基于单片机的智能加湿器设计

. . 本科毕业设计（论文） 题 目 基于单片机的智能 加湿器设计 姓 名 * 专 业 电子科学与技术 学 号 * 指导教师 * 郑州科技学院电气工程学院 二一五年五月 . . 目 录 摘 要 .I Abstract .II 1 绪论 .1 1.1 选题背景和意义 .1 1.2 发展现状及前景 .2 1.3 设计任务 .3 2 系统硬件设计 .5 2.1 总体设计 .5 2.2 单片机模块 .6 2.2.1 单片机介绍 .6 2.2.2 单片机的特点 .7 2.2.3 单片机最小系统 .9 2.3 传感器模块 .10 2.3.1 温湿度传感器选择方案 .10 2.3.2 DHT11 数字温湿度传感器 .11 2.3.3 传感器电路 .14 2.4 液晶显示模块 .15 2.4.1 显示器的设计方案 .15 2.4.2 1602 字符型液晶显示屏 .15 2.4.3 1602LCD 电路 .18 2.5 报警电路模块 .19 2.6 按键模块 .20 2.6.1 输入设计方案 .20 2.6.2 按键电路 .20 2.7 系统电路工作原理 .21 3 系统软件设计 .23 3.1 主程序设计 .23 3.2 温湿度检测控制模块设计 .24 . . 3.3 液晶显示模块设计 .25 4 系统调试与分析 .27 4.1 软件调试 .27 4.2 程序调试 .28 4.2.1 KEIL 软件简介 .28 4.2.2 调试过程 .29 4.3 调试分析 .29 总 结 .32 致 谢 .34 参考文献 .35 附录 1 实物图 .36 附录 2 源程序 .37 . . 基于单片机的智能加湿器设计 摘 要 目前在我们的日常生活中，加湿器被应用到很多领域，可是市场上大多数 的加湿器都需要通过手动来控制加湿器的开启和关闭，而且不能对空气中的的 温湿度进行实时且精确的监测，使得人们在使用加湿器的过程中出现一些意想 不到的问题，如对空气过度加湿，过多的空气湿度就会对人体健康造成负面影 响；加湿器工作时出现干烧的情况还会给我们带来安全隐患。因此在现有加湿 器的基础上开发出一种具有智能控制功能的加湿器显得尤其必要。 本次设计以 STC89C52 单片机与温湿度传感器为系统的设计核心，运用温 湿度传感器 DHT11 对空气中的温湿度信号进行采集，并利用它处理信号的功 能，将采集到的温湿度信号转换成数字信号，再通过单片机的可编程能力对该 数字信号进行分析与处理，将处理后的数据通过 1602 液晶显示屏显示出来， 实现对空气中的相对湿度的实时显示功能，同时单片机也能够智能控制加湿器 的工作状态，以达到自动控制加湿器的目的。该设计还拥有水位监测电路和报 警电路，实现加湿器的防干烧功能。该系统的设计电路简单，检测数据的精度 高，且具有较高的可靠性。 关键词:加湿器；STC89C52 单片机；温湿度传感器 DHT11；1602 液晶显示屏 . . 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 绪论 目前加湿器被普遍应用于很多领域，随着科学技术的发展与进步，温湿度 检测技术趋于成熟，以温湿度检测技术为设计核心的加湿器也朝着小型化、低 功耗和智能化方向发展 1。单片机以较高的集成度和稳定的性能，使其在智能 加湿器的设计方面具备更加显著的优势。 1.1 选题背景和意义 随着经济的快速发展，人们的生活水平也逐渐提高，伴随着的是生活环境 与工作环境的质量渐渐被人们重视起来。当空气中的湿度没有达到一定的湿度 值时，会给我们的日常生活和工作带来负面影响。如果我们长期生活在干燥的 空气环境中，人体的舒适度值会降到很低，甚至会对我们的身体健康带来许多 未知的隐患；当我们在工作的时候还会提高产品的不良率从而降低生产产品的 速度，引起各式各样的不良影响，此时加湿器就显得尤为重要，我们可以通过 使用加湿器来有效地增加室内空气中的湿度，湿润干燥的空气。 水由于表面张力的作用，会主动形成水滴的形状，同时会吸附空气中的灰 尘。