智能加湿器设计.docx
《智能加湿器设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能加湿器设计.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
智能加湿器设计
编号：
毕业设计（论文）说明书
题目：
智能加湿器设计
系（部）：
电子工程系
专业：
电子信息工程
学生XX：
学号：
指导教师单位：
指导教师：
职称：
讲师
题目类型：
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发应用研究
2016年6月1日
独创性声明
本人X重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：
关于学位论文使用授权的说明
本人完全了解XX电子科技大学信息科技学院关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：
学院有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学院有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学院有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学院有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。
学位论文作者签名：
日期：
导师签名：
日期
摘要
随着物资生活的丰富，人们越来越注重生活的舒适度，然而干燥的环境会使人们的皮肤缺失水分，咳嗽嗓子痛，心情急躁。
适宜的温湿度可以抑制病菌的滋生和传播，提高人们的免疫力。
因此，设计一种价格低廉、功耗低、具有智能控制功能的加湿器尤为重要。
设计以STC89C52RC单片机为核心，通过DHT22数字温湿度传感器检测室内的温湿度，可以将温湿度精确到小数点后一位通过液晶显示屏LCD5110显示出来，精确度是极高的。
具体加湿功能的实现是分成两种模式的，可以通过遥控器选择工作模式，也可以通过按键来选择加湿器的工作模式。
模式一是定时加湿。
模式二是通过检测实时的温湿度与设定的湿度阀值进行对比判断是否需要加湿，当设定值大于检测到的湿度值时，启动报警系统并开始加湿。
由于温湿度随着环境的改变而不同，所以需要根据环境设定不同的湿度阀值，可以通过遥控键盘设置湿度值，遥控器通过红外与硬件电路板连接在一起，人们可以根据不同的需求来选择不同的加湿模式。
经过多次检测，智能加湿器能够实现实时检测环境中的温湿度，并且能够改变环境中的湿度。
关键词：
STC89C52RC单片机；智能加湿器；DHT22传感器
Abstract
Withtherichmateriallife,peoplepaymoreandmoreattentiontothefortoflife,butthedryenvironmentwillmakepeople'sskinlossofwater,coughandthroatpain,irritablemood.Theappropriatetemperatureandhumiditycaninhibitthegrowthandspreadofbacteria,improvepeople'simmunity.Therefore,isveryimportanttodesignalowcost,lowpowerconsumption,intelligentcontrolfunctionofthehumidifier.
DesignbasedonSTC89C52RCMCUasthecore,throughtheDHT22digitaltemperatureandhumiditysensorstodetecttheindoortemperatureandhumiditycantemperatureandhumidityaccuratetothedecimalpointafterathroughtheliquidcrystaldisplayLCD5110displayed,theaccuracyishigh.Specifichumidifyingfunctionimplementationisdividedintotwomodes,workmodecanbeselectedbyremotecontrol,alsocanthroughthebuttontoselectthemodeofoperationofthehumidifier.Modeoneistimedhumidification.Mode2isthroughdetectionreal-timetemperatureandhumidityandthesethumiditythresholdofcontrastjudgewhetherneedtobehumidified.Whenthesetvalueisgreaterthanthehumidityvaluedetected,startalarmsystemandhumidification.Duetothetemperatureandhumiditywiththechangeofenvironmentanddifferent,soitisnecessarytosetdifferenthumiditythresholdaccordingtotheenvironment,canbyremotecontrolkeyboardsettingshumidityvalue,remotecontrolthroughtheinfraredandthehardwarecircuitboardareconnectedtogether,peoplecanaccordingtodifferentneedstochoosedifferenthumidificationmode.
Afterrepeatedtesting,theintelligenthumidifiercanrealizethereal-timedetectionoftheenvironmenttemperatureandhumidity,andcanchangetheenvironmenthumidity.
