基于51單片機(jī)的室內(nèi)溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

現(xiàn)階段隨著日常生活質(zhì)量的逐漸提升，現(xiàn)代人們的日常生活水平也愈來愈高，相應(yīng)的，對(duì)環(huán)境的要求條件也愈來愈高。環(huán)境的控制方面也成了人們所需要的基礎(chǔ)條件之一，這也是家庭環(huán)境居住的舒適方面的重要環(huán)節(jié)。

由于目前生活節(jié)奏的加快，許多家庭都出現(xiàn)了亞健康的狀態(tài)，尤其是他們的孩子或者老人，因?yàn)闆]有注重這方面的意識(shí)，平常時(shí)候的基本普及的知識(shí)也沒有，因此家庭溫濕度的檢測(cè)對(duì)于現(xiàn)代家庭來說是必不可缺的一部分。

要達(dá)到最好最適合人類生存的最佳氣溫和濕度，就必須研究一個(gè)家庭式的溫濕度室內(nèi)控制器，以及便于提醒和管理溫濕度的設(shè)備，家庭能夠針對(duì)各個(gè)季節(jié)以及家庭內(nèi)部的情況需要做出不同的調(diào)節(jié)，從而獲得舒適的居住環(huán)境。

這一切不僅都是因?yàn)楝F(xiàn)代人類生活對(duì)優(yōu)越自然環(huán)境要求水平的日益提高，而且因?yàn)樗卜从吵鲋祟惉F(xiàn)代社會(huì)文明水平的日益高度的發(fā)達(dá)程度和高度科技進(jìn)步。

1? 緒論

1.1 課題的選題背景

自古以來，溫度和濕度就是人們生活中很重要的普遍關(guān)注問題之一，它們與人類有著密切的關(guān)系。隨著時(shí)代不斷發(fā)展進(jìn)步，人們的生活水平也隨之改變，他們對(duì)自身的生存環(huán)境越來越關(guān)心。因?yàn)榭諝庵械臏囟群蜐穸茸兓寂c人體的舒適度和人們內(nèi)心對(duì)外部環(huán)境的感應(yīng)都有直接作用，適度的環(huán)境會(huì)讓人心情愉悅，做事就能事半功倍。

1.2 課題研究的意義

現(xiàn)代人們?yōu)榱烁鼮橛行蚀_保日常生活環(huán)境的閑適和寬敞，此外也為的是現(xiàn)代人們?nèi)粘Ｉ罡鼮榻】担F(xiàn)代人們對(duì)現(xiàn)階段定居自然環(huán)境已經(jīng)有了更高的要求，因此對(duì)家庭明確提出更好的建議要求，自動(dòng)化也引入家庭里面，并快速在全省以至全世界的范圍里面廣泛發(fā)展開來。

由于全國(guó)大自然環(huán)境問題愈來愈惡劣，大都市人口數(shù)基數(shù)越發(fā)緊張等，適合現(xiàn)代人健康生活環(huán)境的適宜環(huán)境溫度和適宜濕度問題也愈加明顯，并與現(xiàn)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相去甚遠(yuǎn)。

在人們常見到的中國(guó)南北的地理環(huán)境差別中，北方大部分地區(qū)的冬天是極度的干旱，但中國(guó)南方人地區(qū)的整個(gè)冬天氣候卻是陰冷和潮濕，對(duì)人類環(huán)境而言，怎樣去用最適當(dāng)有效的保護(hù)措施能在最有效的最合適的時(shí)期里去對(duì)人類環(huán)境采取的保護(hù)的措施，這其實(shí)是很難去掌握的。

1.3 論文主要研究?jī)?nèi)容

本系統(tǒng)要實(shí)施的功能是：

（1）由單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度，借由液晶顯示屏1602來顯示出溫濕度傳感器DHT11在空間中測(cè)量到的溫度和濕度數(shù)據(jù)。

（2）在收集到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定的閾值作比較，如果過閾值，則啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)蜂鳴器響動(dòng)。系統(tǒng)通過四個(gè)按鍵來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度閾值的設(shè)置。

（3）當(dāng)溫濕度控制系統(tǒng)超過了設(shè)定的閾值后，自動(dòng)開啟相應(yīng)的繼電器驅(qū)動(dòng)負(fù)載，閾值可以通過AT24C02存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了就算斷電了也能保存所設(shè)定的閾值。

2? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總框圖

硬件主要以STC89C52型單片機(jī)為核心，通過1602液晶顯示屏實(shí)時(shí)地顯示傳感器DHT11檢測(cè)到的溫濕度值，設(shè)定的閥值可以通過外部EEPROM存儲(chǔ)，這實(shí)現(xiàn)就算沒有接電源，在系統(tǒng)設(shè)置過的閾值也能保存在單片機(jī)系統(tǒng)里面。如果過閥值就會(huì)有相應(yīng)的報(bào)警模塊驅(qū)動(dòng)。本研究設(shè)計(jì)的溫濕度控制器框圖如圖2-1所示。

圖2-1 溫濕度控制器方框圖

2.2 系統(tǒng)方案選擇

2.2.1單片機(jī)的選擇

由于在大學(xué)四年期間，學(xué)過了不少關(guān)于這方面的知識(shí)，例如數(shù)學(xué)電路、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)原理等知識(shí)，并且在經(jīng)過前期大量在網(wǎng)上查閱到的資料所了解，可以選用到STC89C52單片機(jī)來作為主控芯片。STC89C52單片機(jī)能兼容很多的系統(tǒng)，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所需要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)也是可以相當(dāng)好的兼容。不管是拿來做硬件部分還是直接用仿真系統(tǒng)來演示，都能很好運(yùn)行并展示出設(shè)計(jì)的模塊內(nèi)容。這個(gè)STC89C52單片機(jī)足以做本設(shè)計(jì)的主控模塊，它不僅下載程序方面較為方便，更重要的是價(jià)格對(duì)于大學(xué)生來說相對(duì)合理。

2.2.2傳感器的選擇

因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)最重要的就是傳感器，要傳感器能夠很好的接收空氣中的溫濕度數(shù)據(jù)，而且感應(yīng)方面又能靈敏，電路又能簡(jiǎn)單易懂。通過了解大量資料就發(fā)現(xiàn)了很符合設(shè)計(jì)的傳感器，它就是廣州奧松有限公司研發(fā)的DHT11溫濕度傳感器，是一款溫度和濕度也能在同一體系下互相包容組成一起的數(shù)字傳感器。DHT11的單總線只有一條，它能與單片機(jī)之間既能進(jìn)行雙向傳輸時(shí)鐘信號(hào)又能雙向傳輸數(shù)據(jù)。通過與單片機(jī)最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單的電路連接，就能夠?qū)崟r(shí)的采集范圍內(nèi)的溫度和濕度。該產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，能適應(yīng)長(zhǎng)久的工作時(shí)間。最主要的還是這個(gè)產(chǎn)品的性價(jià)比極高，造價(jià)便宜。

2.2.3顯示器的選擇

在本次設(shè)計(jì)中需要用到液晶顯示屏，但是由于對(duì)液晶顯示器要求不是很高，能用基本功能就好。在網(wǎng)上收集的資料中，就有著一款液晶顯示屏很符合要求，它就是LCD1602液晶顯示屏。對(duì)于本次設(shè)計(jì)不需要太精密的液晶顯示器，這個(gè)1602液晶顯示屏的工作電壓也在剛好在5V左右，跟單片機(jī)的電壓恰好合適。在經(jīng)過一段時(shí)間篩選，就選了這個(gè)造價(jià)比較便宜，在編程方面也是比較簡(jiǎn)單，因?yàn)樗渌囊壕э@示器都是難度原理差不多，都是寫指令寫地址等，這些條件都是很符合本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求。

3? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊使用的是單片機(jī)集成電路，其中單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)芯片電路跟晶振電路、復(fù)位電路。有了這些電路再加上電源后，單片機(jī)就能正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來。晶振電路可以有效過濾掉一些高頻的諧波信號(hào)，讓晶振工作時(shí)候頻率可以保持比較平穩(wěn)流暢。單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示。

圖3-1 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

3.2 DHT11傳感器模塊設(shè)計(jì)

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。DHT11傳感器不能接反引腳，如果電路接反引腳就會(huì)導(dǎo)致傳感器燒壞。單片機(jī)的P2.0口用當(dāng)數(shù)據(jù)口，讓單片機(jī)能夠發(fā)送和收到串行數(shù)據(jù)，它連接到DHT11傳感器的Pin2。用于測(cè)量范圍空氣溫濕度的電路的小于20米，所以加一個(gè)5K的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時(shí)，它的狀態(tài)也能夠在高電平，提高了傳感器電路的穩(wěn)定性。傳感器的第三腳是空腳，因此可以空放不用理。DHT11傳感器元件的電路原理圖如圖3-2所示。

