湿度控制系统设计文档格式.docx
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4.2结果分析16
5结束语19
参考文献19
附录1：
总体设计原理图及PCB图21
附录3：
整机实物图22
附录4：
软件程序22
摘要：
随着现代工农业技术的发展，空气的湿度在各个方面的应用也越加广泛，且对空气湿度的要求也越来越高了。
本系统以STC89C52单片机为核心处理器，采用了DHT11湿敏电容数字式温湿度传感器在某特定环境下的湿度进行收集，将采集的数据传入单片机中进行处理，然后通过LED数码管令采集到的湿度值进行显示，接着将所测量值与设置的湿度范围进行对比，当所测得的环境湿度低于所设定的湿度范围的下限值时，驱动加湿器将会进行加湿；
如果所测得的环境湿度高于设定的湿度的范围的上限值，驱动电吹风进行工作使环境的湿度下降，以减少所在环境的湿度。
关键词:
STC89C52；
DHT11；
湿度控制；
传感器
Humiditycontrolsystemdesign
Abstract：
Theapplicationofairhumiditybecomemoreandmorewidelywiththedevelopmentofmodernagricultureandindustry.Andtherequirementsofairhumiditybecomehigherandhigher.
HumidityvalueswillbedisplayingthroughtheLEDdigitaltube,andthensentintothemicrocontrollerforprocessing.ThissystemusesSTC89C52MCUascoreprocessor,theDHT11HumidityCapacitancedigitaltemperatureandhumidityisasensorofcollectinghumidityinairenvironment.Thenthecollecteddataofthemicrocontrollerforprocessing,willbecomparingmeasurementandsettingthehumidityrange.Ifthemeasuredambienthumidityisbelowthelowerlimitofsethumidityrangethehumidifierwillbedriven.Whenthemeasuredhumidityishigherthandataofthehighlimit,thehairdrierwillrunningtochangethehumidityofsurroundings.
Keywords:
STC89C52;
DHT11;
humiditycontrol;
Sensors
1前言
湿度是表示空气潮湿程度的物理量，它主要是指设施内空气的相对湿度。
在一定的温度下在一定体积的空气里所含有的水汽越少，则空气越干燥；
相反，水汽越多，则空气越潮湿。
人类的生产、生活等各种活动与湿度有着密切的关系，同时也是工业生产时最基本最常见的工艺指数。
随着社会的不断发展，人们对自己的生存环境也越发关注，而且人体的舒适度和情绪都与空气中温湿度有直接的关系。
1.1研究背景和意义
湿度分为绝对湿度和相对湿度两种是表示空气中水蒸气的含量。
绝对湿度也叫水蒸气密度，它表示水蒸气的质量与总容积的比值；
相对湿度则是表示相同湿度下，大气中水蒸气的实际压强与饱和时的压强之比，相对湿度的英文缩写为ＲＨ（RelativeHumidity）通常是用百分数来表示。
湿度作为农作物最为敏感的因子之一，湿度的大小不仅影响着地面蒸发量和设施内农作物蒸腾，而且直接与作物光合强度与病害情况有关。
在一般情况下，采用常规的方法测量湿度,它的误差将达到±
5%～±
20%。
湿度是一个比较容易受外界因素影响的被测量量。
此外，湿度的校准也是一个难以攻克的难题。
湿度标定对环境的要求十分苛刻，而且在国内外的湿度标定设备又十分高昂。
因此，在此条件上，本设计提出了基于STC89C52单片机来控制湿度检测及控制的方法。
1.2国内外发展状况
在现代社会信息科技的快速发展中，网络传输、计算机技术和湿敏元件的高速更新，因而使得湿度的测量朝着自动化、网络化，高速化发展。
在常规的环境测量参数中，湿度是最难准确测量的一个。
事实上，湿度测量技术发展到现今，已历时200多年。
早在18世纪，人类就发明了干湿球湿度计。
干湿球湿度计的准确度主要取决于干球、湿球两支温度计本身的设计精度；
湿度计必须处在通风状态：
只有水质、纱布、水套、风速都满足一定要求时，才能保证其准确度，干湿球湿度计的准确度只有5％～7％RH。
干湿球测湿法采用间接测量方法，它通过测量干球、湿球的温度，然后经过计算得到湿度值。
因此对使用温度范围没有严格限制，在高温环境下也不会影响传感器的工作。
干湿球测湿法的维护很简易，在实际使用中，只需定期给湿球更换湿球、纱布及加水即可。
干湿球测湿法与电子式湿度传感器比较，不会出现老化，精度下降等问题。
人们根据头发随大气湿度变化而产生伸长或缩短的原理，从而制成了毛发湿度计。
但人们对湿度传感器中的湿敏元件的探究，是从1938年美国的F.W.Dunnore研制浸涂式氯化锂湿敏元件成功才开始的。
干湿球湿度计和毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需求。
因为测量湿度比测量温度要复杂很多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度，表层材质）的影响。
开发一种低成本、高效益的湿度控制系统用来控制小型大棚湿度将会减少人工负担，从而提高种植业的经济效益。
取用湿度传感器芯片进行湿度测量加之以单片机编程进行控制，打破原有的人工控制模式，采用智能化的方式进行处理控制，研制的系统具有小型化，智能化，湿度控制范围可以根据不同的应用环境进行设定。
国外早已将湿度控制技术应用到了很多领域，从最早的手动控制到自动控制，然后再到最后的智能化；
向着低功耗、小型化、完全自动化的方向全面发展。
我国站在国外技术发展的基础上，虽然与发达国家还有一些差距，但也取得了很大的进步。
1.3设计要求
（1）湿度测量范围：
30～80%RH。
（2）湿度控制50±
10％RH范围内。
（3）测量精度：
±
5％RH。
（4）用LED显示所测到的湿度。
（5）根据所测湿度值，与控制范围内的两临界值进行对比，来控制加湿装置与去湿装置。
1.4设计方案研究
现如今，湿度控制系统的种类有很多种，而且它的实现方式有很多样：
可采取PLC、基于单片机和Labview语言等多种实现方式去体现它的功能。
通过Labview语言和基于PLC来实现功能的方式虽然存在很多的优势。
但基于我现在所了解的专业知识及对单片机的广泛认知度，采用单片机系统来设计湿度控制系统更方便此设计。
2硬件系统设计
2.1系统结构概述
此系统的硬件部分主要将由键盘控制、数字湿度采集模块、报警电路、控制模块、LED数码管显示电路等几大模块组成。
