基于AVR单片机的智能型室内空气质量检测与控制系统设计.pdf

分类号：TP273 密 级：公 开U D C：单位代码：10424工程硕士学位论文基于AVR单片机的智能型室内空气质 量检测与控制系统设计 声 明本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和 世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有 呈交于其它任何学术机关作鉴定。工程硕士生签名:日 期：AFFIRMATIONI declar e that this disser tation,submitted in fulfillment of the r equir ements for the awar d of Master of Engineer ing in Shandong Univer sity of Science and Technology,is wholly my own wor k unless r efer enced of acknowledge.The document has not been submitted for qualification at any other academic institute.Signature:Date:山东科技大学工程硕士学位论文摘要摘要当今社会，空气质量下降已成为威胁人类健康的主要因素，室内空气检测与空气质 量控制或净化技术成为当今环保、健康领域的一个重要话题，具有专门空气净化功能的 空气净化装置也逐步走进了人们的生活。本文旨在针对室内空气质量状况，设计一种智 能型空气质量检测与控制系统，而意在最终成为能为室内空气质量检测和净化的装置。本文研究的智能型空气质量检测与控制系统是基于主控单元AVR单片机设计开发 的。应用数据采集模块如DS18B20温度传感器、HSH01湿度传感器、TGS800气体传感 器、CDM4161二氧化碳浓度传感器四个模块从四个角度采集室内空气质量信息，通过中 央处理单元单片机的数据处理和控制，针对室内空气质量做出有效反应，以达到使室内 空气洁净、健康的目的。智能型空气质量检测与控制系统可针对不同空气品质参数做出不同的控制反应：数 据采集模块采集到的各项空气品质参数传输给单片机处理，经过数据处理和分析后，当 空气质量等级较低时，系统采取控制电机和紫外线灯管的方法对室内空气进行过滤、吸 附、消毒处理；当室内二氧化碳浓度过高时，系统采取控制外部通风设备对室内进行通 风换气，以保证室内良好的空气环境。本文根据系统功能实现，对系统的系统电源模块、数据采集模块、功能按键模块、液晶显示模块、电机控制模块、紫外线灯管控制模块、外部通风设备、仿真与下载等做了软、硬件方面的设计分析。系统设计遵循智能、简捷、节能、环保的原则，力求设计一款可广泛应用在家庭、办公写字楼、酒店、医院等室内 场所的智能型空气质量检测与控制系统。关键词：空气质量检测，AVR单片机，数据采集，控制系统，传感器山东科技大学工程硕士学位论文摘要ABSTRACTNowadays,declining in air quality has become the main factor to thr eat human health.So the technology of indoor air detection and air quality contr ol or pur ification has became a major topic in the fields of envir onmental pr otection and healthy.And many pr ofessional air pur ification devices ar e gr adually walking into the peoples life.The paper aimed at designing a kind of intelligent air quality test and contr ol system for indoor air quality status.And we intend to eventually become the advanced equipment which has the function of indoor air detection and air