0 引 言

當計算機教室溫度過高，會導致機器的散熱功能無法正常運行，影響電路穩(wěn)定運行。為了確保機房的設備正常運轉(zhuǎn)，機器的溫度最好保持在18-25℃。如果室內(nèi)的空氣濕度過大，會導致設備金屬部件產(chǎn)生銹蝕，電路板的絕緣性能降低，從而影響設備的穩(wěn)定運行。為防止靜電產(chǎn)生，保證設備的安全系數(shù)不受影響，機房的空氣也不能過于干燥。因此，機房的溫度、濕度要控制在穩(wěn)定狀態(tài)，避免意外發(fā)生［1］。

一、整個作品采用STC89C51微處理器作為MCU（Microcontroller Unit），硬件電路主要包括51單片機、溫濕度傳感器、顯示模塊、報警器以及控制設備等5部分。其中由DHT11溫濕度傳感器及1602 LCD液晶顯示器構成系統(tǒng)的顯示模塊。系統(tǒng)程序給定溫濕度上下限值并通過1602 LCD顯示器顯示，傳感器測量的信號由LCD顯示出來，LCD顯示實時的溫、濕度值。當室內(nèi)的溫濕度超過限定值，蜂鳴器鳴叫報警。

二、溫濕度的檢測和控制是研究的主要內(nèi)容。當環(huán)境中的溫濕度發(fā)生變化時，DHT11溫濕度傳感器隨著溫度、濕度的變化而變化，然后將變化的電阻通過轉(zhuǎn)換電路和轉(zhuǎn)換信號檢測為相對應變化的電壓，然后把模擬電壓信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并送入到單片機中。單片機對采集到的信號進行濾波處理并通過查表得到實際測量的濕度值。

三、該系統(tǒng)通過按鈕設定最適宜的溫度和濕度，傳感器向最小系統(tǒng)輸送監(jiān)控信號，若超過預設值，蜂鳴器就會報警提醒，控制溫、濕度的設備即可做出調(diào)整，使室內(nèi)的溫、濕度回到正常范圍。

四、根據(jù)各種不同的計算機教室最適溫度進行溫度調(diào)節(jié)，若低于下限溫度則采取升溫措施，通常采取電熱增溫和空調(diào)增溫。若高于上限溫度則采取降溫措施，通常通過空調(diào)降溫和風扇降溫；為滿足機房不同種類計算機對濕度的要求，我們可以隨時對溫、濕度進行調(diào)節(jié)，對于不利情況能夠及時的顯示，并采取相應的措施提醒用戶進行調(diào)整，以達到最適宜的溫濕度。

1 整體方案結(jié)構

1.1 總體設計方案及其論證

本設計要實現(xiàn)的功能是：實時顯示當前環(huán)境的溫、濕度，允許用戶設定溫、濕度的上下限值，當環(huán)境溫濕度超過或低于限定值時，系統(tǒng)會以蜂鳴器鳴叫的方式進行報警，并且使控溫設備啟動。待室內(nèi)達到正常范圍時，蜂鳴器停止鳴叫，控溫設備停止運行，系統(tǒng)正常工作。

（1）溫度檢測：對溫室溫度進行測量并反映在顯示器上。

（2）濕度檢測：對溫室濕度進行測量并反映在顯示器上。

（3）顯 示：1602 LCD顯示器顯示實時溫度、濕度值。

依據(jù)功能設定，本系統(tǒng)主要分為以下三個模塊：

（1）溫濕度采集模塊

（2）數(shù)據(jù)處理模塊

（3）用戶交互模塊

其中溫濕度采集模塊使用的是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它使用單總線方式，接口簡單，而且無需另外校準。分辨率為8bit，能夠滿足日常環(huán)境溫濕度的檢測要求。

數(shù)據(jù)處理模塊使用的是STC89C51單片機作為最小系統(tǒng)，其完成溫濕度數(shù)據(jù)的采集、運算和控制設備運行的功能。

用戶交互模塊主要由按鍵、1602液晶顯示器、蜂鳴器和控制設備構成。其中按鍵用于用戶設定溫濕度的限定值，1602 LCD用于顯示數(shù)據(jù)，蜂鳴器用于提示用戶，控制設備用于調(diào)節(jié)和控制不符合要求的溫、濕度。

