基于单片机的智能空气加湿器设计

江西科技学院本科生毕业论文（设计）目录摘要 第1章绪论目前加湿器被普遍应用于很多领域，随着科学技术的发展与进步，温湿度检测技术趋于成熟，以温湿度检测技术为设计核心的加湿器也朝着小型化、低功耗和智能化方向发展。单片机以较高的集成度和稳定的性能，使其在智能加湿器的设计方面具备更加显著的优势。1.1选题背景和意义随着经济的快速发展，人们的生活水平也逐渐提高，伴随着的是生活环境与工作环境的质量渐渐被人们重视起来。当空气中的湿度没有达到一定的湿度值时，会给我们的日常生活和工作带来负面影响。如果我们长期生活在干燥的空气环境中，人体的舒适度值会降到很低，甚至会对我们的身体健康带来许多未知的隐患；当我们在工作的时候还会提高产品的不良率从而降低生产产品的速度，引起各式各样的不良影响，此时加湿器就显得尤为重要，我们可以通过使用加湿器来有效地增加室内空气中的湿度，湿润干燥的空气。水由于表面张力的作用，会主动形成水滴的形状，同时会吸附空气中的灰尘。当室内空气中的粉尘和漂浮的烟雾与水分子结合后，会形成一个个小的颗粒，使空气中的灰尘沉淀下来，而且可以有效的去除室内空气中的异味，使空气变得清新。在本次的设计中，主要是运用加湿器调节空气中的湿度，以达到提高人体舒适度的目的。研究发现，湿度不仅影响人们的生活质量，在工业制造和产品质量方面同样有着重要的影响。塑料薄膜大棚、厂房和办公室等室内封闭场所，一般都需要用智能加湿器来调节空气的湿度，使室内空气的湿度达到合适的程度。在日常生活中我们经常用舒适度来描述环境质量，但是人体舒适度与大气探测仪器检测到的各种气象要素结果有很大的不同，它不是一个精确的数据参数，仅仅是人体对外界气象环境的一种主观感受。人体舒适度指数是人为制定的一种生物气象指标，通过人体舒适度指数我们可以更加清楚的了解我们所在环境下的舒适感，且可以显示出在不同的天气条件下，人体可以感觉到的舒适度值。在众多的影响因素中，温度、相对湿度、气压、风速这些气象因素，对人体的舒适度产生很大的影响。最佳的温湿度范围是40%RH～60%RH[2]，人体在此温湿度范围内的舒适度最佳。经研究发现：生活在适宜湿度的空气环境下的生物体才能长期保持活力。将一些我们常用的木质家具长期放置在过于干燥的空气环境下，会对其造成一些不同程度的损坏，如乐器、家具和木质装修等很可能会出现变形、老化甚至干裂的情况。因此，我们在存放以上物品时要格外注意室内湿度，标准情况下应保持在40%-60%RH范围内，然而对于生活在河北地区的家庭来说，冬天的室内湿度平均为10%-15%RH，干燥的空气环境下，出现高压静电的情况十分普遍。家用电器及办公电器的广泛使用，使得静电出现在我们生活中的各个角落[3]。当静电情况十分严重时，对我们的生活环境也是一种污染。生活或工作在此环境下的人心情容易烦躁，有时甚至会出现头晕胸闷的情况，严重影响我们的身体健康。智能加湿器可以放出一些富含负氧离子的空气，既调节为适宜湿度的空气，这些空气均匀的布满整个空间，可以很大程度的消除静电现象，还可以过滤空气中异味，制造出更加清新、芳香的空气。因此，对空气中的湿度适当的进行调节，无论是对与我们的身心健康还是工作学习，都有着不可忽视的重要意义。调节室内湿度的方法有很多，我们可以在室内洒水或者放置水族箱，但是这种调节空气湿度的方式是十分缓慢的，而且我们无法控制它的影响程度。如果加湿的程度过大，也会对人体造成不好的影响，如今大多数的家庭和公司都是应用加湿器来对空气加湿。本次设计基于单片机技术，对智能加湿器的部分功能实施进一步的改动，使其可以根据用户的个人需求进行调节，而且拥有智能控制功能，其能够根据传感器检测到的实时湿度自动控制加湿器的工作状态。在本设计中，加湿器的智能控制能力得到了加强，完全可以满足用户对产品的简单要求，在产品开发方面具有十分重要的意义。1.2发展现状及前景智能加湿行业在我国发展了将近20年，通过这些年空气质量概念的普及和人们对身体健康意识的提高，加湿器的功能和作用也渐渐被人们所了解，并逐渐被人们接受和青睐。可是，由于加湿器这一新兴行业在我国发展的比较晚，它相应的一些产品质量标准没有得到规范化，这为广大用户在选择上带来了一定的选择困难。众多厂商只跟风不跟质量的行为，导致了加湿器行业产品质量的参差不齐，使消费者的合法权益受到了侵害。加湿器功能主要是增加室内空气的湿度，使湿度控制在相对健康的状态下。加湿器按其功能划分为三种：电热加湿器、超声波加湿器和净化加湿器。电热加湿器主要是对水进行加热使其蒸发，利用水蒸汽来加湿空气，此种加湿方式容易发生热蒸汽烫伤人的情况，已基本被淘汰。超声波加湿，主要是运用超声波的高频震荡原理，把水分子震荡、雾化为微小的雾状颗粒，然后应用风动装置把这些雾状颗粒吹送出去，实现加湿的功能。