基于單片機的室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與研究

基于單片機的室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與研究目錄摘要 1關(guān)鍵詞 Abstract 11緒論 31.1課題的目的和意義 31.2國內(nèi)外溫濕技術(shù)及其發(fā)展趨勢 71.3主要內(nèi)容 72方案比較和選擇 92.1濕度傳感器的選擇 102.2單片機的選擇 113系統(tǒng)總體框圖設(shè)計 123.1硬件系統(tǒng)的的原理方框圖 123.2系統(tǒng)工作原理 123.3濕度傳感器 123.4信號分析與處理 123.5其他硬件模塊 124軟件設(shè)計 134.1主程序流程圖 134.2DHT11流程圖 134.3鍵盤掃描子程序流程圖 135總結(jié) 136參考文獻 13致謝 13附錄A系統(tǒng)總體電路圖 13附錄B系統(tǒng)源代碼 13基于單片機室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與研究摘要本文采用STC89C52單片機、DHT11傳感器、1602LCD顯示屏和繼電器控制等模塊,完成溫濕度測試和控制任務(wù)，其關(guān)鍵部分為（1）溫濕度傳感器DHT11實時測試溫度、濕度。（2）判斷采集的數(shù)值與設(shè)置值是否一致，并控制繼電器進行下一步的控制。上述設(shè)計可以在室內(nèi)連續(xù)地檢測空氣濕度、環(huán)境溫度，并進行自動控制和視覺顯示。解決了人工測量不能連續(xù)進行測量的弊端,省時省力節(jié)省工作量,并且測量準確減少因人工失誤造成不必要的損失。關(guān)鍵字濕度傳感器、數(shù)字溫度傳感器、單片機StudyanddesignofindoortemperatureandhumiditymonitoringsystembasedonsinglechipmicrocomputerAbstractThroughtheuseofSTC89C52singlechip,DHT11sensormodule,1602LCDdisplaymoduleandrelaycontrolmodule,therequirementsoftemperatureandhumiditydetectionandcontrolarerealized.Themaincontentsare(1)temperatureandhumidityoftemperatureandhumiditysensorDHT11inrealtime.(2)judgewhetherthevalueoftheacquisitionisconsistentwiththesettingvalue,andcontroltherelaytocontrolthenextstep.Theabovedesigncancontinuouslydetectairhumidityandambienttemperatureintheroom,andcarryoutautomaticcontrolandvisualdisplay.Itsolvesthedrawbacksofmanualmeasurementthatcannotbemeasuredcontinuously,savestimeandeffort,savesworkload,andmeasuresaccuratelytoreduceunnecessarylossescausedbymanualerrors.KeywordsSCM；humiditysensors；digitaltemperaturesensors；relaycontrol1緒論1.1課題的目的和意義本設(shè)計在現(xiàn)實生活非常實用，這是一個非常好的鍛煉課題，它能使我們的學生充分利用他們所學的知識。