基于89C51单片机控制的智能湿度控制系统毕业设计.docx

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基于89C51单片机控制的智能湿度控制系统毕业设计

摘要

随着科技的发达，以及人民生活水平的提高，人民室内生活环境不断改善，出现了空调、智能温度器、室内净化器等一系列改善人民生活条件的高科技产品。

然而这并不能满足人民越来越高的生活需求，有些人提出了湿度的要求，本设计就在此基础上，设计一种基于89C51单片机控制的智能湿度控制系统。

此系统采用了精密的检测电路（包刮精密对称方波发生器、对数放大及半波整流、温度补偿及温度自动校正及滤波电路等几部分电路组成），能够自动、准确检测环境空气的相对湿度,并将检测数据通过A/D转换后，送到处理器（AT89C51）中，然后通过软件的编程，将当前环境的相对湿度值转换为十进制数字后，再通过数码管来显示；而且，通过软件编程，再加上相应的控制电路（光电耦合及继电器等部分电路组成），设计出可以自动的调节当前环境的相对湿度：

当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态；键盘设置及调整湿度的初始值，另外在设计个过程当中，考虑了处理器抗干扰，加入了单片机监视电路。

通过对基于单片机的相对湿度控制器设计，加深对传感器技术及检测技术的了解，巩固对单片机知识的掌握，并系统的复习本专业所学过的知识。

关键词：

湿度检测，对数放大，湿度调节，温度补偿

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theimprovementofandthelivingstandardsofthepeople,thepeopleareimprovingconstantlyinindoorlivingenvironment,theairconditioner,intellectualtemperaturedevice,high-techproductsofsuchpeople'slivingconditionsofaseriesofimprovementasthepurifyingdevice,etc.intheroomhaveappeared.Butthiscannotmeethigherandhigherlifedemandsofpeople,somepeopleproposethedemandforthehumidity,thistextisjustonthisbasis,designoneonthebasisofintellectualhumiditycontrolsystemwhich89C51MCUcontrolled.

Thissystemhasadoptedtheaccuratemeasuringcircuit（isitblowaccuratesymmetricalsquarewavegenerator,logarithmenlargeandhalfwaverectifier,temperaturecompensation,temperaturecorrectandstrainwavecircuitoddpartsofcircuitnottomakeupautomaticallytowrapup）,canmeasuretherelativehumidityofthesurroundingairautomaticallyandaccurately,andaftermeasuringthedataandchangingthroughA/D,senditintheprocessor（AT89C51）,Thenthroughtheprogrammingofthesoftware,afterchangingthevalueofrelativehumidityoftheenvironmentatpresentintothedecimaldigit,andtheninchargeofthenumbertoshow;And,throughsoftwareprogramming,inaddition,correspondingcontrolcircuit（suchsomecircuitasphotoelectriccouplingandrelay,etc.makeup）,designtherelativehumidityofthepresentenvironmentofregulationthatcanbeautomatic:

Whentheindoorairhumidityistoohigh,thecontrolsystemstartstheexhausterautomatically,reducethevaporintheindoorair,inordertoachievethegoalofreducingairhumidity;Whentheindoorairhumidityistoolow,thecontrolsystemstartsthesteamengineautomatically,increasethevaporoftheair,inordertoachievethegoalofincreasinghumidity,makestheairhumiditykeepatidealstate;Theinitialvalueofthehumiditythatthekeyboardissetupandadjusted,indesigningacourseinaddition,haveconsideredtheanti-interferenceoftheprocessor,monitoredthecircuitafterputtingintotheMCU.

Throughdesigningthecontrollerofrelativehumiditybasedonone-chipcomputer,strengthentheknowledgeofthetechnologyofthesensoranddetectiontechnique,theonesthatconsolidatedtoknowledgeoftheone-chipcomputerweremastered,andthesystematicknowledgethataspecialityhasbeenstudiedofreview.

Keyword:

humiditydetection,logarithmisenlarged,humiditycontrolandhumidityregulation,temperaturecompensation。

绪言

1.1课题背景

在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天以及现代生活的各个方面，经常需要对环境湿度进行测量及控制。

