智能加湿器单片机课程设计说明书

辽 宁 工 学 院 单片机与接口技术 课程设计（论文） 题目： 智能加湿器 院（系）： 信息科学与工程学院 专业班级： 电气工程 034 班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间： 06-06-05 至 06-06-18 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：信息科学与工程学院 教研室：电气 学 号 学生姓名 夏成业 专业班级 电气 034班 课程设计（论文）题目 智能加湿器 课程设计（论文）任务 该 智能加湿器可实现环境湿度的自动调节 ，设计者 完成相应的硬件和软件设计。设计任务包括： 1选择湿度传感器 2设计湿度测量通道 3CPU选择及最小系统设计 4湿度调整电路设计 5软件流程图及程序设计 指导教师评语及成绩 成绩： 指导教师签字： 年 月 日 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 目 录 第 1 章 课程设计目的与要求 . 1 1.1 课程设计目的 . 1 1.2 课程设计的实验环境 . 1 1.3 课程设计的预备知识 . 1 1.4 课程设计要求 . 1 第 2 章 课程设计内容 . 2 第 3 章 课程设计的考核 . 2 3.1 课程设计的考核要求 . 2 3.2 课程性质与学分 . 2 第 4 章 设计 . 3 4.1 课程设计的考核要求 . 3 4.2系统湿度传感器模块的选择 . 4 4.3湿度测量通道的设计 . 7 4.4 CPU最小系统设计 . 10 4.5湿度调整电路 . 12 设计总结 . 14 参考文献 . 14 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 1 第 1章 课程设计目的与要求 1.1 课程设计目的 “单片机与接口技术”课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。因此，要求学生能综合应用所学知识，设计与制造出具有较复杂功能的小型单片机系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。 能够较全面地巩固和应用“单片机”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握小型单片机系统设计的基本方法。 培养独立思考、独立收集资料、独立设计规定功能的单片机系统的能力；培养分析、总结及撰写技术报告的能力。 1.2 课程设计的实验环境 利用 windows操作系统及应用软件进行绘图和编程。 1.3 课程设计的预备知识 熟悉单片机与接口技术课程的相关知识及电子线路 CAD工具软件。 1.4 课程设计要求 按课程设计指导书提供的课题，根据第二章给出的基本要求及参数独立完成设计， 课程设计说明书应包括以下内容： 1、对设计课题进行简要阐述，并说明设计任务及具体要求。 2、论述系统设计方案，并画出总体电路结构图及功能分割图。 3、能够较熟练地应用电子线路 CAD工具完成单片机系统的硬件设计任务。 4、各功能模块设计说明、设计实现过程及源程序。 5、能够较熟练地应用一 种编辑软件编写程序，掌握单片机系统软件设计的基本方法 6、课程设计报告应内容完整、字迹工整、图表整齐 规范 、数据详实。 7、课程设计总结 8、 字数 4000左右， 有系统电气原理图。 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 2 第 2章 课程设计内容 设 计 技 术 参 数 1湿度传感器 1只 2设计湿度测量通道 3 CPU 选择 51兼容型，电源采用 12V直流 4湿度调整采用超声波振荡电路 5软件流程图及程序设计 工 作 量 1选择湿度传感器 2设计湿度测量通道 3CPU选择及最小系统设计 4湿度调整电路设计 5软件流程图及程序设计 工 作 计 划 第一天 第二天 第三天 第四天 第五天 第二周 1选择湿度传感器 2设计湿度测量通道 3CPU最小系统及电源设计 4湿度调整电路设计 5软件流程图及程序设计 画原理图、打印 第 3 章 课程设计的考核 3.1 课程设计的考核要求 课程设计采用五级 (优、良、中、及格、不及格 )评分制。 最后成绩依据课程设计论文及平时成绩决定，其中平时考核成绩占 20%。 