基于单片机的室内智能通风控制系统研究正文Word文档格式.docx

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整个系统由数据采集系统、单片机控制系统和计算机监控系统组成。

系统以单片机SST89E58RD2为核心，以JWSL-2系列壁挂型温湿度传感器等作为测量元件，通过单片机与传感器相连，采集并存储传感器的测量数据。

在单片机系统中，还要实现数据的实时显示、超限语音报警和数据辅助存储功能。

单片机作为监控系统的中心，通过RS232/RS485总线与监控计算机通信，将采集到的数据传输给监控计算机。

监控计算机将单片机传输的数据进行记录、存储和处理，供工作人员浏览、记录和进行相关理。

关键词：

空气品质、单片机、温度、湿度、传感器

ABSTRACT

AtPresent，mostofthedomesticindoorpollutionsituationsareworthanxious.Variousnewbuildingmaterials，decorationmaterialsandcommodityofchemicalenterintoindoorenvironmentandbecomesourcesofpollution.Inaddition,theuseandpopularityofair-conditioningdecreasetheindoorventilationobviously，resultingintheaccumulationofresidentialindoorpollutionandworseindoorairquality.Forallabovethesereasons,mostofourcountry’sbuildingventilatingsituationsbecomerelativelybadandcannotsatisfytherequirementsofourcountry’s”CivilconstructionIndoorenvironmentContaminationcontrolStandard”concernedbasically.

Usually，weimprovetheindoorhotenvironmentandtheairqualitythroughthemachineventilationwhenthenaturalventilationcan’tmeettheneeds.Theindoorenvironmentregulatingsystemonwhichthispaperstudybelongstotheareaoftechnology.Itisafulluseoftheoutdoorenvironmentalconditionsthroughthesurvey、comparison、optimizationofbuildingindoor&

outsidetemperature，humidityandsoon，andthencontrolventilationequipments、thewindowandwindowcurtainandair-condition.Bythisprocess，thesystemcanachievethepurposeofregulatingbuildingindoorenvironmentintellectuallyandimprovetheindoorairquality.

Thissystemusesthehierarchizationandmodulardesign，thewholesystemiscomposedbythedataacquisitionsystem，theMCUcontrolsystemandthecomputersupervisorysystem.ThesystemtakestheMCUSST89E58RD2ascore，JWSL-2-wallseriesoftemperatureandhumiditysensorsasameasuringdevice，captureandstorethesensordatathroughtheconnectionbetweenMCUandsensors.InMCUsystemwehavetorealizethedatarealtimedisplay、warningwhenbeyondthelimitedpronunciationandthedatasupplementarystoragefunction.Asthecenterofcomputermonitoringsystem，MCUcommunicatewithcomputerthroughRS232/RS485systembusandtransmitthecollecteddatetomonitorcomputer.Themonitorcomputerdotherecording、memoryandprocessingjobsforthedatawhichMCUtransmits，andthenthesedataaresuppliedforthestafftobrowse，recordandrelatedprocess.

Keywords:

