基于單片機的智能加濕器設(shè)計

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. . 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目 基于單片機的智能 加濕器設(shè)計 姓 名 ****** 專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號 ********* 指導(dǎo)教師 **** 鄭州科技學(xué)院電氣工程學(xué)院 二〇一五年五月 . . 目 錄 摘 要 .............................................................................................................................I Abstract ........................................................................................................................II 1 緒論 ..........................................................................................................................1 1.1 選題背景和意義 ...........................................................................................1 1.2 發(fā)展現(xiàn)狀及前景 ...........................................................................................2 1.3 設(shè)計任務(wù) .......................................................................................................3 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 ..........................................................................................................5 2.1 總體設(shè)計 .......................................................................................................5 2.2 單片機模塊 ...................................................................................................6 2.2.1 單片機介紹 ........................................................................................6 2.2.2 單片機的特點 ....................................................................................7 2.2.3 單片機最小系統(tǒng) ................................................................................9 2.3 傳感器模塊 .................................................................................................10 2.3.1 溫濕度傳感器選擇方案 ..................................................................10 2.3.2 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器 ..............................................................11 2.3.3 傳感器電路 ......................................................................................14 2.4 液晶顯示模塊 .............................................................................................15 2.4.1 顯示器的設(shè)計方案 ..........................................................................15 2.4.2 1602 字符型液晶顯示屏 ..................................................................15 2.4.3 1602LCD 電路 ..................................................................................18 2.5 報警電路模塊 .............................................................................................19 2.6 按鍵模塊 .....................................................................................................20 2.6.1 輸入設(shè)計方案 ..................................................................................20 2.6.2 按鍵電路 ..........................................................................................20 2.7 系統(tǒng)電路工作原理 .....................................................................................21 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ........................................................................................................23 3.1 主程序設(shè)計 .................................................................................................23 3.2 溫濕度檢測控制模塊設(shè)計 .........................................................................24 . . 