本設(shè)計主要研究室內(nèi)溫室度監(jiān)控，它類似于簡單空調(diào)的設(shè)計,充分掌握空調(diào)運作理論設(shè)計方式；使用物理常識設(shè)計控制溫濕度變化的設(shè)施；溫度與濕度參數(shù)可以從傳感器器處得到，51單片機控制編程完成設(shè)計智能化以及進行控制,且對最終效果實施仿真分析REF_Ref513184780\r\h[1]?？茖W技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，功能齊全的設(shè)施不斷出現(xiàn)，各個產(chǎn)業(yè)的要求也開始對溫濕度提出更加嚴苛的標準。之前的測試將人工當做重點，人工巡查記載狀態(tài)與數(shù)據(jù)。在這種落后的模式下，效率不高，并且一定程度上造成了人力資源的浪費,因為科學的缺失造成了許多重大事故。智能監(jiān)控體系可以很好的避免傳統(tǒng)模式下的缺點且更為準確及時REF_Ref513184938\r\h[2]。其運轉(zhuǎn)模式為:首先感應(yīng)環(huán)境溫度和濕度，然后傳送數(shù)據(jù)給單片機判斷數(shù)據(jù)是否異常;如果感應(yīng)的溫度和濕度異常,則調(diào)整措施;如果超出異常時間,異常信號輸出到報警;假如異常處置結(jié)束,假如處置結(jié)束,警報會被解除,被解除。這樣,控制器可查看到室內(nèi)溫度以及濕度,進而完成對屋內(nèi)溫度以及濕度的高效管理。所以本設(shè)計也具備現(xiàn)實價值REF_Ref513184965\r\h[3]。1.2國內(nèi)外溫濕度監(jiān)控技術(shù)及其發(fā)展趨勢科學技術(shù)的發(fā)展水平不斷提高。在生活水平與環(huán)境上人們也有了更高的追求。其中一個典型的例子是溫度和濕度控制。因此，快速、方便、可靠的溫濕度檢測系統(tǒng)可以在當前的生活中使用。特別是在重實驗中，如果數(shù)據(jù)檢測不準確，會發(fā)生很多生產(chǎn)事故。目前，溫度和濕度檢測系統(tǒng)通常采用水銀、酒精或煤油，精度為1攝氏度，用物理模擬方法檢測濕度。傳統(tǒng)的溫濕度檢測儀一般都有很密的刻度間隙，難以區(qū)分和讀數(shù)。由于其熱容量較大，熱平衡時間相對較長，因此測量數(shù)據(jù)不準確，使用不便REF_Ref513185119\r\h[4]。在溫濕度控制的研究發(fā)展較晚在國內(nèi)。自上世紀80年代以來,在引進,在吸收國外高技術(shù)的溫濕度監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上,對單一環(huán)境因素的控制技術(shù),如溫度、濕度、溫室內(nèi)二氧化碳濃度等我國分析也得到了良好的成就REF_Ref513185147\r\h[5]。二十世紀末期，北京農(nóng)業(yè)大學設(shè)計的WJG-1型實驗溫室環(huán)境計算機管理系統(tǒng),由于只是開展單因子控制因此操作性以及穩(wěn)定性等部分存在一定的問題REF_Ref513185195\r\h[6]。隨著溫濕度傳感器的發(fā)展?jié)u趨于系統(tǒng)、集成、智能化的方向，溫濕度測量技術(shù)也在不斷日益進步，通過對環(huán)境濕度和溫度的監(jiān)控測量來適用于包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象監(jiān)測、國防科研、航天部門等多個領(lǐng)域，不僅如此，在食品安全、造紙工業(yè)以及生物制藥領(lǐng)域，溫濕度測量技術(shù)發(fā)揮著更加至關(guān)重要的作用。在溫濕度測量技術(shù)中，二者之間也存在著區(qū)別，作為相對獨立的測量溫度而言，濕度的測量來講卻存在相對依賴，不僅會受到大氣壓強的影響，而且溫度的變化也會作用于濕度，由此可見，在測量方法方面，濕度的測量顯然要比溫度的測量更具復(fù)雜性。