王莉，陸安江

（貴州大學大數據與信息工程學院，貴州貴陽 550025）

隨著科學技術的快速發(fā)展，人們的生活水平也逐步提高。人們更注重生活品質，加濕器的出現滿足了人們創(chuàng)造生活空間相對濕度的條件[1]。在日常生活和工業(yè)生產中，加濕器控制濕度時要準確且有效，同時還要確保其安全性能[2]。常規(guī)加濕器無法檢測室內的溫濕度，調節(jié)濕度的功能比較差，缺乏對水位的檢測管理且容易出現加濕過度和干燒的情況，需要手動操作控制，無法自動加濕，還存在一系列安全隱患。由于空調等供暖或者制冷設施會導致皮膚缺水引起干燥，還易引發(fā)感冒、咳嗽等癥狀，在工業(yè)生產中對產品的質量也會有所影響，因此需要一款加濕器使空氣溫濕度平衡，以呵護人體健康，確保產品質量。文中基于AT89C51 單片機設計的智能加濕器，可以根據用戶的實際需求進行靈活調節(jié)，同時兼具實用性強、成本低、安全性高等優(yōu)點，尤為重要的是，為家庭及工廠提供有效的濕度檢測及智能控制，使得人們的生活更加便利。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 硬件設計的整體思路

該設計以AT89C51 單片機為智能溫濕度控制系統(tǒng)的核心，實時測量室內溫濕度，最佳相對濕度可以根據用戶的需要設置，并且能夠根據環(huán)境溫濕度的變化進行自動調節(jié)，使得設定的溫濕度基本保持不變。溫濕度傳感器DHT11 采集溫濕度信號，然后轉換為數字信號，并通過單片機AT89C51 對測得的數據進行分析和處理，與測得值比較，控制加濕功能，并在LCD1602 上顯示當前以及設定的溫濕度數值，當前溫濕度低于最佳相對濕度值時則開始加濕，高于最佳相對濕度時則停止加濕。外加時鐘電路、鍵盤電路和報警電路，除了可以根據用戶需求設置最佳相對濕度值外，還可以通過按鍵切換它的工作模式。加濕器的加濕功能啟動后，綠色LED 燈亮時代表開始加濕。在整個過程中，如果輸入端為“水位低”信號，則與水位檢測相配置的蜂鳴器報警，加濕器立即停止加濕以防干燒。模式選擇、水位加減和濕度加減通過按鍵進行設定，操作方便，同時用戶可通過指示燈顯示查閱各狀態(tài)。

把顯示模塊中單片機的P0口與LCD 的數據輸入口D1-D7 連接，RW 接地表示寫入數據，LCD 的數據寫入設計為E 接高脈沖時讀取信息，下降沿時開始執(zhí)行指令。RS 接高電平和低電平時分別表示選擇寫數據操作和選擇寫指令操作，傳感器上的DATA 口連接在單片機的P2.4 上，串行接口采用單總線數據格式，對數據采用雙向傳輸，高位先輸出，一次可完整輸出40 bit 數據，單片機對前八位濕度整數的部分進行讀取[3]。系統(tǒng)總體方案的整體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 單片機模塊

該系統(tǒng)采用AT89C51 作為控制電路的核心器件。AT89C51 單片機是ATMEL 公司出品的一款與MCS51兼容的單片機，提供4 kB的Flash存儲器，128字節(jié)內部RAM，32 個可編程I/O 線，2 個16 位定時器，一個中斷系統(tǒng)，一個串行通信口，片內震蕩器和時鐘電路[4-5]。AT89C51 內部含有高增益反相放大器，可以構成振蕩器，放大器的輸入端和輸出端引腳分別為RXD 和TXD。時鐘產生有內部方式和外部方式兩種，在RXD 和TXD 引腳上可外接定時元件，定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯諧振回路，內部振蕩器的時鐘電路產生自激振蕩。晶體振蕩頻率范圍為1.2～12 MHz，通過微調頻率可以調節(jié)電容值的大小，范圍為5～30 pF，工作電壓在4.5～5.5 V 之間。該設計采用12 MHz 晶振，30 pF 電容，5 V 供電。

單片機首先要進行復位操作，把PC 初始化為0000H，單片機執(zhí)行程序從0000H 單元開始，當程序由于運行或操作出現錯誤時，系統(tǒng)會變?yōu)樗梨i狀態(tài)，按復位鍵重新啟動即可解決問題。高電平對于復位信號有效（超過2 μs 可完成復位操作），其有效時間應持續(xù)24 個振蕩周期以上[6]，單片機的輸入端是RST引腳，使用頻率為12 MHz 的晶振。