当室内空气中的粉尘和漂浮的烟雾与水分子结合后，会形成一个个小的颗 粒，使空气中的灰尘沉淀下来，而且可以有效的去除室内空气中的异味，使空 气变得清新。在本次的设计中，主要是运用加湿器调节空气中的湿度，以达到 提高人体舒适度的目的。研究发现，湿度不仅影响人们的生活质量，在工业制 造和产品质量方面同样有着重要的影响。塑料薄膜大棚、厂房和办公室等室内 封闭场所，一般都需要用智能加湿器来调节空气的湿度，使室内空气的湿度达 到合适的程度。 在日常生活中我们经常用舒适度来描述环境质量，但是人体舒适度与大气 探测仪器检测到的各种气象要素结果有很大的不同，它不是一个精确的数据参 数，仅仅是人体对外界气象环境的一种主观感受。人体舒适度指数是人为制定 的一种生物气象指标，通过人体舒适度指数我们可以更加清楚的了解我们所在 环境下的舒适感，且可以显示出在不同的天气条件下，人体可以感觉到的舒适 度值。在众多的影响因素中，温度、相对湿度、气压、风速这些气象因素，对 . . 人体的舒适度产生很大的影响。最佳的温湿度范围是 40%RH60%RH 2，人 体在此温湿度范围内的舒适度最佳。 经研究发现：生活在适宜湿度的空气环境下的生物体才能长期保持活力。 将一些我们常用的木质家具长期放置在过于干燥的空气环境下，会对其造成一 些不同程度的损坏，如乐器、家具和木质装修等很可能会出现变形、老化甚至 干裂的情况。因此，我们在存放以上物品时要格外注意室内湿度，标准情况下 应保持在 40%-60%RH 范围内，然而对于生活在河北地区的家庭来说，冬天的 室内湿度平均为 10%-15%RH，干燥的空气环境下，出现高压静电的情况十分 普遍。家用电器及办公电器的广泛使用，使得静电出现在我们生活中的各个角 落 3。当静电情况十分严重时，对我们的生活环境也是一种污染。生活或工作 在此环境下的人心情容易烦躁，有时甚至会出现头晕胸闷的情况，严重影响我 们的身体健康。智能加湿器可以放出一些富含负氧离子的空气，既调节为适宜 湿度的空气，这些空气均匀的布满整个空间，可以很大程度的消除静电现象， 还可以过滤空气中异味，制造出更加清新、芳香的空气。因此，对空气中的湿 度适当的进行调节，无论是对与我们的身心健康还是工作学习，都有着不可忽 视的重要意义。 调节室内湿度的方法有很多，我们可以在室内洒水或者放置水族箱，但是 这种调节空气湿度的方式是十分缓慢的，而且我们无法控制它的影响程度。如 果加湿的程度过大，也会对人体造成不好的影响，如今大多数的家庭和公司都 是应用加湿器来对空气加湿。 本次设计基于单片机技术，对智能加湿器的部分功能实施进一步的改动， 使其可以根据用户的个人需求进行调节，而且拥有智能控制功能，其能够根据 传感器检测到的实时湿度自动控制加湿器的工作状态。在本设计中，加湿器的 智能控制能力得到了加强，完全可以满足用户对产品的简单要求，在产品开发 方面具有十分重要的意义。 1.2 发展现状及前景 智能加湿行业在我国发展了将近 20 年，通过这些年空气质量概念的普及 和人们对身体健康意识的提高，加湿器的功能和作用也渐渐被人们所了解，并 逐渐被人们接受和青睐。可是，由于加湿器这一新兴行业在我国发展的比较晚， . . 它相应的一些产品质量标准没有得到规范化，这为广大用户在选择上带来了一 定的选择困难。众多厂商只跟风不跟质量的行为，导致了加湿器行业产品质量 的参差不齐，使消费者的合法权益受到了侵害。 加湿器功能主要是增加室内空气的湿度，使湿度控制在相对健康的状态下。 加湿器按其功能划分为三种：电热加湿器、超声波加湿器和净化加湿器。电热 加湿器主要是对水进行加热使其蒸发，利用水蒸汽来加湿空气，此种加湿方式 容易发生热蒸汽烫伤人的情况，已基本被淘汰。超声波加湿，主要是运用超声 波的高频震荡原理，把水分子震荡、雾化为微小的雾状颗粒，然后应用风动装 置把这些雾状颗粒吹送出去，实现加湿的功能。净化加湿，在空气循环系统中 应用水幕洗涤的技术，可以有效的过滤空气中的尘埃，且把空气中的杂质吸附 在高效过滤器上，再经过风动装置将过滤后的水分子稀释到空气中，使得空气 得到净化且加湿，它是目前最新的加湿器产品。 