基于51单片机的空气湿度调节器.docx

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基于51单片机的空气湿度调节器

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论文题目：

基于单片机的空气湿度调节器的设计

学生姓名：

***

专业年级：

****级自动化*班

指导教师：

***职称**

2016年05月27日

基于51单片机的空气湿度调节器的设计

学生：

***

专业：

自动化

指导教师：

***

摘要：

随着科学技术，人民生活水平的发展，人们的室内居住环境的不断改善，出现了空调，智能温度控制器，室内空气净化器等提高人们生活条件的智能产品。

但是，这并不能满足人民群众日益增长的生活需求，对湿度提出控制要求。

本设计采用了以89C51单片机控制的的智能湿度控制器，使用SHT71温湿度传感器，通过软件编程，使用蒸汽机和排气扇自动控制度，对当前环境相对湿度实现自动调整：

通过键盘设置和调节湿度的初始值，当室内空气湿度太高时，控制系统自动启动排气扇，减少空气中的部分水蒸汽，来减少当前空气中的湿度;当室内空气湿度太低时，控制系统自动开启蒸汽机，增加空气中水蒸气的含量，来起到增加湿度的作用，控制空气湿度保持在理想状态。

通过本文设计的单片机的空气湿度控制器，可以实现对室内当前环境的自动控制。

关键词：

单片机AT89C51；湿度控制；湿度传感器

窗体顶端

Humiditymicro-controller-basedair

Name：

***

Major：

Automati

Tutor：

***

Abstract:

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,people'slivingstandards,andconstantlyimprovepeople'sindoorlivingenvironment,therehasbeenair-conditioned,intelligenttemperaturecontroller,theindoorairpurifiersandotherimprovementoflivingconditionsofintelligentproducts.However,thisdoesnotmeetthepeople'sgrowingneedsoflife,somepeopleraisedhumidityrequirements,onthisbasis,thedesignusesa89C51micro-controllertocontrolthehumidityintelligentcontroller.ThissystemusesaSHT71seriesmonolithicintegratedsensor;andbysoftwareprogramming,coupledwiththeappropriatedesignofthecontrolcircuit,itcanautomaticallyadjustthecurrentenvironmentrelativehumidity:

whentheindoorairhumidityistoohigh,thecontrolsystemautomaticallystartsrowgasfan,reducingtheairportionofthewatervaportoreducethehumidityintheaircurrent;whentheindoorairhumidityistoolow,thecontrolsystemautomaticallyopenthesteamengine,increasetheamountofwatervaporintheairtoplayaroleinincreasingthehumiditycontrolairhumidityiskeptatidealstate;keyboardsettingsandadjustingtheinitialvalueofthehumidity,andtheotherinthedesignprocess,takingintoaccounttheinterventionoftheprocessor,addingamicro-controllercircuit.MCUbasedhumiditycontrollerdesign,makemeabetterunderstandingofsensortechnologyanddetectiontechnology,whilethelearnedexpertisetoconductasystematicreviewandrevision.

Keywords:

