基于单片机的室内智能通风控制系统设计论文.docx
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基于单片机的室内智能通风控制系统设计论文
天津职业技术师范大学
TianjinUniversityofTechnologyandEducation
毕业设计
专业：
电气技术教育
班级学号:
电气0812班—3号
学生姓名:
陈晓艳
指导教师：
张国香教授
二〇一三年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
基于单片机的室内智能通风控制系统设计
DesignofIndoorIntelligentVentilationControlSystemBasedonMCU
专业班级:
电气0812班
学生姓名：
陈晓艳
指导教师：
张国香教授
学院：
自动化与电气工程学院
2013年6月
摘要
目前，国内大部分住宅室内的污染状况令人担忧。
室内空气污染不仅破坏人们的工作和生活环境，而且直接威胁着人们的身体健康.新型的建筑材料带来的日用化学品进入住宅,成为室内严重的污染源;另外,空调的普及使室内通风率明显的下降。
这些都造成了室内污染的累积，导致室内的空气质量严重恶化.由于上述种种原因，造成我国大部分居住建筑的通风状况相对较差，基本上不能满足我国《室内空气标准》的有关规定.
在自然通风不能满足需要的时候，往往可以通过机械通风方式来改善室内的热环境和空气质量。
论文所研究的室内环境调节系统充分利用温度传感器模块实现智能检测当前环境温度,通过对建筑物室内温度，进而控制送风设备，达到智能调节建筑物室内环境的目的,以此改善室内空气品质,使人们在室内居住的环境更加舒适。
本系统采用层次化、模块化设计。
整个系统由数据采集系统、单片机控制系统组成。
系统以单片机AT89S52为核心，以DS18B20系列温度传感器等作为测量元件，通过单片机与传感器相连，达到测温控制电机风扇的系统。
此系统描述了测温传感器DS18B20与单片机的硬件连接，软件编程设计和各个模块系统进行了分析。
此系统可以实时对温度的测量和显示,可通过红外遥控进行需要通风的温度设置.此系统使用起来非常方便、体积小、灵敏度较高、节能、成本低等优点。
关键词：
空气品质；单片机;温度；传感器
ABSTRACT
Currently,mosthouses'indoorpollutionisadisturbingproblem。
Indoorairpollutionnotonlydestroypeople’sworkingandlivingenvironment，butalsothreattopeople'shealth。
Newbuildingmaterialsbroughtchemicalsintothehouseandbecomethemostseriousindoorpollution,Inaddition,thepopularizationoftheair—conditionerdecreasedtheroomventilationsignificantly。
Theseallresultedtotheaccumulationofindoorpollution,ledtoseriousdeteriorationofindoorairquality。
Allthesereasonsresultedtheworseventilationconditionofmostbuildingsinourcountry,andbasicallycannotmeettherelevantprovisionsofChina's”indoorairqualitystandards."
Whennaturalventilationcannotmeetourneed，weoftenusemechanicalventilationtoimprovetheindoorthermalenvironmentandairquality。
Theenvironmentregulatingsysteminthispapermakefulluseoftemperaturesensormoduletorealizetheintelligentdetectionofthecurrenttemperature，throughthetemperaturetestinbuildings，wecancontroltheairsupplyequipmenttomonitortheindoorenvironmentofbuildingsintelligentlyinordertoimproveindoorairquality，sothatcomfortthelivingenvironmentindoors。
Thesystemusesahierarchicalandmodulardesign。
Thewholesystemconsistsdataacquisitionsystemandmicroprocessorcontrolsystem.MCUAT89S52isthecoreofthesystem,andDS18B20seriesoftemperaturesensorsisthemeasureelement.Throughtheconnectionofmicrocontrollerandthesensors，wecanachievetomeasurethetemperatureoffanmotorcontrolsystem.ThissystemdescribesthehardwareconnectionofthetemperaturesensorDS18B20andtheMCU,analyzedthesoftwaredesignandprogrammingeachmodulesystem。
Thissystemcanbereal-timetemperaturemeasurementandthedisplaycanbeperformedviatheinfraredremotecontroltosetthetemperatureofair。
Thissystemhassmallsize,highsensitivity,lowcost,energy-savinganditiseasytouse。
KeyWords:
Airquality；Microcontroller；Temperature;Sensor
1绪论
1.1课题研究的目的及意义
（1）设计的实施将提供有效的节能措施
设计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发展，能源消费需求增加，能源供需矛盾非常突出，提高能源利用效率、改善能源环境己经迫在眉睫.