我国的加湿器产业发展较晚，产品的人均占有率比日本、美国、韩国等国 家低的多，我国民众对空气质量和加湿器、净化器产品的进一步了解，能够促 进国内加湿器行业的发展，提升国民健康水平，更能提高国民的生活品质。 随着社会经济的快速发展，人民的生活水平也逐渐提高。同时，人们也更 加重视生活质量和身体健康，空气加湿器也慢慢的走进了更多的家庭中，并且 在干燥地区很受人们的欢迎。空气加湿器在国内仍是新兴的产品，加强对加湿 器的开发和研究的力度，不但促进了我国加湿器行业的发展，而且能够提高人 们的生活品质和健康水平。近年来，人们对加湿器的功能与审美设置提出了更 高的要求，为了实现这些要求，加湿器的产品类型变得更加多样、材质处理更 加细腻，且造型设置更加丰富多姿。 1.3 设计任务 本次设计的重点就是在现有的加湿器基础上，增加防干烧功能，提高加湿 器系统的智能控制能力。该系统可以根据用户的需要，手动设置最佳相对湿度 值，并且在室内空气湿度发生变化时，能够自动开启或关闭加湿器，使湿度值 保持在设定的湿度范围内，达到智能加湿的目的。智能加湿器系统是通过温湿 度传感器来采集空气中的温度和湿度的信号数据的，采集到的数据经过 STC89C52 单片机的分析和处理，在 1602LCD 上显示出当前湿度与设定的湿 . . 度值。另外再添加时钟电路、键盘电路和报警电路。该系统具备手动模式和自 动模式，在手动模式里我们可以根据自己的实际需要来设定最佳湿度值；自动 模式中的最佳湿度值是系统设计的初始值，这两种模式可以通过设定的按键来 切换。在本次设计中加湿模块运用二极管模拟的方式，当系统检测到驱动加湿 器模块的管脚出现低电平时，二极管点亮演示加湿；水位监测模块检测到低水 位，既管脚电平变为低电平时，蜂鸣器发出报警信号，防止出现加湿器干烧的 情况。 . . 2 系统硬件设计 2.1 总体设计 根据设计要求确定了智能加湿器的整体设计方案，该设计方案由单片机、 温度传感器、1602LCD 以及按键输入等部分组成。智能加湿器需满足以下要求： （1）系统直接由 5V 的直流电源提供电压； （2）用户能够自由设置系统的最佳湿度值； （3）环境湿度低于 40时系统会自动加湿； （4）检测得到的数据可以通过显示模块显示。 总体设计的智能加湿器功能原理图如图 2.1 所示。 单片机 温湿度传感器 按键输入模块 温湿度显示模块 mokuai 加湿模块 报警模块 图 2.1 智能加湿器功能原理图 电路中设计了一个手动/自动转换键，选择自动模式，相当于按下复位键， 系统恢复默认最佳相对湿度，温湿度传感器对空气中的温湿度进行检测，最后 运用液晶屏将经过计算后的数据显示出来，如果检测到的湿度比最佳湿度范围 低就开始加湿，超过最佳湿度范围就停止加湿。 在系统的显示模块中，STC89C52 芯片的 P0 端的八个引脚分别与液晶显 示屏的数据输入端口 D1D8 相连，P2.7 和 P2.6 口分别接到 LCD 的寄存器选 择端和使能端，RW 为读写信号选择端口，端口电平为高电平时进行读操作， 低电平时进行写操作。在本次设计中只进行写操作，所以读写信号选择端口接 地。RS 是寄存器选择端口，当 RS=0时系统进行写指令操作，RS=1 时进行写数据操作；E 为使能端，当 E 端电平信号出现高脉冲即上升沿时，液 . . 晶屏开始读取显示信息，并在信号电平跳变到下降沿的时候执行指令 4。温湿 度传感器连接到单片机的 P1.2 脚，它采用的数据传输格式是单总线格式，可 以单次输出高达 40 位的数据，此次设计只显示温度和湿度的整数部分，因此 只读取整个数据的八位湿度整数部分与八位温度整数部分。 选择的具体实施方案；系统具备自动加湿和手动加湿两种模式，用户可以 根据自身需要来选择，且能够手动更改相对湿度的最优值；单片机通过温湿度 传感器检测空气中的温度和湿度数据，并将测得的数据送入主控模块，主控模 块可以将测得的实时湿度与用户设计的最佳相对湿度进行对比，以此来决定是 否需要加湿；主控模块可以根据水位的高低来判断是否需要报警，当需要报警 时，主控模块不但控制报警模块发出报警信号，而且控制加湿器关闭加湿；运 用液晶显示器显示出室内空气的实时温度和湿度，且将相对湿度的最优值显示 出来；利用 LED 灯演示加湿和水位高低。 