室內(nèi)溫度和濕度智能調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何淑賢

（晉中學(xué)院信息技術(shù)與工程學(xué)院，山西晉中 030600）

0 引言

隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，單片機(jī)及溫度傳感器濕度傳感器等成本降低，單片機(jī)分析控制溫度濕度的技術(shù)逐漸成熟.

本研究用單片機(jī)控制進(jìn)行溫度和濕度信息的采集、分析及控制信號(hào)的輸出.系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52平臺(tái)為基礎(chǔ)，搭建對(duì)溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HR31以及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0804的控制電路，然后設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)具體的信息采集和分析，并輸出控制信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的智能調(diào)節(jié).

1 相關(guān)技術(shù)及設(shè)計(jì)思路

針對(duì)溫度和濕度兩種非電信號(hào)量，需要先利用傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由集成電路分析處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度和濕度調(diào)節(jié)；然后通過(guò)增加屏幕顯示和按鍵控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自由控制室內(nèi)溫度和濕度.

以STC89C52單片機(jī)為核心，對(duì)單片機(jī)設(shè)計(jì)算法以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度數(shù)據(jù)的分析及調(diào)節(jié)控制，采用按鍵控制設(shè)備運(yùn)行，采用顯示屏輸出運(yùn)行結(jié)果.為實(shí)現(xiàn)溫度濕度控制功能，需圍繞單片機(jī)構(gòu)建溫度采集模塊采集溫度信息，構(gòu)建濕度采集模塊采集濕度信息，這兩種信息作為單片機(jī)分析和控制的依據(jù)，另外還需構(gòu)建顯示輸出模塊，用以顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，構(gòu)建鍵盤(pán)輸入模塊控制系統(tǒng)狀態(tài)的運(yùn)行，最后提供控制結(jié)果的輸出端口用來(lái)直接控制設(shè)備調(diào)節(jié)溫度和濕度，設(shè)計(jì)框架如圖1所示.

圖1 設(shè)計(jì)框架圖

2 控制模塊設(shè)計(jì)

2.1 可運(yùn)行單片機(jī)系統(tǒng)模塊

設(shè)計(jì)以8051系列單片機(jī)為核心，對(duì)單片機(jī)設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度濕度數(shù)據(jù)的分析和調(diào)節(jié)控制[1].由于單片機(jī)P0口是接在兩個(gè)三極管之間（與P1、P2、P3口不同），只有下拉能力，高電平輸出沒(méi)有電流，在高電平時(shí)表現(xiàn)為高阻態(tài)，需要加上上拉電阻達(dá)到能輸出高電平和低電平的狀態(tài)，若利用P0口需要加上拉電阻.

系統(tǒng)工作過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)按鍵事件和溫度濕度的值，并且分析檢測(cè)到的信息及輸出顯示信息和控制信息，然后分別調(diào)用溫度和濕度信息控制模塊達(dá)到分析并且控制溫度和濕度的目的.

2.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊需要把溫度量轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號(hào).溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶型、熱敏電阻型、電阻溫度檢測(cè)器（RTD）和IC溫度傳感器.相比IC溫度傳感器前三者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只能通過(guò)外圍電路輸出模擬信號(hào)，而IC溫度傳感器是一塊可以測(cè)量溫度的集成電路芯片，部分芯片直接集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可以不經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出數(shù)字信號(hào).考慮到電阻溫度檢測(cè)器需要經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換才能輸出數(shù)字信號(hào)，而部分IC溫度傳感器可以直接輸出數(shù)字信號(hào)，可省去模數(shù)轉(zhuǎn)換，所以采用IC溫度傳感器.

采用的IC溫度傳感器是DS18B20數(shù)字溫度傳感器.DS18B20的測(cè)量范圍是-55℃到+125℃，測(cè)量誤差為0.5℃，足夠室內(nèi)溫度檢測(cè)的使用[2].其工作電壓為3 v到5.5 v，與單片機(jī)供電電壓相符合.

DS18B20的電路有三種：寄生電源供電方式、寄生電源強(qiáng)上拉供電方式和DS18B20的外部電源供電方式，第一種會(huì)有寄生供電電量不足增大誤差的可能，第二種會(huì)多占用一個(gè)I/O口，故采用第三種的外部電源供電方式.

DS18B20溫度采集電路與單片機(jī)P2.2口直接以單總線方式連接，單片機(jī)控制P2.2口的電平時(shí)序變化與DS18B20交互，硬件由讀數(shù)據(jù)、寫(xiě)數(shù)據(jù)和初始化方法操作實(shí)現(xiàn)控制.讀數(shù)據(jù)的方法為先拉低總線大約4 us再釋放總線，然后延時(shí)8 us開(kāi)始讀數(shù)據(jù)，最后再延時(shí)60 us讀取下一位數(shù)據(jù)，這樣總共讀取8次.寫(xiě)數(shù)據(jù)的方法為先拉低總線4 us，再發(fā)送1位數(shù)據(jù)，延時(shí)60 us后釋放總線，接著再發(fā)送下一位數(shù)據(jù)，如此發(fā)送8次.初始化通過(guò)寫(xiě)數(shù)據(jù)操作發(fā)送命令設(shè)置傳感器具體工作參數(shù)[3].