我国现在是世界第二大能源消耗国家，国家领导已经把寻找能源放到了国家战略的重要位置.节能是国家可持续发展的必由之路。
据调查，在高层空调建筑全年总电耗中，新风能耗占到15％～25%，因此，减少新风负荷在当前提倡建筑节能的形势下非常有重要。
居室空气的健康和建筑通风的节能是现代健康住宅的两个核心问题,它是关系到人民生活质量的进一步提高和国家可持续发展的重大问题。
（2）设计的实施符合智能建筑发展趋势
世界卫生组织“健康住宅"标准的15条里面有8条跟室内空气质量有关，这些是提高生活品质的重要标志;节约能源，建筑节能关系到国家可持续发展的必经之路。
关着窗子要新风,通风还要不耗能！
这是摆在我们面前一个大难题。
（3）室内污染的危害
2003年的非典，人们还无法忘记。
“预防非典，通风比消毒还有用”，这是在非典时期获得的经验。
现在非典已经浮出了我们的生活,然而生物污染问题并没有走远。
一些致病微生物通过空气传播的现象很猖獗，形成“室内生物污染"。
通风不流畅，包括装修产生污染物等不易扩散和稀释，从而对人体健康带来不利的影响。
办公设备、家具等也在排放大量的有害气体。
这些是化学污染.
都市中室外空气中的粉尘、花粉、飘絮、噪声，室内湿气、异味、烟气也让渴望高品质生活的人越来越难以忍受,马路越修越宽，机动车越来越多，日夜川流不息，开窗通风获得新鲜空气需要付出更高的代价。
这些是物理污染.
美国《预防医学》杂志报道,在家里所接触的污染物远比外面多，从重金属到各种挥发性有机化学物质都有。
据美国环保署进行的相关研究显示，一般人在家中接触到致癌因子的几率出现了历史新高，比在室外时的要高出5―70倍.
最近，北京市卫生局对部分住宅区和写字楼的抽检表明，新装修后居室甲醛含量普遍超标，最高者竟超标73倍!
世界卫生组织日前公布的报告中已将室内空气污染与高血压、胆固醇过高症、肥胖症等一起列入了人类健康的10大杀手黑名单之中。
根据2003年3月1号起施行的《国家室内空气质量标准GBT18883—2002》规定：
每人每小时30立方米新鲜空气.
（4）改善家居室内的空气质量
通风才是解决室内污染的好办法，在生活中我们虽然可以找到很多方法减少室内空气污染,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。
自然通风，从前不是什么问题。
如果自然环境好，室外空气新鲜、没有噪声和灰尘，室内外温差不大，自然通风是最好的室内空气健康解决办法.
但是,随着城市化的发展和人们生活水平的提高，开窗通风现在变成了一个矛盾重重的重要问题.
窗外马路噪声越来越严重,我们怎么自救？
室内空气污染威胁着我们的健康，风沙、灰尘、飘絮让无数注重生活品质的家庭主妇头疼;更重要的是加上很多建筑的设计缺陷本身就没有穿堂风，自然通风越来越少。
这一切放在一起就使得是否开窗通风这个在过去不是问题的问题变成了一个难解的矛盾。
看似简单的通风,成为一个关系到人们呼吸健康和国家可持续发展的大问题。
1。
2课题研究的主要内容
（1）温度的测量，由温度传感器DS18B20测量室内的温度,将测量的温度与设置的温度值进行对比.
（2）显示，将室内的温度显示到八段数码管上。
（3）控制部分，将测量的温度与设置的上下限温度进行对比后，如果高于设置的上限温度时驱动风机动作进行通风，如果低于设置的下限温度时进行加热。
（4）红外遥控，在对上下限温度进行设置时可以用按键进行设置，也可以通过红外遥控进行设置,同时红外遥控还可以对灯的开关进行控制.
