【基于单片机的智能加湿器结构设计9700字（论文）】

基于单片机的智能加湿器结构设计目录TOC\o"1-3"\h\u9141摘要 页摘要加湿器这一小型家用电器已经被广泛应用于日常生活的众多方面，体积小、方便携带、耗电量低、功能显著等特点让加湿器这种小型家电走进了千家万户，成为干燥季节里提高空气湿度的不二之选。特别是像智能加湿器这样能广泛应用于干燥地区干燥季节的的廉价小型家电，人们就更希望看到更智能化的产品，能让自己的生活更便捷、更舒适。论文重点研究基于51单片机AT89C52智能控制室内加湿器的工作时长来改变室内的湿度，达到精收集温湿度数据智能化的分析并作出反应，从而实现本次智能加湿器设计所要达到的目的。加湿器系统主要由单片机（控制系统）、温湿度传感器（数据采集系统）、液晶显示屏（显示系统）、简易加湿器（反应系统）等几大部分构成，数字温湿度传感器是用来采集温湿度数据的模块，1602液晶显示屏实时输出数据采集系统所得到的室内温湿度数据，外接按键则是设置了高中低三种档次的工作模式，单片机通过稳定室内温湿度支配继电器控制电路开启闭合，简易加湿器完成增加室内空气湿度的功能，从而实现实时监测并改变空气湿度的目的。关键词：加湿器；单片机；电路第PAGEI页前言选题背景当今社会是一个前所未有的创新性社会，在国家的支持下，社会发展的推动下，创新已然成为了当今社会科学技术发展的重要方向，越是“新”的产品，就越能占有市场。而这“创新”二字既然已经成为了大势所趋，因此哪种产品做得更新，哪一种产品拥有更加多元化的功能，哪种产品更加智能化，那么这种产品就更容易为大众所接受喜爱，从而打开并占领市场。就例如加湿器这一已经走入千家万户的小型家用电器，加湿器刚刚产生的时候还没能得到大众认可，而在经过一代又一代的技术革新之后，现如今的加湿器品种繁多，功能多样化，但还是缺少了一丝人性化和智能性，功能十分单一，比如大多数的加湿器虽然可以达到加湿的目的，然而在空气湿度已经满足基本需求之后并不能自动关闭，这就导致了浪费用电；而现在市面上的加湿器大多都不能显示温度和湿度，让人摸不清到底该使用多少时间，因为长时间使用空气加湿器导致室内湿度过高也有其所导致的不良影响，所以现如今的加湿器常常都不能让所有的人都满意，尤其是要求比较高的人。此外，为了顺应时代的发展趋势，加湿器除了需要在功能上更加智能化，在使用方法也不断简便化，逐渐发展形成功能多样齐全的智能小家居，满足人们不同并在不断增加的要求。基于上述的社会和市场发展背景，本次提出了基于单片机的室内智能加湿器设计。研究意义加湿器行业在中国的发展更新换代已经有将近二十年的时间，在多年潜移默化的影响下，加湿器这种从前对于大家还相对陌生的小型家用电器已经逐渐被大众接受和青睐并频繁普遍地使用，随着人们的生活质量和对健康水平的要求越来越高，空气加湿器就这样慢慢走进了中国的千家万户。然而据一项据不明确统计，空气加湿器在我国仍然属于“稀罕物”，在我国，加湿器的人均占有率远低于韩国、日本等国家，在我国许多人仍然觉得加湿器并不是生活必需品，而其中的原因大概就是因为加湿器的工作不够“智能”，不能达到“想人之所想，急人之所急”的境地，所以才会显得可有可无。而本设计的主要任务就是提升加湿器的智能性，让加湿器拥有更多的可能性。设计要求与总体设计方案本章主要讨论了室内智能加湿器设计的主要要求，以及总体设计方案。设计要求随着人们的收入水平不断提高以及科技的不断更新换代，“智能家居”已经不再是幻想，曾经出现在科幻电影里的场景如今已经不再是天方夜谭，诸多技术大多已经攻克了难关，虽然还需一定的时间才能普遍运用于千家万户，但是，当今社会的人们对于在选择生活中的各类用品时，不再只注重价格上的“物美价廉”，而更多地将眼光投于一产品多功能上，对于家电智能化方面的要求也愈来愈高。而此次对于设计智能化应当达成的目标总体有以下几点：支持可视化输出，室内温湿度情况一目了然市面上现有的加湿器大多将设计中心放在了“可爱小巧方便携带”上，因而普遍不具有温湿度的显示功能，然而若是不能一眼就能看到室内温湿度的情况，就会有许多的不方便，所以这次涉及的首要要求就是可视化输出，温湿度数据和加湿器的工作模式一目了然。支持实时监测室内温湿度随着室内湿度变化而改变加湿器的工作时长。