pur ification.The intelligent air quality measur ement and contr ol system in this paper has been developed based on AVR micr ocontr oller.Using the data acquisition module like DS18B20 temper atur e sensor、HS1101 humidity sensor,TGS800 gas sensor and CDM4161 car bon dioxide concentr ation sensor to gather air quality infor mation.Thr ough the micr ocontr oller data pr ocessing,and take effective r esponse to make the indoor air clean and health.The intelligent air quality measur ement and contr ol system can take differ ent measur es for differ ent air quality status.When detection r esult is“air quality is low“by the data acquisition module,the system will take measur e of contr olling the electr ic motor and ultr aviolet lamp to filtr ate,adsor b,ster ilize the indoor air.When the r esult is“car bon dioxide concentr ation is high，the system will take measur e of contr olling the exter nal ventilation equipment to ventilate the indoor air.Accor ding the function implementation of system,this paper has analysised the design of soft and har dwar e of the system power supply module,data acquisition module,key function module,LCD module,DMCM dr ive motor contr ol module,ultr aviolet lamp contr ol module,exter nal ventilation equipment,simulation and download module.System design follow the pr inciple of intelligent simple ener gy conser vation and envir onmental pr otection.And Str ive to design an intelligent air quality measur ement and contr ol system which can be widely used in indoor place such as home,hotel,hospital and so on.Keywords:Air quality measur ement,AVR micr ocontr oller,Data acquisition,Contr ol system,sensor.