1.3方案选择及论证
1。
电源方案选择
由于本系统需要+5V电源供电,我考虑了如下几种方案为系统供电。
方案1：
采用4节1.5V干电池供电，电压达到6V，经7805稳压后给直流电机供电及单片机系统和其他芯片供电.由于干电池电量有限，使用大量的干电池将会给系统调试带来不便，而且电池对环境产生污染源。
因此，我们放弃了这种方案。
方案2：
采用变压器整流滤波再经过7805稳压稳定后再给直流电机供电及单片机和其他芯片供电，。
此方案是自制一个+5v电源，电路比较简单，而且元件也比较廉价,电路板小而易携带。
因此，这种方案比较可行，因此我们选择了此方案.
综上考虑，我们选择了方案2。
2温度传感器选择
方案1：
使用热敏电阻设计
由于本设计是测温控制直流电机电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应,在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来,这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦而且测量的精度不够,抗干扰能力比较差,受各方面因素的影响较多，所以此方案不可取。
方案2:
使用DS18B20传感器设计
采用AT89S52单片机作控制器，温度传感器选用DS18B20来对环境温度采集,测温电路由温度传感器DS18B20实现,本设计所介绍的DS18B20温度采集与传统的热敏电阻之类的利用感温效应相比，具有温度采集数据处理方便，测温范围广，测温准确，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用，该设计控制器使用单片机AT89S52测温传感器使用DS18B20，用,实现温度显示,能准确达到以上要求。
故选择方案2.
3显示模块的选择
方案1：
用液晶LCD1602显示，虽然显示内容比较多，但是价格稍微偏贵，显示的字体比较小，距离远时看不清当前的温度,可视距离较小。
对于此设计来说只需要清楚的显示温度值，没必要用液晶LCD1602显示很多内容。
方案2：
用六位八段数码管，成本很低，显示数字很大，在屋内完全可以看清楚当时的温度，应用在此设计中非常合适.
综上考虑，我们选择了方案2。
4控制模块选择
在此设计中我选择的是继电器驱动风机，室内通风系统如果用直流电机只能控制小风机，只有使用交流电的风机才能达到良好的排风效果,继电器能起到了弱电控制强电的作用,而且我们都知道家用电器都是220V,使用继电器能控制220V的家用电器.
当今社会遥控的应用已经很广泛,因为他非常方便，比如：
电视，在我们需要换台的时候不用跑到电视旁边,只要用遥控器就可以远距离换台.空调，在我们感觉温度不适合的时候只要有遥控随时随地就可以调温。
可见遥控在我们生活中应用起来很方便，给我们带来了便利。
在此设计中我也选择了红外遥控,以便于人们方便的调节对排风的上限温度和加热的下限温度设置,还可以直接用遥控器控制通风、加热和室内灯的开关。
2元器件介绍
2。
1温度传感器
采用DS18B20温度传感器实物图2-1所示,管脚说明如表2-1
图2-1DS18B20实物
表2-1存储结构
序号
名称
引脚功能
1
GND
接地结
2
DQ
数据输入/出引脚
3
VDD
可选择的VDD引脚
图3—2中表示了DS18B20的主要部件.DS1820有三个主要数字部件：
1）64位激光ROM，2）温度传感器3）非易失性温度报警触发器TH和TL。
图2-2D18B20的主要部件
DS18B20的存储器结构如表2-2
存储器由一个暂存RAM和一个存储高低温报警触发值TH和TL的非易失性电可擦除EEPRAM组成.当在单线总线上通讯时,暂存器帮助确保数据能够完整。
首先，数据被写在了暂存器中，可以读回这里的数据。
数据在校验之后，拷贝一个暂存器的命令会把数据传到非易性EEPRAM中。
在更改存储器数据的过程中完整性在这个过程中得到了确保。
暂存器的结构为8个字节的存储器。
头两个字节包含测得的温度信息。
第三和第四字节是TH和TL的拷贝，是易失性的,每次上电复位时被刷新.下面两个字节没有使用，但是在读回数据时，它们全部表现为逻辑1。
第七和第八字节是计数寄存器,它们可以被用来获得更高的温度分辨力。
表2—2存储结构
暂存器
字节
温度LSB
0
温度MSB
1
暂存器
字节
TH用户字节1
2
TL用户字节2
3
配置寄存器
4
保留
5
保留
6
保留
7
CRC
8
（1）初始化：
DS18B20如果要进行数据交换必须由一个初始化序列程序开始.当DS18B20发出响应主机的应答脉冲时，即由主机表明它已处在总线上并且准备工作.