3.3 液晶顯示模塊設(shè)計 .....................................................................................25 4 系統(tǒng)調(diào)試與分析 ....................................................................................................27 4.1 軟件調(diào)試 .....................................................................................................27 4.2 程序調(diào)試 .....................................................................................................28 4.2.1 KEIL 軟件簡介 .................................................................................28 4.2.2 調(diào)試過程 ..........................................................................................29 4.3 調(diào)試分析 .....................................................................................................29 總 結(jié) ..........................................................................................................................32 致 謝 ..........................................................................................................................34 參考文獻 ....................................................................................................................35 附錄 1 實物圖 ...........................................................................................................36 附錄 2 源程序 ...........................................................................................................37 . . 基于單片機的智能加濕器設(shè)計 摘 要 目前在我們的日常生活中，加濕器被應(yīng)用到很多領(lǐng)域，可是市場上大多數(shù) 的加濕器都需要通過手動來控制加濕器的開啟和關(guān)閉，而且不能對空氣中的的 溫濕度進行實時且精確的監(jiān)測，使得人們在使用加濕器的過程中出現(xiàn)一些意想 不到的問題，如對空氣過度加濕，過多的空氣濕度就會對人體健康造成負面影 響；加濕器工作時出現(xiàn)干燒的情況還會給我們帶來安全隱患。因此在現(xiàn)有加濕 器的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種具有智能控制功能的加濕器顯得尤其必要。 本次設(shè)計以 STC89C52 單片機與溫濕度傳感器為系統(tǒng)的設(shè)計核心，運用溫 濕度傳感器 DHT11 對空氣中的溫濕度信號進行采集，并利用它處理信號的功 能，將采集到的溫濕度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過單片機的可編程能力對該 數(shù)字信號進行分析與處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過 1602 液晶顯示屏顯示出來， 實現(xiàn)對空氣中的相對濕度的實時顯示功能，同時單片機也能夠智能控制加濕器 的工作狀態(tài)，以達到自動控制加濕器的目的。該設(shè)計還擁有水位監(jiān)測電路和報 警電路，實現(xiàn)加濕器的防干燒功能。該系統(tǒng)的設(shè)計電路簡單，檢測數(shù)據(jù)的精度 高，且具有較高的可靠性。 關(guān)鍵詞:加濕器；STC89C52 單片機；溫濕度傳感器 DHT11；1602 液晶顯示屏 . . INTELLIGENT HUMIDIFIER DESIGN BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER Abstract At present in our daily life, the humidifier can be used in many areas, but the majority of the markets need to manually control the humidifier humidifier is opened and closed, and can not be real-time and accurate monitoring of temperature and humidity in the air, which makes people some beat all problems occur in the process of the humidifier, such as the excessive air humidification, air humidity will cause too much negative impact on human health; in the dry situation will bring hidden trouble to our humidifier work. Therefore, based on the existing humidifier on the