家用小范围环境控制系统

摘 要:现实生活中有很多地方对环境的要求非常苛刻,在此以AVR单片机为控制核心,通过传感器检测室内利用制冷片和加湿器等设备,对室内的温湿度、光照度进行调节,已达到室内的环境控制的目的。同时,该设备还具有键盘和显示功能,能够依据具体的环境要求,自主设定和显示室内环境值。该系统与市面上的一般同类器件相比具有价格便宜,功能强大的优点。该系统在实际测试中取得了令人满意的效果。关键词:室内环境; 温湿度、光照传感器; AVR单片机; 温度控制

中图分类号:TN911-34文献标识码:A

文章编号: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

现实生活中有很多地方对环境的要求非常严格,比如说:葡萄酒的储藏,蘑菇等菌类植物的培养等等。这些地方对环境的要求高,因而其造价也高。所以一些比较大的酒窖,菌类培育基地等地方,很少出现在日常家用中。该系统从这一点出发,面向对象为一般家用。以AVR单片机为控制核心[1-2],运用传感器检测室内的温度、湿度、光照度这三个量,再使用加湿器、制冷片、加热器、百叶窗、灯泡和排风扇,实现动态调节。该系统在一般家用环境的调节中精确度高,稳定度高,反应灵敏,造价适中,功能强大,同时该系统带有键盘显示功能,能够实现在常见的不同环境中进行切换,还可以让用户在一定的范围内自主地设置温度、湿度及光照度的值。

1 整体的系统框图

系统主要由测量部分和执行装置组成,其整体框图如图1所示。

1.1 温度控制部分

作为测温电路,主要采用了先进的单总线数字温度传感器DS18B20对温度信号进行采集及处理,实现对环境温度的智能控制功能。它将传感器和数字电路转换器集成在一块片子上。

图1 系统框图

DS18B20[3-4] 只有1根数据线,这样就节省了大量的引线和逻辑电路。该温度计采用数字输出方式,因此也不需要另外添加A/D转换器。在保证设计质量和提高设计功能的同时降低制作成本。DS18B20测温范围为-55~+125 ℃, 测量分辨率为0.062 5 ℃,当DS18B20 采集到温度信号, 并将信号送到单片机中, 再将对应的温度送到液晶显示器显示, 同时单片机会根据初始化所设置环境温度的最高温度/最低温度进行判断处理, 即如果温度大于所设的最高温度就启动排气扇降温;如果温度小于所设的最低温度就启动加热装置,还可以通过按键随时调节环境温度。

在该控制执行部分,加热装置主要采用电热丝加热;制冷装置采用自制“小空调”,它由铝片、制冷片[5]、排气扇组成。该制冷装置设计简单,造价便宜,且制冷效果明。制冷装置结构示意图如图2所示。

图2 自制制冷器示意图

1.2 湿度控制部分

作为测湿电路,采用湿度传感器是Honeywell 公司生产的HIH-4000[6]。这是一款具有激光调整互换型容性变化的单片集成电路,其输出电压与RH 值呈线性关系,精度高,响应时间快,漂移小。在标准工作电压(DC 5 V)和标准室温(25℃)下,随着RH 值从0变化到100 %,对应的输出电压从0.96 V 变化到3.90 V,测量湿度范围为0～100 %RH,固有精度为±3.5 %RH,工作温度范围为-40～+85℃。HIH-4000湿度计的输出电压不仅正比于相对湿度测量值,还与电源电压、环境温度有关。当环境温度改变时应进行温度补偿。因此,选择1-Wire器件DS2438 给HIH-4000提供电源,利用DS2438内部的电压ADC和温度传感器,在HIH-4000测量湿度时测量传感器的电源电压及工作温度,单片机通过这些数据对HIH-4000测得的相对湿度值进行修正。如图3所示,C1和D2构成一个半波整流电路,在1-Wire总线空闲时期(电压为5 V)从总线上“偷”来电荷存储在C1之中,从而给HIH-4000和DS2438 提供电源,这是寄生电压技术的非典型应用(单总线器件在IC 内部完成这个工作) 。1-Wire BUS和GND间的D2 起保护作用,当GND 端的电压大于DATA 的时候,将电压箍位在0～-0.4 V之间。总线控制器给HIH-4000 和DS2438提供电源,DS2438从引脚4 引入HIH-4000的输出电压,再通过内部的一个13位转换器将这个电压值转换成一个数字量,通过1-Wire总线发送到单片机,单片机根据转换关系换算成湿度值。

图3 湿度传感器整理电路

在该控制执行部分,主要由加湿器和排气扇构成。

1.3 光照度控制部分

在光照测量部分,选用硅光电池作为光照度传感器的转换元件,将光照强度转化为电流信号, 再通过运算放大器转化为电压信号输出。测量范围: 0.1～199.9 klx;准确度: 测量值的4%; 线形误差:测量值的0.2%,输出信号: 0～5 V。硅光电池的短路电流与光照度成线性关系。所谓短路电流是指外接负载相对于硅光电池内阻而言,是很小的。利用硅光电池的这个特性, 光照度传感器的信号调节电路如图4所示。

图4 光照度传感器整理电路

该电路由精密运算放大器OP-07及其他元件组成一个直流前置的电流-电压变换器, 它能提供正比于输入电流的输出电压[7-8]。 在该控制执行部分,调节光强主要通过步进电机[9-10]控制百叶窗的折合程度,其框图如图5所示。

图5 光照度调整示意框图

2 整个系统的工作流程

首先系统上电,整个系统进行初始化,单片机从存储器中读取默认的温湿度和光照度值,之后单片机开始检测传感器,读取传感器的值,与默认值作比较,再开启相应的控制器件进行调节。然后单片机定时检测各个传感器的值,调整控制指令。在此期间,若键盘有键按下,则单片机进入中断服务,读取键值,将键值存入存储器。程序的流程图如图6~图8所示。

图6 主流程图

图7 定时器中断流程图

图8 按键中断流程图

3 实验数据的测试

该系统在实际的检测中,首先利用温度计、湿度计对温湿度传感器芯片进行校验,然后分别用不同功率的灯泡对光敏电阻进行校验,确定光照度的单位。在该系统中光照度是采用灯泡的瓦数来定义的。

4 结 语

该系统的最大优点就是成本适中,功能强大,非常适合日常家居的使用。同时该系统还具有灵活的可调性,能够根据不同场合具体设置参数值。但该系统的控制调节器件是对确定的空间而设计的,因而对于不同的密闭空间,要更换不同功率的调节器件,以求得更好、更快的结果。该系统在最后的实际测试中取得了令人满意的结果。

参考文献

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