家用小范圍環(huán)境控制系統(tǒng)

摘 要:現(xiàn)實(shí)生活中有很多地方對(duì)環(huán)境的要求非常苛刻，在此以AVR單片機(jī)為控制核心，通過(guò)傳感器檢測(cè)室內(nèi)利用制冷片和加濕器等設(shè)備，對(duì)室內(nèi)的溫濕度、光照度進(jìn)行調(diào)節(jié)，已達(dá)到室內(nèi)的環(huán)境控制的目的。同時(shí)，該設(shè)備還具有鍵盤(pán)和顯示功能，能夠依據(jù)具體的環(huán)境要求，自主設(shè)定和顯示室內(nèi)環(huán)境值。該系統(tǒng)與市面上的一般同類器件相比具有價(jià)格便宜，功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試中取得了令人滿意的效果。關(guān)鍵詞:室內(nèi)環(huán)境; 溫濕度、光照傳感器; AVR單片機(jī); 溫度控制

中圖分類號(hào):TN911-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)18-0038-03

Control System for Domestic Small-scale Environment

WU Xiang-jian， WANG Hui， CAI Jin-ke

(Electronic and Information College， Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China)

Abstract:As the demand on environment is needed strictly in current daily life， a control system， which takes AVR microcontroller as controlling core， adopts the sensors to detect indoor conditions， and utilizes the cooling films， humidifiers and other equipments to change the indoor temperature， humidity and illumination， is proposed. The purpose to control the indoor environment has been realized by the system which configurates a keyboard and display screen to set and show the values of the indoor environment according to the specific environmental requirements. The system has the advantages of lower cost and more powerful functions in comparison with similar systems on the market. The satisfactory result was obtained in practical test of the system.Keywords: indoor environment; temperature， humidity and illuminance sensor; AVR single chip microcomputer; temperature control

0 引 言

現(xiàn)實(shí)生活中有很多地方對(duì)環(huán)境的要求非常嚴(yán)格，比如說(shuō):葡萄酒的儲(chǔ)藏，蘑菇等菌類植物的培養(yǎng)等等。這些地方對(duì)環(huán)境的要求高，因而其造價(jià)也高。所以一些比較大的酒窖，菌類培育基地等地方，很少出現(xiàn)在日常家用中。該系統(tǒng)從這一點(diǎn)出發(fā)，面向?qū)ο鬄橐话慵矣谩Ｒ訟VR單片機(jī)為控制核心[1-2]，運(yùn)用傳感器檢測(cè)室內(nèi)的溫度、濕度、光照度這三個(gè)量，再使用加濕器、制冷片、加熱器、百葉窗、燈泡和排風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)在一般家用環(huán)境的調(diào)節(jié)中精確度高，穩(wěn)定度高，反應(yīng)靈敏，造價(jià)適中，功能強(qiáng)大，同時(shí)該系統(tǒng)帶有鍵盤(pán)顯示功能，能夠?qū)崿F(xiàn)在常見(jiàn)的不同環(huán)境中進(jìn)行切換，還可以讓用戶在一定的范圍內(nèi)自主地設(shè)置溫度、濕度及光照度的值。

1 整體的系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主要由測(cè)量部分和執(zhí)行裝置組成，其整體框圖如圖1所示。

1.1 溫度控制部分

作為測(cè)溫電路，主要采用了先進(jìn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采集及處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的智能控制功能。它將傳感器和數(shù)字電路轉(zhuǎn)換器集成在一塊片子上。

圖1 系統(tǒng)框圖

DS18B20[3-4] 只有1根數(shù)據(jù)線，這樣就節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。該溫度計(jì)采用數(shù)字輸出方式，因此也不需要另外添加A/D轉(zhuǎn)換器。在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量和提高設(shè)計(jì)功能的同時(shí)降低制作成本。DS18B20測(cè)溫范圍為-55~+125 ℃， 測(cè)量分辨率為0.062 5 ℃，當(dāng)DS18B20 采集到溫度信號(hào)， 并將信號(hào)送到單片機(jī)中， 再將對(duì)應(yīng)的溫度送到液晶顯示器顯示， 同時(shí)單片機(jī)會(huì)根據(jù)初始化所設(shè)置環(huán)境溫度的最高溫度/最低溫度進(jìn)行判斷處理， 即如果溫度大于所設(shè)的最高溫度就啟動(dòng)排氣扇降溫;如果溫度小于所設(shè)的最低溫度就啟動(dòng)加熱裝置，還可以通過(guò)按鍵隨時(shí)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度。

在該控制執(zhí)行部分，加熱裝置主要采用電熱絲加熱;制冷裝置采用自制“小空調(diào)”，它由鋁片、制冷片[5]、排氣扇組成。該制冷裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，且制冷效果明。制冷裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 自制制冷器示意圖

