李紅嶺，張 華，楊 梅，賈尚云，高曉陽

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

近年來隨著人們健康意識的提高，對于住宅室內(nèi)環(huán)境的要求也越來越高，因此人們會更加注重居家環(huán)境的變化。把握環(huán)境的變化，調(diào)節(jié)空氣中的溫濕度，才會有一個適宜的居家環(huán)境。為確保擁有優(yōu)質(zhì)的家居環(huán)境，實時檢測家居環(huán)境，獲取精確環(huán)境信息，顯得尤其重要[1～3]。本文結(jié)合生活實際，利用智能化技術(shù)，設(shè)計了功耗極低、電路簡單并能長期穩(wěn)定運行的智能環(huán)境檢測系統(tǒng)，為改善居家生活環(huán)境添磚加瓦。

2 設(shè)計方案

通過幾種方案的成本、功耗、可靠性等多方面的比較與實驗，最終確定方案框圖如圖1所示，以單片機AT89C52最小系統(tǒng)為控制核心，由溫濕度采集電路、人機接口電路、顯示電路、驅(qū)動電路以及報警電路幾部分組成。溫度和濕度數(shù)據(jù)的采集選用將感濕元件和測溫元件相結(jié)合的復(fù)合溫濕度傳感器DHT11完成，DHT11將采集到的信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后送入AT89C52單片機，單片機接收DHT11輸出的數(shù)字信號并對數(shù)據(jù)進行處理輸出到顯示器LCD1602進行顯示。與此同時單片機將人機交互按鍵預(yù)設(shè)的參考值與DHT11測量的值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷是否啟動報警電路與加濕、加熱裝置。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)電路主要由單片機芯片、復(fù)位電路和晶振電路三部分組成，如圖2所示。單片機芯片是系統(tǒng)控制的核心；復(fù)位電路采用手動復(fù)位，在使用過程中，想重新開始，或單片機發(fā)生死機的故障時，方便隨時重啟系統(tǒng)；晶振電路相當于電腦的主頻，控制單片機有節(jié)奏、有步驟地工作。

圖1 系統(tǒng)框圖

3.2 顯示電路

顯示電路選用體積小、通電電壓小、耗能很低，能夠顯示文字、圖形和各種符號的液晶顯示LCD1602，用于實時顯示外界環(huán)境中的溫濕度值和手動預(yù)設(shè)的溫濕度。與單片機的接口電路如圖3所示。

3.3 溫濕度采集電路

溫濕度的采集選用將感濕元件和測溫元件相結(jié)合的復(fù)合溫濕度傳感器DHT11。DHT11是一種能輸出數(shù)字信號并且信號已校準的復(fù)合式傳感器，能夠同時測量溫度和濕度并直接將溫度和濕度的物理量轉(zhuǎn)化為電信號，其與單片機的接口電路如圖4所示。其中DATA引腳(數(shù)據(jù)端)連接單片機P1.0口，將采集的溫度和濕度以數(shù)字量的形式輸入給單片機，1號引腳連接電源，4號引腳接地。

圖2 單片機最小系統(tǒng)

圖3 顯示電路

圖4 溫濕度采集電路

3.4 人機接口電路

人機接口電路包括4個獨立式按鍵，單片機P3.4-P3.7口分別與K1、K2、K3、K4連接；K1鍵按一次為預(yù)設(shè)溫度最高值，按兩次為預(yù)設(shè)溫度最低值，按三次和四次分別為預(yù)設(shè)濕度最高值與最低值，按第五次則返回到正常顯示界面。K2和K3按鍵用于加減預(yù)設(shè)溫度或濕度值，K4按鍵為確定儲存鍵，用于保存設(shè)置好的參數(shù)。與單片機接口電路如圖5所示。

圖5 人機接口電路

3.5 數(shù)據(jù)存儲電路

電路選擇了24C02C電路作為溫度、濕度參數(shù)的儲存電路，掉電時存儲的數(shù)據(jù)不會丟失，當溫度或濕度值預(yù)設(shè)定后，按下K4鍵24C02C將設(shè)定的溫濕度存儲下來。與單片機的接口電路如圖6所示，SCK和SDA引腳分別與單片機的P3.2和P3.3引腳相連。

圖6 數(shù)據(jù)存儲電路

3.6 報警電路

本設(shè)計報警電路由蜂鳴音報警和燈光報警構(gòu)成，如圖7所示蜂鳴音報警電路連接單片機P2.3口，當單片機檢測到的溫濕度超出預(yù)設(shè)范圍時P2.3會得到一個低電平，這時三極管Q1導(dǎo)通。

圖7 報警電路

3.7 加溫加濕電路

如圖8和圖9所示，加溫、加濕電路分別連接單片機的P1.7引腳和P1.6引腳。為便于電路的調(diào)試，將加熱和加濕裝置用電機代替。以加溫電路為例介紹其工作原理，單片機將傳感器采集的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進行比較后，若溫度值低于預(yù)設(shè)下限值時，單片機會給P1.7引腳一個低電平，經(jīng)電阻R10三極管Q2時繼電器吸合驅(qū)動加熱裝置進行加熱，當溫度高于下限值時P1.7變?yōu)楦唠娖?、繼電器斷開，加熱裝置停止工作，系統(tǒng)加熱停止。

4 軟件設(shè)計

主程序流程圖如圖10所示。系統(tǒng)采用模塊化編程，主要有程序初始化模塊、按鍵掃描程序模塊，數(shù)據(jù)采集程序模塊、顯示程序模塊、報警程序模塊、加溫程序和加濕程序模塊。

圖8 加溫電路

圖9 加濕電路

圖10 主程序流程

5 結(jié)語

本次設(shè)計采用傳感器技術(shù)和單片機技術(shù)，結(jié)合顯示器、人機接口電路、蜂鳴器、繼電器等外圍電路實現(xiàn)了對家居環(huán)境溫濕度的智能檢測。傳感器DHT11作為溫濕度數(shù)據(jù)的采集電路，其數(shù)據(jù)端可直接與單片機引腳相連，使系統(tǒng)電路連接大大簡化，降低了后期制作電路的成本。該系統(tǒng)人機接口電路能預(yù)先設(shè)定適宜的溫濕度范圍，可以適用于人們對不同環(huán)境的要求。該系統(tǒng)實時性強且能夠長期可靠穩(wěn)定運行，為改善居家生活環(huán)境起到了積極的作用[4,5]。