智能公共浴室系統(tǒng)的研究與設(shè)計

王寧 徐凱 曾梓城 黃乾軒

摘? 要：該設(shè)計將STC89C52單片機與公共浴室系統(tǒng)作為系統(tǒng)的設(shè)計核心，運用DHT11溫濕度傳感器對空氣中的溫度數(shù)據(jù)進行采集，并利用其內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換功能，將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過單片機對該數(shù)字信號進行分析與處理，將處理后的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602上，同時單片機也能夠智能控制公共浴室系統(tǒng)的工作狀態(tài)。該設(shè)計還擁有水位監(jiān)測電路以及報警電路，防止水位過低而燒壞硬件。系統(tǒng)有電路簡單，傳感器的靈敏度高，采集的數(shù)據(jù)精度高，具有較高的安全性等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：公共浴室系統(tǒng)；STC89C52單片機；液晶顯示；DHT11傳感器

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）02-0145-05

Research and Design of Intelligent Public Bathroom System

WANG Ning， XU Kai， ZENG Zicheng， HUANG Qianxuan

（Southeast University Chengxian College， Nanjing? 210088， China）

Abstract： This design takes STC89C52 Single-Chip Microcomputer and public bathroom system as the design cores of the system. It uses the temperature and humidity sensor DHT11 to collect the temperature data in the air， and uses its built-in A/D conversion function to convert the collected analog signal into digital signal. Then the digital signal is analyzed and processed by the Single-Chip Microcomputer， and the processed data is displayed on LCD1602. At the same time， the Single-Chip Microcomputer can intelligently control the working state of the public bathroom system. The design also has a water level monitoring circuit and an alarm circuit， which can prevent the low water level from burning out the hardware. The system has advantages of simple circuit， high sensitivity of the sensors， high accuracy of collection data， higher security and so on.

Keywords： public bathroom system; STC89C52 Single-Chip Microcomputer; LCD; DHT11 sensor

0? 引? 言

隨著時代與科技的發(fā)展，智能產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品逐漸進入人們的生活。智能產(chǎn)品將傳統(tǒng)產(chǎn)品通過網(wǎng)絡(luò)與計算機控制系統(tǒng)連接，使其自動化運行，從而提高效率，給人們帶來便利。最初，智能化技術(shù)只運用在單個的小物品上，隨著技術(shù)的逐步成熟，智能化技術(shù)已經(jīng)可以運用在了一些大型的公共場所當中，比如：智能公共浴室系統(tǒng)。智能公共浴室系統(tǒng)不僅可以通過系統(tǒng)控制提高人們在洗浴過程的舒適度，還可以有效提高浴室系統(tǒng)的安全性。研究發(fā)現(xiàn)，智能公共浴室系統(tǒng)在當今的生活有著廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)可以運用于機關(guān)、學校的公共浴室，生活小區(qū)的浴室和一些大工廠的員工宿舍區(qū)的浴室。

在本次的設(shè)計中，智能公共浴室系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)公共浴室的環(huán)境，以達到提高人們在沐浴時舒適度的目的。本項目由STC89C52單片機電路、LCD1602液晶顯示電路、按鍵輸入電路、傳感器檢測電路、繼電器電路、電源電路組成。傳感器檢測室內(nèi)各個參數(shù)，并在液晶屏LCD1602上實時顯示。同時可以手動預設(shè)室內(nèi)溫度閾值對室內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)。

1? 項目方案設(shè)計

本項目的總體設(shè)計方案是主要由單片機控制模塊、水位檢測模塊、溫度采集模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、繼電器驅(qū)動模塊及報警模塊共七部分組成，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

本項目中，通過DHT11傳感器采集環(huán)境中的溫度模擬信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出至單片機。單片機控制模塊負責對傳感器采集的輸入信號進行分析和處理，驅(qū)動液晶顯示模塊實時顯示當前環(huán)境的溫度數(shù)值。當環(huán)境中的溫度低于設(shè)置的下限值時，單片機輸出低電平，繼電器閉合，驅(qū)動公共浴室加熱系統(tǒng)工作，實現(xiàn)自動升溫功能；當環(huán)境中的溫度高于設(shè)置的閾值時，單片機驅(qū)動繼電器斷開，停止升溫。當公共浴室儲水裝置的水位低于預設(shè)水位的下限值時，單片機驅(qū)動蜂鳴器鳴叫和指示燈亮起，實現(xiàn)聲光報警功能，當水位高于下限值時會自動取消報警。按鍵輸入模塊實現(xiàn)手動設(shè)置公共浴室系統(tǒng)室溫與水位的上限值和下限值功能。

2? 硬件設(shè)計

2.1? 單片機控制模塊

本項目的系統(tǒng)運用的中心控制元件是STC89C52單片機，STC系列的單片機正常工作的電壓為3.3 V到5.5 V，STC89C52單片機的原理圖如圖2所示。

