【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)主程序，同時對主要元器件的軟件設(shè)計進(jìn)行了具體闡述。 第六章：介紹在調(diào)試過程中遇到的問題及解決的方法，同時進(jìn)行了系統(tǒng)抗干擾分析。 第七章：總結(jié)了本文的設(shè)計成果，指出了本文設(shè)計的系統(tǒng)中仍然存在的問題以及今后的研究方向。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 51 頁 2 室內(nèi)空氣品質(zhì)研究 國內(nèi)外在室內(nèi)通風(fēng)換氣方面的研究 我們所知道的 ―密閉建筑綜合癥 ‖的根本原因就是通風(fēng)不夠，因此國外大型建筑非常強(qiáng)調(diào)通風(fēng)效果。但國外的建筑通風(fēng)也有一個從單純的溫度調(diào)節(jié)到空氣環(huán)境品質(zhì)綜合改善的一個過程。起初，國外建筑的通風(fēng)量都很大，但隨著能源危機(jī)的影響，為了節(jié)約能源，在公共建筑的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中增加回風(fēng)量，降低新風(fēng)量裝置，很快又出現(xiàn)嚴(yán)重的建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量問題，問題暴露以后，人們又重新修訂新風(fēng)量的標(biāo)準(zhǔn)，這樣，歐美國家才改善了建筑通風(fēng)效果。除了單體單戶低層住宅建筑以外，國外的多層和高層集中住宅都依賴機(jī)械通風(fēng)。這與我國的情況恰成 鮮明對比，國內(nèi)的高層公寓基本上還是靠自然通風(fēng)。各家各戶自行安裝的空調(diào)產(chǎn)品，也大多沒有通風(fēng)功能，只能調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣溫度和濕度。而在國外，一些低層單戶的單體建筑也在使用帶有熱回收性能的機(jī)械通風(fēng)設(shè)施。特別是隨著建筑材料的進(jìn)步，建筑節(jié)能技術(shù)水平和建筑規(guī)范的提高，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密閉性越來越好，這也讓室內(nèi)空氣環(huán)境品質(zhì)越來越需要機(jī)械通風(fēng)。北歐、北美的建筑大多采用機(jī)械通風(fēng)。 目前在國內(nèi)，大多數(shù)的民用建筑是依靠自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的通風(fēng)換氣，高層公寓基本上也還是靠自然通風(fēng)。各戶安裝 的空調(diào)只能調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣溫度和濕度，多數(shù)都沒有通風(fēng)功能。目前國內(nèi)住宅常見的室內(nèi)換氣設(shè)備主要有換氣扇、吸油煙機(jī)、通風(fēng)器等，通過機(jī)械強(qiáng)制排氣的方式，排除室內(nèi)污染的空氣 (煙氣、燃燒廢氣、臭氣、水蒸氣、二氧化碳等 )，對室內(nèi)進(jìn)行全面或局部換氣。 在冬季采暖和夏季制冷期間，由于外窗密閉，宜推廣窗用自然通風(fēng)器。國家的住宅工程中心與北京斯特靈換氣設(shè)備有限公司共建 ―住宅室內(nèi)換氣系統(tǒng)研發(fā)試驗(yàn)基地 ，開發(fā)了旋轉(zhuǎn)式熱回收換氣系統(tǒng)。其特點(diǎn)是雙向換氣，不僅能夠排出室內(nèi)濁氣，還能送入凈化后的室外新鮮空氣，節(jié)能效果顯著，室內(nèi)溫度穩(wěn)定，維護(hù)簡 便，清洗容易。 我國自然通風(fēng)研究應(yīng)用的發(fā)展方向 自然通風(fēng)是重要的生態(tài)建筑觀念。從生態(tài)學(xué)的觀念來說，利用自然條件和人工構(gòu)筑，積極地順應(yīng)和組織自然風(fēng)的流動，以實(shí)現(xiàn)建筑的自然通風(fēng)。如果要需要使用能源，則盡量從太陽能、風(fēng)能等資源中獲取。在當(dāng)今生態(tài)建筑中，自然通風(fēng)是普遍采用的更健康、更廉價的技術(shù)措施。它可以為人類提供新鮮清潔的空氣，不僅有利于人的生理健康，滿足人與自然接近的心理需求，同時節(jié)約了能源，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 51 頁 自然通風(fēng)在我國民 居應(yīng)用中有著悠久的歷史，民居門窗的位置，建筑朝向及建筑格局等方面無一不體現(xiàn)著利用自然通風(fēng)改善居室熱濕環(huán)境的思想，另外我國能源短缺且空調(diào)系統(tǒng)能耗較大，發(fā)展自然通風(fēng)是我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略之一。 