2.2 单片机模块 2.2.1 单片机介绍 本次设计的系统运用的中心控制元件是 STC89C52 单片机，STC89C52 是 深圳宏晶科技公司开发、TSMC 公司生产的一种增强 8051 内核单片。其采用 了基于 Flash 的在线编程技术，在对单片机编程写软件时无需采用专用编程器， 可以通过 PC 直接对 STC 系列单片机进行编程，使单片机应用系统的开发变得 更加简单 7。 STC 系列单片机性能优秀，其编程十分方便，非常适合初学者使 用，最重要的是它比较低廉。该芯片具备 8 bit CPU 与在线可编程 Flash，应用 该芯片的嵌入式控制系统变得更加高效、流畅。STC 系列单片机的正常工作电 压为 3.3V5.5V，如图 2.2 是 STC89C52 的实物图。 图 2.2 STC89C52 实物图 . . STC 单片机产品种类十分繁多，现有超过百种的单片机。STC 单片机按照 工作速度和内部配置的差异，分为许多系列的产品。根据运行速度能够分为 12T/6T 和 1T 系列产品。所谓 1T 是指单片机运行一个机器周期只需要一个时 钟周期，运行速度大大加快。STC89、STC90 和 STC11/10 系列属于基本配置， 而 STC12/15 系列产品增加了 PWM、A/D 和 SPI 等接口模块。每个系列产品的 差异主要是片内资源数量上的差异。在单片机选型时，应该根据控制的实际需 求，选择合适的单片机，即单片内部资源要尽量满足控制系统要求，而减少外 部接口电路，保证单片机应用系统的高可靠性和高性价比。我们现在使用比较 的多的是 STC89C51/STC89C52 等。如图 2.3 是 STC89C52 的管脚分布图。 图 2.3 STC89C52 管脚图 单片机是一个功能很强大的芯片，在此芯片上人们把计算机的一些主要组 成部件都集中起来，如中央处理器、定时/计数器和 I/0 接口电路等部件，同时 集成在一个小小的芯片上，可以说单片机就是一个微型化的计算机。所以，想 拥有一个单片机控制系统的话，我们只需要为单片机添加适当的软件及外部设 备。 2.2.2 单片机的特点 （1）开发周期短，易于生产，性价比较高。 （2）芯片更加微型化，抗干扰能力很强，可靠性能良好。 （3）功能完善，接口多。 （4）低功耗、低电压。一般在 53V 的电源电压范围内单片机都可以正 常工作，12V 是其工作的最低电压，低于此电压后单片机就不再工作。 . . （5）总线多样，易于扩展。单片机的外部结构采用的是三大总线结构，运 用此结构能够更加方便的对应用系统功能进行扩展，使的开发应用系统变得更 加方便、快捷。外部总线增加 I2C 和 SPI 串行总线，应用者可以根据自己的需 求进行扩展 5。 C52 单片机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 可应用 MCS51 的指令编译 8K 可编译 Flash ROM 32 个双向 I/O 口 512 字节 RAM 看门狗定时器 内置 4K BEEPROM 3 个 16 位定时器/计数器 MAX810 1 个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 系统的掉电或空闲模式低功耗 可以设置休眠和唤醒功能 在实际电路中用到了 STC89C52 的部分引脚，其主要的引脚和功能为： （1）电源管脚(2 根) VCC:正极，接 +5V 电源。 GND:负极，接地线。 （2）外接晶振管脚(2 根) XTALl:时钟电路的输入脚。 XTAL2: 时钟电路的输出脚。 （3）控制管脚(2 根) RSTNPP:复位管脚，当端口信号为1时单片机会执行复位操作。 EA:程序存储器选择端口。接低电平时，ROM 读操作只能在在外部程序存 储器中进行；接高电平时，对 ROM 的读操作是从内部程序存储器开始，并可 延至外部程序存储器。