【《基于单片机的智能加湿器设计》9400字（论文）】

基于单片机的智能加湿器设计摘要随着社会经济水平的提高和科学技术的发展，加湿器逐渐开始走入人们的居家生活中，并发挥了重要的作用。常规的加湿器可以发挥连续加湿的作用，但对于环境湿度的调节能力较弱，容易导致过度的加湿。在日常的起居生活中，为了人们的健康，需要高效智能的加湿设备来控制湿度以保证健康安全。本设计通过检测周遭空气湿度，控制加湿片进行智能加湿，即当周遭环境湿度低于设定阈值时，加湿片可以进行智能加湿；当达到阈值时，加湿片立即停止加湿。这样可以有效的把选定环境下的湿度限定在合理的数值内。本设计操作简单、读写方便、检测数据准确率高，同时系统成本较低，运行稳定，具有一定的实用价值。关键词：加湿；阈值；健康目录TOC\o"1-3"\h\u18154摘要 绪论如今加湿器的使用随处可见，随着现在民生的变化与科技飞速发展，湿度和温度方面的检测也变得越来越有科技含量。现在温湿度测量器的发展就如同计算机的发展历程是一样，也朝着智能化、小型化、集成化的方向发展。本设计之所以使用单片机为基础设计智能加湿器，是因为单片机有着集成化程度高、稳定强、可塑性高而且容易操作上手的特点，多方面都具有强大优越性。1.1课题研究背景和意义随着时代发展人们开始对生活品质有了更高的需求。例如我国淮河以北的大片区域内进入了极其寒冷的冬天，由于大部分地区是温带季风气候以及温带大陆性气候所以异常的干燥，并且大部分地区使用水暖空调地热，就使得室内空气更加干燥，非常容易引发各种呼吸道疾病例如喉关痈、里喉痈、颌下痈、上颚痈等；而在炎热的夏天，相对的湿度又很高，也有可能会诱发多样化的疾病。所以就要适度的调节室内的湿度到最优数值，使室内的空气在合适湿度范围之内，提升人体健康舒适性。在影响人体舒适度的诸多因素里，其基本的四个方面便是温度、压力、风速和湿度，直接影响了生活的舒适程度。不一样的相对湿度都会使人体舒适度有着很大的影响，通常每个人的身体都能够直接感觉得到最优温湿度区间范围应该是38%RH（RelativeHumidity相对湿度）-62%RH。由于空气中的水蒸气、水雾均可与飘浮烟气、粉尘互相结合吸附，能够使其沉积，也能够将发霉的气味、油漆挥发的味道进行吸附，逐渐改善周围的空气。这一研究成果还表明了湿度不仅能够对人们的生活水平有着比较直观的影响，还能够对一些企业加工进程中的质量起到了相当重要的作用。譬如实验室、车间、仓库、温室大棚等等，这些场所必须要随时对空气湿度实施调整，智能化的加湿装置是必不可少的，让环境湿度的管控符合最佳的效果。本设计课题的设想是由智能加湿器来增加区域内空气的湿度从而改善区域内的空气质量提高人体舒适度，也就逐步的改善和提高生活的舒适性。1.2行业分析市场现状及发展前景前文分析可以看出传统加湿器已经在多个领域得到广泛的应用，但是因其自身组成决定了其在使用中存在隐患与危险，所以制作出一款适合客户使用的湿度智能调节装置就显得尤其重要。本设计目的就是可以根据用户要求设计出一种湿度调节装置，实现较低的成本、较高的实用价值又较为安全可靠的性能。1.3规划任务内容本设计此次主要是要解决以前普通的加湿装置上保湿、防潮、防干烧以及自动智能控制不足的主要缺陷。将52单片机作为本设计的核心，制作出一款智能的、新颖的、安全可靠的加湿器。可以采集周围环境湿度并设置所需湿度，并自动加湿调节来湿度，使其在设定的湿度区间内让区域内相对湿度水平基本保持不变。经过温湿度传感装置来感受并分析出来的当前温湿度，并将所得到的所设定的湿度区间与实时湿度显示在LCD1602。同时加上了键盘管控的线路以及全自动的蜂鸣警报管控线路。另外还加上了可使用键盘来改变的手动/自动模式切换装置，对于相对的湿度适时调节之外，还可以通过使用键盘，演示其他设计的功能。