山东科技大学工程硕士学位论文目录目录1引言.11.1 课题研究的背景.11.2 课题研究的内容和意义.31.3 论文组织结构.52系统总体设计及控制方法研究.62.1系统设计结构和原则.62.2空气质量检测与净化装置功能概述.62.3过滤吸附式净化.72.4室内机械通风式净化.82.5单片机.92.6 ATmegal6 单片机.102.7本章小结.133数据采集模块硬件设计与实现.143.1数据采集系统.143.2温湿度传感器数据采集模块设计.153.3空气质量数据采集模块设计.203.4二氧化碳浓度采集模块设计.263.5本章小结.314系统控制模块硬件设计与实现.324.1系统控制模块硬件模块的总体设计.324.2系统电源控制模块设计.324.3电机控制模块设计.334.4紫外线灯管控制模块设计.384.5液晶显示控制模块设计.404.6复位与功能按键模块设计.44山东科技大学工程硕士学位论文 目录4.7程序仿真与下载模块设计.454.8本章小结.485控制系统软件设计与实现.495.1 控制系统软件实现总体设计.495.2 系统的标定.505.3初始化程序设计.525.4数据采集模块程序设计.525.5液晶模块显示程序设计.565.6电机驱动程序设计.595.7紫外线灯管驱动程序设计.605.8外部通风设备驱动程序流程设计.615.9本章小结.626总结与展望.636.1全文总结.636.2论文主要创新点.646.3系统存在的不足与工作展望.64致谢.66参考文献.67山东科技大学工程硕士学位论文目录Contents1 Introduction.11.3 Paper or ganization str uctur e.52 Design of whole system and contol method.62.1 Design of system str uctur e and pr inciples.62.2 Function of air quality testing and pur ification equipment.62.3 Filter ing and adsor bing pur ification.72.4 Indoor pur ification in mechanical ventilation.82.5 Micr ocontr oller.92.6 ATmegal6 micr ocontr oller.102.7 Chapter summar y.133 HW design and implementation of data acquisition module.143.1 Data acquisition system.143.2 Temper atur e and humidity sensor module design.153.3 Air quality data acquisition module design.203.4 Car bon dioxide concentr ation acquisition module design.264 HW design and implementation of system control module.324.1 Over all design of system contr ol module har dwar e.324.2 Contr ol mudule of system power design.324.3 Motor contr ol module design.334.4 Ultr aviolet lamp contr ol module design.384.5 LCD contr ol module design.404.6 Reset and function button module design.444.7 Pr ogr am simulation and download module design.454.8 Chapter summar y.48山东科技大学工程硕士学位论文目录5 SW design and implementation of control system.495.1 Over all design of contr ol system softwar e implementation.495.2 System calibr ation.505.3 Initial pr ogr am design.525.4 Pr ogr amming design of Data acquisition module.525.5 Pr ogr amming design of LCD module.565.6 Pr ogr amming design of Motor dr iving.595.7 Pr ogr amming design of Ultr aviolet lamp dr iving.605.8 Pr ogr amming design of Exter