净化加湿，在空气循环系统中应用水幕洗涤的技术，可以有效的过滤空气中的尘埃，且把空气中的杂质吸附在高效过滤器上，再经过风动装置将过滤后的水分子稀释到空气中，使得空气得到净化且加湿，它是目前最新的加湿器产品。我国的加湿器产业发展较晚，产品的人均占有率比日本、美国、韩国等国家低的多，我国民众对空气质量和加湿器、净化器产品的进一步了解，能够促进国内加湿器行业的发展，提升国民健康水平，更能提高国民的生活品质。随着社会经济的快速发展，人民的生活水平也逐渐提高。同时，人们也更加重视生活质量和身体健康，空气加湿器也慢慢的走进了更多的家庭中，并且在干燥地区很受人们的欢迎。空气加湿器在国内仍是新兴的产品，加强对加湿器的开发和研究的力度，不但促进了我国加湿器行业的发展，而且能够提高人们的生活品质和健康水平。近年来，人们对加湿器的功能与审美设置提出了更高的要求，为了实现这些要求，加湿器的产品类型变得更加多样、材质处理更加细腻，且造型设置更加丰富多姿。1.3设计任务本次设计的重点就是在现有的加湿器基础上，增加水位监测功能，温湿度监控功能，自动加湿功能，提高加湿器系统的智能控制能力。该系统可以根据用户的需要，手动设置最佳相对湿度值，并且在室内空气湿度发生变化时，能够自动开启或关闭加湿器，使湿度值保持在设定的湿度范围内，达到智能加湿的目的。本文所研究的主要内容有以下几个方面：技术要求：（1）环境温度湿度监测；（2）用户设置初始湿度值，环境湿度低于设置值时系统会自动加湿；（3）水位监测，水位低于设置值自动断电报警；（4）智能模式和手动模式的切换；第2章系统硬件设计2.1系统设计思路采用实时测量湿度，有自动/手动两档，可以根据用户需要设置最佳相对湿度。室内相对温湿度的检测选取数字湿度传感器DHT11，单片机读取传感器输入的相对湿度数据，通过LCD1602显示屏显示出来同时也将测得值与默认或用户输入的最佳相对湿度值进行比较，进而控制加湿功能的实现。不仅如此，该温湿度功能模块采用全新高精度传感器，精度高，可显示小数位。当湿度达到最佳相对湿度值后停止加湿，以达到防止过度加湿的目的。采用超声波方案测水位，功能模块的测量误差大约为3m，实现了精准测量。在整个过程中如果输入水位低信号，则与水位监测配套的蜂鸣器报警、加湿器停止加湿，达到防干烧的目的。电路中设计了一个手动/自动转换键，选择自动模式，相当于按下复位键，系统恢复默认最佳相对湿度，温湿度传感器对空气中的温湿度进行检测，最后运用液晶屏将经过计算后的数据显示出来，如果检测到的湿度比最佳湿度范围低就开始加湿，超过最佳湿度范围就停止加湿。在系统的显示模块中，STC89C52芯片的P1端的八个引脚分别与液晶显示屏的数据输入端口D1~D8相连，P2.7和P2.5口分别接到LCD的寄存器选择端和使能端，RW为读写信号选择端口，端口电平为高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。在本次设计中只进行写操作，所以读写信号选择端口接地。RS是寄存器选择端口，当RS=‘0’时系统进行写指令操作，RS=‘1’时进行写数据操作；E为使能端，当E端电平信号出现高脉冲即上升沿时，液晶屏开始读取显示信息，并在信号电平跳变到下降沿的时候执行指令。温湿度传感器连接到单片机的P3.3脚，它采用的数据传输格式是单总线格式，可以单次输出高达40位的数据，此次设计只显示温度和湿度的整数部分，因此只读取整个数据的八位湿度整数部分与八位温度整数部分。选择的具体实施方案；系统具备自动加湿和手动加湿两种模式，用户可以根据自身需要来选择，且能够手动更改相对湿度的最优值；单片机通过温湿度传感器检测空气中的温度和湿度数据，并将测得的数据送入主控模块，主控模块可以将测得的实时湿度与用户设计的最佳相对湿度进行对比，以此来决定是否需要加湿；主控模块可以根据水位的高低来判断是否需要报警，当需要报警时，主控模块不但控制报警模块发出报警信号，而且控制加湿器关闭加湿；运用液晶显示器显示出室内空气的实时温度和湿度，且将相对湿度的最优值显示出来；利用LED灯演示加湿和水位高低。系统总体方案的的整体框图如图2-1：单单片机显示温湿度传感器温湿度传感器加湿加湿按键输入模块按键输入模块报警报警图2-1系统整体框图2.2单片机最小系统设计2.2.1单片机介绍本次设计的系统运用的中心控制元件是STC89C52单片机，STC89C52是深圳宏晶科技公司开发、TSMC公司生产的一种增强8051内核单片。其采用了基于Flash的在线编程技术，在对单片机编程写软件时无需采用专用编程器，可以通过PC直接对STC系列单片机进行编程，使单片机应用系统的开发变得更加简单。STC系列单片机性能优秀，其编程十分方便，非常适合初学者使用，最重要的是它比较低廉。该芯片具备8bitCPU与在线可编程Flash，应用该芯片的嵌入式控制系统变得更加高效、流畅。