3.2 课程性质与学分 单片机与接口技术课程设计的课程性质：考查 学分： 2 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 3 第 4 章 设计 4.1 系统框图的设计 本次设计的智能加湿 器 是能够自动调节湿度的设备 ，它由检测端的传感器将湿度信号转换成电信号，经放大输送给控制单元，由控制单元来控制执行部件，是能对环境湿度进行自动调节控制的简单湿度控制器。 湿度采集与控制处理是一个综合性强、涉及面广的系统，可以对不同对象的湿度进行监测及控制湿度的大小，具有较强的应用性。 依据湿度的变化原理，用单片机对不同的 湿度采集并用微机进行处理设计，确定了 湿度在所需的范围内。 本文主要论述了湿度多点采集控制处理系统的工作原理和编程方法。通过采集控制处理系统，可以对不同的对象（如仓库、车库、厂房等）的环境湿度进行控制处理，当某个对象的湿度 值低于下限值时，则 通过控制输出加湿环节模块 进行加湿；当是湿度高于上限值时，则停止加湿，这样，就能使对象的环境保持在一定的湿度条件下。如图 1所示的 系统主流程图及总体方框图 ： 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 4 图 1 系统程序主流程图 及 总体方框图 每个对象有两个湿度测量点，湿度模块采用 CHM-01模块 ,其输 出 099%PH 值。湿度模块的输出值通过输入到模 /数（ A/D）转换模块； A/D转换采用 ADC0809 的集成芯片，其采用 8位输出，电压精度可以达到 1V/28=1/256=0.004V5mV， ADC0809芯片通过 8位输出到AT89C51单片机的 P0口，使 AT89C51获得所需的数据信息，用以进行控制。 系统由湿度 数据采集模块、湿度测量通道、最小系统、超声波振荡控制输出电路、加湿环节等几部分组成。实现环境的湿度值采样并通过 A/D转换由 CPU 处理，当采样得到的湿度值不在预置值内，就输出一个电平去控制超声波振荡控制输出电路输出一个高或低电平去启动或关闭加湿设备，直到湿度值在预置值内。 4.2 系统湿度传感器模块的选择 湿度模块采用 CHM-01 模块 ,其输 出 099%PH值， CHM-01的湿度模块 性能介绍： 电气特性 1）敏感元件（湿度）：高分子湿敏电容 “HU1011” 2）供电： 5V5% 3）耗电电流： 5mA max.(2mA avg) 4）工作范围：温度 0-60 湿度 95RH以下 5）储存条件：温度 -20 70 6）湿度变送范围： 0-100%RH 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 5 7）精度（湿度）： 5%RH （在 25 ，输入电压 =5V） 8）输出信号： 型号： CHM-01A 在 25 ，输入电压 =5V 下 湿度（ %） 10 20 30 40 50 60 70 80 90 输出信号 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 型号： CHM-01B 在 25 ，输入电压 =5V下 湿度（ %） 10 20 30 40 50 60 70 80 90 输出信号 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 9）温度系数： 5%RH （输入电压 =5V， 40-80%RH） 温度范围 10-40 （基准点 25 ） 10）电源电压系数： 5%RH （输入电压 =5V， 40-80%RH） 电压范围： 4.75-5.25V（基准点 5V） 4、标准测试条件 1）测试条件：室温 25 ，电压 5V将温湿度模块放置于 0%RH以下的湿度环境 30分钟，然后在 60%RH的湿度 环境以下 15分钟，测试模块电压。 2）测试仪器 1、湿度发生器：高精度恒温恒湿度试验箱 2、标准： GE公司光电露点仪 3、电压表 5、可靠性测试 序号 项目 方法 要求 1 冲击试验 将模块从 1米高度，自由落体，扔向硬木地板 3次。 没有摔裂，没有破坏， 电性能正常。 2 振动试验 振动试验在 X-Y-Z轴振动 30秒，频率在 10-50HZ，幅度 1.5mm。 没有摔裂，没有破坏， 电性能正常。 3 加热试验 在恒定的 55 、 30%RH下面放置 1000小时 精度 5%RH 4 冰冻试验 在恒定的 -10 、 30%RH下面放置 1000小时 精度 5%RH 5 高温试验 将模块放置要 40 、 95%RH下放置 1000小时 精度 5%RH 6 温度循环 试验 300个循环，每个循环是 -10 下放置 1小时，后升温至 55 ，放置 1小时，再进行另一循环。 