0 引 言

當(dāng)計(jì)算機(jī)教室溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的散熱功能無(wú)法正常運(yùn)行，影響電路穩(wěn)定運(yùn)行。為了確保機(jī)房的設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)器的溫度最好保持在18-25℃。如果室內(nèi)的空氣濕度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致設(shè)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(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。為防止靜電產(chǎn)生，保證設(shè)備的安全系數(shù)不受影響，機(jī)房的空氣也不能過(guò)于干燥。因此，機(jī)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(gè)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(jī)、溫濕度傳感器、顯示模塊、報(bào)警器以及控制設(shè)備等5部分。其中由DHT11溫濕度傳感器及1602 LCD液晶顯示器構(gòu)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(guò)1602 LCD顯示器顯示，傳感器測(cè)量的信號(hào)由LCD顯示出來(lái)，LCD顯示實(shí)時(shí)的溫、濕度值。當(dāng)室內(nèi)的溫濕度超過(guò)限定值，蜂鳴器鳴叫報(bào)警。

二、溫濕度的檢測(cè)和控制是研究的主要內(nèi)容。當(dāng)環(huán)境中的溫濕度發(fā)生變化時(shí)，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(guò)轉(zhuǎn)換電路和轉(zhuǎn)換信號(hào)檢測(cè)為相對(duì)應(yīng)變化的電壓，然后把模擬電壓信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并送入到單片機(jī)中。單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理并通過(guò)查表得到實(shí)際測(cè)量的濕度值。

三、該系統(tǒng)通過(guò)按鈕設(shè)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(hào)，若超過(guò)預(yù)設(shè)值，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警提醒，控制溫、濕度的設(shè)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(jì)算機(jī)教室最適溫度進(jìn)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(guò)空調(diào)降溫和風(fēng)扇降溫；為滿足機(jī)房不同種類計(jì)算機(jī)對(duì)濕度的要求，我們可以隨時(shí)對(duì)溫、濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于不利情況能夠及時(shí)的顯示，并采取相應(yīng)的措施提醒用戶進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最適宜的溫濕度。

1 整體方案結(jié)構(gòu)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案及其論證

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能是：實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境的溫、濕度，允許用戶設(shè)定溫、濕度的上下限值，當(dāng)環(huán)境溫濕度超過(guò)或低于限定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以蜂鳴器鳴叫的方式進(jìn)行報(bào)警，并且使控溫設(shè)備啟動(dòng)。待室內(nèi)達(dá)到正常范圍時(shí)，蜂鳴器停止鳴叫，控溫設(shè)備停止運(yùn)行，系統(tǒng)正常工作。

（1）溫度檢測(cè)：對(duì)溫室溫度進(jìn)行測(cè)量并反映在顯示器上。

（2）濕度檢測(cè)：對(duì)溫室濕度進(jìn)行測(cè)量并反映在顯示器上。

（3）顯 示：1602 LCD顯示器顯示實(shí)時(shí)溫度、濕度值。

依據(jù)功能設(shè)定，本系統(tǒng)主要分為以下三個(gè)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(jiǎn)單，而且無(wú)需另外校準(zhǔn)。分辨率為8bit，能夠滿足日常環(huán)境溫濕度的檢測(cè)要求。

數(shù)據(jù)處理模塊使用的是STC89C51單片機(jī)作為最小系統(tǒng)，其完成溫濕度數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算和控制設(shè)備運(yùn)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(shè)備構(gòu)成。其中按鍵用于用戶設(shè)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(shè)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

C51單片機(jī)作為主控制器，負(fù)責(zé)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(lái)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(jī)。按鍵電路主要是用來(lái)完成單片機(jī)的復(fù)位操作和溫濕度限定值的設(shè)定。蜂鳴器電路是用三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)的，用來(lái)提示周圍的溫度或者濕度是否超出設(shè)定數(shù)值，控制設(shè)備等候指令，當(dāng)蜂鳴器響起且溫、濕度不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，控制設(shè)備自行啟動(dòng)，直到溫、濕度正常。顯示電路主要用來(lái)顯示當(dāng)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(shè)計(jì)

2.1 器件選定

將單片機(jī)用作測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，總要有被測(cè)信號(hào)輸入通道，由計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)而言，其核心任務(wù)是怎么樣獲得準(zhǔn)確的被測(cè)信號(hào)；而對(duì)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不可缺少的環(huán)節(jié)是對(duì)條件的監(jiān)測(cè)和對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試，傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的第一環(huán)節(jié)，是測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，一切準(zhǔn)確的測(cè)量和控制都將在傳感器對(duì)原始信號(hào)的準(zhǔn)確可靠的轉(zhuǎn)換和捕捉，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化測(cè)量和控制，基本主要依賴各種傳感器來(lái)控制和檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中的各種量，使系統(tǒng)和設(shè)備在最佳狀態(tài)正常運(yùn)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(zhǔn)數(shù)字信號(hào)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(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)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(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)，采用單線制串行接口［5］，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)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(hào)即可完成。若輸出信號(hào)是模擬量，則通過(guò)A/D芯片，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后傳送給單片機(jī)。DHT11是數(shù)字傳感器，不需要進(jìn)行模數(shù)的轉(zhuǎn)換。