89C51;Humiditycontrol;HumiditySensor

第1章前言

在工业和农业生产，气象，环境保护，科学研究，国防，航空航天和现代生活等各个方面，我们经常需要测量和控制环境湿度。

对于制药、食品加工、造纸等行业来说，湿度更准确的测量是至关重要的。

此外，湿度也直接影响到人们的舒适合健康。

1.1研究的目的和意义

无论是人类的生存，还是社会工业的生产和制造，以及社会活动都与温度和湿度有着密切的关系。

随着现代科学技术的发展，无论在哪个领域，温度和湿度之间的关系都不可分离。

在工业上如恒温和无尘室，食品加工，金属加工和生产，农业，如温室蔬菜生产，畜禽养殖等，都需要对周围的环境湿度进行测量和控制。

例如在一些大型制造业工厂，工厂将配备中央空调系统，但是部分中央空调系统控制柜（如主变压器控制柜，开关端子柜）被安置在一个空调房间内。

因为这些控制柜密封性不强，如果长时间处在高湿度环境中，会造成控制柜中的湿度过大而导致凝露。

最终导致控制柜内的器件被击穿，中央空调系统不能正常工作，但是，这些行业对温度和湿度的控制是非常严格的，如果处在不利的环境生产。

结果，会导致巨大的经济损失。

为了解决这个问题，一些大型企业在中央空调系统控制柜内安装灯泡来进行加热降低湿度或者通风方法，但效果并不明显。

本设计研究了一种简单的湿度测量方法，并利用我们常用的电子元件构成了一个简单实用的湿度检测电路，并讨论在湿度影响的基础上，检测条件和环境因素以及湿度检测精度问题。

以湿度测量为基础，对湿度的控制展开简单讨论，同时研究湿度控制的可行性和控制方法。

1.1.1国内外发展状况

早在很久以前，人们就发明了干湿球湿度计，干湿球湿度计的精度由干球和湿球温度计的本身的精度确定；干湿球湿度测量时对环境要求特别严格。

干湿球湿度计准确度仅为7%-5%RH。

Psychrometerhygrometrybyindirectmeasurementmethod,bymeasuringthedrybulbandwetbulbtemperaturethroughcalculationgethumidityvalue,soontheuseoftemperatureisnotstrictlylimited,undertheenvironmentofhightemperaturemeasuredwetnottosensordamage.Wetwetwetwetmaintenanceisquitesimple,intheactualuse,justtoaddwatertowettheballandreplacewetbulbgauze.Comparedwiththeelectronichumiditysensor,wetanddrywetballwetmethoddoesnothavetheproblemofaging,precisiondecline,etc..Sowetanddrywetmethodismoresuitableforuseinhightemperatureandharshenvironment.Thentherewasadropofwatermethodtomeasuretherelativehumidity.Andelectronichumiditysensorisinrecentdecades,especiallyinthepast20yearstodeveloprapidly.Humiditysensorfactoryinthefactorybeforethefactorytousethestandardhumiditygeneratortobranchcalibration,electronichumiditysensoraccuracycanreach2%-3%

干湿球湿度计通过间接测量干球温度和湿球温度，通过计算得到湿度值，因为对使用温度限制不严格，所以高温不会导致传感器损坏。

干湿球测湿法可以通过加水给湿球或者更换湿球纱布来进行养护。

与电子式湿度传感器不同的是，干湿球测湿法不会出现老化、精度下降等问题。

因此，干湿法更适合在高温和恶劣环境中使用。

后来又有滴水法来测量相对湿度。

而电子式湿度传感器是近几十年来，特别是近20年来发展迅速。

电子式湿度传感技术因其快速发展、高精度、小误差等技术得到了广泛的应用。

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofelectronicchipintegration,miniaturization,andtheimprovementofthetechnologyofchipfabrication,thedomesticandforeignhumiditysensorresearchanddevelopmenthasmadeconsiderableprogress.Humiditysensorisfromthesimplehumiditysensitiveelementtointegrated,intelligent,multiparameterdetectionandthedirectionofrapiddevelopment,hascreatedfavorableconditionsforthedevelopmentofanewgenerationofhumiditymeasurementandcontrolsystem,willalsobehumiditymeasurementtechnologytoanewlevel.

