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引言
現(xiàn)階段隨著日常生活質(zhì)量的逐漸提升，現(xiàn)代人們的日常生活水平也愈來愈高，相應(yīng)的，對環(huán)境的要求條件也愈來愈高。環(huán)境的控制方面也成了人們所需要的基礎(chǔ)條件之一，這也是家庭環(huán)境居住的舒適方面的重要環(huán)節(jié)。
由于目前生活節(jié)奏的加快，許多家庭都出現(xiàn)了亞健康的狀態(tài)，尤其是他們的孩子或者老人，因為沒有注重這方面的意識，平常時候的基本普及的知識也沒有，因此家庭溫濕度的檢測對于現(xiàn)代家庭來說是必不可缺的一部分。
要達到最好最適合人類生存的最佳氣溫和濕度，就必須研究一個家庭式的溫濕度室內(nèi)控制器，以及便于提醒和管理溫濕度的設(shè)備，家庭能夠針對各個季節(jié)以及家庭內(nèi)部的情況需要做出不同的調(diào)節(jié)，從而獲得舒適的居住環(huán)境。
這一切不僅都是因為現(xiàn)代人類生活對優(yōu)越自然環(huán)境要求水平的日益提高，而且因為它也反映出著人類現(xiàn)代社會文明水平的日益高度的發(fā)達程度和高度科技進步。
1? 緒論
1.1 課題的選題背景
自古以來，溫度和濕度就是人們生活中很重要的普遍關(guān)注問題之一，它們與人類有著密切的關(guān)系。隨著時代不斷發(fā)展進步，人們的生活水平也隨之改變，他們對自身的生存環(huán)境越來越關(guān)心。因為空氣中的溫度和濕度變化都與人體的舒適度和人們內(nèi)心對外部環(huán)境的感應(yīng)都有直接作用，適度的環(huán)境會讓人心情愉悅，做事就能事半功倍。
1.2 課題研究的意義
現(xiàn)代人們?yōu)榱烁鼮橛行蚀_保日常生活環(huán)境的閑適和寬敞，此外也為的是現(xiàn)代人們?nèi)粘Ｉ罡鼮榻】?，現(xiàn)代人們對現(xiàn)階段定居自然環(huán)境已經(jīng)有了更高的要求，因此對家庭明確提出更好的建議要求，自動化也引入家庭里面，并快速在全省以至全世界的范圍里面廣泛發(fā)展開來。
由于全國大自然環(huán)境問題愈來愈惡劣，大都市人口數(shù)基數(shù)越發(fā)緊張等，適合現(xiàn)代人健康生活環(huán)境的適宜環(huán)境溫度和適宜濕度問題也愈加明顯，并與現(xiàn)在國家標準相去甚遠。
在人們常見到的中國南北的地理環(huán)境差別中，北方大部分地區(qū)的冬天是極度的干旱，但中國南方人地區(qū)的整個冬天氣候卻是陰冷和潮濕，對人類環(huán)境而言，怎樣去用最適當有效的保護措施能在最有效的最合適的時期里去對人類環(huán)境采取的保護的措施，這其實是很難去掌握的。
1.3 論文主要研究內(nèi)容
本系統(tǒng)要實施的功能是：
（1）由單片機系統(tǒng)來實時監(jiān)測出室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度，借由液晶顯示屏1602來顯示出溫濕度傳感器DHT11在空間中測量到的溫度和濕度數(shù)據(jù)。
（2）在收集到的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定的閾值作比較，如果過閾值，則啟動報警系統(tǒng)蜂鳴器響動。系統(tǒng)通過四個按鍵來實現(xiàn)對溫濕度閾值的設(shè)置。
（3）當溫濕度控制系統(tǒng)超過了設(shè)定的閾值后，自動開啟相應(yīng)的繼電器驅(qū)動負載，閾值可以通過AT24C02存儲，實現(xiàn)了就算斷電了也能保存所設(shè)定的閾值。
2? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
2.1 系統(tǒng)總框圖
硬件主要以STC89C52型單片機為核心，通過1602液晶顯示屏實時地顯示傳感器DHT11檢測到的溫濕度值，設(shè)定的閥值可以通過外部EEPROM存儲，這實現(xiàn)就算沒有接電源，在系統(tǒng)設(shè)置過的閾值也能保存在單片機系統(tǒng)里面。如果過閥值就會有相應(yīng)的報警模塊驅(qū)動。本研究設(shè)計的溫濕度控制器框圖如圖2-1所示。
圖2-1 溫濕度控制器方框圖
2.2 系統(tǒng)方案選擇
2.2.1單片機的選擇
由于在大學四年期間，學過了不少關(guān)于這方面的知識，例如數(shù)學電路、C語言程序設(shè)計、單片機原理等知識，并且在經(jīng)過前期大量在網(wǎng)上查閱到的資料所了解，可以選用到STC89C52單片機來作為主控芯片。STC89C52單片機能兼容很多的系統(tǒng)，本次畢業(yè)設(shè)計所需要設(shè)計的系統(tǒng)也是可以相當好的兼容。不管是拿來做硬件部分還是直接用仿真系統(tǒng)來演示，都能很好運行并展示出設(shè)計的模塊內(nèi)容。這個STC89C52單片機足以做本設(shè)計的主控模塊，它不僅下載程序方面較為方便，更重要的是價格對于大學生來說相對合理。
2.2.2傳感器的選擇
因為本次設(shè)計最重要的就是傳感器，要傳感器能夠很好的接收空氣中的溫濕度數(shù)據(jù)，而且感應(yīng)方面又能靈敏，電路又能簡單易懂。通過了解大量資料就發(fā)現(xiàn)了很符合設(shè)計的傳感器，它就是廣州奧松有限公司研發(fā)的DHT11溫濕度傳感器，是一款溫度和濕度也能在同一體系下互相包容組成一起的數(shù)字傳感器。DHT11的單總線只有一條，它能與單片機之間既能進行雙向傳輸時鐘信號又能雙向傳輸數(shù)據(jù)。通過與單片機最小系統(tǒng)簡單的電路連接，就能夠?qū)崟r的采集范圍內(nèi)的溫度和濕度。該產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性，能適應(yīng)長久的工作時間。最主要的還是這個產(chǎn)品的性價比極高，造價便宜。
2.2.3顯示器的選擇
在本次設(shè)計中需要用到液晶顯示屏，但是由于對液晶顯示器要求不是很高，能用基本功能就好。在網(wǎng)上收集的資料中，就有著一款液晶顯示屏很符合要求，它就是LCD1602液晶顯示屏。對于本次設(shè)計不需要太精密的液晶顯示器，這個1602液晶顯示屏的工作電壓也在剛好在5V左右，跟單片機的電壓恰好合適。在經(jīng)過一段時間篩選，就選了這個造價比較便宜，在編程方面也是比較簡單，因為它跟其他的液晶顯示器都是難度原理差不多，都是寫指令寫地址等，這些條件都是很符合本次畢業(yè)設(shè)計的要求。
3? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
3.1 主控模塊設(shè)計
主控模塊使用的是單片機集成電路，其中單片機最小系統(tǒng)包括單片機芯片電路跟晶振電路、復(fù)位電路。有了這些電路再加上電源后，單片機就能正常運轉(zhuǎn)起來。晶振電路可以有效過濾掉一些高頻的諧波信號，讓晶振工作時候頻率可以保持比較平穩(wěn)流暢。單片機最小系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示。
圖3-1 單片機最小系統(tǒng)原理圖