development of a kind of intelligent control function of the humidifier is particularly necessary. This design uses the STC89C52 microcontroller with temperature and humidity sensors for the design of the core system, using temperature and humidity sensor DHT11 to collect temperature and humidity signal in the air, and use it in signal processing function, the temperature and humidity of the collected signal is converted into digital signal, the digital signal is single chip programmable ability analysis and processing, the processed data through 1602 LCD display, real-time display function of the relative humidity in the air, and the MCU can also work state of intelligent control of the humidifier, in order to achieve the purpose of automatic control humidifier. The design also has a water level monitoring circuit and alarm circuit, dry burning prevention function of humidifier. The design of the circuit of the system is simple, high precision of detection data, and has high reliability. Keywords: humidifier; STC89C52 MCU; temperature and humidity sensor DHT11; 1602 LCD display . . 1 緒論 目前加濕器被普遍應(yīng)用于很多領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進步，溫濕度 檢測技術(shù)趨于成熟，以溫濕度檢測技術(shù)為設(shè)計核心的加濕器也朝著小型化、低 功耗和智能化方向發(fā)展 [1]。單片機以較高的集成度和穩(wěn)定的性能，使其在智能 加濕器的設(shè)計方面具備更加顯著的優(yōu)勢。 1.1 選題背景和意義 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活水平也逐漸提高，伴隨著的是生活環(huán)境 與工作環(huán)境的質(zhì)量漸漸被人們重視起來。當空氣中的濕度沒有達到一定的濕度 值時，會給我們的日常生活和工作帶來負面影響。如果我們長期生活在干燥的 空氣環(huán)境中，人體的舒適度值會降到很低，甚至會對我們的身體健康帶來許多 未知的隱患；當我們在工作的時候還會提高產(chǎn)品的不良率從而降低生產(chǎn)產(chǎn)品的 速度，引起各式各樣的不良影響，此時加濕器就顯得尤為重要，我們可以通過 使用加濕器來有效地增加室內(nèi)空氣中的濕度，濕潤干燥的空氣。 水由于表面張力的作用，會主動形成水滴的形狀，同時會吸附空氣中的灰 塵。當室內(nèi)空氣中的粉塵和漂浮的煙霧與水分子結(jié)合后，會形成一個個小的顆 粒，使空氣中的灰塵沉淀下來，而且可以有效的去除室內(nèi)空氣中的異味，使空 氣變得清新。在本次的設(shè)計中，主要是運用加濕器調(diào)節(jié)空氣中的濕度，以達到 提高人體舒適度的目的。研究發(fā)現(xiàn)，濕度不僅影響人們的生活質(zhì)量，在工業(yè)制 造和產(chǎn)品質(zhì)量方面同樣有著重要的影響。塑料薄膜大棚、廠房和辦公室等室內(nèi) 封閉場所，一般都需要用智能加濕器來調(diào)節(jié)空氣的濕度，使室內(nèi)空氣的濕度達 到合適的程度。 在日常生活中我們經(jīng)常用舒適度來描述環(huán)境質(zhì)量，但是人體舒適度與大氣 探測儀器檢測到的各種氣象要素結(jié)果有很大的不同，它不是一個精確的數(shù)據(jù)參 數(shù)，僅僅是人體對外界氣象環(huán)境的一種主觀感受。人體舒適度指數(shù)是人為制定 的一種生物氣象指標，通過人體舒適度指數(shù)我們可以更加清楚的了解我們所在 環(huán)境下的舒適感，且可以顯示出在不同的天氣條件下，人體可以感覺到的舒適 度值。在眾多的影響因素中，溫度、相對濕度、氣壓、風速這些氣象因素，對 . . 人體的舒適度產(chǎn)生很大的影響。最佳的溫濕度范圍是 40%RH～60%RH [2]，人 體在此溫濕度范圍內(nèi)的舒適度最佳。 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：生活在適宜濕度的空氣環(huán)境下的生物體才能長期保持活力。 將一些我們常用的木質(zhì)家具長期放置在過于干燥的空氣環(huán)境下，會對其造成一 些不同程度的損壞，如樂器、家具和木質(zhì)裝修等很可能會出現(xiàn)變形、老化甚至 干裂的情況。因此，我們在存放以上物品時要格外注意室內(nèi)濕度，標準情況下 應(yīng)保持在 40%-60%RH 范圍內(nèi)，然而對于生活在河北地區(qū)的家庭來說，冬天的 室內(nèi)濕度平均為 10%-15%RH，干燥的空氣環(huán)境下，出現(xiàn)高壓靜電的情況十分 普遍。家用電器及辦公電器的廣泛使用，使得靜電出現(xiàn)在我們生活中的各個角 落 [3]。當靜電情況十分嚴重時，對我們的生活環(huán)境也是一種污染。生活或工作 在此環(huán)境下的人心情容易煩躁，有時甚至會出現(xiàn)頭暈胸悶的情況，嚴重影響我 們的身體健康。智能加濕器可以放出一些富含負氧離子的空氣，既調(diào)節(jié)為適宜 濕度的空氣，這些空氣均勻的布滿整個空間，可以很大程度的消除靜電現(xiàn)象， 還可以過濾空氣中異味，制造出更加清新、芳香的空氣。因此，對空氣中的濕 度適當?shù)倪M行調(diào)節(jié)，無論是對與我們的身心健康還是工作學(xué)習，都有著不可忽 視的重要意義。 調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的方法有很多，我們可以在室內(nèi)灑水或者放置水族箱，但是 這種調(diào)節(jié)空氣濕度的方式是十分緩慢的，而且我們無法控制它的影響程度。如 果加濕的程度過大，也會對人體造成不好的影響，如今大多數(shù)的家庭和公司都 是應(yīng)用加濕器來對空氣加濕。 