近年来，随着电子芯片集成化、小型化和芯片制造技术的发展，国内外对湿度传感器的研究和开发取得了巨大的进步。

湿度传感器正朝着集成、智能化、多参数检测方向快速发展，将湿度测量技术应用到新的水平。

1.2应解决的主要问题

因为温度是一个独立的测量量，而且湿度受其他因素影响，所以，湿度在常规环境参数中是最难以准确测量的。

因此，用常规方法测量湿度的误差±5%-±20%。

所以，干湿球或湿度计测量湿度的方法已经不能满足现代科学技术发展的需要。

湿度的校准对环境条件要求非常严格，在国外的湿度校准设备，价格是非常昂贵的。

本设计是以此为基为，提出了一种基于AT89C51单片机的简单实用的控制方法。

第2章系统设计方案的研究与论证

2.1湿度的定义

湿度：

湿度是空气中的水蒸气的含量。

绝对湿度：

又称水蒸汽密度，它用来表示水蒸气质量与总容积的比值，有公式如下

（2.1）

式中，DV是绝对湿度；P为水蒸气压强（Pa）；Tab是干燥空气的温度值（℃）。

相对湿度：

相对湿度表示，在相同湿度环境下大气中的水蒸汽的实际压强与饱和水蒸气压强之比，通常用百分数来表示。

相对湿度的英文缩写为RH（RelativeHumidity），有公式如下：

（2.1.1）

式中，P1（T）表示在T温度下水蒸气压强，P2（T）表示在T温度下的饱和压强。

2.2系统控制结构组成

①湿度检测电路。

用来监控空气的相对湿度。

②微控制器。

采用ATMEL公司的89C51单片机，作为主控制器。

③电源稳压电路。

用来对输入的220V交流电压进行变压、整流。

④键盘输入电路。

用来设置初始值等。

⑤LED显示电路。

用来显示湿度。

⑥功率驱动电路。

用来调节湿度。

2.3系统的设计原理

湿度控制系统是围绕着AT89C51展开的。

主要由湿度检测电路、CPU控制电路、显示电路、排气、加热控制电路和微处理器等组成。

工作原理如下：

湿度检测电路将当前环境湿度信号转变成电信号发送到处理器AT89C51中，处理器通过程序的运行将湿度信号通过LED显示出来（相对湿度值），处理器通过程序运行，判断当前湿度值是否在预定的范围，如果没有在范围内，系统将会自动调节湿度：

当湿度检测电路检测当前环境湿度高于微处理器设定的上限值时，将使与风机除湿控制电路相连的端口输出低电平，使风机除湿控制电路开始工作并开始排湿，冷却降温；当湿度检测电路检测当前环境湿度低于设定湿度下限值时，与增湿控制电路相连的端口输出低电平，蒸汽机的控制电路开始加热增湿。

图2.1系统原理结构图

Fig.2.1SchematicDiagramOfTheSystem

2.3.1系统的性能特点

（1）自动检测室内的湿度

（2）当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动排风机，减少室内空气中的水汽，从而降低空气湿度；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动增湿器，以达到增加湿度的目的。

（3）通过数码管显示当前的湿度

（4）设置键盘并设置湿度的初始值

第3章硬件电路设计

3.1处理器模块设计

3.1.1单片机AT89C51简介及应用

本设计以单片机为核心，给与执行命令，按照所给者意愿执行相应的命令，使用AT89C51芯片，主要是他的价格便宜，通用性强，性价比也很好，容易得到，并可以根据需求很好地完成设计的需求。