STC系列单片机的正常工作电压为3.3V～5.5V，如图2.2是STC89C52的实物图。图2.2STC89C52实物图STC单片机产品种类十分繁多，现有超过百种的单片机。STC单片机按照工作速度和内部配置的差异，分为许多系列的产品。根据运行速度能够分为12T/6T和1T系列产品。所谓1T是指单片机运行一个机器周期只需要一个时钟周期，运行速度大大加快。STC89、STC90和STC11/10系列属于基本配置，而STC12/15系列产品增加了PWM、A/D和SPI等接口模块。每个系列产品的差异主要是片内资源数量上的差异。在单片机选型时，应该根据控制的实际需求，选择合适的单片机，即单片内部资源要尽量满足控制系统要求，而减少外部接口电路，保证单片机应用系统的高可靠性和高性价比。我们现在使用比较的多的是STC89C51/STC89C52等。如图2.3是STC89C52的管脚分布图。图2.3STC89C52管脚图单片机是一个功能很强大的芯片，在此芯片上人们把计算机的一些主要组成部件都集中起来，如中央处理器、定时/计数器和I/0接口电路等部件，同时集成在一个小小的芯片上，可以说单片机就是一个微型化的计算机。所以，想拥有一个单片机控制系统的话，我们只需要为单片机添加适当的软件及外部设备。2.2.2“51”单片机应用优势（1）开发周期短，易于生产，性价比较高。（2）芯片更加微型化，抗干扰能力很强，可靠性能良好。（3）功能完善，接口多。（4）低功耗、低电压。一般在5～3V的电源电压范围内单片机都可以正常工作，1~2V是其工作的最低电压，低于此电压后单片机就不再工作。（5）总线多样，易于扩展。单片机的外部结构采用的是三大总线结构，运用此结构能够更加方便的对应用系统功能进行扩展，使的开发应用系统变得更加方便、快捷。外部总线增加I2C和SPI串行总线，应用者可以根据自己的需求进行扩展[5]。C52单片机的主要功能特性如表2.1所示：表2.1STC89C52功能特性表主要功能特性可应用MCS51的指令编译8K可编译FlashROM32个双向I/O口512字节RAM看门狗定时器内置4KBEEPROM3个16位定时器/计数器MAX8101个6向量2级中断结构全双工串行口系统的掉电或空闲模式低功耗可以设置休眠和唤醒功能在实际电路中用到了STC89C52的部分引脚，其主要的引脚和功能为：（1）电源管脚(2根)VCC:正极，接+5V电源。GND:负极，接地线。（2）外接晶振管脚(2根)XTALl:时钟电路的输入脚。XTAL2:时钟电路的输出脚。（3）控制管脚(2根)RSTNPP:复位管脚，当端口信号为‘1’时单片机会执行复位操作。EA:程序存储器选择端口。接低电平时，ROM读操作只能在在外部程序存储器中进行；接高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。在该电路中，将其接负极。（4）可编程I/O管脚(32根)STC89C52单片机有P0、P1、P2、P3四个8位的并行输入/输出口，每个端口可以按字节或位进行输入输出，4个并行口一共有32根端口线。P0口：P0口是一个漏极开路型双向输入/输出口，输出能力较强能驱动8个TTL门电路，经常被作为地址/数据分时复用总线使用。内部没有上拉电阻，使用时需添加外部上拉电阻。P1口：Pl口的输入/输出口为8位的双向输入/输出口，通常作为通用输入/输出口使用，在4个I/O口中，它的功能比较单一，只能作为输入/输出使用。电路的内部有上拉电阻，与场效应管共同组成输出驱动电路。因此，P1口作为输出口使用时，已经能向外提供推拉电流负载，无需再外接上拉电阻。P2口：P2口是内部自带上拉电阻，功能复用口。P3口：P3口是和P2口功能基本一样。P3口不仅可以用作通用输入/输出口，还具备第二功能，当P3口的部分口作为第二功能时，剩下的引脚可以单独作为输入/输出口使用[6]。2.2.2单片机最小系统电路原理图设计（1）电源电路设计电源电路是控制板的动力源也是控制板电路中最为重要的一个功能模块。STC89C52单片机在运行的时候，需要稳定的5V电源，电源的稳定性和抗干扰能力很大程度上会影响单片机的控制性能。为了使本次设计的加湿器对温度捕捉敏感，控制敏捷，再设计电源电路的时候本着稳定和抗干扰能力强的原则进行。电源电路的原理图如图（2.3），由于本次加湿器需要使用24V驱动的传感器，所以本加湿器的外部电源为24，为了得到52单片机需要的5V稳定的电源电压，本设计使用了型号为LM7815和LM7805的两个三端稳压IC来将24V的电压降至单片机所需要的5V。LM78系列三端稳压IC简介：电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78