本次設(shè)計基于單片機技術(shù)，對智能加濕器的部分功能實施進一步的改動， 使其可以根據(jù)用戶的個人需求進行調(diào)節(jié)，而且擁有智能控制功能，其能夠根據(jù) 傳感器檢測到的實時濕度自動控制加濕器的工作狀態(tài)。在本設(shè)計中，加濕器的 智能控制能力得到了加強，完全可以滿足用戶對產(chǎn)品的簡單要求，在產(chǎn)品開發(fā) 方面具有十分重要的意義。 1.2 發(fā)展現(xiàn)狀及前景 智能加濕行業(yè)在我國發(fā)展了將近 20 年，通過這些年空氣質(zhì)量概念的普及 和人們對身體健康意識的提高，加濕器的功能和作用也漸漸被人們所了解，并 逐漸被人們接受和青睞。可是，由于加濕器這一新興行業(yè)在我國發(fā)展的比較晚， . . 它相應(yīng)的一些產(chǎn)品質(zhì)量標準沒有得到規(guī)范化，這為廣大用戶在選擇上帶來了一 定的選擇困難。眾多廠商只跟風不跟質(zhì)量的行為，導(dǎo)致了加濕器行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量 的參差不齊，使消費者的合法權(quán)益受到了侵害。 加濕器功能主要是增加室內(nèi)空氣的濕度，使?jié)穸瓤刂圃谙鄬】档臓顟B(tài)下。 加濕器按其功能劃分為三種：電熱加濕器、超聲波加濕器和凈化加濕器。電熱 加濕器主要是對水進行加熱使其蒸發(fā)，利用水蒸汽來加濕空氣，此種加濕方式 容易發(fā)生熱蒸汽燙傷人的情況，已基本被淘汰。超聲波加濕，主要是運用超聲 波的高頻震蕩原理，把水分子震蕩、霧化為微小的霧狀顆粒，然后應(yīng)用風動裝 置把這些霧狀顆粒吹送出去，實現(xiàn)加濕的功能。凈化加濕，在空氣循環(huán)系統(tǒng)中 應(yīng)用水幕洗滌的技術(shù)，可以有效的過濾空氣中的塵埃，且把空氣中的雜質(zhì)吸附 在高效過濾器上，再經(jīng)過風動裝置將過濾后的水分子稀釋到空氣中，使得空氣 得到凈化且加濕，它是目前最新的加濕器產(chǎn)品。 我國的加濕器產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，產(chǎn)品的人均占有率比日本、美國、韓國等國 家低的多，我國民眾對空氣質(zhì)量和加濕器、凈化器產(chǎn)品的進一步了解，能夠促 進國內(nèi)加濕器行業(yè)的發(fā)展，提升國民健康水平，更能提高國民的生活品質(zhì)。 隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民的生活水平也逐漸提高。同時，人們也更 加重視生活質(zhì)量和身體健康，空氣加濕器也慢慢的走進了更多的家庭中，并且 在干燥地區(qū)很受人們的歡迎?？諝饧訚衿髟趪鴥?nèi)仍是新興的產(chǎn)品，加強對加濕 器的開發(fā)和研究的力度，不但促進了我國加濕器行業(yè)的發(fā)展，而且能夠提高人 們的生活品質(zhì)和健康水平。近年來，人們對加濕器的功能與審美設(shè)置提出了更 高的要求，為了實現(xiàn)這些要求，加濕器的產(chǎn)品類型變得更加多樣、材質(zhì)處理更 加細膩，且造型設(shè)置更加豐富多姿。 1.3 設(shè)計任務(wù) 本次設(shè)計的重點就是在現(xiàn)有的加濕器基礎(chǔ)上，增加防干燒功能，提高加濕 器系統(tǒng)的智能控制能力。該系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需要，手動設(shè)置最佳相對濕度 值，并且在室內(nèi)空氣濕度發(fā)生變化時，能夠自動開啟或關(guān)閉加濕器，使?jié)穸戎?保持在設(shè)定的濕度范圍內(nèi)，達到智能加濕的目的。智能加濕器系統(tǒng)是通過溫濕 度傳感器來采集空氣中的溫度和濕度的信號數(shù)據(jù)的，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過 STC89C52 單片機的分析和處理，在 1602LCD 上顯示出當前濕度與設(shè)定的濕 . . 度值。另外再添加時鐘電路、鍵盤電路和報警電路。該系統(tǒng)具備手動模式和自 動模式，在手動模式里我們可以根據(jù)自己的實際需要來設(shè)定最佳濕度值；自動 模式中的最佳濕度值是系統(tǒng)設(shè)計的初始值，這兩種模式可以通過設(shè)定的按鍵來 切換。在本次設(shè)計中加濕模塊運用二極管模擬的方式，當系統(tǒng)檢測到驅(qū)動加濕 器模塊的管腳出現(xiàn)低電平時，二極管點亮演示加濕；水位監(jiān)測模塊檢測到低水 位，既管腳電平變?yōu)榈碗娖綍r，蜂鳴器發(fā)出報警信號，防止出現(xiàn)加濕器干燒的 情況。 . . 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 2.1 總體設(shè)計 根據(jù)設(shè)計要求確定了智能加濕器的整體設(shè)計方案，該設(shè)計方案由單片機、 溫度傳感器、1602LCD 以及按鍵輸入等部分組成。智能加濕器需滿足以下要求： （1）系統(tǒng)直接由 5V 的直流電源提供電壓； （2）用戶能夠自由設(shè)置系統(tǒng)的最佳濕度值； （3）環(huán)境濕度低于 40％時系統(tǒng)會自動加濕； （4）檢測得到的數(shù)據(jù)可以通過顯示模塊顯示。 總體設(shè)計的智能加濕器功能原理圖如圖 2.1 所示。 單片機 溫濕度傳感器 按鍵輸入模塊 溫濕度顯示模塊 mokuai 加濕模塊 報警模塊 圖 2.1 智能加濕器功能原理圖 電路中設(shè)計了一個手動/自動轉(zhuǎn)換鍵，選擇自動模式，相當于按下復(fù)位鍵， 系統(tǒng)恢復(fù)默認最佳相對濕度，溫濕度傳感器對空氣中的溫濕度進行檢測，最后 運用液晶屏將經(jīng)過計算后的數(shù)據(jù)顯示出來，如果檢測到的濕度比最佳濕度范圍 低就開始加濕，超過最佳濕度范圍就停止加濕。 在系統(tǒng)的顯示模塊中，STC89C52 芯片的 P0 端的八個引腳分別與液晶顯 示屏的數(shù)據(jù)輸入端口 D1~D8 相連，P2.7 和 P2.6 口分別接到 LCD 的寄存器選 擇端和使能端，RW 為讀寫信號選擇端口，端口電平為高電平時進行讀操作， 低電平時進行寫操作。在本次設(shè)計中只進行寫操作，所以讀寫信號選擇端口接 地。RS 是寄存器選擇端口，當 RS=‘0’時系統(tǒng)進行寫指令操作，RS=‘1’ 時進行寫數(shù)據(jù)操作；E 為使能端，當 E 端電平信號出現(xiàn)高脈沖即上升沿時，液 . . 晶屏開始讀取顯示信息，并在信號電平跳變到下降沿的時候執(zhí)行指令 [4]。溫濕 度傳感器連接到單片機的 P1.2 腳，它采用的數(shù)據(jù)傳輸格式是單總線格式，可 以單次輸出高達 40 位的數(shù)據(jù)，此次設(shè)計只顯示溫度和濕度的整數(shù)部分，因此 只讀取整個數(shù)據(jù)的八位濕度整數(shù)部分與八位溫度整數(shù)部分。 