湿度调节装置自动/手动切换的按键是复位管控的开关按钮，就好比是程序将一个全自动的复位按键按了下去，程序把自动调节的湿度恢复至程序默认的相对湿度，DHT11启动之后，程序开始自动测量与数值计算一定区域内温湿度，最后由键盘输入所需要的区域内相对湿度，若实时的数据比设置好的最优相对湿度要低一些，加湿元器件就会开始工作喷出水雾来加湿，相反那么加湿元器件就会不工作或停止工作。软件设计部分是设定好区域内所需要的最优湿度值，当区域内测量出的湿度值超过所需要的最优湿度时就停止工作，反之则开始工作；水位感应器在加湿前就会测量出加湿器内是否有水，一旦水位感应器测量出水位过低或者无水状态，就会立即停止工作并由蜂鸣警报器发出警报提醒使使用者加水防止干烧保证安全。具体的系统实现操作方法介绍如下：本设计能够根据使用者的需求，选择自动或者手动的工作方式，确定设置相对湿度的最佳数值；采集空气中的数据分析湿度值，将其送至主控单元里，主控单元能够将周围的空气湿度和设置最优相对湿度进行比较，从而判断环境是否要进行加湿；并且在水位较低或者没有水时向主控单元发出信号，同时停止工作发出警报声音；使用者还能通过观察屏幕的方式使其了解所需要输入的相对湿度及当前周围空气湿度;利用LED灯演示加湿与水位高低。

2系统总体设计随时测量着湿度并且有着两种模式:自动与手动，能依据所需来设置最优湿度。本设计们选用DHT11湿度传感器来测量相对温湿度，传感器感应到的实时数据由单片机读取分析后由LCD1602呈现出来并与所获取数据和所需/默认数据相比较，从而实现智能化。达到所需湿度后停止工作。工作中水量不足则蜂鸣报警停止工作防干烧。此系统控制的关键是单片机所以需要性能强悍烧写方便、不容易损坏、焊接方便的单片机：DHT11。以LCD1602作为显示器。蜂鸣警报器为报警元器件。加湿器上的LED发出绿光表示开始工作。系统总体方案的的整体框图如图2-1所示:图2-1程序全部结构图示

3系统硬件设计3.1单片机选型STC89C52实物如图3-1所示:图3-1STC89C52实物图STC89C52关键的功能如表3-1所示:表3-1STC89C52关键功效这一设想运用的关键引脚是STC89C52:(1)电源引脚一共有两个：其中一个接正极，叫VCC；另一个接负极，叫GND；(2)晶振引脚共有两个：一个叫XTAL1，是震荡电路输入引脚；一个叫XTAL2，是振荡电路输出引脚；(3)控制引脚一共有四个：1.RST/VPP2.PSEN3.EA/VPP4.ALE/PROG(4)输入输出引脚（I/O口）：一共分为四个部分，每个部分8个引脚，一共32个。分别是P0,P1,P2,P3;P0的引脚是8位漏极开路的双向I/O口，当做输出口的时候，可以驱动8个TTL电平。当作为访问外部程序的功能的时候，P0也被当做低8位地址或者数据复用。此时，P0内部有上拉电阻。P1口内部有上拉电阻，且是一共8位双向口，P1能驱动4个TTL电平。对P1输入1的时候，相当于把上拉电阻拉高。P2口和P1口的功能大体一致。P3口除了和P1口功能一直外，还具有特殊引脚功能如表3-2所示：表3-2P3端口特别的引脚表格单片机的STC89C52管脚详情图如3-4所示:图3-2STC89C52管脚图示3.2湿度检测模块3.2.1DHT11传感器本设计使用的湿度检测模块为DHT11，这是个可以在同时间测算出温度与湿度的传感元器件，具有稳定系数高、反应快速、不怕外界环境干扰强还很便宜等优点。用简单的单总线就可以使得STC89C52单片机和DHT11之间联通，仅需一个I/O口，传感器所得到的数据就可以直接传输给单片机。DHT11功耗很低，工作状态下电源电压为5V时电流最大值大约为0.5mA。