智能加湿器的设计本科毕业设计

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年月

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指导教师签名：日期：

本科毕业设计智能加湿器的设计

目录

摘要 .......................................................................................................................................................... V ABSTRACT............................................................................................................................................ V I

1 引言 (1)

2 设计方案 (2)

2.1 系统的整体功能结构图 (2)

2.2系统的整体功能流程图 (2)

2.3实现方式 (4)

3硬件设计 (5)

3.1 电路图 (5)

3.2 功能描述 (6)

3.3 单片机 (6)

3.4 DS18B20传感器 (7)

3.5 1602显示屏 (9)

3.6 复位电路 (10)

3.7 液位定位及光电开关 (10)

4 软件设计 (11)

4.1 DS18B20流程设计 (11)

4.2 1602字符型LCD流程设计 (15)

5 系统调试 (30)

6 总结 (34)

参考文献： (35)

附录：1602LCD简介 (37)

致谢 (41)

摘要：在生活中，我们随处可见使用加湿器的场合。在人们不断追求健康生活方式的今天，开发设计一种价格低廉、功耗低、具有自动控制功能的加湿器显得尤为必要。

本设计采用智能控制，以AT80S51单片机为核心，外接辅助电路，通过实现加湿器的防干烧、声光报警、智能开启和关闭以及室内温湿度的显示功能基本实现加湿器的智能化。首先中介绍了本课题的课题背景、研究意义及预期研究目标。然后描述了系统硬件工作原理，且附以系统硬件设计框图，论述了本毕业设计所用到的各硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程。接着阐述了程序的流程和实现过程。最后对用单片机实现智能加湿控制原理的设计思想和软、硬件调试作了详细的论述。本文撰写的主导思想是软、硬件相结合，以硬件为基础，来进行各功能模块的编写。

关键词：单片机；智能；加湿器；相对湿度；传感器

ABSTRACT：In daily life, the use of humidifier can be seen at every situation. Today, the incessantly pursute of healthy lifeway, it is vital important to develop a kind of automatic controlfunction humidifiercan which is price moderate and low power consumption.

In this paper, a design was made on the intelligent control, besides some auxiliary circuit, the nucleus is AT80S51 Single-chip Microcomputer. It can realize boil dry protection the acoustic and optical alarm, intelligentize switch , as well as indoor humidity and temperature display functions. In the first instance, the subject background, research meaning and expected research objectives were introduced. afterwards, the working principle of the system hardware was simply described and the system block diagram of hardware design was attached. The history of the development of single chip microprocessor was introduced and the hardware interface technology and the function and work process of each interface module used in the graduation paper were also discussed. What’s more, the process and realization of the program were elaborated. Finally, the design ideas of the MCU control principle realized by single chip Microcomputer and software or hardware debugging are discussed in detail. The main idea of this paper is the software and hardware combination, regarding hardware as the foundation, for the writing preparation of the functional modules.

KEY WORDS: Micro Controller Unit; Intelligence; Humidifier; Relative humidity ; Transducer

1 引言

四季更替，每当进入寒冷干燥的冬季，尤其是我国的北方城市由于风沙天气较多，人们很容易皮肤干燥、嗓子干痛。此时，身边需要一台小型室内加湿器改善我们的生活环境，但是现有的加湿器都需要手工控制开启和关闭并且不具备对室内空气温湿度的监测，人们在使用过程中存在过度加湿和干烧的问题，不仅给室内空气舒适度造成负面影响并且还存在安全隐患。因此开发设计一种价格低廉、功耗低、具有自动控制功能的加湿器显得尤为必要。

计算机科学技术，通信技术，控制技术的飞速发展，与人类健康息息相关领域的产品也不可避免的被赋予了数字化理念。事实上，过往传统的室内加湿器设计完全可以由模拟硬件电路单一实现，现在我们赋予室内加湿器数字化，智能化，自动化。利用单片机，通过编写模糊控制算法，实现软控制。代替手动控制，实现自动控制。室内智能加湿器的工作原理是随着社会的不断发展，人们对个体生命价值的认知不断提升，越来越多的家庭希望利用高科技手段保障身体健康，一种设计合理，技术先进、经济、实用、可靠的室内智能加湿器将会受到社会的欢迎。