選擇的具體實施方案；系統(tǒng)具備自動加濕和手動加濕兩種模式，用戶可以 根據(jù)自身需要來選擇，且能夠手動更改相對濕度的最優(yōu)值；單片機通過溫濕度 傳感器檢測空氣中的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將測得的數(shù)據(jù)送入主控模塊，主控模 塊可以將測得的實時濕度與用戶設(shè)計的最佳相對濕度進行對比，以此來決定是 否需要加濕；主控模塊可以根據(jù)水位的高低來判斷是否需要報警，當需要報警 時，主控模塊不但控制報警模塊發(fā)出報警信號，而且控制加濕器關(guān)閉加濕；運 用液晶顯示器顯示出室內(nèi)空氣的實時溫度和濕度，且將相對濕度的最優(yōu)值顯示 出來；利用 LED 燈演示加濕和水位高低。 2.2 單片機模塊 2.2.1 單片機介紹 本次設(shè)計的系統(tǒng)運用的中心控制元件是 STC89C52 單片機，STC89C52 是 深圳宏晶科技公司開發(fā)、TSMC 公司生產(chǎn)的一種增強 8051 內(nèi)核單片。其采用 了基于 Flash 的在線編程技術(shù)，在對單片機編程寫軟件時無需采用專用編程器， 可以通過 PC 直接對 STC 系列單片機進行編程，使單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)變得 更加簡單 [7]。 STC 系列單片機性能優(yōu)秀，其編程十分方便，非常適合初學(xué)者使 用，最重要的是它比較低廉。該芯片具備 8 bit CPU 與在線可編程 Flash，應(yīng)用 該芯片的嵌入式控制系統(tǒng)變得更加高效、流暢。STC 系列單片機的正常工作電 壓為 3.3V～5.5V，如圖 2.2 是 STC89C52 的實物圖。 圖 2.2 STC89C52 實物圖 . . STC 單片機產(chǎn)品種類十分繁多，現(xiàn)有超過百種的單片機。STC 單片機按照 工作速度和內(nèi)部配置的差異，分為許多系列的產(chǎn)品。根據(jù)運行速度能夠分為 12T/6T 和 1T 系列產(chǎn)品。所謂 1T 是指單片機運行一個機器周期只需要一個時 鐘周期，運行速度大大加快。STC89、STC90 和 STC11/10 系列屬于基本配置， 而 STC12/15 系列產(chǎn)品增加了 PWM、A/D 和 SPI 等接口模塊。每個系列產(chǎn)品的 差異主要是片內(nèi)資源數(shù)量上的差異。在單片機選型時，應(yīng)該根據(jù)控制的實際需 求，選擇合適的單片機，即單片內(nèi)部資源要盡量滿足控制系統(tǒng)要求，而減少外 部接口電路，保證單片機應(yīng)用系統(tǒng)的高可靠性和高性價比。我們現(xiàn)在使用比較 的多的是 STC89C51/STC89C52 等。如圖 2.3 是 STC89C52 的管腳分布圖。 圖 2.3 STC89C52 管腳圖 單片機是一個功能很強大的芯片，在此芯片上人們把計算機的一些主要組 成部件都集中起來，如中央處理器、定時/計數(shù)器和 I/0 接口電路等部件，同時 集成在一個小小的芯片上，可以說單片機就是一個微型化的計算機。所以，想 擁有一個單片機控制系統(tǒng)的話，我們只需要為單片機添加適當?shù)能浖巴獠吭O(shè) 備。 2.2.2 單片機的特點 （1）開發(fā)周期短，易于生產(chǎn)，性價比較高。 （2）芯片更加微型化，抗干擾能力很強，可靠性能良好。 （3）功能完善，接口多。 （4）低功耗、低電壓。一般在 5～3V 的電源電壓范圍內(nèi)單片機都可以正 常工作，1~2V 是其工作的最低電壓，低于此電壓后單片機就不再工作。 . . （5）總線多樣，易于擴展。單片機的外部結(jié)構(gòu)采用的是三大總線結(jié)構(gòu)，運 用此結(jié)構(gòu)能夠更加方便的對應(yīng)用系統(tǒng)功能進行擴展，使的開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)變得更 加方便、快捷。外部總線增加 I2C 和 SPI 串行總線，應(yīng)用者可以根據(jù)自己的需 求進行擴展 [5]。 C52 單片機的主要功能特性如表 2.1 所示： 表 2.1 STC89C52 功能特性表 主要功能特性 可應(yīng)用 MCS51 的指令編譯 8K 可編譯 Flash ROM 32 個雙向 I/O 口 512 字節(jié) RAM 看門狗定時器 內(nèi)置 4K BEEPROM 3 個 16 位定時器/計數(shù)器 MAX810 1 個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu) 全雙工串行口 系統(tǒng)的掉電或空閑模式低功耗 可以設(shè)置休眠和喚醒功能 在實際電路中用到了 STC89C52 的部分引腳，其主要的引腳和功能為： （1）電源管腳(2 根) VCC:正極，接 +5V 電源。 GND:負極，接地線。 （2）外接晶振管腳(2 根) XTALl:時鐘電路的輸入腳。 XTAL2: 時鐘電路的輸出腳。 （3）控制管腳(2 根) RSTNPP:復(fù)位管腳，當端口信號為‘1’時單片機會執(zhí)行復(fù)位操作。 EA:程序存儲器選擇端口。接低電平時，ROM 讀操作只能在在外部程序存 儲器中進行；接高電平時，對 ROM 的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可 延至外部程序存儲器。在該電路中，將其接負極。 （4）可編程 I/O 管腳(32 根) STC89C52 單片機有 P0、P1、P2、P3 四個 8 位的并行輸入/ 輸出口，每個 端口可以按字節(jié)或位進行輸入輸出，4 個并行口一共有 32 根端口線。 P0 口：P0 口是一個漏極開路型雙向輸入 /輸出口，輸出能力較強能驅(qū)動 8 個 TTL 門電路，經(jīng)常被作為地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用總線使用。內(nèi)部沒有上拉電阻， 使用時需添加外部上拉電阻。 . . P1 口：Pl 口的輸入/輸出口為 8 位的雙向輸入/輸出口，通常作為通用輸入/ 輸出口使用，在 4 個 I/O 口中，它的功能比較單一，只能作為輸入/ 輸出使用。 電路的內(nèi)部有上拉電阻，與場效應(yīng)管共同組成輸出驅(qū)動電路。因此，P1 口作 為輸出口使用時，已經(jīng)能向外提供推拉電流負載，無需再外接上拉電阻。 P2 口：P2 口是內(nèi)部自帶上拉電阻，功能復(fù)用口。 P3 口：P3 口是和 P2 口功能基本一樣。P3 口不僅可以用作通用輸入 /輸出 口，還具備第二功能，當 P3 口的部分口作為第二功能時，剩下的引腳可以單 獨作為輸入/輸出口使用 [6]。 2.2.3 單片機最小系統(tǒng) （1）時鐘電路 STC89C52 內(nèi)部擁有一個振蕩器，它是由高增益反相放大器構(gòu)成的，但是 要形成時鐘脈沖，在擁有振蕩器的同時外部還需要增加電路。引腳 XTAL1 連 接到內(nèi)部放大器的輸入端，引腳 XTAL2 連接到放大器的輸出端。時鐘信號是 由自激振蕩器發(fā)出的。