DHT11外观与引脚分布如图3-3所示：图3-3DHT11外貌以及引脚排序其中VCC是电源引脚，接3.5-5.5V的电源;DOUT是数据输入/输出脚，输入模拟信号输出数字信号，单总线;NC为一个空脚;GND就是一个它的电源脚和接地器引脚。可以在一个时间里直接完成相对空气湿温度的自动检验;系统输出数字信号，可以大大减少工作负担;整体的数据实施编码检验，采用8位元二进制编码。湿度测量装置自动检测管控湿度的区间是20%RH-90%RH;温度检测装置的自动测量控制区间温度范围0-50℃。DHT11恢复原位的起始次序一般的状况就是图3-4所示:图3-4DHT11复位时序DHT11开始发送数据过程如图3-5所示:图3-5数据传送数字‘0’讯号表明方式如图3-6所示:图3-6数字0讯号传达模式数字‘0’表示方法为，DHT11先将总线降低12-14us，随后升高，高电平维持26-28数字‘1’讯号表达模式展示在了图2us的时长区间，那就是‘0’电平如图3-7所示：图3-7数据‘1’讯号表达模式3.2.2传感器电路整块电路信号采集与基础的处理都是由传感器来完成，三伏特至五点五伏特的电压下DHT11都可以完美运作。在DHT11通电后，有一点五秒的不稳定期，在这一点五秒内不发出指令。同步通信微处理器和DHT11的工作是由DATA来完成的。因为温度对湿度的影响非常大在同环境下成反比，所以为了避免这个问题焊接时应该将其远离其他的元器件防止受到到干扰，并且与洞洞板间保留空隙防止干扰保证准确性。传感装置的线路如图3-8所示:图3-8DHT11传感装置电子线路3.3LCD1602显示屏幕使用的是1602液晶屏，字符类型液晶屏的显示点阵单元专门用于数字、字母、符号等点阵，为专业使用的单片机液晶显示屏。实物如图3-9所示：图3-9LCD1602实物图LCD1602关键科技指标:显示容量:16×2字符芯片运转电压为:4.5-5.5V工作电流:2.0mA(5.0V)最佳电压:5.0V字符大小:2.95×4.35(W×H)mmLCD1602引脚功能如图3-10所示:图3-101602字符类型液晶显示装置引脚功能LCD1602引脚含义的表示如表3-3所示:表3-3LCD1602引脚含义表格

3.4继电器继电器是一种电控制器件。它具输入回路与输出回路之间的互动性。通常应用于自动化的控制电路中，可以理解为运用极小的电流就可以控制较大电流“自动开关”。因此在各个应用电路上分别起到了自动动态调整、安全自动防护、变频器和转换器等电路的重要作用。当输入量达到规定值时，继电器被所控制的输出电路导通或断开。输入量可分为电气量（如电伏、电压、电阻等）及非电气量（如湿度、温度、压力、风速等）两大类。继电器具有众多优点例如工作效率高、稳定性强、性价比高等优点。广泛应用于电力保护领域、电气自动化领域、无线电遥控邻域、数据测量领域与通信工程领域的多数装置中。电磁继电器工作原理与特性如图3-11所示：图3-11继电器原理图3.5系统电路工作原理本次设计的电路实现了模块化、层次式的设计，总体上所设计的集成电路基本结构框图如图3-12所示:图3-12系统电路原理图

4系统程序软件设计4.1程序设计4.1.1主程序设计本设计的程序主要流程如下：先开始进行设置初始化，然后对按键进行扫描，再来一段延时消抖，避免误差产生，接着温湿度传感器会进行检测并将得到的数据传送给单片机，并且单片机根据得到的数据发送给LCD1602进行数据显示。程序运行期间会不断检测水位是否过低，当水位过低就会产生蜂鸣器报警。若水量充足在水位线以上，则会持续判断温湿度是否在最佳值，若不是最佳值，则会启动加湿器进行加湿，即让继电器闭合，至此，程序运行结束。