毕业论文智能温度控制和风扇控制系统

毕业论文智能温度控制和风扇控制系统

集团标准化工作小组 [Q8QX9QT-X8QQB8Q8-NQ8QJ8-M8QMN]

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摘要

本次毕业设计设计了一个基于热释人体红外的风扇及照明控制系统，采用单片机STC89C52为控制器，以热释人体红外和系统来检测室内有无人员以及室内温度，通过光敏电阻来检测室内的光线强度，用温度传感器DS18B20来检测室内温度，用LCD1602来实时显示系统当前的工作模式和室内的温度，同时可通过按键来实现正常模式与防盗模式两者之间的随意切换。调试结果表明该系统可以实时调节和控制室内风扇的转速和灯管的照明，达到了智能控制和节能的目的，并通过设置启动防盗模式来达到防盗的效果。

关键词：热释人体红外；STC89C52；智能温控风扇；照明控制

Title The design of intelligent temperature control fan and illumination system based on the body pyroelectric infrared Abstract:

In this paper we designed an intelligent temperature control fan and illumination system based on the body pyroelectric infrared to control the fan and the lamp in real time. In this system we use the STC89C52 as the intelligent controller, we detect the inner-room temperature with the temperature sensor, and decide whether there is a person or not based on infrared from the body, and check the illumination intensity through the photoconductive resistance. Besides, we utilize the LCD1602 to display the present working mode and the inner-room

temperature, meanwhile, we could change the mode freely by pressing the buttons. Result shows that the system can surely control the objects intelligently and decrease the electric power effectively. Besides, it can also realize the effect of anti-theft by setting the anti-theft mode.

Key words: the body pyroelectric infrared; AT89C51; intelligent temperature control fan; illumination control

目录

1 绪论

智能温控风扇及照明控制系统的研发背景

1.1.1 智能温控风扇的设计背景

随着空调机在日常生活中的普遍应用，很容易想到电风扇会成为空调的社会淘汰品，其实经过市场的考验和证实，真实的并不是这样的,在空调产品的冲击下，电风扇产品仍然具有很强大的生命力，电风扇在市场的考验中并没有淡出市场，反而销售在不停的复苏中具有强大的发展空间。据市场调查，电风扇的不停复苏主要在以下原因：一是电风扇虽然没有空调机的强大的制冷功能，但电风扇是直接取风，风力更加温和，比较适合老年人、儿童以及体质虚弱的人使用。二是电风扇经过多年的市场使用，较符合人们的使用习惯，而且结构简单、操作方便、安装简易。三是电风扇比起空调产品而言，其价格低廉，相对省电，更易的进入老百姓的家庭。

在激烈的市场竞争下，虽然电风扇具有广阔的市场空间，但不断新生产品的出现，要使产品更具市场优势，仅仅是靠传统型的电风扇是远远不够的，因此要对传统的电风扇根据市场的需要进行不断的更新，不断的改进，以使自己的产品立于不败之地。

现在电风扇的现状：大部分只有手动调速，再加上一个定时器，功能单一。

存在的隐患或不足：比如说人们常常离开后忘记关闭电风扇，浪费电且不说还容易引发火灾，长时间工作还容易损坏电器。再比如说前半夜温度高电风扇调的风速较高，但到了后半夜气温下降，风速不会随着气温变化，容易着凉。

之所以会产生这些隐患的根本原因是：缺乏对环境的检测。

如果能使电风扇具有对环境进行检测的功能，当房间里面没有人时能自动的关闭电风扇；当温度下降时能自动的减小风速甚至关闭风扇，这样一来就避免了上述的不足。本次设计就是围绕这两点对现有电风扇进行改进。

1.1.2 智能照明控制系统的设计背景

随着社会的发展人们对生活质量的要求越来越高，为方便生活人们越来越多的在各个场所引入照明设备，照明在能耗中所占的比例日益增加。为了达到方便生活的目的，这些照明设备有时会彻夜开着，从而造成了大量电力能源的浪费。据统计，在楼宇能量消耗中，仅照明就占33%，因此照明节能日显重要。现在国内外普及使用的节能开关基本有声控型、触摸型、感光型等。这几种开关各有自己的弊端，如声控型不适

合环境嘈杂场所、触摸型虽然能自动关闭但不能自动打开、感光型开关在无人期间不能自动关闭。目前，纵观国内外研究开发的智能照明控制系统，按其通信介质主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。按照网络的拓扑结构可以分为集中式或分布式。集中式智能照明控制系统主要为星形拓扑，即以中央控制节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射式互连结构。各照明控制器、控制面板等设备均连接到中央控制器（CPU）上，由中央控制器向照明控制器等末端执行单元传送数据包；分布式智能照明控制系统以中央监控为中心，组建控制主干网和多个控制子网，各照明控制器，控制面板等设备均具有中央处理器CPU单元，每个控制器和面板都可以直接连接在子网上。