如表1所示為STC89C52單片機的主要功能特性。

單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

（1）STC89C52單片機內(nèi)部配備有一個振蕩器，它是由高增益反相比例放大器構(gòu)成，形成時鐘脈沖時，時鐘電路中的電容起到對頻率的微調(diào)作用。我們在本次設(shè)計中采用了振蕩頻率為11.059 2 MHz的晶體振蕩器，為達到設(shè)定頻率，本產(chǎn)品配置了大小為30 pF的電容來進行調(diào)節(jié)。如圖3所示為時鐘電路設(shè)計。

（2）復位功能是單片機的初始化操作。其主要作用是把PC地址初始化為0000H，使單片機從0000H單元地址開始執(zhí)行程序。復位電路如圖4所示。

2.2? 溫度采集模塊與液晶顯示模塊

DHT11傳感器連接電路如圖5所示。將DHT11的VCC引腳接入正電壓，電壓輸入范圍為3.5 V～5.5 V；DOUT引腳為數(shù)據(jù)I/O口也就是數(shù)據(jù)傳輸口；NC引腳為空腳，GND為負極。在連接DHT11傳感器時，注意要把傳感器放置到離發(fā)熱的元件較遠的位置，能夠保證傳感器接收到準確的數(shù)據(jù)。DHT11正常工作后能夠?qū)苍∈蚁到y(tǒng)的溫度進行檢測，并將采集到的數(shù)據(jù)在LCD1602上顯示。

液晶顯示模塊使用LCD1602液晶顯示屏，其顯示容量為16×2個字符；芯片的工作電壓為4.5 V～5.5 V；工作電流為2.0 mA（5.0 V）；最佳工作電壓為5 V；字符尺寸為2.95×4.35 mm。LCD1602引腳主要有電源引腳VDD、VSS；背光帶電源引腳BLA、BLK；數(shù)據(jù)引腳D0-D7、RS引腳、R/W引腳、EN引腳；偏壓信號引腳VL。

2.3? 水位檢測模塊與報警電路模塊

本項目中水位檢測模塊是將儲水裝置中的浮標與外電路滑動變阻器的滑片相連接，通過水位的變化來改變滑動變阻器的阻值，從而改變滑動變阻器兩端的電壓。水位的高低與滑動變阻器兩端電壓的大小成正相關(guān)，所以測量電壓值就可以得到水位的高低信號。

蜂鳴報警電路采用的是有源蜂鳴器，只需簡單通電就能持續(xù)發(fā)聲。蜂鳴器發(fā)聲原理為：通過電磁線圈的電流會產(chǎn)生磁場，磁場驅(qū)動振膜發(fā)聲，所以蜂鳴器需要一定的電流才能發(fā)出聲音。輸出電流小的單片機I/O口，使得晶體管轉(zhuǎn)換到通路狀態(tài)，進而促使蜂鳴器發(fā)出報警信號；當檢測到的水位是正常的，P2.0置高電‘l三極管截止。報警功能原理：檢測到的低水位信號送至單片機后，單片機將該信號進行處理，轉(zhuǎn)化為輸出信號，并傳送至蜂鳴器，蜂鳴器接收信號后工作，發(fā)出報警聲音。報警電路模塊如圖6所示。

2.4? 繼電器驅(qū)動模塊

本模塊采用的繼電器的工作原理：初始永磁鐵保持釋放狀態(tài)，加上工作電壓后，電磁感應(yīng)使銜鐵與永磁鐵產(chǎn)生吸引力，銜鐵向下運動，最后達到吸合狀態(tài)，工作電路閉合，加熱設(shè)備開始工作；斷電后磁力消失，彈簧把銜鐵拉起，切斷工作電路，加熱設(shè)備停止工作。

繼電器模塊電路如圖7所示，VCC是電源的正極，其工作電壓為5 V，GND是電源的負極，IN是通斷信號的輸入引腳，NC是常閉端，COM是公共端，NO是常開端。

3? 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為幾個模塊：公共浴室系統(tǒng)檢測模塊、繼電器驅(qū)動模塊、液晶顯示模塊和報警模塊。單片機系統(tǒng)開始運行后，會檢測水位的電平變化，并且能夠根據(jù)這些電平信號判斷是否需要啟動蜂鳴器報警；傳感器讀取公共浴室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并送至單片機，單片機對公共浴室系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行比對，判斷是否需要升高室內(nèi)溫度。軟件設(shè)計流程圖如圖8所示。

3.1? 公共浴室系統(tǒng)檢測模塊設(shè)計

依據(jù)公共浴室系統(tǒng)的通信協(xié)議，單片機系統(tǒng)通過I/O口積極地發(fā)出激勵信號，從而使公共浴室系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)線程，最后單片機系統(tǒng)使用while循環(huán)語句對I/O口的電平進行實時的檢測，從而準確地得到傳輸數(shù)據(jù)。圖9所示為公共浴室系統(tǒng)檢測模塊的軟件設(shè)計流程圖。