××

系列和负电压输出的lm79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-

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的标准封装，也有lm9013样子的TO-92封装。用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。

因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。

最大输出电流1.5A，LM78XX系列输出电压分别为5V;6V;8V;9V;10V;12V;15V;18V;24V。LM78系列IC内部电路图如图2.4所示。图2.3单片机电源电路原理图图2.4LM8系列稳压IC内部原理图在本设计中，为了过滤电源降压过程中产生的杂波，需要在电源电路中并联3个1000uF的滤波电容。产生的5v稳定电压通与单片机的40引脚既VCC引脚连接向的单片机的内部进行供电，其中单片机的20引脚也就是VSS引脚需要接地。（2）时钟电路设计单片机运行需要时钟支持——就像计算机的CPU一样，如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机，单片机就无法准确的执行程序。在引脚XTAL1和XTAL2（STC89C52单片机中，XTAL0和XTAL1引脚位置分别为18脚和19脚可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路。）外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振例。由于STC89C52单片机为12个时钟周期执行一条指令。也就是说单片机运荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构行一条指令，必须要用12个时钟周期。没有这个时钟，单片机就跑不起来成了自己振荡器并产生振荡时钟脉冲，其发出的脉冲直接送入内部的时钟了，也没有办法定时和进行和时间有关的操作。如图2.5所示，本设计中采用12M晶振，2个30pF滤波电容构成单片机的震荡时钟电路，与单片机的18脚和19脚相连从而为单片机输送稳定的时钟信号。图2.5单片机时钟电路（3）复位及复位电路设计复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表2-3所示：表2-3一些寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00HRST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为12MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过2us才能完成复位操作。整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。本次设计采用上电复位，通过外部复位电路的电容充电来实现的，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。单片机的最小电路如图2-6所示：图2-6单片机复位电路2.3外部功能模块设计2.3.1温湿度传感器电路设计（1）选择方案方案一：一般情况下，我们检测温度的时候都会用热敏元器件来检测，如热电阻和热敏电阻。其中热电阻的工作原理为：热电阻的电阻值会随温度的变化出现大的波动，当温度升高时电阻的大小也会增大，并且电阻值会随着温度按照近似的线性关系而缓慢变化。热敏电阻的工作原理是热敏电阻的电阻值与温度成非线性关系，并随着温度的升高而迅速变化。一般情况下电阻值与温度呈负指数关系，温度越高电阻值下降的越快，只有少量才具有正温度系数。有许多方法来检测湿度，其中用湿敏元器件检测空气中湿度是人们常用的方法，湿敏元件分为电容式湿度敏感元件和电阻式湿度敏感元件两种类型。我们经常使用的湿度传感器有高分子电容式和高分子电阻式两种类别。其中高分子电容式湿度传感器的工作原理为：水和高分子材料的介电常数是不一样的，它们的介电常数之和为高分子电容式湿度传感器的介电常数，电容式湿度传感器的介电常数在不同的环境下会受到很大的影响。当被测的雾气状态的水分子通过带有多个孔洞的上电极，扩散到感应湿度的薄膜表面时，薄膜上的极性官能团会吸收这些水分子，进而诱发电容式湿度传感器的介电常数发生变化，改变了湿敏电容器的容量值。高分子电阻型湿度传感器的工作原理为：通常情况下，聚合物膜上的极性基团会对水会产生吸附力。湿度低，由于吸附量很小，不会产生带电离子，其电阻值是比较高的。当空气相对湿度增加，吸附量增大，吸附水的连通性成为导电通道，正、负离子聚合物电解质主要起载体作用。此外，这些被吸附到薄膜上的水分子会解离出氢离子和质子，增强电荷导通性，减小湿度传感器的电阻。湿敏电阻和热敏电阻的在可靠性和精度方面效果不是很好，如果温湿度传感器需要高精度的检测数据的话，选用湿敏电阻和热敏电阻就不是太适合。方案二：采用集成温湿度传感器。集成温湿度传感器最大的优点就是它检测数据的精度高，自带A/D转换功能，可以把检测到的温湿度信号转化为数字信号，并且存放到自身携带的RAM存储器中，单片机系统能够很快的从中读取到数据，将其转换成十进制就是可以得到我们需要的温湿度数值，使用起来十分快捷、便利。DHT11温湿度传感器市面上最流行的，它响应迅速、抗干扰能力强，性价比很高。因此，我选择方案二。（2）DHT11数字温湿度传感器简介本系统采用DHT11作为湿度检测器件，DHT11数字温湿度传感器包括一个NTC测温元件和一个电阻式测湿元件，可以和高性能的8位单片机相连，是一块可以同时检测温湿度的数字传感器。