在这次设计中，由于市面上销售的加湿器普遍是超声波加湿器，再利用单片机控制工作功率上有许多尚且无法攻克的难题，所以选择手工制造了一个模拟电热式加湿器的工作环境，来进行设计，而我们加湿器智能化的首要要求就是能应对不同的室内湿度就行变化，在本次设计中，需要达成的要求就是当室内湿度低于65%是，自动开始加湿工作，而当室内湿度高于65%是，就自动断开工作。实时监控，每隔一分钟检测一次室内温湿度并进行相应的调增。支持手动调整加湿器工作模式（高中低档）本次设计的加湿器，在一开始打开的时候就是自动工作模式，也就是要求二中所说的。而高中低三个档次各有不同。在整个系统的工作期间，程序循环一次测量一次温湿度，监测一次按键是什么档位，然后循环多少次加热多少次，根据档位来改变数值。整个系统循环一次则计数加1，然后当这个计数数值达到３的时候，此时检测是高中低三个档位中的哪一个，高档加热完全循环次数即３次，中档比高档加热时间短即２次，低档比中档加热时间更短即１次，简而言之，高中低档代表着加热的时长。总体设计方案本次设计的方案主要分为两个部分，硬件设计和软件设计。硬件设计主要是将各个模块同单片机联结在一起，成为一个完整的可工作的系统，达到最终设计的目的。软件设计包括电路设计图的绘制以及运行程序的编写。初始方案设计系统设计初步方案：通过稳定数字温湿度传感器的数据从而达到控制继电器的断开与闭合状态来控制电热棒加热时间。在本次的设计中，主要由单片机、液晶显示屏、温湿度传感器、外接键盘、继电器、插板和简易加湿器（主要由电加热棒和盛水容器组成）几个部分构成，其整体原理框图如图1所示，单片机通过温湿度传感器采集和处理数据并显示于显示屏上，同时通过对采集到的数据进行判断得出应该让加湿器开始工作还是保持不变，同时保持外接键盘与单片机之间的联系，而后决定继电器应该断开还是闭合来控制插板的通电与否来影响加热棒的工作状态和时长。这一套系统在应用了单片机的基础上，简化了许多步骤，可以完成本设计的既定目标。图2-1设计方案简略系统框架图方案的调整及完善首先，有一个问题就是，在加湿器的选择上的问题，由于市面上最为普遍的室内加湿器品种是更为方便的超声波加湿器，然而超声波加湿器本身的加湿工作原理太过复杂，一般条件下无法人为更改工作方式，不方便在原有的基础上进行改造使其智能化，故而本次设计最后采用的不是现成的市面上销售的加湿器，而是自己用其他物品代替的电加热式“简易加湿器”，主要由家热容器，加热棒，插板三部分组成。其次，本次的方案设计主要是依靠单片机的最小系统开发板，然而由于之前购买的开发板已经有一段时间了导致其自带键盘无法使用，于是在实物焊接过程中选择了购买了4*2的按键模块代替开发板本身的按键来完成设计的要求，最后选用的是树莓派二代Raspberrypi开发板学习板8键按键模块。最后一个问题是，在初始的方案设计中，关于高中低档的设置本打算采用规定工作时长的方式，即高档持续加热五分钟、中档三分钟、低档一分钟，这样逐级递减的方式，但是后来考虑到持续加热的方式可能会影响加湿器的使用寿命，而且也不科学，浪费用电，在经过一番考虑之后决定采用一种新的方式来代替高中低档的工作方式，即在整个系统的工作期间，程序循环一次测量一次温湿度，监测一次按键是什么档位，然后循环多少次加热多少次，根据档位来改变数值。整个系统循环一次则计数加1，然后当这个计数数值达到３的时候，此时检测是高中低三个档位中的哪一个，高档加热完全循环次数即３次，中档比高档加热时间短即２次，低档比中档加热时间更短即１次，简而言之，高中低档依旧代表着加热的时长，但是间歇性工作节省了用电还延长了加湿器的使用寿命。硬件设计本章着重讨论了构成系统的各个部分，介绍了各个部分的功能、各个器件管脚的定义等内容，并进行了相应的设计。单片机简介单片机概述单片机这个词源于英文词组“singlechipmicrocomputer”的中文翻译，简称SCM，单片机的出现引领着微型计算机经历了从简单的计算到远程控制的一个质的飞跃。其可以说是把存储器、CPU、输入或者输出对应的接口电路以及其他一些模块归置在一起的一个电路芯片式的微型计算机。市面上出现了可以使用于各行各业各方各面能够满足各种各样的需求的不同型号不同类别的单片机。单片机的品种如此繁多，难度也不尽相同，那么本次设计使用的是哪一种呢？本设计主要用到的是最基础的AT89C52单片机。最小系统板实物图如下图：图3-1单片机89C52实物图89C52主要功能特性STC89C52RC单片机的主要特性如下图：基于以上众多的优势，最后选择了89C52作为这次设计的单片机。