智能加湿系统DOCWord格式.docx
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AXIAL
4
电容
30pF,10pF
RB.2/.4
3
按钮
SW-PB
5
晶振
11.0952MHz
CRYSTAL
1
湿度传感器
HIH4000
单片机
DIL40
A/D转换器
DIL-28
LED显示器
DPY_7-SEG_DP
报警器
SIL2
锁存器
74LS373
三极管
NPN
与门
AND
非门
NOT
滑动变阻器
1KΩ
RVAR
2.3系统工作原理
本次课程设计的湿度检测部分主要由单片机控制电路，湿度检测电路和外围电路组成。
首先，由湿度检测电路将湿度数据检测出来，然后将模拟信号送至A/D转换电路进行A/D转换，A/D转换电路将转换后的数字信号送入单片机处理，之后由单片机进行数据比较分析，把实时湿度数值通过显示电路显示出来。
当湿度高于或低于规定数值时，单片机发出指令，由加湿除湿电路进行加湿除湿。
由键盘电路可以改变预设的湿度范围，从而根据季节或时间等具体需要对湿度范围进行调节。
3.硬件电路设计
3.1传感器
湿度采集传感器采用HIH4000湿度传感器，是Honeywell公司生产的HIH系列湿度传感器。
其内部装有相对湿度与温度测量的感测装置，以高聚合物配合多孔性白金属为感测材料，并以多孔性为带电极，同时在感测器外部利用抗水性的不锈钢多孔性烧结物将其封装。
HIH4000湿度感测器是以侦测当时空气中水蒸气汽度和饱和水蒸气汽度的比例关系。
其工作原理为将金属氧化物粉末烧结成陶瓷物，由烧结的程度可以得到多孔状的物体，而此多孔状的物体表面会吸收水分子中的离子，使得湿度传感器产生物理变化，即使感测部分的材料阻抗发生变化。
当湿度高时，在多孔质表面的吸附层变得更厚，阻抗变得更低，而使电流变得更容易通过，因此可以很容易测量到湿度的大小。
HIH4000系列湿度传感器是专为大量生产的原始设备制造厂（OEM）用户而设计的。
利用这传感器的线性电压输出可直接输入到控制器或其他装置。
一般仅需取出200uA电流，HIH-4000系列测湿传感器就能理想地用于低引出、电池供电系统。
传感器良好的互换性减少或消除了OEM的生产校验成本。
可以提供单个传感器校准数据。
HIH-4000系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组件（SIP）提供仪表测量质量的相对湿度（RH）传感性能。
RH传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其芯片内具有信号处理功能。
传感元件的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力。
HIH4000-003性能规格：
互换性（最佳配合直线）
0-60%-5~+5%RH
60%-100%-8~+8%RH
精度（最佳配合直线）±
3.5%RH
滞后性3%RH
重复精度±
0.5%RH
整定时间70ms
响应时间（在缓慢流动的空气中）15sec
供电要求
供电电压5VDC输入，0.8~3.9VDC输出
供电电流200uA
相对湿度稳定度±
1%（5年内相对湿度50%）
温度感测精度±
3℃@25℃
操作温度范围-40~85℃（0-100%RH）
图1HIH4000系列湿度传感器
3.2A/D转换器
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图2所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。
因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。
输入输出与TTL兼容。
ADC0809共有28个引脚，采用双列直插式封装。
其主要引脚功能如下：
IN0~IN7:
8路模拟信号输入端。
D0~D7：
转换完毕的8位数字输出端。
A、B、C与ALE：
控制8路模拟输入通道的切换。
A、B、C分别与单片机的三条地址线相连，3位编码对应8个通道地址端口。
C、B、A=000~111分别对应IN0~IN7通道的地址。
各路模拟输入之间的切换由软件改变C、B、A引脚上的编码来实现。
OE、START、CLK:
OE为输出允许端，START为启动信号输入端，CLK为时钟信号输入端。
VR（+）、VR（-）：
基准电压输入端。
图2ADC0809内部结构
3.3单片机
根据设计需要，本次设计选用的是以8051为核心单元Atmel公司的低耗AT89S51单片机。
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4K的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器，既可在线编程也可以用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，可灵活应用于各种控制领域。