本课题研究主要涉及以下方面：

1）通过对控制系统的功能及要求确定总体设计方案

2）系统硬件电路的设计与开发

3）系统软件程序的设计与调试

4）系统性能测试

本设计将采用智能控制，以AT80S51单片机为核心，外接辅助电路，通过实现加湿器的防干烧、声光报警、智能开启和关闭以及室内温湿度的显示功能基本实现加湿器的智能化。

2 设计方案

2.1 系统的整体功能结构图

整个室内智能加湿器以单片机为核心，实现对内部功能的控制，实现对温度、湿度、液位的检测，液晶屏的显示，液位保护，声光报警，图2-1中各功能模块的作用阐述如下：

图2-1 自动加湿器功能原理图

温度检测：利用DS18B20数字温度传感器检测环境实时温度

湿度检测：两个温度传感器分别采集室内空气的干湿球温度，并将采集的温度传送至单片机。单片机对这两个数据加以处理并结合室内湿度要求参数控制加湿器的开启和闭合

液位检测：利用BZ0504液位开关检测水槽实时液位。判断有水时输出0V，无水时5V。

单片机控制：我们标配的是AT80S51，作为核心部件，实现对内部功能的控制。

液晶显示：利用1602液晶显示模块。显示实时的温湿度。

声光报警：当检测的液位低于安全值时，蜂鸣器响且LED灯闪亮，提醒用户给水槽加水。

2.2系统的整体功能流程图

系统单片机代码采用汇编语言编译，以伟福仿真器V8/L为开发环境。系统软

件实现的功能：

1)通过LCD显示温湿度值及水位；

2)比较监测到的水位，发现低水位时自动掉电并声光报警；

3)根据相对湿度值控制加湿器的开关。

根据监控系统功能要求，系统软件流程图设计如图2-2所示。

初始化开始，然后载入程序，根据显示数据读出干球温度T，湿球温度TS，根据干湿球温度求出相对湿度D，然后读出显示的水位H，判断水位H是否大于最小水位Ho：若H<=Ho，则声光报警并关闭加湿器，然后显示温湿度，再读出一个干球温度T，湿球温度TS,计算出相对湿度D，读出水位H循环，直至H>Ho成立后，判断相对湿度D与最小湿度Do的大小比较，若D<=Do则开启加湿器，显示温湿度，循环直至相对湿度D<=Do，关闭加湿器，然后显示温湿度过程循环。

图2-2室内智能加湿器的整体功能流程图

2.3实现方式

要达到自动加湿器功能要做好硬件和软件设计和调试三个方面的工作。首先硬件方面，通过合理的设计单片机管脚及其他外围电路的链接，使之既有I/O口的功能，又有控制型号的功能。在本次开发过程中利用三个按钮开关代替水位传感器分别代表高、中、低水位，而加湿器开关则由一发光二级管代替，在开发过程中更容易观察系统开发效果。这方面的内容详见硬件设计部分内容。其次软件方面，通过合理设计软件的结构和安排子程序，使程序以最简洁有效的方式实现目的。最后，调试方面，程序编辑用VW8系列方针器环境，编辑过程可使用软件仿真观察，并对其进行调试[1]。在程序编辑完成之后使用硬件仿真，最终用烧录器将程序写入单片机进行实测。

本系统分信号的主要有温度传感器的输入信号和单片机输出的控制信号构成。首先由单片机向温度传感器发出读信号，随后温度传感器做出响应，单片机待DS18B20完成收集到得温度信息进行AD处理并存储为数字信号后，开始读取温度值，并对其信号做位处理使之达到用户需求的精度以及计算得到相对湿度，最后通过1602LCD显示温湿度值[2]。另外，系统在运行过程中还有专门的控制声光报警系统、光电耦合开关的控制信号

