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, 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。

　　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, 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 e , 测量分辨率为0. 062 5 e , 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温度/ 温度进行判断处理, 即如果温度大于所设的温度就启动排气扇降温; 如果温度小于所设的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0, 它由铝片、制冷片、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HIH24000 。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, 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 e ) 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, 固有为? 3. 5 % RH, 工作温度范围为- 40 ~ + 85 e 。HIH24000 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12Wire 器件DS2438 给HIH24000 提供电源, 利用DS2438 内部的电压ADC 和温度传感器, 在HIH24000 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HIH24000 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12Wire 总线空闲时期( 电压为5 V) 从总线上/ 偷0 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) 。12Wir e 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HIH24000 和DS2438 提供电源,DS2438 从引脚4 引入HIH24000 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12Wire 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OP207 及其他元件组成一个直流前置的电流2电压变换器, 它能提供正比于输入电流的输出电压 。在该控制执行部分, 调节光强主要通过步进电机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。

　　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。该系统在的实际测试中取得了令人满意的结果。