AT89C52引脚作用单片机89C52有40个引脚，每个引脚都有不同的作用，单片机89C52的引脚分布图如下图：图3-2单片机89C52引脚图STC89C52RC引脚功能说明如下表：表3-189052引脚功能引脚名称功能VCC（40引脚）电源电压VSS（20引脚）接地P0端口（P0.0〜P0.7，39〜P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每32引脚）个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。P1端口（P1.0〜P1.7，1〜8P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓引脚）冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。P2端口（P2.0〜P2.7，21〜28引脚）P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。P3端口（P3.0〜P3.7，10—17引脚）P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。RST（9引脚）复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。KTAL2（18引脚）振荡器反相放大器的输入端此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），P1.0和P1.1引脚复用功能具体参见图3.1.2：数字温湿度传感器模块（DHT21）数字温湿度传感器的选择数字温湿度传感器的类别很多，有SHT11、SHT15等SHT系列，也有DHT11、DHT21等DHT系列，这些温湿度传感器的性质大体上是相同。在研究生师兄的推荐下，于是本次设计在SHT11和DHT21之间选择。就DHT21而言，接线只用3根，VCC、GND、DATA，SHT11系列还需要一根SCK时钟线，虽然通信过程与DHT21应该差不多，通信的高低电平持续时间需要准确的控制，相较DHT21而言更为复杂，所以在数字温湿度传感器的选择中选择了DHT21。DHT21数字温湿度传感器的概述对于DHT21如下图所示：图3-3DHT21数字温湿度传感器外观图，内部结构图DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。产品为4针单排引脚封装，方便了实物的连接。DHT21数字温湿度传感器的详述传感器性能说明表3-2DHT21传感器性能说明表参数条件MinTypMax单位湿度分辨率0.1%RH16Bit重复性±1%RH精度25°C土3%RH0—50笆土5%RH互换性可完全互换釆样周期12S响应时间l/e(63%)25°C，lm/s空气2S迟滞土0.3%RH长期稳定性典型值±1%RH/yr温度分辨率0.1°C16Bit重复性土0.5°C精度±1°C量程范围-4080°C响应时间l/e(63%)620S（2）接口说明DHT21的接口值得注意的是当连接线长度小于20米时使用5K上拉电阻。（3）电源引脚温湿度传感器的的供电电压为5V，传感器通电后，需要等待短暂的1s时间，因为刚通电时会出现短暂的不稳定状态，在此期间不能正常工作。（4）单总线接口DHT21的通讯和同步，采用的数据格式是单总线的形式，5ms左右即可完成一次通讯，数据格式如下，数据传输为40bit，高位先出。1602液晶显示屏1602液晶显示屏的简介1602液晶显示屏，这种液晶显示屏由于其能够同时显示16列2行即32个字符的特点被人们命名为1602液晶显示屏。这种显示屏是由几十个5X7或其他类型的点阵字符位连接而成的，一个点阵字符位显示一个字符，字符位和字符位之间有一个间隔，每行之间也有一个间隔，起到了字符间距和行间距的作用，也正是因为如此所以1602不会被用在显示图形数据输出的情况。本次设计所采用的液晶显示屏相较于其他种类的液晶显示屏而言有以下几个优（1）显示质量高，液晶显示器画质高而且不会闪烁。（2）数字式接口，与单片机相连接的时候更加方便简单，简化了操作，更加实用。