室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1、 電子系統(tǒng)設(shè)計課程考查報告 題目室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計授課教師學(xué)生姓名學(xué)號專業(yè)電子信息科學(xué)與技術(shù)教學(xué)單位物理系完成時間 2011年7月1日1.設(shè)計任務(wù)與要求1.1基本要求該系統(tǒng)能夠?qū)κ覂?nèi)環(huán)境的溫度、濕度、亮度、二氧化碳的濃度等進行檢測并顯示當前的溫度、濕度、亮度、及二氧化碳的濃度等,在其超過所設(shè)定的值時可以自動進行控制。1.2技術(shù)指標1測量精度:誤差小于+5%;2能用十進制顯示當前測量值;1.3擴展部分具有有線或無線通信能力;實現(xiàn)主從控制及多點檢測;2.設(shè)計方案及方案論證2.1設(shè)計分析本系統(tǒng)是由主控模塊、檢測模塊、顯示模塊、控制模塊及電源模塊組成的室內(nèi)環(huán)境檢測控制系統(tǒng),能夠自動檢測并控制室內(nèi)溫度

2、、濕度以及CO2濃度,在其超過設(shè)定值時,通過控制裝置將其濃度降低。系統(tǒng)框圖入圖21所示。圖11 系統(tǒng)框圖執(zhí)行模塊電源模塊主控模塊溫度檢測模塊亮度檢測模塊CO2檢測模塊顯示模塊濕度檢測模塊鍵盤模塊2.2設(shè)計方案論證1主控制器模塊方案一:采用51單片機控制系統(tǒng)。單片機算術(shù)運算功能強,軟件編程靈活、自由度大,可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制,并且有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點,能滿足題目要求。方案二:采用FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯門陣列作為系統(tǒng)的控制核心。由于FPGA 具有強大的資源,使用方便靈活,易于進行功能擴展,并且可應(yīng)用EDA軟件仿真、調(diào)試,易于進行功能擴展。但其成本偏高,引腳較多,

3、硬件電路布線復(fù)雜。根據(jù)以上具體分析選擇方案一。2電源模塊方案一:采用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓,可以穩(wěn)定5V電壓,但是穩(wěn)壓效果不穩(wěn)定。方案二:采用變壓器降壓,7805作穩(wěn)壓管,穩(wěn)壓性能穩(wěn)定。綜合考慮,采用方案二。3溫度檢測模塊:方案一:采用熱敏電阻,此元件雖然價格便宜,但是其非線性特性會影響系統(tǒng)精度。方案二:選用美國Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20。DS18B20為數(shù)字式溫度傳感器,無需其他外加電路,直接輸出數(shù)字量?？芍苯优c單片機通信,讀取測溫數(shù)據(jù),電路簡單。此器件具有體積小、抗干擾強、價格便宜、性能穩(wěn)定等優(yōu)點其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計要求根據(jù)以上分析選擇方案二。4濕度檢測:方案一

4、:采用HR202濕敏電阻作為濕度檢測傳感器,其電阻隨著濕度變化范圍較大,而且不是線性變化,檢測輸出量為模擬量,須經(jīng)AD轉(zhuǎn)換之后才能由單片機處方案二:HS1101是基于獨特工藝設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu),在電路中等效于一個電容器,其電容隨所測空氣的相對濕度增大而增大。具有極好的線性輸出,在相對濕度為0100%RH的范圍內(nèi),電容的容量由163 pF變化到202 pF,其誤差不大于±2%RH;濕度量程為199%RH,工作溫度范圍為-40100;濕度輸出受溫度影響極小(溫度系數(shù)僅為0.04 pF/;常溫下使用無需溫度補償,無需校準。綜合考慮,采用方案二。5亮度檢測:方案一:采用光敏電阻作為亮度檢測

5、的傳感器,其阻值較大,且隨著光照強度增強阻值減小。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。該芯片可廣泛應(yīng)用于各類顯示屏的監(jiān)控,目的是在多變的光照條件下,使得顯示屏提供最佳的顯示亮度并盡可能降低電源功耗;還可以用于街道光照控制、安全照明等眾多場合。綜合考慮,采用方案二。6顯示模塊:方案一:采用液晶顯示屏。液晶顯示屏(LCD具有功耗小、輕薄短小無輻射危險,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,抗干擾能力強等特點。方案二:采用四位七段數(shù)碼顯示管分別顯示光照的有無、溫度的百、十、個位。數(shù)碼管具有:低能耗、低損耗、低壓、壽命長