AT89S51提供以下标准功能：
4KBFlash闪存存储器，128B内部RAM，32个I/O口线，看门狗，两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
AT89S51芯片有40条引脚，采用双列直插式封装。
下面说明各引脚功能。
VCC：
运行和程序校验时接电源正端。
XTAL1：
输入到单片机内部振荡器的反相放大器。
XTAL2：
反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。
P0口：
8位漏极开路的。
使用片外存储器时，作低八位地址和数据分时复用，能驱动8个LSTTL上拉电阻。
P1口：
8位、准双向I/O口。
P2口：
当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。
可以驱动4个LSTTL负载。
P3口：
8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路，提供各种替代功能。
P3.0——RXD串行口输入口，P3.1——TXD串行口输出口，P3.2——INT0外部中断0输入，P3.3——INT1外部中断1输入，P3.4——T0定时器/计数器0的外部输入，P3.5——T1定时器/计数器1的外部输入，P3.6——WR低电平有效，输出，片外存储器写选通，P3.7——RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。
RST：
复位输入信号，高电平有效。
在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。
EA/VCC：
片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。
高电平时选择片内程序存储器，低电平时程序存储器全部在片外而不管片内是否有程序存储器。
ALE/PROG：
地址锁存允许信号，输出。
ALE以1/6的振荡频率固定速率输出，可作为对外输出的时钟或用作外部定时脉冲。
图3单片机AT89S51管脚图
3.4LED显示电路
通常的七段LED显示块中有八个发光二极管，故也有人叫做八段显示块。
其中七个发光二极管构成七笔字形“8”。
一个发光二极管构成小数点。
七段显示块与单片机接口非常容易。
只要将一个8位并行输出口与显示块的发光二极管引脚相连即可。
8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符。
本次设计采用多位7段LED数码管与8051单片机接口电路，它采用了软件译码和动态扫描显示技术。
实际思路是根据要显示的数字或字符去查表取得相应的码段，具体显示时，采用逐位扫描的方法控制哪一位数码管被点亮，在本接口中先从最左一位数码管开始，逐个左移，直至最后一个数码管显示完毕，然后重复上述过程。
图4LED显示电路
3.5按键电路
为了完成预定湿度值的设定，系统设置了5个按键，分别为复位键，加一键，减一键，设定键和开始（确定）键。
通过按键电路可以在不同的季节及不同的天气对室内所需要湿度检测电路控制湿度的范围进行有效地调节。
在本湿度检测系统中，可以最大限度地减少键盘电路对I/O端口的占用。
图5按键电路图
3.6报警及加湿除湿电路
当所检测室内湿度超过或低于所设定值时，报警电路便发出警报，再通过单片机进行加湿或者除湿。
图6报警及加湿除湿电路图
3.7上位机接口
目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。
RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。
RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。
引脚介绍：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；
DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC（+5v）。
图7上位机接口图
3.8抗干扰
看门狗电路的应用，使单片机可以在无人状态下实现连续工作,其工作原理是:
看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平（或低电平）,这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段进入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动复位。
3.9总电路原理图及子程序电路图
3.9.1系统电路框图
图8系统电路框图
3.9.2总电路原理图
图9总电路原理图
3.9.3湿度采集电路部分
图10湿度采集电路图
3.9.4A/D转换器与单片机连接部分
图11单片机与A/D转换器连接图
3.9.5单片机最小系统部分
单片机的最小系统一般由电源部分，晶振部分，复位电路部分三部分组成。
