杜 娟

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，酒泉 735000）

傳統(tǒng)溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多通過(guò)模擬技術(shù)設(shè)計(jì)溫濕度控制系統(tǒng)。溫度傳感器多使用熱電阻、熱電偶等模擬器件，所以需要增加額外的補(bǔ)償電路，且設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，成本高。

基于成本和性能的綜合考慮，研究一種以AT89S51單片機(jī)為核心控制器的數(shù)據(jù)采集和處理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)溫度傳感器和濕度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)和顯示相關(guān)對(duì)象的溫濕度，為相關(guān)人員做好溫濕度的合理調(diào)控提供依據(jù)[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理分析

基于AT89S51單片機(jī)的溫濕度監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖1所示。在這一溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，并不是采用傳統(tǒng)的PC上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而是借助AT89S51單片機(jī)充當(dāng)核心控制元件，通過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)和鍵盤(pán)配置，借助液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）顯示具體環(huán)境的溫濕度參數(shù)。系統(tǒng)硬件電路中包含單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、按鍵電路、LCD顯示電路、繼電器控制電路、溫濕度監(jiān)測(cè)模塊以及報(bào)警電路等[2]。

圖1 系統(tǒng)原理圖

就該系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理來(lái)看，時(shí)鐘電路部分的功能是保證單片機(jī)正常工作，使其相應(yīng)的內(nèi)部功能電路能夠在時(shí)鐘信號(hào)的作用下實(shí)現(xiàn)有序工作。復(fù)位電路功能是對(duì)單片機(jī)硬件進(jìn)行初始化操作，促進(jìn)其內(nèi)部的中央處理器和其他結(jié)構(gòu)處于初始狀態(tài)，使單片機(jī)從初始狀態(tài)開(kāi)始工作。按鍵電路則是通過(guò)設(shè)置受控對(duì)象的溫濕度上下限值，確定整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作情況，根據(jù)設(shè)定值接通或斷開(kāi)報(bào)警電路、繼電器控制電路。LCD顯示電路能夠?qū)崟r(shí)顯示受控對(duì)象的溫濕度信號(hào)及系統(tǒng)的其他狀態(tài)參數(shù)[3]。繼電器控制電路則是根據(jù)實(shí)際溫濕度參數(shù)測(cè)定值和設(shè)置的溫濕度參數(shù)值的比較情況確定接通或斷開(kāi)電路，從而使受控對(duì)象的溫濕度達(dá)到設(shè)定的最優(yōu)值。溫濕度檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集受控對(duì)象的溫濕度數(shù)據(jù)。報(bào)警電路是在受控對(duì)象的實(shí)時(shí)溫濕度參數(shù)異常時(shí)發(fā)出聲光信號(hào)提示，使監(jiān)控人員快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的異常。

在該監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，AT89S51單片機(jī)是核心單元，對(duì)控制效果有直接影響。通過(guò)采集受控對(duì)象的溫濕度信號(hào)，以數(shù)字信號(hào)的形式進(jìn)行傳輸和顯示，實(shí)時(shí)顯示受控對(duì)象動(dòng)態(tài)的溫濕度變化，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)控制受控對(duì)象的溫濕度，根據(jù)設(shè)定的溫濕度控制受控對(duì)象進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 傳感器選擇

2.1.1 溫度傳感器選擇

綜合相關(guān)傳感器特性，本文選擇使用熱電阻溫度傳感器。這種傳感器根據(jù)導(dǎo)體電阻隨溫度變化的特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫元件的研制，能夠精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)溫度變化。目前，在熱電阻溫度傳感器制作中，多使用銅、鎳以及鉑等熱電阻。這些材料精度高、測(cè)量范圍大，同時(shí)能夠滿足遠(yuǎn)距離測(cè)量需要[4]。相對(duì)而言，銅電阻整體溫度系數(shù)比鉑電阻大，且材料價(jià)格低，加工和提取方法簡(jiǎn)單方便，電阻率較低，能夠滿足工農(nóng)業(yè)的測(cè)溫需要。

2.1.2 濕度傳感器選擇

對(duì)空氣濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法很多，主要是通過(guò)相應(yīng)物質(zhì)從其周?chē)諝馕账趾笠鸬奈锢砗突瘜W(xué)形式變化，從而間接獲取物質(zhì)吸水量和周?chē)諝獾臐穸?。本文在?duì)比多種濕度傳感器后，選擇使用HOS-201濕敏傳感器。這種傳感器的主要特點(diǎn)是局限在一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有較好的線性，所以使用中可以借助其線性特點(diǎn)確保使用效果。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇使用AT89S51單片機(jī)。通過(guò)將單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及電源接口連接在相應(yīng)的印刷電路板，再將應(yīng)用程序下載到單片機(jī)，形成了一個(gè)最小型的控制系統(tǒng)，也就是單片機(jī)最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)是整體系統(tǒng)啟動(dòng)工作運(yùn)行的最小模塊，必不可少。單片機(jī)擁有自己的最小系統(tǒng)，主要作用是保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。它的時(shí)鐘電路給單片機(jī)提供了可靠的時(shí)鐘信號(hào)，其復(fù)位電路使單片機(jī)能從初始狀態(tài)開(kāi)始執(zhí)行程序和正常工作[5]。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，選擇如圖2所示的包含單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及電源的單片機(jī)最小系統(tǒng)。