主程序流程图如图4-1所示:图4-1主流程图4.1.2湿度测控单元设计按照射感器的通讯协议，首先由单片机运用i/o端口主动发出激活讯号，随后传感装置自动管控射频数据线，单片机运用while语句不停的自动检验i/o端口的高低电平，获取准确的讯号实施数据传送。DHT11传感器工作流程图如图4-2所示：图4-2DHT11传感器工作流程图湿度采集检测的流程是：p1.2输出低电平，等候时长18ms以后，p1.2输出高电平，等候时长40ms以后，检查p1.2引脚是不是完全变换为了低电平，若没有变换成低电平就继续读取。若已经完成了转变，则开始判断从机80us的低电平是否结束，如果未转变成一个低电平则继续进行判断；若接受终止就对单片机实施数据的接受。4.1.3液晶显示模块LCD1602显示数据的过程：首先进行液晶初始化，初始化完成后执行延时程序，此时等待数据采集，采集完成后单片机向LCD发送数据，数据发送完成后，LCD读取输入的地址并显示出来，最后返回初始化的状态。液晶显示模块程序流程图如图4-3所示:图4-3液晶显示模块程序流程图4.2部分程序代码设计4.2.11602液晶显示屏初始化关于1602液晶显示屏初始化这个程序，首先找到lcd_init,左键双击，然后右键gotodefintion就会找到它的函数，在这段函数里需要结合论文3.3来看首先是引脚，程序里用到的引脚是从RS到D7，RS是一个数据选择引脚，高电频是一个数据的操作，低电频则是命令的操作，R/W是一个读写选择的操作。而我们的程序只需要写这个1602液晶屏，所以R/W一直是0，一直处于低电频。E是使能引脚。D0到D7就是一个数据通信I/O口.而1602是并行通讯，所以这8个数据I/O口是同时进行的一个数据传输。接下来这段lcd_write_str是显示字符串的函数，lcd_write_char是显示字符。在这段函数里HumiMin定义的是湿度下限，默认是15%。/10的意思是把它的十位取出来，+0x30就是上文说的x字符，如果不加上0x30就会出现乱码。这一行就是显示10位，而下一行就是显示个位。最后的取值显示在Minimum：00%这一个下限值。接下来这里RH（）是读取温湿度通过左键双击，然后右键gotodefintion就会找到它的函数。根据他的资料，它是由单个数据引脚端口完成输入输出双向传输，是由5个字节也就是40Bit组成，它的数据是从高到低一位一位读取出来。它的数据格式首先是湿度湿度整数一个字节，湿度小数又一个字节接下去是温度整数一个字节湿度小数一个字节，再后面是一个校验位（校验读数是不是正确）通过前几个数据相加是否等于校验和判断。当温湿度整数都为0，就会一直处于dowhile函数中，当有数据可以读出来，然后就会跳到while，在这个while循环里首先一项就是按键扫描，通过左键双击，然后右键gotodefintion就会找到它的函数。下面这一行是一个延时，因为每加一次，程序都会延时一个毫秒，假如加到500次就要大概延时500毫秒。在延时一段时间后就清零，执行一遍程序，然后再延时一段时间下面是读取温湿度，将温湿度的变量赋值并且发送给1602进行显示。接着是缺水提示，缺水后会是一个低电频，并且变量为1的时候会显示一个Qs提示缺水。假如变成0了就会显示空白。在后面是在自动模式下，假如湿度值低于湿度下限就自动开启加湿。高于下限就自动关闭。代码截图如图4-4所示：图4-41602液晶显示屏初始化程序代码截图4.2.21602液晶显示屏数据显示定位1602液晶显示屏的指定位置显示一个字符，首先它传递的参数，x就是第几个位置，y就是第几行，byte就是要显示的字符，这样的话只能显示一个字符。当y等于0的时候，这个写命令函数传一个0x80+x,0x80是说第一行，x是第几个位置，假如x是0就是第一行第一个位置，假如x是1就是第一行第二个位置。