嬰幼兒房溫濕度智能控制系統的設計

謝華奕　徐劍琴　李克訥

摘要：設計一種基于AVR單片機的嬰幼兒房溫濕度智能控制系統，該系統以ATmega16L單片機為主控芯片，利用SHT10溫濕度傳感器對房間的溫濕度進行數據采集，通過按鍵可分別調節溫度、濕度的上下閾值以獲得一年四季最適宜寶寶生活的室內溫度和濕度范圍，通過單片機對繼電器控制，分別控制冷氣機、暖氣機、加濕器和抽風機的動作，從而完成室內溫濕度的自動調節。另外，系統還具有定時自動通風換氣功能，通風時間和時長也可由用戶調整。該系統充分利用了ATmega16L單片機資源，簡化了系統設計，具有硬件結構簡單、成本低、工作穩定等優點。

Abstract： This paper designs an intelligent control temperature and humidity system for the infant's room based on AVR microcomputer. The system uses ATmega16L microcomputer as the main control chip. It uses SHT10 temperature and humidity sensor to collect data on the temperature and humidity of the room. The thresholds of the indoor temperature and humidity can be adjusted by the keys for the most suitable baby's life throughout the year. The microcomputer can control the actions of air conditioners， heaters， humidifiers and exhaust fans， so as to complete the automatic adjustment of indoor temperature and humidity. In addition， the system also has a timing automatic ventilation function， the ventilation time and duration can also be adjusted by the user. This system makes full use of ATmega16L microcomputer resources， which simplifies the system design and has the advantages of simple hardware structure， low cost， stable work and etc.

關鍵詞：嬰幼兒;室內;自動控制;ATmega16L單片機;溫濕度

Key words： infants and children;indoor;automatic control;ATmega16L microcontroller;temperature and humidity

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）12-0261-02

0? 引言

嬰幼兒由于免疫力較低，對環境溫濕度要求較高。一般來說，嬰幼兒房間的適宜溫度保持在18-24℃，濕度保持在55%-65%之間。室溫過高，易于引起發燒;室溫過低，影響四肢活動和吸吮動作。另外，不恰當的濕度會引起嬰幼兒呼吸道的不適，甚至引發呼吸道疾病。因此，適宜的環境溫濕度是新生兒保暖保濕的最基本措施。但我國由于區域經濟發展的不平衡，造成了大量勞動力的流動。他們的居住問題通常是通過租房解決，但對于低收入群體很難保障居所配備有空調設備。因此，設計一套具有溫濕度和通風調節的控制系統顯得尤為必要。

本文為此設計一種基于AVR單片機的嬰幼兒房溫濕度智能控制系統，可以根據室內環境溫濕度的變化，自動控制降溫、升溫、加濕或除濕，實現室內溫濕度的自動調節，以保證寶寶生活環境的舒適。另外，系統還設置了定時通風換氣功能，以保持室內空氣新鮮，更有利于嬰幼兒呼吸系統的功能發育，保證身體健康。

1? 嬰幼兒房溫濕度智能控制系統設計

本系統可通過按鍵輸入不僅可以設定環境溫度、濕度的上下閾值，還可以設置每日定時通風換氣的時間和時長。通過溫濕度傳感器SHT10采集室內的溫濕度數據[1，2]，分別與設定環境溫度、濕度的上下閾值作比較，并進行控制。系統通過抽風機來實現通風換氣。當設定的時間到，系統會自動開啟抽風機，以實現室內換氣。抽風機的運轉達到設定的時長時，抽風機才會自動停轉。