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，現(xiàn)如今成熟的溫濕度的測量技術(shù)產(chǎn)品也層出不窮。1.3本論文主要研究內(nèi)容1.溫濕度數(shù)據(jù)不間斷測試和呈現(xiàn)。傳感器每兩秒測試且更新一回，且利用液晶屏呈現(xiàn)出來。2.報警閾值的手動設(shè)置。溫濕度上下限的設(shè)定可以通過鍵盤設(shè)置，設(shè)計更加智能化、人性化實用價值大大提高。3.在溫濕度超出設(shè)定閾值的時候繼電器自主啟動且驅(qū)動負載。此外指示燈顯示部分正常運作，閾值存放在AT24C02內(nèi)，具備斷電保存功能。4.設(shè)計可以用于室內(nèi)、糧倉等地方實現(xiàn)智能控制，溫度超過最高上限需要降溫，濕度超出上限除濕，溫度過低增熱，濕度過低增濕。2方案選擇2.1溫濕度傳感器的選擇測量空氣濕度的方法有很多，其中的原理是間接獲得空氣水分和周圍空氣的濕度，這是基于某種物質(zhì)從空氣中吸收空氣所引起的物理或化學變化。電容式、電阻式和濕漲式濕敏元件是在濕度變化的基礎(chǔ)上根據(jù)介電常數(shù)、電阻率和聚合物材料體積的變化來測量的。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是包含已校準數(shù)字信號輸出的重要設(shè)備。其使用單獨數(shù)字模塊采集科技與溫濕度傳感科技，保證產(chǎn)品具備較高的穩(wěn)定性和科學性。傳感器主要由電阻式感濕以及NTC測溫元件構(gòu)成，且和高性能8位單片機彼此聯(lián)系。所以此產(chǎn)品質(zhì)量較高、效率高、抗干擾水平高、成本低等優(yōu)勢。不同DHT11傳感器均在相對精準的濕度校驗室內(nèi)開展校準。校準系數(shù)主要以程序方式存放在OTP內(nèi)存中，設(shè)備內(nèi)部在測試信號的整個時期需要調(diào)用上述系數(shù)。單線制串行接口，提高內(nèi)部集成的便利性。較小體積、較少損耗，信號傳播距離超過二十米，讓其變成多種應(yīng)用乃至相對苛刻的應(yīng)用領(lǐng)域的最佳選擇。主要使用4針單排引腳封裝。連接便利，此外可依照現(xiàn)實需求進行修改。2.2單片機的選擇在大部分墊子設(shè)計內(nèi)依照性價比情況需要將8位單片機當做最佳方式。當前，其在我國依舊占據(jù)關(guān)鍵位置。MCS－51的硬件結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其指令系統(tǒng)不會出現(xiàn)細微變化，工作人員只要重視芯片內(nèi)部資源的比較，易于選擇不同公司的不同產(chǎn)品。STC89C52屬于低損耗、性能齊全的CMOS8位微處理器，具備8K可編程Flash。使用高密度非易失性記憶技術(shù)生產(chǎn)，全部兼容工業(yè)80C51設(shè)施的大部分指令內(nèi)容。其中,內(nèi)部存儲器支持系統(tǒng)內(nèi)編程，此外也可以使用普通方式。在單芯片上,其具備自由8位CPU和在線系統(tǒng)可完成閃存任務(wù),促使其為大部分控制系統(tǒng)尋找到高效且穩(wěn)定的處理方案。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1硬件系統(tǒng)的的原理方框圖該方案以STC89C52單片機為核心,實時控制和檢測溫度和濕度。它具有獨立地執(zhí)行其自身功能的檢測單元，根據(jù)主控制器發(fā)出的指令實時籌集溫度與濕度信息。主控制機主要下發(fā)控制指令，不同檢測單元接受上述指令，籌集具體信息，籌集測試信息，此外也匯總和顯示最終結(jié)果。