1.2 系統(tǒng)設計簡圖

C51單片機作為主控制器，負責處理由DHT11傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并把處理好的數(shù)據(jù)送向顯示器模塊，DHT11溫濕度傳感器主要用來采集周圍的環(huán)境參數(shù)，并把采集得到的數(shù)據(jù)送向單片機。按鍵電路主要是用來完成單片機的復位操作和溫濕度限定值的設定。蜂鳴器電路是用三極管來實現(xiàn)的，用來提示周圍的溫度或者濕度是否超出設定數(shù)值，控制設備等候指令，當蜂鳴器響起且溫、濕度不在標準范圍內(nèi)，控制設備自行啟動，直到溫、濕度正常。顯示電路主要用來顯示當前的溫濕度。

圖1-2-1 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 器件選定

將單片機用作測控系統(tǒng)時，總要有被測信號輸入通道，由計算機拾取必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言，其核心任務是怎么樣獲得準確的被測信號；而對測控系統(tǒng)來說，不可缺少的環(huán)節(jié)是對條件的監(jiān)測和對被控對象狀態(tài)的測試，傳感器是實現(xiàn)測量與控制的第一環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關鍵部分，一切準確的測量和控制都將在傳感器對原始信號的準確可靠的轉(zhuǎn)換和捕捉，工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，基本主要依賴各種傳感器來控制和檢測生產(chǎn)過程中的各種量，使系統(tǒng)和設備在最佳狀態(tài)正常運行，從而保證生產(chǎn)的高質(zhì)量和高效率［2］。

2.1.1 DHT11溫濕度傳感器

DHT11是一款有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器。 其精度濕度±5%RH， 溫度±2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0~50℃。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準，校準系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)，采用單線制串行接口［5］，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。

圖2-1-1 封裝信息

四條引腳中有兩條是電源引腳，有一條是輸出數(shù)據(jù)的引腳，只需要給其供上額定電壓，輸出引腳采集信號即可完成。若輸出信號是模擬量，則通過A/D芯片，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后傳送給單片機。DHT11是數(shù)字傳感器，不需要進行模數(shù)的轉(zhuǎn)換。

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2.1.2 1602LCD顯示器

液晶顯示器（Liquid Crystal Display， LCD）是一種被動式發(fā)光的低功耗顯示器件。由于液晶這種物質(zhì)本身不發(fā)光，它只是在外加電場的作用下使液晶內(nèi)部的分子有序排列，從而改變通過這些液晶分子的光線方向，光線再經(jīng)過底板的反射、散射最終進入人們的視野中。液晶顯示器具有重量輕、體積小、功耗低、抗擾能力強等優(yōu)點，廣泛應用于人們的生活中、儀器儀表、控制系統(tǒng)等領域［3］。

本設計將采用點陣字符型1602液晶顯示模塊。

基本操作時序 （1）讀狀態(tài)；輸入：RS=L，R/W=H，E=H；輸出：D0~D7為狀態(tài)字。 （2）讀數(shù)據(jù)；輸入：RS=H，R/W=H，E=H；輸出：無。 （3）寫指令；輸入：RS=L，R/W=L，E=H，D0D7為指令碼；輸出：D0D7為數(shù)據(jù)。 （4）寫數(shù)據(jù)；輸入：RS=H，R/W=L，E=H，D0~D7為數(shù)據(jù)；輸出：無。

圖 2-1-2 外形尺寸

圖2-1-3 點陣字符型1602液晶顯示器的顯示地址映射圖 控制器內(nèi)部帶有80B的RAM緩沖區(qū)，對應關系如圖2-1-2所示。 在圖中的00H0FH、40H4FH地址中的任意處寫顯示數(shù)據(jù)時，液晶都可以立即顯示出來，但寫入到10H27H或50H67H地址處時，必須通過移屏指令將他們移入可顯示區(qū)域才能正常顯示［4］。

2.2 主控系統(tǒng)電路和各硬件模塊

2.2.1 STC89C51單片機簡介 STC89C51單片機是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。

其主要特性如下： 工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機）/3.8V～2.0V（3V單片機） 工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz 用戶應用程序空間為12K/10K/8K/6K/4K/2K字節(jié) 片上集成512字節(jié)RAM 通用I/O口（32個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。 ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 具有EEPROM功能 具有看門狗功能 共3個16位定時器/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2 外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART 工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級） PDIP封裝