2.3 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

在此溫濕度監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，LCD顯示模式是查看溫濕度數(shù)值的重要部分。這一部分的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)LCD顯示器的電流控制LCD分子，使其按照相應(yīng)規(guī)則進(jìn)行排序，并配合相應(yīng)的背光實(shí)現(xiàn)需要的內(nèi)容和畫(huà)面的顯示功能。這一模塊設(shè)計(jì)要確保效果，降低功耗，還要提升使用的便利性。此次設(shè)計(jì)中使用FYD12864-0402B型號(hào)的LCD顯示器，優(yōu)勢(shì)在于其接口程序編寫(xiě)更加簡(jiǎn)單，價(jià)格更加便宜。這一LCD顯示模塊中通過(guò)串行和并行4位8位等多種通信方式，能夠滿足用戶的多樣化選擇需要。它內(nèi)部自帶文字庫(kù)和簡(jiǎn)單圖形字符，能夠使顯示的內(nèi)容更加豐富，提升人機(jī)交互的體驗(yàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

此次溫濕度監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，相應(yīng)的軟件程序設(shè)計(jì)至關(guān)重要。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要從主程序、溫濕度處理程序、鍵盤(pán)處理程序、LCD顯示程序以及繼電器控制程序等方面開(kāi)展。就整體的控制程序來(lái)看，主要是按照“鍵盤(pán)查詢—檢測(cè)溫濕度—溫濕度數(shù)據(jù)處理—實(shí)時(shí)顯示溫濕度—繼電器控制”這一流程開(kāi)展的。

在這一過(guò)程中，主程序的主要功能是對(duì)溫濕度數(shù)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。系統(tǒng)運(yùn)行中，先由系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)理想值，讀取和顯示實(shí)時(shí)測(cè)量的溫濕度數(shù)值。通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)的環(huán)境中的溫濕度值和設(shè)置的溫濕度值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他模塊的控制。在環(huán)境溫濕度比設(shè)定的理想值低的情況下會(huì)出現(xiàn)亮燈、聲音提醒，并控制繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)加溫或者加濕處理。就溫濕度的程序設(shè)計(jì)來(lái)看，其中包含的程序較多，如系統(tǒng)溫度的讀取值程序、濕度的讀取值程序以及數(shù)據(jù)的傳輸控制程序等。在環(huán)境溫濕度比設(shè)定的理想值高的情況下會(huì)出現(xiàn)亮燈、聲音提醒，并控制繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)或者降溫處理。整體而言，系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)受控對(duì)象的溫濕度動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保溫濕度的實(shí)時(shí)值和設(shè)定的溫濕度值更加接近。在繼電器控制系統(tǒng)動(dòng)作中，系統(tǒng)的加熱、加濕、通風(fēng)以及降溫的指示燈會(huì)相應(yīng)亮起[6]。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)電路圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

針對(duì)設(shè)計(jì)的單片機(jī)溫濕度監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，選擇PROTEUS軟件進(jìn)行調(diào)試仿真，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)。這種調(diào)試仿真軟件不但可以進(jìn)行單片機(jī)簡(jiǎn)單的控制電路的仿真模擬，還能夠在單片機(jī)處于復(fù)雜外圍電路中或者沒(méi)有相關(guān)電路的情況下進(jìn)行模擬仿真?？紤]到在本設(shè)計(jì)調(diào)試中更加重視程序運(yùn)行、電路工作過(guò)程及結(jié)果調(diào)試，這一仿真調(diào)試軟件能夠有效對(duì)實(shí)踐和實(shí)際應(yīng)用中的脫節(jié)情況進(jìn)行補(bǔ)償。在完成硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)后，需要確保相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)和硬件電路正常運(yùn)行，再進(jìn)行相應(yīng)元器件的硬件功能電路測(cè)試。在完成測(cè)試確認(rèn)沒(méi)有異常情況后，可以進(jìn)行軟件部分的代碼調(diào)試，查看系統(tǒng)運(yùn)行情況，確認(rèn)無(wú)異常即可。

5 結(jié)語(yǔ)

基于AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)溫濕度監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，對(duì)改變傳統(tǒng)溫濕度監(jiān)控模式具有很好的應(yīng)用效果，且成本低、精準(zhǔn)度高。因此，本文設(shè)計(jì)了一種以AT89S51單片機(jī)為控制核心的溫濕度監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。