3硬件设计

3.1 电路图

单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能。硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一起。这种设计方法可以降低系统设计的复杂性[3]。系统电路原理图如图3-1所示。本系统主要硬件设计包括电源电路、蜂鸣器电路、晶振电路、复位电路、LCD显示电路以及温度传感器电路。

图3-1系统电路原理图

控制电路的核心器件是由美国Atmel公司生产的AT89S51单片机，属于MCS-51系列。AT80S51是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有2K 在系统可编程Flash存储器，采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技

术；片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器；在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT80S51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；价格低廉、性能可靠、抗干扰能力强。因此广泛应用于工业控制和嵌入式系统中。

3.2 功能描述

参考舒适性空调的相对湿度采用40%—65%的要求，在功能设计过程中以40%为最适相对湿度参考值。单片机一方面通过监测加湿器内部的水位，达到加湿器防干烧的功能，即只有在水位在水位下限以上时加湿器才能通电工作。另一方面通过处理两个温度传感器测得的干湿球温度得到室内相对湿度，并和人体最适相对湿度做比较。在水位符合要求的前提下，若室内相对湿度高于人体最适值则控制加湿器不动作，反之则对加湿器通电开始加湿，直到室内空气达到最适湿度时断电。另外，单片机通过和声光报警器以及1602LCD显示屏相连，还具有了温湿度及水位的显示功能。总之，在现有的加湿器内加入此单片机将实现加湿器的防干烧、声光报警、智能开启和关闭以及室内温湿度的显示功能基本实现加湿器的智能化。

3.3 单片机

T80C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机[4]。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[5]。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT80S51是一种高效微控制器，AT80C2051是它的一种精简版本。AT80S51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3-2所示

图3-2 AT89S51芯片引脚图

AT80S51共有40个引脚，大致可分为4类：电源引脚、时钟电路引脚、I/O 引脚、控制线引脚。根据开发的需要和单片机的结构，我们就可以实现单片机的自动工作，即实现自动化

3.4 DS18B20传感器

传感器是一种按一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理的测量器件或装置，用于满足系统信息传输、存储、显示、记录及控制等要求。在本系统的开发过程中主要用到了DS18B20数字温度传感器，这种传感器提供9-12位摄氏温度测量i fu b‘有一个由高低电平触发的可编程的不因电源消失}fu改变的报警功能[6]。DS18B20通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线(加上地线)。它的测温范围为一55-}- + 125 0C，并目‘在一10-}-+850C精度为士5 0C。除此之外，DS18B20能直接从单线通讯线上汲取能量，除去了对外部电源的需求。每个DS 18B20都有一个独特的64位序列号，从}fu允许多只DS18B20同时连在一根单线总线上;因此，很简单就可以用一个微控制器去控制很多覆盖在一大片区域的DS18B20。这一特性在HV AC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。

在测温操作方面，DS18B20的核心功能是它的直接读数字的温度传感器。温度传感器的精度为用户可编程的9, 10, 11或12位，分别以0. 5 0C , 0 . 2 5 0C ,

0. 12 5 0C和0. 06250C增量递增。在上电状态下默认的精度为12位。DS18B20启动后保持低功耗等待状态;当需要执行温度测量和AD转换时，总线控制器必须发出「44h〕命令。在那之后，产生的温度数据以两个字节的形式被存储到高速暂存器的温度寄存器中，DS18B20继续保持等待状态。当DS18B20由外部电源供电时，总线控制器在温度转换指令之后发起“读时序”，DS18B20正在温度转换中返回0，转换结束返回1。如果DS18B20由寄生电源供电，除非在进入温度转换时总线被一个强上拉拉高，否则将不会由返回值[7]。DS18B20数字温度传感器内部结构如图3-3所示

图3-3 DS18B20数字温度传感器内部结构

此款温度传感器输出串行通信信号，电路图见图3-4.

