智能温控器在智能家居中的应用及硬件实现-综合自动化本科毕业设计论文

智能温控器在智能家居中的应用及硬件实现-综合自动化本科毕业设计论文内容摘要：

业内人士预测，强者愈强，弱者被淘汰的局面，在未来 10 年内表现更加激烈 [11]。 现如今很多带有温湿度控制产品中，有冷链监测 (物联网 )系统 [12]、冷链温湿度控制器、温湿度记录仪、冷库电气控制箱、温湿度环境测量仪、空气能热泵控制器、车用空调控制器等，这些都应用于不同领域和处所。 控制温湿度的主要目的是解决基于冷链的运行需要，实现对冷链各个环节的温湿度进行精准监控，温湿度异常报警。 各种厨房柜、饮料柜、展示柜、医疗柜、冷冻冷藏 柜等制冷系统的温湿度控制等。 然而对于零距离温湿度的控制是远远不够的，因此在温湿度控制中加入远程监控功能，即无线传输系统是必然的。 有一种远程监控是通过通信模块和控制器把互联网和设备连成物联网，并可用于集中监控，无需网络。 其特点是提供设备运行控制，预警，报警，记录等功能。 通过互联网可以对设备进行实时监测和实时控制，无需再在多个工地奔走劳碌。 定时记录运行和操作参数，给维护和性能分析提供数据依据，让任何问题都有证可循。 通过手机 [13]和网页两种方式及时发送设备故障信息，极大降低人工运维成本，减少损失和赔偿。 无需另 外安装软件，只需能上网的计算机或手机，即可乐享远程监控的带给您的便利。 因此，文献 [14]中的工业温湿度控制器，完全可以加以改进，添加无线传输系统，并运用到智能家居中。 添加相应的报警功能，当某电器或者室温超过原有所规定范围外时可以启动报警器甚至可以远程传输给房子主人的手机或者电脑。 实现人们虽然远离房屋，但任然对房屋中的状况一清二楚，方便快捷。 使原本静止的家居环境变为可移动的智慧的智能化住宅。 再细致化到 家庭用于养鱼观赏用的鱼缸中的智能温控调节系统 ,在文献 [15]中采用的是工业中最常用的 PID 控制 算法。 通过改 进，房屋主人即使不在家中，也可以对家中观赏鱼的周围环境了如指掌，养鱼会变得方便多了。 还可以根据不同鱼的习性设置不同的温湿度，并通过移动终端或者互联网随时随地控制。 在欧洲绝很多情况的温控器被用于壁挂炉必配件 [16,17]，而且配备的温控器大多是智能型温控器。 而在国内，已安装在运行和正在安装调试准备投入使用的壁挂炉近 95%的都有配备各种各样的简易型的或智能型的温湿度控制器。 而房间温湿度采集系统中配备的温控器尤其是智能温控器，是节能温湿度采集综合体系中一个极为突出的最重要的环节。 总结：由以上内容分析，适合国内 的温湿度采集系统需要具备的性能有温湿度的采xx 工业大学本科毕业设计论文 8 集，无线传输，节能环保，数据的实时收集和分析。 本文将着重这几个性能来设计一套完整的无线温湿度采集系统。 本论文主要研究内容和章节安排 本论文主要实现基于 DHT11传感器的温湿度实时采集的硬件电路设计及软件驱动设计。 该温湿度采集系统使用搭载四旋翼飞行器的方式，可以用来动态测量整个楼宇区域的温湿度分布，为整个楼宇或是测量区域提供可靠的温湿度数据，促进楼宇采暖系统的智能化和精准化，论文包括以下六个章节。 第一章 ：绪论 该章重点介绍智能温湿度控制器的研究背景与意义 、国内外温控器当前的发展情况和具体应用案例，并给出本论文的主要章节安排。 第二章： F450四旋翼飞行器系统架构 该章主要讲述了飞行器组成结构、飞行原理、飞行测试，搭建样机过程中遇到的问题以及解决方案。 第三章：温湿度采集系统的硬件设计 该章详细介绍了温湿度采集与显示系统的硬件实现方案、电路设计思想以及各个电子元器件的选择与优点。 实现温湿度的采集，数据的包装和发送，基于蓝牙的无线传输，电脑终端接收实时数据等。 同时也介绍了硬件实现中所遇到的问题以及解决方案。 第四章： 基于 DHT11 温湿度采集系统的软件驱动设计 该章详细说明了 DHT11 温湿度采集系统的软件驱动，其中包括 DHT11传感器的时序介绍，程序流程图以及基于 C语音的温湿度读取程序。 第五章： 温湿度显示系统人机软件界面简介 该章简单阐述了温湿度采集与显示系统软件部分的设计思想、功能模块以及具体实现过程。 基于 C开发语言，设计串口通信程序，实现数据接收、显示、绘图、导出等功能，细化到各个功能模块具体实现方式。 第六章：总结 总结本论文所做的工作，讨论当前设计的不足和展望后续可能实现的功能。 xx 工业大学本科毕业设计论文 9 第 2 章 F450 四旋翼飞行器系统架构 本文使用 四旋翼飞行器为平台，搭载温湿度采集系统，用来更方便地动态测量整个被测量空间的温湿度数值。 