1.3 傳感器模塊

該系統(tǒng)采用的DHT11 是可以同時檢測溫度和濕度的數字傳感器，通過單總線傳輸協議，傳感器的數據被單片機以8 位二進制的編碼方式讀取。DHT11 的電源電壓為3.0～5.5 V，溫濕度測量值的范圍分別為0～50 ℃、20%～90%RH[7-8]。DHT11 具有靈敏度高、線性好、功能全等優(yōu)點，且功耗小、體積小，連接方法簡單[9]。DHT11 采用單總線數據格式和微處理器保持通信和同步，接口簡單且無需校準。一次通信時間約4 ms，分辨率為8 bit，足以滿足日常環(huán)境溫濕度的檢測要求。在測量濕度時，為了減少周圍溫度變化的影響，盡可能在溫度相對穩(wěn)定的環(huán)境中檢測濕度。

DHT11 內部包含NTC 測溫元件和電阻式測濕元件各一個，可與高性能的8 位單片機相連，和單片機等微處理器構成簡單的電路可以實時檢測室內相對溫濕度。因此DHT11 和單片機之間僅需一個I/O口，利用簡單的單總線就可以實現通信，節(jié)省資源并且減少了對單片機的I/O 口的占用。其數據編碼方式為8 位二進制，輸出為數字信號，可減少單片機預處理信號的負擔和用戶工作量。DHT11 一次完整的數據傳輸為40 bit，其中濕度整數數據、溫度小數數據、校驗的數據格式、濕度小數數據、溫度整數數據均為8 位，先輸出高位。在傳送數據無誤時，8 位的校驗數據和濕度整數數據是相同的。DHT11 數字溫濕度傳感器在上電后需等待1 s 以上，不穩(wěn)定狀態(tài)期間，不向AT89C51 單片機發(fā)送任何指令[10]。DHT11通過DATA 引腳與微處理器之間進行通信和同步，通過DATA 實現，單次通信時間約為4 ms。溫濕度傳感器原理圖如圖2 所示。

圖2 溫濕度傳感器原理圖

1.4 液晶顯示模塊

該設計顯示部分所采用的LCD1602 液晶顯示器是字符型液晶顯示模塊，能夠顯示字母、數字以及符號[11]。LCD1602 液晶顯示器為電路中的顯示部分，可預設最佳相對濕度并顯示室內的濕度。LCD1602可以顯示2 行共16 個字符，通常有14 條（無背光）或16 條（帶背光）引腳線[12]，有8 位數據線總線D0-D7和三個控制端口R/W、RS、EN[13]，工作電壓為5 V，工作電流為2.0 mA，并且可以調節(jié)字符對比度。

液晶顯示器的D0-D7 口和單片機的雙向I/O 口P1 口相連，它是8 位漏極開路型，常用于地址/數據總線復用口。當它作為輸出口時，每個引腳可吸收8TTL 門電流，邏輯門電路可以被驅動。當P1 口的管腳寫1 時，高阻抗輸入端，訪問程序存儲器時和外部數據存儲器時，內部上拉電阻會被激活，作為數據/地址的第八位。由于需要外接上拉電阻，所以需要排阻連接到單片機AT89C51 上。LCD1602 液晶顯示器與單片機連接的原理圖如圖3 所示。

圖3 液晶顯示器與單片機連接原理圖

1.5 報警電路模塊

報警電路采用有源蜂鳴器，其驅動發(fā)聲簡單，通電就能持續(xù)發(fā)聲。蜂鳴器的發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈時產生磁場，從而驅動振動膜發(fā)聲，因此需要一定的電流。在水位按鍵將低水位信號傳給單片機后，蜂鳴器報警以防干燒。由于單片機I/O 引腳輸出電流較小，TTL 電平的輸出幾乎驅動不了蜂鳴器，因此添加一個PNP 型三極管構成電流放大電路驅動蜂鳴器。該報警電路由一個三極管和一個蜂鳴器組成，當單片機檢測到水位低時，則三極管導通，蜂鳴器報警，如果水位正常則三極管截止。

