室内环境检测及控制系统设计

2018.09设计与研发
室内环境检测及控制系统设计
王飞1’2
(1.榆林市杨伙盘煤矿，陕西榆林，719000; 2西安科技大学安全学院，陕西西安，710054 )
摘要：本文完成了基于A R M的室内环境检测及控制系统的设计，其主要功能模块包括传统窗帘的智能控制、室内温湿度采集、电子密码锁和防盗报警装置。

本次设计核心控制芯片为LPC2131,通过其高速的CPU操作速率以及较低能量消耗，实现相对于 许多51系列的单片机更加简单、快速的应用设计。

本文通过光敏传感器对外部光照的实时采集和步进电机的转速控制完成了 窗帘的智能控制，通过温湿度传感器对室内环境实时采集及其监控实现了室内合适的温湿度控制，同时增加了电子密码锁和 红外监测报警功能。

由于室内控制系统操作简单、实用性强，相信在不久的将来它会走进寻常百姓家中，满足人们对智能化的 需求以及舒适生活的追求。

关键词：LPC2131;室内环境；检测；传感器
The Design of Detection and Control System for Indoor Environment
Wang Fei1，2
(1. YU LIN SHI YANG HUO PAN COAL,YuLin Shaanxi , 719000;2. School of Safety,X i?an University of Science
and Technology,X i f an Shaanxi , 710054)
Abstract: The design of indoor environment detection and control system based on ARM is completed in this paper, the main function modules include intelligent control of traditional curtain, the indoor temperature and humidity acquisition, electronic combination lock and anti-theft alarm device. The core control chip of this design is LPC2131. The design is simpler and faster than many 51 single-chip microcomputer series through its high-speed CPU operation rate and low energy consumption. In this paper, the intelligent control of curtain is accomplished through the real-time acquisition of external illumination by photosensitive sensor and the speed control of stepping motor. The suitable temperature and humidity can be controlled by real-time acquisition of temperature and humidity and control in indoor environment, at the same time, the electronic code lock and infrared monitoring alarm function are added. Because the indoor control system is simple and practical, it is believed that in the near future it will go into ordinary peopleJ s homes to meet peopleJ s demands for intelligence and the pursuit of comfortable life.
Key Words:LPC2131;Indoor environment; Detection; Sensor
1绪论
近几年来，随着科学技术的发展和人民生活水平的日益提 高，不同时代的人们对于自身居住环境也有了不同的追求，这是 社会发展的趋势,同时这也驱使产品设计向智能化和舒适性发展。

智能化的产品设计在改变人们工作方式与生活习惯的同时，让人 们对于自身生活质量的提升提出了更高的要求。

智能化的产品设 计将以前被动静止物体转变为人们能够实时方便操作的工具，帮 助人们合理的安排时间，增加了室内环境的安全性和舒适性。

2系统硬件方案谢十及主麵權块设计
基于A R M的室内环境检测及控制系统硬件结构主要由单片 机控制模块、光感应模块、温湿度采集模块、红外感应模块、键盘 控制模块、液晶显示模块、电机驱动模块、步进电机模块、风扇模 块、蜂鸣器报警模块、密码锁功能模块等部分构成。

总体框图如图 1所示。

2.1》雖采集与风扇獅J模块
温度传感器的种类有很多[1]42]，在高精度、高可靠性的应用 场合时，D S18B20应用广泛。

它具有精度高、体积超小、硬件功耗
S I M M 超低、抗干扰的能力强等特点。

DS18B20在使用时需要在D Q出接一个上拉电阻，以保持数据口一直保持高电平,以保证数据能 够正常采集。

电路接线如图2所示。

图1基于ARM的室内环境检测及控制系统硬件结构框图
在本设计中采用一个带有5V的直流电机的风扇模拟空调调 节室内温度。

接线图如3所示。

当温度超过限定值时，单片机输出 一个低电平驱动风扇工作。

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设计与研发
2018.09
G N D C O M ULN2003
P04_
L
Pty_POJ_l
POJ__4,
16
V C C
B1
：c
图2 D S 18B 20接线图
图3 5V 风扇接线图
2.2湿度采集模块
采用H R 202电阻式湿度传感器采集湿度[3]。

它是一种新型 的湿度敏感元件，是采用有机高分子材料制作而成的，感湿的范 围较宽，在长期使用的情况下性能稳定。

湿度采集电路设计如图
4所示。

图4湿度传感器模块电路原理图
如图4所示,通过对电容的充放电，然后通过电压比较器进 行比较，对H R 202实现交流供电。

将采集到的H R 202上的电压送 入A /D 转换器进行数据转换，并将当前湿度值在LCD 上显示。

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2.3步进电麵动模块
以U L N 2003为驱动芯片。

该方案的优点是电路简单，工作电 压高、电流大,灌电流可高达500m A 。

本设计中采用五项四线的 24BYJ 48步进电机作为窗帘的驱动电机。

该模块的驱动电路原理 图如图5所示。

由单片机给定脉冲，通过U L N 2003驱动，步进电机 在给定脉冲下实现正反转。

图5步进电机驱动模块电路原理图
2.4红外防盗模块
红外防盗模块主要采用红外一体管ST 188作为报警触发装 置,蜂鸣器作为报警装置。

红外报警报模块原理图如6所示。

当 有物体遮挡红外对管ST 188时，红外对管中的发光二极管发出的 红外光线经物体反射到对管中三极管的基极，三极管导通，使原 本集电极上的高电平被拉低。

单片机在检测到ST 188上的低电平 时,输出一个低电平驱动蜂鸣器报警。

图6红外报警模块电路原理图
2.5红外人体感应模块
红外人体感应模块主要由人体热释电红外传感器PIR 和红 外热释电处理芯片BISS 0001组成[4]。

当PIR 感知人体信号后, 采集的信号经BISS 0001处理后，输出高电平驱动照明灯的点亮。

该模块电路原理图如图7所示。

2.6光感应模块
本设计采用采用5516型光敏电阻感知光照强度。

光敏电阻 器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱
而改变的电阻器；入射光照强，电阻将减小，入射光线弱，电阻将 会增大，并且阻值变化比较明显。

