基于单片机的室内智能通风控制系统的研究

基于单片机的室内智能通风控制系统的研究内容摘要：

系统主程序，同时对主要元器件的软件设计进行了具体阐述。 第六章：介绍在调试过程中遇到的问题及解决的方法，同时进行了系统抗干扰分析。 第七章：总结了本文的设计成果，指出了本文设计的系统中仍然存在的问题以及今后的研究方向。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 51 页 2 室内空气品质研究 国内外在室内通风换气方面的研究 我们所知道的 ―密闭建筑综合症 ‖的根本原因就是通风不够，因此国外大型建筑非常强调通风效果。 但国外的建筑通风也有一个从单纯的温度调节到空气环境品质综合改善的一个过程。 起初，国外建筑的通风量都很大，但随着能源危机的影响，为了节约能源，在公共建筑的空调通风系统中增加回风量，降低新风量装置，很快又出现严重的建筑室内空气质量问题，问题暴露以后，人们又重新修订新风量的标准，这样，欧美国家才改善了建筑通风效果。 除了单体单户低层住宅建筑以外，国外的多层和高层集中住宅都依赖机械通风。 这与我国的情况恰成 鲜明对比，国内的高层公寓基本上还是靠自然通风。 各家各户自行安装的空调产品，也大多没有通风功能，只能调节室内空气温度和湿度。 而在国外，一些低层单户的单体建筑也在使用带有热回收性能的机械通风设施。 特别是随着建筑材料的进步，建筑节能技术水平和建筑规范的提高，建筑围护结构的密闭性越来越好，这也让室内空气环境品质越来越需要机械通风。 北欧、北美的建筑大多采用机械通风。 目前在国内，大多数的民用建筑是依靠自然通风实现室内的通风换气，高层公寓基本上也还是靠自然通风。 各户安装 的空调只能调节室内空气温度和湿度，多数都没有通风功能。 目前国内住宅常见的室内换气设备主要有换气扇、吸油烟机、通风器等，通过机械强制排气的方式，排除室内污染的空气 (烟气、燃烧废气、臭气、水蒸气、二氧化碳等 )，对室内进行全面或局部换气。 在冬季采暖和夏季制冷期间，由于外窗密闭，宜推广窗用自然通风器。 国家的住宅工程中心与北京斯特灵换气设备有限公司共建 ―住宅室内换气系统研发试验基地 ，开发了旋转式热回收换气系统。 其特点是双向换气，不仅能够排出室内浊气，还能送入净化后的室外新鲜空气，节能效果显著，室内温度稳定，维护简 便，清洗容易。 我国自然通风研究应用的发展方向 自然通风是重要的生态建筑观念。 从生态学的观念来说，利用自然条件和人工构筑，积极地顺应和组织自然风的流动，以实现建筑的自然通风。 如果要需要使用能源，则尽量从太阳能、风能等资源中获取。 在当今生态建筑中，自然通风是普遍采用的更健康、更廉价的技术措施。 它可以为人类提供新鲜清洁的空气，不仅有利于人的生理健康，满足人与自然接近的心理需求，同时节约了能源，保护了生态环境。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 51 页 自然通风在我国民 居应用中有着悠久的历史，民居门窗的位置，建筑朝向及建筑格局等方面无一不体现着利用自然通风改善居室热湿环境的思想，另外我国能源短缺且空调系统能耗较大，发展自然通风是我国可持续发展的战略之一。 2020 年在我国 ―非典 ‖的出现，更要求在建筑中使用自然通风保证室内空气的品质。 机械通风是解决住宅室内通风的适宜方法 室内需要的新风量，自然通风能够解决室内通风量的问题。 但是，自然通风会受到地域气候、住宅结构等多重因素的影响，通风气流组织无法有效控制，即使开窗也无法使住宅各房间获得稳定、均匀的有效通风量，各住宅的 通风换气水平很不平均。 机械通风是使室外新鲜空气首先进入起居室、卧室等人员主要活动、休息场所，然后从厨房、卫生间排出到室外。 这种通风方式保持了全天 24 小时有组织地、定量地连续通风，既保证厨房、卫生间使用时的通风量，又要满足人们日常生活需要的新风量。 综上所述，真正能够改善室内空气品质还需要采用机械通风的有组织通风方式。 住宅机械通风有很多种，但经研究发现，采用 ―自然进风机械排风 ‖的独立机械通风方式更符合我国国情，而且便于推广使用。 该通风方式可以有组织地对住宅进行送风、排风，使得各房间获得稳定、有效的通风换气量。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 51 页 3 系统方案设计 系统总体方案设计 所研究的系统适用于多种场合，如使用中央空调的智能建筑 (宾馆、大型写字楼等 )、使用家用空调的办公室和住宅、无空调的办公室等多种需要调节室内环境的场所。 