圖3-2 DHT11電路原理圖

3.3 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

在日常生活中，液晶顯示屏幕應(yīng)用在很多地方，特別是電器電子方面，它在生活中基本是無(wú)處不在，比如在手表、電腦、計(jì)算機(jī)等等，它主要顯示的是字母、專用符號(hào)和數(shù)值等。

在液晶顯示屏模塊設(shè)計(jì)中，所用到的是1602液晶顯示屏。它的7~14腳是數(shù)據(jù)線，用來數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)發(fā)送處理過的信號(hào)傳輸給液晶顯示模塊，隨后顯示屏能顯示出所發(fā)送的字符。RS腳是寄存器選擇信號(hào)的地方，在高電平有效的時(shí)候是數(shù)據(jù)寄存器。EN腳是片選信號(hào)，等到下降沿才觸發(fā)。電源與地線中間接兩個(gè)電阻，用于保護(hù)電路，讓電路穩(wěn)定性更好。電路中液晶接口圖如圖3-3所示。

圖3-3 1602顯示模塊原理圖

3.4 繼電器模塊設(shè)計(jì)

在繼電器模塊硬件電路如圖3-4所示中。電路中通過9012PNP型三極管放大電路中的電流，然后驅(qū)動(dòng)繼電器的啟動(dòng)。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)置的閥值超過或者低于時(shí)，單片機(jī)會(huì)由高電平輸出轉(zhuǎn)變成低電平輸出，因此三極管會(huì)導(dǎo)通讓繼電器吸合，可以用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。

繼電器的工作原理是內(nèi)部含有磁鐵，通過增加的電壓之后，流過的電流與磁鐵產(chǎn)生了吸引作用，這樣雙方就吸合起來，就相當(dāng)于開關(guān)閉合一樣，電路就開始導(dǎo)通。當(dāng)沒有電流流過繼電器，繼電器沒有磁力吸引，電路就沒有連通，繼電器就沒有作用吸引就后就沒有閉合。

四個(gè)負(fù)載繼電器分別對(duì)應(yīng)四個(gè)負(fù)載，分別為加熱片，散熱風(fēng)扇，去濕風(fēng)扇，加濕器。因?yàn)橐ㄟ^繼電器控制四個(gè)負(fù)載需要的電流過大，本系統(tǒng)單片機(jī)提供的電壓是驅(qū)動(dòng)不了負(fù)載工作，就算繼電器能吸合和報(bào)警信號(hào)LE D燈能發(fā)亮，負(fù)載也是工作不了的，這時(shí)就需要加四個(gè)外接電源，有了外接電源提供的電壓，這時(shí)的繼電器外接上的負(fù)載才能正常供電使用。

圖3-4 繼電器模塊原理圖

3.5 閾值按鍵模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)設(shè)置的溫濕度閾值存儲(chǔ)在EEPROM芯片AT24C02中，并可以通過S1~S4按鍵調(diào)節(jié)并保存。本系統(tǒng)通過單片機(jī)系統(tǒng)將端口2的輸出設(shè)為高電平來實(shí)現(xiàn)按鍵的輸入端使用，并可將溫濕度的測(cè)量結(jié)果與預(yù)先設(shè)置好的數(shù)值一起存入EEPROM芯片AT24C02中。其中S1為快速進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置按鈕，S2為快速添加數(shù)值，S3為快速減少數(shù)值，S4為菜單中選擇項(xiàng)的下一個(gè)。AT24C02是IIC芯片，AT24C02提供省電可自動(dòng)擦除的串行1024位存儲(chǔ)或可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM128字(8位/字)，通過開始狀態(tài)與停止?fàn)顟B(tài)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其電路如圖3-5所示。