（2）ROM命令：
DS18B20的ROM如表2—3每个ROM的命令都是8位长。
（3）功能命令:
在主机有功能命令时可以对DS18B20进行读/写SCRATCHPA存储器，或者启动温度转换。
DS18B20的功能命令如表2-4所示。
表2-3DS18B20的ROM
命令
描述
协议
命令发出后1—wire总线活动
SEARCHROM
能识别挂在总线上的DS18B20码
FOH
所有DS18B20向主机发送ROM码
READROM
当只有DS18B20挂于总线时，此命令可以读取ROM码
33H
DS18B20向主机发送ROM码
MATCHROM
只有匹配的DS18B20的ROM码才会响应
55H
主机向总线上发送一个ROM码
SKIPROM
可以使用在特定的总线上的所有的器件
CCH
无
ALARMSEARCH
与SEARCHROM命令一样，DS18B20在温度超出警报线的时才响应
ECH
DS18B20在超出警报线时向主机发送ROM码
表2—4DS18B20功能命令
命令
描述
协议
命令发出后1—wire总线活动
温度转换命令
Convertt
进行温度变换
44H
主机的转换新状态由DS18B20传送（寄生电源不适用）
存储器命令
ReadSCRATCHPAD
对暂存器完整数据进行读的操作
BEH
9字节的数据可以通过DS18B20向主机发送
WriteSCRATCHPAD
写入暂存器的数据（TH，TL和精度）
4EH
DS18B20接受主机传送3个字节的数据
Copy
SCRATCHPAD
EEPROM复制TH、TL和配置寄存器里的数据
48H
无
RecallE2
将TH、TL和配置寄存器的数年据从EEPROM中调到暂存器中
B8H
DS18B20向主机传送调用状态
ReadPowerSupply
电源供电状态传递给主机
B4H
DS18B20将供电状态传给主机
DS18B20采用单总线通信协议来保证数据的完整性.该协议定义的信号类型有：
复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0、和读1。
除应答脉冲外，主机发出所有这些同步信号信号。
字节的低位在总线传输上的所有数据和命令都是在前。
初始化序列：
复位脉冲和应答脉冲
在初始化程序的过程中，主机用来拉低单总线的时间至少是480μs，来达到产生复位脉冲（TX）的目的。
进入接收（RX）模式后主机也释放总线。
在总线被释放之后，单总线被5K的上拉电电阻拉高。
这个上升沿后被DS18B20检测到之后，延时15—60μs，用60—240μs来拉低总线产生的应答脉冲初始化波形如图2-3所示。
图2-3初始化序列图
2、读和写时序
在写时序时，DS18B20通过主机写入数据；而在读时序时，来自DS18B20的数据被主机读入。
每一个时序，总线只能传输一位数据。
读/写时序如图2—4所示
图2—4读/写时序
（1）写时序:
包括两种写时序：
“写1"和“写0”.主机在写1时序时向DS18B20写入逻辑“1"，主机在写0时序时向DS18B20写“0”。
60μs所有写时序需要的最少时间,1μs的恢复时间是当两次写时序需要的最小时间.主机拉低总线时开始这两种写时序。
写1时序：
主机在拉低总线后，必须在15μs内被释放，然后总线高电平由上拉电阻决定。
写0时序：
主机在拉低总线后，保持低电平（至60μs）在整个时序期间是必要的.
