,適合在-40100的溫度下工作,溫度對傳感器的輸出受影響不大,響應(yīng)時間小于5s,測量精度較高13。HS1101的濕度-電容響應(yīng)曲線如下圖: 圖3.3 電容濕度響應(yīng)曲線濕度檢測電路可以將由濕度的不同引起的電容變化量轉(zhuǎn)變?yōu)橛w凌XC878單片機容易直接接收的數(shù)字信號。具體有兩種方法:一種是將濕度傳感器HS1101元件放在由運算放大器和電容電阻組成的橋式振蕩電路中,該電路在傳感器電容變化時產(chǎn)生的正弦電壓信號經(jīng)整流、放大、AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;另一種是由濕度傳感器HS1101與NE555集成芯片組成的振蕩電路,濕度傳感器HS1

47、101在電路中充當振蕩電容。由于濕度傳感器HS1101的電容隨測量的相對濕度的呈正比變化,因此在電路中振蕩電容增加,會使電路產(chǎn)生的頻率減小,從而實現(xiàn)濕度的測量。本文選用第二種方案,該方案電路簡單,經(jīng)振蕩電路后直接與單片機通信,不需繁瑣的信號處理、轉(zhuǎn)換過程,在軟件編程過程中也容易得多。表3.2 電壓頻率與空氣濕度濕度/%RH 0 10 20 30 40 50頻率/Hz 7350 7225 7102 6966 6850 6733濕度/%RH 50 60 70 80 90 100頻率/Hz 6727 6601 6466 6328 6190 6029 頻率與濕度的響應(yīng)曲線如圖3.4: 圖3.4 空氣濕

48、度與電壓頻率響應(yīng)曲線3.4.2 NE555簡介NE555是一種運用極其廣泛的數(shù)字-模擬混合集成電路芯片,利用它構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器19。由于使用靈活、方便,所以在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多電子產(chǎn)品、電路設(shè)計都有它的身影,NE555的作用是通過它集成在里面的定時器構(gòu)成時基電路,給其他電路提供時鐘脈沖19。引腳圖如圖3.5所示。3.4.3 濕度檢測電路設(shè)計濕度傳感器充當電容元件接在NE555芯片的2、5引腳之間,組成振蕩電路。通過使?jié)穸葌鞲衅鱄S1101充電放電周期循環(huán),在3腳處形成方波。引腳3輸出高電平的時間(C X 為HS1101的電容:(X

49、C R41R 693.0T H += (3-1 輸出低電平的時間:X C R1693.0T L = (3-2由此可知輸出方波頻率為(X L H C R R T T f +=+=41244.11 (3-3R4DC7Q 3G N D1V C C8TR2TH6CV5U1NE555R1576kR2909kR31kR449.9kHS1101P4.5圖3.5 濕度檢測電路圖3.5 光照強度檢測電路3.5.1光敏電阻主要特性及參數(shù)光敏電阻經(jīng)常被使用在光照強度的檢測、光照強度的控制以及光信號與電信號的轉(zhuǎn)換。其主要參數(shù)及特性如下:1、光電流、亮電阻光敏電阻在一定的外加電壓下,當有光照射的時候,由光照產(chǎn)生的載流子

50、再外加電壓的作用下向電壓源正極漂移運動,與之相對應(yīng)的空穴向電源負極漂移運動,使光敏電阻電導增加,電阻減小。此時光敏電阻上通過的電流為光電流,此時光敏電阻的阻值即外加電壓與光電流之比稱為亮電阻,經(jīng)常用“100LX”表示20。2、暗電流、暗電阻光敏電阻在一定的外加電壓下,當無光照時,受光照激發(fā)產(chǎn)生的空穴-電子對重新組合,電阻恢復原來的數(shù)值,此時光敏電阻上流過的電流為暗電流,此時光敏電阻的阻值即外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻,常用“0LX”表示20。3、靈敏度靈敏度是指光敏電阻在沒有光照時的電阻值(暗與有光照時的電阻值(亮的相對變化值20。4、光照特性光照特性是指光敏電阻的輸出電信號隨著外界光照強度

51、的改變而改變20。通過其光照特性曲線可以知道,伴隨著光照強度的提高,其阻值首先快速下降。如果繼續(xù)增加外界的光照強度,那么電阻的變化幅度將會減小,然后慢慢的趨于平緩。在大多數(shù)情況下,光照特性為非線性20。5、伏安特性曲線伏安特性曲線用來描述光敏電阻的外加電壓與光電流之間的關(guān)系,光敏電阻的光電流與外加電壓呈正比變化20。6、溫度系數(shù)光敏電阻的光電效應(yīng)受溫度影響較大20。3.5.2 光照強度檢測電路設(shè)計光照強度檢測電路圖見圖3.6,設(shè)光敏電阻阻值為R0,電壓為5V ,滑動變阻器阻值為R521。VR R R R U A 470023504054+=+=(3-4圖3.6中的運放電路為同相比例放大電路,故