引腳 XTAL1 與引腳 XTAL2 連接到外部晶體振蕩器， 且與電容和晶振組成的并聯(lián)諧振回路相連，構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體振蕩 器的震蕩頻率不是固定值，它的頻率范圍為 1.2～12MHz，常用的晶振頻率是 12MHz。電路中的電容值在 5~30pF 范圍內(nèi)都可以選擇，電容的大小在時鐘電 路中起到對頻率的微調(diào)作用。在本次設(shè)計中采用振蕩頻率為 12MHz 的晶體振 蕩器，使用 22pF 的電容。 時鐘電路如圖 2.4 所示： XTAL218 XTAL119 ALE30 EA31 PSEN29 RST9 P0.0/AD0 39P0.1/AD1 38P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36P0.4/AD4 35P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 3P0.7/AD7 32 P1.0/T21 P1.1/T2EX2 P1.23 P1.34 P1.45 P1.56 P1.67 P1.78 P3.0/RXD10P3.1/TXD1P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13P3.4/T0 14 P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21P2.1/A9 2P2.2/A10 23 P2.3/A1 24P2.4/A12 25P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C52 R410k X1CRYSTAL C1 2pFC2 2pF C3 10uF 圖 2.4 時鐘電路 （2）復(fù)位及復(fù)位電路 復(fù)位是單片機的初始化操作。其主要功能是把 PC 地址初始化為 0000H， 使單片機從 0000H 單元重新開始執(zhí)行程序。復(fù)位是單片機系統(tǒng)的初始化操作， . . 單片機系統(tǒng)在上電啟動后都需要先進行復(fù)位操作，使系統(tǒng)處于一個確定的初始 化狀態(tài)。當單片機因為各種因素導(dǎo)致系統(tǒng)死機時，可以按下復(fù)位鍵進行復(fù)位， 使單片機系統(tǒng)回歸到初始狀態(tài)，且從初始狀態(tài)開始工作 [7]。如圖 2.5 所示電路 的復(fù)位電路： XTAL218XTAL119 ALE30EA31PSEN29 RST9 P0./AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336 P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD63P0.7/AD732 P1.0/T21P1./T2EX2P1.23P1.34 P1.45P1.56P1.67P1.78 P3.0/RXD10P3.1/TXD1P3.2/INT012P3./INT113 P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115 P2.7/A1528 P2.0/A821P2.1/A92P2./A1023P2.3/A1 24 P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427 U1 AT89C52 R410k C22pF C310uFR2 20 圖 2.5 復(fù)位電路 RST 引腳的功能是控制復(fù)位信號輸入。當 RET 管腳信號為‘1’且維持 2 個機器周期時，復(fù)位信號有效，單片機系統(tǒng)才會完成復(fù)位操作。如果選擇使用 的晶振頻率為 12MHz，想要成功完成復(fù)位的話，RET 端的高電平就應(yīng)該維持 超過 2us 即兩個機器周期的時間。單片機的復(fù)位方式有兩種：上電復(fù)位和按鍵 復(fù)位。上電加按鍵復(fù)位電路比上電復(fù)位多了一個復(fù)位開關(guān)。 本次設(shè)計采用按鍵復(fù)位電路，其復(fù)位電路如圖 2.5 所示。按下復(fù)位按鈕后， 電流經(jīng)過 220 歐的電阻與 RET 端口直接相連，復(fù)位端引腳信號變?yōu)椤?’；當 復(fù)位按鈕彈起后，電流從 10K? 電阻和 10uF 的電容所在的電路通過，電容恢 復(fù)到充電狀態(tài)，復(fù)位端發(fā)出復(fù)位正脈沖信號，該信號持續(xù)的時間與電阻與電容 電路的時間常數(shù)有關(guān)。 2.3 傳感器模塊 2.3.1 溫濕度傳感器選擇方案 方案一：一般情況下，我們檢測溫度的時候都會用熱敏元器件來檢測，如 熱電阻和熱敏電阻。其中熱電阻的工作原理為：熱電阻的電阻值會隨溫度的變 化出現(xiàn)大的波動，當溫度升高時電阻的大小也會增大，并且電阻值會隨著溫度 按照近似的線性關(guān)系而緩慢變化。熱敏電阻的工作原理是熱敏電阻的電阻值與 溫度成非線性關(guān)系，并隨著溫度的升高而迅速變化。一般情況下電阻值與溫度 呈負指數(shù)關(guān)系，溫度越高電阻值下降的越快，只有少量才具有正溫度系數(shù) [8]。 . . 有許多方法來檢測濕度，其中用濕敏元器件檢測空氣中濕度是人們常用的 方法，濕敏元件分為電容式濕度敏感元件和電阻式濕度敏感元件兩種類型。我 們經(jīng)常使用的濕度傳感器有高分子電容式和高分子電阻式兩種類別。其中高分 子電容式濕度傳感器的工作原理為：水和高分子材料的介電常數(shù)是不一樣的， 它們的介電常數(shù)之和為高分子電容式濕度傳感器的介電常數(shù)，電容式濕度傳感 器的介電常數(shù)在不同的環(huán)境下會受到很大的影響。當被測的霧氣狀態(tài)的水分子 通過帶有多個孔洞的上電極，擴散到感應(yīng)濕度的薄膜表面時，薄膜上的極性官 能團會吸收這些水分子，進而誘發(fā)電容式濕度傳感器的介電常數(shù)發(fā)生變化，改 變了濕敏電容器的容量值。高分子電阻型濕度傳感器的工作原理為：通常情況 下，聚合物膜上的極性基團會對水會產(chǎn)生吸附力。濕度低，由于吸附量很小， 不會產(chǎn)生帶電離子，其電阻值是比較高的。當空氣相對濕度增加，吸附量增大， 吸附水的連通性成為導(dǎo)電通道，正、負離子聚合物電解質(zhì)主要起載體作用。此 外，這些被吸附到薄膜上的水分子會解離出氫離子和質(zhì)子，增強電荷導(dǎo)通性， 減小濕度傳感器的電阻。濕敏電阻和熱敏電阻的在可靠性和精度方面效果不是 很好，如果溫濕度傳感器需要高精度的檢測數(shù)據(jù)的話，選用濕敏電阻和熱敏電 阻就不是太適合。 方案二：采用集成溫濕度傳感器。集成溫濕度傳感器最大的優(yōu)點就是它檢 測數(shù)據(jù)的精度高，自帶 A/D 轉(zhuǎn)換功能，可以把檢測到的溫濕度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字 信號，并且存放到自身攜帶的 RAM 存儲器中，單片機系統(tǒng)能夠很快的從中讀 取到數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成十進制就是可以得到我們需要的溫濕度數(shù)值，使用起來 十分快捷、便利。