基于單片機的智能溫控系統的設計與實現

吳虹佳++林軍

摘要：本文設計了以STC89C52單片機作為控制平臺的智能溫控系統，該智能系統可以依據溫濕度對電器設備的工作模式和工作狀態進行控制。用E18-D80NK紅外光電開關檢測人體信號，選擇溫濕度傳感器DHT11采集室內的溫度和濕度，同時采用1602液晶顯示屏顯示出當前室內溫濕度。該系統性能穩定，響應快，性價比高，具有一定實用價值和設計價值。

關鍵詞：單片機；傳感器；溫濕度；智能系統

隨著科學技術的發展和人們生活水平的提高，家用電器產品更傾向于自動化、智能化、環保化、人性化。在現實生活中，有很多與溫度相關的使用步進電機的電器設備，當溫度變化時需要靠人工手動去改變其工作模式和狀態，但是當人離開或者是深夜熟睡時就無法去控制機器，甚至有時還會忘記去關閉電器設備，因而無形中浪費了很多資源。為了解決上述問題，設計了這款智能溫控系統。該系統采用高精度集成溫濕度傳感器，用單片機控制，能及時顯示當前溫度和濕度，并根據設定好的溫度和濕度，自動的調節電器設備的工作狀態和模式。

本文的設計思想最初來源于我們生活中，是為了實現風扇的智能化。基于單片機的智能溫控系統，成功實現了機械的自動化，不僅可以很好的節約電能，同時也使產品更人性化。在現實生活中可以應用于很多與溫度和濕度相關的電器設備，它的設計具有非常廣泛的使用和應用價值。

近幾年，智能控制理論發展迅猛，出現了大量新穎的控制理論[1]。目前，國內外對智能溫控系統的研究也不斷創新，已經取得了可觀的研究成果。研究人員先是通過調整電阻的大小，調節充電電容時間常數，通過對可控硅[2]控制角α的調節來控制電器設備的工作模式。之后，隨著自動調整設計的出現，通過控制脈寬調制來控制雙向可控硅從而實現智能控制。

本系統的創新之處是選擇了一種新的控制方式，即通過控制脈沖時延的長短改變電器轉速，通過繼電器控制電器的工作狀態，而且增加了人體紅外檢測功能，能夠實現由人體，溫度及濕度同時控制的效果，從而使冷冰冰的電器更人性化，智能化。

一、硬件總體設計

本設計使用單片機作為控制核心，巧妙利用單片機控制技術[3]，溫濕度傳感器技術[4]，紅外光電開關技術[5]、脈沖調節技術[6]，把智能控制系統應用于家用電器的控制中，將電器設備的轉速和開關作為被控制量，由單片機分析采集到的數字溫濕度信號，再通過調節脈沖頻率對設備進行調速，通過繼電器控制設備是否工作。從而達到無須人為控制便可自動調節電器設備轉速和開關的效果。系統總體設計方案圖，如圖1所示。為使系統更具體化，并考慮到最初的思想的來源，本文用風扇模擬調速類（使用步進電機的）電器設備，以加濕器模擬開關類電器設備。

（一）溫濕度檢測電路設計

DHT11傳感器連接單片機相對來說是簡單的，單片機P3.7口用于接收串行數據，即數據口，連接到傳感器的Pin2（單總線，串行數據），數據用于微處理器與DHT11單總線之間的通信和同步數據格式，傳感器的電源端口Pin1和Pin4分別接單片機的VDD和GND端，傳感器的第三腳懸浮放置[4]。DHT11接收到開始信號觸發一次溫濕度采集，假若沒有接收到主機發送開始信號，DHT11不會自動進行溫濕度采集。

（二）電機控制電路設計

當A相通電，B，C相不通電時，因為磁場的作用，齒1與A對齊。當B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3T，此時齒3與C偏移為1/3T，齒4與A偏移（T-1/3T）=2/3T。當C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3T，此時齒4與A偏移為1/3T對齊[7]。電機的位置和速率由導電次數（脈沖數）和頻率成一一對應關系。定轉子展開圖如圖2所示。

（三）紅外光電開關控制電路設計

這是NPN型光電開關，輸出狀態為0，1，即數字電路中的高電平和低電平，檢測到目標是低電平輸出，正常狀態是高電平[5]。總共3條線，電源，地，信號線不需要進行AD轉換，可直接接單片機的IO口。

（四）液晶顯示模塊電路設計

顯示模塊電路圖如圖3所示，其中Vo腳，即第三引腳加了一個10K的滑動變阻器，該變阻器的目的是調節液晶的顯示對比度，經過調節滑阻改變Vo的電壓值，從而使液晶顯示在最清晰的狀態[8]。

（五）加濕器（開關類電器）控制電路設計

加濕器的工作狀態由繼電器的吸合和釋放來控制。將加濕器的電源引腳連接到繼電器的常開接口，加濕器的接地引腳連接到擴展電源板的負極，將繼電器的公共端連接到電源擴展版的正極，將繼電器的IN引腳連接到單片機指定引腳[9]。