1

2.1.2 1602LCD顯示器

液晶顯示器（Liquid Crystal Display， LCD）是一種被動(dòng)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(chǎng)的作用下使液晶內(nèi)部的分子有序排列，從而改變通過(guò)這些液晶分子的光線方向，光線再經(jīng)過(guò)底板的反射、散射最終進(jìn)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于人們的生活中、儀器儀表、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域［3］。

本設(shè)計(jì)將采用點(diǎn)陣字符型1602液晶顯示模塊。

基本操作時(shí)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(wú)。 （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(wú)。

圖 2-1-2 外形尺寸

圖2-1-3 點(diǎn)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(duì)應(yīng)關(guān)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(shí)，液晶都可以立即顯示出來(lái)，但寫入到10H27H或50H67H地址處時(shí)，必須通過(guò)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(jī)簡(jiǎn)介 STC89C51單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)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(jī)）/3.8V～2.0V（3V單片機(jī)） 工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz 用戶應(yīng)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(gè)），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻。 ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器，可通過(guò)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(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)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(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART 工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級(jí)）/0～75℃（商業(yè)級(jí)） PDIP封裝

2.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖2-2-2 最小系統(tǒng)原理圖

2.2.3 復(fù)位電路與晶振電路

檢測(cè)系統(tǒng)采用上電復(fù)位，當(dāng)RST引腳上出現(xiàn)了兩個(gè)周期以上的高電平就會(huì)觸發(fā)內(nèi)部復(fù)位，這里的EA端與復(fù)位電路無(wú)關(guān)，由于數(shù)據(jù)都放在了內(nèi)部存儲(chǔ)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(shí)鐘頻率，可以用于同一個(gè)晶振項(xiàng)鏈的不同鎖相環(huán)來(lái)提供的。單片機(jī)STC89C51的晶振電路采用無(wú)源晶振，微調(diào)電容取30pF。

圖2-2-3 復(fù)位電路、晶振電路

2.2.4 蜂鳴器警報(bào)模塊

本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器報(bào)警電路，如圖所示。當(dāng)蜂鳴器額定電流≤30mA，而對(duì)于STC89C51單片機(jī)，P3.2口的灌電流為15mA，僅靠單片機(jī)的P3.2口電流是不能驅(qū)動(dòng)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(dāng)外部環(huán)境的溫度或者濕度超過(guò)預(yù)設(shè)值的時(shí)候，基級(jí)變?yōu)榈碗娖?，蜂鳴器導(dǎo)通鳴叫，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

圖2-2-4 蜂鳴器警報(bào)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(diǎn)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(dòng)方便，經(jīng)過(guò)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(dāng)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(jī)的一個(gè)I/O端口與DHT11的通信接口連接就可以實(shí)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(shí)施控制與實(shí)物成品

操作說(shuō)明：

S1：復(fù)位鍵 S2：設(shè)置/保存 S3：數(shù)值加 S4：數(shù)值減

1、系統(tǒng)上電后，LCD1602顯示當(dāng)前環(huán)境的溫濕度值，按下S2設(shè)置鍵，依次進(jìn)入預(yù)設(shè)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(yù)設(shè)值加。 3、按S4數(shù)值減鍵，預(yù)設(shè)值減。 4、設(shè)置成功后，再按S2設(shè)置鍵退出，返回到正常監(jiān)測(cè)模式。

圖2-3-1 硬件實(shí)物圖1

圖2-3-2 硬件實(shí)物圖2

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用分部模塊化設(shè)計(jì)，其中包括主程序、溫度檢測(cè)子程序、濕度檢測(cè)子程序、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、子程序讀取、LCD顯示子程序。軟件設(shè)計(jì)時(shí)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，將采用循環(huán)的方式來(lái)完成數(shù)據(jù)的收集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。系統(tǒng)上電后正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并進(jìn)行溫、濕度的檢測(cè)與處理。

圖3-1 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié) 語(yǔ) 本文設(shè)計(jì)的是計(jì)算機(jī)教室的溫濕度檢測(cè)、報(bào)警、控制系統(tǒng)。由高性價(jià)比單片機(jī)STC89C51對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫、濕度數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 1602 LCD顯示器顯示即時(shí)溫、濕度值。當(dāng)測(cè)出數(shù)值超出設(shè)定的溫、濕度值時(shí)，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器模塊，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，控制設(shè)備自行啟動(dòng)，調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度、濕度，使其恢復(fù)到正常范圍。綜合上述的功能，就可以構(gòu)造一個(gè)以DHT11傳感器和C51單片機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和簡(jiǎn)便的溫、濕度環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能。