嬰幼兒房溫濕度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

謝華奕　徐劍琴　李克訥

摘要：設(shè)計(jì)一種基于AVR單片機(jī)的嬰幼兒房溫濕度智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ATmega16L單片機(jī)為主控芯片，利用SHT10溫濕度傳感器對房間的溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過按鍵可分別調(diào)節(jié)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(nèi)溫度和濕度范圍，通過單片機(jī)對繼電器控制，分別控制冷氣機(jī)、暖氣機(jī)、加濕器和抽風(fēng)機(jī)的動作，從而完成室內(nèi)溫濕度的自動調(diào)節(jié)。另外，系統(tǒng)還具有定時(shí)自動通風(fēng)換氣功能，通風(fēng)時(shí)間和時(shí)長也可由用戶調(diào)整。該系統(tǒng)充分利用了ATmega16L單片機(jī)資源，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

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(guān)鍵詞：嬰幼兒;室內(nèi);自動控制;ATmega16L單片機(jī);溫濕度

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

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(huán)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(fā)燒;室溫過低，影響四肢活動和吸吮動作。另外，不恰當(dāng)?shù)臐穸葧饗胗變汉粑赖牟贿m，甚至引發(fā)呼吸道疾病。因此，適宜的環(huán)境溫濕度是新生兒保暖保濕的最基本措施。但我國由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)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(diào)設(shè)備。因此，設(shè)計(jì)一套具有溫濕度和通風(fēng)調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)顯得尤為必要。

本文為此設(shè)計(jì)一種基于AVR單片機(jī)的嬰幼兒房溫濕度智能控制系統(tǒng)，可以根據(jù)室內(nèi)環(huán)境溫濕度的變化，自動控制降溫、升溫、加濕或除濕，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度的自動調(diào)節(jié)，以保證寶寶生活環(huán)境的舒適。另外，系統(tǒng)還設(shè)置了定時(shí)通風(fēng)換氣功能，以保持室內(nèi)空氣新鮮，更有利于嬰幼兒呼吸系統(tǒng)的功能發(fā)育，保證身體健康。

1? 嬰幼兒房溫濕度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可通過按鍵輸入不僅可以設(shè)定環(huán)境溫度、濕度的上下閾值，還可以設(shè)置每日定時(shí)通風(fēng)換氣的時(shí)間和時(shí)長。通過溫濕度傳感器SHT10采集室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)[1，2]，分別與設(shè)定環(huán)境溫度、濕度的上下閾值作比較，并進(jìn)行控制。系統(tǒng)通過抽風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)換氣。當(dāng)設(shè)定的時(shí)間到，系統(tǒng)會自動開啟抽風(fēng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)換氣。抽風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定的時(shí)長時(shí)，抽風(fēng)機(jī)才會自動停轉(zhuǎn)。

根據(jù)溫濕度智能控制的方法，本系統(tǒng)可劃分為相應(yīng)幾個模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2? 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)嬰幼兒房溫濕度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)示意圖，系統(tǒng)以ATmega16L單片機(jī)為控制核心，其它部分以模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)的輸出控制電路主要是使強(qiáng)電設(shè)備冷氣機(jī)、暖氣機(jī)、加濕器、抽風(fēng)機(jī)能夠運(yùn)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(shè)備的控制電路進(jìn)行接通和斷開，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動控制。考慮到單片機(jī)I/O口的驅(qū)動能力不強(qiáng)，因此加入了ULN2003A用于驅(qū)動繼電器動作。系統(tǒng)還通過LCD1602作為顯示模塊，方便用戶操作。本系統(tǒng)的主要單片機(jī)引腳資源分配如表1所示。

值得指出的是，ATmega16L單片機(jī)還預(yù)留有一定的引腳資源以擴(kuò)展系統(tǒng)，能夠多點(diǎn)采集溫濕度，形成多點(diǎn)溫濕度自動化控制調(diào)節(jié)。

3? 軟件設(shè)計(jì)

