基于AT89S51單片機(jī)的溫濕度監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪 瑞，張萬達(dá)

（青島大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，青島266071）

目前隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，對環(huán)境的溫濕度的需求也相應(yīng)提高。為滿足人們對自身健康狀態(tài)和生活品質(zhì)的追求，對溫濕度的監(jiān)測和控制系統(tǒng)的研究就具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。一些溫濕度系統(tǒng)使用二極管作為傳感器，其互換性差[1]，為了滿足人們最佳的環(huán)境生活，我們需要研究一種簡單、高效的溫濕度檢測和控制裝置[2]，便于提醒和控制人們工作和生活的溫濕度， 在不同的氣候和環(huán)境需求下，進(jìn)行一定程度的調(diào)整，以便達(dá)到最佳的居住環(huán)境。針對這種需求，本文設(shè)計(jì)了基于AT89S51 單片機(jī)[3]和DHT11 溫濕度傳感器[4]的溫濕度監(jiān)測與控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫濕度監(jiān)測和控制系統(tǒng)，主要功能為監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境的溫濕度值；當(dāng)溫濕度值高于系統(tǒng)設(shè)定的溫濕度閾值時(shí)，監(jiān)測功能將以蜂鳴的形式報(bào)警，將溫濕度值傳輸?shù)紺PU 中進(jìn)行處理，控制相應(yīng)的繼電器吸合，進(jìn)行加熱、降溫、加濕、除濕的操作，達(dá)到系統(tǒng)控制環(huán)境溫濕度的目的。本系統(tǒng)由5 個(gè)部分組成：溫濕度采集、數(shù)據(jù)處理、用戶交互、系統(tǒng)控制、上位機(jī)顯示。

溫濕度采集由DHT11 傳感器實(shí)現(xiàn)，它可以將采集到的數(shù)據(jù)傳遞到AT89S51 芯片中；數(shù)據(jù)處理通過AT89S51 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 經(jīng)過它的運(yùn)算分析，將沒有超過預(yù)設(shè)值的溫濕度數(shù)值在LCD 屏上顯示，完成環(huán)境檢測功能。假設(shè)當(dāng)前溫濕度值超過了設(shè)定的閾值，則指示蜂鳴器報(bào)警，并引導(dǎo)系統(tǒng)控制模塊中的相應(yīng)裝置運(yùn)行；用戶交互包含按鍵、蜂鳴器、液晶屏等硬件，用于設(shè)定溫濕度閾值、報(bào)警、實(shí)時(shí)獲取溫濕度值， 給用戶進(jìn)行參考； 系統(tǒng)控制由AT89S51、繼電器、加熱裝置、降溫風(fēng)扇、干燥器、加濕器組成， 通過系統(tǒng)控制模塊可以控制本設(shè)備加熱、降溫、加濕、除濕操作；上位機(jī)顯示，在計(jì)算機(jī)端顯示實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)，溫濕度變化實(shí)時(shí)，與液晶顯示屏數(shù)據(jù)一致。

依據(jù)以上對系統(tǒng)的功用剖析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖即圖1所示。

圖1 溫濕度監(jiān)測與控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of temperature and humidity monitoring and control system

通過上圖可以看出，AT89S51 是整個(gè)系統(tǒng)的核心， 各個(gè)分模塊圍繞AT89S51 展開功能， 其中DHT11 傳感器是經(jīng)校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出復(fù)合傳感器，負(fù)責(zé)測量和傳輸溫濕度數(shù)據(jù)[5]；LCD 顯示部分完成了在系統(tǒng)裝置上的顯示；上位機(jī)部分實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)端的顯示；按鈕完成初始數(shù)值的預(yù)設(shè)；蜂鳴報(bào)警器完成了報(bào)警功能； 系統(tǒng)控制部分完成了加熱、散熱、加濕、除濕功能的實(shí)現(xiàn)。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 溫濕度傳感器DHT11

DHT11 溫濕度傳感器通過內(nèi)部取值，將采集到的溫濕度模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量，直接進(jìn)行取值和運(yùn)算，性能穩(wěn)定、可靠。DHT11 傳感器內(nèi)含了溫濕度數(shù)據(jù)校準(zhǔn)功能，可以將校準(zhǔn)后的溫濕度數(shù)字送入自帶的緩存中，進(jìn)行存儲，待和單片機(jī)建立通訊后，可以將這些數(shù)據(jù)送入芯片中進(jìn)行通訊。DHT11 響應(yīng)快速，抗干擾強(qiáng)，信號傳輸距離遠(yuǎn)，性價(jià)比高[6]。

