基于AT89C51 的智能加濕器的設(shè)計(jì)與仿真

王莉，陸安江

（貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550025）

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們的生活水平也逐步提高。人們更注重生活品質(zhì)，加濕器的出現(xiàn)滿足了人們創(chuàng)造生活空間相對(duì)濕度的條件[1]。在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，加濕器控制濕度時(shí)要準(zhǔn)確且有效，同時(shí)還要確保其安全性能[2]。常規(guī)加濕器無(wú)法檢測(cè)室內(nèi)的溫濕度，調(diào)節(jié)濕度的功能比較差，缺乏對(duì)水位的檢測(cè)管理且容易出現(xiàn)加濕過(guò)度和干燒的情況，需要手動(dòng)操作控制，無(wú)法自動(dòng)加濕，還存在一系列安全隱患。由于空調(diào)等供暖或者制冷設(shè)施會(huì)導(dǎo)致皮膚缺水引起干燥，還易引發(fā)感冒、咳嗽等癥狀，在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量也會(huì)有所影響，因此需要一款加濕器使空氣溫濕度平衡，以呵護(hù)人體健康，確保產(chǎn)品質(zhì)量。文中基于AT89C51 單片機(jī)設(shè)計(jì)的智能加濕器，可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，同時(shí)兼具實(shí)用性強(qiáng)、成本低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，尤為重要的是，為家庭及工廠提供有效的濕度檢測(cè)及智能控制，使得人們的生活更加便利。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)的整體思路

該設(shè)計(jì)以AT89C51 單片機(jī)為智能溫濕度控制系統(tǒng)的核心，實(shí)時(shí)測(cè)量室內(nèi)溫濕度，最佳相對(duì)濕度可以根據(jù)用戶的需要設(shè)置，并且能夠根據(jù)環(huán)境溫濕度的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得設(shè)定的溫濕度基本保持不變。溫濕度傳感器DHT11 采集溫濕度信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)單片機(jī)AT89C51 對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，與測(cè)得值比較，控制加濕功能，并在LCD1602 上顯示當(dāng)前以及設(shè)定的溫濕度數(shù)值，當(dāng)前溫濕度低于最佳相對(duì)濕度值時(shí)則開(kāi)始加濕，高于最佳相對(duì)濕度時(shí)則停止加濕。外加時(shí)鐘電路、鍵盤(pán)電路和報(bào)警電路，除了可以根據(jù)用戶需求設(shè)置最佳相對(duì)濕度值外，還可以通過(guò)按鍵切換它的工作模式。加濕器的加濕功能啟動(dòng)后，綠色LED 燈亮?xí)r代表開(kāi)始加濕。在整個(gè)過(guò)程中，如果輸入端為“水位低”信號(hào)，則與水位檢測(cè)相配置的蜂鳴器報(bào)警，加濕器立即停止加濕以防干燒。模式選擇、水位加減和濕度加減通過(guò)按鍵進(jìn)行設(shè)定，操作方便，同時(shí)用戶可通過(guò)指示燈顯示查閱各狀態(tài)。

把顯示模塊中單片機(jī)的P0口與LCD 的數(shù)據(jù)輸入口D1-D7 連接，RW 接地表示寫(xiě)入數(shù)據(jù)，LCD 的數(shù)據(jù)寫(xiě)入設(shè)計(jì)為E 接高脈沖時(shí)讀取信息，下降沿時(shí)開(kāi)始執(zhí)行指令。RS 接高電平和低電平時(shí)分別表示選擇寫(xiě)數(shù)據(jù)操作和選擇寫(xiě)指令操作，傳感器上的DATA 口連接在單片機(jī)的P2.4 上，串行接口采用單總線數(shù)據(jù)格式，對(duì)數(shù)據(jù)采用雙向傳輸，高位先輸出，一次可完整輸出40 bit 數(shù)據(jù)，單片機(jī)對(duì)前八位濕度整數(shù)的部分進(jìn)行讀取[3]。系統(tǒng)總體方案的整體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 單片機(jī)模塊

