基于单片机的恒定温湿度控制系统设计论文设计

第一章绪论1.1概述在生活或者生产中，环境的温湿度监测和控制是现代社会很需要的一种检测技术。特别是在农业上，可以增加相应农产品的产量，降低损耗；在工业和消防等方面可以提高安全性等等。所以大家都很关心和重视这方面技术的发展和新设备的研发。近年来科学技术的发展，温湿度监控设备被大量使用在生物制药、医疗环境、国防科研等工作中，这些都是关乎到国家和人民的健康和安全的，所以需要设备具有更高的精度和更强的性能。目前，温湿度检测技术主要体现在智能数字温湿度传感器的使用和温湿度信息的在线检测的实现两个方面。1.2国内外发展现状1.2.1

国外发展状况早在上个世纪的七十年代外国的一些专家就对温湿度的监控仪器有了相关的研究成果，一开始是使用一些模拟的组合仪器来对环境信息进行收集、控制和存储。后来的十几二十年中发展成了分布式的控制系统。而目前大家多数采用或者想要使用的都是基于计算机为基础的智能控制系统，而且随着计算机技术的发展，各个国家包括我们国家，在智能的温湿度控制相关技术中发展也是非常快速的，特别是西方科技发达的国家已经能够完全实现系统的智能化和自动化运行。

1.2.2国内发展状况

我们国家是在上世纪的八十年代左右开始对温度和湿度的检测和控制技术有了研究，相关的技术科研人员通过学习外国的先进测控技术，学会了一些相关的微机控制和检测技术，所以在实际的应用中采用的微机控制都是一些单回路的控制方法，无法同时对多个参数进行控制。所以在这方面的技术发展过程中，我们国家和发达国家的技术很难相提并论。到目前为止，我们国家在多参数的同时控制方面还没有实现真正的工业化，生产实践中仍然存在着设备配套能力差，环境控制水平落后和软硬件资源无法共享等不足。第二章系统整体方案设计2.1设计要求1）可以同时检测温度和湿度参数；2）采用LCD1602来显示环境的各项参数；3）可以用按钮设置所需的环境温湿度范围；4）蜂鸣器在温湿度超标的时候会有响声；5）温湿度过高或过低会通过LED颜色表示。6）可模拟升温、降温、增湿和除湿过程，使温湿度保持恒定。2.2元器件的选择在系统的搭建过程中用到了单片机芯片、按键、电阻、开关元件、电源插头和插座、晶体管、电容、传感装置、液晶显示模块、输出继电器和振荡器等元器件。在使用之前我们都必须对其各个说明书和使用注意事项进行了解和学习，按照正确的方法焊接使用。其中，电阻和电容的大小可以通过色环或者元件外观的标签读取其值的大小。采用DHT11温湿度一体传感器，这个检测装置可以在百分之20到90的湿度范围中和0到50摄氏度的温度范围中正常工作，湿度的误差是正负百分之五，温度误差是正负2摄氏度。和其他型号的相比，这款传感器能够同时对湿度和温度参数进行检测和控制，性价比较高，故采用DHT11温湿度一体传感器。采用STC89C52单片机作为系统控制器。它对数据的运算和处理能力较强，采用编程软件编写相关的控制程序，实现数据和逻辑的处理和计算，系统内部有计数器和定时器，使系统结构简单，不繁琐。STC89C52单片机还具有功耗低，体积小，成本低和控制性强等特点[1]。第三章系统硬件设计3.1整体方案设计3.1.1系统概述本次设计的系统用的是STC89C52为控制芯片，通过DHT11的温湿度传感器对环境的相关情况进行智能的监测，然后通过系统和输出设备对其进行智能调节。系统包含了输入的传感器和按键电路，输出的显示和报警电路，当然也少不了控制芯片的最小控制电路和恒定温湿度控制电路等。其中传感器和控制模块用于保证环境的温湿度处于正常范围内，这个范围由人工调节按键来实现。整个系统的电源直接通过USB口对其进行直流5伏的供电即可。本系统设计结构简单、稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、综合性能好。3.1.2系统框图单片机单片机最小系统1602液晶显示PIPINGPINGDHT111602液晶显示PIPINGPINGDHT11温湿度一体传感器蜂鸣器蜂鸣器按键设置输入LED指示灯按键设置输入LED指示灯恒温恒湿装置恒温恒湿装置3.2最小系统模块3.2.1STC89C52简介STC89C52单片机是STC公司生产的高性能8位的处理器，是功耗低的COMS的类型控制器。