2.3 濕度采集模塊

濕度采集模塊需要完成濕度模擬信號(hào)向數(shù)字電信號(hào)的轉(zhuǎn)換.限于濕度對(duì)物體的影響集中體現(xiàn)在表面的特點(diǎn)，濕度傳感器有電容式、電阻式等類型.本文采用含濕敏電阻HR31的濕度傳感器檢測(cè)模塊，模塊提供四個(gè)接口，包括供電端、接地端、TTL信號(hào)輸出端和模擬信號(hào)輸出端，模塊使用5V供電，帶靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕，方便進(jìn)行濕度校正.

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用ADC0804芯片，HR31濕度傳感器檢測(cè)模塊由接地端和模擬信號(hào)輸出端兩腳提供的模擬信號(hào)，信號(hào)從ADIN輸入，經(jīng)ADC0804轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后從輸出到單片機(jī).

ADC0804主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換方法和讀轉(zhuǎn)換結(jié)果的方法控制操作，通過(guò)這兩個(gè)操作將HR31濕度模塊采集到的模擬電壓量轉(zhuǎn)換為八位二進(jìn)制的數(shù)字量[4].具體設(shè)計(jì)為：首先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，方法是先置片選腳CS為低電平使芯片工作，再使AD轉(zhuǎn)換起動(dòng)控制腳WR由高電平轉(zhuǎn)為低電平，再轉(zhuǎn)為高電平啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，延遲一段時(shí)間后置片選CS腳為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束.其次進(jìn)行讀轉(zhuǎn)換結(jié)果的操作，方法是置片選腳CS和讀數(shù)據(jù)控制腳RD為低電平，數(shù)據(jù)輸出口輸出的數(shù)據(jù)即為轉(zhuǎn)換結(jié)果，把此結(jié)果存入一個(gè)變量，置片選腳CS和讀數(shù)據(jù)控制腳RD為高電平停止讀取，最后把得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù).因?yàn)榈玫降氖M(jìn)制數(shù)與ADC0804模擬信號(hào)輸入口電壓成線性關(guān)系，而濕度傳感器輸出電壓值與濕度物理量在適用范圍內(nèi)也近似成線性關(guān)系，所以所得的十進(jìn)制值與濕度物理量可視為線性關(guān)系，關(guān)系函數(shù)通過(guò)參照標(biāo)準(zhǔn)濕度值進(jìn)行校正求得.

2.4 溫度、濕度處理與輸出控制模塊

本模塊包含溫度分析模塊、濕度分析模塊、溫度控制模塊、濕度控制模塊.

通過(guò)比較當(dāng)前溫度（濕度）值與標(biāo)準(zhǔn)溫度（濕度）值的關(guān)系輸出控制信息，進(jìn)而控制制冷、產(chǎn)熱設(shè)備調(diào)節(jié)溫度接近標(biāo)準(zhǔn)溫度，或控制加濕、除濕設(shè)備調(diào)節(jié)濕度接近設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)濕度，當(dāng)調(diào)節(jié)環(huán)境到標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)濕度時(shí)關(guān)閉輸出控制信號(hào)，此時(shí)溫度和濕度會(huì)逐漸偏離標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)而觸發(fā)系統(tǒng)重新打開(kāi)輸出控制信號(hào)繼續(xù)調(diào)節(jié)溫度和濕度.假若設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度（濕度）值是個(gè)數(shù)值而非區(qū)間，這會(huì)使得溫度和濕度值在標(biāo)準(zhǔn)值附近頻繁變化，制冷、產(chǎn)熱設(shè)備或加濕、除濕設(shè)備也會(huì)頻繁啟動(dòng)和關(guān)閉，這對(duì)設(shè)備有害.因此將標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為以其為中心的區(qū)間，使得溫度（濕度）在一個(gè)較小的區(qū)間里變化時(shí)不會(huì)改變制冷、產(chǎn)熱設(shè)備（或加濕、除濕設(shè)備）的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而延長(zhǎng)設(shè)備壽命.

具體設(shè)計(jì)算法如下：

初始化變量now，var，std，X，ctrlOut

maxStd=std+X

minStd=std-X

ifnow>maxStd then

ctrlOut=2

elseifnow>std and now<=maxStd then

IfctrlOut==1 then

ctrlOut=0

endif

elseifnow=minStd then

IfctrlOut==2 then

ctrlOut=0

endif

else ctrlOut=1

endif

其中now、std在調(diào)用此模塊時(shí)取得參數(shù)，輸出結(jié)果為ctrlOut.根據(jù)mark和ctrlOut最終控制相應(yīng)設(shè)備調(diào)節(jié)環(huán)境.