airquality、MCU、temperature、humidity、senso

中文摘要Ⅰ

ABSTRACTⅡ

1引言1

1.1课题研究目的及其意义1

1.2课题研究主要内容4

1.3本文的组织结构5

2室内空气品质控制6

2.1通风换气技术在我国住宅建筑中的应用6

2.2我国自然通风研究应用的发展方向6

2.3机械通风是解决住宅室内通风的适宜方法6

2.3.1机械通风是解决住宅室内通风的适宜方法6

2.3.2室内机械通风需要解决的问题7

2.4室内机械通风调节控制算法8

2.4.1相关的通风标准8

2.4.2室内机械通风量的估计算法9

2.4.3室内控制品质参数及数学模型9

2.4.4居室机械通风原理10

2.4.5通风系统布置10

2.4.6通风系统运行模式12

2.4.7目前住宅机械通风量的控制策略12

3系统总体设计13

3.1系统总体设计13

3.2系统功能设计14

3.3系统设计原则14

4系统硬件设计15

4.1控制器的硬件框图15

4.2控制器的功能及主要性能指标18

4.3控制器的设计原理20

4.4主控单元20

4.4.1CPU的选择20

4.4.2A/D转换24

4.5入与输出通道26

4.6串行通信模块的设计27

5系统软件设计30

5.1主程序软件流程30

5.1.1初始化程序30

5.1.2主程序30

5.2围设备接口程序31

5.3信程序模块33

5.4上位机界面及系统参数设置34

5.5串口通信实现35

6结论39

参考文献40

附录41

1引言

1.1课题研究目的及其意义

（1）项目的实施将提供有效的节能措施

项目的开发符合我国节约型社会的建设要求，随着我国国民经济的快速发展，能源消费需求大幅增加，能源供需矛盾突出，提高能源利用效率、改善能源环境己经迫在眉睫。

我国自1997年11月出台《中华人民共和国节约能源法》开始，各省市也陆续推出了节能规范、标准、条例和节能实施方案，从节能组织、节能责任、节能措施等多方面进行实施，其中节能技术措施的推广应用是实现节能的重要环节。

目前全国电力能源短缺现象己经成为普遍性问题。

各地政府及企事业单位纷纷想办法节约能源，尤其是电能。

普通老百姓也深刻体会到电力资源紧缺带来的各种不便，节约电力资源成为社会的普遍共识。

同时各地也都采取拉闸限电、峰低谷用电等措施来控制用电量，力求资源的充分利用。

在我国所有能耗中，建筑能耗所占的比例越来越大，占1/3以上，这还未包括那些工业非生产性建筑、通信机房与基站等无人值守的建筑。

在建筑能耗中除必须的电气设备能耗外，主要能耗均用在了改善环境方面。

例如在智能建筑中的能耗中央空调占60%，照明、电梯等其它为40%;

在通信机房与基站能耗中央空调所占的比例也很大，占整个基站与机房电费支出的54%左右。

本控制系统就是针对减少这类建筑能耗而进行的。

（2）项目的实施符合智能建筑的发展趋势

国家标准《智能建筑设计标准》（GB/T50314一2000）对智能建筑定义为“以建筑为平台，兼备建筑设备（BA）、办公自动化（OA）及通信网络系统（CA），集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境”。

智能化建筑需要达到的目的是最大限度地满足使用者的舒适性、操作者的方便性、节能性、管理的高效性和信息化服务。

目前使用中央空调的建筑中，其中央空调的控制系统一般是对整栋建筑所有房间或对某几个划分好的大区域内所有房间进行集中控制，实现集中制冷和通风，往往要热都热、要冷都冷，甚至无人的房间也相同。

很难达到单个房间的人性化调节，造成很大的耗电损失和某种程度的不舒适性。

空调房间里面待久了，难免会有各种“空调病”，而最舒适的还是自然风。

那些使用单体家用空调的建筑，在人员外出或睡眠时候由于对空调的运行与停机和对温湿度、新风等的调节不能实现自动控制，空调不是处于停机状态使室内环境恶劣，就是处于连续运行状态造成无谓的浪费。

另外，通信基站机房在运行时设备会散发出大量的热能，由于通信设备对工作环境的要求较高，现有机房大多采用空调进行机房温度、湿度的制冷调节且机房空调大多被设置为制冷18℃，或者自动24℃，而且部分地区是全年开启浪费的现象较为严重。

诸如此类的场所空调都不能根据季节、室外温度等环境因素的变化而改变自身的工作状态和启动条件，不能远程设定空调的运行状态和启动条件，更不能利用时外的环境条件来改善室内的环境状态，造成了较大的能耗损失。