内部的可编程序存储器具有8K的容量。这款52系列的单片机在51的基础上做了改进，它在嵌入式的系统中使用更灵活，能够更有效地解决各种问题都得益于其中的8位CPU和可编程Flash。STC89C52单片机有40个引脚，其外部引脚排列如图3-2所示。相应功能见表格3-1。电源连接在芯片的40和20引脚，分别是+5V的正极和地。振荡电路的实现需要用到19、18引脚，将它们分别接到外接晶体或外部振荡器的接地端和输出端；当用于内部使用的时候，18、19分别是反相放大器的输出和输入端子，其中18引脚同时也是内部时钟的输入口[2]。控制端子用于系统掉电或者手自动复位的端子是RESET（9脚）；用于地址的选择和编程的脉冲触发的引脚是ALE（30脚），主要用来锁存由P0口接收的低八位数据。用于选择外部存储器的是PSEN（29脚），使用过程中需要将其电平拉到低电平状态。当EA（31脚）处于高电平或者低电平的时候表示访问不同的存储器，分别对应的是内部和外部的。多功能I/O口引脚单片机STC89C52一共有40个引脚，P0的8个针脚是双向的三态接口，每个接口都可以实现数据传送和控制的功能，不过这8个针脚都不能不连接电阻，一般连接一个一万欧姆大小的电阻，并工作在除高低电平外的高阻态状态中。P1的8个针脚是三态的输入输出端口，通过对这几个针脚分别进行操作，如果端口是写入高电平状态1，那么这个端口就是输入的功能，如果是写入低电平0的状态，那么这个端口就是输出的功能了；在输入状态时，内部电阻是被拉高的，反之则相反的状态。P2的8个针脚也是三态的输入输出端口，每个引脚都可以独立控制，通过对这几个针脚分别进行操作，如果端口是写入高电平状态1，那么这个端口就是输入的功能，如果是写入低电平0的状态，那么这个端口就是输出的功能了；在输入状态时，内部电阻是被拉高的，反之则相反的状态。上面和P1类似，不过它本身还有一个接收外部高八位的指令功能，此时它是负责储存下载的程序或外部存储器访问内置存储器的16位。P3口8个针脚是普通的输入和输出端口，通过对这几个针脚分别进行操作，如果端口是写入高电平状态1，那么这个端口就是输入的功能，如果是写入低电平0的状态，那么这个端口就是输出的功能了；在输入状态时，内部电阻是被拉高的，反之则相反的状态。其8个端口分别为：0和1是串行通信作用，2和3是中断使用，4和5是定时器输入使用，6和7分别是对寄存器和定时器的读写操作端口。其中的P3口除了以上功能外还具备另一种特殊的作用，具体功能见表格3-2。3.2.2最小系统电路在使用最少的元件，但是又能让单片机正常工作的电子系统被称为单片机的最小系统。它包含了最少的元件，但是输入电源，产生振荡的电路，复位单片机的电路是必须的。所以就需要按键、电容、电阻、晶振、电源等。完整的最小系统如图3-3所示。其中振荡电路使用了12M的石英晶振。石英晶振并联了两个30pF的电容C1和C2，它们的作用是让晶振更容易的起振。复位电路由10uF的极性电容C1和10K的电阻R5构成。当单片机程序无法运行时，按下复位按钮会从头开始自动执行复位按钮中的程序。电源部分由5V的USB直接供电。除此之外，本次设计过程中采用了单片机的P0口串联10K的排阻来连接液晶显示模块，实现输出的传输和显示。上面提到EA的用法，本次系统中的程序是存储在内部的地址中，需要将EA接高电平来让系统执行内部数据的读取操作。3.3DHT11传感器电路3.3.1DHT11传感器简介下图3-4中所示的就是DHT11数字温湿度传感器，它的输出信号已经在出厂时被校准了，能够通过电阻感湿元件和NTC测温元件对湿度温度进行检测，它采用特殊的数字模块采集技术和温湿度传感技术。采用单线串行接口，使系统集成变得更简单，更快捷。该元件为4引脚单排引脚封装，连接方便。图3-43.3.2DHT11接口说明（1）接口说明 在传感器的连接和安装上，使用小于二十米的连接线加一个五千欧的电阻[3]。（2）引脚说明如上如所示的4个引脚中1和4号分别连接电源的高、低电平端口，范围可以在3.5到5V之间；2号用于传送串行数据的；3号可以不接，悬空即可。