根據溫濕度智能控制的方法，本系統可劃分為相應幾個模塊進行設計，系統整體框圖如圖1所示。

2? 系統的硬件設計

根據嬰幼兒房溫濕度控制系統的總體設計示意圖，系統以ATmega16L單片機為控制核心，其它部分以模塊化進行設計。

本設計的輸出控制電路主要是使強電設備冷氣機、暖氣機、加濕器、抽風機能夠運行和停止，通過輸入信號的變化使繼電器動作，從而對這些設備的控制電路進行接通和斷開，實現設備的自動控制。考慮到單片機I/O口的驅動能力不強，因此加入了ULN2003A用于驅動繼電器動作。系統還通過LCD1602作為顯示模塊，方便用戶操作。本系統的主要單片機引腳資源分配如表1所示。

值得指出的是，ATmega16L單片機還預留有一定的引腳資源以擴展系統，能夠多點采集溫濕度，形成多點溫濕度自動化控制調節。

3? 軟件設計

AVR單片機程序采用ATMEL公司推薦的ICCAVR編程軟件開發[3]。嬰幼兒房溫濕度控制系統程序由主程序、子程序和中斷程序組成。子程序主要負責溫濕度的采集和轉換、系統數字時鐘的實現、按鍵的掃描和處理、LCD顯示、溫濕度的比較和輸出控制、定時通風的開啟等。定時器1中斷程序負責產生數字時鐘的秒信號、通風換氣的定時、以及定時采集溫濕度。外部中斷INT0實現時間的時、分和時長的遞增，以及溫、濕度上閾值的調節。外部中斷INT1實現時間的時、分和時長的遞減，以及溫度、濕度下閾值的調節。程序的編制和仿真在計算機上完成，仿真驗證通過后把程序下載到ATmega16L進行調試和運行。

主程序采用模塊化設計，除了多個初始化程序：端口初始化port_init（）、中斷初始化INT_init（）、LCD1602初始化Init_LCD（）和定時器1初始化Timer1_Init（）之外，還調用了溫濕度采集和轉換getTandH（）、溫濕度顯示showtemp_and_humi（）、系統時間調整shizhongjishi（）、時間顯示LCDshowtime1（）、按鍵的掃描和處理changekey（）、溫濕度的比較和輸出控制compare（）、定時通風的開啟kaiqitf（）等多個子程序。主程序流程圖的設計如圖2所示。

定時器1中斷程序主要是為了實現逐秒計時功能，由于單片機采用8MHz晶振，因此，可設置16位定時器1的分頻系數為256，計數寄存器TCNT1H為0x85，TCNT1L為0xEE，以使單片機每過一秒進入中斷程序。考慮到溫濕度的變化比較緩慢，因此可設置定時采集溫濕度，例如每分鐘采集一次。另外，用戶在調節參數的過程中可能會沒完成設置的步驟，系統會進行檢測，當檢查到超過30秒沒有按鍵按下，恢復各功能鍵的標志位為初始值，以使得顯示器更新顯示當時的系統時間和室內溫濕度。

4? 結論

本文設計了一種基于AVR單片機的嬰幼兒房溫濕度智能控制系統，采集當前室內的實際溫濕度，與設定的溫濕度閾值比較，當超過設定的溫濕度范圍時，會相應發出控制信號，控制冷氣機、暖氣機、加濕器、抽風機的動作，實現溫濕度的自動調節，以保證寶寶舒適的生活環境。系統還設置定時通風換氣，保證室內空氣的新鮮。系統硬件資源利用合理，可擴展性好。程序設計思路清晰、簡單、可行。此系統還可以推廣用于老人房、加護病房和實驗室等場合的溫濕度控制。經實踐測試表明：該系統能自動控制降溫、升溫、加濕、除濕和通風，從而調整嬰幼兒房的溫濕度，實現嬰幼兒最適宜的生活環境。

參考文獻：

[1]王秉華，賈蘭英，李麗華.基于ATmega16和SHT71的雞舍溫濕度測控系統[J].農機化研究，2010（02）：98-100，103.

[2]陳杰，黃鴻.傳感器與檢測技術[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]馬潮，詹衛前，耿德根.ATmega8原理及應用手冊[M].北京：清華大學出版社，2003.