Keywords:
STC89C52RCmicro;controllerIntelligenthumidifier;DHT22sensor
引言
当代社会，科学技术以惊人的速度发展，在这个大环境的作用下人们的生活变得多姿多彩。
人们对生活品质的要求不再是“有就行”而是“质量高”。
北方地区主要是温带大陆性气候，远离海洋区域，所以北方地区的冬季寒冷又干燥，人们会受环境的影响而喉咙疼和皮肤干燥，身边迫切的需要一台小型的室内加湿器来改变周围的环境，让身体舒服起来，消除紧X和疲劳，工作效率会大大地提高。
适宜的温湿度还可以抑制病菌的滋生和传播，提高免疫力。
生活中不难发现加湿器出现在各个场所，比如办公室、医院、工厂车间、教室等等。
计算机科学技术、自动化技术、通信技术、控制技术的快速发展，与人类健康相关的产品不断的出现在市场上，这些产品被赋予了数字化理念。
将人类紧紧的与科学技术联系在一起。
过往传统的加湿器也是人类敢于尝试下的果实，随着社会不断的进步，一方面人们对个体生命价值的认知不断提升，越来越多的人们希望通过利用科学技术来保障身体健康，传统的加湿器已经不能满足人类的这些需求，所以有着更高技术、更多功能、使用起来更加方便的智能加湿器应运而生。
另一方面在工业生产中，产品生产过程是对所处的环境中的湿度是有要求的，如果想要产品有好的质量就要在生产的过程中给予适宜的温湿度，所以在工厂这个需要调节温湿度的场合用到智能加湿器，改变环境的湿度达到适宜的X围。
传统的加湿器不具有智能加湿的功能，需要手动控制，这是非常浪费人力和物力的，不符合社会主义核心价值观，同时也不能实时监测室内的温湿度。
目前市场上已经出现各式各样的加湿器产品，性能也比传统的加湿器增强了许多。
常见的有超声波加湿器、蒸发式加湿器、电热式加湿器和离心式加湿器。
由于产品的结构和加湿原理不同，所以参考定值也有所不同。
国内外加湿器的产品主要性能有以下几点：
加湿量、加湿效率（加湿器实际加湿量与输入功率的比值）、噪声、超声频率、连续工作时间、所需电压、功率、使用环境、水槽体积大小、水雾化强度、水槽缺水保护、温度检测X围、湿度检测X围。
设计在传统加湿器的基础上做出了改变。
智能加湿器将芯片STC89C52RC作为主要控制器，单片机也被称为微控制器，是因为它早期被应用于工业控制领域，与其它很多专用的处理器相比单片机更适合应用于嵌入式系统，所以STC89C52RC单片机得到了广泛的应用。
使用DHT22数字温湿度传感器采集环境中的温湿度数据，这款数字温湿度传感器可以将采集到的温湿度数据精确到小数点后一位。
LCD5110液晶显示屏的特点是：
性价比高、接口简单、速度快。
雾化片的工作原理是：
利用电子高频振荡，雾化片通过高频谐振，将液态水分结构打散而产生水雾，不需要加热或者添加任何化学药剂，与其它的雾化方法相比，节省了很多能源，并且也对环境保护做出了贡献，是符合社会发展的趋势的。
在设计中智能加湿器有两个工作模式：
模式一定时加湿；模式二是设置理想的湿度值，当室内环境的湿度低于设置值时，启动加湿器开始加湿，当湿度高于设定值时智能加湿器不加湿，只是检测环境中的温湿度，在液晶屏幕上显示出来。
模式的切换可以通过遥控器来控制，遥控器通过红外接口VS1838B与电路连接在一起实现模块的转换。
1系统方案选择与论证
1.1设计目标
所设计的基于单片机的智能加湿器设计,需要实现的目标有：
（1）实现智能加湿改变环境中的湿度；
（2）实现室内的温湿度实时显示；
（3）实现室内湿度低于设定阀值自动报警；
（4）实现通过按键和无线遥控器选择加湿器的工作模式；
（5）实现加湿器定时加湿。
1.2总体方案
设计主要分为硬件和软件两个部分，通过硬件与软件的相互配合实现智能加湿功能。
硬件部分采用单片机作为核心控制器件，整个设计包括以下几部分
（1）电源电路：
给整个电路提供能源的设备，但是电源本身要消耗一点能源，设计所需电压为8-10V；
（2）复位电路：
单片机的第9脚为复位信号引脚（RST），复位信号高电平有效，但高电平维持时间必须在24个震荡周期以上才能完成复位[4]。
复位电路有两种形式：
上电复位电路和手动复位电路，该设计采用的是上电复位电路；（3）时钟电路：
单片机系统是一个由时间控制执行的系统，根据不同硬件要求，时钟电路与单片机有两种连接方式：
内部时钟电路和外部时钟电路，本次采用内部时钟电路；（4）显示温湿度模块：
液晶显示屏实时显示检测到的环境中的温湿度，可以使人们更直观的观察湿度的变化；（5）检测温湿度模块：