1.2.2 AT89S51 單片機(jī)

AT89S51 具有編程的功能，特別對于聯(lián)機(jī)設(shè)備，可在不停機(jī)的情況下，執(zhí)行嵌入式在線編程，重置后方可查看實(shí)際的效果。它的存儲功能，即使出現(xiàn)了突然斷電等異常情況，仍然能良好的保存先期存儲數(shù)據(jù)。

1.2.3 LCD 液晶顯示屏

本系統(tǒng)的液晶顯示屏，要能顯示中文、英文、數(shù)字和溫濕度單位，為此我們使用LCD1602 字符型液晶屏。對于功能較為強(qiáng)大的顯示器，因?yàn)橄拗朴谘b置的問題， 加之與之通信的單片機(jī)通信能力有限，所以一定要等液晶屏初始化之后，才能良好的顯示數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

溫濕度監(jiān)測的流程：當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行后，全部裝置進(jìn)行初始化操作， 蜂鳴報(bào)警器初始化鳴叫后，證明其功能正常；LCD1602 液晶屏初始化后， 顯示預(yù)設(shè)值， 并等待數(shù)據(jù)傳輸；DHT11 溫濕度傳感模塊開始采集環(huán)境中的溫濕度值， 并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，傳送給AT89S51 單片機(jī)；AT89S51 根據(jù)DHT11 傳來的溫濕度數(shù)據(jù)值做出判斷，如果溫濕度數(shù)值沒有超過預(yù)設(shè)值，則與LCD1602 液晶屏通信，完成當(dāng)前溫濕度值顯示，若溫濕度數(shù)值超過閾值，則報(bào)警器報(bào)警，監(jiān)測流程如圖2所示。

2.2 溫濕度控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

圖2 溫濕度監(jiān)測流程Fig.2 Flow chart of temperature and humidity monitoring

系統(tǒng)控制的過程如下：當(dāng)AT89S51 單片機(jī)在執(zhí)行完檢測功能后，判斷出當(dāng)前的溫濕度數(shù)值超出了預(yù)設(shè)值，則通過內(nèi)部程序處理，將相關(guān)繼電器吸合，從而為加熱裝置、降溫裝置、加濕裝置、除濕裝置加電，完成控制相對應(yīng)的外設(shè)設(shè)備的啟動(dòng)；當(dāng)外界溫濕度數(shù)值在預(yù)設(shè)值范圍后，AT89S51 要關(guān)閉繼電器，為相應(yīng)的外設(shè)設(shè)備斷電，溫濕度系統(tǒng)控制流程如圖3所示。

圖3 溫濕度系統(tǒng)控制流程Fig.3 Flow chart of temperature and humidity control system

2.3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

為保證上位機(jī)與LCD1602 顯示的數(shù)據(jù)同步，采用RS232 串口通訊，使用Visual Basic 編程。上位機(jī)界面顯示了預(yù)先設(shè)置的溫度上限值， 溫度下限值，當(dāng)前溫度值，濕度上限值，濕度下限值，當(dāng)前濕度值。加濕繼電器、去濕繼電器、加熱繼電器、降溫繼電器的開關(guān)狀態(tài)。上位機(jī)運(yùn)行界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)運(yùn)行界面Fig.4 Operating interface of host computer

此界面顯示溫度上限值是30 ℃，溫度下限值是6 ℃，當(dāng)前溫度是25 ℃，濕度上限值是74%，濕度下限值是40%，當(dāng)前濕度值是30%。因?yàn)楫?dāng)前濕度值在預(yù)設(shè)的濕度下限值以下，于是加濕繼電器呈現(xiàn)打開狀態(tài)，使當(dāng)前濕度增大，達(dá)到預(yù)設(shè)的濕度范圍。

3 結(jié)語

經(jīng)過對溫濕度監(jiān)測與控制系統(tǒng)的硬件及軟件環(huán)節(jié)的調(diào)試，本次溫濕度檢測與控制系統(tǒng)功能得到了實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，對生活環(huán)境溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控的各項(xiàng)目的。此外，該系統(tǒng)也可用于其他環(huán)境下得溫濕度監(jiān)測與控制，具有很好的移植性和廣泛的應(yīng)用性。