对于生物制药、食品加工、造纸等行业，准确的测量湿度更是至关重要的。

此外，湿度还直接影响到人们的舒适程度和身体健康，但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。

这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其它因素的影响，湿度与大气压、温度呈函数关系[1]。

因此，用常规的方法测量湿度的误差可达±5%～±20%，此外，湿度的校准也是一个难题[2]。

过去用干湿球度计或毛发湿度计来测量、通过查表得到湿度的方法[3]，早已无法满足现代科技发展的需求。

干湿球湿度计和普通的湿度计并能用做标定，就是因为标定后的精度无法保证。

湿度的标定对环境条件要求十分严格，而在国外的湿度标定设备（例如过生产的MC741—HP型湿度校准仪），价格又十分昂贵。

本设计就是在此基础是，提出一种基于AT89C51单片机控制的比较简单而实用的湿度检测及控制方法[4]。

1.2课题研究的目的和意义

（1）讨论一种测量湿度的简单方法，利用我们常用的电子元器件来组成简单而实用的湿度检测电路，并在此基础上讨论湿度检测影响条件呵环境因数的作用以及湿度检测的精确性问题，。

（2）在湿度检测的基础上，简单了讨论湿度的控制问题，分析湿度调节的可行性以及怎么样调节的问题。

1.3国内外发展状况

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还取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：

只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。

干湿球湿度计的准确度只有5％一7％RH。

干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。

干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。

与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。

所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。

后来又出现了滴水法测量相对湿度[5]。

而电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。

湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2％一3％RH。

电子湿度传感技术由于发展快，精确性高，误差小，现在得到了广泛的应用[6]。

近年来，随着电子芯片集成化、小型化速度的加快以及芯片制作技术的提高，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足的进步。

湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化[7]、多参数检测以及的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平[8]。

2系统设计方案的研究

2.1系统的控制特点与性能要求

2.1.1系统控制结构组成

湿度检测电路。

用于检测空气的湿度[9]。

微控制器。

采用ATMEL公司的89C51单片机，作为主控制器。

电源温压电路。

用于对输入的200V交流电压进行变压、整流。

键盘输入电路。

用于设定初始值等。

LED显示电路。

用于显示湿度[10]。

功率驱动电路（湿度调节电路）

图2.1系统结构图

2.1.2系统的性能特点

（1）自动检测室内空气的湿度。

（2）当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态[11]。

（3）数码管显示当前的湿度。

（4）键盘设置及调整湿度的初始值。

2.2系统的设计原理

该湿度控制系统由湿度检测电路[12]、CPU监控电路、显示电路、A/D转换电路、排风与加热控制电路和微处理器等组成，其中微处理器AT89C51是整个系统的控制核心，它的原理电路如图l所示。

工作原理如下：

湿度检测电路将当前环境湿度信号通过A/D转换后，送到处理器AT89C51中，然后处理器通过软件的运行，将当前湿度信号通过LED显示出来（显示相对湿度值），并且处理器通过程序的运行，判断当前湿度值是否在预先设定的范围之内[13]。

假设不是，系统就会自动进行湿度的调节：

当湿度检测电路检测到当前环境湿度高于设定值的上限的时候，微处理器将使P2.6输出低电平，起动减湿控制电路使吹风机开始工作，开始排风散热降温；当湿度检测电路检测到当前环境湿度低于湿度设定下限时，P2.7输出输出低电平，使蒸汽机控制电路工作，开始加热增加湿度[14]。

2.3系统实现方案的分析

2.3.1湿度测量的名词术语

湿度：

湿度是表示空气中水蒸气的含量。

湿度又分为绝对湿度和相对湿度两种。

绝对湿度：

绝对湿度亦称水蒸气密度，它表示水蒸气的质量与总容积的比值，有公式

（2.1）

式中,dv代表绝对湿度,它表示每立方米干燥空气与水蒸气的混合物中所含水分的克数；p为水蒸气的压强（单位是Pa）；Ｔab为干燥空气的温度值（单位是℃）．需要指出，国内也有人将空气中所含水蒸气的压强理解为绝对湿度，这与国外关于绝对湿度的定义不相符。