对于电源部分，技术资料中性能参数里给出的标准工作电压是4.0～5.5V。
因此，单片机的引脚40对应的VCC接到+5V电源的正极，引脚10对应的GND接到+5V电源的接地端，为AT89S51单片机提供正常的工作电压。
对于晶振部分，AT89S51单片机中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚19对应的XTAL1和18对应的XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。
如石英晶体及电容C1和C2接在放大器的反馈回路中构成并联谐振电路。
石英晶体的两端分别接到引脚XTAL1和引脚XTAL2，同时石英晶体的两端分别接一个电容C1和C2，电容的另一端接地。
对于外接电容C1和C2的大小虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小还是会对振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度和温度稳定性带来一定的影响。
根据技术资料的推荐，使用石英晶体推荐电容容量为30pF±
10pF，使用陶瓷谐振器推荐电容容量为40pF±
10pF。
因为电路中接的是石英晶体，所以设计中接的两个电容C1和C2的容量都为30pF。
对于复位电路部分，AT89S51技术资料给出，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。
复位是单片机的初始化操作，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，可以按复位键以重新启动，所以复位电路的设计很有必要。
复位操作有上电自动复位、按键电平复位和外部脉冲复位三种方式，本设计选用上电自动复位方式。
如图7所示，10μF的电容C3与一个10KΩ的电阻串联，电容的正极端接到电源的正极，电容的另一端接至引脚RST。
设计中选用的石英晶体大小为11.0952MHz,但上电自动复位时，电容和电阻选用的参数值能够保证给复位端RST提供大于2个机器周期的高电平复位信号。
图12单片机最小系统
4.软件设计
4.1系统软件流程图
图13系统总体流程图
4.2系统各子程序
4.2.1数据采集部分
数据采集与A/D转换子程序根据输入参数对相应的模拟信号进行采样，量化及处理，并将相应信号的数值返回主程序。
图14数据采集子程序流程图
4.2.2键盘部分
图15键盘子程序流程图
4.2.3报警及加湿除湿部分
主要实现异常情况下控制警告信号的输出，并通过单片机来实现自动加湿除湿。
当室内温度升高到某一点时，或温度低于某一规定值时，音频报警信号装置会发出报警信号。
图16报警及加湿除湿子程序流程图
5.心得体会
经过了这两周的努力，终于完成了这个课程设计。
此时此刻写下的每一个字都满载着我内心的喜悦，从最初接到课设，查看设计要求，课题背景，再到设计电路图，仿真……整个过程遇到了大大小小许许多多的困难，尤其是仿真的时候，调试了好久都没有正确显示，当时心里十分着急，幸好有同组的同学一起，从最初的原理图开始，重新校正每一个元器件，确定每一个元器件的参数，也问了懂proteus仿真的高手，最终终于成功调试出来了。
其间我也系统地学习了一下proteus仿真这一EDA软件。
其他的一些小问题也是从未间断过，但是经过耐心的翻阅资料，虚心的请教指导老师，这些问题也都一一解决了。
在全部设计完成后，我又查阅了相关的可靠性设计和抗干扰设计，发现我设计的电路在这两方面还是有欠缺的，唯一做到的一点就是采用了HIH4000湿度传感器，通过ADC0809转换器的转换，再到单片机进行控制，实现了之一过程。
由于本次设计的截止时间已到，所以在这方面做得还不够详尽，这是唯一美中不足的地方。
通过这次课程设计，我受益匪浅，不仅培养了我独立思考和互相交流的能力，还锻炼了我面对困难寻找解决办法的能力，同时我也深深地体会到了一点，那就是：
无论多大的困难，只要你耐心镇定地寻找方法去解决它，这些问题最终都会迎刃而解的。
本次课程设计的过程中，我和同组的同学互相帮助，共同解决问题，大家对遇到的每一个问题都耐心地寻找解决办法，都很耐心很认真地为大家解答，真的是团结力量大。
相信在今后的学习生活中，我们也会更加乐于互相帮助，互相学习的。
6.参考文献
[1]徐爱钧，单片机原理及应用，北京：
机械工业出版社，2010.7
[2]张毅刚，单片机原理及应用，北京：
高等教育出版社，2010.5
[3]康华光，模拟电子技术，北京：
高等教育出版社，2004
[4]胡汉才，单片机原理及接口设计，北京：
清华大学出版社，2002
[5]孙传友、孙晓斌，测控系统原理及设计，北京：
北京航空航天大学出版社，2007
[6]宋文绪、杨帆，传感器与检测技术，北京高等教育出版社，2009.11
[7]钱显毅，传感器原理与应用，南京：
东南大学出版社，2008.7
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