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作者：宜宾职业技术学院 邹必文 钟虎 郑欣桐

指导教师：彭永杰

 

　　作品简介

 

　　开发背景：

　　随着科学技术、生产条件、生活水平的改善和提高，建筑结构的封闭化室内办公人员的增加，Indoor Air Quality(IAQ)室内空气品质的研究吸引了越来越多人的关注。

　　在这种情况下，设计开发一套智能办公室环境监测自动化系统是有现实意义的。目前，对于室内环境监测具仪表已经有很多种，但是绝大数产品只是用来监测不能起到改善作用，不具备自动控制调节室内空气质量、温湿度、排出二氧化碳以及对空气加湿和防范火灾的能力。实际上，单纯的监测不能提供经济可行的设备措施，因此只有以控制作为监测的后备支持，监测工作才可以更深入持久地开展下去，才能达到监测和控制的有机结合，尽快为人们创造良好的室内环境。

　　因此，本设计基于改善办公环境的自动化监测，提出“智能办公环境监测”系统，此系统旨在实现对室内空气温度、湿度、有害气体的预警监测、调节温度防范灭火措施及自我适应智能调节，利用MCU进行数据采集保证了前台数据的及时、准确，有利于进行全方位的监测，为人类办公环境打造一个健康的室内生存空间

　　功能说明：

　　本系统有两部分组成，一说基于Freescale PK10DN512ZVLL10控制的硬件系统，二说办公环境模拟以及其他驱动设备。

　　

　　本系统结构简单，能够实现5种功能，分别是温湿度调节，热释电LED光控、空气质量监测、二氧化碳浓度含量监测以及车位监测显示。由于本系统是属于模拟系统，故系统中的各个功能模块皆由其他小型电子产品代替。

　　1、温湿度调节主要由加湿器、风扇、发光二极管、电磁水阀模拟，调节室内的温度升高、下降，湿度的加湿、减湿并显示温湿度数据和灭火。

　　2、热释电LED光控电路监测到有人时，控制LED的亮灭和光暗变化。

　　3、空气质量有TPM-300E采集有多种害气体以及异味时输出TTL信号，通过PWM控制风扇对室内空气进行调节并显示等级。

　　4、二氧化碳监测到气体浓度高于预设值时，控制风扇调节二氧化碳浓度并在显示屏上显示数据。

　　5、车位监测显示采用红外对管发射电路获取车位信息，将信号送入单片机，并在显示屏上显示。

 

　　平台选型说明

 

　　选用Freescale MK10DN512ZVLL10嵌入式开发板。

　　设计说明

 

　　设计方案：

　　1、控制芯片方案

　　采用飞思卡尔公司的单片机PK10N512VLL100，K10是kinetis系列微控制器入门芯片，融合最新低功耗革新技术,具有高性能、高精度的混合信号能力，宽广的互联性，人机接口和安全外设。包含523KB的flash存储器及128KBDE 运行内存，共有一百I/O口。该芯片内部资源丰富，I/O数量充足，能够有效的满足设计需求，是别的芯片所不能比拟的。

　　2、红外车位方案

　　采用不调制的红外发射接收传感器。红外管代替普通光电管，可以有效的降低环境光源的干扰，尺寸小、质量轻、灵敏度高，对辅助装置的要求最少，对人眼无伤害，采用不调制的红外发射接收传感器完全可以有效的降低干扰，而且方便可行，能够准确的监测车位的车辆停放情况。

　　3、热释电光控方案

　　采用热释电模块，当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动关闭高电平，输出低电平。当有人进入检测范围则打开LED灯离开后关LED灯，监测控制简单、抗干扰能力强。

　　4、气体监测方案

　　TMP-300E气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。TPM-300E气体传感器对氨气、氢气、酒精、一氧化碳、甲烷、等有机挥发气体、香烟、木材、纸张燃烧烟雾、油烟等有害气体的监测也很理想。这种传感器可检测多种有害气体，是一款适合多种应用的低成本传感器

　　5、二氧化碳检测方案

　　采用MG811 传感器模块该传感器具有具有TTL电平信号灯输出指示，工作电压信号灯指示;双路信号输出(模拟量信号和TTL高低电平信号);TTL电平输出有效信号为低电平。(当检测气体浓度超过设定值时，输出低电平时信号红色指示灯亮，该口可直接接单片机IO)模拟量输出电压0~2V，浓度越低输出电压越高;对二氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性;具有长期的使用寿命和可靠的稳定性;还具有快速的响应恢复特性。

　　6、温湿度控制

　　采用SHT10数字温湿度传感器，SHT1系列传感器说一款含有自己标准数字信号输出的的温湿度传感器，传感器包括一个电容式聚合体测湿原件和一个能隙式测温元件并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实行无缝连接，因此该产品具有超快响应、抗干扰能力强，性价比高的优点