包括單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計、溫濕度檢測、復(fù)位電路、鍵盤和顯示電路、系統(tǒng)軟件等。系統(tǒng)的的原理方框圖如圖1：圖一系統(tǒng)原理圖3.2系統(tǒng)工作原理設(shè)計的主要功能模塊有控制面板、LCD顯示屏、溫濕度傳感器執(zhí)行器等。利用干燥器和空調(diào)器快速加熱或冷卻室內(nèi)空氣,提高或降低空氣濕度。其工作原理如下:1．電源連接到系統(tǒng)后，溫濕度傳感器開始接收室內(nèi)空氣溫度和濕度信號。同時，系統(tǒng)檢測用戶是否設(shè)置了溫度和濕度的上下界。如果沒有設(shè)置，則默認設(shè)置系統(tǒng)。2?？刂瓢逡呀?jīng)有這些信號作為開始控制工作的基礎(chǔ)。判斷房間里的溫度。如果溫度低于25攝氏度的溫度,啟動空調(diào)暖室內(nèi)。如果溫度高于系統(tǒng)28攝氏度的默認溫度,則打開制冷設(shè)備給室內(nèi)降溫。然后系統(tǒng)讀取當前環(huán)境濕度值,假如濕度值低于默認數(shù)值45%,此時開啟加濕器進而提高內(nèi)部濕度;假如濕度值超過默認數(shù)值65%,此時開啟烘干機來降低內(nèi)部濕度。當室內(nèi)溫度和濕度達到用戶設(shè)定或系統(tǒng)默認值時,繼電器及其負載停止工作，進入溫濕度保持狀態(tài)。3.3溫濕度傳感器1.DHT11概述DHT11是集成型的數(shù)字溫濕度一體傳感器。主要使用單獨數(shù)字模塊采集科技與相關(guān)信息傳感科技，保證設(shè)備具備較高的科學性和平穩(wěn)性。其主要包含電阻式感濕與NTC測溫元件，且和性能齊全的8位單片機相聯(lián)系。所以此產(chǎn)品具備質(zhì)量較高、效率高、抗干擾水平高、成本低等優(yōu)勢。測試范圍20%~90%RH，0℃~50℃。測溫精度是-\+2℃，測濕精度是-\+5%RH。2．DHT11特點（1）4引腳裝置，超小規(guī)格。（2）數(shù)字信號輸出，從而減輕用戶信號預(yù)處理負擔.（3）穩(wěn)定性高，超低功耗。（4）適用范圍包括恒溫恒濕控制、家用電器、溫濕度表等領(lǐng)域。（5）單總線結(jié)構(gòu)輸出充分留存用戶控制器的I/O口資源。此外不需要其余相關(guān)部分。（6）獨有的單數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議促使我們輕松得到信息。（7）各型號管腳完全可以互換。圖二外形及引腳說明3．DHT11與單片機連接的設(shè)計DHT11型數(shù)字濕度傳感器和與片機連接電路清楚、直接。I/O控制器端口就可以完成上、下位彼此間的連接工作。普遍的連接電路參考圖。此外在連接線的長度少于二十米時,要連接5K上拉電阻。超過相應(yīng)限額時,需要根據(jù)現(xiàn)實狀況挑選合適電阻。圖3與單片機連接圖3．5數(shù)據(jù)分析與處理此模型使用STC89C52芯片。其中指令代碼全部兼容，6個或12個時鐘/機器周期可隨便挑選REF_Ref513185300\r\h[8]。在該系統(tǒng)中,選用STC89C52單片機作為系統(tǒng)的總控芯片。STC89C52單片機需要把測試得出的溫濕度信息傳送給LED顯示模組,完成溫濕度數(shù)字化呈現(xiàn)。鍵盤可確定閾值，超出固定閾值之后就能完成自主控制。3.5.1單片機最小系統(tǒng)單片機系統(tǒng)延伸是基于最小系統(tǒng)進行，內(nèi)部最小系統(tǒng)主要是復(fù)位以及晶體振蕩電路。主要電路圖參考圖4可知。圖4復(fù)位和晶體振蕩電路1.復(fù)位電路單片機復(fù)位主要原理是在時鐘電路正式運作之后，把兩個機器周期的高電平傳送到RST引腳，設(shè)備隨之完成復(fù)位。