nal ventilation equipment dr iving.615.9 Chapter summar y.626 Summary and forecast.636.1 Paper summar y.636.2 Innovative points of the paper.646.3 System shor tcomings and wor king for ecast.64Acknowledgments.66References.67山东科技大学工程硕士学位论文 引言1引言1.1 课题研究的背景1.1.1 空气污染的现状进入二十一世纪，各种高科技产品蜂拥而至，飞速发展的科技为人们带来了便捷的 生活和高品位的享受c但同时，T业化的快速发展，人口密度的不断增加，对外界环境 的威胁也越来越大。低劣的空气质量可能连我们自己还没察觉，就已经为此付出了沉重 的代价。据统计报道，由于空气质量差，持续吸入污染的空气在体内积聚沉淀，已成为 国民疾病的主要诱发因素之一。现在的空气，是到处充斥着车辆、船舶、飞机尾气、工 业生产废气、臭氧、挥发性有机化合物、可吸入颗粒物PM10、细颗粒物PM2.5的空气。PM10是指直径在10微米以下的空气悬浮颗粒物，又称可吸附颗粒物或飘尘，10微米直 径的颗粒物在空气中持续时间长，被吸入后可沉积在上呼吸道，对人体健康影响很大山。07年12月15日发布的中国大气污染源定位报告称汽车尾气、工业废气全国排放 量超900万吨。我们每天有超过80%甚至90%的时间是在室内度过的。然而，现在的室内空气质量 却不容乐观。室内的建筑材料、生活办公用品、烹调油烟、室外环境污染等所带来的 甲醛、苯、氨、放射性氨、二手烟、电磁辐射、病毒、细菌这样的污染物严重污 染了我们的室内环境。相比室外空气，由于人们接触时间长，室内污染对人们的 健康影响更为明显。建筑材料含有的放射性镭，和其衰变物氨会进入人体呼吸道，诱发呼吸道疾 病和肺癌，并且目前室内该污染物超过健康标准十几甚至几十倍。装修材料中的 石棉和释放出的甲醛、氨、苯、甲苯、二甲苯等，通过呼吸道进入人体内，对人 体各部位都具有明显刺激作用，轻者引发过敏、头晕头痛、恶心、神经衰弱，重 者直接导致支气管哮喘和皮肤的变态反应甚至哮喘、肺癌或导致孕妇流产、胎儿 畸形等网；吸烟带来的有害致癌物多达40多种，还可大大增加心血管病的发病率，现已公认为人类健康的“头号杀手”；厨房烹饪产生的油烟、燃烧物等由于厨 房中浓度高、接触周期长现也已证明易诱发肺癌；人体自身的新陈代谢也会产 生500多种化学物质，其中呼吸可产生多种病原菌及有毒成分气体，若不注意，长时间浓度过高也会诱发多种疾病；另外，当室内空气CO?含量较高时，对人体1山东科技大学工程硕士学位论文 引言也会产生较大影响，比如使人感到胸闷、头晕、心悸、神志不清、反应迟钝、昏 迷等，根据全球大气层C02浓度检测，大气中的C02浓度已从1960年的316.91ppm 增加到2009年的387.35ppm.面对比室外空气污染还要高23倍甚至有些情况下高达百倍的室内环境、300多种室内污染物，我们该如何应对呢？1.1.2 空气净化器的发展现状针对目前污染日益严重的空气，已经越来愈引起人们的重视。我们可以选择干净的 食物、优良的水源，但是我们却选择不了呼吸的空气。平均每天我们大约要吸入10000L 的空气呼出IKg的CO?,所以我们必须控制室内空气的污染，创造良好的生存环境。目前针对室内空气污染，改善室内空气的对策主要有控制空气污染源、加强室内通 风换气和利用专门空气净化装置。三种对策中控制空气污染源无疑是最有效改善室内 空气质量的方法。例如合理安排规划对可能对空气有污染的企事业单位远离居民区，严 格管理工业单位空气污染物排放，购置国家合格正品的室内装修材料等等。但是如果没 有空气污染源的存在，我们现在也不会承受空气污染的威胁了，所以我们在控制污染源 的同时我们还要借助其他两种方法o加强室内通风换气和利用专门空气净化装置这两种 改善方法各有其优势，加强室内通风换气可以针对室内污染源的污染物如装修污染甲 醛、石棉、苯、甲苯、二甲苯，油烟污染，放射性物质污染，CO2浓度过高等具有良好 的效果。目前市场上的室内通风设备较多，主要是加强室内空气流动。针对目前室内空气几百种的室内污染物，仅仅对室内进行通风换气是远远不能达到 净化室内空气的目的的，所以市场上推出了专门用于室内净化的一系列空气净化装置。