AVR單片機(jī)程序采用ATMEL公司推薦的ICCAVR編程軟件開發(fā)[3]。嬰幼兒房溫濕度控制系統(tǒng)程序由主程序、子程序和中斷程序組成。子程序主要負(fù)責(zé)溫濕度的采集和轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)數(shù)字時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)、按鍵的掃描和處理、LCD顯示、溫濕度的比較和輸出控制、定時(shí)通風(fēng)的開啟等。定時(shí)器1中斷程序負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)字時(shí)鐘的秒信號、通風(fēng)換氣的定時(shí)、以及定時(shí)采集溫濕度。外部中斷INT0實(shí)現(xiàn)時(shí)間的時(shí)、分和時(shí)長的遞增，以及溫、濕度上閾值的調(diào)節(jié)。外部中斷INT1實(shí)現(xiàn)時(shí)間的時(shí)、分和時(shí)長的遞減，以及溫度、濕度下閾值的調(diào)節(jié)。程序的編制和仿真在計(jì)算機(jī)上完成，仿真驗(yàn)證通過后把程序下載到ATmega16L進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行。

主程序采用模塊化設(shè)計(jì)，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(shí)器1初始化Timer1_Init（）之外，還調(diào)用了溫濕度采集和轉(zhuǎn)換getTandH（）、溫濕度顯示showtemp_and_humi（）、系統(tǒng)時(shí)間調(diào)整shizhongjishi（）、時(shí)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(shí)通風(fēng)的開啟kaiqitf（）等多個子程序。主程序流程圖的設(shè)計(jì)如圖2所示。

定時(shí)器1中斷程序主要是為了實(shí)現(xiàn)逐秒計(jì)時(shí)功能，由于單片機(jī)采用8MHz晶振，因此，可設(shè)置16位定時(shí)器1的分頻系數(shù)為256，計(jì)數(shù)寄存器TCNT1H為0x85，TCNT1L為0xEE，以使單片機(jī)每過一秒進(jìn)入中斷程序。考慮到溫濕度的變化比較緩慢，因此可設(shè)置定時(shí)采集溫濕度，例如每分鐘采集一次。另外，用戶在調(diào)節(jié)參數(shù)的過程中可能會沒完成設(shè)置的步驟，系統(tǒng)會進(jìn)行檢測，當(dāng)檢查到超過30秒沒有按鍵按下，恢復(fù)各功能鍵的標(biāo)志位為初始值，以使得顯示器更新顯示當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間和室內(nèi)溫濕度。

4? 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)的嬰幼兒房溫濕度智能控制系統(tǒng)，采集當(dāng)前室內(nèi)的實(shí)際溫濕度，與設(shè)定的溫濕度閾值比較，當(dāng)超過設(shè)定的溫濕度范圍時(shí)，會相應(yīng)發(fā)出控制信號，控制冷氣機(jī)、暖氣機(jī)、加濕器、抽風(fēng)機(jī)的動作，實(shí)現(xiàn)溫濕度的自動調(diào)節(jié)，以保證寶寶舒適的生活環(huán)境。系統(tǒng)還設(shè)置定時(shí)通風(fēng)換氣，保證室內(nèi)空氣的新鮮。系統(tǒng)硬件資源利用合理，可擴(kuò)展性好。程序設(shè)計(jì)思路清晰、簡單、可行。此系統(tǒng)還可以推廣用于老人房、加護(hù)病房和實(shí)驗(yàn)室等場合的溫濕度控制。經(jīng)實(shí)踐測試表明：該系統(tǒng)能自動控制降溫、升溫、加濕、除濕和通風(fēng)，從而調(diào)整嬰幼兒房的溫濕度，實(shí)現(xiàn)嬰幼兒最適宜的生活環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[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(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010（02）：98-100，103.

[2]陳杰，黃鴻.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2012.

[3]馬潮，詹衛(wèi)前，耿德根.ATmega8原理及應(yīng)用手冊[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.