2020 年在我國 ―非典 ‖的出現(xiàn)，更要求在建筑中使用自然通風(fēng)保證室內(nèi)空氣的品質(zhì)。 機(jī)械通風(fēng)是解決住宅室內(nèi)通風(fēng)的適宜方法 室內(nèi)需要的新風(fēng)量，自然通風(fēng)能夠解決室內(nèi)通風(fēng)量的問題。但是，自然通風(fēng)會受到地域氣候、住宅結(jié)構(gòu)等多重因素的影響，通風(fēng)氣流組織無法有效控制，即使開窗也無法使住宅各房間獲得穩(wěn)定、均勻的有效通風(fēng)量，各住宅的 通風(fēng)換氣水平很不平均。 機(jī)械通風(fēng)是使室外新鮮空氣首先進(jìn)入起居室、臥室等人員主要活動、休息場所，然后從廚房、衛(wèi)生間排出到室外。這種通風(fēng)方式保持了全天 24 小時有組織地、定量地連續(xù)通風(fēng)，既保證廚房、衛(wèi)生間使用時的通風(fēng)量，又要滿足人們?nèi)粘Ｉ钚枰男嘛L(fēng)量。 綜上所述，真正能夠改善室內(nèi)空氣品質(zhì)還需要采用機(jī)械通風(fēng)的有組織通風(fēng)方式。住宅機(jī)械通風(fēng)有很多種，但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，采用 ―自然進(jìn)風(fēng)機(jī)械排風(fēng) ‖的獨(dú)立機(jī)械通風(fēng)方式更符合我國國情，而且便于推廣使用。該通風(fēng)方式可以有組織地對住宅進(jìn)行送風(fēng)、排風(fēng)，使得各房間獲得穩(wěn)定、有效的通風(fēng)換氣量 。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 51 頁 3 系統(tǒng)方案設(shè)計 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 所研究的系統(tǒng)適用于多種場合，如使用中央空調(diào)的智能建筑 (賓館、大型寫字樓等 )、使用家用空調(diào)的辦公室和住宅、無空調(diào)的辦公室等多種需要調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的場所。本文介紹的控制系統(tǒng)的重點(diǎn)內(nèi)容是系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。 本次設(shè)計以 ATmega32L 芯片為控制核心，溫度，濕度等傳感器為環(huán)境信息采集源，來制作一個室內(nèi)智能通風(fēng)控制系統(tǒng)。在原有的機(jī)械式按鍵開關(guān)的基礎(chǔ)上，實(shí)時控制通風(fēng)設(shè)備（如空調(diào)，加濕器，風(fēng)機(jī)等）。此外在本次設(shè)計中，采用多種傳感器結(jié)合，智能將各個傳感 器采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)處理、比較，依據(jù)實(shí)際測量的環(huán)境控制通風(fēng)設(shè)備，如自動開關(guān)風(fēng)機(jī)，智能調(diào)節(jié)空調(diào)開停等，并提供報警顯示 。 圖 3 . 1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 系統(tǒng)主要單元模塊方案選擇及論證 方案一：采用 XC9000 系列的 FPGA。該類器件具有并行處理能力，能快速的響應(yīng)外部的各種數(shù)字信號，但在數(shù)據(jù)處理方面過于復(fù)雜，而且芯片價格較昂貴。 方案二：采用單片機(jī)作為控制核心，單片機(jī)數(shù)學(xué)運(yùn)算功能較強(qiáng)。在程序相互調(diào)用方面，處理方便靈活，性 能穩(wěn)定，適合實(shí)際應(yīng)用。且單片機(jī)技術(shù)發(fā)展較為成熟，價格便宜。 基于以上分析，采用單片機(jī)控制可更為簡便靈活地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，故擬采用方案二。 A T m a g e 3 25 V 電 源 供 電鍵 盤 輸 入溫 度 檢 測濕 度 檢 測光 強(qiáng) 檢 測風(fēng) 速 檢 測報 警 電 路Ｌ Ｃ Ｄ 顯 示執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)模 擬 空 間檢 測 相 關(guān) 參 數(shù) 控 制 通 風(fēng) 設(shè) 備桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 51 頁 方案一：選用 DHT11 作為溫濕度檢測模塊。 DHT11 是一款數(shù)字輸出的復(fù)合傳感器，包含一個電阻式感濕元件和 NTC 式溫度檢測元件，可測 20%~90%RH 濕度，誤差177。