該系統(tǒng)采用AT89C51 作為控制電路的核心器件。AT89C51 單片機(jī)是ATMEL 公司出品的一款與MCS51兼容的單片機(jī)，提供4 kB的Flash存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)可編程I/O 線，2 個(gè)16 位定時(shí)器，一個(gè)中斷系統(tǒng)，一個(gè)串行通信口，片內(nèi)震蕩器和時(shí)鐘電路[4-5]。AT89C51 內(nèi)部含有高增益反相放大器，可以構(gòu)成振蕩器，放大器的輸入端和輸出端引腳分別為RXD 和TXD。時(shí)鐘產(chǎn)生有內(nèi)部方式和外部方式兩種，在RXD 和TXD 引腳上可外接定時(shí)元件，定時(shí)元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，內(nèi)部振蕩器的時(shí)鐘電路產(chǎn)生自激振蕩。晶體振蕩頻率范圍為1.2～12 MHz，通過(guò)微調(diào)頻率可以調(diào)節(jié)電容值的大小，范圍為5～30 pF，工作電壓在4.5～5.5 V 之間。該設(shè)計(jì)采用12 MHz 晶振，30 pF 電容，5 V 供電。

單片機(jī)首先要進(jìn)行復(fù)位操作，把PC 初始化為0000H，單片機(jī)執(zhí)行程序從0000H 單元開(kāi)始，當(dāng)程序由于運(yùn)行或操作出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會(huì)變?yōu)樗梨i狀態(tài)，按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)即可解決問(wèn)題。高電平對(duì)于復(fù)位信號(hào)有效（超過(guò)2 μs 可完成復(fù)位操作），其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24 個(gè)振蕩周期以上[6]，單片機(jī)的輸入端是RST引腳，使用頻率為12 MHz 的晶振。

1.3 傳感器模塊

該系統(tǒng)采用的DHT11 是可以同時(shí)檢測(cè)溫度和濕度的數(shù)字傳感器，通過(guò)單總線傳輸協(xié)議，傳感器的數(shù)據(jù)被單片機(jī)以8 位二進(jìn)制的編碼方式讀取。DHT11 的電源電壓為3.0～5.5 V，溫濕度測(cè)量值的范圍分別為0～50 ℃、20%～90%RH[7-8]。DHT11 具有靈敏度高、線性好、功能全等優(yōu)點(diǎn)，且功耗小、體積小，連接方法簡(jiǎn)單[9]。DHT11 采用單總線數(shù)據(jù)格式和微處理器保持通信和同步，接口簡(jiǎn)單且無(wú)需校準(zhǔn)。一次通信時(shí)間約4 ms，分辨率為8 bit，足以滿足日常環(huán)境溫濕度的檢測(cè)要求。在測(cè)量濕度時(shí)，為了減少周?chē)鷾囟茸兓挠绊?，盡可能在溫度相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中檢測(cè)濕度。

DHT11 內(nèi)部包含NTC 測(cè)溫元件和電阻式測(cè)濕元件各一個(gè)，可與高性能的8 位單片機(jī)相連，和單片機(jī)等微處理器構(gòu)成簡(jiǎn)單的電路可以實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)相對(duì)溫濕度。因此DHT11 和單片機(jī)之間僅需一個(gè)I/O口，利用簡(jiǎn)單的單總線就可以實(shí)現(xiàn)通信，節(jié)省資源并且減少了對(duì)單片機(jī)的I/O 口的占用。其數(shù)據(jù)編碼方式為8 位二進(jìn)制，輸出為數(shù)字信號(hào)，可減少單片機(jī)預(yù)處理信號(hào)的負(fù)擔(dān)和用戶工作量。DHT11 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，其中濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、溫度小數(shù)數(shù)據(jù)、校驗(yàn)的數(shù)據(jù)格式、濕度小數(shù)數(shù)據(jù)、溫度整數(shù)數(shù)據(jù)均為8 位，先輸出高位。在傳送數(shù)據(jù)無(wú)誤時(shí)，8 位的校驗(yàn)數(shù)據(jù)和濕度整數(shù)數(shù)據(jù)是相同的。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器在上電后需等待1 s 以上，不穩(wěn)定狀態(tài)期間，不向AT89C51 單片機(jī)發(fā)送任何指令[10]。DHT11通過(guò)DATA 引腳與微處理器之間進(jìn)行通信和同步，通過(guò)DATA 實(shí)現(xiàn)，單次通信時(shí)間約為4 ms。溫濕度傳感器原理圖如圖2 所示。