根据其净化空气的各实现方法和原理，无外乎物理方式和化学方式净化，物理净化方式 有过滤式净化、过滤吸附式净化、负离子式净化、静电集尘式净化、紫外光净化等；化学方式有催化分解式光触媒净化、化学制剂式空气净化等。各种净化方法各有优劣：机械过滤式空气净化装置，主要用于降低空气中的一定大小的悬浮颗粒尘埃，净化 方式单一，对于家庭室内空气净化，效果不佳。机械过滤吸附式空气净化装置，将过滤式和吸附式结合起来的净化装置，吸附物质 可以用活性炭或疏水二氧化硅等。该种净化装置可过滤空气悬浮颗粒、吸附部分有害气 体，但吸附物质长时间使用具有饱和特质，无法再生利用，且饱和后如果不及时更换的 话还易造成细菌的良好繁殖环境，所以市场推广有限。负离子式空气净化装置。负离子式空气在高压或强射线下被电离而产生的带负电粒 子。负离子可以中和带正电的空气悬浮颗粒使之无电荷后沉降，从而达到净化空气的目 2山东科技大学工程硕士学位论文 引言的。但是负离子寿命短，净化效率不高。静电集尘式空气净化装置。高压静电能够杀灭细菌、病毒，能应用静电过滤比细胞 还小的灰尘颗粒、烟雾等，但是普通净化装置达不到高压静电的要求，采用滤纸过滤，效果不佳。紫外光空气净化杀菌装置。一定波长区域的紫外线能瞬间穿透细菌、病毒，破坏其 DNA分子链，杀灭细菌病毒或者使其失去繁殖能力。应用紫外线净化是一种高效、环 保、节能且不产生二次污染物的杀菌消毒技术。催化分解式光触媒空气净化装置。光触媒或者说光催化剂，是一种半导体材料催化 齐！J,比如二氧化钛，在光的照射下促进某些物质的化学反应。光触媒可以在光的照射下，利用特定波长的光源能量促使周围的氧气和水分子还原成OH、CP-等活性自由基，然后 这些具活性的自由基可以使空气中有害的有机物质和部分无机物质分解，已达到空气净 化的目的。但是其反应必须在光照下进行，在室内应用意义不大，所以该项技术正在被 逐步淘汰。化学制剂式空气净化装置，应用喷洒化学试剂对空气净化，但易产生二次污染物，对日常室内应用意义不大。1.2 课题研究的内容和意义1.2.1 研究内容根据课题研究的背景和现状，本系统主要针对室内空气状况做出准确性判断、显示 和处理。室内空气状况包括室内主要可燃性气体、气体悬浮污染物以及室内CO2浓度、室内空气温湿度值。此室内空气质量检测与控制系统主要实现功能有：（1）通过检测系统的传感器数据采集模块，实现对室内空气质量、室内C02浓度大小、室内温湿度值的采集；（2）结合控制系统功能按键的设置（检测、净化模式），针对室内空气检测结果做出 反应：当空气检测等级在“中”及以下时，启动控制系统净化模式对室内空气进行净化。室内空气通过微风扇引入空气净化装置中，净化后的空气从装置后出风口排除，空气流 动最终使室内空气全部得到净化；（3）结合控制系统功能按键设置（排风模式），当数据采集模块采集到CO2浓度高于 设定值时，系统启动外部通风设备（换气扇）对室内空气进行通风换气，经过通风后的 3引言山东科技大学工程硕士学位论文室内空气达到C02浓度正常值；（4）数据采集模块采集到的室内空气值经过液晶显示屏显示。最终系统功能的实现可用下图1.1所示。图1.1空气质量检测与控制系统功能实现过程Fig.1.1 The function r ealization pr ocess of Air quality detection and contr ol system1.2.2 研究意义由以上空气污染的现状分析可知，目前空气污染已严重危害到了人类的健康，据统 计68%的人体疾病都于与空气污染有关，越来越多的人、科研单位、公司等都开始把目 光投向了怎样才能使我们自己呼吸到洁净的空气，所以对空气质量检测与控制系统的研 究对我们有一个健康生活环境至关重要。本空气质量检测与控制系统可完全植入一台完整的空气净化装置中，通过控制装置 内微风扇电机，将室内空气经过多层高效过滤、吸附工序后引入装置集气室中，然后应 用集气室内的紫外光对空气进行最后的杀菌、消毒净化，经过净化后的洁净空气由装置 后的排气口拍到室内，完成由室内空气到洁净空气的净化过程。当空内空气的CO2浓 度过高时，系统还可通过控制室内的外部通风设备对室内进行通风换气，保证室内空气 的清洁、健康。由本系统控制的空气净化装置可完全应用在家庭、办公室、医院、教室等室内空间 的空气净化。净化效果明显、净化效率高、使用简单、方便节能且净化室内空气过程中 不产生二次污染物，是可以在市场上广泛推广使用的一款空气净化装置。