通过和单片机等微处理器构成简单的电路，就能够实时的检测采集室内相对温湿度。因此具有性能稳定、响应迅速、抗干扰能力强且性价比高等优点。DHT11和单片机之间利用简单的单总线可以实现通信，仅仅需要一个I/O口。传感器内部的温湿度数据可以一次性的传给单片机。由于在高精度的湿度校验室内进行过校准，并且以程序的形式在内存中存储，因此可以保证数据的准确性。DHT11很低，在5V电源电压下，工作室的平均最大电流为0.5mA。DHT11外形及引脚排列与说明如下图2-7所示：图2-7DHT11外形及引脚排列VCC是电源脚，正电源输入3.5-5.5V；DOUT是数据输入/输出脚，单总线；NC是空脚，扩展未用；GND是电源地脚。能够同时对相对温湿度进行检测；输出为数字信号，可以减少预处理信号的负担，减轻用户工作量；输出为单总线结构，能够有效减少对单片机的I/O口的占用，节省资源并且不用再额外的增加电器元件；单总线传输协议使单片机读取传感器的数据更加方便快；全部校准，为8位二进制数编码方式。湿度测量范围20%~90%RH;温度测量范围0~50℃；适用范围广泛，在恒湿控制、温湿度计、消费类家电领域都有应用。DHT11传感器在上电后，需要等待1s以上，在越过不稳定状态期间不用向STC89C52单片机发送任何指令。DATA用于DHT11和微处理器之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次的通讯时间大约在4ms。数据分为整数部分和小数部分，当前小数部分读数为0，用于之后扩展。具体的操作流程如下:DHT11数字温湿度传感器一次完整的数据传输为40位，先输出高位。数据格式为：8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验。数据传送正确时，“8位湿度整数数据”所得结果的最后8位等于校验和数据。用户MCU发送一次开始信号（低电平）后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束（拉高）后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据。DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。DHT11复位时序如图2-8所示:图2-8DHT11复位时序总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,本次设计的程序中拉低20ms.保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,本次设计的程序中延时40us，读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可。由于单片机的上拉能力不足，容易产生很大的寄生电容从而导致RC充放电，容易使数据出错，因此总线由4.7K上拉电阻拉高。DHT11开始发送数据过程如图2-9所示：图2-9数据传输数字‘0’信号表示方法如图2-10所示：图2-10数字0信号表示方法数字‘0’表示方法为，DHT11先把总线拉低12-14us然后拉高，高电平保持时间在26-28us范围内，则此时为‘0’电平。数字‘1’信号表示方法如图2-11所示：图2-11数据‘1’信号表示方法数字‘1’表示方法为，DHT11先把总线拉低12-14us然后拉高，高电平保持时间在116-118us范围内，则此时为‘1’电平。本次设计的程序是在高电平延时30us之后读取，如果还是低电平，则输出‘0’，如果是高电平，则输出‘1’。（3）电路设计传感器模块对整个电路进行信号采集和初步处理，DHT11在3-5.5V电压下可以正常工作。在DHT11传感器上电后，为了越过不稳定状态需要等待一秒，在此期间不发送任何指令。DHT11和微处理器之间的通讯和同步通过DATA实现,DATA和单片机的P13口相连，使用10K上拉电阻，防止干扰增加稳定性。采用单总线数据格式，接口简单，无需另外校准。单次的通讯时间约为4ms。分辨率为8bit，完全能够满足日常环境温湿度的检测要求。由于湿度的监测受周围温度变化影响很大，气体的相对湿度，在很大程度上也依赖于温度。所以应该尽量在相对稳定的环境中检测湿度，在测量湿度时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将DHT11远离电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。为降低热传导，DHT11与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。传感器电路如图2-12所示：图2-12DHT11传感器电路2.3.2HC-SR04超声测距模块介绍与设计由于HC-SR04超声测距模块已经相当的成熟，作为模块化的功能器件经过不断的检验与单片机的配合十分成功，所以该模块无需自己设计而是利用成熟的技术即可。为了更好的利用该功能模块，首先要研究他的工作特点，使用参数以及接口定义等关键要素。（1）HC-SR04超声测距模块功能特性HC-SR04超声波测距模块可提供2cm至400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm；模块自身包括超声波发射器、接收器与控制电路。实拍图如图2.13。图2.13实物正反两面图（2）HC-SR04电气参数该功能模块的详细电气参数如表2-所示：表2-4电气参数表（3）HC-SR04工作原理及说明