（3）在重量上比传统显示器要轻得多，而且缩小了体积，携带更加方便了。（4）功耗低，耗能方面比起其他显示屏来说要更占优势。由于以上原因，本次设计选择了1602显示屏，质地为玻璃质地，尺寸69.5*21.8*17.8（mm），采用的1602液晶显示屏实物图正反两面图如下：1602液晶显示屏的引脚功能系统所采用的1602液晶显示屏引脚图如下：图3-41602液晶显示屏引脚图简易加湿器的设计加湿器简介加湿器，广义上指的是以给指定空间增加空气湿度为目的的一种电器，可以用于日常生活例如客厅卧室，也可以用于工业例如大棚生产车间等；而狭义上的加湿器指的就是市面上销售的给室内加湿的小型家用电器，大多用于客厅或者卧室。对于北方干燥的冬天来说，加湿器无疑是皮肤干燥等一系列由于水分缺失而引起的毛病。加湿器根据不同的分类标准可以分成许多种类别。加湿器这一小型家电从引入中国并开始试生产使用到现在已经有将近二十年了，经过不断的技术创新更新换代，加湿器这种电器原本陌生现在却已经走入千家万户。下图是市面上的室内加湿器的图片示例：图3-5当代室内加湿器示例一温度、湿度、空气质量等都是最能够影响人们各种感受的因素，而湿度则是很重要的一个因素之一。有研究称，当室内湿度保持在45~65%RH，人的感觉器官反馈处在最佳状态，工作、休息都能取到良好的效果。据不明确统计，空气加湿器在我国仍然属于新兴产物的范畴，许多人觉得加湿器并不是生活必需品，而其中的原因大概就是因为加湿器的工作不够“智能”，所以才会显得可有可无。正好在大学的专业课程与之相关，所以选择了利用单片机和一些设计软件来进行“智能”加湿器的设计。这项设计的意义为了提升加湿器存在的意义和价值，让加湿器这一小型家电能被更多人喜欢。加湿器的分类加湿器从使用场所的类别上来分可大概分为工业用加湿器、商用加湿器和家用加湿器。工业加湿器主要用于工厂车间等大型空间，专业性要求较高，故而不予赘述。商用加湿器通常用于KTV、酒店等娱乐场所或者办公室、银行、医院、等。而本设计中主要讨论的是室内小型加湿器，故而商用加湿器不加讨论。而现代的家用加湿器主要可以分别以下几类：（1）超声波加湿器：是现如今市面上应用最广泛的加湿器种类之一，已广泛应用。（2）纯净型加湿器：直接蒸发型加湿器通常也被称为纯净型加湿器。（3）电热式加湿器：其原理是将水加热到100℃，产生蒸汽，将蒸汽散发出来，在所有的加湿器类别当中电热式加湿器的技术是最简单的。加湿器的选择（1）几种加湿器的优缺点加湿器能清新空气，营造舒适的环境。超声波加湿器的优点是加湿强度大、加湿均匀、加湿效率高、使用寿命长。纯净加湿技术则是才开始的新技术，洗涤空气来提高环境湿度和清洁度，还可以预防冬季流感病菌。电热式加湿器是最简单最原始的加湿器，方便简洁。（2）加湿性能比较超声波加湿器具有效率高、电耗低、稳定性好的特点，可以实现温度控制与湿度控制的相对独立、互不干扰，但是技术含量比较高，不好改进。电热式加湿器的工作流程主要分两步：第一步产生蒸汽，电加热水沸腾产生蒸汽；第二步传播，通过蒸汽扩散装置把水蒸汽扩散到空气内。故而电热式加湿器的优点有：性能稳定、使用寿命长、维护工作量小，同时电热式加湿器的技术攻关难度是最低的，故而在设计简易加湿器的时候选择以电热式加湿器为模板。简易加湿器的设计由上一小节我们可以知道，电热式加湿器工作的主要两个步骤，由电加热使得水蒸发出水蒸汽，在设计过程中采用了电加热棒加热容器中的水的基本思路。在选择容器的时候，主要考虑到必须便于携带的要求和尽快出雾的限制，故而选择了一个广口不锈钢水瓶作为水容器。再加热棒的选择上，也主要着眼于，功率小体积小两个方面的要求，最后选定了一款小型的500W的电加热棒。插板、电加热棒和不锈钢水瓶组成了一个最简单的电热式加湿器。最后根据设计方案得到的简易电热式加湿器实物图如下图所示：图3-6简易加湿器实物图一图3-7简易加湿器实物图软件设计电路设计图绘制AltiumDesigner10简介AltiumDesigner是Protel软件开发商Altium公司推出的一款全新的开发系统。目前最高版本为：AltiumDesigner15.0.7Build36915，然而为了使用方便以及兼容性原因本次设计采用的是AltiumDesigner10版本。