4山东科技大学工程硕士学位论文引言1.3 论文组织结构根据单片机系统设计的模块化、标准化、先进性、安全性原则，鉴于本空气质量检 测与控制系统的实现原则，本文系统化、模块化的设计了如下组织结构：第一章：引言，主要介绍课题研究的背景。主要包含了对空气污染现状的分析和空 气净化器发展的现状分析；还介绍了本课题研究的内容和课题研究的意义；最后对本论 文的整体组织结构做了介绍。第二章：控制系统的总体设计及控制方法研究。本章首先对控制系统总体设计的原 则做了阐述，然后对本空气质量检测与控制系统的功能、总体结构、工作原理等方面做 了总体设计分析。本章后面的部分，主要做了本系统控制方法的分析，包括过滤吸附式 净化、室内机械通风式净化，最后针对本系统主控单元所用单片机Atmagal6做了简要 介绍。第三章：数据采集模块硬件设计与实现。针对本系统的主要模块数据采集模块的硬 件部分做了详细介绍，包括数据采集系统介绍、温湿度传感器数据采集模块介绍、气体 传感器数据采集模块设计介绍、二氧化碳浓度监测模块设计介绍。第四章：控制系统硬件设计与实现。本章主要针对主控单元的控制系统硬件做了详 细介绍。分为控制系统硬件模块的总体设计介绍，单片机控制系统电源电路的设计介绍,单相异步电机控制模块的硬件介绍，紫外线灯管的控制模块设计介绍，复位与功能按键 的硬件电路设计介绍，程序仿真与下载模块的硬件电路设计介绍。第五章：控制系统软件设计与实现。本章主要根据本系统的硬件设计与功能分析，对本系统的软件进行了程序设计。包括控制系统软件实现的总体设计介绍，控制系统的 初始化程序介绍，数据采集模块的程序设计介绍，液晶模块显示程序的设计介绍，电机 驱动程序的设计介绍，紫外线灯管的驱动程序介绍和外部通风设备驱动程序的设计介 绍，其中数据采集模块程序又包括了温湿度数据采集模块程序设计、空气质量数据采集 模块设计、二氧化碳浓度数据采集模块设计三部分。第六章对全文进行了总结，介绍了木课题的创新之处和不足，以及对为了设计的 展望。5山东科技大学工程硕士学位论文系统总体设计及控制方法研究2系统总体设计及控制方法研究2.1 系统设计结构和原则空气质量检测与控制系统采用模块化设计，应主要对系统主控单元，数据采集模块 单元、控制系统模块单元的硬件电路设计和软件程序设计进行详细阐述。系统总体结构 如下图2.1所示.温湿度数据采集模块空气质量数据采集模块二氧化碳浓度采集模块系统电源控制模块电机控制模块紫外线灯管控制模块液晶显示模块复位与功能按键模块仿真与下载模块图2.1系统总体设计结构图 Fig.2.1 The whole system design str uctur e针对室内空气质量检测与控制系统的研究意义，本系统主要对家庭、办公室、医院、教室等室内场合的广范围应用进行空气质量的检测和净化控制，所以本控制系统的第一 设计原则为安全、简单、易于操作且在检测、净化过程中不能产生二次污染物；第二,由于系统设计目的在于广泛的市场应用空间和人群，必须考虑系统设计的安全原则；第 三，空气检测和净化适于在长时间下进行，故系统设计需满足节能设计原则；第四，为 方便系统设计调试和维护，系统设计采用模块化设计为原则。2.2 空气质量检测与净化装置功能概述应用此空气质量检测与控制系统的空气净化装置需要完成对室内环境温度、湿度、空气质量、二氧化碳浓度的模拟量数据的采集和转换，并应用液晶模块作为人机界面显 6山东科技大学工程硕士学位论文 系统总体设计及控制方法研究示。当系统检测到空气质量不符合系统设定标准时，需配合系统的功能按键对室内空气 进行净化处理。功能按键可调节系统工作模式，分为检测模式、净化模式和排风模式三 种，通过自身装置进行净化处理需要设置为净化模式。排风模式是在检测到室内二氧化 碳浓度过高时，由控制系统启动外部通风设备对室内进行通风换气。另外，为实现对系 统的程序下载和调试，系统硬件需设计程序下载仿真接口，方便系统的调试和维护。对空气质量检测与净化装置功能的实现采用过滤吸附式净化、机械通风式净化和紫 外光消毒式净化川。2.3 过滤吸附式净化2.3.1过滤吸附式净化的原理本空气净化装置前置第一层滤网采用过滤式大微粒净化，主要滤净空气中体积较大 的悬浮微粒，比如尘埃、动物毛发等。第二层滤网采用细微高效滤网，例如我们采用 High Efficiency Par ticulate（HEPA,高效空气微粒滤芯）。高效HEPA滤网是目前国际上 公认的最好的空气滤净材料，它由一叠连续前后折叠的亚玻璃纤维膜制成。由于这些非 常细小的有机纤维的相互交织，使得它对粒子的捕捉能力很强。