6、、耐老化,對外界環(huán)境要求較低。同時數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字,程序編譯容易,資源占用較少。根據(jù)題目要求選擇方案一。7鍵盤模塊鍵盤采用4*4矩陣鍵盤,鍵值讀取方法采用掃描法,端口使用P2口,其中P2.0 P2.3做行線,P2.4P2.7做列線,在對行、列掃描之前,先會掃描整個P2口,當讀到有鍵按下才,會去具體掃描行與列。8執(zhí)行模塊:濃度方案:當溫度高于設(shè)定溫度時,主控器控制報警模塊工作;當濕度和CO2濃度高于設(shè)定高于設(shè)定值時,主控器自動啟動風(fēng)扇電機,打開通風(fēng)口降低濕度和CO2濃度時,自動關(guān)閉通風(fēng)口;當光照達不到設(shè)定值時,主控器啟動光照模塊。濕度和CO2系統(tǒng)框圖如圖2-2 圖22 系統(tǒng)框圖3.系

7、統(tǒng)硬件設(shè)計3.1電路設(shè)計1主控電路:由80C51單片構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)是整個電路的核心,起到處理和控制的功能。如圖31所示 圖31 主控電路2電源電路:變壓器和7805組成電源穩(wěn)壓電路。直流穩(wěn)壓電路的方框圖,如圖32所示變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路220V50HzUo+-圖32 直流穩(wěn)壓電路的方框圖如圖33所示 圖33 電源電路3溫度檢測電路:溫度采集選用了DS18B20溫度傳感器,其特點如下:(1在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。(2測溫范圍-55+125,固有測溫分辨率0.5。(3支持多點組網(wǎng)功能,多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上,最多只

8、能并聯(lián)8個,如果數(shù)量過多,會使供電電源電壓過低,從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定,實現(xiàn)多點測溫。(4工作電源: 35V/DC。(5在使用中不需要任何外圍元件。(6測量結(jié)果以912位數(shù)字量方式串行傳送。由DS18B20組成溫度檢測電路。如圖34所示 圖34 溫度檢測電路4濕度檢測電路:濕度傳感器HS1 101作為可變電容與單片機LPC2132管腳P1.0相連?？刂齐妷憾酥杂秒娮鑂4=909k歐,而不用O.1F電容,是為了匹配濕度傳感器HS1101的溫度系數(shù)而引進的一個溫度系數(shù)。R5=1k歐是短路保護電阻,為了使占空比盡量接近50%,R5要選得比R3小得多,但應(yīng)保證電路的輸出頻率在6660Hz附近,此

9、處選R4=49.4kQ,R3=576k歐.由HS1101組成濕度檢測電路。如圖35所示 圖35 濕度檢測電路5亮度檢測電路:SL2561內(nèi)部連接一個光敏二極管和一個紅外響應(yīng)光敏二極管。這個集成電路具有提供20位動態(tài)范圍內(nèi)近適光響應(yīng)的能力。兩個集成的積分式A/D轉(zhuǎn)換器,可將光敏電流轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字輸出,并存入芯片內(nèi)部通道0和通道1各自的寄存器中。數(shù)字輸出表示測量每一個通道的光強,可以是微處理器的輸入。微控制器則通過對其內(nèi)部的16個寄存器的讀寫來實現(xiàn)對TSL2561的控制。由TSL2561構(gòu)成的亮度檢測電路,如圖36所示 圖36 亮度檢測電路6顯示電路:顯示模塊采用LCD1602,它能夠同時顯示16

10、x02即32個字符。(16列2行在本次設(shè)計中,第一行為提示信息,第二行為數(shù)據(jù)信息其引腳功能如下:第1腳:VSS為電源地。第2腳:VDD接5V電源正極。第3腳:V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端,接正電源時對比度最弱,接地電源時對比度最高(對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”,使用時通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳:RS為寄存器選擇,高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。第5腳:RW為讀寫信號線,高電平(1時進行讀操作,低電平(0時進行寫操作。第6腳:E(或EN端為使能(enable端。第714腳:D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳:空腳或背燈電源。15腳背光正極,16腳背光負極。LC

11、D12864組成顯示電路。如圖37所示 圖37 顯示電路7鍵盤電路:鍵盤采用4*4矩陣鍵盤,鍵值讀取方法采用掃描法,端口使用P2口,其中P2.0 P2.3做行線,P2.4P2.7做列線,在對行、列掃描之前,先會掃描整個P2口,當讀到有鍵按下才,會去具體掃描行與列。如圖38所示 圖38 鍵盤電路8控制電路:當溫度高于設(shè)定溫度時,主控器控制報警模塊工作;當濕度和CO2濃度高于設(shè)定值時,主控器自動啟動風(fēng)扇電機,打開通風(fēng)口降低濕度和CO濃度高于2設(shè)定濕度和CO濃度時,自動關(guān)閉通風(fēng)口;當光照達不到設(shè)定值時,主控器啟動光照2模塊。如下圖所示: 圖39 亮度執(zhí)行電路U 1 Q 1 P 1.5 R 8 1K

