基于單片機(jī)的智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

吳虹佳++林軍

摘要：本文設(shè)計了以STC89C52單片機(jī)作為控制平臺的智能溫控系統(tǒng)，該智能系統(tǒng)可以依據(jù)溫濕度對電器設(shè)備的工作模式和工作狀態(tài)進(jìn)行控制。用E18-D80NK紅外光電開關(guān)檢測人體信號，選擇溫濕度傳感器DHT11采集室內(nèi)的溫度和濕度，同時采用1602液晶顯示屏顯示出當(dāng)前室內(nèi)溫濕度。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，響應(yīng)快，性價比高，具有一定實用價值和設(shè)計價值。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；傳感器；溫濕度；智能系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，家用電器產(chǎn)品更傾向于自動化、智能化、環(huán)?；?、人性化。在現(xiàn)實生活中，有很多與溫度相關(guān)的使用步進(jìn)電機(jī)的電器設(shè)備，當(dāng)溫度變化時需要靠人工手動去改變其工作模式和狀態(tài)，但是當(dāng)人離開或者是深夜熟睡時就無法去控制機(jī)器，甚至有時還會忘記去關(guān)閉電器設(shè)備，因而無形中浪費了很多資源。為了解決上述問題，設(shè)計了這款智能溫控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高精度集成溫濕度傳感器，用單片機(jī)控制，能及時顯示當(dāng)前溫度和濕度，并根據(jù)設(shè)定好的溫度和濕度，自動的調(diào)節(jié)電器設(shè)備的工作狀態(tài)和模式。

本文的設(shè)計思想最初來源于我們生活中，是為了實現(xiàn)風(fēng)扇的智能化?；趩纹瑱C(jī)的智能溫控系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了機(jī)械的自動化，不僅可以很好的節(jié)約電能，同時也使產(chǎn)品更人性化。在現(xiàn)實生活中可以應(yīng)用于很多與溫度和濕度相關(guān)的電器設(shè)備，它的設(shè)計具有非常廣泛的使用和應(yīng)用價值。

近幾年，智能控制理論發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了大量新穎的控制理論[1]。目前，國內(nèi)外對智能溫控系統(tǒng)的研究也不斷創(chuàng)新，已經(jīng)取得了可觀的研究成果。研究人員先是通過調(diào)整電阻的大小，調(diào)節(jié)充電電容時間常數(shù)，通過對可控硅[2]控制角α的調(diào)節(jié)來控制電器設(shè)備的工作模式。之后，隨著自動調(diào)整設(shè)計的出現(xiàn)，通過控制脈寬調(diào)制來控制雙向可控硅從而實現(xiàn)智能控制。

本系統(tǒng)的創(chuàng)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(zhuǎn)速，通過繼電器控制電器的工作狀態(tài)，而且增加了人體紅外檢測功能，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)計

本設(shè)計使用單片機(jī)作為控制核心，巧妙利用單片機(jī)控制技術(shù)[3]，溫濕度傳感器技術(shù)[4]，紅外光電開關(guān)技術(shù)[5]、脈沖調(diào)節(jié)技術(shù)[6]，把智能控制系統(tǒng)應(yīng)用于家用電器的控制中，將電器設(shè)備的轉(zhuǎn)速和開關(guān)作為被控制量，由單片機(jī)分析采集到的數(shù)字溫濕度信號，再通過調(diào)節(jié)脈沖頻率對設(shè)備進(jìn)行調(diào)速，通過繼電器控制設(shè)備是否工作。從而達(dá)到無須人為控制便可自動調(diào)節(jié)電器設(shè)備轉(zhuǎn)速和開關(guān)的效果。系統(tǒng)總體設(shè)計方案圖，如圖1所示。為使系統(tǒng)更具體化，并考慮到最初的思想的來源，本文用風(fēng)扇模擬調(diào)速類（使用步進(jìn)電機(jī)的）電器設(shè)備，以加濕器模擬開關(guān)類電器設(shè)備。

