2023年03月06日 | 基于51单片机的智能加湿控制器设计

引言

在当下经济不断发展，科学不断进步，人类不断进化的今时今日，人们对生活品质 的要求也随之发生变化。而空气质量对人们生活的影响越来越深，湿度作为影响空气质 量的重要指标之一，对人们的生活有重要的影响，如若不注意可能会引发皮肤病和免疫 力下降以及流失水分加速衰老等一系列问题。因此，有效的洁净加湿已经成为人们生活 当中重要的要求。选用单片机为核心设计一个简易的智能加湿控制器系统，是因为单片 机应用在检测、控制领域中，成本较低，可靠性较好、适应范围较广，且具有高精度的 检测及显示，更重要的是单片机可以构成各种各样的控制系统、数据采集系统。如此设 计出一个以单片机为核心的智能加湿控制器系统，以单片机作为系统的核心控制部分， 能构造出一个结构简单，功能完善的电路，设计出能满足人体健康舒适度的基本要求的 系统，具有较好的应用价值。 研究发现，虽然市面上的加湿器应用范围广泛，但大多数加湿器的工作状态都是依 靠人们手动调节的，有些还未能达到对空气中温湿度的精确检测，毕竟人力有限，不可 能做到面面俱到，所以加湿器在应用领域中难免出现意料之外的问题。既不能过度干燥， 也不能过度加湿，像一柄双刃剑，因为有一些生物体适应一定程度的湿度环境，一些木 质产品需要保证一定的干燥程度才不会腐烂，合理应用加湿器的功能它才能有所作为。 因此，智能控制加湿系统的出现就决定了加湿器未来可观的发展方向。 国内加湿器虽然研究得较晚，产品占比人均比不上国外，但在研发加湿器的种类和 技术上已经不落后于任何国外产品，在较为干燥的地域的人们非常欢迎加湿器的到来， 这也大大的激励国内产业对其的研究。 如今，伴随着国内外发展趋势，在一定程度的科学技术加持下，研究成功的加湿器 已经深入人们的生活当中，为人们的健康提供保障，设计智能加湿控制器系统为人类服 务也是顺应趋势。加湿器本就是国内外发展前景较好的一个产品，提升空间很大，适用 范围很广，古往今来给予人们的帮助不在少数。持续研究之后，加湿器必定会成为改变 人类生活的一个重要的家用电器。

1. 系统概述

1.1本课题的目的及研究意义

日常生活中，合适的相对湿度会使人感觉非常舒适,对于维护人体的健康、提高工作效率、提升生活质量，都有重要的影响。本毕设要求广泛查阅和收集资料，综合运用所学的模拟电子技术、数字逻辑电路、C语言、单片机原理及应用、传感器等专业知识，设计并制作一个智能加湿控制器系统，要求对室内湿度进行测量，并根据事先设定的湿度值控制加湿器工作，当室内湿度太大时给出警示。

课题的具体任务可概括为：要求用DXP或Protel设计硬件原理图和制板图；制作硬件电路板、编写相关程序进行调试；演示预期要求的功能；完成论文。

1.2 任务要求

课题要求设计并制作的智能加湿控制器系统，包括硬件电路的设计和软件的编写。要求达到的性能指标如下：

1、利用单片机和湿度传感器进行设计；

2、选取合适的液晶显示屏，对测得的室内湿度进行显示；

3、当湿度低于人体健康舒适度时，启动加湿器工作，当高于时，停止工作；

4、满足人体健康舒适度的湿度可以设置；

5、当室内湿度太大时给出警示。

1.3 主要研究内容

本课题的主要研究内容是按照要求设计电路，制作硬件电路板和编写软件程序，实现一个以单片机为控制核心的智能加湿器。课题完成的主要内容：

1. 学习并掌握超声波测距原理；

2. 熟悉掌握单片机、C语音、传感器等相关知识；

3. 通过温湿度传感器进行距离测量并在LCD显示屏上显示相关参数；

2 设计方案及元器件介绍

2.1 系统设计方案

2.1.1主控模块选择

方案（一）：

选用80C51作为系统的主控芯片,80C51也是MCS-51系列一种单片机,有2个外部中断,2个定时器中断,两个16位定时计数器,四个8位并行输入口。51单片机如今也是我国目前使用得比较多的一款单片机,也是一种最基础的单片机。我们学习用的教材上也是选用51单片机作为讲解。尽管51单片机也在不停的提升其功能,但是在数字信号处理（DSP）能力方面比较弱,并且还需要进一步改善处理复杂数据的能力,同时51单片机集成化的程度也不高。

方案(二):

选用STC89C52作为系统的主控制芯片。STC89C52是一种低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器。闪存有8KB和512字节的RAM。3个16位定时器/计数器和4个外部中断、32个通用I/O端口、存储空间极大，且存储速度快。STC89C52在以MCS-51为核心的基础上做了大量的改善后使得其具备了更加丰富的的功能。

针对两种主控芯片的比较，STC89C52涵盖了80C51的功能并且两者是相互兼容的，闪存和RAM都比后者要大，还多了一个定时器，也增加了中断源。80C51也早已停止生产，而STC89C52较为容易买到，为此选用了方案二，把STC89C52作为主要控制的芯片。