在具體環(huán)節(jié)中，在內(nèi)部ALE和PSEN引腳全部可輸出高電平，在RST引腳進入到低電平時，設(shè)備就會從0000H單元操作程序。在實踐活動中，可采用上電和手動兩類方式，完成人為復(fù)位單片機操作系統(tǒng)。復(fù)位電路主要使用RC電路的充放電效應(yīng)。去除整體上電時期，RST引腳可接收比較短的低電平。此外，在復(fù)位開關(guān)被按的時候，電源利用高電阻聯(lián)系到RST引腳。在其得到高電平，放松復(fù)位按鍵時，其也能隨之復(fù)原低電平，如此單片機系統(tǒng)就順利完成復(fù)位操作。復(fù)位信號的電路如圖5所示:圖5復(fù)位信號的電路2.晶振電路時鐘電路主要功能是形成對應(yīng)信號，主要是設(shè)備日常運作所需要的信息。STC89C52原本具有振蕩器可被當做CPU的時鐘源。此外也能聯(lián)系外部振蕩器形成時鐘信號。(1)內(nèi)部時鐘模式此模式主要使用單片機內(nèi)存在的振蕩器。參考圖6(a)可知，引腳XTAL1與XTAL2是51單片機內(nèi)高增益反極放大器的輸入以及輸出端，運作頻率主要范圍為0~33MHz。單片機使用此模式的時候，其中晶體振蕩器或陶瓷振蕩器聯(lián)系到XTAL與XTAL2引腳，兩個電容器并聯(lián)聯(lián)系。電容主要情況為:A：外接晶體振蕩器時，電容值C1=C2=30±10pF；B：在外接陶瓷振蕩器時，電容值一C1=C2=40±10pF：在具體研發(fā)時期,外部振蕩器與電容需要全面靠近XTAL1與XTAL2引腳比防止寄生電容的出現(xiàn),促使振蕩器可以平穩(wěn)的供應(yīng)時鐘信號。(2)外部時鐘模式主要表示外部振蕩器形成時鐘信號，單片機可立即使用。參考圖6(b)可知，多種單片機的接入形式各不相同。8051單片機，在連接XTAL2引腳之后，外部時鐘信號傳送到內(nèi)部對應(yīng)發(fā)生器，XTAL1接地。因為XTAL引腳邏輯等級別是TTL信號，此時要接對應(yīng)拉升電阻。對于CMOS型80C51等諸多型號，和一般8051不一樣，內(nèi)部時鐘信號取自反向放大器的輸入REF_Ref513185355\r\h[9]。因此此類信號全部接到內(nèi)部XTAL1引腳，此時其他部分可懸空。圖6時鐘電路思考到現(xiàn)實情況，此時使用內(nèi)部時鐘電路和頻率12.000MHz的晶體振蕩器，選擇30pF的不同陶瓷電容器。3.6其他硬件模塊3.6.1顯示模塊設(shè)計使用LCD1602液晶顯示屏。LCD1602屬于使用便利且相對普遍的液晶顯示屏。總共能顯示兩行，每行十六個字符，此外可調(diào)整對比度以及挑選不同背景光。具體連接電路詳情為圖7：圖7LCD1602與單片機連接電路圖3.6.2鍵盤模塊本設(shè)計鍵盤為低電平掃描電路，也就是按鍵的一邊連接到單片機I/O口，另外一邊需要接地，檢測I/O出現(xiàn)低電平時代表按下按鍵。如此便于鍵盤掃描詳細編程。具體情況可參考圖8內(nèi)容：圖8鍵盤電路3.6.3繼電器控制模塊單片機是一種弱電設(shè)備。一般情況下，其工作與5V或者更低的電壓。驅(qū)動電流也是低于mA數(shù)量級。假如部分大功率設(shè)施想要通過單片機控制電機，明顯無法完成。所以，要有一個鏈接連接起來，“功率驅(qū)動”可變成鏈接。繼電器驅(qū)動則是普遍的、便利的、重要的功率驅(qū)動。此類驅(qū)動主要涵蓋不同的概念:第一是驅(qū)動繼電器,對單片機來說其屬于大功率器件,此外相關(guān)驅(qū)動負載,比如其可以促進中間繼電器或接觸器,所以驅(qū)動則是單片機與其余高功率負載接口。主要控制電路參考圖9：VCCVCCVCCRELAY1空調(diào)加濕及干燥器?K1Relay-SPDT1KR3010KR33Q1NPND1Diode1N5401123Header3H圖9繼電器控制電路圖內(nèi)三極管的功能類似于開關(guān)，單片機輸出高電平時，此刻三極管位于導(dǎo)通時期，繼電器閉合導(dǎo)通。