DHT11 溫濕度傳感器市面上最流行的，它響應(yīng)迅速、抗干 擾能力強，性價比很高。因此，我選擇方案二。 2.3.2 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器 本系統(tǒng)選用 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器作為溫濕度檢測元件，DHT11 由一 個 NTC 檢測溫度的元器件與一個電阻式的檢測濕度的元器件組成，該傳感器 可以與高性能的 8 位單片機相連，是一塊可以同時檢測溫度和濕度的數(shù)字傳感 器。通過單片機和一個簡單的電路，它可以檢測室內(nèi)的溫度和濕度采集并實時 比較，具有性能穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強、性價比高等特點。DHT11 通過一個 I/O 口就可以與單片機系統(tǒng)進行通信，傳感器內(nèi)部的溫濕度數(shù)據(jù)可以 . . 一次性的傳給單片機。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器不需要太大的工作電流，一 般情況下最大電流為 0.5mA。它的工作電壓和單片機的工作電壓一樣，都是 +5V。 DHT11 外形及引腳說明和描述，如圖 2.6 所示： 圖 2.6 DHT11 外形及引腳排列 VCC 連接到正電壓，電壓輸入范圍為 3.5V 到 5.5V；DOUT 為數(shù)據(jù) I/O 口 也是 DATA 口；NC 為空腳，因為沒有擴張，所以引腳未啟用；GND 為負極。 DHT11 能夠同時對相對溫濕度進行檢測。DHT11 數(shù)字傳感器輸出的是數(shù)字信 號，減少了預(yù)處理信號這一步驟，降低了單片機系統(tǒng)的工作量，提高了系統(tǒng)的 使用率。輸出為單總線結(jié)構(gòu)，能夠有效減少對單片機的 I/O 口的占用，節(jié)省資 源并且不用再額外的增加電器元件。濕度測量范圍 20%—90%RH，溫度測量 范圍 0~50℃；應(yīng)用范圍廣泛，在濕度控制、溫濕度檢測、消費領(lǐng)域的家電市 場都有應(yīng)用。 單片機系統(tǒng)與 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器通過 DATA 進行通信，DATA 選 擇單總線的數(shù)據(jù)傳輸格式，通訊時間為 4MS。數(shù)據(jù)被分為兩部分：整數(shù)和小數(shù)。 在本次設(shè)計中只用到數(shù)據(jù)的整數(shù)部分，所以小數(shù)部分的數(shù)值始終為‘0’。具 體的數(shù)據(jù)傳輸流程如下： 數(shù)字溫濕度傳感器 DHT11 在傳輸數(shù)據(jù)時，可以一次性的傳輸高達 40 位的 數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳輸樣式為：8bit 濕度整數(shù)部分+8bit 濕度小數(shù)部分+8bit 溫度整 數(shù)部分+8bit 溫度小數(shù)部分 +8bit 校驗和 [9]。 單片機向 DHT11 溫濕度傳感器發(fā)送低電平信號（開始信號）后，DHT11 開始工作，等到單片機發(fā)出高電平信號（開始信號結(jié)束）后，DHT11 發(fā)送應(yīng) 答信號，發(fā)送 40 位數(shù)據(jù)，并開始收集信號，用戶可以有選擇的讀取部分數(shù)據(jù)。 . . 單片機系統(tǒng)發(fā)出開始信號，并被 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器接收到后，會激活 傳感器對溫度和濕度信號進行采集，DHT11 溫濕度傳感器只有在接收到單片 機系統(tǒng)發(fā)出的開始信號后，才可以采集空氣中的溫濕度信號。采集信號結(jié)束后， 傳感器會主動把運行模式轉(zhuǎn)換到低速運行模式。通信流程如圖 2.7 所示： 圖 2.7 DHT11 的通訊過程 在單片機系統(tǒng)中，總線電平是‘1’時為空閑狀態(tài)，單片機把總線電平拉低 等待 DHT11 響應(yīng)時，總線被拉低的持續(xù)時間必須大于 18 毫秒，在本次設(shè)計的 程序中拉低 20MS，保證 DHT11 能夠檢測到起始信號。單片機系統(tǒng)拉高電平 后，需要維持 20us 到 40us 的時間對系統(tǒng)進行延時，在本次的設(shè)計程序中延時 的時間為 40us。發(fā)送數(shù)據(jù)過程如圖 2.8 所示： 圖 2.8 數(shù)據(jù)傳輸 當總線的狀態(tài)為低電平時，表明 DHT11 溫濕度傳感器發(fā)出應(yīng)答信號，應(yīng) 答信號發(fā)出后，溫濕度傳感器把總線的電平拉高等待 80us，做好傳輸數(shù)據(jù)的準 備。每次開始傳輸 1bit 數(shù)據(jù)都會拉低電平 50us，數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)字‘0’ 和‘1’用高電平的持續(xù)時長區(qū)分。數(shù)字‘0’信號的表示方法如圖 2.9 所示。 傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束后，溫濕度傳感器把總線的電平變?yōu)榈碗娖?，且持續(xù) 50us，最后 上拉電阻把總線電平從低電平變?yōu)楦唠娖?，使溫濕度傳感器轉(zhuǎn)換到空閑狀態(tài)。 . . 圖 2.9 數(shù)字‘0’信號傳輸方法 信號‘0’的傳輸方式是：數(shù)據(jù)傳輸開始階段結(jié)束后，總線電平被拉高，如 果該高電平持續(xù)的時間為 26us 到 28us，此階段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就是信號‘0’。 數(shù)字‘1’的信號表示方法如圖 2.10 所示： 圖 2.10 數(shù)字‘1’信號表示方法 信號‘1’傳輸方式是：數(shù)據(jù)傳輸開始階段結(jié)束后，總線電平被拉高，如果 該高電平持續(xù)的時間為 116us 到 118us，此階段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就是信號‘1’。 2.3.3 傳感器電路 DHT11 溫濕度傳感器能夠在 3V 到 5.5V 的電壓下正常工作，結(jié)合一些輔助 電路可以檢測信號，并且能夠?qū)z測到的數(shù)據(jù)進行初步整理。上電后，DHT11 傳感器為了通過不穩(wěn)定的狀態(tài)，需要等待一秒鐘，在這段時間不發(fā)送任何指令。 DHT11 與單片機間的通信和同步是通過數(shù)據(jù)端口來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)端口與計算機 連接到 P1.2 端口，使用 4.7K 上拉電阻，防止干擾，提高穩(wěn)定性。