在该电路中，将其接负极。 （4）可编程 I/O 管脚(32 根) STC89C52 单片机有 P0、P1、P2、P3 四个 8 位的并行输入/ 输出口，每个 端口可以按字节或位进行输入输出，4 个并行口一共有 32 根端口线。 P0 口：P0 口是一个漏极开路型双向输入 /输出口，输出能力较强能驱动 8 个 TTL 门电路，经常被作为地址/数据分时复用总线使用。内部没有上拉电阻， 使用时需添加外部上拉电阻。 . . P1 口：Pl 口的输入/输出口为 8 位的双向输入/输出口，通常作为通用输入/ 输出口使用，在 4 个 I/O 口中，它的功能比较单一，只能作为输入/ 输出使用。 电路的内部有上拉电阻，与场效应管共同组成输出驱动电路。因此，P1 口作 为输出口使用时，已经能向外提供推拉电流负载，无需再外接上拉电阻。 P2 口：P2 口是内部自带上拉电阻，功能复用口。 P3 口：P3 口是和 P2 口功能基本一样。P3 口不仅可以用作通用输入 /输出 口，还具备第二功能，当 P3 口的部分口作为第二功能时，剩下的引脚可以单 独作为输入/输出口使用 6。 2.2.3 单片机最小系统 （1）时钟电路 STC89C52 内部拥有一个振荡器，它是由高增益反相放大器构成的，但是 要形成时钟脉冲，在拥有振荡器的同时外部还需要增加电路。引脚 XTAL1 连 接到内部放大器的输入端，引脚 XTAL2 连接到放大器的输出端。时钟信号是 由自激振荡器发出的。引脚 XTAL1 与引脚 XTAL2 连接到外部晶体振荡器， 且与电容和晶振组成的并联谐振回路相连，构成稳定的自激振荡器。晶体振荡 器的震荡频率不是固定值，它的频率范围为 1.212MHz，常用的晶振频率是 12MHz。电路中的电容值在 530pF 范围内都可以选择，电容的大小在时钟电 路中起到对频率的微调作用。在本次设计中采用振荡频率为 12MHz 的晶体振 荡器，使用 22pF 的电容。 时钟电路如图 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 图 2.4 时钟电路 （2）复位及复位电路 复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把 PC 地址初始化为 0000H， 使单片机从 0000H 单元重新开始执行程序。复位是单片机系统的初始化操作， . . 单片机系统在上电启动后都需要先进行复位操作，使系统处于一个确定的初始 化状态。当单片机因为各种因素导致系统死机时，可以按下复位键进行复位， 使单片机系统回归到初始状态，且从初始状态开始工作 7。如图 2.5 所示电路 的复位电路： 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 图 2.5 复位电路 RST 引脚的功能是控制复位信号输入。当 RET 管脚信号为1且维持 2 个机器周期时，复位信号有效，单片机系统才会完成复位操作。如果选择使用 的晶振频率为 12MHz，想要成功完成复位的话，RET 端的高电平就应该维持 超过 2us 即两个机器周期的时间。单片机的复位方式有两种：上电复位和按键 复位。上电加按键复位电路比上电复位多了一个复位开关。 本次设计采用按键复位电路，其复位电路如图 2.5 所示。按下复位按钮后， 电流经过 220 欧的电阻与 RET 端口直接相连，复位端引脚信号变为1；当 复位按钮弹起后，电流从 10K 电阻和 10uF 的电容所在的电路通过，电容恢 复到充电状态，复位端发出复位正脉冲信号，该信号持续的时间与电阻与电容 电路的时间常数有关。 2.3 传感器模块 2.3.1 温湿度传感器选择方案 方案一：一般情况下，我们检测温度的时候都会用热敏元器件来检测，如 热电阻和热敏电阻。其中热电阻的工作原理为：热电阻的电阻值会随温度的变 化出现大的波动，当温度升高时电阻的大小也会增大，并且电阻值会随着温度 按照近似的线性关系而缓慢变化。