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湿度控制系统设计
目录
摘要1
关键词1
英文摘要1
英文关键词1
1前言2
1.1研究背景与意义2
1.2国内外发展状况2
1.3设计要求3
1.4设计方案研究3
2系统硬件组成电路设计3
2.1系统结构概述3
2.2单片机STC89C52简介4
2.3湿度采集模块7
2.3.1湿度传感器的选取7
2.3.2DHT11引脚说明8
2.3.3湿度测量电路8
2.4电源模块8
2.5键盘及LED液晶显示模块9
2.5.1LED液晶显示模块9
2.5.2键盘模块10
2.5.2.1键盘接口技术原理10
2.5.2.2键盘电路10
2.6报警电路模块11
2.6.1蜂鸣器简介11
2.6.2报警电路11
2.7湿度控制模块11
2.7.1去湿模块12
2.7.2加湿模块13
3软件设计14
3.1主程序流程图15
3.2DHT11的信号发送15
4测试方法及结果分析16
4.1测试方法16
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
湿度控制系统设计
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。
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）。
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。
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）。
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。
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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