2.1.2系统总体设计

2.2 主要器件介绍

2.2.2LCD1602液晶显示

在考虑了多种显示器件之后，打算使用LCD1602进行系统功能信息的显示，价格比较实惠也容易买得到。可以显示两行信息，每行可显示16个字符，但不能很好的显示图形和汉字。系统设计所需要显示的内容能用英文字母和数字进行表示，能满足设计要求，因此使用LCD1602足矣。现在通常使用有16 x 1、16 x 2、20 x 2和40 x 2等模块。1602字符型液晶显示器实物如图2-4如下。

图2-4 LCD1602实物图

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2.2.3STC89C52RC单片机

STC89C52RC是宏晶科技有限公司生产的低功耗、高性能8位CMOS微控制器，内置8KB可编程闪存。STC89C52RC采用传统的MCS-51核心，但是进行了许多改进，使得其具有传统51微控制器所没有的功能。单片机包括8位智能处理器和系统内的可编程闪存，STC89C52RC为多个控制应用系统提供灵活高效的解决方案。STC89C52RC具有可以降低到0Hz的静态逻辑操作，并且支持两种可编程节能模式。在待机状态下，即使CPU不工作，RAM、定时器/计数器、串行端口和中断也可以继续操作。在电源切断保护模式中，存储RAM的内容，冻结振荡器，在下一次中断或硬件复位之前停止微控制器的所有操作。最大工作频率为35MHz，可从6T/12T中选择。其引脚图如图2-5所示。

图2-5 STC89C52RC引脚图

3 硬件设计

3.1 系统各部分电路设计

3.1.1单片机最小系统电路

单片机最小系统，也称最小应用系统，它是指由最少元件组成能使单片机正常得到工作的系统。它由电源、复位、时钟电路三部分构成。电路如图3-1所示。

图3-1单片机最小系统

电源电路：作为电子元器件，单片机也是需要供电的。单片机供电有一个范围，此次设计使用的STC89C52单片机，它一般使用5V电源。在使用的时候，用USB接口把5V直流电源接入电路中，接入一个自锁开关，它用于系统电源的开启与关闭。5V电源电路图如图3-2所示。

图3-2电源电路

复位电路：对于任何的一个电子设计，复位端是必须要有的，复位顾名思义就是使得单片机回到初始的状态。此次的外部复位是外接与单片机复位端口（RST）的复位电路提供的。接入一个下拉电阻，电路中电阻的作用是控制复位的时间，而电容只有在上电的那一刻起作用，电容充电的瞬间有电流（电容充电时间与电阻、电容的值成正比），复位端口会有高电平，充电结束时复位端口会变为低电平。

时钟电路：单片机正常工作是需要一个时钟的，因此需要在晶振引脚外接一个晶振。单片机有两个引脚为外部晶振的输入口，晶振的两端接这两个I/O口。把晶振直接的连接在I/O口上会导致系统工作不稳定，因为在晶振启振一瞬间会产生电感，为了消除电感带来的干扰，可分别在晶振的两端接电容到地，这两个电容取值在10~33P之间即可，从而让晶振工作的时候更加稳定。

3.1.2LCD1602显示电路

LCD是并行传输，数据端口与单片机P0的I/O端口相连用于数据的传输，数据/命令选择RS利用单片机I/O进行控制，读/写选择接电源地线（为高电平时是“读”状态，为低电平时是“写”状态），本次只需要把内容进行“写”的操作。通过单片机的I/O端对LCD使能端E进行控制。LCD1602电路连接如图3-3所示。

图3-3LCD1602显示模块

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4 软件设计

4.1 程序总体设计

4.1.3LCD1602显示程序设计

液晶显示的原理：利用液晶物理特性，通过电压对其显示区进行控制，有电就有显示。字符的显示可以通过控制器工作在文本方式，再根据LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应地址，设立光标送上该字符对应代码就能完成显示。

利用LCD1602进行信息内容显示，首先需要用sbit语句将数据/命令选择端RS、读/写选择端R/W、使能端E与单片机I/O口进行位定义。此次需要用LCD1602显示的每个按键下时显示的功能信息，用到“写”状态，当RS为高电平、R/W为低电平时，可以把数据进行写入，再把想要显示的字符文本相对应的写入即可。要想让LCD1602进行工作，必须要给使能端E一个从高电平跳变为低电平的使能信号，才能执行命令。

5 系统测试

5.1系统调试

硬件调试：

从网上与书籍查找有关于数码录音放音系统的相关资料,经过对比与分析最终确定了方案，通过把查找到的资料进行整合设计，并画出系统电路原理图以及PCB图,测量器件确定孔径以及封装大小,通过工业制板得到电路板。第一次焊接板子时，没有把电源接口器件的孔径尺寸测量准确，导致无法把器件安装下去，得重新二次制板。根据电路原理图把器件焊接好固定在电路板上。首次上电，不要把芯片安装上去，接通电源后,测量各芯片底座管脚的电压值是否正常(主要为单片机5V供电电压值,5V转3.3V供电电压值),再把芯片安装到电路板上再向单片机烧录一个能确定LCD1602正常工作的程序,同时也能检查是否能把程序通过单片机下载端口把程序下载进去，确定显示模块能正常使用。此时硬件电路部分就算完成了。