热敏电阻的工作原理是热敏电阻的电阻值与 温度成非线性关系，并随着温度的升高而迅速变化。一般情况下电阻值与温度 呈负指数关系，温度越高电阻值下降的越快，只有少量才具有正温度系数 8。 . . 有许多方法来检测湿度，其中用湿敏元器件检测空气中湿度是人们常用的 方法，湿敏元件分为电容式湿度敏感元件和电阻式湿度敏感元件两种类型。我 们经常使用的湿度传感器有高分子电容式和高分子电阻式两种类别。其中高分 子电容式湿度传感器的工作原理为：水和高分子材料的介电常数是不一样的， 它们的介电常数之和为高分子电容式湿度传感器的介电常数，电容式湿度传感 器的介电常数在不同的环境下会受到很大的影响。当被测的雾气状态的水分子 通过带有多个孔洞的上电极，扩散到感应湿度的薄膜表面时，薄膜上的极性官 能团会吸收这些水分子，进而诱发电容式湿度传感器的介电常数发生变化，改 变了湿敏电容器的容量值。高分子电阻型湿度传感器的工作原理为：通常情况 下，聚合物膜上的极性基团会对水会产生吸附力。湿度低，由于吸附量很小， 不会产生带电离子，其电阻值是比较高的。当空气相对湿度增加，吸附量增大， 吸附水的连通性成为导电通道，正、负离子聚合物电解质主要起载体作用。此 外，这些被吸附到薄膜上的水分子会解离出氢离子和质子，增强电荷导通性， 减小湿度传感器的电阻。湿敏电阻和热敏电阻的在可靠性和精度方面效果不是 很好，如果温湿度传感器需要高精度的检测数据的话，选用湿敏电阻和热敏电 阻就不是太适合。 方案二：采用集成温湿度传感器。集成温湿度传感器最大的优点就是它检 测数据的精度高，自带 A/D 转换功能，可以把检测到的温湿度信号转化为数字 信号，并且存放到自身携带的 RAM 存储器中，单片机系统能够很快的从中读 取到数据，将其转换成十进制就是可以得到我们需要的温湿度数值，使用起来 十分快捷、便利。DHT11 温湿度传感器市面上最流行的，它响应迅速、抗干 扰能力强，性价比很高。因此，我选择方案二。 2.3.2 DHT11 数字温湿度传感器 本系统选用 DHT11 数字温湿度传感器作为温湿度检测元件，DHT11 由一 个 NTC 检测温度的元器件与一个电阻式的检测湿度的元器件组成，该传感器 可以与高性能的 8 位单片机相连，是一块可以同时检测温度和湿度的数字传感 器。通过单片机和一个简单的电路，它可以检测室内的温度和湿度采集并实时 比较，具有性能稳定，响应速度快，抗干扰能力强、性价比高等特点。DHT11 通过一个 I/O 口就可以与单片机系统进行通信，传感器内部的温湿度数据可以 . . 一次性的传给单片机。DHT11 数字温湿度传感器不需要太大的工作电流，一 般情况下最大电流为 0.5mA。它的工作电压和单片机的工作电压一样，都是 +5V。 DHT11 外形及引脚说明和描述，如图 2.6 所示： 图 2.6 DHT11 外形及引脚排列 VCC 连接到正电压，电压输入范围为 3.5V 到 5.5V；DOUT 为数据 I/O 口 也是 DATA 口；NC 为空脚，因为没有扩张，所以引脚未启用；GND 为负极。 DHT11 能够同时对相对温湿度进行检测。DHT11 数字传感器输出的是数字信 号，减少了预处理信号这一步骤，降低了单片机系统的工作量，提高了系统的 使用率。输出为单总线结构，能够有效减少对单片机的 I/O 口的占用，节省资 源并且不用再额外的增加电器元件。湿度测量范围 20%90%RH，温度测量 范围 050；应用范围广泛，在湿度控制、温湿度检测、消费领域的家电市 场都有应用。 单片机系统与 DHT11 数字温湿度传感器通过 DATA 进行通信，DATA 选 择单总线的数据传输格式，通讯时间为 4MS。数据被分为两部分：整数和小数。 在本次设计中只用到数据的整数部分，所以小数部分的数值始终为0。具 体的数据传输流程如下： 数字温湿度传感器 DHT11 在传输数据时，可以一次性的传输高达 40 位的 数据。数据的传输样式为：8bit 湿度整数部分+8bit 湿度小数部分+8bit 温度整 数部分+8bit 温度小数部分 +8bit 校验和 9。 