　　7、触摸屏显示设计

　　采用mcgsTPC7062KD, TPC7062KD是一套以嵌入式低功耗CPU为核心(ARM CPU，主频400MHz)的高性能嵌入式一体化触摸屏。该产品设计采用了7英寸液晶显示屏(分辨率800×480)，四线电阻式触摸屏(分辨率1024×1024)

　　设计原理

　　本系统采用Freescale PK10N512VLL100单片机为核心的控制器，系统由以下几个部分组成。红外车位监测模块、热释电LED控制模块、显示模块、空气质量监测模块、二氧化碳监测模块、温湿度传感器监测模块以及继电器和声光报警模块等组成。如图1所示。

　　当红外监测模块监测到有车辆进入时，在显示器上显示。热释电监测到有人在室内将信号传给单片机控制继电器将灯打开，当室内的空气质量较差时和二氧化碳浓度超标时，风扇将模拟对室内空气进行调整，监测到室内温湿度超标也会控制室内温度和湿度，当温度高于设定最大值时启动电磁水阀灭火并进行声光报警。

　　原理图部分

　　1、电源电路设计

　　采用LM2578直流开关电源，电源芯片由比较器、基准电流、振荡电路、开关晶体管构成;可构成升压、降压、倒相电路。

　　

　　2、红外车位

　　本设计采用对射式红外发射接收传感器，当被测体进入监测区时，对射式红外传感器在没有东西遮挡时受光器端是低电平，有东西遮挡时是高电平，传感器输出状态改变

　　

　　3、空气质量传感器

　　采用TPM-300E空气质量监测模块作为空气采集芯片，TPM-300E具有灵敏度高，低功耗自动校准自带温湿度补偿，数字信号输出，能够监测多种有害气体

　　

　　4、温湿度传感器

　　温湿度传感器的的主要作用是监测室内温度和湿度的指标说否符合预设值，当室内的温度高于预设值时单片机驱动风扇为室内降温，电机驱动采用L298N，当室内温度超越最高上限值时，系统会认为室内处于着火状态，针对这种情况设置了灭火措施，单片机驱动继电器控制电磁水阀对火源实施扑灭。当室内的温度低于预设值时，继电器控制二极管发光，模拟增温。同理对室内的湿度升高也是一样的，也是控制风扇降低湿度。当室内湿度低于预设值时，单片机驱动继电器控制空气加湿器加湿度。

　　

　　5、显示模块

　　采用ILC3232EIBNZ作为显示屏的串口芯片，无论是单片机还是显示屏的输入/输出信号的都离不开ILC3232EIBNZ。

　　

　　6、热释电光控电路

　　采用BISS0001模块,BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。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。

　　

　　7、二氧化碳传感电路

　　采用MG811CO2传感器，该传感器对CO2有良好的灵敏性和选择性，受温湿度的变化影响较小，良好的稳定性、再现性。传感器采用固体电解质电池原理，元件在不同的气体。不同浓度输出电势会有所改变，同时传感器也有较好的响应恢复特性。当传感器检测到二氧化碳过高的时候，单片机驱动两把风扇对室内空气进行排出

　　

　　8、主控芯片

　　采用飞思卡尔公司的嵌入式开发板，主要芯片Freescale kinetis 10简称K10,PK10N512VLL100是kinetis系列微控制器入门芯片，融合最新低功耗革新技术具有高性能、高精度的混合信号能力，宽广的互联性，人机接口和安全外设。包含523KB的flash存储器及128KBDE 运行内存，共有一百I/O口。K10的大部分引脚都有互用功能，每个引脚的功能可以通过合理的配置进行选择，当复位时，每个引脚的默认服用功能各不相同(一般并不是作为通用I/O口，所以当引脚不需要使用时，将其下拉接地)，芯片内部资源丰富，I/O数量充足。

　　

　　9、整机系统

　　本系统采用飞思卡尔K10单片机为核心芯片，结构简单完全实现了利用mcgsTPC触摸屏对车位监测、人体监测、空气质量控制、二氧化碳监测结果进行显示，用mcgsTPC触摸屏实现良好的人机交互功能。并通过触摸功能对各监测模块基本数据进行设定和修改，实现全智能化自动办公环境监测，为新时代的人获取了一个绿色健康的办公环境。

　　

　　作品特色

 

　　先进性：

　　本系统完全实现了利用mcgsTPC触摸屏对车位监测、人体监测、空气质量控制、二氧化碳监测结果进行显示，并通过触摸功能对各监测模块基本数据进行设定和修改，实现全智能化自动办公环境监测，提供了一个舒适、温暖、安全的的办公环境。

　　实用性：

　　本产品的实用价值很大。在科技越来越发达的当今社会室，室内的生活环境好坏严重影响着人们的身体健康，有了该系统以后能够有效的监测和控制室内环境的变化，获得一个舒适安全、温暖的室内环境。

　　创新性：

　　本监测系统完全实现了全自动智能化办公监测功能，采用mcgsTPC触摸屏实现良好的人机交互功能。

 

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2810