反之，輸出低電平時，則位于暫停狀態(tài)，繼電器斷開。二極管功能是維護電路，避免三極管或者繼電器出現(xiàn)感應(yīng)電動勢損害電路內(nèi)其余部分設(shè)施。4系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)主程序設(shè)計一般包含下述多個部分：（1）鍵盤掃描部分。（2）眾多信息籌集。（3）不同數(shù)據(jù)的具體呈現(xiàn)。（4）繼電器控制負載電路。4.1主程序流程圖具體流程內(nèi)容參考圖10啟動繼電器控制電路，調(diào)節(jié)參數(shù)NY啟動繼電器控制電路，調(diào)節(jié)參數(shù)NY各參數(shù)是否要調(diào)節(jié)?各參數(shù)顯示結(jié)束開始初始化和位定義清標志清顯示掃描鍵盤各參數(shù)采集系統(tǒng)監(jiān)控程序?qū)儆陉P(guān)鍵部分。其是整個程序的結(jié)構(gòu)，依照提前確定的操作方式控制綜合運作情況。此部分的突出功能是按時合理的處理源自系統(tǒng)、內(nèi)部的各種各樣的服務(wù)請求,有效地管理系統(tǒng)的軟件和硬件之間的信息交換系統(tǒng)中的人機對話設(shè)備和其他設(shè)備,并做出相應(yīng)的處理在系統(tǒng)有故障的時候。STC89C52單片機是重要的控制模塊。主要運作環(huán)節(jié)為:連接電源之后,系統(tǒng)開始進入監(jiān)控時期,各個端口完結(jié)初始化。在缺少相關(guān)信息輸入時,其會積極籌集溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù),并且可以自動調(diào)整最終顯示在液晶顯示屏上。4.2DHT11流程圖DHT11流程圖如圖11所示：給DHT11上電給DHT11上電延時1S保持高電平檢測記錄信號輸出低電平延時輸出低電平數(shù)據(jù)輸出結(jié)束信號圖11DHT11流程圖測試時期最先進行初始化溫濕度傳感器DHT11，全部結(jié)束之后，為DHT11上電，在上電啟動后延時1秒然后保持高電平檢測并記錄數(shù)據(jù)信號，接著輸出低電平并再次延時，最后輸出低電平并輸出數(shù)據(jù)給單片機進一步處理通過LCD顯示屏顯示出來。4.4鍵盤掃描子程序流程圖鍵盤掃描子程序流程圖如圖12：圖12鍵盤掃描子程序流程圖鍵盤掃描子程序最初掃描按鍵，查看是否存在按鍵被按下，在最終明確存在的時候，此后會判定什么按鍵被按下，假如是S1，此時步入設(shè)置模式，此時按鍵S2與S3被開啟，要進入什么參數(shù)的設(shè)定需要根據(jù)按鍵S1被按下頻次確定，S1被按下一次，設(shè)定溫度值，假如是兩次，設(shè)定濕度值，在按鍵S4按下時，則保存參數(shù)并返會正常顯示。按鍵S2和S3作用是調(diào)節(jié)參數(shù)值，每按下S2，目前設(shè)定的參數(shù)值隨之加一。假如是S3，目前設(shè)定的參數(shù)值隨之減一。5總結(jié)本文對單片機的溫濕度測試與顯示設(shè)備的設(shè)計主要基于單片機與傳感器技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和液晶顯示器等。系統(tǒng)地介紹了硬件的組成和設(shè)計方法。1.將傳感器技術(shù)和單片機控制系統(tǒng)融合起來，充分表現(xiàn)出環(huán)境溫度的信息籌集與讀取。2.使用LCD液晶顯示技術(shù)，確定與之相關(guān)的顯示電路。3.繼電器模塊自動調(diào)整當超過溫度和濕度的上限和下限。4.當前系統(tǒng)具有科學的軟硬件模塊、便利的設(shè)計、操作簡單、費用低。因為單片機成本不高、設(shè)計簡單，因此在諸多