加湿器控制系统的设计Word文档格式.docx
《加湿器控制系统的设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《加湿器控制系统的设计Word文档格式.docx（48页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
由于目前市场上所销售的家用加湿器普遍智能化程度不高，根据相关调查发现，很多加湿器功能上有所欠缺，在环境湿度检测、恒湿控制、定时开关机、数字显示等功能上智能化程度较低，与现在家庭中其他家用设备（如空调、电视、微波炉等）相比较使用功能过于简单，不能满足不同人群及场合的需求。
因此，本题目希望设计一个在尽可能保持现有加湿器功能的基础上，采用单片机技术，设置四个模式：
标准、潮湿、护肤、保健，人们可以自由选择适合自己的湿度；
同时其具备环境湿度检测，可以随时检测环境的湿度，进行调节，使其处于相处恒定的湿度；
还有声光报警等功能，构成家用加湿器智能控制系统。
使其同时实现湿度检测，数字显示，定时开机等附加功能，更加智能化、人性化，人们可以事先设定好开启的时间，这样当人们回到家里就可以感受到暖暖的湿度意。
本课题能够锻炼一个人在面对一个具体的项目时，遇到问题，分析问题，解决问题的能力；
获得独立策划、实施课题，并按照既定计划进行开发的经验，以及查找相关文献的能力。
通过自己的努力使得对于单片机控制系统有一个全面的、深刻的认识。
为以后研发工作打下坚实的基础，积累宝贵的经验。
第2章设计方案
2.1总体设计
此次设计的主要内容：
（1）具有四档加湿模式，分为标准、保健、护肤、潮湿档位，不同的模式，设置的参考相对湿度不同，并且不同模式有其工作模式指示灯。
（2）具有定时功能，并且可以显示定时时间和湿度。
（3）具有声光缺水保护功能，缺水状态下报警并停止工作。
根据设计要求确定了系统的总体方案，系统由温湿度传感器、单片机、1602LCD液晶显示屏、声光报警等组成。
系统功能原理图如图2.1所示，温湿度传感器并将采集的温度传送至单片机。
单片机对数据加以处理并结合室内湿度要求参数控制加湿器的开启和闭合。
另外，还可以检测水位，单片机根据水位高低控制声光报警装置，在极限水位时可以停止加湿，保护加湿器。
加湿器控制系统包括显示模块、报警模块、自动断电模块。
图2.1加湿器控制系统的设计原理图
2.2实现方式
要达到加湿器控制系统的设计，一定要做好硬件和软件设计和调试方面的工作。
首先硬件方面，通过合理的设计单片机管脚及其他外围电路的链接，使之既有I/O口的功能，又有控制型号的功能。
在本次设计中，加湿器开关由一发光二级管代替，在仿真过程中更容易观察系统开发效果。
这方面的内容详见硬件设计部分内容。
其次软件方面，通过合理设计软件的流程图和安排子程序，使程序以最简洁有效的方式实现目的。
最后，调试方面，程序编辑用protues与keil为开发与仿真环境，编辑过程可使用软件仿真观察，并对其进行调试。
在程序编辑完成之后使用硬件仿真，最终用烧录器将程序写入单片机进行实测。
本系统的信号主要有温湿度传感器的输入信号和单片机输出的控制信号构成。
首先由单片机向温湿度传感器发出读信号，随后温湿度传感器做出响应，单片机待温湿度传感器收集到得温度信息并进行A/D处理并存储为数字信号后，开始读取温度值，并对其信号做位处理使之达到用户需求的精度以及计算得到相对湿度。
另外，系统在运行过程中还有专门的控制声光报警系统，定时开机的信号。
第3章元器件部分
3.1AT89S52单片机
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
AT89C52提供以下标准功能：
8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16为定时计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信接口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节点工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口和中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C52共有40个引脚，大致可分为4类：
电源引脚、时钟电路引脚、I/O引脚、控制线引脚（如图2—1所示）。
根据开发的需要和单片机的结构，我们就可以实现单片机的自动工作，即实现自动化！
主要特性：
·
与MCS-52兼容
8K字节可重复擦写FLASH闪速存储器
1000次写/擦循环周期
全静态工作：
0Hz-24MHz
三级加密程序存储器锁定
256×
8位内部RAM
32个可编程I/O线
3个16位定时器/计数器
8个中断源
可编程串行UART通道
·
低功耗的闲置和掉电模式
图3.1AT89C52引脚排列图
管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
3.2温湿度传感器
本次设计涉及两种传感器：
SHT11温湿度传感器和DHT11温湿度传感器。
SHT11温湿度传感器与DHT11相比较，虽然在性能上看，稳定性比DHT11温湿度传感器好，但是两者不仅测量的温湿度范围，而且温湿度分辨率相差不大，最重要的一点是，SHT11价格比较高，器件比较小，对焊接要求比较高，必须掌握好焊接温度，一旦温度过高很容易烧坏传感器，因此此次设计选择DHT11温湿度传感器。