1、

给Trig触发控制信号IO端口至少10us的高电平信号；

2、

模块自动发送8个40khz的方波，并自动检测是否有信号返回；

3、

有信号返回时，Echo回响信号输出端口输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间；

4、

两次测距时间间隔最少在60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响，超声波时序图如图2-13所示。图2-13超声波时序图（4）模块控制设计原理图中，单片机的P3.4口接HC-SR04的TR端口，P3.5口接HC-SR04的Ec端口，超声波在传播时碰到障碍物即返回，HC-SR04模块收到回波信号后Ec口输出一个高电平，单片机检测到高电平后即启动计数器开始计数，直到单片机检测到Ec口变成低电平后结束计数，计数器的计数值乘以单片机计数周期就是超声波从发射到接收的往返时间，即距离S=v*t/2；

由于在室温下，声速受温度的影响，其变化关系为：V=334.1+T*0.61(T为当前温度)，利用DS18B20温度传感器可以得到环境温度，补偿温度对声速的影响。当温度高于26度或低于14度时，上述公式不能完全满足对测量的修正了，所以高于26度时取26度，低于14度时取14度。

距离计算公式为：S=(334.1+T*0.61)*N*T0/2

T：当前环境温度值

N：计数值

T0：单片机计数周期=晶振频率/12(微秒)HC-SR04测量存在不稳定性，所在对同一距离进行多次测量，并对测量结果排序，去除最大和最小值，将余下的求平均值。2.4液晶显示模块设计2.4.11602字符型液晶显示屏简介本系统采用1602字符型液晶显示屏，字符型液晶显示模块可专门用于数字、字母、符号等点阵，是一种点阵LCD。目前常用的有16*1、16*2、20*2和40*2行等模块。通常有14或16条引脚线，还有一条背光电源线VCC和一条地线，和14脚的LCD的控制原理一样。在单片机系统中常用液晶显示器作为显示元件。1602型LCD有D0-D7一共8位据线总线和R/W/RS/EN三个控制端口，可以显示2行共16个字符。工作电压为5V，并且具有背光功能和字符对比度调节。其实物如图2-14所示;图2-141602字符型液晶显示器实物图1602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符芯片工作电压:4.5—5.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm1602LCD引脚功能如图2-15所示：图2-151602字符型液晶显示器引脚功能1602LCD的引脚定义如下表：表2-5字符型LCD引脚定义表2.4.21602LCD电路本次设计的显示部分采用1602液晶显示器，可以显示预设最佳相对湿度和室内实时的相对湿度。RS脚和E脚分别和单片机的P1.0和P1.1相连，D0-D7口和单片机的P0口相连，P0口作为一列8位漏极开路型双向I/O口，常用作地址/数据总线复用口。内部没有上拉电阻，使用时需添加外部上拉电阻。在用作输出口时，每脚可吸收8TTL门电流，可以驱动逻辑门电路，当P0口的管脚写1时，可以作为高阻抗输入端使用。当访问程序存储器或者外部数据存储器时，可以作为数据/地址的第八位，在访问期间内部上拉电阻激活。在用FLASH编程时，P0口可以作为原码输入口接受指令字节，在用FIASH进行校验时，输出指令字节，由于需要外接上拉电阻，所以和单片机STC89C52连接需要排阻，1602LCD液晶显示电路如图2-16所示：图2-161602LCD液晶显示电路2.5报警电路部分本设计采用的蜂鸣音报警电路，采用有源蜂鸣器，其驱动发声简单，通电就能持续发声。主要工作就是在水位按键将低水位信号送给单片机后，进行报警起到防干烧的目的。蜂鸣器的发声原理是在电流通过电磁线圈时，产生磁场来驱动振动膜发声，因此需要一定的电流，由于单片机I/O引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要设计一个电流放大电路。所以添加一个PNP型三极管来放大驱动蜂鸣器。在本系统中报警电路由一个1K电阻，一个三极管和一个蜂鸣器组成，三极管用来放大电路中的电流，驱动蜂鸣器发声,电阻用来限流防止以控制放大电流。报警电路和单片机的P2.4口相连，当单片机检测到水位低时，就会给P2.4置低电平0，此时三级管导通，蜂鸣器报警，如果水位正常，P2.4置高电平1，三极管截止。报警模块的电路图如图2-17所示;图2-17蜂鸣报警电路2.5键盘输入功能模块设计键盘分为独立式按键和矩阵式按键。本设计中独立按键分为：模式设置键加减键确认键，所有按键都是在按键弹起时，按键与单片机之间的引脚处于高电平，按键按下时处于低电平：（1）模式设置键：主要用来进行模式的选择；（2）加减键：主要用来进行数字设置；（3）确认键：模式选择和数字设置后，需要按下此键进行确认。键盘模块的电路图如图2-18：图2-18按键电路2.6系统电路工作原理本次设计电路采用模块化、层次化设计，总体设计的电路原理图如图2-19所示：图2-19系统电路原理图工作原理：本设计是由硬件和软件相结合，利用软件控制硬件的自动智能化工作。通过单片机将传感器采集的数据送给液晶显示，并输出加湿控制信号或者报警信号，以达到智能加湿和防干烧的作用。第3章系统软件设计3.1主程序设计系统的程序设计分为几个模块包括湿度检测模块、湿度控制模块、按键输入模块、显示模块、水位检测模块。系统上电初始化后，读取水位信号，根据水位信号判断是否蜂鸣报警，选择自动/手动模式后，传感器读取湿度将数据送至单片机，单片机进行数据比对，判断是否加湿。加湿中如果输入水位低信号则蜂鸣报警且不再加湿。主程序流程图如图3-1所示：开始初始化初始化启动加湿（即绿灯亮）键盘扫描启动加湿（即绿灯亮）键盘扫描结束结束延时温湿度检测并传送数据会单片机温湿度检测并传送数据会单片机16021602显示数据值判断水位是否低判断水位是否低超声测距值蜂鸣报警是超声测距值蜂鸣报警判断湿度是否超出最佳值否判断湿度是否超出最佳值图3-1主流程图3.2湿度检测控制模块设计根据传感器的通讯协议，首先由单片通过I/O口主动产生激发信号，然后由传感器控制数据线，单片机通过while语句不间断的检查I/O口的高低电平，得到准确地传输数据。DHT11传感器模块的软件流程图如图3-2所示：开始从机80us开始从机80us低电平是否结束否P3.3输出低电平从机80us高电平是否结束延时20ms是从机80us高电平是否结束延时20ms否P3.3输出高电平P3.3输出高电平延时40ms延时40ms单片机进行数据接收单片机进行数据接收将数据按十进制数位存入数组读P3.3引脚判断是否为低电平否将数据按十进制数位存入数组读P3.3引脚判断是否为低电平结束并保存结束并保存是图3-2DHT11传感器模块的软件流程图湿度的采集过程首先P3.3输出低电平，延时18ms之后P3.3输出高电平，延时40ms之后，读P3.3引脚是否为低电平，如果不是低电平就继续读，如果是低电平就开始执行判断从机80μs高电平是否结束，如果没有结束就继续判断；如果结束就进行单片机数据接受，并将接收到的数据按照十进制存入到指定的数组中，数据的采集结束并且保持数据采集持续地进行。3.3液晶显示模块液晶显示模块在执行每一条指令之前，都要先确认模块的忙标志位，低电平时，表示不忙，若为高电平则此指令失效，显示字符之前先要输入显示字符地址，告诉模块那里显示了字符。