（3）串行接口(单线双向)数据引脚可以将传感器和控制芯片的数据通过4毫秒时间的通信实现同步，数据中包含了小数和整数的两个部分，不过本次设计过程中不使用小数所以输出是0。在数据传输过程中是完整一次性传输40位的数据，按照每8位一个数据的顺序分别是湿度整数、小数数据；温度整数、小数数据；最后是校验和。如果数据是正确传送的，那么最后的校验和是传送数据的后八位数值[4]。具体的通信原理如下图3-6所示，当芯片发送一次DHT11传感器触发脉冲后，其功耗将从低变成高，系统启动后，传感器会发送启动响应的40位数据并进行一次参数采集。在系统工作过程中，传感器的采集动作是需要主机发送采集信号并被它接收到，才会开始采集温度和湿度。采集之后立刻将切换到低速模式。在正式通信之前都需要对双方的通信通道进行初始化处理，具体过程如图3-7所示。当总线状态为1的时候表示空闲，主机发送大于18毫秒的低电平信号给传感器，正常情况下传感器一方可以准确接收到开始采集的信号，采集后发送80微秒的响应信号，此时主机在开始信号发送结束后切换到读取（高电平）模式，并在20微秒之后才开始读取从主机传过来的数据[5]。如上图中的波形图中，如果处于低电平状态表示传感器发出了响应主机的信号，响应后的80微秒结束后开始发送输出，数据的间隔在50微秒左右。如下图所示，当高电平的时候用0表示线路正常，传感器没响应，低电平用1表示数据传输结束的状态。数字0信号表示方法如图3-8所示。数字1信号表示方法如图3-9所示。3.3.3DHT11模块电路图3.4液晶显示屏电路3.4.11602液晶显示屏简介本次采用了LCD1602液晶屏来显示系统所需呈现的字符，本系统中输出的信息一般是基本的简单字符，此模块总共有32个汉字的显示区域，比以往常用的数码管显示来得简单，而且模块的功率消耗很小，显示的内容比较多样化，接线和使用都方便快捷，无需增加其他器件的驱动。1602液晶显示屏物美价廉，主要功能是显示ASCII字符，因此被称为“字符型显示装置”。下图是背光和无背光两种类型的尺寸对比图3-11。模块使用过程中最好采用5V的直流电压，此时工作过程中其电流大小是2毫安。3.4.2液晶显示屏引脚说明3.4.3指令介绍（1）下表的指令可以对显示模块进行清屏操作，可以将显示屏中的数据清除；让光标回到初始位置；将地址计数器数值清0。（2）下表是可以设置显示模块光标归位指令，可以使光标回到初始位置并清0地址寄存器，将其存储器内部的数据保持原始状态。（3）下表是可以设置模式的指令，可以用于设定光标从那个方向开始往哪个方向移动。（4）下表是可以显示开关设置的指令，可以设置显示屏幕、光标、光标闪烁是开还是关。（5）下表所示是设定显示屏或光标移动方向的表格，可以设置光标和数据在显示屏中的显示位置。（6）下表所示是设定模块的显示行数、总线位数和字型的大小的指令。（7）下表所示是设定CGRAM地址的表格，可以设置数据下一次存储的CGRAM地址（8）下表是设定DDRAM地址指令的表格，可以设置数据下一次存储的DDRAM地址。（9）下表是读取忙或AC地址的指令可以设置数据下一次存储的DDRAM地址。1）如果信号BF是状态1表示不能接收数据和指令，如果状态时0就可以。2）读取地址计数器AC。（10）下表中的指令表示将字符和图案分别写入到DDRAM、CGRAM中。3.4.4LCD模块电路引脚1和引脚2为电源输入脚，分别接GND和VCC。引脚3用于调整液晶屏幕显示时的对比度;引脚4RS如果处于1状态，表示此时用的是数据寄存器，反之则表示选用了指令寄存器；引脚5和6分别是读写控制脚和使能脚，4、5、6分别接单片机的P12脚、P13脚、P14脚。引脚7到引脚14为数据/地址8位总线，接单片机的P0口。引脚15、16为背光电源脚，接VCC和GND。因此，本系统选择了LCD1602来显示输出的信息，在使用过程中可以根据环境和显示情况对清晰度进行自行调节，具体的电路连接图如下图所示。3.5蜂鸣器模块电路蜂鸣器是用于发出警报声音的，它连接在单片机的输出端子上，假如系统判断到有非正常值的出现，就会迅速处理并置位输出口，是蜂鸣器的引脚为高电平导通状态，从而发出蜂鸣声，达到报警效果[6]。系统中使用的是一种有源的电蜂鸣器。