单片机向 DHT11 温湿度传感器发送低电平信号（开始信号）后，DHT11 开始工作，等到单片机发出高电平信号（开始信号结束）后，DHT11 发送应 答信号，发送 40 位数据，并开始收集信号，用户可以有选择的读取部分数据。 . . 单片机系统发出开始信号，并被 DHT11 数字温湿度传感器接收到后，会激活 传感器对温度和湿度信号进行采集，DHT11 温湿度传感器只有在接收到单片 机系统发出的开始信号后，才可以采集空气中的温湿度信号。采集信号结束后， 传感器会主动把运行模式转换到低速运行模式。通信流程如图 2.7 所示： 图 2.7 DHT11 的通讯过程 在单片机系统中，总线电平是1时为空闲状态，单片机把总线电平拉低 等待 DHT11 响应时，总线被拉低的持续时间必须大于 18 毫秒，在本次设计的 程序中拉低 20MS，保证 DHT11 能够检测到起始信号。单片机系统拉高电平 后，需要维持 20us 到 40us 的时间对系统进行延时，在本次的设计程序中延时 的时间为 40us。发送数据过程如图 2.8 所示： 图 2.8 数据传输 当总线的状态为低电平时，表明 DHT11 温湿度传感器发出应答信号，应 答信号发出后，温湿度传感器把总线的电平拉高等待 80us，做好传输数据的准 备。每次开始传输 1bit 数据都会拉低电平 50us，数据传输过程中，数字0 和1用高电平的持续时长区分。数字0信号的表示方法如图 2.9 所示。 传输数据结束后，温湿度传感器把总线的电平变为低电平，且持续 50us，最后 上拉电阻把总线电平从低电平变为高电平，使温湿度传感器转换到空闲状态。 . . 图 2.9 数字0信号传输方法 信号0的传输方式是：数据传输开始阶段结束后，总线电平被拉高，如 果该高电平持续的时间为 26us 到 28us，此阶段传输的数据就是信号0。 数字1的信号表示方法如图 2.10 所示： 图 2.10 数字1信号表示方法 信号1传输方式是：数据传输开始阶段结束后，总线电平被拉高，如果 该高电平持续的时间为 116us 到 118us，此阶段传输的数据就是信号1。 2.3.3 传感器电路 DHT11 温湿度传感器能够在 3V 到 5.5V 的电压下正常工作，结合一些辅助 电路可以检测信号，并且能够对检测到的数据进行初步整理。上电后，DHT11 传感器为了通过不稳定的状态，需要等待一秒钟，在这段时间不发送任何指令。 DHT11 与单片机间的通信和同步是通过数据端口来实现，数据端口与计算机 连接到 P1.2 端口，使用 4.7K 上拉电阻，防止干扰，提高稳定性。因为检测湿 度时会受到环境温度的影响，所以我们应该在一个相对稳定的环境下进行湿度 . . 检测，在测量湿度的过程中，湿度传感器应在同一温度中。因此，在安装 DHT11 温湿度传感器时，我们应该注意把温湿度传感器放置到离发热快的元 件较远的地方，同时能够保证传感器可以正常的工作。传感器电路如图 2.11 所 示。在本次仿真中，由于仿真软件里没有 DHT11 温湿度传感器的仿真图，所 以在图 2.11 中的 DHT11 元器件，只是本人在仿真软件里找的一个与 DHT11 有着相似管脚的元器件。在实际焊接时，仅仅按照这个仿真图里的管脚连接方 式进行连接，元器件还是 DHT11 传感器，与此没有太大的关系。 图 2.11 DHT11 传感器连接电路 2.4 液晶显示模块 2.4.1 显示器的设计方案 方案一：采用数码管显示。在该设计中我们需要显示很多的信息，数码管 数量少的话就很难达到要求，这样的话会加大我们在焊接和排版时会增加很大 的负担。 方案二：采用 LCD 显示屏。我们常用的是 1602LCD，它可以同时输出 32 个字符，比一个简单的数码管显示出的内容要多得多。该方案不仅满足系统功 能要求，降低系统复杂度。综合考虑，我决定采用方案二。 2.4.2 1602 字符型液晶显示屏 1602 液晶显示屏按照其结构可以分为两种类型：有背光与没有背光。两种 类型的显示屏在系统应用上没有多大的区别，只不过有背光的显示屏比没有背 光的厚一些。