段曉麗，張家超，賈支元，李立新，閆玉瑋，吳偉振

(1.太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系,山西 太原 030008；2太原工業(yè)學(xué)院電子工程系,山西太原 030008)

0 引言

目前，加濕器已經(jīng)在日常生活中得到了較為廣泛的應(yīng)用，隨著溫濕度檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越成熟，加濕器的設(shè)計(jì)朝著更安全以及智能化、便攜化的方向發(fā)展。在ANSI公布的“熱舒適圖”中[1]表明，在大多數(shù)情況下，空氣濕度越高，人體感覺(jué)會(huì)越舒適，通常人體能感受到的最佳溫濕度范圍在40%RH～60%RH。但隨著溫度升高，濕度就不一定是越高越好了(例如在室溫25 ℃時(shí)，如果濕度大于50%人體反而會(huì)覺(jué)得不舒服，濕度越大越不舒適。)那么冬天在室內(nèi)感到不舒服時(shí)，很有可能是濕度太高了，繼續(xù)加濕則會(huì)適得其反[2]。因此我們需要對(duì)室溫環(huán)境更加精確的測(cè)量以及智能化的自動(dòng)加濕。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由易燒寫(xiě)的STC89C52單片機(jī)控制單元[3-4]、按鍵輸入閾值(按鍵模塊)、抗干擾能力強(qiáng)的DHT11濕溫度采集(傳感器模塊)、水位傳感器檢測(cè)(傳感器模塊)、LCD1602顯示(顯示模塊)、蜂鳴器報(bào)警(報(bào)警電路)、繼電器控制七個(gè)部分組成，其中單片機(jī)作為系統(tǒng)核心與其他六部分相互作用實(shí)現(xiàn)各類(lèi)功能。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)框圖

1.2 控制單元

因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有較高的集成度且性能穩(wěn)定[5]，操作靈活等優(yōu)勢(shì)，因此本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)為核心控制樞紐，振蕩電路、復(fù)位電路輔之。STC89C52是高性能COMOS8位微處理器，有8 K的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，它兼容MCS-51系列的引腳，適用于所有標(biāo)準(zhǔn)80C51指令集。此外該器件支持在系統(tǒng)編程(ISD)，程序下載完成后自動(dòng)運(yùn)行。

震蕩電路中單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。

本設(shè)計(jì)中復(fù)位電路采用上電復(fù)位，通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)的RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期即二個(gè)機(jī)器周期以上。

1.3 傳感器模塊

傳感器模塊是對(duì)整體電路進(jìn)行信號(hào)采集和初步處理，本次設(shè)計(jì)采用DHT11溫濕度傳感器模塊，其占用的面積小，濕度精度5.0%，溫度精度為0.2 ℃，采用的是單總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸方式，而且其抗干擾能力強(qiáng)，經(jīng)常用于高爐測(cè)溫、機(jī)房檢測(cè)、家庭溫度控制等方面適合于很多空間比較小的場(chǎng)合，檢測(cè)的結(jié)果以數(shù)字量方式串行傳送。

DHT11在3～5.5 V電壓下可以正常工作。在DHT11傳感器上電之后，為了越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)則需要等待1 s，在此期間不再發(fā)送任何指令。電源引腳(VDD，GND)之間可增加一個(gè)100 nF的電容，用以去耦濾波。DHT11同微處理器之間的通訊與同步通過(guò)DATA來(lái)實(shí)現(xiàn)的，DATA與單片機(jī)P2.0口相連，使用4.7 K上拉電阻，防止干擾來(lái)增加穩(wěn)定性。使用單總線(xiàn)數(shù)據(jù)格式，在安裝時(shí)為降低熱傳導(dǎo)，DHT11與印刷電路板其它部分的銅鍍層應(yīng)盡可能最小，并在兩者之間留出了一道縫隙。

1.4 顯示模塊

本次設(shè)計(jì)的顯示部分采用LCD1602液晶顯示器，可以顯示預(yù)設(shè)最佳相對(duì)濕度和室內(nèi)實(shí)時(shí)的相對(duì)濕度。LCD1602工作在3.5 V～5 V的工作電壓下，它內(nèi)部設(shè)計(jì)有復(fù)位電路，可以進(jìn)行光標(biāo)移動(dòng)、清屏的操作。顯示的亮度可以通過(guò)外部連接的電位計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。內(nèi)部帶有存儲(chǔ)器可以?xún)?chǔ)存數(shù)據(jù)，它可以直接與單片機(jī)相連，通過(guò)單片機(jī)程序來(lái)控制液晶的顯示。RT為電位器也就是滑動(dòng)變阻器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)這個(gè)電位器可以調(diào)節(jié)液晶背光亮度。