系统通过数字湿度传感器来采集特定环境下的湿度，并将所采集的数据送入单片机中，将测量值与设置的湿度范围进行对比以此来控制环境的湿度。
如图2-1所示。
图2-1系统结构图
2.2单片机STC89C52简介
本设计系统所选的是STC89C52单片机。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash
存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机
一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
STC89C52单片机引脚图如图2-2所示。
图2-2引脚图
引脚说明：
p0口：
p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。
作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑电平。
对p0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，p0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，p0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，p0口也用来接收指令字节；
在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
p1口：
p1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。
对p1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。
此外，p1.0和p1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（p1.0/t2）和时器/计数器2的触发输入（p1.1/t2ex），具体如表2-1所示。
在flash编程和校验时，p1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能
表2-1引脚号第二功能
p1.0
t2（定时器/计数器t2的外部计数输入），时钟输出
p1.1
t2ex（定时器/计数器t2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
p1.5
mosi（在线系统编程用）
p1.6
miso（在线系统编程用）
p1.7
sck（在线系统编程用）
p2口：
p2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。
对p2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行movx@dptr）时，p2口送出高八位地址。
在这种应用中，p2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如movx@ri）访问外部数据存储器时，p2口输出p2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，p2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
p3口：
p3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。
对p3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
p3口亦作为stc89c52特殊功能（第二功能）使用，如下表2-2所示。
在flash编程和校验时，p3口也接收一些控制信号。
表2-2p3口控制信号
端口引脚
第二功能
p3.0
rxd（串行输入口）
p3.1
txd（串行输出口）
p3.2
into（外中断0）
p3.3
int1（外中断1）
p3.4
to（定时/计数器0）
p3.5
t1（定时/计数器1）
p3.6
wr（外部数据存储器写选通）
p3.7
rd（外部数据存储器读选通）
此外，p3口还接收一些用于flash闪存编程和程序校验的控制信号。
rst——复位输入。
当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ale/prog——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ale仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。
对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh单元的d0位置位，可禁止ale操作。
该位置位后，只有一条movx和movc指令才能将ale激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale禁止位无效。
psen——程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当stc89c52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次psen有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次psen信号。
ea/vpp——外部访问允许，欲使cpu仅访问外部程序存储器（地址为0000h-ffffh），ea端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位lb1被编程，复位时内部会锁存ea端状态。
如ea端为高电平（接vcc端），cpu则执行内部程序存储器的指令。
flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vpp，当然这必须是该器件是使用12v编程电压vpp。
图2-3单片机电路模块
2.3湿度采集模块
2.3.1湿度传感器的选取
该系统设计要求湿度测量范围在30~80%RH之间，测湿精度在±
5％RH，DHT11温湿度传感器,它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品为4针单排引脚封装。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。
（1）湿度测量范围为20~90％RH；
（2）湿度测量精度为±
5％RH；
（3）湿度测量分辨率为1％RH；
（4）互换性：
可完全互换，
（5）长期稳定性：
<
1%RH/年
DHT11的供电电压为3.3~5.5VDC。
传感器上电后，要等待1s以保持稳定状态在，此期间无需发送任何指令。