5%RH， 0~50℃ ，誤差 177。2 ℃ 。 方案二：選用 DS18B20 溫度傳感器和 DHT11 濕度傳感器。 DS18B20 是一線式數(shù)字溫度傳感器，具有獨(dú)特的單線式接口方式，其測量范圍在－ 55℃ ～ 125℃ ，在－ 10℃ ～+85℃ 時精度為 177?！?，而最高精度則可達(dá) ℃ 。由方案一中數(shù)據(jù)可知， DHT11 是數(shù)字式濕度傳感器，可測相對濕度范圍在 20%~90%RH 濕度，誤差 177。5%RH。從設(shè)計要求的精度來看，本方案更優(yōu)。 綜上所述，雖然方案一具有綜合作用，但是方案二的測試范圍和精度都優(yōu)于方案一，故本模塊采用方案二。 方案一：采用風(fēng)速儀，通過記錄風(fēng)速儀上的葉片因風(fēng)速作用轉(zhuǎn)動而引起的脈沖數(shù)，再通過程序轉(zhuǎn)換成葉片的轉(zhuǎn)圈數(shù)，進(jìn)而將其換算成風(fēng)速，將信號接入計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的數(shù)據(jù)回放或曲線顯示。這樣的風(fēng)速采集系統(tǒng)雖然原理簡單，成本不高，但其最大的缺陷是采集系統(tǒng)過于體積龐大、機(jī)動性差，對于需要測量多點(diǎn)風(fēng)速的場合并不適用。因此，傳統(tǒng)的風(fēng)速采集系統(tǒng)由于不具備便攜性而無法應(yīng)用于多點(diǎn)風(fēng)速采集測量的場合。 方案二：采用脈沖式風(fēng)速測量傳感器。其工作原理是風(fēng)速帶動感應(yīng)元件（葉片）轉(zhuǎn)動，葉片轉(zhuǎn)動引發(fā)光電編碼器輸出脈沖信號，通過對單位時間內(nèi)脈沖信號的計數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測量。脈沖式風(fēng)速傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)是不僅原理簡單、體積小、質(zhì)量小，而且能夠?qū)L(fēng)速模擬量直接轉(zhuǎn)換成電子脈沖數(shù)。將其與單片機(jī)相連，只需 在程序中建立―數(shù) ‖脈沖的程序，就能夠方便地實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測量，省去了一般風(fēng)速傳感器還需要配置的A/D 轉(zhuǎn)換模塊的程序，大大提高了檢測裝置的便攜性。 基于上述分析，采用脈沖式風(fēng)速測量傳感器可以進(jìn)行多點(diǎn)測量，更靈活地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，故本模塊采用方案二。 方案一：采用光敏三極管。光敏三極管是利用硅 PN 結(jié)的光電效應(yīng)制成的。在使用時，其基極通常開路，基極－集電極產(chǎn)生的光感生電流直接饋入基極，并被光敏三極管自己所放大，因此它的靈敏度比光敏二極管大得多，通常要大 100 多倍。由于光敏三極管對光強(qiáng) 太過敏感，很容易進(jìn)入非線性區(qū)，使測量的值嚴(yán)重失真。 方案二：采用光敏二極管。光敏二極管利用自身產(chǎn)生的電流隨光照增強(qiáng)的線性特性輸出模擬采樣電壓，電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后數(shù)字信號通過輸送給單片機(jī)。由于光敏二極管具有線性好、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，從而提高了電路的桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 51 頁 響應(yīng)速度以及靈敏度高。但是單獨(dú)使用時輸出電流（或電壓）很小，需要加放大電路將采樣電壓進(jìn)一步放大，而加入運(yùn)放環(huán)節(jié)會由于運(yùn)放的零漂和易受溫度影響使得電路穩(wěn)定性降低，誤差增大。 方案三：采用光敏電阻。利用光敏電阻受光照后，其阻值變小的原理， 感知光強(qiáng)。采用光敏電阻作為光照傳感器，進(jìn)行模擬電壓采樣，通過 ADC 數(shù)模轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送到單片機(jī)中，簡單可行，成本造價低?？偟膩碚f，光敏電阻具有反應(yīng)速度快、體積小、靈敏度高、可靠性好、光譜特性等特點(diǎn)。但是光敏電阻工作時的容易受溫度影響，且由于光敏電阻的光照特性不是線性的，在測量光學(xué)參量時需要先對所用光源測出其光照特性曲線圖，然后根據(jù)此圖查出光強(qiáng)的變化情況，才可對光學(xué)參量進(jìn)行計算，處理數(shù)據(jù)稍微復(fù)雜。 基于以上分析，綜合考慮本模塊選用方案三。 