1.6 鍵盤電路模塊

鍵盤分為獨立式按鍵和矩陣式按鍵[14]。由于該設計需要的按鍵數目較少，故選擇獨立式按鍵。按鍵與單片機之間的引腳，在按鍵彈起時處于高電平，在按鍵按下時處于低電平。濕度鍵K1、K2 分別用于增加、降低設定的數值，K3、K4 進行水位高低的操作。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 主程序設計

系統(tǒng)的程序設計包括溫度檢測模塊、按鍵輸入模塊、顯示模塊、水位檢測模塊。系統(tǒng)上電初始化后，讀取水位信號，判斷是否蜂鳴報警，傳感器讀取溫濕度并將數據送至單片機進行數據比對，如果輸入水位低信號則蜂鳴報警且不再加濕。主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 主流程圖

2.2 傳感器模塊設計

根據傳感器的通信協議，首先由單片機的I/O 口產生激發(fā)信號，然后傳感器控制數據線，單片機通過while 語句不間斷地檢查I/O 口的高低電平，得到準確的傳輸數據。

對濕度進行采集時，首先由P2.3 輸出低電平，延時18 ms 后P2.3 輸出高電平，延時40 ms 后，讀P2.3引腳是否為低電平，若不是則繼續(xù)讀取，若是就開始執(zhí)行判斷從機80 μs 高電平是否結束，沒結束就接著判斷，若結束則接收單片機數據，并以十進制的方式存入到指定的數組中，數據采集結束后保持且持續(xù)進行。傳感器模塊的軟件流程圖如圖5 所示。

圖5 DHT11傳感器模塊流程圖

2.3 液晶顯示模塊設計

在調用液晶顯示模塊時要先確認模塊的忙標志為低電平（即不忙），才可以執(zhí)行指令，而高電平時指令失效。首先將LCD1602 初始化，然后執(zhí)行延時程序，等待數據采集，演示完成后先寫入一些指令和顯示字符的地址，單片機再向LCD 發(fā)送數據（即寫數據），數據發(fā)送完成后，LCD 讀取寫入的地址并顯示，最后返回。

3 Proteus仿真

設計采用的畫圖軟件是EDA 軟件仿真平臺的Proteus，具有電路分析和系統(tǒng)仿真功能[15]。在編譯方面，支持Keil 等多種編輯器，系統(tǒng)的原理圖結合外圍電路輸入進行編程，運行以后可得到仿真效果。因其具有完備的電子開發(fā)環(huán)境，所以不需要借助虛擬測量工具，就可以判斷系統(tǒng)的軟硬件性能，從而優(yōu)化了單片機的開發(fā)流程。Proteus 進行仿真調試的優(yōu)點是彌補了元器件的缺乏，大幅簡化了硬件的調試工作，開發(fā)成本低且效率高。

在Proteus 繪制完原理圖后，載入到Keil[16-17]軟件編譯好的HEX 文件中，仿真運行后就可以看到實物的模擬運行狀態(tài)和過程，可以檢驗出設計是否正確。在仿真運行過程中，通過每個接口的引腳旁邊指示燈顏色可以比較直觀地判斷各個管腳的高低電平，藍色和紅色分別為低電平和高電平。該設計的部分程序如下。

在使用Proteus 仿真時通過單片機將DHT11 傳感器采集的數據寫入LCD1602 顯示。上電之后加濕器默認是自動模式，最佳相對濕度默認為60%，此時濕度檢測模塊測得當前溫濕度分別為30 ℃和26%，低于設置的最佳濕度值，從上電后的仿真圖可以看出，綠色LED 燈變亮，加濕器開始加濕。當濕度相對于設置的最佳濕度過高5%和水位相對于設置的水位過低5%時報警電路均會進行報警，可以有效地防止加濕器的干燒和過度加濕。該設計最佳濕度可手動設置，且在任何狀態(tài)下，只要輸入水位低信號，就能報警并停止加濕，實現了智能防干燒功能。上電之后的仿真界面如圖6 所示。

圖6 仿真界面

4 結束語

文中設計的智能加濕器經過Proteus 仿真后，系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定運行，能夠實現自動化的工作方式，而智能化的工作方式可以使電路更加節(jié)能，綠色環(huán)保的同時也確保了加濕器的安全性能。該設計也存在有待改善的地方，如沒有精確的溫度檢測系統(tǒng)，不能根據環(huán)境的溫度智能地調節(jié)所需要的濕度。但由于電路設計簡單高效，器件成本低，仍具有比較好的市場前景。