x的取值是从0到15包括0和15.当y等于1的时候就是第2行，第二行就是加了个0x40。当位置确定好之后就显示数据了，如何显示呢，直接把传上的数据直接传到显示数据的函数里面。就可以显示出来了。下面一段在指定位置显示字符串，都是一样x，y显示位置，这里面是以指针显示，字符串由多个单个字符组合一起的，要显示的话，把里面的字符一个一个显示出来就可以了。后面的确定位置是和上文一样的。确定好位置之后就通过while来判断指针条件是否为正。这里是为了检测是否能检测到字符串的结尾符。显示数据只要把指针传到显示数据函数里面就好了。这里传进的指针不是整个字符串内容，是从指针第一个地址里面内容开始显示。当第一个地址内容显示完成以后就s++就是指针加一指向后面地址里面内容，再显示指针再加一直到把常见字符串里面内容全部显示然后跳while循环，每显示一次指针加一次都会判断一次while，直到判断结尾符。1602液晶显示屏数据显示定位代码如图4-5所示：图4-51602液晶显示屏数据显示定位代码4.2.3DHT11温湿度感应器校验我们首先看本论文3.2.1中图3-6至图3-9的DHT11初始化时序图，一开始的这一部分黑色的是主机信号，后面一段灰色的是DHT11响应信号，假如说DHT11响应信号没问题，那么一开始这一段会返回低电频，延时响应40-50微秒后返回高电频，也差不多响应40-50ms后开始输出信号。在程序里一开始也是一个低电频，拉低18毫秒，然后拉高，拉高之后再延时40微秒，在延时40微秒之后释放主机信号，后面就是DHT11的响应信号。我们后面就需要读DHT11的响应信号了，就是判断有没有低电频，这里是通过对DATA这个变量取反进行判断，若DATA取反后是0就不会执行程序，若为1，则执行程序。进入程序后，后面就是读数据了，资料里给了一个数字“0”信号的表示方法，首先是一个12到14微秒的低电频，后面是一个持续26到28微秒的高电频表示“0”。而数字“1”首先也是一个12到14微秒的低电频，然后数字“1”的高电频持续116到118微秒。我们通过高电频的持续时间不同来判断数字“0”还是“1”.在程序里com是一个读取数据的程序，通过左键双击，然后右键gotodefintion就会找到它的函数（Png4），这里是读出来一个字节，最开始是湿度的整数然后依次是湿度小数，温度整数，温度小数和校验位。当5个字节读出来后，DATE拉高，后面就是校验，把前面这几个字节相加是否等于校验位。DHT11温湿度感应器校验代码如图4-6所示：图4-6DHT11温湿度感应器校验代码截图4.2.4检查DHT11I/O口的高低电平因为在程序里是只读取读一位，但本设计中需要读一个字节，所以需要循环8次，需要加一个个for循环，因为这里不管是数字“0”还是数字“1”前面都有一个低电频，利用一个while函数等待低电频结束之后才是高电频，在这里延时30微秒。假如在延时30微秒后，我们默认为是数字“0”，假如在延时30微秒后DATE还是一个高电频，就说明是数字“1”，反之在延时30微秒后是一个低电频，就说明是数字“0”，接下来等到高电频结束后面就是读下一位，最后加上了一个超时跳出函数，当计时变量溢出的时候说明过去很长时间，代表程序可能出现错误，此时跳出重新执行从而保证DHT11测量温湿度值的准确性。通过while检查DHT11I/O口的高低电平代码如图4-7所示：图4-7通过while检查DHT11I/O口的高低电平代码截图