12、V CC L S1 MM otor B 1 P1.2 R9 4.7K Q 0 9014 G D N 圖 310 濕度執(zhí)行電路 G D N 311 溫度報警電路 3.2 總電路圖 GD N P2 3 2 1 D S18B20 V CC P1.1 S1 R6 4.7K R1 L S1 R8 1K 1 P1.2 R9 4.7K Q 0 9014 GD N 30pF C2 10K GD N C1 V CC P1.01 P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 C3 P1.56 10pF P1.67 8 9 10 RD W 11 R E 12 13 14 15 16 17 18 Y1 19 20

13、U 1 P1.0 V CC P1.1 P0.0(A 0 D P1.2 P0.1(A 1 D P1.3 P0.2(A 2 D P1.4 P0.3(A 3 D P1.5 P0.4(A 4 D P1.6 P0.5(A 5 D P1.7 P0.6(A 6 D RE ST P0.7(A 7 D P3.0(RX E /V D A PP P3.1(T D A E X L /P P3.2(IN 0 PSE T N P3.3(IN 1 T P2.7(A 15 P3.4(T P2.6(A 0 14 P3.5(T P2.5(A 1 13 P3.6(W P2.4(A R 12 P3.7(RD P2.3(A 11 X

14、A 1 P2.2(A TL 10 X A 0 P2.1(A TL 9 GD N P2.0(A 8 8051 30pF GD N V CC V CC U 1 Q 1 D 2 K 1 P1.5 P1.6 R14 Q 2 D 3 L D1 E R15 1K GD N G ND P3 CC C7V 33pF 1K R7 GN D RD W R E P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 CC P0.0 C8 V 100pF GD N V CC P1 1 2 H eader 2 GD N GD N P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 V CC P2.7 GD N 1 2

15、 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 L 1602 CD S14 S15 S16 S17 R18 1K GD N S2 S3 S4 S5 R1151K S6 S7 S8 S9 R16 1K S10 S11 S12 S13 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 V CC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 3K R13 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.1 P2.0 R10 2K T 2561 SL 1 2 3 6

16、5 4 R11 2K R12 2K V CC GD N T 1 U 1 D 1 220V C4 100pF P2.2 7805 V in V out GD N V CC GD N C6 P1.4 P1.3 V CC R2 49.9K P1.0 R5 1K R3 576K H S1101 Q T R DCCV TH R V CC 909K R4 V CC V CC 2 C5 100pF P2.0 MM otor B1 P2.1 P2.2 R17 1K 圖 312 總體電路圖 10 4軟件流程圖 系統(tǒng)初始 讀取傳感 器數(shù)值 N 按鍵有無？ 1602 顯示 界面 N 是否超過上 下限？ Y Y 設(shè)置

17、環(huán)境參量補 償模式 啟動執(zhí)行模塊，使 相關(guān)設(shè)備進行補償 圖 313 程序流程圖 5系統(tǒng)制板及調(diào)試 5.1 系統(tǒng)制版 部分 PCB 電路圖如圖 51 所示 11 圖 51 部分 PCB 電路圖 5.2 系統(tǒng)調(diào)試 1）硬件調(diào)試： 主控模塊的調(diào)試，檢測其在所需 I/O 口是否能夠正常輸出所需信號；電源模塊， 用萬用表測量電源輸出是否為要求值；顯示模塊調(diào)試，在程序檢驗正確之后觀察顯示 模塊是否正常顯示所需要內(nèi)容； 檢測模塊， 在電源接通知后， 檢測其是否有信號輸出； 控制模塊，單片機模擬各個檢測量超出所設(shè)定范圍后，輸出控制信號，觀察控制裝置 能否正常調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。 2）軟件調(diào)試： 利用編程軟件檢查程序是否有錯誤，并在無錯誤的前提下，將程序下載到單片機 中。若能夠正常完成各種檢測量的檢測和檢測量的控制，則程序正常；若不成正常完 成各種檢測量的檢測，則需要修改程序的某些變量，使其能夠正常地完成各種檢測， 并對其進行控制。 3）調(diào)試結(jié)果 各個模塊均可以正常工作，在不同的工作環(huán)境中數(shù)據(jù)偏差范圍小，使得系統(tǒng)的穩(wěn) 定性能好，抗干擾能力強，能夠很好地控制各個室內(nèi)環(huán)境量。 12 結(jié)論 本裝置能夠正常檢測室內(nèi)溫度、濕度和亮度，在溫度超過設(shè)置值時會自動報警， 在濕度和亮度超過設(shè)定量之后能夠自動調(diào)節(jié)恢復(fù)到設(shè)定值范圍內(nèi)。 能夠有效的調(diào)節(jié)室 內(nèi)環(huán)境，并且能夠十進制顯示當前溫度、濕度和亮度，且誤差小于+5%，達到了