电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，以此来去耦滤波。
2.3.2DHT11引脚说明
表2-3DHT11引脚说明表
Pin
名称
注释
1
VDD
供电3-5.5VDC
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，请悬空
4
GND
接地，电源负极
2.3.3湿度测量电路
图2-4DHT11与单片机连接原理图
DHT11的供电电压为3-5.5VDC，DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间5ms左右,具体格式在下面说明,当前数据传输为40bit,高位先出。
由原理图可得，湿度测量电路主要由温湿度传感器DHT11组成，如图2-5所示。
图2-5湿度采集电路模块
2.4电源模块
该模块主要通过两个10uf的电容及两个104的二极管构成的。
图2-6电源模块电路
2.5键盘及LED显示
2.5.1LED数码管显示模块
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
1602LCD是指显示的内容为16X2，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
GND为电源地
第2脚：
VCC接5V电源正极
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：
RS为寄存器选择，
高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端,高电平
（1）时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，
16脚背光负极。
图2-7显示模块电路图
2.5.2键盘模块
2.5.2.1键盘接口技术原理
键盘接口技术可分为两类：
独立式和矩阵式两类。
（1）独立式键盘电路。
各个键间相互独立，每个按键独立与一根输入线相连，一根线上的工作状态不影响其他输入线的工作状态；
通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键按下了，是最简单的键盘电路。
（2）行列式键盘
独立式键盘虽然结构简单，使用方便。
但每一个按键开关都要占一根I/O口线，因此在按键数较多的时侯，采用行列式结构键盘。
行列式键盘由键盘开关矩阵、输入（列线）缓冲器、输出（行线）锁存器三部分所组成。
在行列式键盘中有以下几种结构形式。
第一种直接使用I/O构成行形式键盘电路。
MCU的I/O口输出具有锁存器，输入具有缓冲器，因此应用I/O口直接与行线、列线相连就可以组成行列式键盘。
第二种利用I/O口和译码器构成行列式键盘电路。
第三种利用串行口和移位寄存器构成的键盘接口电路。
2.5.2.2键盘电路
键盘电路采用独立式按键接口设计，一共设置了3个按键，按键的作用分别是加、减、设置选项。
除此之外，在复位电路中，还有一个复位键。
键盘电路如图2-8所示。
图2-8键盘模块电路图
2.6报警电路模块
2.6.1蜂鸣器简介
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种。
1．压电式蜂鸣器
压电式蜂鸣器主要由压电蜂鸣片、多谐振荡器、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
有些压电式蜂鸣器的外壳上还装有发光二极管；
多谐振荡器由晶体管或集成电路组成。
当电源接通后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振将输出1.5~2.5kHZ的音频信号然后阻抗匹配器促发压电蜂鸣片发声。
2．电磁式蜂鸣器
电磁式蜂鸣器由振动膜片、电磁线圈、振荡器、磁铁及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生音频信号，电流通过电磁线圈，然后产生磁场。
振动膜片在电磁线圈和磁铁的共同作用下，周期性产生振动发声。
2.6.2报警电路
图2-9报警电路原理图
2.7湿度控制模块
在本设计中，湿度控制模块和湿度检测模块一样，是较为关键及重要的一个环节。
首先要完成单片机接收STC89C52检测到由特定环境下湿度转换而来的数字信号。
接着在中断响应中，单片机要完成数据收集、数字滤波、判断是否越限、标度转换处理、继续显示当前湿度、与设定值进行对比、输出控制信号等一些功能，该模块主要实现加湿及除湿设备的控制。
控制模块根据所测湿度的大小来控制所测环境的湿度。
本设计采用两个装置来控制湿度，一个是超声波加湿器另一个是电机小风扇。
一部分就是增加湿度的蒸汽机，也就是用来增加空气湿度的加湿设备；
另一部分就是降低湿度的的吹风机，也就是用来减小空气中的湿度含量，这两个方面合起来共同实现空气湿度的自动调节。
2.7.1去湿模块
当所测湿度高于设定的湿度范围的上限时，单片机就发出指令使电吹风驱动，然后使环境的湿度降低。
在本设计中，湿度的的调节还可以进行手动调节。
当你按下JIAKEY键时，电机会加速运转；
相反的，当你按下JIANKEY键时，电机则会减速运行；
当你按下ZFKEY键时，电机将停止运行而不管湿度检测信号。
并且在此过程中，湿度检测电路还会不断的将湿度信号送入处理器中。
同时当前湿度值会通过数码管显示出来，但此时湿度检测信号不会改变吹风机的工作，直到满足湿度在要求范围内的时候。
如图2-11所示为去湿电路模块，主要采用了一个驱动芯片L298。
其引脚排列如图2-10中所示。
图2-10L298引脚图
L298是SGS（通标标准技术服务有限公司）公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
L298N的引脚9为LOGICSUPPLYVOLTAGEVss，即逻辑供应电压。
引脚4为SUPPLYVOLTAGEVs，即驱动部分输入电压。
Vss电压要求输入最小电压为4.5V，最大可达36V；
Vs电压最大值也是36V，它的引脚2，3，13，14为L298N芯片输入到电动机的输出端，其中引脚2和3能控制两相电机，对于直流电动机，即可控制一个电动机。
同理，引脚13和14也可控制一个直流电动机。
引脚6和11脚为电动机的使能接线脚。
引脚5，7，10，12为单片机输入到L298N芯片的输入引脚。
1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号，也可以直接接地。
在可设计中就将它们直接接地。
L298N是内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器可驱动46v,2A以下电机,1和15脚可单独引出接电流采样电阻器,形成电流传感信号.接错无法控制电机.引脚8为芯片的接地引脚，它与L298N芯片的散热片连接在一起。
由于本芯片的工作电流比较大，发热量也
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