图3-4 DS18B20温度传感器接线图

3.5 1602显示屏

利用滑动变阻器调节背光灯与显示字符的对比度，利用三极管的及P2.7控制背光的暗与灭[8]。接线原理见图3-5。

图3-5 1602接线原理图

3.6 复位电路

复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。图3-6所示的RC复位电路可以实现上述基本功能。但解决不了电源毛刺（A点）和电源缓慢下降（电池电压不足）等问题而且调整RC 常数改变延时会令驱动能力变差。左边的电路为高电平复位有效右边为低电平Sm为手动复位开关Ch可避免高频谐波对电路的干扰[9]。上电及手动复位电路图如图3-6所示

图3-6 上电及手动复位电路图

3.7 液位定位及光电开关

由于开发过程时间紧迫，暂时未购买到合适的液位监测传感器，因此在实际开发过程中采用三个开关进行代替，按下按钮表示水位到达相应的水位。另外为了直观的看出控制输出信号的转台，开发过程中将光电开关改为一发光二级管并与电阻串联接地[10]。见图3-7。

图3-7 水位计光电开关替代元件4 软件设计

4.1 DS18B20流程设计

每个DS18B20温度传感器的流程图设计如图4-1：

图4-1 DS18B20模块程序流程图

传感器DS18B20复位，跳过ROM匹配后启动温度转换，DS18B20复位然后跳过ROM匹配，再读取温度后进行温度处理，保留一位小数。读取数据及传送程序如下[11]：

READ_TEMP: ;读1820内部温度子程序.

CALL RESET

JB 70h,EXT1

CALL SKIP_ROM

CALL TEMP_CONV ;温度AD变换

CALL DELAY_600MS

CALL RESET

CALL SKIP_ROM

CALL TEMP_GET ;发取温度的命令

CALL READ ;接收...

EXT1:

RET

SKIP_ROM:;跳过ROM检测

MOV A,#0CCH ;#0CCH为跳过rom命令CALL WRITE

RET

RECALL_EPROM:;重调Eprom

MOV A,#0B8H

CALL WRITE

RET

TEMP_CONV:

MOV A,#44H ;AD变换

CALL WRITE

RET

TEMP_GET:

MOV A ,#0BEH;读18b20命令

CALL WRITE

RET

;********* 18B20基本时序子程序RESET: ;初始化子程序

SETB P1.2

NOP

CLR P1.2 ;拉低

MOV R3,#150 ; *4=600US

CALL DELAY_BY_R3

SETB P1.2;拉高

MOV R3,#15 ; 60US

CALL DELAY_BY_R3

MOV R3,#60 ;4个周期*60=240US内检测A1: JNB P1.2,A2 ;检测到低平信号

DJNZ R3,A1;如果没有应答的低电平信号,返回A1重新检测,超时后下一行, SETB 70h ;DS1820不存在.

JMP A3

A2: CLR 70h

MOV R3,120;240US;等恢复时间2*120=240us

DJNZ R3, $

A3:

RET

WRITE:

MOV R2,#8;一个字节为8位

CLR C ;C位清0 C位用来放A的一位数据,用移位的方法放入C

B1: SETB P1.2

NOP

CLR P1.2

MOV R3,#4 ;16US

CALL DELAY_BY_R3

RRC A;把A中的数送入C

MOV P1.2,C ;把C送入总线

MOV R3,#12;48US(一位数据的发送:60us

CALL DELAY_BY_R3

SETB P1.2 ;拉高1us结束一位

NOP

DJNZ R2,B1

RET

READ:

MOV R1,#4 ;接收4个字节数据依次是1.低位2.高位.3.高限4.低限

MOV R0,#28H;低位放28H;高位放29h (1. 28H,2. 29H 3. 2AH 4. 2BH )

C0: MOV R2,#8;一字节数据8位

C1: CLR C ;清除C

SETB P1.2