F450 四旋翼 飞行器的基本结构 对于经典的四旋翼飞行器，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，对角的两个旋翼的旋转方向必须一致，处于邻角位置的两个旋翼的旋转方向必须相反（其原因将在 23中详细介绍）。 四个电机对称地安装在飞行器的支架端，支架中间的空间安放飞行控制器和外部设备。 结构形式如图 21所示。 图 21 F450 四旋翼飞行器结构框图 相比较传统直升机而言， F450四旋翼飞行器大大简化了整体机械构造，加强了用户实际操作性能，具有响应快、效率高、速度快等特色，保证 F450四轴飞行器实现垂直升xx 工业大学本科毕业设计论文 10 降、空中悬停、倒飞等固定翼飞行器所无法实现的功能。 常 用于各类航拍项目如高压电线检测、电视节目拍摄等。 图 22为四旋翼飞行器的遥控器和无线数传。 图 22 遥控器与无线数传 F450 四旋翼 飞行器的工作原理 四旋翼飞行器通过控制四个电机的旋转速度来改变旋翼（螺旋桨）的旋转速度，实现四个旋翼升力的不同变化，从而控制飞行器的姿态和位置。 四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直升降机，但由于该飞行器以四个输入力，控制着六个状态输出，所以它又属于欠驱动系统类型。 四旋翼飞行器的电机 1和电机 3逆时针旋转的同时，电机 2和电机 4顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行 时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。 在图 21中，电机 1和电机 3作逆时针旋转，电机 2和电机 4作顺时针旋转，规定沿 x轴正方向运动称为向前运动，箭头在旋翼的运动平面上方表示此电机转速提高，在下方表示此电机转速下降。 （ 1）垂直运动：同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四旋翼飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿 z轴的垂直运动。 当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时， 飞行器便保持悬停状态。 （ 2）俯仰运动：在图 23（ b）中，电机 1的转速上升，电机 3 的转速下降（改变量大小应相等），电机 电机 4的转速保持不变。 由于旋翼 1的升力上升，旋翼 3的升力下xx 工业大学本科毕业设计论文 11 降，产生的不平衡力矩使机身绕 y轴旋转，同理，当电机 1的转速下降，电机 3的转速上升，机身便绕 y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。 （ 3）滚转运动：与图 23（ b）的原理相同，在图 23（ c）中，改变电机 2和电机 4的 转速，保持电机 1和电机 3的转速不变，则可使机身绕 x轴旋转（正向和反向），实现飞行器的滚转运动。 （ 4）偏航运动：旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。 反扭矩的大小与旋翼转速有关，当四个电机转速相同时，四个旋翼产生的反扭矩相互平衡，四旋翼飞行器不发生转动；当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。 在图 23（ d）中，当电机 1和电机 3的转速上升，电机 2和电机 4的转速下降时，旋翼 1和旋翼 3对机身的反扭矩大于旋翼 2和旋翼 4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴 转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 电机 3的转向相反。 图 23 四旋翼飞行器眼各自由度的运动 F450 四旋翼 飞行器的 搭建与调试 因多旋翼飞行器构造简单，相对直升机调试容易，对 飞手基础知识要求大大降低，xx 工业大学本科毕业设计论文 12 导致近年航模在拍摄领域的流行。 与此同时，因为飞行门槛降低，很多不具备足够经验的新手在安装多旋翼飞行器过程中缺乏相关知识，摔机事故频发。 某些调试盲点甚至是已入模多年的模友也难以避免。 通常，在组装调试四旋翼无人机的过程中应注意以下几点。 首先，螺旋桨要采用正反桨的方式。 