它的捕捉能力除了空气 可以透过外，基本上使细小微粒都无法通过。最里层的第三层滤网为活性炭高效气味吸 附滤网，它能吸附透过第二层滤网过来的有害气体如二手烟、甲醛、二恶英、臭氧等和 一些空气异味，使经过滤净后的空气清爽如新。2.3.2过滤吸附式净化的效果和优势空气净化装置采用三层滤网设计，能有效滤净空气中的大小微粒、有害气体、异味 等。由于第二层采用的是高效率的HEPA滤网，单次透过该层滤网的滤净效率可达到 99.9%以上，能够过滤空气中小至零点几微米的微粒，而一般的空气污染物如尘蜻直径 18.71微米，冠状病毒直径0.11微米，肺炎链球菌0.707微米，花粉8.66微米等等。可 见，第二层滤网就达到了较好的滤净效果。第三层的空气气味吸附滤网，由活性炭吸附 空气中残存的化学污染物及空气异味等，确保更加的空气滤净效果。采用过滤吸附式空 气净化，不但很好的达到了空气净化的目的，而且在净化过程中无二次污染物产生；过 滤吸附不需另外附加电源驱动控制，只需要空气从中穿过就可自动滤净，节约能源；采 用过滤吸附式净化的另一个优势在于市场上有关此中滤网的销售比较多，在滤网使用达 到更换时间时可方便的购买更换。7山东科技大学工程硕士学位论文系统总体设计及控制方法研究2.4室内机械通风式净化本系统空气净化装置对室内空气净化的另一种重要方法就是通过控制室内机械通风量 来对室内空气净化。室内机械通风的方法很多，目前国内办公室、家庭中主要应用的是 空调式的室内换气。相比空调式的低效换气，通过通风设备进行自然直接的通风换气更 有利于室内空气的排放。2.4.1机械通风的优势改善室内环境污染最直接有效的方法就是增加室内空气的通风量，增加有效的窗式 通风设备对改善人民的居住环境是必不可少的。室内通风设备可以让有害气体室内极大 的缩短在室内停留的时间，同时又把室外相对新鲜的空气带入室内，很大程度上减少对 人体的危害。所以合理布局室内通风设备，增加通风的有效性，提高通风效率是非常有 必要的14。传统的开窗通风空气交换速度慢，不能保证室内空气通风的均匀性，也容易受季节 的影响，且现在高层建筑日益增多，使得高层住户即使开窗也无法达到室内通风的效果,而底层住户面对地面嘈杂的噪音、汽车尾气的污染，开窗无疑会使自己承受更大 的痛苦，所以发展室内智能化机械通风无疑是解决以上问题的良好方案之一。2.4.2机械通风面临的问题和挑战虽然机械式通风可以使房间获得有效、稳定的通风换气量，但针对目前现有技术水 平仍存在诸如以下方面的诸多问题：（1）室内机械通风如何建模与测定针对智能型室内机械通风的建模有许多标准，但在国家住宅通风的相关标准中，对 民用及商用住宅人数和通风量没有确定的关系定义，缺乏相关的通风量规定和测试分 析。（2）室内机械通风设备的能耗传统人工手动进行室内机械通风面临严重的能耗浪费问题，智能型机械通风设备虽 一定程度上控制了机械式通风设备的开启，但如何根据空气质量状况和根据何种空气质 量状况来设定智能型机械通风是智能型研究的主要内容，本系统仅是针对对室内二氧化 碳的浓度大小来触发机械通风系统。（3）外界条件对系统的控制执行有较大影响外界条件比如气候变化对智能型通风控制系统有较大考验，难以针对外界气候条件8系统总体设计及控制方法研究山东科技大学工程硕士学位论文的变化使系统做出不同的执行策略。2.5单片机本系统主控单元采用Atmegal6单片机控制。单片机即单片微型计算机，它将微处 理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、输入输出接口（I/O）集成在一块芯片上，所 以单片机有着一般微处理器所不具有功能，根据下载到里面的程序，单片机可单独的完 成所预定的各种智能化任务，也可以说，一块单片机在一定程度上可以完成整个计算机 的全部功能。2.5.1 AVR单片机简介AVR单片机是20世纪90年代由ATMEL公司的两位工程师A和V研发的基于RISC 精简指令集的高速8位单片机口7】，简称AVR。AVR单片机的片内资源丰富，接口强大,在很多场合下被人们替代使用51系列单片机。AVR单片机采用哈弗结构，程序存储区和数据存储区分开寻址，具有IMIPS/MHz 的高速处理能力；具备超功能精简指令集（RISC）和32个通用工作寄存器；快速存 取寄存器组，单条指令执行仅需一个周期，从而大大优化了目标代码的大小和执行的效 率。由于AVR单片机的高速、片上资源丰富、驱动能力强、功耗低、型号多、性价比高 等特点使之广泛应用于军事、工业、家电、智能玩具、智能仪表和机器人制作等。