1.2 濕度控制部分

作為測(cè)濕電路，采用濕度傳感器是Honeywell 公司生產(chǎn)的HIH-4000[6]。這是一款具有激光調(diào)整互換型容性變化的單片集成電路，其輸出電壓與RH 值呈線性關(guān)系，精度高，響應(yīng)時(shí)間快，漂移小。在標(biāo)準(zhǔn)工作電壓(DC 5 V)和標(biāo)準(zhǔn)室溫(25℃)下，隨著RH 值從0變化到100 %，對(duì)應(yīng)的輸出電壓從0.96 V 變化到3.90 V，測(cè)量濕度范圍為0～100 %RH，固有精度為±3.5 %RH，工作溫度范圍為-40～+85℃。HIH-4000濕度計(jì)的輸出電壓不僅正比于相對(duì)濕度測(cè)量值，還與電源電壓、環(huán)境溫度有關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。因此，選擇1-Wire器件DS2438 給HIH-4000提供電源，利用DS2438內(nèi)部的電壓ADC和溫度傳感器，在HIH-4000測(cè)量濕度時(shí)測(cè)量傳感器的電源電壓及工作溫度，單片機(jī)通過(guò)這些數(shù)據(jù)對(duì)HIH-4000測(cè)得的相對(duì)濕度值進(jìn)行修正。如圖3所示，C1和D2構(gòu)成一個(gè)半波整流電路，在1-Wire總線空閑時(shí)期(電壓為5 V)從總線上“偷”來(lái)電荷存儲(chǔ)在C1之中，從而給HIH-4000和DS2438 提供電源，這是寄生電壓技術(shù)的非典型應(yīng)用(單總線器件在IC 內(nèi)部完成這個(gè)工作) 。1-Wire BUS和GND間的D2 起保護(hù)作用，當(dāng)GND 端的電壓大于DATA 的時(shí)候，將電壓箍位在0～-0.4 V之間。總線控制器給HIH-4000 和DS2438提供電源，DS2438從引腳4 引入HIH-4000的輸出電壓，再通過(guò)內(nèi)部的一個(gè)13位轉(zhuǎn)換器將這個(gè)電壓值轉(zhuǎn)換成一個(gè)數(shù)字量，通過(guò)1-Wire總線發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系換算成濕度值。

圖3 濕度傳感器整理電路

在該控制執(zhí)行部分，主要由加濕器和排氣扇構(gòu)成。

1.3 光照度控制部分

在光照測(cè)量部分，選用硅光電池作為光照度傳感器的轉(zhuǎn)換元件，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)， 再通過(guò)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出。測(cè)量范圍: 0.1～199.9 klx;準(zhǔn)確度: 測(cè)量值的4%; 線形誤差:測(cè)量值的0.2%，輸出信號(hào): 0～5 V。硅光電池的短路電流與光照度成線性關(guān)系。所謂短路電流是指外接負(fù)載相對(duì)于硅光電池內(nèi)阻而言，是很小的。利用硅光電池的這個(gè)特性， 光照度傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路如圖4所示。

圖4 光照度傳感器整理電路

該電路由精密運(yùn)算放大器OP-07及其他元件組成一個(gè)直流前置的電流-電壓變換器， 它能提供正比于輸入電流的輸出電壓[7-8]。 在該控制執(zhí)行部分，調(diào)節(jié)光強(qiáng)主要通過(guò)步進(jìn)電機(jī)[9-10]控制百葉窗的折合程度，其框圖如圖5所示。

圖5 光照度調(diào)整示意框圖

2 整個(gè)系統(tǒng)的工作流程

首先系統(tǒng)上電，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，單片機(jī)從存儲(chǔ)器中讀取默認(rèn)的溫濕度和光照度值，之后單片機(jī)開(kāi)始檢測(cè)傳感器，讀取傳感器的值，與默認(rèn)值作比較，再開(kāi)啟相應(yīng)的控制器件進(jìn)行調(diào)節(jié)。然后單片機(jī)定時(shí)檢測(cè)各個(gè)傳感器的值，調(diào)整控制指令。在此期間，若鍵盤(pán)有鍵按下，則單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)，讀取鍵值，將鍵值存入存儲(chǔ)器。程序的流程圖如圖6~圖8所示。

圖6 主流程圖

圖7 定時(shí)器中斷流程圖

圖8 按鍵中斷流程圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試

該系統(tǒng)在實(shí)際的檢測(cè)中，首先利用溫度計(jì)、濕度計(jì)對(duì)溫濕度傳感器芯片進(jìn)行校驗(yàn)，然后分別用不同功率的燈泡對(duì)光敏電阻進(jìn)行校驗(yàn)，確定光照度的單位。在該系統(tǒng)中光照度是采用燈泡的瓦數(shù)來(lái)定義的。

4 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)就是成本適中，功能強(qiáng)大，非常適合日常家居的使用。同時(shí)該系統(tǒng)還具有靈活的可調(diào)性，能夠根據(jù)不同場(chǎng)合具體設(shè)置參數(shù)值。但該系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)器件是對(duì)確定的空間而設(shè)計(jì)的，因而對(duì)于不同的密閉空間，要更換不同功率的調(diào)節(jié)器件，以求得更好、更快的結(jié)果。該系統(tǒng)在最后的實(shí)際測(cè)試中取得了令人滿意的結(jié)果。

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