基于单片机的智能加湿器设计.docx
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基于单片机的智能加湿器设计
本科毕业设计（论文）
题目基于单片机的智能
加湿器设计
姓名******
专业电子科学与技术
学号*********
指导教师****
郑州科技学院电气工程学院
二〇一五年五月
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1选题背景和意义1
1.2发展现状及前景2
1.3设计任务3
2系统硬件设计5
2.1总体设计5
2.2单片机模块6
2.2.1单片机介绍6
2.2.2单片机的特点7
2.2.3单片机最小系统9
2.3传感器模块10
2.3.1温湿度传感器选择方案10
2.3.2DHT11数字温湿度传感器11
2.3.3传感器电路14
2.4液晶显示模块15
2.4.1显示器的设计方案15
2.4.21602字符型液晶显示屏15
2.4.31602LCD电路18
2.5报警电路模块19
2.6按键模块20
2.6.1输入设计方案20
2.6.2按键电路20
2.7系统电路工作原理21
3系统软件设计23
3.1主程序设计23
3.2温湿度检测控制模块设计24
3.3液晶显示模块设计25
4系统调试与分析27
4.1软件调试27
4.2程序调试28
4.2.1KEIL软件简介28
4.2.2调试过程29
4.3调试分析29
总结32
致谢34
参考文献35
附录1实物图36
附录2源程序37
基于单片机的智能加湿器设计
摘要
目前在我们的日常生活中，加湿器被应用到很多领域，可是市场上大多数的加湿器都需要通过手动来控制加湿器的开启和关闭，而且不能对空气中的的温湿度进行实时且精确的监测，使得人们在使用加湿器的过程中出现一些意想不到的问题，如对空气过度加湿，过多的空气湿度就会对人体健康造成负面影响；加湿器工作时出现干烧的情况还会给我们带来安全隐患。
因此在现有加湿器的基础上开发出一种具有智能控制功能的加湿器显得尤其必要。
本次设计以STC89C52单片机与温湿度传感器为系统的设计核心，运用温湿度传感器DHT11对空气中的温湿度信号进行采集，并利用它处理信号的功能，将采集到的温湿度信号转换成数字信号，再通过单片机的可编程能力对该数字信号进行分析与处理，将处理后的数据通过1602液晶显示屏显示出来，实现对空气中的相对湿度的实时显示功能，同时单片机也能够智能控制加湿器的工作状态，以达到自动控制加湿器的目的。
该设计还拥有水位监测电路和报警电路，实现加湿器的防干烧功能。
该系统的设计电路简单，检测数据的精度高，且具有较高的可靠性。
关键词:
加湿器；STC89C52单片机；温湿度传感器DHT11；1602液晶显示屏
Intelligenthumidifierdesignbasedonsinglechipmicrocomputer
Abstract
Atpresentinourdailylife,thehumidifiercanbeusedinmanyareas,butthemajorityofthemarket'sneedtomanuallycontrolthehumidifierhumidifierisopenedandclosed,andcannotbereal-timeandaccuratemonitoringoftemperatureandhumidityintheair,whichmakespeoplesomebeatallproblemsoccurintheprocessofthehumidifier,suchastheexcessiveairhumidification,airhumiditywillcausetoomuchnegativeimpactonhumanhealth;inthedrysituationwillbringhiddentroubletoourhumidifierwork.Therefore,basedontheexistinghumidifieronthedevelopmentofakindofintelligentcontrolfunctionofthehumidifierisparticularlynecessary.
ThisdesignusestheSTC89C52microcontrollerwithtemperatureandhumiditysensorsforthedesignofthecoresystem,usingtemperatureandhumiditysensorDHT11tocollecttemperatureandhumiditysignalintheair,anduseitinsignalprocessingfunction,thetemperatureandhumidityofthecollectedsignalisconvertedintodigitalsignal,thedigitalsignalissinglechipprogrammableabilityanalysisandprocessing,theprocesseddatathrough1602LCDdisplay,real-timedisplayfunctionoftherelativehumidityintheair,andtheMCUcanalsoworkstateofintelligentcontrolofthehumidifier,inordertoachievethepurposeofautomaticcontrolhumidifier.Thedesignalsohasawaterlevelmonitoringcircuitandalarmcircuit,dryburningpreventionfunctionofhumidifier.Thedesignofthecircuitofthesystemissimple,highprecisionofdetectiondata,andhashighreliability.