总体来说，两者可以通用的。两者尺寸差别如下图 2.12 所示： . . 图 2.12 1602LCD 尺寸图 本系统选用的显示屏是 1602LCD，它是一种字符型的液晶显示屏，能够以 点阵的方式显示符号、数字和字母 10。带背光的 1602 液晶显示屏拥有 16 个引 脚，比不带背光的多了一条背光电源线和一条地线，但是它们的控制原理都是 一样的。1602 型液晶屏有 d0-d7 共 8 位的数据总线接口与三个控制端口，能够 显示出 32 个字符。其实物如图 2.13 所示： 图 2.13 1602LCD 实物图 1602LCD 主要技术参数： 显示容量：16x2 个字符 芯片工作电压：4.5-5.5V 运行电流：2.0mA 字符大小：2.95x4.35mm 1602 液晶显示屏的引脚如图 2.14 所示： . . 1 8 0103 2345 67 RV110K D714D613D512D41 D310D29D18D07 E6RW5RS4 VS1VD2VE3LCD1 LM016L 2345 6789 1RP1 RESPACK-8 图 2.14 1602 字符型液晶屏引脚 1602 液晶显示屏有两种不同的接口，一种为 14 脚的显示屏它没有背光， 另一种是带有背光的 16 脚显示屏，但它们的主要引脚功能都是一样的，下面 就以 16 脚的显示屏为例介绍一下各引脚功能。引脚功能如表 2.2 所示： 表 2.2 1602 液晶引脚功能表 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源负极 9 D2 数据 2 VDD 电源正极 10 D3 数据 3 VL 显示对比度调节 11 D4 数据 4 RS 指令/数据选择 12 D5 数据 5 R/W 读写信号选择 13 D6 数据 6 E 使能信号 14 D7 数据 7 D0 数据 15 BLA 背光源的正极 8 D1 数据 16 BLK 背光源的负极 在本次设计中，我们用到的 1602 显示屏是 16 脚带背光的，下面是用到的 各个引脚在单片机系统中每个引脚的连接方式： 第 1 脚：VSS 接地。 第 2 脚：VDD 接+5V 电源。 第 3 脚：VL 是 LCD 对比度的调节引脚，如果显示器对比度太高的话，我 们就很难看清楚显示出的内容，所以我们在应用该显示器的时候，可以连接上 一个 10K 大小的可调电阻，用户能够根据实际情况进行调节。 . . 第 4 脚：RS 是寄存器选择控制端口，当 RS=0时应用指令寄存器，当 RS=1时应用数据寄存器。 第 5 脚：R/W 为读写信号端口，当该端口的状态为低电平时进行写操作， 端口状态为高电平时进行读操作。当 RS 和 R/W 的端口信号为 “00”时，能够 写入指令；当 RS 和 R/W 的端口信号为“01”时可以进行读忙信号；当 RS 和 R/W 的端口信号为“10”时可以写入数据。 第 6 脚：E 端口是使能信号引脚，当该引脚的电平由 1变为0时， 显示器开始执行命令。 第 7 到 14 脚：d0 至 d7 口是 8 位的输入/输出数据传输端口。 第 15 脚：背光源的正极。 第 16 脚：背光源的负极。 2.4.3 1602LCD 电路 本次设计的显示部分采用 1602 液晶显示屏，可以输出显示预设的最佳湿度 值和室内的温度与湿度。RS 脚和 E 脚分别和单片机的 P2.7 和 P2.6 相连，D0- D7 口和单片机的 P0 口相连，P0 口作为一列 8 位漏极开路型双向 I/O 口，常用 作地址/数据总线复用口，P0 口内部没有上拉电阻，使用时需添加外部上拉电 阻。当用 flash 进行编译的时候时， P0 口接收到的数据为指令字符，当用 flash 校准验证的时候，P0 口向传感器发送字节指令。因为 P0 口驱动能力较弱，所 以在 P0 口我们应该再焊接一个上拉电阻。在本次设计中，上拉电阻用的是排 阻，1602LCD 的电路如图 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