写时序开始15-60μs期间,DS18B20采样总线状态。
总线为高电平时，DS18B20被写入逻辑“1”，总线为低电平时，DS18B20被告写入逻辑“0”。
（2）读时序：
只能在主机发出对DS18B20读时序时才能进行主机的传送数据。
因此，讯时序在主机发出读数据命令后就会厂生，这样DS18B20才能够正常的传送数据。
主机发起每次的读时序,1μs是拉低总线需要的最少时间。
读时序之后在被主机发起后，“1”或“0”开始被DS18B20在总线上传输。
若要保持总线为高电平则DS18B20发送“1"，则；拉低总线时发送“0”。
DS18B20在时序结束时释放总线传送“0”,高电平状态再由上拉电阻将总线拉回到空闲。
2.2红外遥控传感器
1外型
红外遥控实物图如图：
图2—5
图2-5红外遥控传感器实物图
红外遥控传感器对外只有3个引脚:
Out、GND、Vcc与单片机接口非常方便，如
1脚：
脉冲信号输出接，直接接单片机的IO口
2脚：
GND接系统的地线（0V）；
3脚：
Vcc接系统的电源正极（+5V）；
2．简介
VS1838B内含高速、高灵敏度的PIN光电二极管和低功耗、高增益的前置放大IC,由环氧树脂封装外加外屏蔽抗干挠设计而成，该产品已经通过REACH和SGS认证属于环保产品，在红外遥控系统中被作为接收器使用。
3。
特性
由环氧树脂封装，外加外屏蔽抗干挠设计、宽工作电压,2。
7-5。
5V、低功耗、有比较宽广的角度及长距离接收、抗干挠能力强,能抵挡环境干挠、输出匹配TTL、CMOS电平，低电平有效。
4。
应用：
视听器材（音箱,电视,DVD，卫星接收机等）；家庭电器（空调，电风扇,灯饰等）；其它红外线遥控产品。
5。
红外遥控应用电路原理图2—6
图2—6红外遥控应用电路原理图
6。
红外遥控传感器工作原理：
遥控器由红外接收及发射电路、信号调理电路、中央控制器8031。
程序及数据存储器、键盘及状态指示电路组成。
遥控器有两种状态:
学习、控制状态。
在遥控器处于学习状态时，使用者每次按下一个控制键，红外线接收电路部分就开始对红外线进行接收，并在此时将接收的信号转换成电信号，再通过检波、整形、放大，再由CPU定时对其采样，将每个采样点的二进制数据以8位为一个单位,分别存放到规定的存储单元中，这样便于对遥控器进行控制使用。
当遥控器在控制状态的时候，在使用的时，每按下一个控制键，一系列的二进制数据被CPU从规定的存储单元中读取，信号保持电路串行输出决定,同时信号调制由调制电路进行，经放大后的调制信号。
7.使用注意：
1）。
焊接条件：
（焊点需离树脂胶体根部2MM以上）a.浸锡：
请在260℃且5秒以内一次焊接完成，同时应避免树胶胶体浸入锡槽内.b.烙铁：
用300W的烙铁，其尖端温度不得高于350℃且5秒以内一次焊接完成。
2）.焊接时请勿在产品施加外力，产品引脚成形必须在焊接前完成，以免影响产品接收性能.3）。
线路板上的安装孔间距请与产品脚间距离保持一致.4）。
产品在高温状态下进行载切引脚容易产生性能不良，请在常温在下或焊接前进行引脚载切;5）.引脚弯折成型条件：
a.弯折点需离树脂胶体根部2MM以上。
b。
须在焊接前或完全冷却状态下。
6）.请注意保护红外线接收器的接收面，沾污或磨损后会影响接收效果，切勿用高腐蚀性溶济对产品进行清洗，以免腐蚀产品影响性能，推荐使用酒精擦拭或浸渍且在常温下不得超过3分钟。
7）.产品为静电敏感元件，使用前请采取相应的防静电保护措施（人员、设备、台面、地面等）。
2.3单片机
2。
3.1单片机控制电路
系统采用的微控制器是ATMEL公司生产的低功耗、高性能单片机AT89S52，它有32个外部双向输入/输出（I/O）端口，片内含8kbytes的可重复编程的Flash存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），3个16位可编程定时计数器，1个全双工串行通信口，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS—51指令系统.AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程.其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本.
2。
3.2内部结构
AT89S52单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、并行I/O口、串行I/O口和中断系统等几大单元以及数据总线、
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