鉴于protues仿真软件中没有DHT11温湿度传感器，采用SHT11进行仿真。
3.2.1SHT11温湿度传感器
SHT11时瑞士Sensirion公司推出的基于COMSEnsTM技术的新型温湿度传感器。
该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的优势互补作用。
SHT11温湿度传感器采用SMD（LCC）表面贴片封装形式，仿真时管脚排列如图3.2所示，其引脚说明如下：
由于将传感器与电路部分结合在一起。
该传感器具有比其它的温湿度传感器优越得多的性能。
首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传慼器的长期稳定性，而A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。
其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只温湿度传感器都具有相同的功能，即具有100%的互换性。
最后，传感器可直接通过I2C总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，节省了单片机的I/O接口线，降低了成本。
图3.2SHT11仿真引脚图
其主要输出特性如下：
（1）湿度值输出
SHT11可通过I2C总线直接输出数字量湿度值，其相对湿度数字输出特性曲线如图3所示。
由图3可看出SHT11的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性，可按如下公式修正湿度值：
RHlinear=c1+c2SORH+C3SORH
式中，SORH为传感器相对湿度测量值，系数取值如下：
12位：
SORH：
c1=-4,c2=0.0405,c3=-2.8×
10-6
8位：
c1=-4,c2=0.648,c3=-7.2×
10-4
（2）温度值输出
由于SHT11温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值：
T=d1+d2SOT
当电源电压为5V，且温度传感器的分辨率为14位时，d1=-40,d2=0.01,当温度传感器的分辨率为12位时，d1=-40,d2=0.04.
（3）露点计算
空气的露点值可根据相对湿度和温度值来得出,具体的计算公式如下：
LogEW=（0.66077+7.5T/（237.3+T）+[log10（RH）-2]）
Dp=[（0.66077-logEW）×
237.3]/（logEW-8.16077）
3.2.2DHT11温湿度传感器
DHT11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。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个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。
每个DHT11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、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品为4针单排引脚封装。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供，引脚具体连线如图3.3。
DHT11的供电电压为3－5.5V。
传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。
电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。
图3.3DHT11温湿度传感器引脚图
3.3LCD1602液晶显示屏
在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个优点：
一、显示质量高，由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
二、数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
三、体积小、重量轻，液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
四、功耗低，相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
本系统选用的字符型LCD是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD。
接收命令或者数
据，如果为低电平表示不忙。
其引脚图如图3.4。
图3.4LCD1602液晶屏引脚图
液晶模块内部的控制器共有11条制指令，如表3.1所示：
表3.1：
控制命令表
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
2
光标返回
*
3
置输入模式
I/D
S
4
显示开/关控制
D
C
B
5
光标或字符移位
S/C
R/L
6
置功能
DL
N
F
7
置字符发生存贮器地址
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
读出的数据内容
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移。