1602LCD直接和单片机的P0口通过排阻连接，无需再加驱动。LCD1602显示数据的过程是首先进行液晶初始化，初始化之后执行延时程序，等待数据的采集，演示完成后先写入一些指令和显示字符的地址，之后单片机向LCD发送数据即写数据，数据发送完成后，LCD读取写入的地址并显示出来，最后返回。软件流程图如图3-3所示：开始开始液晶1602初始化液晶1602初始化延时延时读数据并显示写数据取显示首地址写显示行列地址写LCD指令读数据并显示写数据取显示首地址写显示行列地址写LCD指令返回返回图3-3液晶显示模块程序流程图3.4HC-SR04超声测距模块图3-4超声测距模块程序流程图第四章硬件制作4.1绘制控制板原理图与生成PCB板本设计利用电子线路设计软件AltiumDesigner进行绘制原理图和生成制版所需要的PCB文件。4.1.1AltiumDesigner软件的介绍AltiumDesigne是Altium澳大利亚公司推出的一个全32位的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件的设计者可以容易地设计出电路原理图和画出元件设计电路板图。而且由于其高度的集成性与扩展性，一经推出，立即为广大用户所接受，很快就成为世界PC平台上最流行的电子设计自动化软件，并成为新一代电气原理图工业标准。AltiumDesigne主要有两大部分组成，每一部分个有几个模块，第一部分是电路设计部分，主要有：原理设计系统，包括用于设计原理图的原理图编辑器Sch,用于修改和生成原理图元件的原件编辑器，以及各种报表的生成器Schlib。印刷电路板设计系统，包括用于设计电路板的电路板编辑器PCB以及用于修改，生成元件封装的元件封装编辑器PCBLib。第二部分是电路仿真与可编程逻辑器件设计。AltiumDesigne采用数据库的管理方式。AltiumDesigne软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。新增的3D功能让您在加工印制版之前可以看到板的三维效果。增强的打印功能，使您可以轻松修改打印设置控制打印结果。AltiumDesigne容易使用的特性还体现在“这是什么”帮助，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。4.1.2设计步骤电子线路设计流程有三个步骤:1.电路原理图，电路原理图就是使用电子元器件的符号以及绘制电路原理图所需的导线、总线等示意性绘图工具来描述电路系统中各元器件之间的电气连接关系的一种符号化、图形化的语言。2.生成网络表，网络表文件是文本文件，它记录了原理图中元件类型、序号、封装形式以及各元器件之间的连接关系等信息。因此，借助网络表文件描述的元件连接关系即可验证原理图编辑过程中连线的正确性。3.生成PCB文件，PCB设计是电子产品设计过程中的关键环节，电子产品的功能有原理图决定，但电子产品的许多性能指标，如稳定性、可靠性、抗震强度等不仅与原理图设计、元器件质量、生产工艺有关，而且很大程度上取决于印制电路板的布局、布线是否合理。4.2实际制作实物制作包括硬件焊接和软件调试。硬件焊接按照模块进行，每焊接完一个模块，都要将对应的软件程序通过烧写软件烧写进单片机，检测运行情况并调试，只有完全正确以后才能焊接后续模块。烧写软件选择STC_ISP_V480，在使用之前要将MCUType设置为STC89C52RC，之后将.hex文件选择对应的COM端口，然后点击下载就能实现硬件和软件的连接。4.2.1硬件焊接制作硬件时首先从焊接电源部分，电源电路里添加一个二极管既能降压又能防止电源一旦接反，烧坏器件。电源电路焊好后进行测试，如果红色led灯亮，开始焊接单片机的最小系统，按照模块一点一点增加元器件。硬件焊接要完全的按照电路图。焊接之前最好根据元器件的尺寸，合理的放置每个模块，然后逐个焊接每个小模块。每焊接完一个模块要用万用表测量电源和地之间是否短路，如果出现短路，就要立即检测是哪一处的焊接导致的短路。烙铁不要长时间接触面包板，若长时间接触会因为高温导致焊盘或者器件的损坏；温度太低，容易造成冷焊点。焊接时焊锡用的少，引脚容易脱落；焊锡太多，容易和相邻的引脚接触导致短路。先焊接单片机和1602液晶显示的底座，然后焊接小元件，特别是先焊接单组这一类器件。为了保证焊接的质量，焊接元件时要先固定一个引脚，然后再调整元件的位置以及高低合适后，再焊接其余引脚，以免焊歪，因为一旦固定好两个以上引脚，元件的位置就不可动，在焊接时要注意避免虚焊、缺焊、短路等情况，而且要尽量减少跳线的出现。在每次焊接时，都要注意元器件是否要区分正负极、区分的话哪个脚接单片机的引脚。例如：发光二极管有正负极所以就要考虑极性，长针是正极，短针是负极；蜂鸣器是有源蜂鸣器，长针是正极，短针是负极；三极管使用8550PNP型，三极管发射极接电源正极，基极和单片机的I/O口连接，集电极接蜂鸣器的正极，而蜂鸣器的负极接地；开关、陶瓷电容没有正负极，焊接时就不用考虑引脚的极性。致谢感谢我的导师XX老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。感谢我的爸爸妈妈的养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。感谢我的室友们，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。4年了，仿佛就在昨天。两年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。我们在一起的日子，我会记一辈子的。在设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到设计的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！参考文献[1]吴沛等.一种基于ZigBee的家具环境质量评测系统的设计[J].硅谷,2014.[2]周向红.MCS-51系列单片机应用于实践教程[M].北京航空航天大学出版社,2016.[3]艾运阶,黎建华.MCS-51单片机项目教程[M].北京理工大学出版社,2012,(6).[4]杜深慧.温湿度检测装置的设计与实现[D].保定:华北电力大学,2014.[5]马全利.单片机原理及接口技术[M].北京:高等教育出版社,2014.1.22-34.[6]韩广兴.电子元器件与实用电路基础[M].北京:电子工业出版社,2015.[7]周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京航空航天大学出版社,2012.[8]S.A.El_Agou.M.Abugderah.Experimentalanalysisofhumidificationprocessbyairpassingthroughseawater[J].EnergyConversionandManagement,2012,49.[9]祝文静.基于GPRS无线通讯的便携式气象仪的设计与实现.[D].安徽理工大学,2013.[10]lily.StructureandfunctionoftheMCS-51series[M].MCSbook,2016,(1).[11]徐维样,刘旭敏.单片微型机原理及应用[M].大连理工大学出版社,2015.[12]吴国经等.单片机应用技术[M].北京:中国电力出版社,2014.1.55-57.[13]