空调若与其它的散热、送风与排风系统配合起来使用，节能的空间将是很大的，同时也给使用者营造了一个更加舒适的环境。

本控制系统所研制的室内环境智能调节系统就能很好解决室内空气品质，较小能耗损失。

（3）本控制系统的实施有助于加强绿色建筑标准的认证和推广力度

绿色建筑以节能为突破口，全面推进节电、节水、节地、节材，从整体上提升我国建筑的资源节约水平。

本控制系统的时候将有助于改进智能建筑的能耗衡量标准，使绿色建筑标准的认证具体化。

（4）改善家居室内的空气品质

随着科学技术的进步和人们生活水平的提高，越来越多的人开始注重的美观和舒适，室内装修热不断的升温，豪华装饰越来越普遍。

各种新型建筑材料、装修材料日用化学品进入住宅成为室内污染源，但空调的使用和普及使室内通风率比以前明显下降，造成住宅室内污染的累积，致使室内的空气质量严重恶化。

本文所论述的机械通风方式不单纯指厨房和卫生间的短时排风，而是以改善室内空气品质为主要目的的通风方式。

世界卫生组织“健康住宅”标准的巧条里面有8条根室内空气质量有关这些是提高生活品质的主要标志：

节约能源，建筑节能是关系到我国可持续发展的必由之路。

关着窗子要新风，通风还要不耗能，是国内外解决建筑节能的一致目标。

消除室内环境污染，让消费者住上达标房。

近几年，室内环境质量问题引发的业主和开发商之间的纠纷时有发生，成为社会各界关注的焦点，社会要求制定相应法律的呼声日益高涨。

《室内空气质量标准》已经正式发布了我国第一部《室内空气质量标准》（标准号:

GB/T18883一2002）正式发布，并于2003年3月1日正式实施。

该标准与国家标准委以前发布的《民用建筑室内环境污染控制规范》、10种《室内装饰装修材料有害物质限量标准》共同构成了一个比较完整的室内环境污染控制和评价体系，为广大消费者解决室内污染难题提供了有力的依据，也为装饰、餐饮等企业的施工操作提供了规范文件。

通风才是解决室内污染的好办法。

虽然去除空气污染办法有多种，可以减少污染源，可以吸附杀灭，可以过滤和活性炭吸附，在特定场合下这些都是必需的解决方案。

但是室内空气品质专家指出，改善室内空气质量的最有效的办法就是通风。

大自然干万年营造出的新鲜空气人类根本无法复制。

高品质的生活需要的不仅仅是污染达标的空气，而是需要新鲜、洁净、宁静、舒适的空气就像人们喜欢山涧海边的大自然空气一样。

现在呼吸新鲜空气，耳根清静地在室内工作学习和生活，越来越成为都市人可望不可及的奢求。

我国现在是世界第二大能源消耗国家，各种化石能源储藏量十分稀缺，国家领导己经把寻找能源放到了国家战略的重要位置。

另一方面节能是国家可持续发展的必由之路。

我国能源总消费量中，建筑能耗所占的比例已从1978年的10%上升到2001年的27.45%。

并在每年持续大幅度上升。

数据表明我国建筑能耗中有55%是采暖、空调能耗，这是一个极为庞大的数字，酒店、高档写字楼深切感受到暖通能耗在他们运营成本中的份量，通风节能己经变成一个刻不容缓的重大问题。

建筑通风能耗相当于几十个三峡的发电量，非节约不可!

通风节能需要概念创新和技术创新，室内通风不畅是现代城市的普遍现象，建筑通风节能又是缓解能源危机的必由之路。

市场呼唤多元化的室内空气品质解决方案，更呼唤建立通风的新概念和新风行业的迅速发展。

国际上建筑节能的重点都是放在节约采暖和降温的能耗上，因此对与本控制系统类似的产品研制主要是室内通风设备，但是由于进口的室内通风设备价格比较昂贵，在国内一直没有得到大范围推广。