本文介绍的控制系统的重点内容是系统的硬件设计和软件设计。 本次设计以 ATmega32L 芯片为控制核心，温度，湿度等传感器为环境信息采集源，来制作一个室内智能通风控制系统。 在原有的机械式按键开关的基础上，实时控制通风设备（如空调，加湿器，风机等）。 此外在本次设计中，采用多种传感器结合，智能将各个传感 器采集回的数据进处理、比较，依据实际测量的环境控制通风设备，如自动开关风机，智能调节空调开停等，并提供报警显示。 图 3 . 1 系统总体方案设计 系统主要单元模块方案选择及论证 方案一：采用 XC9000 系列的 FPGA。 该类器件具有并行处理能力，能快速的响应外部的各种数字信号，但在数据处理方面过于复杂，而且芯片价格较昂贵。 方案二：采用单片机作为控制核心，单片机数学运算功能较强。 在程序相互调用方面，处理方便灵活，性 能稳定，适合实际应用。 且单片机技术发展较为成熟，价格便宜。 基于以上分析，采用单片机控制可更为简便灵活地实现系统功能，故拟采用方案二。 A T m a g e 3 25 V 电 源 供 电键 盘 输 入温 度 检 测湿 度 检 测光 强 检 测风 速 检 测报 警 电 路Ｌ Ｃ Ｄ 显 示执 行 机 构模 拟 空 间检 测 相 关 参 数 控 制 通 风 设 备桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 51 页 方案一：选用 DHT11 作为温湿度检测模块。 DHT11 是一款数字输出的复合传感器，包含一个电阻式感湿元件和 NTC 式温度检测元件，可测 20%~90%RH 湿度，误差177。 5%RH， 0~50℃ ，误差 177。 2 ℃。 方案二：选用 DS18B20 温度传感器和 DHT11 湿度传感器。 DS18B20 是一线式数字温度传感器，具有独特的单线式接口方式，其测量范围在－ 55℃ ～ 125℃ ，在－ 10℃ ～+85℃ 时精度为 177。 ℃ ，而最高精度则可达 ℃。 由方案一中数据可知， DHT11 是数字式湿度传感器，可测相对湿度范围在 20%~90%RH 湿度，误差 177。 5%RH。 从设计要求的精度来看，本方案更优。 综上所述，虽然方案一具有综合作用，但是方案二的测试范围和精度都优于方案一，故本模块采用方案二。 方案一：采用风速仪，通过记录风速仪上的叶片因风速作用转动而引起的脉冲数，再通过程序转换成叶片的转圈数，进而将其换算成风速，将信号接入计算机，实现风速的数据回放或曲线显示。 这样的风速采集系统虽然原理简单，成本不高，但其最大的缺陷是采集系统过于体积庞大、机动性差，对于需要测量多点风速的场合并不适用。 因此，传统的风速采集系统由于不具备便携性而无法应用于多点风速采集测量的场合。 方案二：采用脉冲式风速测量传感器。 其工作原理是风速带动感应元件（叶片）转动，叶片转动引发光电编码器输出脉冲信号，通过对单位时间内脉冲信号的计数，进而实现风速的测量。 脉冲式风速传感器最大的优点是不仅原理简单、体积小、质量小，而且能够将风速模拟量直接转换成电子脉冲数。 将其与单片机相连，只需 在程序中建立―数 ‖脉冲的程序，就能够方便地实现风速的测量，省去了一般风速传感器还需要配置的A/D 转换模块的程序，大大提高了检测装置的便携性。 基于上述分析，采用脉冲式风速测量传感器可以进行多点测量，更灵活地实现系统功能，故本模块采用方案二。 方案一：采用光敏三极管。 光敏三极管是利用硅 PN 结的光电效应制成的。 在使用时，其基极通常开路，基极－集电极产生的光感生电流直接馈入基极，并被光敏三极管自己所放大，因此它的灵敏度比光敏二极管大得多，通常要大 100 多倍。 由于光敏三极管对光强 太过敏感，很容易进入非线性区，使测量的值严重失真。 方案二：采用光敏二极管。 光敏二极管利用自身产生的电流随光照增强的线性特性输出模拟采样电压，电压通过模数转换器将模拟信号转换为数字信号，最后数字信号通过输送给单片机。 由于光敏二极管具有线性好、响应速度快的特点，从而提高了电路的桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 51 页 响应速度以及灵敏度高。 