谭浩强.

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程序设计[M].北京:清华大学出版社,2015.[14]杨亚琴.单片机综合实验系统的设计与应用[D].南昌大学,2013.附录1汇编源程序/*头文件*/#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineyh0x80//LCD第一行的初始位置#defineer0x80+0x40//LCD第二行初始位置sbitDHT=P1^2; //温湿度传感器数据线sbitset_key=P1^5; //“设置”键K1sbitadd_key=P1^6; //“加”键K2sbitcut_key=P1^7; //“减”键K3sbitmode_key=P1^4; //“模式”键K3sbitkey=P1^3; //“报警”键K3sbitspeak=P3^7; //蜂鸣器sbitled=P3^6; // ledsbitrs=P1^0; sbiten=P1^1; unsignedcharshiZ,check;uchartemp,a;ucharcodetab1[]={"H:%"};//显示的固定字符ucharcodetab2[]={"set:%"};//显示的固定字符ucharset_deta=60;ucharset_deta1=40;ucharXX[2];uchartate[2];ucharread_data[5];ucharflog4;voiddelay_10us(){ uchari; i--;i--;i--;i--;i--;i--;}voiddelay_1ms(uintxms)//延时函数，有参函数{ uintx,y; for(x=xms;x>0;x--) for(y=124;y>0;y--);}//****液晶写入指令函数****//voidwrite_1602com(ucharcom){ rs=0;//数据/指令选择置为指令 P0=com;//送入数据 delay_1ms(1); en=1;//拉高使能端，为制造有效的下降沿做准备 delay_1ms(1); en=0;//en由高变低，产生下降沿，液晶执行命令}//***液晶写入数据函数****//voidwrite_1602dat(uchardat){ rs=1;//数据/指令选择置为数据 P0=dat;//送入数据 delay_1ms(1); en=1;//en置高电平，为制造下降沿做准备 delay_1ms(1); en=0;//en由高变低，产生下降沿，液晶执行命令}//***液晶初始化函数****//voidlcd_init(){ write_1602com(0x38);//设置液晶工作模式，意思：16*2行显示，5*7点阵，8位数据 write_1602com(0x0c);//开显示不显示光标 write_1602com(0x06);//整屏不移动，光标自动右移 write_1602com(0x01);//清显示 write_1602com(er+0); for(a=0;a<7;a++) { write_1602dat(tab2[a]); } write_1602com(yh+0); for(a=0;a<5;a++) { write_1602dat(tab1[a]); }}/*****************温湿度传感器DHT11读一个字节函数******************/ucharread_byte(){ ucharvalue,i; for(i=0;i<8;i++) //一个字节有八位所以用for循环 { value=value<<1; //从字节高位开始读需要移位 while(DHT==0); delay_10us(); delay_10us(); delay_10us(); if(DHT) //判断读到是“1”还是“0” { value=value|0x01; //如果是“1”value的值就要加一 while(DHT!=0) //等待这一位数据结束因为70us的高电平表示“1” { // DHT=1; } } } returnvalue; //返回读到的这一字节数据}/*****************温湿度传感器DHT11读数据函数******************//**一个完整的数据一共是五个字节******************/voidread_value() { uchari; DHT=0; delay_1ms(20); DHT=1; delay_10us(); delay_10us(); delay_10us(); delay_10us(); if(DHT==0) { while(DHT!=1); DHT=1; while(DHT==1); for(i=0;i<5;i++) { read_data[i]=read_byte();//将读到的五个字节数据放到数组read_data【5】中 } } }/**********处理读到的温湿度数据******************/voidpro_value(){ read_value(); temp=read_data[0]+read_data[1]+read_data[2]+read_data[3]; if(read_data[4]==temp) //检测读到的数据是否正确 { shiZ=read_data[0]; //湿度整数部分 } tate[0]=shiZ/10;//将湿度的整数部分的十位和个位分开 tate[1]=shiZ%10; write_1602com(yh+2); for(a=0;a<2;a++) { write_1602dat(tate[a]+0x30); }}voidpros_data(){ XX[0]=set_deta/10; XX[1]=set_deta%10; write_1602com(er+4); for(a=0;a<2;a++) { write_1602dat(XX[a]+0x30); }}voiddisplay1() //设置显示{pros_data();}voiddisplay2() //设置显示{ write_1602com(er+4); write_1602dat(set_deta1/10+0x30); write_1602com(er+5); write_1602dat(set_deta1%10+0x30);}voidkey_caa(){ if(set_key==0) { delay_1ms(5); if(set_key==0) { flog4=!flog4; while(set_key==0); } } if(flog4==1) { if(add_key==0) { delay_1ms(5); if(add_key==0) { set_deta=set_deta+1; while(add_key==0); if(set_deta>99) { set_deta=99; } } } if(cut_key==0) { delay_1ms(5); if(cut_key==0) { set_deta=set_deta-1; while(cut_key==0); if(set_deta<=0) { set_deta=0; } } } display1(); }}voidbaojing(){ if(key==0) { delay_1ms(5); if(key==0) { speak=0; led=1; while(key==0); } } else { speak=1; } if(shiZ<set_deta) { led=0; } else { led=1; }}/**********主函数******************/voidmain(){ lcd_init(); display1(); mode_key=1; while(1) { if(mode_key==0) { display2(); pro_value();