目前，我国每年竣工房屋建筑面积约20亿平方米，新增房屋面积不断扩大。

智能建筑工程的投资己占建筑工程总投资的5%一10%，全国每年智能建筑总投资约几十亿元，甚至达上白亿元，是世界上最大的智能建筑的建设市场。

我国是世界上空调制造和使用的第一大国，每年新增中央空调机组3万多台，新增空调末端设备120万多台，家用空调的使用量更是逐年增长，广东珠三角地区在全国又占首位。

另外，目前我国的移动机房、基站主要使用领域的需求量也很客观为10万套，未来40万套，使用空调的需求量也非常大。

本控制系统产品价格是进口同类进口产品的十分之一，其经济寿命期8-10年，目前处于寿命期的初期阶段，所有有很大的发展空间，其发展趋势显而易见的。

本系统不仅可以与中央空调或单体家用空调进行配合使用，而也可以单独使用，功能可选、系统组成结构可选，灵活方便。

家用式的使用方法和安装，合理的成本，本产品有着广阔的市场前景。

1.2课题研究主要内容

本控制系统所研制的室内环境智能调节系统充分利用自然环境条件，通过对建筑物室内外温度、湿度、风速、光照度等的测量运行、比较、优化，进而控制送风、排风设备和窗及窗帘的状态，配合并联动空调，同时操作系统、设定与修改系统的运行参数及空调的启动条件，达到智能调节建筑物室内环境的目的。

研发的系统适用于多种场合，如使用中央空调的智能建筑（酒店、宾馆、大型写字楼等）、使用家用空调的办公室和住宅、无空调的办公室和住宅、无人值守的通信机房和基站等等多种需要调节室内环境的场所。

本控制系统由监控管理计算机、控制器、遥控器、进风与排风设备、自动化窗及窗帘和温度、湿度、风速、光照度等传感器及软件性构成，为三级结构。

第一级为中央管理计算机（PC机），实现系统的远程监视、报警、显示、存储、记录、操作等功能;

第二级为控制器，采集、处理各类I/O信号，完成系统的控制功能:

第三级为遥控器、传感器和各类风机等设备。

第二级与第三级之间根据设备的不同由串口、1/0接口等实现信号的传递与处理。

本控制系统研究开发的重点内容是系统的硬件设计和软件设计，其中控制器、遥控器等主设备和系统软件为自主研发，其它常规传感器、辅助设备等采用集成的方法实现。

控制器由89E58RD240-C-JE单片机和若干个温度传感器、TLC2543A/D转换器、继电器、报警和电源电路等组成，完成远程数据采集与控制，可以对多个测温点进行测量，温度传感器采集的数据传送给单片机进行数据处理。

监控管理计算机为PC机，主要技术指标:

CPU为PIV0>

=2.6GHZ、>

=80G硬盘、17寸彩色显示器、标准键盘、256MB内存、40XD·

CDROM，集成以太网通信接口。

完成系统的操作、监视、报警、记录、存储和报表生产等管理功能。

1.3本文的组织结构

本论文是围绕室内环境智能调节系统的研究与实现过程展开的。

论文首先对涉及的数据采集及相关硬件设计进行研究探讨，然后对软件系统的设计与实现进行了详细的阐述。

整篇论文组织结构如下:

第一章首先对系统进行整体的叙述，介绍了其现状、研究的意义、组织结构和课题来源。

第二章揭示了国内大部分的建筑室内污染状况堪忧。

并提出了相应的控制算法来计算出室内所需的通风量，进而改善室内空气品质。

第三章对整个系统的总体构架、设计原则及其需要完成的功能做了系统的阐述。

第四章介绍了系统的硬件设计的一些基本原理知识和相关技术。

首先系统的总体解决方案设计的基本内容、系统框图、以及单片机和传感器的选型等。

第五章集中对软件设计进行了具体阐述，包括系统需求分析，下位机软件设计实现、上位机软件设计实现。

第六章总结了本文的成果，最后指出了本文还存在的问题以及今后的研究方向。

2室内空气品质控制

2.1通风换气技术在我国住宅建筑中的应用

“非典”肆虐期间，所有卫生专家都强调，通风是最有效的预防“非典”措施之一。

房屋设计应当能够实现良好的自然通风，但我国仍有不少建筑设计对自然通风未引起应有的重视。

例如，有些居住建筑阳台或窗户密闭，完全依赖空调，有些建筑进深太大，通风脆弱。

目前在中国，大量的民用建筑多是依靠自然通风实现室内的通风换气，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，只能调节室内空气温度和湿度，多数没有通风功能。