5实物与系统的调试5.1实物制作实物制作涵盖了完成程序烧入硬件的焊接与软件的调整测试。硬件的焊接是根据模块来进行的，首先将程序代码烧入与之相对元器件当中，其次进行调试以确定将其加入到单片机后正常工作，再次将烧入与调试无误的元器件进行焊接，最后确保焊接无误时方可与同上操作实施其余模块的焊接焊接。本设计烧写软件的首选是STC-ISP-V480因为其使用方便操作简单，使用前将STC89C52设置为微控制单元（MCUType），然后选择相对的COM端口点击下载缀名.hex的文件就可以将软件与硬件完美的结合。焊接前我们就要做好准备提前规划好每个模块和不同元器件的位置，防止焊接时出现焊不下、线路过于混乱集中、遗漏焊点等问题。每焊接一个模块都需要使用万用表来测量焊好的元器件与所接电源之间到底有无短路，如果短路，就需要马上进行检测并找到短路是由哪个模块焊接时引起。因为烙铁若长时间碰触焊盘与者元器件，焊盘与元器件就会因为高温导致损坏，所以烙铁不能长时间的和焊接板碰触；如果烙铁温度过低，则容易形成冷焊点，这样焊接的时候焊锡少了引脚就会不牢固容易掉；焊锡如果用的太多，就容易和其他焊锡黏在一起从而导致短路。为了保证焊接质量，焊接元器件的时侯都需要将先进行调整，然后将一个引脚进行焊接保证元器件焊接时的稳定性，再焊接剩余引脚就不会被焊歪了，因为焊锡连接引脚到2个及以上，就不方便再次调整元件位置了，在焊接工作进行时需要多留神以防发生虚焊、漏焊、焊点碰触等现象，而且还需要尽量减少线路交叉。只要是进行焊接工作时，都应该特别注意检查每个元器件的引脚位置，比如要确定电源的正负极，哪个引脚与哪个引脚相连。例如:一根发光灯二极管的正极和负极所以要充分考虑其极性，长针导线指的应该是正极，短针导线指的应该是负极。在本设计中电源开关、三极管以及电容都是没有正负极的，焊接的时候就就可以不考虑引脚的极性。5.2焊接中遇到的问题及解决办法由于刚焊的时候还没有在万用表上准确检测和找出三极管的具体型号，导致在本设计焊好之后才开始发现焊接好的蜂鸣器没有响声，由于本次设计中使用的是洞洞板，每个焊点间都离得非常近是使用的又是熔点相对较低的焊锡，导致在焊接的时候刚焊好但未凝固的焊锡碰触融化了相邻焊锡，导致了短路元器件烧毁。后来重新买了元器件，用万能表测试将短路损坏的元器件的焊点融化取下元器件，重新设计元器件摆放位置防止再次出现问题。5.3焊接展示下列为洞洞板焊接流程:（1）首先仔细观察焊板的正反面确定无损坏，确保无损坏后准备元器件的处理。此设计使用的洞洞板正面如图5-1所示：图5-1洞洞板正面洞洞板反面如图5-2所示：图5-2洞洞板反面（2）将引脚比较长的元器件放在海绵泡沫板上防止损坏。元器件保护处理如图5-3所示：图5-3元器件的摆放（3）看原理图然后将元器件插入洞洞板合理的位置如图5-4所示：图5-4元器件插入焊板（4）对应好位置后翻转到洞洞板背面进行焊接，焊接时应确保焊点牢固且与其他焊点无接触。焊接接线如图5-5所示：图5-5正确的焊接方式（5）对背部焊接好后反回正面，对其他元器件进行摆放准备第二次焊接。其他元器件摆放如图5-6所示：图5-6其他元器件的摆放（6）查看原理图分清对应引脚进行连接，然后反复如（4）同样步骤进行焊接。焊接完成图如图5-7所示：、图5-7焊接完成图（7）对无需焊接的元器件接入，如单片机、屏幕、水位感应器等。无需焊接的元器件的安装如图5-8： 图5-8对无需焊接的元器件的安装5.4实物调试（1）将单片机通电尝试是否可以正常开机启动如图5-9所示：图5-9测试单片机接电启动正常（2）测试无水状态下水位传感器与蜂鸣警报器是否正常工作如图5-10所示：图5-10测试元器件是否正常使用（3）测试有水状态下水位传感器与蜂鸣警报器是否取消报警正常工作如图5-11所示：图5-11测试有水情况下元器件是否可以正常使用（4）测试在自动状态下调节阈值功能是否可以实现如下图5-12所示：图5-12