二、軟件總體設計

這個系統的運行程序用C語言編寫，采用模塊化設計，包括加濕器（開關類）控制模塊，風扇（調速類）轉速控制模塊，液晶顯示模塊，溫濕度傳感器模塊，紅外光電開關模塊5個子程序模塊，由溫濕度傳感器模塊和紅外光電開關模塊采集溫濕度與紅外信號，再運用脈沖的不同時延調節風扇（步進電機）的轉速，調用液晶顯示模塊顯示當前溫濕度，調用加濕器（開關類）控制模塊控制加濕器的開與關。

（一）主程序設計

主程序是整個程序設計的主體，也是整個系統中最重要的部分，它負責每個子程序模塊的執行順序、時序以及它們之間的關系。當按下開關鍵后，系統開機運行，顯示當前溫濕度，在檢測到人體的情況下，若溫度高于規定上限值，模擬調速類電器（風扇）開始全速轉動；若溫度在規定上下限值之間，風扇緩慢轉動；若溫度低于規定下限值，風扇停止轉動；當濕度低于規定值時，模擬開關類電器（加濕器）開始工作。當檢測不到人體時，風扇和加濕器都停止工作。

（二）溫濕度傳感器模塊設計

新式的單總線溫濕度數字傳感器（DHT11）不需要外置的AD轉換模塊，具備標準接口，控制方便，易于實現。其部分算法設計原理：單片機發送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，送出40bit的數據，并觸發一次信號采集。總線為低電平時，DHT11發送響應信號，DHT11發送響應信號后，再把總線拉高80us，準備發送數據，每一bit數據都以50us低電平時隙開始，高電平的長短決定數據位是0還是1。

（三）液晶顯示模塊設計

液晶顯示模塊是一個緩慢性的設備，在執行每條指令之前要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。其部分算法設計如下所示：

1.display0[1]=溫度的個位數字；2.display0[0]=溫度的十位數字；3.調用顯示函數顯示出一個字節，即十位上的數；4.調用顯示函數顯示出一個字節，即個位上的數；

（四）風扇（調速類）轉速控制模塊設計

通過軟件編程，用單片機實現脈沖分配，步進電機的不同轉速通過設置延時函數參數來確定，在一定時延范圍內，延時越短電機轉速越快，反之越慢[5]。其部分算法設計如下所示：IF檢測到人且溫度在20～25度之間THENdo延時函數的參數設為500ms；

IF檢測到人且溫度不低于25度THENdo延時函數的參數設為70ms；

IF檢測不到人或溫度不高于20度THENdo延時函數的參數設為150000ms；

ENDIF

（五）加濕器（開關類）控制模塊設計

單片機通過繼電器的開閉控制加濕器的工作狀態，將繼電器設置為低電平觸發，當單片機發送低電平時，繼電器開關閉合[10]，電器設備開始工作（即加濕器噴霧）；當單片機發送高電平時，繼電器開關斷開，電器設備停止工作（即加濕器不工作）。其部分算法設計如下所示：

IF檢測到人且濕度低于45%THENdo發送低電平，加濕器工作；

ELSE檢測不到人或濕度不低于45%THENdo發送高電平，加濕器停止工作；

ENDIF

三、系統的運行與測試

本系統是由多個模塊集合而成的，為了保證整個系統正確運行，測試系統的正確性與可靠性時就要對系統的各個模塊進行逐一測試，具體的測試方案見表1。

各個模塊測試完成后進行整個系統測試，為了說明本系統的可靠性和通用性，對不同的電器設備進行了多次系統測試[11]。對于不同類型的設備，它們各自有不同的特征，但其本質的核心電路卻是相似的，都可以通過本智能溫度控制系統實現很好的智能控制，通過實驗測試說明，該系統具有較高的測量精度和控制能力。

本系統的難點是對電路原理圖的理解，以及對引腳的作用的熟悉。液晶顯示屛出現閃爍和抖動最主要的原因就是顯示器的刷新頻率設置低于75Hz造成的，只需把刷新率調高到75Hz以上，屏幕抖動的現象就不會再出現了，同時要做好清屏工作。在設計過程中遇到很多問題，但經過反復調試，最終可以使系統正常運行。

四、結語

本系統采用STC89C52為中央處理器，與各種外圍設備構成整個單片機控制系統，采用E18-D80NK紅外光電開關檢測室內人體信號，用溫濕度傳感器DHT11來檢測室內溫度和濕度，通過1602液晶顯示屏將溫濕度顯示出來，用風扇模擬調速類（使用步進電機的）電器設備，用加濕器模擬開關類電器設備，能夠實現對大多數與溫度和濕度相關的電器設備的智能控制，并達到很好的節能效果。本設計的局限性在于可以控制的電器設備的類型有限，在之后的研究中，將以擴大系統的通用性及增強系統的穩定性為目標，使其能更好地應用到更多不同類型的電器設備中。

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作者簡介：吳虹佳（1994.01-），女，遼寧鞍山，廣西大學計算機電子與信息學院在讀研究生。研究方向：網絡性能優化。

林軍（1993.05-），男，遼寧大連，遼寧工程技術大學軟件學院在讀研究生。研究方向：高性能計算。