使用数字温湿度传感器检测环境中的温湿度，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性；（6）蜂鸣器报警模块：
当传感器检测到环境中的湿度小于使用者设定的理想湿度值时，蜂鸣器响起，提示使用者；（7）按键选择加湿器工作模式模块；（8）程序下载口模块；（9）加湿模块：
使用超声波雾化片，环保又节省能源；（10）红外模块：
采用红外接口与遥控器配合使用，可以选择加湿器的工作模式和设定理想的湿度值。
软件部分主要包括：
单片机驱动程序、加湿控制程序、显示控制程序、延时程序、按键控制程序、红外控制程序。
1.2.1单片机模块方案选择
方案一：
AT89S51系列单片机
AT89S51单片机采用ATMEL公司的高精密度、非易失性存储技术生产，兼容标准的8051指令系统及引脚。
AT89S51可以提供以下标准功能：
4K字节的闪速存储器，128字节的内部RAM，32个I/O口，看门狗（WDT），两个数据指针，两个十六位定时/计数器，一个五个向量的两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
此外，AT89S51可以降到0赫兹的静态逻辑进行操作，并可以支持两种软件可选节电工作模式。
空闲方式时会停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。
方案二：
STC89C52RC系列单片机
STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
单片机管脚1-8（P1.0-P1.7）属于P1端口，它的内部带有上拉电阻，是8位双向I/O口，作为输入口时，在端口写入1，内部的上拉电阻把端口拉至高电位；作为输出口使用时，由于内部有上拉电阻的原因，一些被外部拉低的引脚由于高低电平有差值就会输出一个电流。
在设计时，可以将P1端口用排阵外接出来，有需要用时，可以直接插导线用，一般不可以直接将导线连接在芯片上。
管脚9（RST）称之为复位脚，复位时高电平有效，与之连接的是由一个开关、一个极性电容和一个电阻组成的电路，一般称之为复位电路，复位电路的作用就是初始化电路。
管脚10-11分别是P3.0-P3.1也叫RXD和TXD，RXD是串行输入口，TXD是串行输出口，这两个管脚接下载口，根据选择的下载口的器件来连接电路，下载口需要4个管脚即可，两个连接RXD和TXD，另外两个连接电源和地。
管脚12-13分别是P3.2-P3.3也叫外部中断0和外部中断1，两者都是中断方式没有大的区别，只是外部中断0优先于外部中断1，外部中断0的中断号是0，外部中断1的中断号是2，在写程序的时候需要一一对应。
管脚14-15分别是P3.4-P3.5也叫T0和T1，T0是定时器0的外部输入，T1是定时器1外部输入，M1、M0工作方式选择有4中计数方式：
M1M0=00为13位定时器/计数器方式0；M1M0=01为16位定时器/计数器方式1；M1M0=10为常数自动装入的8位定时器/计数器方式2；M1M0=11为两个8位定时器/计数器，在方式3时T1停止计数，工作方式不同，所需要的计算公式也不同的，最小定时时间跟最大定时时间也是不同的。
这两个端口设计者根据自己的设计需求来选择使用。
管脚16-17分别是P3.6-P3.7也叫外部数据存储器写和外部数据存储读。
管脚18-19也叫XTAL2和XTAL1分别是振荡器反相放大器的输入端、振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端，与之两脚相连接的电路叫时钟电路。
管脚20为接地脚。
管脚21-28是P2.0-P2.7，P2端口跟P1端口是一样的，双向I/O口，内含上拉电阻，根据高低电平差输出电流。
管脚31必须接电源VCC，为的是能从使能0000H到FFFFH的外部程序存储器中读取指令。
管脚32-39分别是P0.7-P0.0，P0口是漏极开路，与P1、P2口相同8位双向I/O口，在编程的过程中一般与一个排阻相连接，也称外接上拉电阻，来完成输出指令的验证工作。
管脚40接电源VCC。
比较两单片机发现，两款单片机在管脚上没有太大区别，但方案二的CPU具有较高的运算速度，而设计中需要执行许多的复杂运算，故而，选择方案二做主控芯片。
1.2.2液晶显示屏方案选择