但是单独使用时输出电流（或电压）很小，需要加放大电路将采样电压进一步放大，而加入运放环节会由于运放的零漂和易受温度影响使得电路稳定性降低，误差增大。 方案三：采用光敏电阻。 利用光敏电阻受光照后，其阻值变小的原理， 感知光强。 采用光敏电阻作为光照传感器，进行模拟电压采样，通过 ADC 数模转换器将模拟信号转换为数字信号传送到单片机中，简单可行，成本造价低。 总的来说，光敏电阻具有反应速度快、体积小、灵敏度高、可靠性好、光谱特性等特点。 但是光敏电阻工作时的容易受温度影响，且由于光敏电阻的光照特性不是线性的，在测量光学参量时需要先对所用光源测出其光照特性曲线图，然后根据此图查出光强的变化情况，才可对光学参量进行计算，处理数据稍微复杂。 基于以上分析，综合考虑本模块选用方案三。 方案一：采用 12864 液晶模块显示测得的数据，可显示较多组的数据，字体较大，可清晰读数。 方案二：采用 1602 液晶模块显示所测数据， 1602 液晶接线简单方便，但不能满足多组数据的显示需要。 综上所述，显示模块选择方案一。 方案一：采用独立式按键接口设计。 它的优点是电路配置灵活，软件实现简单，缺点是每个按键需要占用一根口线，若按键数量较多，资源浪费将比较严重，电路结构也变得复杂。 因此本方法主要用于按键较少或对操作速度要求较高的场合。 方案二：采用专用键盘处理芯片。 它的一般功能比较完善，芯片本 身能够完成对按键的编码、扫描、消抖和重键等问题的处理，有些甚至还集成了显示接口功能。 具有可靠性高，接口简单，使用方便等优点，适合处理按键较多的情况。 但考虑成本因素，该方法并不是最佳选择。 方案三：采用矩阵式按键设计。 该法适应于按键数量较多，但又不想使用专用键盘芯片的场合。 其优点就是相对于独立接口方式可以节省很多 I/ O 资源，相对于专用芯片式可以节省成本，且更为灵活。 缺点就是需要用软件处理消抖、重键等问题。 综上所述，输入模块选择方案一。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 51 页 4 系统硬件设计 本次的题目涉及到多个参数的测量，要运用到 不少的元器件，因此，将其划分成一个个电路模块，分别有由 ATmega32L 单片机构成的最小系统、显示模块（ 12864 液晶显示器）、报警模块（蜂鸣器）、温度测量模块、湿度测量模块、风速检测模块以及光强检测模块。 主控电路 本节主要介绍 CPU 的选择及其相关参数和最小系统中各个引脚接线的设置。 CPU的选择 单片机实际上就是把 CPU、 RAM、 ROM、定时器 /计数器、 I/O 接口电路等微型机的主要部件集成在一块芯片上，因此称之为单片机。 由于它具有体积小、性价比高、耗电少、可靠性高、易于掌握和使用等 特点，所以现在单片机不仅占领了原来实用小型机的各个领域，而且广泛应用于过程控制等场合。 此外，还可应用于过去计算机无法深入的方面，如测量仪器、教学装置、医疗设备、家用电器等。 我们平时学习中接触最多的要属 51 系列的普通型单片机，而大多数人更是以郭天祥老师的《新概念 51 单片机 C 语言教程 ——入门、提高、开发、拓展全攻略》作为启蒙教材，若需要继续专研，则是接着深入学习以 ATmega16 为基础的 AVR 系列的单片机。 因此，在这里主要对这两种类型的单片机进行介绍、对比与选择。 （ 1） 51 系列的普通型单片机 51 单片机从内 部的硬件到软件有一套完整的位处理器。 且它的 I/O 脚的设置和使用也相对简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各 I/O 口均置高电平）。 但是， 51 单片机也存在进行乘法和除法运算时精度不高、 I/O 口输出时无驱动能力、当晶振频率为 12MHz 时运行速度慢、体积大、 ROM 少等缺点。 （ 2） AVR 系列的单片机 总的来说， AVR 单片机具有以下特点： ① 速度快，每秒钟可以执行百万条指令。 51单片机的内部时钟需要经过 12 分频，而 AVR 单片机不需要经过分频，所以从长久意义上来说， AVR 单片机要比 51 单片机的执行 指令的速度快 12 倍。 ② 片上资源丰富。 ③ 驱动能力强。 其 I/O 口输入输出电流达到 20mA，这么大的电流足可以驱动发光二级管、数码管、继电器等等。 ④ 功耗低。 在完成相同功能的情况下，要比其他单片机消耗的能量少一些。 ⑤ 可选择型号种类多。 AVR 单片机有。