2.2.2 單片機最小系統(tǒng)

圖2-2-2 最小系統(tǒng)原理圖

2.2.3 復位電路與晶振電路

檢測系統(tǒng)采用上電復位，當RST引腳上出現(xiàn)了兩個周期以上的高電平就會觸發(fā)內(nèi)部復位，這里的EA端與復位電路無關，由于數(shù)據(jù)都放在了內(nèi)部存儲器，所以EA端直接上拉高電平。

晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率，可以用于同一個晶振項鏈的不同鎖相環(huán)來提供的。單片機STC89C51的晶振電路采用無源晶振，微調(diào)電容取30pF。

圖2-2-3 復位電路、晶振電路

2.2.4 蜂鳴器警報模塊

本設計采用蜂鳴器報警電路，如圖所示。當蜂鳴器額定電流≤30mA，而對于STC89C51單片機，P3.2口的灌電流為15mA，僅靠單片機的P3.2口電流是不能驅(qū)動蜂鳴器的，必須使用晶體管放大電流。通常使用PNP型晶體管，當外部環(huán)境的溫度或者濕度超過預設值的時候，基級變?yōu)榈碗娖?，蜂鳴器導通鳴叫，實現(xiàn)報警。

圖2-2-4 蜂鳴器警報模塊

2.2.5 溫濕度按鍵模塊 圖2-2-5 按鍵模塊

2.2.6 系統(tǒng)顯示模塊

顯示模塊選用1602點陣字符型液晶顯示器，它是目前工控系統(tǒng)中使用最廣泛的液晶屏之一。它的顯示的質(zhì)量高，驅(qū)動方便，經(jīng)過編程后顯示的內(nèi)容豐富多樣。

DHT11是數(shù)字型溫濕度傳感器，可直接以數(shù)字的方式傳輸所采集到當前環(huán)境的溫、濕度，DHT11采用的是單總線通信，因此只需將單片機的一個I/O端口與DHT11的通信接口連接就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳送。

圖2-2-6 1602LCD與DHT11原理圖

2.3 硬件實施控制與實物成品

操作說明：

S1：復位鍵 S2：設置/保存 S3：數(shù)值加 S4：數(shù)值減

1、系統(tǒng)上電后，LCD1602顯示當前環(huán)境的溫濕度值，按下S2設置鍵，依次進入預設溫度上限、濕度上限、濕度下限、溫度下限的調(diào)節(jié)模式。 2、按S3數(shù)值加鍵，預設值加。 3、按S4數(shù)值減鍵，預設值減。 4、設置成功后，再按S2設置鍵退出，返回到正常監(jiān)測模式。

圖2-3-1 硬件實物圖1

圖2-3-2 硬件實物圖2

3 系統(tǒng)軟件設計 系統(tǒng)軟件設計采用分部模塊化設計，其中包括主程序、溫度檢測子程序、濕度檢測子程序、數(shù)據(jù)儲存、子程序讀取、LCD顯示子程序。軟件設計時溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，將采用循環(huán)的方式來完成數(shù)據(jù)的收集，并進行數(shù)據(jù)對比。系統(tǒng)上電后正常運轉(zhuǎn)，并進行溫、濕度的檢測與處理。

圖3-1 軟件設計流程圖

4 結(jié) 語 本文設計的是計算機教室的溫濕度檢測、報警、控制系統(tǒng)。由高性價比單片機STC89C51對傳感器數(shù)據(jù)進行處理，通過溫濕度傳感器，實現(xiàn)對溫、濕度數(shù)據(jù)的采集，并對數(shù)據(jù)進行處理， 1602 LCD顯示器顯示即時溫、濕度值。當測出數(shù)值超出設定的溫、濕度值時，由單片機驅(qū)動蜂鳴器模塊，實現(xiàn)報警功能，控制設備自行啟動，調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度、濕度，使其恢復到正常范圍。綜合上述的功能，就可以構造一個以DHT11傳感器和C51單片機為基礎的系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)定和簡便的溫、濕度環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測功能。