Keywords:
humidifier;STC89C52MCU;temperatureandhumiditysensorDHT11;1602LCDdisplay
1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[1]。
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，增加防干烧功能，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。
智能加湿器系统是通过温湿度传感器来采集空气中的温度和湿度的信号数据的，采集到的数据经过STC89C52单片机的分析和处理，在1602LCD上显示出当前湿度与设定的湿度值。
另外再添加时钟电路、键盘电路和报警电路。
该系统具备手动模式和自动模式，在手动模式里我们可以根据自己的实际需要来设定最佳湿度值；自动模式中的最佳湿度值是系统设计的初始值，这两种模式可以通过设定的按键来切换。
在本次设计中加湿模块运用二极管模拟的方式，当系统检测到驱动加湿器模块的管脚出现低电平时，二极管点亮演示加湿；水位监测模块检测到低水位，既管脚电平变为低电平时，蜂鸣器发出报警信号，防止出现加湿器干烧的情况。
2系统硬件设计
2.1总体设计
根据设计要求确定了智能加湿器的整体设计方案，该设计方案由单片机、温度传感器、1602LCD以及按键输入等部分组成。
智能加湿器需满足以下要求：
（1）系统直接由5V的直流电源提供电压；
（2）用户能够自由设置系统的最佳湿度值；
（3）环境湿度低于40％时系统会自动加湿；
（4）检测得到的数据可以通过显示模块显示。
总体设计的智能加湿器功能原理图如图2.1所示。
图2.1智能加湿器功能原理图
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P0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P2.6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[4]。
温湿度传感器连接到单片机的P1.2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。
2.2单片机模块
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[7]。
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单片机的特点
（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FlashROM
32个双向I/O口
512字节RAM
看门狗定时器
内置4KBEEPROM
3个16位定时器/计数器
MAX810
1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]。
2.2.3单片机最小系统
（1）时钟电路
STC89C52内部拥有一个振荡器，它是由高增益反相放大器构成的，但是要形成时钟脉冲，在拥有振荡器的同时外部还需要增加电路。
引脚XTAL1连接到内部放大器的输入端，引脚XTAL2连接到放大器的输出端。
时钟信号是由自激振荡器发出的。
引脚XTAL1与引脚XTAL2连接到外部晶体振荡器，且与电容和晶振组成的并联谐振回路相连，构成稳定的自激振荡器。
晶体振荡器的震荡频率不是固定值，它的频率范围为1.2～12MHz，常用的晶振频率是12MHz。
电路中的电容值在5~30pF范围内都可以选择，电容的大小在时钟电路中起到对频率的微调作用。
在本次设计中采用振荡频率为12MHz的晶体振荡器，使用22pF的电容。
时钟电路如图2.4所示：
图2.4时钟电路
（2）复位及复位电路
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC地址初始化为0000H，使单片机从0000H单元重新开始执行程序。
复位是单片机系统的初始化操作，单片机系统在上电启动后都需要先进行复位操作，使系统处于一个确定的初始化状态。
当单片机因为各种因素导致系统死机时，可以按下复位键进行复位，使单片机系统回归到初始状态，且从初始状态开始工作[7]。
如图2.5所示电路的复位电路：
图2.5复位电路
RST引脚的功能是控制复位信号输入。
当RET管脚信号为‘1’且维持2个机器周期时，复位信号有效，单片机系统才会完成复位操作。
如果选择使用的晶振频率为12MHz，想要成功完成复位的话，RET端的高电平就应该维持超过2us即两个机器周期的时间。
单片机的复位方式有两种：
上电复位和按键复位。
上电加按键复位电路比上电复位多了一个复位开关。
本次设计采用按键复位电路，其复位电路如图2.5所示。
按下复位按钮后，电流经过220欧的电阻与RET端口直接相连，复位端引脚信号变为‘1’；当复位按钮弹起后，电流从10KΩ电阻和10uF的电容所在的电路通过，电容恢复到充电状态，复位端发出复位正脉冲信号，该信号持续的时间与电阻与电容电路的时间常数有关。
2.3传感器模块
2.3.1温湿度传感器选择方案
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[8]。
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
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