这里的有源指的不是有电源，而是有震荡源，一旦上电就会鸣叫。其中包含了振荡器、电磁线圈、磁铁和振动作用的膜片。如图3-13所示的连接电路需要用三极管PNP三极管S8550来控制蜂鸣器的得电和断电，正常情况下PNP型的三极管是不导通的，当导通表示在上电成功，此时振荡膜片产生的信号就会是线圈通电，线圈和衔铁的吸合和断开就会出现快速的振动发声现象，从而出现报警声音。3.6按键输入模块电路通过3个独立的按键来设置传感器的控制阈值，按下按键1增加最高的限制数值，按下按键2能够减小设定的数值，按下按键3表示能够对数值进行设置操作，具体如下图所示。3.7继电器模块电路继电器这类电控元件中包含了线圈和线圈外的铁心两个部分，可以自动调节、转换和保护电路。它的工作过程是线圈通电后使得铁芯磁化吸引衔铁从而使触点闭合，接通了电路；反过来如果线圈中没有通电，那么衔铁就会被放开，触点断开从而断开回路。通常被用于自动控制电路中，运用小电流控制大电流运作。一般继电器中可以有常开和常闭两种触点。在线圈不得电的时候，前者是断开的，后者是接通的，反之则相反[7]。本次使用的继电器采用直流5伏电压供电，具体电路连接图如图3-15所示。连接过程中在其两端接一个二极管，二极管的负端接到VCC，在工作过程中，当三极管基极状态为0时，继电器得电闭合，相应的常开触点接通，给系统连接上直流5伏的电压[8]。第四章软件系统设计4.1单片机编程语言本次系统软件设计采用C语言，C语言具有较高的识别率及较好的可维护性等优点，而且我们已经在大学期间对其进行了学习，也使我能够较快适应和使用C语言进行编程，便于对程序进行改进，扩充和移植[9]。4.2程序流程图设计4.2.1整体程序流程图设计下图4-1是系统的整个执行过程图。系统上电后首先对液晶显示模块的数据和指令进行初始化，然后对系统的其他输出信号也进行复位初始操作。初始化任务结束后程序进入循环结构中，对当前环境的温度和湿度进行采集并将其显示在液晶屏中。13接下来系统对数据进行处理和运算，检查是否在正常的范围内，如果是就驱动蜂鸣器和指示灯实现报警通知。在通知的过程中系统输出控制湿度和温度调节设备，对环境进行温度和湿度的调节，使环境温湿度维持在正常范围内。接着判断按键是否动作，不是则进入下一个循环，是的话要先完成设置和延时操作后才会进入下一次循环继续执行[10]。开始开始液晶显示屏初始化液晶显示屏初始化警报值初始化警报值初始化读取读取DHT11数据显示测量结果显示测量结果是温湿度超限？是温湿度超限？蜂鸣器报警指示灯点亮启动恒温恒湿装置蜂鸣器报警指示灯点亮启动恒温恒湿装置否是按键被按下？是按键被按下？进入温湿度报警范围设置进入温湿度报警范围设置否延时延时结束结束4.2.21602LCD程序设计前面说过我们程序会按照模块来进行编程，下面是液晶显示模块的流程。此模块在显示数据之前需要设定数据显示的具体位置，比如从第几行第几列开始的，只有先完成这个操作才会开始显示数据。在现实的过程中，数据是按照顺序从左到右显示的。开始开始定位行列坐标定位行列坐标显示一个字符显示一个字符否数据显否数据显示完？是是结束结束图4-2液晶显示屏显示流程图4.2.3DHT11温湿度传感器程序设计下图所示是温湿度传感器的程序执行流程，虽然传感器是实时对数据进行检测的，但是传感器的采集动作是需要主机发送采集信号并被它接收到，才会开始采集温度和湿度。当芯片发送一次DHT11传感器触发脉冲后，传感器才会发送启动响应的40位数据并进行一次参数采集，接着通过一个个字节的方式进行串行传送湿度、温度和校验字节。单片机依次对接收到的数据进行验算，如果正确则显示在液晶显示屏上，反之则不显示。开始开始发送起始信号发送起始信号读取湿度测量结果读取湿度测量结果读取温度测量结果读取温度测量结果读取校验字节读取校验字节否计算传输是否出错否计算传输是否出错是保存测量结果是保存测量结果丢弃当前数据丢弃当前数据结束结束第五章硬件组装与调试5.1焊接与组装元器件搭建实物电路的过程中需要将元件焊接或者插接在电路板或面包板上面。不管是采用哪一种方法，在这个过程中，我们都需要按照下面的要求执行。