智能温控风扇及照明控制系统的研制意义

近年来随着经济的发展和科技的进步，人们对用电设备的要求也越来越高，传统的手动风扇及照明控制系统技术受到了时代的强烈冲击，“智能温控风扇及照明”技术随之出现，并迅速地向前发展。一般来说，手动控制系统指的是个人通过按钮的切换、旋转、揿动或遥控器和其他途径执行操作的单一开关或一组开关和调光装置构成的系统，小规模情况下，的确具有成本低廉的优点，但随着系统规模的扩大，手动控制将失去其成本上的效益。此外，不需要照明时，是否关灯完全决定于人为因素，难免浪费电力增大能耗，照明范围越大，问题尤其严重。相对智能照明控制系统而言，传统控制方式简单、有效、直观。但它过多

依赖控制者的个人能力，控制相对分散和无法有效管理，其实时性和自动化程度太低。正因为如此，智能温控风扇及照明控制系统的研发有着极为重要的意义。

目前，绝大多数楼宇风扇和电灯在使用时都是由人员手动操作，当天气闷热时由楼宇内的人员手动开启风扇和选调风速，当灯光不足或在上楼梯时手动开启电灯，常常会由于人员的疏忽在人离开之后忘记关闭设备而导致用电的浪费。在本系统设计中，考虑采用单片机为控制器，以热释人体红外和温度传感系统来检测室内有无人员以及室内温度，设计一个智能温控风扇及照明控制系统，可以实时调节和控制室内的风扇和灯光的照明，从而达到智能控制和节能的目的。

2 基于热释人体红外的智能温控风扇及照明控制系统的硬件设计

总体设计

图2-1所示是基于热释人体红外的智能温控风扇及照明控制系统的总体结构框图。

图2-1 系统总体结构框图

由上图可以看出，该系统一共包括六个模块：人体感应模块、光度采集模块、温度传感及显示模块、照明控制模块、风扇控制模块、防盗报警模块。系统上电便进入默认的正常工作模式，1602液晶显示器实时显示当前系统的工作模式以及室内的温度。通过51单片机和热释人体红

外来检测区域内是否有人，如果距离人体红外感应模块5-7米范围内有

人出现，则其会输出高电平，然后可通过检测与感应模块相接的单片机

I/O口的高低电平来进行相应的操作。在正常模式下，若有人出现，系

统则会一直检测室内的光线强度以及温度，并通过与设定值相比较来进

行智能控制：如果光线较暗，则开启两盏LED灯；如果光线一般，则开

启一盏LED灯；若光线较强，则选择不开灯；而如果温度低于设定值，

则不开风扇；若温度高于设定值则开启风扇；若温度过高（本系统设置

为40度），则会发出报警的声音。如果在正常模式下没有人出现，即人体感应模块输出低电平的时候，系统则关闭所有的用电设备（LED灯、

风扇）以节省电能。此外可通过按键来切换当前的工作模式，如果启动

了防盗报警模式，当检测到其区域内有人或者温度高于某一设定值时，

就会发出连续的报警信号，直到按键按下才停止报警。

主控制器

2.2.1 STC89C52单片机的性能特点

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 /计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89X52

可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。

2.2.2 由STC89C52构成的单片机最小系统

单片机最小系统是指单片机可以正常工作需要的部件（都是必须的），包括mcu（单片机），时钟（晶振），复位电路，电源。在实际中可以使用几节的干电池供电。由STC89C52构成的单片机最小系统图见图2-2。

复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2us以上的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2us，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。按键按下系统复位，是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端的电压增加引起的。

图2-2 单片机最小系统

人体感应模块

人体红外感应模块电路主要由人体被动红外探头、菲涅尔透镜、专用芯片BISS0001组成，当有人出现在它的探测区，传感器便能探测到信号并把信号传给单片机，单片机通过检测输出信号再根据实际情况是否

该开启器件设备或让房间的电器设备处于一种可开启状态。关于走廊及洗手问用灯情况，当晚上有人经过时，人体红外感应到人便开启走廊用灯或者洗手间用灯。热释人体红外模块电路如图2-3所示。

图2-3 热释人体红外模块电路图

电路中运用了热释红外专用芯片BISS0001。BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。如图2所示，当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16 Hz，下限截止频率为 Hz。

由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱(通常仅有1 mV左右)，而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式(脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为Hz～10 Hz左右)，所以应对热释红外传感器输出的电压信号通过运算放大器OP1和OP2进行二级放大。再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器。