方案一：
LCD1602液晶显示屏
1602代表的含义是：
每行可以显示16个字符，一共可以显示两行，这类液晶通常被叫作字符型液晶，只能显示ASCII码字符。
芯片的工作电压为4.5-5.5V；模块最佳工作电压是5V；所需工作电流为2.0mA（5.0V）；显示字符尺寸为2.95*4.35（W*H）mm。
通用型液晶工作温度为0到+55摄氏度，存储温度为-20到+60摄氏度。
如表1-1所示液晶显示屏引脚说明表。
表1-1液晶显示屏引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
2
VDD
电源正极（接5V正电源）
3
VL
液晶显示偏压,接正电源时对比度最弱,接地时对比度最高,对比度高时会产生“鬼影”,使用时可以连接一个10K的电位器来调整对比。
4
RS
数据/命令选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。
5
R/W
读/写数据，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W为共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
6
E
使能信号，当此端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
7-14
D0-D7
8位双向数据线
15
BLA
背光源正极
16
BLK
背光源负极
方案二：
LCD5110液晶显示屏
Nokia/诺基亚5110LCD原理应用：
LPH7366是NOKIA公司生产的可用于其5110、6150、6100等系列移动的液晶显示模块，国内厂家也生产有类似的兼容产品，该产品除应用于移动外也可以应用于各种便携式设备的显示系统。
与其它类型的产品相比该模块具有以下特点：
5110每行有8列点阵，通过一个十六进制数据来控制每列8个点阵的亮灭，共有6行显示；5110默认状态下使用水平扫描模式，控制器扫描完第0列后，水平向右扫描第1列；采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地线在内的信号线有9条，支持多种串行通信协议，传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间；采用低电压供电，工作电流在0.2mA以下。
从设计来看LCD1602可以显示2行汉字，LCD5110可以显示4行汉字，设计所需显示的至少是5行，所以液晶显示屏选择LCD5110比较合适。
LCD5110有性价比高、接口简单、速度快等特点并且具有掉电模式，适合电池供电等优点。
从实物来比较，LCD5110体积比较小巧，给人的直观感觉比较好。
1.2.3传感器方案选择
方案一：
DHT11温湿度传感器
DHT11是一款温湿度一体化的数字传感器。
该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接[3]。
通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时地采集环境中的温度和湿度。
DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。
传感器内部湿度和温度数据共40位的数据一次性传给单片机。
DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均电流为0.5mA。
DHT11的技术参数如下：
工作电压X围：
3.3-5.5V；工作电流：
平均0.5mA；输出：
单总线数字信号；测量X围：
湿度20%-90%RH，温度0℃-50℃；精度：
湿度±5%，温度±2℃；分辨率：
湿度1%，温度1℃[3]。
DHT11数字温湿度传感器采用单总线数据格式，即单个数据引脚端口完成输入、输出双向传输[3]。
其数据包由5字节（40位）组成。
数据分小数部分和整数部分，一次完整的数据传输为40位，高位先出。
方案二：
DHT22温湿度传感器
DHT22是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，又称作数字温湿度传感器。
DHT22在专用的数字模块采集信息技术和温湿度传感技术中得到广泛的应用，确保采集的数据具有极高的可靠性和稳定性。