S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N:
低电平时为单行显示F：
低电平时显示5×
7的点阵字符。
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
3.4蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。
一般考虑是有源还是无源的蜂鸣器。
有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的根本区别是产品对输入信号的要求不一样。
有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，通常标示为VDC、VDD等。
因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路，能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号，从面实出磁场交变，带动钼片振动发音。
但是在某些有源蜂鸣器在特定的交流信号下也可以工作，只是对交流信号的电压和频率要求很高，此种工作方式一般不采用。
无源蜂鸣器没有内部驱动电路，有些公司和工厂称为讯响器，国标中称为声响器。
无源蜂鸣器工作的理想信号方波。
如果给预直流信号蜂鸣器是不响应的，因为磁路恒定，钼片不能振动发音。
此次设计采用的是有源蜂鸣器，当有低电平信号时蜂鸣器会响，此时，代表达到低水位，会声光报警。
如图3.5，此时代表达到低水位，发光二极管亮，蜂鸣器响。
图3.5蜂鸣器
3.5元器件清单
见附件B
第4章各部分电路设计
4.1主电路图
4.1.1主电路流程图
系统有声光报警电路（警蜂鸣和LED发光二极管组成）、复位电路以及显示模块，显示选用1602字符型液晶模块，是目前工控系统中使用最为广泛的液晶屏之一，并且1602字符型液晶模块是点阵型液晶，驱动方便，经编码后显示内容多样化。
此次显示的是定时时间和检测到的相对湿度的数值。
水位信号由按键给出，而加湿器开关则由一发光二级管代替，在仿真过程中更容易观察系统开发效果。
图4.1主电路流程图
4.1.2功能描述
参考舒适性空调的相对湿度采用40%—65%的要求，在功能设计过程中以50%为标准的相对湿度参考值，此次设计还设置了不同的模式，模式不一样，相对湿度的参考值不同，人们可以根据自己的需求设置模式。
单片机一方面通过监测加湿器内部的水位，达到加湿器防干烧的功能，即只有在水位高于低水位时加湿器才能通电工作。
另一方面通过温湿度传感器可以测得室内相对湿度，并和设置的相对湿度做比较。
在水位符合要求的前提下，若室内相对湿度高于设置的湿度则控制加湿器不动作，反之则对加湿器通电开始加湿，直到室内空气达到设置湿度时断电。
另外，单片机通过和声光报警器以及1602LCD显示屏相连，还具有了温湿度及水位的显示功能。
总之，在现有的加湿器内加入此单片机将实现加湿器的防干烧、声光报警、定时开启以及室内温湿度的显示功能，基本实现加湿器的智能化。
4.2复位电路
复位电路的基本功能是：
系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。
为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
图4.2所示的复位电路可以实现上述基本功能。
图4.2复位电路
4.3时钟电路
XTAL1、XTAL2：
当使用单片机内部振荡电路时，这两个引脚用来外接石英晶体和微调电容，如图4.3（a）所示。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。
当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，XTAL1引脚接地，XTAL2接片外振荡脉冲输入（带上拉电阻）；
对于CHMOS单片机，XTAL2引脚接地，XTAL1接片外振荡脉冲输入（带上拉电阻），如图4.3（b）和（c所示）。
本次设计采用的内部时钟方式。
（a）内部时钟方式（b）HMOS工艺外接时钟（c）CHMOS工艺外接时钟
图4.3外接晶体电路
4.4液体定位及声光报警
4.4.1声光报警流程图
图4.4声光报警流程图
4.4.2声光报警仿真图
水位信号由按键代表（P1^0为低水位，P1^1为极限水位），按下按键表示水位到达相应的水位。
当有低水位信号时会声光报警，当有极限水位信号时加湿器停止工作，这样可以保证加湿器的安全性。
具体见图4.5。
图4.5液体定位及声光报警电路
4.5LCD1602液晶定时部分
4.5.1LCD1602液晶定时流程图
图4.6定时流程图
4.5.2LCD1602液晶显示仿真图
如图4.6所示，第一行显示的是设置的定时时间以及检测到的相对湿度数值，第二行显示的是运行时间，当其与设定的定时时间相一致是，开启加湿器开关，使其加湿。
图4.7液晶显示
4.6温湿度加湿器
由于此款传感器输出串行通信信号，电路图相对简单直接与单片机的端口相连接，见图4.6。
图4.8温湿度传感器连线
4.7工作模式选择
4.7.1工作模式选择流程图
图4.9工作模式选择流程图
4.7.2工作模式选择仿真
室内湿度既不能太低，也不能太高。
湿度太低容易导致皮肤干燥、皱纹产生、免疫力下降、感冒传播等，湿度太高则容易滋生霉菌。
对人体而言，健康的湿度范围为45%RH-65%RH（RH:
相对湿度）。
故本次设计中我设置的不同工作模式范围为45%RH-60%RH
升级会员 