原理图如图8所示。

2.7电子密码锁模块
本设计采用的是独立键盘，因为LPC 2131的I/O 口较多,能 够满足设计要求，所以采用4*3的独立键盘。

每一个按键与一个
111E
VCC
R14
U41
VCC P 0.11
I
10K
23
DQ GND DS18B20
VCC
—
R13
10K
P 0.12
R15IK
Ql PNP
B2
<?>Motor
V C C
Header 4
3
i
o o
E
i
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I C 1 7133-1
图7红外人体感应模块电路原理图
I /O 相连接，这样在编程上相对于矩阵式按键键盘要简单很多。

3 主f 呈呈图
这十二个按键中有十个是数字按键，一个确认按键，简单而且容硬件各模块设计完成之后，即可以进行软件的设计。

软件的 易操作，焊接也比较简单。

原理图如图9所示。

主流程图如图10所示。

4结论
经过硬件模块和软件的设计，即完成了整个系统的设计。

在 调试时，先分模块进行调试。

每个模块功能都实现了以后，再将其 结合到一块，进行调试。

当然,调试过程中会出现许多问题，需要 仔细检查，逐个修改，最终完成系统的功能。

整个系统完成了室内 温湿度的采集、窗帘的自动控制电子密码锁和防盗报警的功能。

系统操作简单，可靠性高。

参考文献
[1]陈达.基于单片机的室内环境监测设计[J ].电子测
试，2018,3(5):25-26.
图8
光敏电阻光照采样原理图
w i
a
理论与算法
2018.09
E = =2553.5 lx
单次测量的标准差：
s= \p Ei-E f = |£⑷-2553.47)2 =〇 6〇6 lx
\ 1 n -l ^
\ ~~10^1
因此：
=〇. 192 lx
自由度 ^=11-1=10-1=9
±5mV,取半宽区间，并以均匀分布估计，则：
u (E3)=ks
5xl0_3
=10.531 lx
u (E3)的估计很可靠，故自由度：v3= 〇°
4.3.2数字信号输出
当投影机与信号发生器通过数字接口连接时,可不用考虑信 号源的输出电平准确度，此项忽略。

5合成标准挪趙的评定
4.2光度计准确度引入的测量不确定度分量u (E 2)
该不确定度分量主要源于照度计（Konica Minolta CL- 200A)的仪器误差，采用B 类方法进行评定。

由照度计的技术说 明书可知，此照度计的准确度为±2%,取半宽区间，并以均匀分 布估计，则：
以上不确定度分量彼此独立，互不相关，因此：11。

= ^(^)2 +u (E 2)2 +u{E^f
=V 〇-1922 + 29.4862+10.5312 =31.311 lx
6扩展不确定度的评定
u (E2)=
E x 2%
丁
2553.47x 2%
~V 3 ~
=29.486 lx
u (E2)的估计很可靠，故自由度：v2=°°
4.3信号源的输出电平准确度弓|入的测量不确定度分量
u (E3)
4.3.1模拟信号输出
该不确定度分量主要源于信号源的输出电平误差，采用B 类 方法进行评定。

由于信号源的输出电平与投影机的照度近似于线 性关系,且在高亮部分，输入信号变化对投影机照度变化的影响 不明显，因此，以线性关系估计不确定度分量u (E3)是可靠的。

在 实际测试过程中，信号源输出全白信号，其Y 信号电平为0. 7V , 因此信号源的输出电平与投影机照度关系的数学模型：
E3=ks • S
式中：e 3+被测投影机的照度；S—信号源的输出电平； ks _传递系数。

传递系数的确定如下：
ks = 25^3?47 =3647.8 lx. V
由仪器技术说明书可知，此设备的输出电平准确度为
合成标准不确定度的有效自由度vrf f 的确定如下：__________f f /__________ 31.3114
ve «= u (E ,)4 t u (E 2)4 t u {E 3)4 = 0.1924 , 〇 , 〇 =6.4X 108
V 1
V 2
V 3
9
于是，可取ve f f = 〇〇
取置信概率P=95%,按有效自由度ve f f = 查t 分布表得
kp =l. 960,于是扩展不确定度为：
U95=kp • uc =l. 960X 31. 311 ^ 61 lx
7测量不确定度报告
本次投影机照度测量结果为E=2553. 47 lx,扩展不确定 度U95〜61 lx,它是由合成标准不确定度11。

=31.311 l x 和包 含因子kp =l. 960的乘积得到的。

包含因子由概率P=95%,自由度 v6f f =
,查t 分布表得到。

参考文献
[1] GB/T 28037-2011，信息技术，投影机规范[S].[2] JJF 1059-2012,测量不确定度评定与表示[S].
[3] 陈雪松，时强.数字电视液晶显示器亮度测量不确定度评定[J].计量与测试技术，2010,37⑷：73-74.
(上接第31页)
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学.2016.
[3] 夏春龙，兰浩.基于M S P 430F 149的室内环境检测仪的设计[J].自动化应用.2016⑶:35-37.
[4] 王君.嵌入式智能家居安防监控系统的设计[J].微计算机应
^ .2010,31 (10):45-49,
[5] 周立功.A R M 嵌入式系统基础教程（第二版）[M ].北京航空
航天大学出版社,2008.
[6] 张晓伟，刘盼盼.A R M 嵌入式系统设计原理与开发实例[M ].
北京：电子工业出版社，2008.
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