3.2 DHT11傳感器模塊設(shè)計
DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。DHT11傳感器不能接反引腳，如果電路接反引腳就會導(dǎo)致傳感器燒壞。單片機的P2.0口用當數(shù)據(jù)口，讓單片機能夠發(fā)送和收到串行數(shù)據(jù)，它連接到DHT11傳感器的Pin2。用于測量范圍空氣溫濕度的電路的小于20米，所以加一個5K的上拉電阻，這樣，當總線閑置時，它的狀態(tài)也能夠在高電平，提高了傳感器電路的穩(wěn)定性。傳感器的第三腳是空腳，因此可以空放不用理。DHT11傳感器元件的電路原理圖如圖3-2所示。
圖3-2 DHT11電路原理圖
3.3 液晶顯示模塊設(shè)計
在日常生活中，液晶顯示屏幕應(yīng)用在很多地方，特別是電器電子方面，它在生活中基本是無處不在，比如在手表、電腦、計算機等等，它主要顯示的是字母、專用符號和數(shù)值等。
在液晶顯示屏模塊設(shè)計中，所用到的是1602液晶顯示屏。它的7~14腳是數(shù)據(jù)線，用來數(shù)據(jù)傳輸，單片機發(fā)送處理過的信號傳輸給液晶顯示模塊，隨后顯示屏能顯示出所發(fā)送的字符。RS腳是寄存器選擇信號的地方，在高電平有效的時候是數(shù)據(jù)寄存器。EN腳是片選信號，等到下降沿才觸發(fā)。電源與地線中間接兩個電阻，用于保護電路，讓電路穩(wěn)定性更好。電路中液晶接口圖如圖3-3所示。
圖3-3 1602顯示模塊原理圖
3.4 繼電器模塊設(shè)計
在繼電器模塊硬件電路如圖3-4所示中。電路中通過9012PNP型三極管放大電路中的電流，然后驅(qū)動繼電器的啟動。當單片機系統(tǒng)設(shè)置的閥值超過或者低于時，單片機會由高電平輸出轉(zhuǎn)變成低電平輸出，因此三極管會導(dǎo)通讓繼電器吸合，可以用于驅(qū)動負載工作。
繼電器的工作原理是內(nèi)部含有磁鐵，通過增加的電壓之后，流過的電流與磁鐵產(chǎn)生了吸引作用，這樣雙方就吸合起來，就相當于開關(guān)閉合一樣，電路就開始導(dǎo)通。當沒有電流流過繼電器，繼電器沒有磁力吸引，電路就沒有連通，繼電器就沒有作用吸引就后就沒有閉合。
四個負載繼電器分別對應(yīng)四個負載，分別為加熱片，散熱風扇，去濕風扇，加濕器。因為要通過繼電器控制四個負載需要的電流過大，本系統(tǒng)單片機提供的電壓是驅(qū)動不了負載工作，就算繼電器能吸合和報警信號LE D燈能發(fā)亮，負載也是工作不了的，這時就需要加四個外接電源，有了外接電源提供的電壓，這時的繼電器外接上的負載才能正常供電使用。
圖3-4 繼電器模塊原理圖
3.5 閾值按鍵模塊設(shè)計
單片機設(shè)置的溫濕度閾值存儲在EEPROM芯片AT24C02中，并可以通過S1~S4按鍵調(diào)節(jié)并保存。本系統(tǒng)通過單片機系統(tǒng)將端口2的輸出設(shè)為高電平來實現(xiàn)按鍵的輸入端使用，并可將溫濕度的測量結(jié)果與預(yù)先設(shè)置好的數(shù)值一起存入EEPROM芯片AT24C02中。其中S1為快速進入系統(tǒng)設(shè)置按鈕，S2為快速添加數(shù)值，S3為快速減少數(shù)值，S4為菜單中選擇項的下一個。AT24C02是IIC芯片，AT24C02提供省電可自動擦除的串行1024位存儲或可編程只讀存儲器EEPROM128字(8位/字)，通過開始狀態(tài)與停止狀態(tài)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。其電路如圖3-5所示。