精度 5%RH 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 6 备注： 1）所有的数据都基于湿度变化范围在 80%RH 以内。 2）每项试验之后，模块必须放在普通环境和湿度下放置 24小时后进行另一测量。 6、注 意事项 1）避免将直流电直接加在敏感元件上。 2）避免将元件长期放在结露和干燥的环境中以及以下环境。 A、盐雾 B、酸性或氧化气体，例如二氧化硫，盐酸等。 3）推荐的存储环境 温度： 10-40 湿度： 60%RH以下 4）接线前务必仔细阅读说明书，如接线不对，模块将不能正常工作。 7、外型尺寸 ( 单位： mm )： 主要部件 序号 部件 参数 1 PCB CHM-01 1.00mm 2 湿敏元件 HU1011 HUMO 3 连接端子 S4B-ZR-SN3A JST 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 7 8、接线示意图 ： 接线端子号 1 地 2 湿度输出 （电压 0-3V） 3 供电 4.3 湿度测量通道的设计 单片机的 P0口与 ADC0809的 D0-D7相连，同时接 74LS373锁存地址连到 ADC0809的 ABC端。单片机的 /WR和 P2.7 通过或非门控制 ADC0809 的 START和 ALE。 51的 /RD和 P2.7通过或非门控制 ADC0809 的 OE端。 ADC0809的 EOC接 51的 P2.3口。 程序如下： MAIN： MOV R7， #0FFH ADDR： MOV DPTR， #7FF8H ；由于用 P2.7 口控制又是选通 0809的 INO START： MOVX DPTR， A ；启动 ADC0809 DELAY： MOV R6， #10H ；稍微延时个 20us DJNZ R6， DELAY CHK： JNB P2.3,CHK ；查询 EOC信号 FINISH: MOVX A,DPTR ；读转换结果 MOV P1,A ACALL WAIT ；控制 ADC0809 转换频率大致 1HZ DJNZ R7,ADDR WAIT： MOV R1， #0FFH LOOP1： MOV R2， #0FFH 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 8 LOOP2： DJNZ R2， LOOP2 DJNZ R1， LOOP1 RET 基于对湿度范围的考虑，对于湿度控制器 , 假设一个加湿器接 CPU的 p2.0 。 ；设定下限湿度 30(设 4BH)存 31H上限湿度 60(设 96H)存 30H ；/定义 ADC的连接端口 ad_cs EQU P3.6 ad_wr EQU P3.2 ad_rd EQU P3.7 ad_input EQU P1 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0030H MAIN: LCALL adc_demo AJMP MAIN ；.启动 AD 转换 . Adc_Start: CLR ad_cs NOP CLR ad_wr NOP SETB ad_wr NOP DETB ad_cs NOP RET ；.读 AD转换 . 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 9 Adc_Read: MOV ad_input,#0ffH CLR ad_cs NOP CLR ad_rd NOP NOP MOV A,AD_INPUT NOP SETB ad_rd NOP SETB ad_cs RET ；. AD转换程序 . ADC_Demo: LCALL ADC_Start LCALL Delay1ms LCALL Adc_read MOV 34H,A ；现在的湿度存 34H MOV 31H,#4BH；下限湿度 30度存 31h MOV 30H,#96H ；上限湿度 60度存 30h CLR C SUBB A,32H；现在的湿度和以前的湿度相减 JC Sdown ；c=0取 入值较大 ,表示上升否则下降 Sup:MOV A,34H ；取出现有湿度 CLR C ；C=0 SUBB A,30H ；与上限湿度比较 ,c=1则需要不加湿否则 