AltiumDesigner除了涵盖了包括Protel99SE在内的一系列版本设计软件的功能和优点外，还改进了许多不方便的功能，同时也新增加了很多高端开发功能。这使得在本次设计中，许多技术难题得以解决，更是简化了操作流程，电路设计情况一目了然，电路图的修改和维护也变得轻而易举。电路图设计本次设计的电路图绘制主要由AltiumDesigner10完成图4-1通过AltiumDesigner绘制的电路设计图程序编写KeilUvision4简介KeilUvision是德国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，该系统采用的是与C语言几乎没有差别的语言来编写程序。我们还可以在关键位置的汇编语言嵌入，使得程序几乎可以达到与汇编语言一般无二的工作效率。KeilUvision标准C编译器为单片机的软件开发创造了一个类似C语言的环境，形成了一个灵活的开发环境，更加贴合实际，操作流程更加简便，程序编写更加的得心应手。本次设计的程序编写主要由KeilUvision4完成。在程序编写过程中，要时常记得保存，程序便也完成后需要进行编译，检查是否有错误或者警告，完善程序。编译当前文件后，需要Rebuild生成可执行的文件。文件保存完毕即可运用stc-isp-15xx-v6.51下载到单片机中等待运行检测。程序设计本次设计的程序编写主要由KeilUvision4完成，在整个程序的编写过程中，最重要的就是定义程序，就好比一个公司里将各个职位的责任和义务定好一样，对于整个程序而言都是极为重要的，而下一个部分则是温湿度模块的初始化，本次设计的核心内容其实就是温湿度数据的采集和处理。在第三章中我们曾经提到过关于本次设计采用的DHT21温湿度传感器的数据采集，DHT21的通讯和同步，数据格式：在40bit数据中包含了16bit的湿度数据和16bit的温度数据以及最后8bit的校验。因此在程序设计过程温湿度的40数据的采集与处理转化后输出到1602液晶显示屏也是很重要的一个环节。程序主要涉及的数据采集已经完成，下一步则是针对可视化输出要求的1602液晶显示屏初始化程序。在1602液晶显示屏的初始化完成后必须设置好液晶显示屏的显示内容，包括温度湿度两个关键数据之间的距离等要求。程序的最后部分是关于本次设计的智能加湿器的高中低三个档位的工作要求规定，其中包含了对工作模式的定义和工作方式。功能测试与结果分析功能测试在设计的最后需要进行的就是整个系统的功能测试，首先要将电源、单片机、显示屏、温湿度传感器、继电器、加湿器几个模块连接起来，通上电，设计通电后的状态图如下：图5-1系统通电后整个设计的状态图下图为简易加湿器系统的状态图，图5-2系统通电后简易加湿器系统的状态图下图为通电后继电器和外接键盘的工作状态，继电器亮灯，开始工作，可以听到继电器每隔极短间隔发出的卡卡的声音，外接键盘无直观显示：图5-3系统通电后继电器和外接按键的状态图图5-4系统通电后自动模式的工作图由上图我么们可以看到，整个系统开始工作，电源接通后，按下复位键，温湿度传感器开始工作，显示当时的温湿度数据，如上图我们可知，温度为24℃，湿度为73%，可以看到加湿器通电后默认为AUTO自动档，即根据室内湿度改变工作状态。当室内湿度低于65%时，继电器闭合，加湿器系统通电，加热棒开始工作。以下几张图片则分别为高中低三个不同的档次的显示：图5-5系统高档时的工作图图5-6系统高中时的工作图结果分析由上一小节的内容可以得出本次设计的最后结论，本次设计完成了以下几个目标：（1）本次设计的成果支持可视化输出，室内温湿度情况和加湿器的工作模式一目了然。（2）设计成果支持实时监测室内温湿度，随着室内湿度变化而改变加湿器的工作时长。当室内湿度低于65%时，自动开始加湿工作，而当室内湿度高于65%时，就自动断开工作，实时监控，每隔一分钟检测一次室内温湿度并进行相应的调整。（3）设计成果支持手动调整加湿器工作模式（高中低档）。本次设计的加湿器，在一开始打开的时候就是自动工作模式，而高中低三个档次各有不同。在整个系统的工作期间，程序循环一次测量一次温湿度，监测一次按键是什么档位，然后循环多少次加热多少次，根据档位来改变数值。整个系统循环一次则计数加1，然后当这个计数数值达到３的时候，此时检测是高中低三个档位中的哪一个，高档加热完全循环次数即３次，中档比高档加热时间短即２次，低档比中档加热时间更短即１次，简而言之，高中