方案一：采用 12864 液晶模塊顯示測得的數(shù)據(jù)，可顯示較多組的數(shù)據(jù)，字體較大，可清晰讀數(shù)。 方案二：采用 1602 液晶模塊顯示所測數(shù)據(jù)， 1602 液晶接線簡單方便，但不能滿足多組數(shù)據(jù)的顯示需要。 綜上所述，顯示模塊選擇方案一。 方案一：采用獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計。它的優(yōu)點(diǎn)是電路配置靈活，軟件實(shí)現(xiàn)簡單，缺點(diǎn)是每個按鍵需要占用一根口線，若按鍵數(shù)量較多，資源浪費(fèi)將比較嚴(yán)重，電路結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜。因此本方法主要用于按鍵較少或?qū)Σ僮魉俣纫筝^高的場合。 方案二：采用專用鍵盤處理芯片。它的一般功能比較完善，芯片本 身能夠完成對按鍵的編碼、掃描、消抖和重鍵等問題的處理，有些甚至還集成了顯示接口功能。具有可靠性高，接口簡單，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，適合處理按鍵較多的情況。但考慮成本因素，該方法并不是最佳選擇。 方案三：采用矩陣式按鍵設(shè)計。該法適應(yīng)于按鍵數(shù)量較多，但又不想使用專用鍵盤芯片的場合。其優(yōu)點(diǎn)就是相對于獨(dú)立接口方式可以節(jié)省很多 I/ O 資源，相對于專用芯片式可以節(jié)省成本，且更為靈活。缺點(diǎn)就是需要用軟件處理消抖、重鍵等問題。 綜上所述，輸入模塊選擇方案一。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 51 頁 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本次的題目涉及到多個參數(shù)的測量，要運(yùn)用到 不少的元器件，因此，將其劃分成一個個電路模塊，分別有由 ATmega32L 單片機(jī)構(gòu)成的最小系統(tǒng)、顯示模塊（ 12864 液晶顯示器）、報警模塊（蜂鳴器）、溫度測量模塊、濕度測量模塊、風(fēng)速檢測模塊以及光強(qiáng)檢測模塊。 主控電路 本節(jié)主要介紹 CPU 的選擇及其相關(guān)參數(shù)和最小系統(tǒng)中各個引腳接線的設(shè)置。 CPU的選擇 單片機(jī)實(shí)際上就是把 CPU、 RAM、 ROM、定時器 /計數(shù)器、 I/O 接口電路等微型機(jī)的主要部件集成在一塊芯片上，因此稱之為單片機(jī)。由于它具有體積小、性價比高、耗電少、可靠性高、易于掌握和使用等 特點(diǎn)，所以現(xiàn)在單片機(jī)不僅占領(lǐng)了原來實(shí)用小型機(jī)的各個領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于過程控制等場合。此外，還可應(yīng)用于過去計算機(jī)無法深入的方面，如測量儀器、教學(xué)裝置、醫(yī)療設(shè)備、家用電器等。 我們平時學(xué)習(xí)中接觸最多的要屬 51 系列的普通型單片機(jī)，而大多數(shù)人更是以郭天祥老師的《新概念 51 單片機(jī) C 語言教程 ——入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略》作為啟蒙教材，若需要繼續(xù)專研，則是接著深入學(xué)習(xí)以 ATmega16 為基礎(chǔ)的 AVR 系列的單片機(jī)。因此，在這里主要對這兩種類型的單片機(jī)進(jìn)行介紹、對比與選擇。 （ 1） 51 系列的普通型單片機(jī) 51 單片機(jī)從內(nèi) 部的硬件到軟件有一套完整的位處理器。且它的 I/O 腳的設(shè)置和使用也相對簡單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各 I/O 口均置高電平）。但是， 51 單片機(jī)也存在進(jìn)行乘法和除法運(yùn)算時精度不高、 I/O 口輸出時無驅(qū)動能力、當(dāng)晶振頻率為 12MHz 時運(yùn)行速度慢、體積大、 ROM 少等缺點(diǎn)。 （ 2） AVR 系列的單片機(jī) 總的來說， AVR 單片機(jī)具有以下特點(diǎn)： ① 速度快，每秒鐘可以執(zhí)行百萬條指令。 51單片機(jī)的內(nèi)部時鐘需要經(jīng)過 12 分頻，而 AVR 單片機(jī)不需要經(jīng)過分頻，所以從長久意義上來說， AVR 單片機(jī)要比 51 單片機(jī)的執(zhí)行 指令的速度快 12 倍。 ② 片上資源豐富。 ③ 驅(qū)動能力強(qiáng)。其 I/O 口輸入輸出電流達(dá)到 20mA，這么大的電流足可以驅(qū)動發(fā)光二級管、數(shù)碼管、繼電器等等。 ④ 功耗低。在完成相同功能的情況下，要比其他單片機(jī)消耗的能量少一些。 ⑤ 可選擇型號種類多。 AVR 單片機(jī)有