c=0则需要加湿 JNC Pof JMP Loop Poff: DETB P2.0 ；开始加湿 JMP Loop 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 10 Sdown:MOV A,34H ；取出现有湿度 CLR C SUBB A,31H；与下限湿度比较 ,c=1则需要不加湿否则 c=0则需要加湿 JC Pon JMP Loop Loop:MOV 32H,34H ；把现有湿度存 32H CLR A ；清除 A MOV R4,#0ffH ；延长时间 DJNZ R4,$ JMP Adc_Demo ；继续监测湿度 Delay1ms: ；延时 1ms的子程序 MOV R7,#10 MM:MOV R6,#50 DJNZ R6,$ DJNZ R7,MM RET END 4.4 CPU 最小系统设计 本课设选择以 80C51 为内核且与 80C51 单片机引脚和指令完全兼容的 ATMEL 公司的AT89C51单片机芯片作为该电路设计的主控制芯片。 AT89C51是一种带 4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。 AT89C2051是一种带 2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器 的单片机。单片机的 可擦除只读存储器可以反复擦除 100次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C 单片机为很多 嵌入式控制系统提辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 11 供了一种灵活性高且价廉的方案。 由 AT89C51 的 P1 口进行湿度的上、下限值进行预置、修改， AT89C51 通过 P2 口进行湿度控制，即对加湿器的开、停进行控制。 E A / V P31X119X218RE S E T9RD17WR16IN T 012IN T 113T014T115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E /P30T X D11RX D10VCC40U1A T 8 9C 51D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U27 4L S 3 73IN -026m s b 2- 1212 -220IN -1272 -3192 -418IN -2282 -582 -615IN -312 -714l s b 2 -817IN -42E O C7IN -53A D D -A25IN -64A D D -B24A D D -C23IN -75A L E22re f(-)16E N A B L E9S T A RT6re f(+ )12CL O C K10U3A D C0 80 9U?N O RU?N O RY1CR Y S T A LC1CA PC2CA PR3RE S 2C?CA PV C CS1S W -S P S TCPU 最小系统 AT89C51的基本性能如下 ： （ 1） 与 MCS-51单片机兼容，含 80C51核。 （ 2） 片内有 4KB在系统中可重新编程的 Flash 程序存储器，可擦 /写 1000 次以上。 （ 3） 全静态逻辑，工作频率范围： 0 24MHz。三级程序存储器加密。 （ 4） 128字节片内 RAM。 32个可编程 I/O端子。 （ 5） 提供待机和掉电两种省电方式。 （ 6） 两个 16位定 时 /计数器。有 5个中断矢量，允许 6个中断源。 （ 7） 一个全双工串行口。具有与工业标准 80C51 一致的指令集和引脚布置。 （ 8） 最大驱动电流 71mA。 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 12 （ 9） 无片内 EPROM。无 SPI接口。可在系统中编程。 （ 10） 1个数据指针。 （ 11） 无监控定时器。无片上模拟比较器。有外部地址数据总线。 （ 12） 电源电压 4.0 6.0V。引脚数 40/44。每个 I/O引脚输出电流 10mA。 