输出信号Vo接单片机以便检测，当有人时便输出5 V高电平，当人离开之后延时一段时间后便复位为O V以便主控制电路的控制。电路设计让芯片处于可重复触发状态以便适合教室的实际情况。重复触发其工作过程：可重复触发工作方式下在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触

发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。在Tx 时间内，只要Vs发生上跳变，则%将从Vs上跳变时刻起继续延长—个Tx周期;若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持

有效状态;若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并

且，同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。

本次设计中，热释人体红外模块是系统实现智能控制的前提，所有功能的实现比如风扇控制、灯管照明控制以及防盗等，都要以检测是否有人为前提，如果检测失准，将会造成控制紊乱，从而一方面浪费了电能，另一方面还给人们的生活和工作带来诸多不便。考虑到自己搭建以上人体感应电路的繁琐性以及给系统正常运行可能造成的不准确性，因而特意选用了一个整体模块SR-HC500。

SR-HC500有三个端口，如图2-4所示：一个接电源、一个接地、一个信号端口，它具有如下几种功能特点：

图2-4 人体感应模块原理图

（1）全自动感应：当有人进入起感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

（2）光敏控制（可选）：模模块预留有位置，可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。光敏控制为可选功能,出厂时未安装光敏电阻。如果有需要，可另行加入光敏电阻。

（3）两种触发方式：L不可重复，H可重复。可跳线选择，默认为H。

A.不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平。

B.可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平(感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。

（4）具有感应封锁时间(默认设置：秒)：感应模块在每一次感应输出后(高电平变为低电平)，可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。此功能可以实现(感应输出时间和封锁时间)两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。

（5）工作电压范围宽：默认工作电压DC5V至20V。

（6）微功耗：静态电流65微安，特别适合干电池供电的电器产品。（7）输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。

光度采集模块和照明控制模块 光度采集模块的主要元器件用到的是光敏电阻、滑动变阻器和电压比较器LM393。通过改变滑动变阻器的阻值向系统设定相应光强所对应的参考电压值，并与由光敏电阻所反映的实际电压进行比较，经由

LM393芯片得到输出电压，然后通过输出电平的高低来控制照明系统。其电路原理图如图2-5所示：

图2-5 光度采集模块原理图

本模块通过两个滑动变阻器设置两个参考电压，比较参考电压和实际电压的大小从而得到几组不同光线强度下的输出电压情况，再根据这些去控制LED 灯的亮灭。

2.4.1 光敏电阻的特性

利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器称为光敏电

阻。目前，光敏电阻应用的极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻。利用光敏电阻制成的光控开关在我们日常生活中随处可见。

当内光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为：

p n p e n e σμμ?=???+??? （式2-1）

在（式2-1）中，e 为电荷电量，p ?为空穴浓度的改变量，n ?为电子浓度的改变量，μ表示迁移率。

当两端加上电压U 后，光电流为：

ph A I U d

σ=??? （式2-2） 式中A 为与电流垂直的表面，d 为电极间的间距。在一定的光照度下，σ?为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。

光敏电阻的伏安特性如图2-6所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。当然，与一般电阻一样光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。

图2-6 光敏电阻的伏安特性曲线 图2-7 光敏电阻的光照特性曲线

光敏电阻的光照特性则如图2-7所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图2-7的结果类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性敏感元

件 ，这是光敏电阻的缺点之一。所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。

2.4.2 发光二极管电路

发光二极管简称为LED ，它是半导体二极管的一种。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R 可用下式计算：

R ＝（E －U f ）／I f （式2-3）

式中E 为电源电压，U f 为LED 的正向压降，I f 为LED 的一般工作电

流。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。

与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低

（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。

温度传感及显示模块

本模块采用温度传感器DS18B20来检测室内的温度，并将实时采集的温度传输至单片机的一个I/O 口，同时使用LCD1602来实时显示室内的温度值。

2.5.1 温度传感器DS18B20简介

新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线，在实际应用中取得了良好的测温效果。

DS18B20的主要特性：

（1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

（2）测温温范围－55℃～＋125℃

（3）最高分辨率为0.0625℃。

2.5.2 DS18B20的一般操作过程

（1）初始化；

（2）跳过ROM（命令：CCH）；

（3）温度变换（命令：44H）；

（4）读暂存存储器（命令：BEH）；

注：每次读取温度都要经过上面四个过程。

2.5.3 DS18B20的温度存储方式即温度计算

DS18B20是用12位存储温度，最高位为符号位，表2-1为它的温度存储方式：

表2-1 DS18B20温度存储地址分配

2^32^22^12^02^-12^-22^-32^-4 LSBYTE Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0 S S S S S2^62^52^4 MSBYTE Bit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8

这是12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于即可得到实际温度。