因為檢測濕 度時會受到環(huán)境溫度的影響，所以我們應(yīng)該在一個相對穩(wěn)定的環(huán)境下進行濕度 . . 檢測，在測量濕度的過程中，濕度傳感器應(yīng)在同一溫度中。因此，在安裝 DHT11 溫濕度傳感器時，我們應(yīng)該注意把溫濕度傳感器放置到離發(fā)熱快的元 件較遠的地方，同時能夠保證傳感器可以正常的工作。傳感器電路如圖 2.11 所 示。在本次仿真中，由于仿真軟件里沒有 DHT11 溫濕度傳感器的仿真圖，所 以在圖 2.11 中的 DHT11 元器件，只是本人在仿真軟件里找的一個與 DHT11 有著相似管腳的元器件。在實際焊接時，僅僅按照這個仿真圖里的管腳連接方 式進行連接，元器件還是 DHT11 傳感器，與此沒有太大的關(guān)系。 圖 2.11 DHT11 傳感器連接電路 2.4 液晶顯示模塊 2.4.1 顯示器的設(shè)計方案 方案一：采用數(shù)碼管顯示。在該設(shè)計中我們需要顯示很多的信息，數(shù)碼管 數(shù)量少的話就很難達到要求，這樣的話會加大我們在焊接和排版時會增加很大 的負擔。 方案二：采用 LCD 顯示屏。我們常用的是 1602LCD，它可以同時輸出 32 個字符，比一個簡單的數(shù)碼管顯示出的內(nèi)容要多得多。該方案不僅滿足系統(tǒng)功 能要求，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。綜合考慮，我決定采用方案二。 2.4.2 1602 字符型液晶顯示屏 1602 液晶顯示屏按照其結(jié)構(gòu)可以分為兩種類型：有背光與沒有背光。兩種 類型的顯示屏在系統(tǒng)應(yīng)用上沒有多大的區(qū)別，只不過有背光的顯示屏比沒有背 光的厚一些?？傮w來說，兩者可以通用的。兩者尺寸差別如下圖 2.12 所示： . . 圖 2.12 1602LCD 尺寸圖 本系統(tǒng)選用的顯示屏是 1602LCD，它是一種字符型的液晶顯示屏，能夠以 點陣的方式顯示符號、數(shù)字和字母 [10]。帶背光的 1602 液晶顯示屏擁有 16 個引 腳，比不帶背光的多了一條背光電源線和一條地線，但是它們的控制原理都是 一樣的。1602 型液晶屏有 d0-d7 共 8 位的數(shù)據(jù)總線接口與三個控制端口，能夠 顯示出 32 個字符。其實物如圖 2.13 所示： 圖 2.13 1602LCD 實物圖 1602LCD 主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量：16x2 個字符 芯片工作電壓：4.5-5.5V 運行電流：2.0mA 字符大?。?.95x4.35mm 1602 液晶顯示屏的引腳如圖 2.14 所示： . . 1 8 0103 2345 67 RV110K D714D613D512D41 D310D29D18D07 E6RW5RS4 VS1VD2VE3LCD1 LM016L 2345 6789 1RP1 RESPACK-8 圖 2.14 1602 字符型液晶屏引腳 1602 液晶顯示屏有兩種不同的接口，一種為 14 腳的顯示屏它沒有背光， 另一種是帶有背光的 16 腳顯示屏，但它們的主要引腳功能都是一樣的，下面 就以 16 腳的顯示屏為例介紹一下各引腳功能。引腳功能如表 2.2 所示： 表 2.2 1602 液晶引腳功能表 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源負極 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 顯示對比度調(diào)節(jié) 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 指令/數(shù)據(jù)選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀寫信號選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源的正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源的負極 在本次設(shè)計中，我們用到的 1602 顯示屏是 16 腳帶背光的，下面是用到的 各個引腳在單片機系統(tǒng)中每個引腳的連接方式： 第 1 腳：VSS 接地。 第 2 腳：VDD 接+5V 電源。 第 3 腳：VL 是 LCD 對比度的調(diào)節(jié)引腳，如果顯示器對比度太高的話，我 們就很難看清楚顯示出的內(nèi)容，所以我們在應(yīng)用該顯示器的時候，可以連接上 一個 10K 大小的可調(diào)電阻，用戶能夠根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)。 . . 第 4 腳：RS 是寄存器選擇控制端口，當 RS=‘0’時應(yīng)用指令寄存器，當 RS=‘1’時應(yīng)用數(shù)據(jù)寄存器。 第 5 腳：R/W 為讀寫信號端口，當該端口的狀態(tài)為低電平時進行寫操作， 端口狀態(tài)為高電平時進行讀操作。當 RS 和 R/W 的端口信號為 “00”時，能夠 寫入指令；當 RS 和 R/W 的端口信號為“01”時可以進行讀忙信號；當 RS 和 R/W 的端口信號為“10”時可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6 腳：E 端口是使能信號引腳，當該引腳的電平由 ‘1’變?yōu)椤?’時， 顯示器開始執(zhí)行命令。 第 7 到 14 腳：d0 至 d7 口是 8 位的輸入/輸出數(shù)據(jù)傳輸端口。 第 15 腳：背光源的正極。 第 16 腳：背光源的負極。 2.4.3 1602LCD 電路 本次設(shè)計的顯示部分采用 1602 液晶顯示屏，可以輸出顯示預(yù)設(shè)的最佳濕度 值和室內(nèi)的溫度與濕度。RS 腳和 E 腳分別和單片機的 P2.7 和 P2.6 相連，D0- D7 口和單片機的 P0 口相連，P0 口作為一列 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，常用 作地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，P0 口內(nèi)部沒有上拉電阻，使用時需添加外部上拉電 阻。當用 flash 進行編譯的時候時， P0 口接收到的數(shù)據(jù)為指令字符，當用 flash 校準驗證的時候，P0 口向傳感器發(fā)送字節(jié)指令。因為 P0 口驅(qū)動能力較弱，所 以在 P0 口我們應(yīng)該再焊接一個上拉電阻。在本次設(shè)計中，上拉電阻用的是排 阻，1602LCD 的電路如圖 2.15 所示： 1 8 2345 67 1 8 2345 67 0103 810301 234567XTAL218XTAL119 ALE30EA31PSEN29 RST9 P0./AD039P0.1/A138P0.2/AD237P0.3/A336 P0.4/AD43P0.5/A534P0.6/AD63P0.7/A732 P