（一）溫濕度檢測電路設(shè)計

DHT11傳感器連接單片機(jī)相對來說是簡單的，單片機(jī)P3.7口用于接收串行數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)口，連接到傳感器的Pin2（單總線，串行數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)用于微處理器與DHT11單總線之間的通信和同步數(shù)據(jù)格式，傳感器的電源端口Pin1和Pin4分別接單片機(jī)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(fā)一次溫濕度采集，假若沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號，DHT11不會自動進(jìn)行溫濕度采集。

（二）電機(jī)控制電路設(shè)計

當(dāng)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(dāng)B相通電，A，C相不通電時，齒2應(yīng)與B對齊，此時轉(zhuǎn)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(dāng)C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對齊，此時轉(zhuǎn)子又向右移過1/3T，此時齒4與A偏移為1/3T對齊[7]。電機(jī)的位置和速率由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。定轉(zhuǎn)子展開圖如圖2所示。

（三）紅外光電開關(guān)控制電路設(shè)計

這是NPN型光電開關(guān)，輸出狀態(tài)為0，1，即數(shù)字電路中的高電平和低電平，檢測到目標(biāo)是低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平[5]。總共3條線，電源，地，信號線不需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，可直接接單片機(jī)的IO口。

（四）液晶顯示模塊電路設(shè)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(diào)節(jié)液晶的顯示對比度，經(jīng)過調(diào)節(jié)滑阻改變Vo的電壓值，從而使液晶顯示在最清晰的狀態(tài)[8]。

（五）加濕器（開關(guān)類電器）控制電路設(shè)計

加濕器的工作狀態(tài)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(kuò)展電源板的負(fù)極，將繼電器的公共端連接到電源擴(kuò)展版的正極，將繼電器的IN引腳連接到單片機(jī)指定引腳[9]。

二、軟件總體設(shè)計

這個系統(tǒng)的運行程序用C語言編寫，采用模塊化設(shè)計，包括加濕器（開關(guān)類）控制模塊，風(fēng)扇（調(diào)速類）轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)模塊采集溫濕度與紅外信號，再運用脈沖的不同時延調(diào)節(jié)風(fēng)扇（步進(jìn)電機(jī)）的轉(zhuǎn)速，調(diào)用液晶顯示模塊顯示當(dāng)前溫濕度，調(diào)用加濕器（開關(guān)類）控制模塊控制加濕器的開與關(guān)。

（一）主程序設(shè)計

主程序是整個程序設(shè)計的主體，也是整個系統(tǒng)中最重要的部分，它負(fù)責(zé)每個子程序模塊的執(zhí)行順序、時序以及它們之間的關(guān)系。當(dāng)按下開關(guān)鍵后，系統(tǒng)開機(jī)運行，顯示當(dāng)前溫濕度，在檢測到人體的情況下，若溫度高于規(guī)定上限值，模擬調(diào)速類電器（風(fēng)扇）開始全速轉(zhuǎn)動；若溫度在規(guī)定上下限值之間，風(fēng)扇緩慢轉(zhuǎn)動；若溫度低于規(guī)定下限值，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動；當(dāng)濕度低于規(guī)定值時，模擬開關(guān)類電器（加濕器）開始工作。當(dāng)檢測不到人體時，風(fēng)扇和加濕器都停止工作。

（二）溫濕度傳感器模塊設(shè)計

新式的單總線溫濕度數(shù)字傳感器（DHT11）不需要外置的AD轉(zhuǎn)換模塊，具備標(biāo)準(zhǔn)接口，控制方便，易于實現(xiàn)。其部分算法設(shè)計原理：單片機(jī)發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集?？偩€為低電平時，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后，再把總線拉高80us，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時隙開始，高電平的長短決定數(shù)據(jù)位是0還是1。