圖2 溫濕度傳感器原理圖

1.4 液晶顯示模塊

該設(shè)計(jì)顯示部分所采用的LCD1602 液晶顯示器是字符型液晶顯示模塊，能夠顯示字母、數(shù)字以及符號(hào)[11]。LCD1602 液晶顯示器為電路中的顯示部分，可預(yù)設(shè)最佳相對(duì)濕度并顯示室內(nèi)的濕度。LCD1602可以顯示2 行共16 個(gè)字符，通常有14 條（無(wú)背光）或16 條（帶背光）引腳線[12]，有8 位數(shù)據(jù)線總線D0-D7和三個(gè)控制端口R/W、RS、EN[13]，工作電壓為5 V，工作電流為2.0 mA，并且可以調(diào)節(jié)字符對(duì)比度。

液晶顯示器的D0-D7 口和單片機(jī)的雙向I/O 口P1 口相連，它是8 位漏極開(kāi)路型，常用于地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。當(dāng)它作為輸出口時(shí)，每個(gè)引腳可吸收8TTL 門(mén)電流，邏輯門(mén)電路可以被驅(qū)動(dòng)。當(dāng)P1 口的管腳寫(xiě)1 時(shí)，高阻抗輸入端，訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器時(shí)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，內(nèi)部上拉電阻會(huì)被激活，作為數(shù)據(jù)/地址的第八位。由于需要外接上拉電阻，所以需要排阻連接到單片機(jī)AT89C51 上。LCD1602 液晶顯示器與單片機(jī)連接的原理圖如圖3 所示。

圖3 液晶顯示器與單片機(jī)連接原理圖

1.5 報(bào)警電路模塊

報(bào)警電路采用有源蜂鳴器，其驅(qū)動(dòng)發(fā)聲簡(jiǎn)單，通電就能持續(xù)發(fā)聲。蜂鳴器的發(fā)聲原理是電流通過(guò)電磁線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而驅(qū)動(dòng)振動(dòng)膜發(fā)聲，因此需要一定的電流。在水位按鍵將低水位信號(hào)傳給單片機(jī)后，蜂鳴器報(bào)警以防干燒。由于單片機(jī)I/O 引腳輸出電流較小，TTL 電平的輸出幾乎驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，因此添加一個(gè)PNP 型三極管構(gòu)成電流放大電路驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。該報(bào)警電路由一個(gè)三極管和一個(gè)蜂鳴器組成，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到水位低時(shí)，則三極管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警，如果水位正常則三極管截止。

1.6 鍵盤(pán)電路模塊

鍵盤(pán)分為獨(dú)立式按鍵和矩陣式按鍵[14]。由于該設(shè)計(jì)需要的按鍵數(shù)目較少，故選擇獨(dú)立式按鍵。按鍵與單片機(jī)之間的引腳，在按鍵彈起時(shí)處于高電平，在按鍵按下時(shí)處于低電平。濕度鍵K1、K2 分別用于增加、降低設(shè)定的數(shù)值，K3、K4 進(jìn)行水位高低的操作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)包括溫度檢測(cè)模塊、按鍵輸入模塊、顯示模塊、水位檢測(cè)模塊。系統(tǒng)上電初始化后，讀取水位信號(hào)，判斷是否蜂鳴報(bào)警，傳感器讀取溫濕度并將數(shù)據(jù)送至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，如果輸入水位低信號(hào)則蜂鳴報(bào)警且不再加濕。主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 主流程圖

2.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)傳感器的通信協(xié)議，首先由單片機(jī)的I/O 口產(chǎn)生激發(fā)信號(hào)，然后傳感器控制數(shù)據(jù)線，單片機(jī)通過(guò)while 語(yǔ)句不間斷地檢查I/O 口的高低電平，得到準(zhǔn)確的傳輸數(shù)據(jù)。