数字温湿度传感器由电容式感湿元件和一个NTC测温元件组成，并与一个高性能8位单片机相连接。
每个DHT22传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积和极低的功耗，信号传输的距离达20米以上，使其成为最为苛刻的要求的应用场合最佳选择。
产品为4针单排引脚封装，用户可以根据自己的需求选择不同的特殊封装形式。
DHT22应用领域有：
暖通空调、测湿及检测设备、汽车、数据记录器、消费品、自动控制、气象站、家电、湿度调节器、医疗、除湿器、加湿器等。
对比两个数字温湿度传感器，DHT22数字温湿度传感器具有性价比高、抗干扰能力强、响应快、品质卓越等优点，可将测得的温湿度精确到小数点后一位，精确度是极高的，所以选择DHT22。
1.2.4红外接口方案选择
方案一：
NB0038红外接口
NB0038是一种用于红外遥控接收或其它是小型一体化接收头，中心频率38.0kHz，可改善自然光的反射干扰。
NB0038在抗自然光的干扰方面有极好的性能，可防止无用脉冲输出，NB0038的特性有：
光电检测和前置放大器在同一封装上；内带PCM频率滤波器；对于自然光有较强的抗干扰性；改进了对电场干扰的防护性；电源电压5V，低功耗；输出电平兼容TTL,CMOS。
NB0038极限值：
电源电压6V、工作温度-25-+70℃、存储温度-40-+100℃、焊接温度260℃。
方案二：
VS1838B红外接口
VS1838B内含高速高灵敏PIN光电二极管和低功耗、高增益前置放大IC，采用环氧树脂封装外加外屏蔽抗干扰设计，该产品已经通过REACH和SGS认证属于环保产品，在红外遥控系统中作为接收器使用。
如表1-2所示VS1838B特性与应用总结。
产品的极限参数:
供应电压0.3-7.5V；工作温度：
-30-+85℃；存储温度：
-40-+125℃；焊接温度：
260±5（5S以内）。
VS1838B共有三个管脚从左至右依次是VCC、GND、OUT。
使用时需要注意保护红外线接收器的接收面，破坏或磨损后会影响接收效果，勿用高腐蚀性溶液对产品进行清洗，以免腐蚀产品影响性能。
设计选择使用VS1838B红外接口，因为此产品与NB0038红外接口相比价格便宜很多，并且又是环保产品,同时也能满足设计的需求，勤俭节约是美德！
保护环境人人有责。
表1-2VS1838B特性与应用总结
项目
编号
内容
特性
1
环氧树脂封装外加外屏蔽抗干扰设计。
2
宽工作电压2.7-5.5V。
3
低功耗：
宽角度及长距离接收。
4
抗干扰能力强，能抵挡环境的干扰。
5
输出匹配TTL、CMOS电平，低电平有效。
应用
1
视听器材（音箱，电视，DVD，卫星接收机等）。
2
家庭电器（空调，电风扇，灯饰等）。
1.2.5电路设计最终方案
综上所述，智能加湿器设计最终方案为：
采用芯片STC89C52RC作为核心控制器件，单片机最小系统作为辅助。
电源电路为整个工作电路提供所需能量。
使用DHT22数字温湿度传感器检测室内环境中的温湿度，该检测器件能将检测到的温湿度精确到小数点后一位。
可以保证检测数据的准确。
用LCD5110液晶显示屏显示实时检测到温湿度。
雾化片是利用电子高频振荡将液态水分结构打散而产生水雾，水雾不断产生可以改变环境中的温湿度。
当检测到环境中的湿度值达到设定值时，蜂鸣器开始报警。
设计共有两种模式均能实现对室内环境的加湿，模式一是定时加湿，间隔15秒加湿一次，一
次加湿时间为5秒；模式二就是设定湿度阀值，当室内环境中的湿度小于阀值时，启动加湿模块开始加湿。
通过VS1838B红外接口连接遥控器，实现由遥控控制模块的切换和设置湿度的阀值，同时也可以通过按键来实现模块的切换。
总体框图如图1-1所示。
图1-1总设计框图
2硬件电路设计
2.1电源电路设计
图2-1电源电路模块
电源电路的设计如图2-1所示，主要用途就是给整个电路提供电量，保证单片机及所有元器件能正常的工作。
其中J1为电源外接口，此处外接电压应在8-10V，原因是在电路中器件LM7805（三端稳压集成电路）：
三端IC是指稳压用的集成电路只有三个引脚输出，分别为IN（输入端）、GND（接地）和OUT（输出端），外形像普通的三极管，使用起来方便，可靠，而且价格也便宜。
78后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压5V，通俗
升级会员 