AT89C51是一种低功耗高性能 CMOS 8位单片微机，它除了具有与 MCS-51完全兼容的若干特性外，最为突出的优点就是片内集成了 4KB 字节 Flash PEROM （ Programmable Erasable Read Only Memory），可用来存放应用程序，这个 Flash程序存储器除允许用一般的编程器离线编程外，还允许在应用系统中实现在线编程，并且还提供了对程序进行三级加密保护的功能。 AT89C51 的另一个特点是工作速度更高，晶振频率可高达 24MHz，一个机器周期仅 500ns，比 MCS-51快了一倍。 4.5 湿度调整电路 主要由超声波发生器、水位控制器（加湿水源水位过低时，停止加湿。）、电源电路、D/A转换器等几部分组成。超声波发生器主要由三极管 VT1构成， VT1 及其外围元件组成电容三点式 LC振荡器， B是超声波换能器，其固有频率 fc=1.65MHz，电容 C1、 C2决定振荡幅度，其固有频率略低于 fc， L1、 C2为正反馈元件，其固有频率略高于 fc， VD5为 VT1的保护二极管。由于雾化时 B浸在水中，水位控制器由 VT2、 VT3等元器件构成，作用是： （ 1）为振荡电路提供基极偏置电流； （ 2）当 加湿水源 水位低于设定值时，使振荡器停振，起保护作用。 VT2、 VT3接成复合管，通过 L3、 R3向 VT1 提供基极偏置电流， L3 为高频扼流线圈，阻止超声波信号进入水位控制电路。调整 R1的阻值 ，可改变 VT1的基极电流，从而控制整机的工作电流。 a、 b为振荡电路 的检通端，分别与 D/A转换器相连。当单片机 输出一个电平控制超声波振荡控制输出电路输出一个高或低电平来启动或关闭 （兼做 水位控制线，平时浸没在水中 ）。 雾化器正常工作时，若水位下降到一定限度， a、 b脱离水面， VT2、 VT3 便截止，水位控制器停止向 VT1提供基极电流，整机停止工作。 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 13 振荡电路 元器件选择： VT1的质量是制作成功的关键，最好采用意大利 SGS产 的 BU406、 BU407或 BU408等大功率 高频三极管，要求 fT100MHz ； VT2、 VT3可用 9014 型等 NPN型硅管，要求 100 ； VD1 VD4 可用 1N4002硅整流二极管。 所有电阻采用 RJ-0.25W 金属膜电阻；电容采用 CBB-100V聚苯电容；电感 L1可用0.51mm 漆包线在 1010mm 磁芯上绕 27匝，电感量约 24H ； L2用 0.69mm 漆包线在 6mm 钻头绕 2.5匝，然后脱胎取下，电感量约 0.22H ； L3可用 270H 色码电感器；换能器 B是关键元件，应采用 201.25mm/1.65MHz 或 201.2mm/1.7MH z高强度压电陶瓷片；变压器 T要求次级电压为 50V，功率 40W； S用小型船形开关； VT1最好安装散热器；换能器 B不能离水通电，否则将烧坏。 加湿水源 中水应清洁。装好后调整电阻 R1，使总电流为 0.6A左右。 D/A转换器： 首先建立 D A转换器的仿真模型，根据 D A转换器的组成结构以及 EWB的特点，采用模块化设计方法。 如下图所示： 辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书（论 文） 14 模拟电子开关 D/A 转换仿真模型 用理想开关元件建立的单个模拟开关仿真，如图 2所示。数字位模拟开关每一位数码对应一个电子开关，若 单片机 输出一个电平控 制超声波振荡控制输出电路输出一个高或低电平来启动或关闭。当 ai 1，则对应的开关 Si接基准电压源 VREF；若 ai 0，则 Si接地。 所有元件可装于自制印制板上，也可用薄胶木板钻孔铆上空心铆钉，装上元器件再用导线连好，各元器件位置配置适当即可。 设计总结 通过本次设计使我对单片机及其外部接口部分有了进一不的认识，学到了许多在课本上学不到的实际应用知识，加深了对单片机学习的兴趣。智能加湿控制系统采用单片机及数字量进行控制，不仅消除了元器件参数误差的影响，而且实现了湿度梯度及光照度的自动改变系统结构简单、可靠、 易于实现。 参考文献： 1康华光电子技术基础 M北京：高等教育出版社， 1999 2 李广弟 . 单片机基础 M， 北京，北京航空航天大学出版社 3赵世强电子电路 EDA技术 M西安：西安电子科技大学出版社， 2000 4 余永权 . 89系列 Flash 单片机原理及应用 M， 北京，电子工业出版社 5路而红虚拟电子实验室 Electronics Workbench M北京：人民邮电出版社， 2001