AVR单片机的内部结构如下图2-2所示。外部时钟源 外部事件计数操作管理 寄存器内部中断总线扩展 控制器定时计数 器程序存储 器内部总线外部中断 外部数据地址总线图2.2 AVR单片机内部结构9山东科技大学工程硕士学位论文 系统总体设计及控制方法研究Fig.2.2 AVR micr ocontr oller inter nal str uctur e2.5.2 AVR单片机开发工具选择AVR单片机的开发包含了程序编译、调试、仿真和下载等，AVR常用的软硬件开 发工具如下表2.1所示。表2.1 AVR单片机软硬件开发工具Table 2.1 AVR micr ocontr oller har dwar e and softwar e development tools名称说明AVR StudioAtmel专业的的AVR单片机的免费集成开发环境.是一款完全免费软件集成 开发环境（IDE）包括AVR Assembler译器、AVR Studio调试器、芯片下载 功能等但是它仅支持汇编级的开发调试ICC AVRImagaCra佗公司推出的C编译器.适合AVR初学者首选”它能资助生成代码向 导。ICC AVR支持45天完全版免费.45天后转为2K限制版IAR AVR为第三方IAR公司推出的AVR编译器.该款编译工具代码功能全、效率高、稳 定性好.目前最新版本的IARAVR包含CFCH编译器、汇编编译器、C-SPY模 拟仿真、硬件调试等GCC AVRGCCAVR是开源的ATMELAVR开发工具.包含C/C+编译器、汇编编译器、模拟仿真、编程器、硬件调试器Code VisionAVRHpinfoTech公司推出的C编译器.Demo版有3KB代码限制.PonyPr og一款免费的功能强大的IS啕程，下载软件，支持大部分AVRSLISP双龙公司开发的ISP在线编程软件AVR JTAGAVR单片*3JJTAG仿真器.可适合所有具有JTAG仿真接口的AVR单片机的实 时仿真、调试和下载本课题研究中，应用Atmegal6单片机，采用C语言开发，开发工具选择IARAVR 程序编译软件和SL-ISP、AVRJTAG实现程序的仿真、调试和下载。2.6ATmegal6单片机2.6.1 ATmega16单片机介绍ATMEL公司的AVR系列单片机有Tiny、Mega两个系列50多种型号。他们的功能各 异，引脚少的有8引脚，多的达100多个引脚。本系统采用的是Atmegal6型单片机，Atmegal6有40引脚PDIP封装型、44弓|脚TQFP封装型和44引脚MLF封装型，我们所 采用的是40弓I脚PDIP双列直插式封装型单片机，它的各引脚排列如下图2.3所示。10山东科技大学工程硕士学位论文系统总体设计及控制方法研究(XCKTTO)PBO 匚(T1)PB1 匚(INT2/AIN0)PB2 匚(OCO/AIN1)PB3 匚(SS)PB4 匚(MOSI)PB5 匚(MISO)PB6 匚(SCK)PB7 匚RESET 匚 VCC匚 GND匚X7AL2 匚XTAL1 匚(RXD)PD0 匚(TXD)PD1匚(INTO)PD2匚(INT1)PD3匚(OC1B)PD4匚(OC1A)PD5匚(ICP1)PD6匚PDIP PAO(ADCO)PA1(ADC1)PA2(ADC2)PA3(ADC3)PM(ADC4)PA5(ADC5)PA6(ADC6)PA7(ADC7)AREF GND AVCC PC7(TOSC2)PC6(TOSC1)PC5(TDI)PC4(TDO)PC3(TMS)PC2(TCK)PC1(SDA)PCO(SCL)PD7(OC2)图2.3 Atmegal6单片机引脚排列图Fig.2.3 the pin ar r angement diagr am of Atmegal6 micr ocontr ollerAtmegal6内核具有丰富的指令集，单周期执行指令，寄存器直接与运算逻辑单元相连，一条指令可在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器，使之具有比一般CISC 微控制器最高至10倍的数据吞吐速率91Atmegal6单片机的引脚功能说明如下表2.2。表2.2 Atmegal6单片机的引脚功能说明Table 2.2 The pin function descr iption of Atmegal6 micr ocontr oller11山东科技大学工程硕士学位论文系