輸出控制采用單片機(jī)控制繼電器，以繼電器為開(kāi)關(guān)由單片機(jī)控制相應(yīng)設(shè)備調(diào)節(jié)溫度濕度.

2.5 按鍵信息采集模塊

按鍵使用獨(dú)立鍵盤(pán)，按動(dòng)后會(huì)引起對(duì)應(yīng)線路（單片機(jī)I/O口）的電位變化，對(duì)這種變化進(jìn)行檢測(cè)即可實(shí)現(xiàn)按鍵信息的采集.對(duì)按鍵狀態(tài)掃描時(shí)，因?yàn)橛锌赡苄盘?hào)干擾，所以當(dāng)掃描到某個(gè)按鍵按下后和再延遲10ms重新判斷此按鍵是否按下，若結(jié)果還是按下，則置按鍵狀態(tài)為此按鍵編號(hào)，將按鍵信息由此值傳送.

按鍵有編碼式和非編碼式之分，計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)的按鍵屬于編碼式按鍵，其內(nèi)部通過(guò)微處理器將按鍵信息轉(zhuǎn)換為一定的編碼值實(shí)現(xiàn)按鍵功能，適用于按鍵數(shù)量多信號(hào)線少時(shí)，非編碼按鍵則是簡(jiǎn)單地通過(guò)按鍵改變信號(hào)線電平，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[5].本系統(tǒng)按鍵需要4個(gè)，即復(fù)位鍵RST、設(shè)置鍵SET、增加鍵+和減少鍵-.復(fù)位鍵在單片機(jī)的復(fù)位電路里給出，這里不予考慮，剩下三個(gè)按鍵采用非編碼式.非編碼式按鍵分為獨(dú)立式和陣列式，這里只有三個(gè)按鍵，采用獨(dú)立式按鍵方式.

對(duì)三個(gè)信號(hào)線設(shè)置高電平，通過(guò)按動(dòng)按鍵使其接通低電平，實(shí)現(xiàn)電平改變，對(duì)單片機(jī)設(shè)計(jì)算法檢測(cè)這種電平變化，實(shí)現(xiàn)按鍵信息的輸入.

2.6 顯示輸出模塊

顯示屏采用LCD1602字符型液晶屏，LCD1602屏幕直接與單片機(jī)的P3.4、P3.5及P0口相連，單片機(jī)控制這幾個(gè)腳的電平按一定時(shí)序變化實(shí)現(xiàn)屏幕顯示，在P0連接的數(shù)據(jù)口輸入數(shù)據(jù)，然后讓使能端由高電平變?yōu)榈碗娖?，?dāng)P3.5連接的寄存器選擇腳為高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)寫(xiě)數(shù)據(jù)操作，為低電平時(shí)實(shí)現(xiàn)寫(xiě)命令操作.LCD1602是通過(guò)寫(xiě)數(shù)據(jù)和寫(xiě)命令兩個(gè)操作把數(shù)據(jù)寫(xiě)入相應(yīng)寄存器實(shí)現(xiàn)顯示的，由這兩個(gè)操作即可在屏幕上共兩行32個(gè)位置上顯示字符.

3 性能分析

采用軟件和硬件相結(jié)合的方法，以測(cè)試性能.前期測(cè)試以在仿真軟件環(huán)境下測(cè)試為主，后期測(cè)試則主要在單片機(jī)硬件環(huán)境下進(jìn)行.

仿真軟件采用Proteus7 Professional.在Proteus測(cè)試程序能正確運(yùn)行后將程序下載入單片機(jī)，接通單片機(jī)電源進(jìn)行硬件環(huán)境的測(cè)試.測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示.

由表1和表2可知，溫度和濕度基本能正確顯示，當(dāng)超出設(shè)定溫度和濕度范圍時(shí)能啟動(dòng)制冷/產(chǎn)熱的設(shè)備或加濕/除濕的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié).在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)需在時(shí)間延遲的設(shè)計(jì)上作調(diào)整，以解決系統(tǒng)反應(yīng)速度問(wèn)題.

表1 系統(tǒng)溫度部分測(cè)試

表2 系統(tǒng)濕度部分測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)建立了以單片機(jī)為核心的溫度和濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng).其中溫度采集電路和濕度采集電路，能夠分別向單片機(jī)提供溫度和濕度信息，而對(duì)收集到的溫度和濕度信息的在單片機(jī)核心上成功地完成了分析和控制信號(hào)的輸出，另外通過(guò)按鍵調(diào)控與自動(dòng)控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了溫濕度智能調(diào)控.

［1］吳永.基于網(wǎng)絡(luò)的單片機(jī)多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（4）：959～960.

［2］呂俊亞.一種基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（7）：230～233.

［3］李麗娜，柳洪義，許時(shí)揚(yáng).基于虛擬儀器的PCR芯片智能溫控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（5）：1223～1228.

［4］戴衛(wèi)軍，唐燕妮.基于DSP恒溫水浴溫度復(fù)合智能控制方法［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009（3）：501～503.