相对湿度：

相对湿度表示在相同湿度下大气中水蒸气的实际压强与饱和水蒸气的压强之比，通常用百分数来表示。

相对湿度的英文缩写为ＲＨ（RelativeHumidity），有公式：

（2.2）

式中，p1（T）代表温度为Ｔ时的水蒸气压强，p2（T）表示在温度Ｔ下的饱和压强。

显然，相对湿度是压强和温度的函数。

　　露点：

在水蒸气冷却过程中最初发生结露的温度。

若气温低于露点，水蒸气开始凝结。

湿度比：

它表示水蒸气的质量与干燥空气的质量比。

　　大气压强：

在单位面积上大气的压力。

通常将海平面高度的大气压强称为１个标准大气压，p0=101.325Pa。

大气压强随高度的增加而降低。

设Ａ、Ｂ两点的高度差h2-h1=h,这两点的大气压强分别为p1,p2。

有公式

（2.3）

当距海面高度为1000M、2000M、4000M、8000M时，大气压强就依次降成0.88p0﹑0.78p0、16p0﹑0.37p0。

水蒸气压强：

当空气和水蒸气的混合物与水（或冰）保持平衡时，就处于饱和状态，相对湿度达到100%，此时水蒸气对水（或冰）的饱和压强就称做水蒸气压强。

其计算公式比较复杂，并且计算水和冰的饱和压强的公式也不同。

2.3.2湿度检测方案分析

干湿球湿度计

干湿球湿度计又亦称干湿计。

它是基于水在蒸发过程中会吸热降温、并且降温的多少（即蒸发速度）与空气的相对湿度有关的原理制成的。

其构造是使用两只温度计，将其中的一只支温度计的球部用白纱布包好，将纱布的另一端浸在水槽中，利用毛细现象使纱布经常保持湿润，此即湿球。

另一支温度计直接暴露在空气中，谓之干球，用于测量环境温度。

若空气中的水蒸气未达到饱和状态，则湿球的表面不断蒸发水气，因此湿球所指示的温度要低于干球所示的温度，并且空气愈干燥（即湿度越低），蒸发速度越快，湿球与干球的温差也越大。

反之，当空气中的水蒸气呈饱和状态时，水分便不再蒸发，湿球与干球所示的温度就会相等。

使用干湿球湿度计时，应将它放在距地面1.2～1.5m的高度上，分别读出干湿球所指示的温度差，再从刻度计所附的温差与湿度对照表中查出当时空气的相对湿度。

例如，假定干湿球温度计所示的温度为22℃，湿度计温度计所示的温度为16℃，两球的温度差是6℃，可首先在表中所示温度一行找到22℃，然后在温差一行找到6℃，再把22℃横向与6℃，竖行对齐，找到数值54，就表示被测相对湿度为54％。

由于湿球所包纱布水分蒸发的快慢不仅和当时的空气有关，还与空气的流动速度有关，因此干湿度球湿度计所附的对照表仅使用于定向的风速，不能任意应用，干湿球温度计的优点是成本低廉，缺点是不能直接读出结果并且测量误差较大。

毛发湿度计

人的头发有一种特性，它吸收空气中的水蒸气的多少是随着相对湿度的增大而增加的，而毛发的长短又与它所含的水分多少有关。

基于这一原理制成毛发湿度计。

预先用酒精将毛发洗净，除去油脂与污垢，再以10根毛发为一束装到容器中。

一种方法是利用杠杆的原理将毛发的伸缩量进行扩大后，带动指针在刻度板上指出相对湿度值。

另一种方法是将头发的一端固定，另一端挂一个小砝码，为能看清楚头发长短的变化的情况，将头发绕过滑轮，在滑轮上安装一个长指针。

在砝码重量的作用下，头发被紧紧地压在滑轮上。

当头发伸长时，滑轮就按照顺时针方向转动，带动指针沿弧形向下偏转，而当头发缩短时，指针则向上偏转。

进行标定时，要将空气完全干燥时指针所指位置定为100％。

最后用干湿球湿度计进行校正，并绘出刻度线，即可直接测出空气的相对湿度了。

毛发湿度计的优点是构造简单，使用方便，缺点是准确度低。

（2）湿敏元件的特点计产品分类：

　湿敏元件是最简单的湿度传感器，湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。

2.3.1湿敏电阻[15]

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度，湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。

以国产SM—1型硅湿敏电阻为例，其相对湿度的测量范围是（1%~100%），测量精度为±4%。

湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线行度和产品的一致性差。

2.3.2湿敏电容

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酸醋酸纤维等。

当环境温度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量（简称湿滞）小、便于制造，容易实现小型化和集成化。

其精度一般比湿敏电阻要低一些，国外生产湿敏电阻的主要厂家有哈米瑞尔（Humirel）公司、飞利浦（Philips）公司、西门子（Siemens）公司等。

以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%~99%）RH，在55%RH时的电容量是180pF（典型值）。

当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF~202pF。

温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s。

除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变震荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。