如图所示为单片机引脚图：

图3.1AT89C51引脚图

Fig3.1AT89C51PinDiagram

AT89C51单片机有40个引脚，并采用双列直插式。

各引脚功能简单介绍如下：

●VCC：

接+5V电源

●GND：

接地

●XTAL1和XTAL2：

外接晶振引脚，分别为片内振荡电路的输入端和输出端

●RESET：

复位引脚，并且高电平有效。

●EA/VPP：

当EA为低电平时，此时访问的是外部ROM；当EA为高电平时，此时访问内部ROM。

●ALE / PROG ：

地址锁存控制信号。

●PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

●PO口：

为8位漏级双向开路的I/O口，管脚能吸收8TTL门路电流，可作为一般的I/O接口使用，但其内部没有上拉电阻，使用时应外接外拉电阻。

●P1口：

为8位，双向I/O口，管脚可吸收4TTL门路电流，一般只做I/O接口使用，但其内部自带上拉电阻。

●P2口：

为8位，双向I/O口，管脚可吸收4TTL门路电流，其内部自带上拉电阻，一般做为I/O口使用，也可以在扩展外部存储器的时候，做为地址总线来使用。

●P3口：

同样为8位，双向I/O口，管脚可吸收4TTL门路电流，内部也自带上拉电阻，但P3口有两个功能，除作为I/O口使用外，其他功能如下：

P3.0RXD：

串行通信输入

P3.1TXD：

串行通信输出

P3.2INT0：

外部中断0

P3.3INT1：

外部中断1

P3.4T0：

计时器0外部输入

P3.5T1：

计时器1外部输入

P3.6WR：

外部数据存储器写选通

P3.7RD：

外部数据存储器读选通

3.1.2处理器的功能

AT89C51单片机作为控制系统的核心，它主要完成以下工作：

①通过LED显示采集到的湿度信号的湿度值。

②当室内空气的湿度超过设定湿度值的上限时，控制系统自动启动排风机，使室内空气中水蒸气的含量减少，从而降低空气湿度；当室内空气的湿度低于设定湿度值的下限时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气中的水蒸气的含量，来增加空气湿度，使空气湿度控制在一个理想状态。

3.1.3时钟电路

图3.2时钟电路图

Fig.3.2ClockCircuitDiagram

时钟电路的作用是单片机的核心，每个功能单元的运行状态都是根据时钟频率，按给定的时钟频率有序进行。

3.1.4CPU监控电路

本设计通过监控电路来提高系统工作的可靠性。

原理图如下：

图3.3监控电路

Fig.3.3MonitoringCircuit

图中给出了MAX813L常用的与单片机的连接图。

此电路可以完成上电或者瞬时掉电以及程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；并且可以通过监视电源故障，来及时地保存数据。

3.2相对湿度的电路设计

3.2.1传统电容湿度传感器的缺点

（1）输出是模拟量必须使用A/D转换才能进入到微处理器进行处理，因为模拟传输容易被干扰，因此不适合多节点传感和远程传感。

（2）长期稳定性差，易受外界因素影响，因为老化和漂移，长期工作误差较大；同时其精度受电源精度、稳定性的影响较大，为了保证精度的稳定性，因此对电源提出了更高的要求，加大了成本。

（3）一致性差，如检测电路的不一致。

（4）由于需要进行拟合标定，用户需要配备复杂并且昂贵的标定设备和基准。

3.2.2SHT71温湿度传感器的功能

SHT71温湿度传感器是由Sensirion公司推出一款可以同时测量湿度和温度的传感器。

它无需外部器件直接输出已标定的相对湿度，可有效解决传统温湿度传感器的不足。

SHT71温湿度传感器是采CMOSensTM技术设计的，如下图所示：

图3.4SHT71传感器

Fig3.4SHT71Sensor

内部包含了湿度和温度敏感元件、放大器、一个14b的模拟到数字转换器，标定数据存储器和数字总线接口以及电压稳压电路。

由于温度传感器和湿度传感器的硅晶片是紧密地贴在一起，可以准确地确定露点，两者之间不会由于温度差而引起误差；直接通过A/D转换器根据标定系数，输出标定过的数字信号，可以保证该传感器性能的一致性，稳定性好，成本低，使用方便。