1.5 報(bào)警電路

本設(shè)計(jì)采用的蜂鳴音報(bào)警電路，采用有源蜂鳴器，其作用是將在水位低于閾值的信號(hào)送給單片機(jī)后，進(jìn)行報(bào)警，起到防干燒的目的。由于電路上的TTL電平基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，因此設(shè)計(jì)中增加了一個(gè)PNP型三極管放大電流以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，如圖2所示，圖中電阻R4起到限流的作用，可以防止三極管意外導(dǎo)通而損壞器件。

圖2 蜂鳴器報(bào)警電路

蜂鳴器的正極性的一端聯(lián)接到5 V電源上面，另一端接到三極管的集電極，三極管的基極由單片機(jī)的一個(gè)管腳通過(guò)一個(gè)與非門(mén)來(lái)控制，當(dāng)管腳為低時(shí)，與非門(mén)輸出高電平，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。當(dāng)管腳為高時(shí)，與非門(mén)輸出低電平，三極管截至，蜂鳴器不發(fā)出聲音。

1.6 按鍵電路

按鍵電路如圖3所示，其主要功能為判別是否有按鍵按下，如果有就進(jìn)入下一步工作；然后識(shí)別哪一個(gè)鍵被按下，求出相應(yīng)的鍵值；依據(jù)鍵值找到相應(yīng)的處理程序入口。具體操作及響應(yīng)如下：

圖3 按鍵電路

所有按鍵都是在按鍵彈起時(shí)，按鍵與單片機(jī)之間的引腳處于高電平，按鍵按下時(shí)處于低電平：

1) 總開(kāi)關(guān)：主要用來(lái)控制硬件系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)；

2) 狀態(tài)選擇鍵K1：模式選擇鍵，按一次后轉(zhuǎn)為手動(dòng)模式，可以根據(jù)用戶(hù)需要輸入最佳相對(duì)濕度，再按一次轉(zhuǎn)為自動(dòng)模式，根據(jù)默認(rèn)最佳相對(duì)濕度40%RH進(jìn)行加濕；

3) 數(shù)字設(shè)置鍵：在選擇手動(dòng)模式后，按下設(shè)置鍵K2后，進(jìn)行溫濕度設(shè)置，按下按鍵K3即可進(jìn)入溫度或濕度的數(shù)值設(shè)置。

1.7 繼電器電路

電路中繼電器室通過(guò)PNP型三極管驅(qū)動(dòng)，當(dāng)閾值超過(guò)設(shè)定時(shí)，單片機(jī)會(huì)由高電平跳變成低電平，三極管導(dǎo)通繼電器吸合，繼電器起開(kāi)關(guān)作用，可以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的是Keil軟件，它是C51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，能夠應(yīng)用通俗易懂的高級(jí)C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

所有的程序，使用C51編程語(yǔ)言，在keil開(kāi)發(fā)環(huán)境中編譯和調(diào)試，整個(gè)程序利用了中斷技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)、系數(shù)補(bǔ)償技術(shù)以及其他先進(jìn)技術(shù)。系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)分為幾個(gè)模塊包括濕度檢測(cè)模塊、濕度控制模塊、按鍵輸入模塊、顯示模塊、水位檢測(cè)模塊。

系統(tǒng)上電初始化后，讀取水位信號(hào)，根據(jù)水位信號(hào)判斷是否蜂鳴報(bào)警，選擇自動(dòng)/手動(dòng)模式后，傳感器讀取濕度將數(shù)據(jù)送至單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)比對(duì)，判斷是否加濕。加濕中如果輸入水位低信號(hào)則蜂鳴報(bào)警且不再加濕。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4 主流程圖 圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

2.2 濕溫度DHT11程序

溫濕度程序包括DHT11初始化，應(yīng)答脈沖，掃描，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，讀操作等步驟，其程序流程圖如圖5所示。

2.3 LCD1602顯示程序

考慮到要顯示的是溫度和濕度這兩個(gè)數(shù)據(jù)，只需要能夠顯示一到兩行的顯示器即可。LCD1602顯示數(shù)據(jù)的過(guò)程是首先進(jìn)行液晶初始化，初始化之后執(zhí)行延時(shí)程序，等待數(shù)據(jù)的采集，演示完成后先寫(xiě)入一些指令和顯示字符的地址，之后單片機(jī)向LCD發(fā)送數(shù)據(jù)即寫(xiě)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，LCD讀取寫(xiě)入的地址并顯示出來(lái)，最后返回。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 顯示流程圖

3 結(jié)語(yǔ)

本款以STC89C52為核心設(shè)計(jì)的加濕器，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)室內(nèi)空氣溫濕度對(duì)加濕器的智能調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)顯示溫濕度，同時(shí)也通過(guò)水位檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)了加濕器的防干燒功能，提高了安全性，性?xún)r(jià)比高，有較好的實(shí)際推廣價(jià)值。