上電后，系統(tǒng)開始運行，單片機將P1.2引腳置于低電平，經(jīng)過20毫秒之后將P1.2引腳置于高電平。40毫秒之后，單片機系統(tǒng)開始接收數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)信息存放到指定的數(shù)組中，信號采集完畢后，系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進行保存，繼續(xù)執(zhí)行信號采集指令。

3.2? 液晶顯示模塊設(shè)計

實現(xiàn)對LCD1602液晶顯示的控制主要實現(xiàn)初始化函數(shù)、寫指令函數(shù)、寫數(shù)據(jù)函數(shù)。實現(xiàn)初始化函數(shù)要設(shè)置寫操作：R/W設(shè)為低電平；屏幕設(shè)置模式：0038H；打開顯示，關(guān)閉光標：寫指令000CH；設(shè)置顯示光標移動位置：寫指令：0006H。實現(xiàn)寫指令函數(shù)和寫數(shù)據(jù)函數(shù)，都是以寫操作時序來進行編程，實現(xiàn)有效的控制?？赏ㄟ^寫時序和RS引腳的定義來控制寫數(shù)據(jù)和寫指令。寫數(shù)據(jù)與寫指令的區(qū)別在于RS引腳的電平；當RS為高電平時，寫數(shù)據(jù)；當RS為低電平時，寫指令。液晶顯示軟件流程圖如圖10所示。

3.3? 繼電器驅(qū)動模塊與報警模塊設(shè)計

利用循環(huán)語句讓DHT11傳感器一直處于工作狀態(tài)，實時檢測室內(nèi)溫度，并將數(shù)據(jù)反饋給單片機，再利用if判斷語句將采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)據(jù)進行對比，控制繼電器的通斷，進而控制升溫設(shè)備是否對室內(nèi)進行加熱。報警模塊軟件設(shè)計原理與繼電器驅(qū)動模塊軟件設(shè)計原理相同，這里就不再過多闡述。

4? 調(diào)試與結(jié)果

4.1? 繼電器控制升溫設(shè)備

實驗測試時，測試人員通過鍵盤輸入室溫值為30 ℃，DHT11實時檢測到室溫值為23 ℃，低于設(shè)定溫度值，繼電器工作將升溫設(shè)備電路接通，升溫設(shè)備對室內(nèi)進行加熱。一段時間后，室內(nèi)溫度達到30 ℃，繼電器切斷升溫設(shè)備電路，升溫設(shè)備停止加熱。測試數(shù)據(jù)如圖11所示。

4.2? 水位監(jiān)測報警裝置

儲水裝置中的水位檢測器對水位進行實時檢測，水位最高時的檢測器兩端電壓為4 V；出水口打開，水位持續(xù)變低，檢測器兩端的電壓下降，當檢測器兩端的電壓小于等于1 V時，指示燈亮起，蜂鳴器進行報警。向儲水裝置中加水，水位升高，電壓上升，當電壓超過1 V時，指示燈熄滅，蜂鳴器停止報警。實驗記錄如表2所示，實驗測試圖如圖12所示。

5? 結(jié)? 論

本文主要介紹了智能公共浴室系統(tǒng)的單片機控制模塊、按鍵輸入模塊、繼電器驅(qū)動模塊、水位檢測模塊、溫度采集模塊、報警模塊及液晶顯示模塊的工作原理與應(yīng)用。智能公共浴室系統(tǒng)是基于一般公共浴室系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行改進的，一般的公共浴室系統(tǒng)檢測系統(tǒng)都是由一個單片機和一些輔助電路如LCD或者OLED、鍵盤或者指示燈組成，當系統(tǒng)檢測到的參數(shù)超出設(shè)定值一定的范圍（如40%～60% RH），系統(tǒng)就會報警。一般的公共浴室系統(tǒng)只能簡單的檢測室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，而智能公共浴室系統(tǒng)和一般的公共浴室系統(tǒng)檢測系統(tǒng)的不同，智能公共浴室系統(tǒng)不僅能檢測公共浴室系統(tǒng)內(nèi)的各參數(shù)，而且當參數(shù)不在設(shè)置的范圍內(nèi)，系統(tǒng)將自動作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)措施。人們可根據(jù)實際情況，對智能公共浴室系統(tǒng)的功能進行增加與優(yōu)化，充分發(fā)揮智能公共浴室系統(tǒng)的作用。在當今科技高速發(fā)展的時代，智能化產(chǎn)品將涉及更多領(lǐng)域，智能化產(chǎn)品也將更好的為人們服務(wù)，提高人們的生活質(zhì)量。

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作者簡介：王寧（2001—），男，漢族，江西吉安人，本科在讀，研究方向：單片機的應(yīng)用；徐凱（2000—），男，漢族，江蘇南京人，本科在讀，研究方向：單片機的應(yīng)用；曾梓城（2001—），男，漢族，廣東東莞人，本科在讀，研究方向：單片機的應(yīng)用；黃乾軒（2001—），男，漢族，上海人，本科在讀，研究方向：單片機的應(yīng)用。

收稿日期：2022-09-12