基于单片机的新型温湿度检测与控制系统设计

黄 涛，李欣颐，刘 越，董慧宇，李昭颐

（吉林师范大学，吉林四平 136000）

基于单片机的新型温湿度检测与控制系统设计

黄 涛，李欣颐，刘 越，董慧宇，李昭颐

（吉林师范大学，吉林四平 136000）

以新型单片机和温湿度传感器为基础，设计了一种对环境温湿度进行检测和控制的系统。设计通过选择适合的PID算法参数，来达到不同温湿度变化过程中的不同要求。

AT89C51单片机；温湿度传感器；检测控制系统

0 引言

温度和湿度是生产生活及科学实验过程中常见的、需要控制的环境参数，在以往的控制系统设计中，往往把二者分别加以控制，效果并不理想。而在集成系统的设计中，必须全面考查温度和湿度的影响，把它们看作是相互联系的量进行控制。单片机性能的不断提升为设计集成系统奠定了基础，它具有输出精度高、性价比高、适应性强以及设计灵活多样等优点，可以达到此类系统的设计要求。本文以AT89C51单片机为控制核心，提出了一种对温湿度共同检测和控制的设计。

1 硬件系统结构和原理

在系统工作时，一般要把温度和湿度设定在某一个数值上。本设计可以在设定温度和湿度数值之后，自动检测环境温湿度变化并通过反馈进行控制。图1为系统设计的硬件框图。

图1 硬件系统框图

系统运行过程中，把温度和湿度通过温湿度传感器进行采集，再利用转换电路转换成模拟电压信号，把经模数转换后得到的数字信号传入单片机。与预定的温度和湿度数值进行比较以后，得出现在温度和湿度值的有效范围。在单片机AT89C51中设置PID参数，使直流电机的转速与温湿度的数值相对应，经数模转换以后得到的模拟电压数值，控制变频器中频率数值的变化，并将电机的转速值经过模数转换电路和反馈电路送入到单片机中。此转速值与转速初值的差值，经PID算法计算后输出。全部过程经过一段时间的循环以后，系统输出的转速与初值相等，误差很小可以忽略不计，进而实现对温度和湿度的控制和调节。当温度过低时进行加热，温度过高时进行冷却；对湿度的控制通过加湿或去湿装置实现。

2 硬件系统组成

2.1 温湿度传感器

本设计采用数字型温湿度传感器DHT11作为温湿度数值的采集器件，它是一款由广州奥松电子有限公司研制的新型温湿度传感器。它将数字模块采集与温湿度传感技术集成在一起，传感器由一个电阻式感湿器件和一个NTC式测温元件组成，与单片机连接方式简单灵活。DHT11优点众多，如：误差小、稳定性好、响应速度快、抗干扰能力强、性价比高等。产品采用单排引脚封装，使用方便。

图2 DHT11实物图

DHT11引脚功能说明如下：

VCC：接电源，3.5V～5.5V，直流

DATA：串行数据，单总线

GND：接地

DHT11测温度性能参数如下：

量程：0～50℃

响应时间：1/e（63%），6～15s

测温精度：±2℃

分辨力：1

DHT11测湿度性能参数如下：

量程：20%～90%RH

测湿精度：±5%RH

分辨力：1

响应时间：1/e（63%），25℃；1m/s，空气，6～30s

图3 DHT11引脚连接图

DHT11传感器出厂前都经过了严格的湿度校准，获得的校准系数存储在OTP内存里，以备在信号检测过程中随时进行调用。芯片采用单线串行接口，与单片机进行系统集成时方便快捷。功耗低，传输距离超过20m。

2.2 主控单片机

本设计采用ATMEL公司制造的AT89C51型单片机，它是一款性能优异的8位单片机，最高工作频率24MHz，带有4K字节的存储器和128×8字节RAM，两个16位定时器/计数器，5个中断源。AT89C51单片机具有稳定性高、体积小、数据处理速度快等优点。