湿敏元件的线性度及抗污染性差。

在检测环境温度变化时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染二影响其测量精度及长期稳定性。

基于湿敏电阻的相对湿度检测电路的设计

湿敏电阻是最常见，价格耶是最低廉的一种湿度传感器，但其线性度差，必须采取补偿措施。

下面介绍利用湿敏电阻及相应的外围电路设计而成的相对而成的相对湿度检测电路，该电路采用非线性补偿、温度补偿和湿度校正等项技术，实现电路的优化设计。

测量相对湿度的范围为0~100%，测量精度为±2%，分辨率可达0.01%。

另外也出现了光纤湿度敏感元件[16]及其他高分子聚合物，甚至神经网络湿敏元器件。

3系统的结构设计

3.1电源电路的设计

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。

整流器把交流电变为直流电。

经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求，稳压电源的技术指标可以分为两大类：

一类是特性指标，如输出电压、输出电流及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。

对稳压电源的性能，主要有以下四个万面的要求：

1、定性好，2、输出电阻小，3、电压温度系数小，4、输出电压纹波小。

我设计的稳压电源是以78XX和79XX系列稳压器为基础的，这类电源能够产生±5V，±15V。

它是先将来自交流电的电压通过变压器（即将220V转换为20V），然后通过78XX和79XX稳压器，达到设计要求。

首先来介绍一下78XX和79XX的基本情况。

78XX和79XX系列是常用三端固定电压集成线形稳压器，78XX系列为正电压输出稳压器，79XX系列为负电压输出稳压器。

除了输出电压极性不同外，其他方面基本相同，因此，本节以78XX系列为例进行介绍。

型号78XX/79XX系列中的XX数字表示集成稳压器的输出电压的数值，以V为单位，例如：

7805表示输出正电压为+5V，7924表示输出负电压-24V等。

有5V，6V，9V，12V，15V，18V，24V等7种不同的输出电压档，能满足大多数电子设备所用的电源电压。

此外，型号中还有英文字母：

数字前面的字母如LM78XX等，通常表示生产厂家，LM表示美国MULB公司。

中间的字母如78LXX等，通常表示电流等级，L表示的是小电流（100mA），M表示中电流（500mA）。

图3.1示出了78XX/79XX的管脚与封装形式，集成稳压作为稳压电源的一般接法如图3.2所示。

1.输入端，2.输出端，3.公共端

1.公共端，2.输入端，3.输出端

图3.1

图3.2

基于我要得到正负电源同时使用和电路电源要求，我选用正负三种集成稳压器（7805、、7812、7815、7905、7912、7915），按图3.3所示设计：

图3.3

C1、C2是用以抵消其较长接线的电感效应，防止产生自激震荡，界限不长时可以不用，C1、C2一般在（0.1~1）μF，输出端的电容C3、C4用来改善暂态响应，使瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动，削弱电路的高频噪声，C3、C4可用10μF。

由此得到稳压电源的设计图3.4

图3.4电源电路图

在图中A端输出+15V，B端输出+12V，C端输出+5V，D端输出-15V，E端输出-12V、F端输出-5V，这6种电源可以供我们后来设计器件的备用电源，如：

湿度检测电路、单片机电源、A/D转换ICL7135、继电器的电源等。

3.2相对湿度电路的设计

3.2.1相对湿度检测电路的原理及结构图

（1）相对湿度检测电路框图如图3.5所示：

主要包刮9部分：

①精密对称方波发生器；②湿敏电阻；③对数放大器（兼做半波整流）；④湿度校正电路及滤波器；⑤输出放大器；⑥断点补偿电路；⑦温度补偿电路；⑧+15V稳压电源。

（2）该检测电路有下列特点：

鉴于当直流电流通过湿敏电阻时会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，因此必须采用交流信号或对称方波信号来驱动湿敏电阻。

在这里选用具有稳幅作用的精密对称方波发生器作为信号源，其输出信号中不包含直流分量。

为解决湿敏电阻的非线性问题，由晶体管（VT1）和运算放大器构成对数放大器，对湿敏电阻的指数型特性曲线进行线性化，

利用湿敏校正电路对40%RH、100%RH两点进行校正，再通过滤波器产生一个代表相对湿度的直流输出电压，输出电压范围是0～10V，所对应的相对变化范围是（0～100%）RH。

输出信号送至

位A/D转换器，通过ICL7135A/D转换将模拟量转换位BCD码送至微处理器进行数据处理。

利用断点放大器专门对40%RH以下的相对湿度信号再进行一次线性补偿，使其输出信号尽可能呈线性。

利用集成恒流源的正温度系数去补偿热敏电阻的负温度系数，大大降低了温漂。

然后选用一片廉价的集成音频放大器对VT1进行温度补偿，使VT1的直流工作点不随环境温度的变化而变化。

（3）相对湿度检测电路的工作原理相对湿度检测电路如图所示：

包刮一只PCRC—55型湿敏电阻和7片集成电路块。

其中，IC1（IC1a~IC1b）采用以结型场效应管（JEFT）为输出级的四运放LF347。

IC2为三端可调式集成恒流源LM334。

IC3（IC3a~IC3b）为宽带JFET输入的双运放LF353。

IC4为6.95V精密基准电压LM329。

IC5为低压音频放大器LM389。

IC6为+12V输出的三