52、 (AC U R R R U +=3521 (3-5 因而,隨光照強度的不斷提高,檢測電路輸出的電壓也提高。 圖3.6 光照強度檢測電路圖3.6報警電路與鍵盤3.6.1報警電路設(shè)計報警電路見圖3.7,圖中的三極晶體管PNP9012,PNP 型晶體管用E B 的電流IB 控制E C 的電流IC 。當B 為高電平時,三極管導通,蜂鳴器通電,開始工作。 圖3.7 報警電路圖3.6.2矩陣鍵盤電路設(shè)計鍵盤為4*4矩陣鍵盤,鍵盤讀書采用掃描法,端口使用P1口,P1.0P1.3為行線,P1.4P1.7為列線。掃描時,先給P1口賦值:例如掃描第1行時P1=0xFE ,使P1.0=0;然后掃描P1.4P1.7

53、,當P1.4P1.7中有0值存在,說明有鍵按下,根據(jù)具體數(shù)字可以判斷是那個鍵按下。圖3.8 鍵盤電路3.7 顯示電路設(shè)計3.7.1 LCD1602簡介1、LCD1602的引腳第1腳:Vss 為LCD1602的電源地。蜂鳴器BUZZER9012PNPR14.7kP3_4第2腳:Vcc為LCD1602的電源(+5V。第3腳:Vee為液晶屏LCD1602的對比調(diào)整電壓,一般連接一個滑動變阻器,通過調(diào)整其阻值來調(diào)節(jié)對比度。第4腳:RS為寄存器選擇端,RS=0 輸入指令;RS=1 輸入數(shù)據(jù)。第5腳:R/W為讀寫信號選擇端,R/W=0 向LCD寫入指令或數(shù)據(jù);R/W=1從LCD 讀取信息。第6腳:E為LC

54、D1602的使能端,其作用是使能信號,E=1時讀取液晶屏信息,E 為下降沿時執(zhí)行指令,本系統(tǒng)只用到LCD1602的寫入數(shù)據(jù)/指令的功能,因此,使能端為下降沿。第714腳:D0D7為8為LCD1602的雙向數(shù)據(jù)端,本系統(tǒng)只用到LCD1602寫入指令或數(shù)據(jù)的功能,故而D0D7為數(shù)據(jù)輸入端。第1516腳:是空腳或是LCD1602的背光電源,第15腳是背光正極,第16腳是背光負極,第15腳和第16腳可接可不接。2、LCD1602操作指令(1清屏指令表3.3 清屏指令編碼指令功能指令編碼執(zhí)行時間rs r/w db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0 /ms清屏0 0 0 0 0 0

55、 0 0 0 1 1.64該指令功能有:清除液晶屏所有內(nèi)容;光標歸位;將地址計數(shù)器的值設(shè)為015。(2光標歸位指令表3.4 光標歸位指令編碼指令功能指令編碼執(zhí)行時間rs r/w db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0 /ms清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 1 X 1.64該指令功能有:光標撤回顯示屏左上角15;地址計數(shù)器的值設(shè)置為0;保持DDRAM 中的內(nèi)容不變。(3進入模式設(shè)置指令表3.5 進入模式設(shè)置指令編碼指令功能指令編碼執(zhí)行時間rs r/w db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0 /us清屏0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S

56、 40第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計該指令功能為:設(shè)定每輸入1位數(shù)據(jù)后的光標移動方向,且設(shè)定每次寫入的一個字符是否移動15。表3.6 參數(shù)設(shè)定表位名設(shè)置狀態(tài) 0 1I/D 光標左移光標右移S 顯示屏不移動顯示屏整體右移一字符(4顯示開關(guān)控制指令表3.7 顯示開關(guān)控制指令編碼指令功能指令編碼執(zhí)行時間rs r/w db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0 /us清屏0 0 0 0 0 0 1 D C B 40該指令功能為控制顯示器開或者關(guān)、光標顯示或者關(guān)閉以及光標是否閃爍15。表3.8 參數(shù)設(shè)定表位名設(shè)置狀態(tài)0 1D 顯示功能管顯示功能開C 無光標有光標B 光標閃爍光標不閃爍(5設(shè)定顯示屏或光標移動方向指令表3.9 設(shè)定顯示屏或光標移動方向指令編碼指令功能指令編碼執(zhí)行時間rs r/w db7 db6 db5 db4 db3 db2 db1 db0 /us清屏0 0 0 0 0 1 S/C R/L X X 40 該指令的功能為:光