传感器与单片机的连接电路如下路所示：

图3.5SHT71与单片机的连接

Figure3.5SHT71AndMCUConnection

3.2.3SHT71温湿度传感器的特点

SHT71电源电压范围：

2.4V~5.5V。

湿度测量精度高：

精度为±3.5%，温度精度为±0.5℃（20℃时）。

待机电流小于3μA，传感器的数字输出是通过两线数字接口来连接上微处理器，这是为了更方便的设计系统。

SHT71将送出的温度、湿度数据进行转换，用来显示实际温度和湿度，公式如下：

（3.1）

（3.2）

（3.3）

其中：

TC：

摄氏温度；RHTrue：

相对湿度。

d1，d2和温度分辨率相关联，C1，C2，C3，t1，t2和湿度分辨率相关联，对应关系如下表所示：

表1温度校正系数

Table1TemperatureCorrectionCoefficient

温度分辨率

d1

d2

14b（5V）

-40

0.01

12b（5V）

-40

0.04

表2湿度校正系数

Table2HumidityCorrectionFactor

湿度分辨率

C1

C2

C3

t1

t2

12b

-4

0.0405

-2×10-6

0．01

0.00008

8b

-4

0.6480

-7.2×10-6

0.01

0.00128

3.3电源电路的设计

本设计采用的稳压电源是基于78xx和79xx系列稳压器而设计的，这种电源可以产生±5V，±15V的电压。

它是将来自于交流电的电压通过变压器（即220V电压转化为20V电压），然后通过78xx和79xx稳压器进行调节，达到设计电路的要求。

图3.6电源模块

Fig3.6PowerModule

基于我想得到的正、负电源同时使用和电路的电源要求，我选择了正负各三种集成稳压器（即7805、7812、7815、7905、7912、7915）设计如下：

图3.7电源模块电路

Fig.3.7CircuitOfPowerModule

在图中，A端的输出电压为+15V，B端的输出电压为12V，C端的输出电压为+5V，D端的输出电压为-15V，E端的输出电压为-12V，F端的输出电压为-5V，这六种电源可以作为我们后来设计电路的备用电源，如：

湿度检测电路，单片机的电源，继电器电源等等。

3.4湿度调节模块的设计

3.4.1湿度调节的结构框图

湿度调节电路的结构设计，如下图所示：

图3.8湿度调节结构框图

Fig.3.8StructureOfHumidityControl

3.4.2湿度调节原理

以蒸汽机为例，来介绍自动调节空气湿度的过程。

原理图如下图：

图3.9增湿电路

Fig.3.9HumidityIncreasingCircuit

图中总共采用了1个光电耦合器件，1个继电器，和1个发光二极管。

继电器的输入信号是由光电耦合装置将处理器（89C51单片机）的输出信号转化而来的，并且继电器又与蒸汽电源线连接，使处理器输出信号通过光电耦合电路和一个继电器电路来控制蒸汽机（增加湿度）的工作。

首先，我们可以人为地设置适当的湿度值，比如根据温度和湿度之间的关系，根据这一天的温度状况设定合适的湿度值，湿度检测电路将通过A/D转换后的湿度信号送入控制器（AT89C51单片机）中，在控制器内，通过软件编程，检测到的湿度信号与预先设定的湿度值相比较。

当检测到的湿度值低于预设的湿度时，它仍然是通过软件来处理，从处理器的引脚P2.7输出低电平信号运行开始时，人为设定P2.7为高电平，因此与P2.7连接的光电耦合装置开始工作，驱动继电器，使继电器的开关吸合，而且蒸汽机的电源开关又由继电器的长闭开关控制着。

因此，继电器工作的同时，蒸汽机也开始工作，湿度检测电路仍然不断地向处理器单片机中输入湿度信号，处理器不断地进行比较（期间P2.7保持低电平），如果湿度仍然低于预设的湿度值，P2.7仍然保持低电平，蒸汽机继续工作，直到湿度不小于预设湿度值时，P2.7返回高电平，蒸汽机停止工作，来实现增加湿度的自动控制，同样的，降低湿度原理与此相似，这里就不多加介绍了，原理图如下：

图3.10除湿电路

Fig3.10TheCircuitOfTheDesiccant

本设计还可以通过按键来手动控制湿度，来满足不同用户的需求，通过按键来手动调节，仍然可以使湿度保持在理想值，来防止自动调节失灵带来的影响。

当按下S3键时，吹风机立即工作，此过程中处理器不断接受检测电路发来的湿度信号