目前国内住宅常见的室内换气系统或设备主要有换气扇、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，宜开发推广无动力和有动力的窗用自然通风器。

国家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”，开发旋转式热回收换气系统。

其特点是双向换气，排出室内浊气，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。

2.2我国自然通风研究应用的发展方向

自然通风在我国民居中的应用有着悠久的历史。

我国民居，如北京的四合院、西北地区的窑洞，特别是长江以南地区、广东民居实际上很重视自然通风技术的应用。

民居的门、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。

我国幅员辽阔，跨越了热带、亚热带、温带、亚寒带和寒带五个气候带，特别是亚热带、温带地区完全具备广泛推广自然通风的客观条件。

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。

2.3机械通风是解决住宅室内通风的适宜方法

2.3.1机械通风是解决住宅室内通风的适宜方法

当室内空气污浊或热、湿散发量比较集中不易扩散排除时，开窗是最常用的自然通风方式，但其明显缺点就是通风量不易控制，不能保证室内气候的稳定性、均匀性，受季节和气候因素影响大。

特别是在北方做住宅建筑设计时，设计人员都会考虑各种结构形式以期满足最大的自然通风效果，而现实中有的住宅在“穿堂风”的作用下确实可以达到10次/H或以上的通风换气次数，这可能只为部分房间带来很好的消除余热、余湿通风效果，但其他的重要房间如卧室等可能因为建筑结构的原因而无法得到有效的通风换气。

《采暖通风与空气调节设计规范》规定“建筑物内，放散热、蒸汽或有害物质的生产过程和设备，宜采用局部排风l9]。

当局部排风达不到卫生要求时吗，应采用局部排风或采用全面排风。

设计局部排风或全面排风时，宜采用自然通风。

当自然通风不能满足卫生、环保或生产工艺要求时，应采用机械通风或自然与机械的联合通风。

其次，开窗自然通风风向气流盲目，气流组织无法有效控制紊乱气流可把卫生间和厨房异味带入客厅及卧室，夹带大量灰尘，在影响室内清洁卫生同时无法避免室外噪声污染。

对于高层住宅，由于热压作用顶部房间即使开窗也只有出气而没有进风，使下层的污浊空气涌进，反而加剧污染。

特别是近几年，在一些大中城市，住宅越来越密集，由汽车尾气所带来CO2、CO、NOx、烟尘，由建筑施工所带来的可吸入颗粒物，由植物所带来的可引起过敏症状的花粉，由工业排放所带来的各种有害气体及粉尘，使得室外空气质量达

到大气环境质量标准的要求，影响室内空气质量。

最后，开窗通风在某些场所会带来严重的噪声污染。

在交通主干道（公路、铁路和机场）周边，由于高强度的噪声污染，根本无法采用此方法实现室内通风换气。

即使不在强噪声源附近，邻里之间的开窗换气造成的声污染也会彼此干扰，影响正常的生活。

所以通过开窗进行自然通风，只能进行间歇的换气，实在不是一种理想的住宅通风换气的方式，而且在北方等严寒地域，冬季的开窗还会造成大量的能源浪费。

通过上述研究可得知，随着建筑节能的发展，住宅的密闭性越来越好，仅仅靠自然通风已经无法满足人们对于室内空气品质的要求，根据国外建筑科学的发展规律，住宅机械通风，或自然与机械结合的通风将成为解决室内空气品质的主要手段。

2.3.2室内机械通风需要解决的问题

住宅是人类重要的生存场所，人们每天要有一半以上的时间生活在住宅中，室内的环境状况与人的关系重大。

空气是人类生存的基本物质，室内的空气品质，直接影响着人的身体健康，是不可忽视的重要因素。

随着人们生活水平的日益提高，人们对居室的空气品质的要求也将越来越高，自然通风由于受各种条件和房型设计的限制，可靠性较低，不能满足住宅全面通风的要求。

因此，居室利用有组织的机械通风将势在必行。

通过对住宅各种通风方式的研究可得知，住宅采用自然通风并不是改善室内空气品质的有效手段。

自然通风会受到