（三）液晶顯示模塊設(shè)計

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

1.display0[1]=溫度的個位數(shù)字；2.display0[0]=溫度的十位數(shù)字；3.調(diào)用顯示函數(shù)顯示出一個字節(jié)，即十位上的數(shù)；4.調(diào)用顯示函數(shù)顯示出一個字節(jié)，即個位上的數(shù)；

（四）風(fēng)扇（調(diào)速類）轉(zhuǎn)速控制模塊設(shè)計

通過軟件編程，用單片機(jī)實現(xiàn)脈沖分配，步進(jìn)電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速通過設(shè)置延時函數(shù)參數(shù)來確定，在一定時延范圍內(nèi)，延時越短電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，反之越慢[5]。其部分算法設(shè)計如下所示：IF檢測到人且溫度在20～25度之間THENdo延時函數(shù)的參數(shù)設(shè)為500ms；

IF檢測到人且溫度不低于25度THENdo延時函數(shù)的參數(shù)設(shè)為70ms；

IF檢測不到人或溫度不高于20度THENdo延時函數(shù)的參數(shù)設(shè)為150000ms；

ENDIF

（五）加濕器（開關(guān)類）控制模塊設(shè)計

單片機(jī)通過繼電器的開閉控制加濕器的工作狀態(tài)，將繼電器設(shè)置為低電平觸發(fā)，當(dāng)單片機(jī)發(fā)送低電平時，繼電器開關(guān)閉合[10]，電器設(shè)備開始工作（即加濕器噴霧）；當(dāng)單片機(jī)發(fā)送高電平時，繼電器開關(guān)斷開，電器設(shè)備停止工作（即加濕器不工作）。其部分算法設(shè)計如下所示：

IF檢測到人且濕度低于45%THENdo發(fā)送低電平，加濕器工作；

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

ENDIF

三、系統(tǒng)的運行與測試

本系統(tǒng)是由多個模塊集合而成的，為了保證整個系統(tǒng)正確運行，測試系統(tǒng)的正確性與可靠性時就要對系統(tǒng)的各個模塊進(jìn)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(jìn)行整個系統(tǒng)測試，為了說明本系統(tǒng)的可靠性和通用性，對不同的電器設(shè)備進(jìn)行了多次系統(tǒng)測試[11]。對于不同類型的設(shè)備，它們各自有不同的特征，但其本質(zhì)的核心電路卻是相似的，都可以通過本智能溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)很好的智能控制，通過實驗測試說明，該系統(tǒng)具有較高的測量精度和控制能力。

本系統(tǒng)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(xiàn)閃爍和抖動最主要的原因就是顯示器的刷新頻率設(shè)置低于75Hz造成的，只需把刷新率調(diào)高到75Hz以上，屏幕抖動的現(xiàn)象就不會再出現(xiàn)了，同時要做好清屏工作。在設(shè)計過程中遇到很多問題，但經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終可以使系統(tǒng)正常運行。

四、結(jié)語

本系統(tǒng)采用STC89C52為中央處理器，與各種外圍設(shè)備構(gòu)成整個單片機(jī)控制系統(tǒng)，采用E18-D80NK紅外光電開關(guān)檢測室內(nèi)人體信號，用溫濕度傳感器DHT11來檢測室內(nèi)溫度和濕度，通過1602液晶顯示屏將溫濕度顯示出來，用風(fēng)扇模擬調(diào)速類（使用步進(jìn)電機(jī)的）電器設(shè)備，用加濕器模擬開關(guān)類電器設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)對大多數(shù)與溫度和濕度相關(guān)的電器設(shè)備的智能控制，并達(dá)到很好的節(jié)能效果。本設(shè)計的局限性在于可以控制的電器設(shè)備的類型有限，在之后的研究中，將以擴(kuò)大系統(tǒng)的通用性及增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性為目標(biāo)，使其能更好地應(yīng)用到更多不同類型的電器設(shè)備中。

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作者簡介：吳虹佳（1994.01-），女，遼寧鞍山，廣西大學(xué)計算機(jī)電子與信息學(xué)院在讀研究生。研究方向：網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化。

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