圖3-5 AT24C02的芯片引腳圖和系統(tǒng)設(shè)置按鍵圖
3.6 報警電路模塊設(shè)計
本設(shè)計系統(tǒng)采用的是有源蜂鳴器，蜂鳴器的運作需要有一定電流輸入，在溫濕度測量中對溫濕度的閾值上下限超出的提示報警，并用一個撥動開關(guān)來啟動或者關(guān)閉蜂鳴器，順便這也起到保護蜂鳴器電路的作用。因為作業(yè)的電流比較大，單單一個蜂鳴器是驅(qū)動不了的，因此系統(tǒng)還設(shè)置了一個三極管，用以放大經(jīng)過蜂鳴器的電流，讓蜂鳴器能夠正常工作，蜂鳴器報警電路如圖3-6所示。
4 ?系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計
在對于所需要設(shè)計完成的課題功能有了一個總體上的概念認識之后，必須首先要設(shè)置形成一個程序框架上的功能流程圖，為實現(xiàn)對每個功能設(shè)計劃分模塊，分別對模塊設(shè)計完成相應(yīng)的課題功能，最終再將所以子模塊合理有序的設(shè)計連接起來，形成一個完整的程序。主程序首先要根據(jù)需要來為整個溫濕度控制系統(tǒng)環(huán)境進行一個初始化，并且再把所有收集而來的各種溫濕度數(shù)據(jù)指令發(fā)送到控制端。其中最為關(guān)鍵就是判斷溫濕度，要通過判斷正確的溫度和濕度來決定于單片機系統(tǒng)應(yīng)該采取什么措施，然后用相應(yīng)的代碼來編程。主程序流程圖如圖4-1所示。
圖4-1 主程序流程圖
4.1 液晶顯示模塊設(shè)計
液晶顯示模塊是用來顯示單片機采集到的數(shù)據(jù)值，然后還有顯示設(shè)置的閾值，通過閾值數(shù)值來查看是否已經(jīng)過閾值。在通過編譯代碼來實現(xiàn)單片機顯示，通過延時實現(xiàn)功能，再設(shè)置第一行顯示位置，再一步步往下操作實現(xiàn)字符轉(zhuǎn)換。液晶顯示模塊軟件流程圖如圖4-2所示。
4.2 傳感器模塊設(shè)計
在傳感器模塊設(shè)計中，因為最新一代的數(shù)字傳感器具備標準的接口，不用再外一個AD轉(zhuǎn)換模塊，使用操作起來自然就很簡便。DHT11作為一個全新設(shè)計的單總線溫濕度數(shù)字傳感器，它很多的優(yōu)點都使系統(tǒng)設(shè)計更不再繁瑣，編程方面也更加快捷，易于實現(xiàn)，控制起來得心應(yīng)手。本設(shè)計是讓DHT11傳感器上電后保持2s的穩(wěn)定時間，然后此時再延時1s來保持高電平，再通過檢測信號來完成信息數(shù)據(jù)傳輸。DHT11傳感器模塊的軟件流程圖如圖4-3所示。
圖4-2 液晶顯示模塊程序流程圖? ???????????????圖4-3 DHT11傳感器模塊程序流程圖
5? 系統(tǒng)分析與調(diào)試
5.1 硬件調(diào)試
在本設(shè)計做的過程中，硬件和軟件方面都遇到了許多問題，但是相比于軟件，在硬件方面還是比較快解決的方面，因為硬件是比較容易檢查出來錯誤的，軟件比較晦澀難懂，還是有一定難度。
在硬件調(diào)試問題上，首先焊接好了元器件實物板后，先用萬用表測量這個工業(yè)板子的電源方面，電源方面是最重要的問題，應(yīng)該是特別需要檢查的地方，以防止電源的短路和正負極的錯誤。然后在仔細檢查電路的連接是否有問題，或者有沒有虛焊或者沒有焊接到的地方，然后核對一下元器件的安裝是否有問題，安裝上去是否符合規(guī)定，由于已經(jīng)是大學四年都是做過了很多實訓(xùn)過來了，對于這些還是游刃有余的，但是在上機調(diào)試后還是發(fā)現(xiàn)了很多的問題。