一是在安装之前要逐个测验元件是否可以正常使用；二是预先设计好各个元件的组装方向使得焊接过程的布线更加顺利；三是合理布局各个元件的位置，使系统的后期检查和测试方便易处理；四是焊接过程中注意各个线路和电源的正确连接，一般红、蓝、黑和黄线分别代表电源的正极、负极、地线和信号线；五是在实际操作过程中，可以按照不跨芯片连接和便于连接的原则来连接线路，这样焊接出来的线路才会更加整齐美观；最后是将线路中的全部电源正极和负极分别汇集成两个公共参考点，这样在调试过程中才会更加方便快捷。5.2调试电路电路的调试是为了对整体设计的系统电路进行检查、修改和测试，在这个过程中，对系统正常工作过程中的各个参数和数据进行监控，人工检查是否符合任务的要求。这三个步骤是一个反复循环的过程中，通过制定计划，测试后知道需要修改的程序，进而对程序或电路进行修改和调整，最终实现系统的调试工作。5.2.1调试方式在调试过程中，如果是复杂的电路建议采用分模块分元件的方式进行测试和调整，简单的话可以直接整个电路焊接完成后再进行。5.2.2调试过程（1）通电前检查电路搭建成功后，不能立刻通电，需要先对线路中的元件和线路进行短路或者线路不对的问题进行排除，然后对照电气图纸和实物图进行检查。这个过程可以使用万用表的欧姆档进行检测，如果短路则会由蜂鸣器的响声提醒，这样就可以避免出现接触不良的线路。（2）通电后观察电路通电成功后，不能立刻调试，需要先看看电路版有没有什么异常情况的出现，比如短路烧焦或者漏电的情况，如果有，需要断电后进行排查，然后再通电检查，直至正常才可以继续下一步。（3）单元电路调试对于本次的比较复杂的电路采用了分单元的方式进行调试。操作人员根据设计好的原理图，分析电流的流向，按照这个方向对其线路上的元件进行逐个检查调试，前一步好了才可以继续下一步，这样才能确保调试过程中既方便又准确性高。（4）整机联合调试上面分模块调试结束后，就可以对系统进行整体的测试了，在这个过程中，除了观察电路的情况外，还需要对相关的数据进行分析，看看是否和要求或者理论接近。在测试过程中修改参数、改进电路，直到系统满足任务的性能要求，接近实际的真实情况为止。第六章总结温湿度是生产生活中最基本最常见的物理量。在生产生活中常需检测和控制温湿度,使其满足环境所需要求。所以对恒定温湿度控制系统设计是非常必要的。从2020年2月下旬到现在，经过大约三个月左右的努力，完成了基于单片机的恒定温湿度控制系统的设计和制作。在设计和写论文的过程中，我的系统开发能力和实操的能力都获得了很大的提高。从一开始拿到题目的不知所措，无从下手，到后来慢慢地找到思路，进入状态，然后遇到困难解决困难，能够从设计、论证、制板、写程序到后面初步调试的完成，改进程序再到整个系统进行调试，在老师的精心指导下完成了本次系统的设计和制作，从各个方面上提高了我的能力。本次设计的内容包含了很多的专业知识，包括专业基础的数电模电、电路技术等，也包含了专业技能的C语言编程和微机原理应用等。在设计的整个过程中，对融合在系统中的这些技术的各项内容有了更深的理解，更好地掌握了它们是如何应用和操作的。在经历了这个课题的毕业设计之后，我觉得在大学的时候不仅要专心学好理论知识，这一点的重要性毋庸置疑。不过同时也要把握好各种机会，将学到的原理和知识用在实际的应用中，这样更能提高相应的专业能力。所以在这次毕设中我知道自身存在了很多技术不足的缺点，而且对知识的运用也还不够熟练。我以后会好好努力，学习更多方面的知识，深化理论基础，并应用在实践工作和学习中，尽量取得更多的进步。这次设计的成果因为知识和时间的限制不可避免的会有很多缺陷，但我以后会多涉猎这方面的知识，争取能够弥补缺陷。参考文献J.W.Web.ProgrammableLogicControllers:PrinciplesandApplications[M].Macmillan,NewYork,2010.46-77.吴汉清.常用的典型单片机资料[J].无线电，2007，09(11):72-80HiroYamasaki.Thefutureofsensorinterfaceelectronics[J].SensorsandactuatorsA,2011,(56):129-133.张艳丽,杨仁弟.数字温湿度传感器及其