2.3 模/数转换器

本设计采用ADC0809作为与单片机接口模/数转换器件。ADC0809是8位逐次逼近式模/数转换器，其模/数转换的分辨力为8位。具有转换启停控制端口，转换时间为 100μs（CP=640kHz），模拟输入电压范围为0～5V，工作前不需要零点和满刻度校准，输出数据可以与单片机相应引脚直接相连。

2.4 数/模转换器

本设计模拟转换器采用DAC0832转换集成芯片。DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位数/模转换电路和控制系统组成，具有接口简单、性价比高、易于转换控制等优点。其数/模转换的分辨力为8位，电流稳定时间1μs，具有单缓冲、双缓冲或直接数字输入等多种输入方式。

图4 报警电路

2.5 报警电路

本系统采用由数/模转换器、滤波电路和JK触发器构成的单元电路报警电路，其组成如图4所示。

在图4中，JK触发器

74112的Q端与MPSA14的基极相连，扬声器通过滤波放大器推动发声。每当AT89C51从P2.7输出一个脉冲后，74112的输出Q即改变一次状态，经过MPSA14放大后使扬声器发出报警声。根据本设计要求，如果所采集的温度超过设定温度时，P2.7口输出高电平，报警电路开始工作。

图5 温湿度显示电路

2.6 温湿度显示电路

本设计使用LED发光数码管对温湿度数值进行显示，出于节约单片机资源的考虑，使用串行进行数据传输，图5为显示电路图。2片移位寄存器74194串联后与数码管相连，当输出低电平时直接通过电流，不需要额外驱动。74194的移位输出与单片机RXD相连，TXD为移动时钟输出。TXD与P1.0端口都输出高电平时有CP脉冲进入移位寄存器74194。因此，每次测量所得的温度和湿度数值都可以通过LED数码管进行显示。

3 软件设计

3.1 数据采集

现场采集的温湿度数据可以由DHT11温湿度传感器完成。数据采集后经过模/数转换，以数字量的形式进入AT89C51单片机进行处理。数据处理结束后，通过PID算法计算控制量值。

3.2 滤波电路

数据采样过程中不可避免地存在各种干扰，必须对数据进行滤波。本设计采用中值滤波的计算方法，即对采集的数据进行比较，将其平均值储存在存储单元中。

3.3 PID算法介绍

本设计的核心是算法控制，正确的PID算法是实现控制稳定和适当调节的前提。本设计单片机控制的闭环工作系统，其基本原理是对需要控制量温度和湿度以一定的周期进行数据采集（采样），控制量通过PID控制算法计算得出后，被控对象即可被控制和调节。单片机是本设计控制核心，图6为软件算法的流程图。温度、湿度控制程序由标准偏差、标准偏差变化率、PID控制算法、数据量化算法等子程序模块组成。直流电机的转速经过模/数转换，变为数字量进入单片机后，与事先设定的转速数值进行比较，得到的差值作为调用PID程序的依据。PID算法计算得出模拟电压数值，对直流电机的转速进行调节。PID的计算公式为：

其中，T为采样周期，Kp为比例系数，TD为微分时间，TK为积分时间。

图6 软件算法流程图

4 结论

本设计可以在一定范围内对温湿度进行测量和控制，系统工作可靠、测量精度高、响应时间短、制作成本较低。温湿度数值可以通过数码管显示，并可以在系统异常时发出报警，可以满足很多工农业生产和科学实验的需要，具有一定的应用价值。

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The New Design of Temperature and Humidity Measurement and Control System Based on Single-chip Microcomputer

HUANG Tao，LI Xin-yi，LIU Yue，DONG Hui-yu，LI Zhao-yi
（Jilin Normal University,Siping 136000,China）

We have designed a environment temperature and humidity detection and control system based on a new microcontroller and the temperature and humidity sensor.We have selected suitable PID algorithm parameters in order to meet different requirements in the process of different temperature and humidity changes.

AT89C51MCU;temperature and humidity sensor;detection and control system

TP29

A

1674-3229（2017）04-0036-04

2017-09-16

黄涛（1978-），男，博士，吉林师范大学信息技术学院讲师，研究方向：自动化电气技术。