这主要是由于四旋翼飞行器需要安装 4个旋翼，在组装过程中，处于对角的两个旋翼的旋转方向必须一致，处于邻角位置的两个旋翼的旋转方向必须相反，这样可以保证 F450四旋翼飞行器实现垂直升降、空中悬停、倒飞等固定翼飞行器所无法实现 的功能。 其次是电调，电调充当了变压器的作用，将 5V为飞控板和接收器供电。 电调的品牌有好盈、银燕、新西达、中特威等，电调的做工精确度对飞行有重要影响。 然后是电池，一块电池飞行时间大概 1015分钟（悬停省电，做动作会耗电），属于易耗品。 选好所有配件安装完成后（如表 21四旋翼飞行器配件），飞控接上电也并不是马上可以起飞的，通常需要解锁，这是出于安全考虑的特殊设计。 通上电，飞控板上的灯处于关闭状态，可以听到电调发出的滴滴声，这时将油门打到最低（注意油门方向，需要实现确定是设置的向上为最 低，还是向下为最低），然后方向舵向右扳到底，飞控板的灯就会亮，电调也不会再继续发声，说明飞行器已准备好起飞。 表 21 四旋翼飞行器配件 配件名称 型号 数量 机架 DJI 风火轮 F450 机架 1 电调 好盈 Hobby 铂金 Platinum 30A 4 机架 高脚架 Dji 风火轮 F450 机架 原装脚架 6 电机 Sunnysky X2212 KV980 4 T 插头 公母 防滑 T 插 10 锂电池 格式 ACE 2200mAh 3S 25C 2 PIXHAWK 飞控 PIXHAWK 飞控套 餐五 1 正反螺旋桨 APC 1047 4 xx 工业大学本科毕业设计论文 13 我们在搭建过程中遇到如下几个问题，针对各个问题查找资料，分别找到了相应的解决方案。 第一个遇到的问题是 F450四轴飞行器通过 USB数据线连接地面站后， GPS无法正常定位。 其解决方案是发现学校室内信号较差，拿到空旷的露天场地后完美解决； 第二个问题是 F450组装完成后在进行陀螺仪校准时，无法校准成功。 其解决方案是由于 PixHawk飞控内置有 GPS，所以进行校准时，可以只选一个 GPS，本次课题设计中，我们选用外接 GPS模块； 第三个问题是 F450四轴飞行器解锁后 起飞时立即倒向一边，无法正常起飞。 我们发现这是由于固件版本不能完美兼容造成的。 其解决方案是给 PixHawk飞控重新载入最新的固件，从而解决该问题。 图 24 四旋翼无人机搭建过程 F450 实地试飞 在实际试飞前，将指南针、陀螺仪进行校准，敏感度调整、电调参数、遥控器一并设置好，先在电脑上进行软件模拟试飞（防止第一次实际试飞出错），熟悉遥控器操作后选择一个空旷地（本次测试在浙工大向日葵花地）进行实地试飞，轻推油门， F450四旋翼飞行器平稳起飞，并依据遥控器指令完成悬停、定高飞行、升高飞行 等操作，并拍下视频，基本完成课题要求。 图 25 为四旋翼飞行器定点悬停，图 26 为 F450 飞行器静态图。 xx 工业大学本科毕业设计论文 14 图 25 450 实地试飞定高悬停 图 26 450 实地试飞静态图 本章总结 本章节介绍了 F450 四轴飞行器的基本结构和工作原理，完成了搭建与调试四旋翼飞行器，通过遇到问题、解决问题的方式，加强了自身对四旋翼飞行器具体运作的认识，积累了实际经验，增加了动手能力。 xx 工业大学本科毕业设计论文 15 第 3 章 温湿度采集系统 的 硬件 设计 温湿度采集系统的各部分硬件选取 该温湿度采集系统既可以使用电池供 电，也可以使用固定电源供电，例如在使用USB 接口的情况下可以由电脑供电也可使用手机充电器或是移动电源供电。 本无线温湿度采集系统选用了 STC89C51 单片机、 HC05 主从机一体蓝牙模块、 DTH11 温湿度传感器、 LCM1602 液晶显示屏 4 个主要元器件。 这 4 个元器件属于低功耗器件，这样的选取保证了温湿度采集系统在工作时采集到的数据更加精确标准，降低了电池的消耗使四旋翼飞行器的续航能力更久，同时减小了整个系统的体积，使其更易安装在四旋翼飞行器上便于飞行器携带，这样的硬件选取在降低成本的同时提高了性价比 [18]。 STC89C51 单片机 STC89C51 单片机属于 STC 系列单片机，是美国 STC 公司所推出的新型以 51 为内核的单片机。 该单片机采用了 8051 核的 ISP（ In System Programming）系统可编程芯片，该芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，充分体现了系统可编程（ ISP）特性，通过配合 PC 端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，。