圖3-5 AT24C02的芯片引腳圖和系統(tǒng)設(shè)置按鍵圖

3.6 報(bào)警電路模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的是有源蜂鳴器，蜂鳴器的運(yùn)作需要有一定電流輸入，在溫濕度測(cè)量中對(duì)溫濕度的閾值上下限超出的提示報(bào)警，并用一個(gè)撥動(dòng)開關(guān)來啟動(dòng)或者關(guān)閉蜂鳴器，順便這也起到保護(hù)蜂鳴器電路的作用。因?yàn)樽鳂I(yè)的電流比較大，單單一個(gè)蜂鳴器是驅(qū)動(dòng)不了的，因此系統(tǒng)還設(shè)置了一個(gè)三極管，用以放大經(jīng)過蜂鳴器的電流，讓蜂鳴器能夠正常工作，蜂鳴器報(bào)警電路如圖3-6所示。

4 ?系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)

在對(duì)于所需要設(shè)計(jì)完成的課題功能有了一個(gè)總體上的概念認(rèn)識(shí)之后，必須首先要設(shè)置形成一個(gè)程序框架上的功能流程圖，為實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)功能設(shè)計(jì)劃分模塊，分別對(duì)模塊設(shè)計(jì)完成相應(yīng)的課題功能，最終再將所以子模塊合理有序的設(shè)計(jì)連接起來，形成一個(gè)完整的程序。主程序首先要根據(jù)需要來為整個(gè)溫濕度控制系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行一個(gè)初始化，并且再把所有收集而來的各種溫濕度數(shù)據(jù)指令發(fā)送到控制端。其中最為關(guān)鍵就是判斷溫濕度，要通過判斷正確的溫度和濕度來決定于單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該采取什么措施，然后用相應(yīng)的代碼來編程。主程序流程圖如圖4-1所示。

圖4-1 主程序流程圖

4.1 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

液晶顯示模塊是用來顯示單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)值，然后還有顯示設(shè)置的閾值，通過閾值數(shù)值來查看是否已經(jīng)過閾值。在通過編譯代碼來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)顯示，通過延時(shí)實(shí)現(xiàn)功能，再設(shè)置第一行顯示位置，再一步步往下操作實(shí)現(xiàn)字符轉(zhuǎn)換。液晶顯示模塊軟件流程圖如圖4-2所示。

4.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

在傳感器模塊設(shè)計(jì)中，因?yàn)樽钚乱淮臄?shù)字傳感器具備標(biāo)準(zhǔn)的接口，不用再外一個(gè)AD轉(zhuǎn)換模塊，使用操作起來自然就很簡(jiǎn)便。DHT11作為一個(gè)全新設(shè)計(jì)的單總線溫濕度數(shù)字傳感器，它很多的優(yōu)點(diǎn)都使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更不再繁瑣，編程方面也更加快捷，易于實(shí)現(xiàn)，控制起來得心應(yīng)手。本設(shè)計(jì)是讓DHT11傳感器上電后保持2s的穩(wěn)定時(shí)間，然后此時(shí)再延時(shí)1s來保持高電平，再通過檢測(cè)信號(hào)來完成信息數(shù)據(jù)傳輸。DHT11傳感器模塊的軟件流程圖如圖4-3所示。

圖4-2 液晶顯示模塊程序流程圖? ???????????????圖4-3 DHT11傳感器模塊程序流程圖

5? 系統(tǒng)分析與調(diào)試

5.1 硬件調(diào)試

在本設(shè)計(jì)做的過程中，硬件和軟件方面都遇到了許多問題，但是相比于軟件，在硬件方面還是比較快解決的方面，因?yàn)橛布潜容^容易檢查出來錯(cuò)誤的，軟件比較晦澀難懂，還是有一定難度。

在硬件調(diào)試問題上，首先焊接好了元器件實(shí)物板后，先用萬(wàn)用表測(cè)量這個(gè)工業(yè)板子的電源方面，電源方面是最重要的問題，應(yīng)該是特別需要檢查的地方，以防止電源的短路和正負(fù)極的錯(cuò)誤。然后在仔細(xì)檢查電路的連接是否有問題，或者有沒有虛焊或者沒有焊接到的地方，然后核對(duì)一下元器件的安裝是否有問題，安裝上去是否符合規(guī)定，由于已經(jīng)是大學(xué)四年都是做過了很多實(shí)訓(xùn)過來了，對(duì)于這些還是游刃有余的，但是在上機(jī)調(diào)試后還是發(fā)現(xiàn)了很多的問題。