對(duì)濕度進(jìn)行采集時(shí)，首先由P2.3 輸出低電平，延時(shí)18 ms 后P2.3 輸出高電平，延時(shí)40 ms 后，讀P2.3引腳是否為低電平，若不是則繼續(xù)讀取，若是就開(kāi)始執(zhí)行判斷從機(jī)80 μs 高電平是否結(jié)束，沒(méi)結(jié)束就接著判斷，若結(jié)束則接收單片機(jī)數(shù)據(jù)，并以十進(jìn)制的方式存入到指定的數(shù)組中，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后保持且持續(xù)進(jìn)行。傳感器模塊的軟件流程圖如圖5 所示。

圖5 DHT11傳感器模塊流程圖

2.3 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

在調(diào)用液晶顯示模塊時(shí)要先確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平（即不忙），才可以執(zhí)行指令，而高電平時(shí)指令失效。首先將LCD1602 初始化，然后執(zhí)行延時(shí)程序，等待數(shù)據(jù)采集，演示完成后先寫(xiě)入一些指令和顯示字符的地址，單片機(jī)再向LCD 發(fā)送數(shù)據(jù)（即寫(xiě)數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，LCD 讀取寫(xiě)入的地址并顯示，最后返回。

3 Proteus仿真

設(shè)計(jì)采用的畫(huà)圖軟件是EDA 軟件仿真平臺(tái)的Proteus，具有電路分析和系統(tǒng)仿真功能[15]。在編譯方面，支持Keil 等多種編輯器，系統(tǒng)的原理圖結(jié)合外圍電路輸入進(jìn)行編程，運(yùn)行以后可得到仿真效果。因其具有完備的電子開(kāi)發(fā)環(huán)境，所以不需要借助虛擬測(cè)量工具，就可以判斷系統(tǒng)的軟硬件性能，從而優(yōu)化了單片機(jī)的開(kāi)發(fā)流程。Proteus 進(jìn)行仿真調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)是彌補(bǔ)了元器件的缺乏，大幅簡(jiǎn)化了硬件的調(diào)試工作，開(kāi)發(fā)成本低且效率高。

在Proteus 繪制完原理圖后，載入到Keil[16-17]軟件編譯好的HEX 文件中，仿真運(yùn)行后就可以看到實(shí)物的模擬運(yùn)行狀態(tài)和過(guò)程，可以檢驗(yàn)出設(shè)計(jì)是否正確。在仿真運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)每個(gè)接口的引腳旁邊指示燈顏色可以比較直觀地判斷各個(gè)管腳的高低電平，藍(lán)色和紅色分別為低電平和高電平。該設(shè)計(jì)的部分程序如下。

在使用Proteus 仿真時(shí)通過(guò)單片機(jī)將DHT11 傳感器采集的數(shù)據(jù)寫(xiě)入LCD1602 顯示。上電之后加濕器默認(rèn)是自動(dòng)模式，最佳相對(duì)濕度默認(rèn)為60%，此時(shí)濕度檢測(cè)模塊測(cè)得當(dāng)前溫濕度分別為30 ℃和26%，低于設(shè)置的最佳濕度值，從上電后的仿真圖可以看出，綠色LED 燈變亮，加濕器開(kāi)始加濕。當(dāng)濕度相對(duì)于設(shè)置的最佳濕度過(guò)高5%和水位相對(duì)于設(shè)置的水位過(guò)低5%時(shí)報(bào)警電路均會(huì)進(jìn)行報(bào)警，可以有效地防止加濕器的干燒和過(guò)度加濕。該設(shè)計(jì)最佳濕度可手動(dòng)設(shè)置，且在任何狀態(tài)下，只要輸入水位低信號(hào)，就能報(bào)警并停止加濕，實(shí)現(xiàn)了智能防干燒功能。上電之后的仿真界面如圖6 所示。

圖6 仿真界面

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的智能加濕器經(jīng)過(guò)Proteus 仿真后，系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的工作方式，而智能化的工作方式可以使電路更加節(jié)能，綠色環(huán)保的同時(shí)也確保了加濕器的安全性能。該設(shè)計(jì)也存在有待改善的地方，如沒(méi)有精確的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，不能根據(jù)環(huán)境的溫度智能地調(diào)節(jié)所需要的濕度。但由于電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單高效，器件成本低，仍具有比較好的市場(chǎng)前景。