一种湿度检测自锁式安全开关

彭瑾 高秀敏 苏文秀

摘 要：文章所设计的自锁式安全开关，采用多层次、多方位的湿度传感器进行检测，用以解决机器在湿度过高的情况下工作所导致的机器损失、人身伤害等一系列问题。该系统电路结构简单、集成度高、调试方便、工作稳定、检测精度高。该设计有利于提高机器工作的安全性，降低机器损坏的概率，减少机器的维修成本。

关键词：AT89C51单片机；湿度传感器；自锁式安全开关

1 设计原理

1.1 基本原理

自锁式开关是一种常见的按钮开关。在开关按钮第一次按下时，开关接通并且保持，即自锁；在开关按钮第二次按下时，开关则断开，同时开关按钮会弹出来。自锁指的是开关能通过锁定机构保持某种状态（通或者断），从操作方式来说，分为旋钮式、板动式以及按钮式。本设计中的自锁式安全开关可以自主地通过湿度传感器来检测湿度是否到达警戒湿度，自动判断是否发出警告或锁死开关，避免危险的发生。

1.2 技术路线

1.2.1 技术实现

在常规环境参数中，湿度是很难准确测量的参数。湿度测量主要的目的是检测环境中的温度和湿度，以确定产品在生产或储存的环境条件。常见湿度测量方法有：静态法、干湿球法、露点法和电子式传感器法[1]。湿度传感器的选取要考虑测量范围和测量精度，同时也要考虑时漂和温漂，湿度传感器应该避免在粉尘多的环境中使用，也要尽量避免在酸性碱性和含有机溶剂的环境中使用。

本设计将湿度检测技术用于工业中可能出现的湿度判断情况，有利于降低机器过程中的损坏概率，减少机器维修成本，解决因不能准确判断湿度情况而造成的机器绕行问题。通过对湿度传感器返回检测值的处理，解决动返回值错误数据排除、实时监测显示、警戒湿度报警、半锁死全锁死等问题。实现过程是通过对多组传感器返回值处理，处理器处理，实时湿度显示，警戒时触发示警和开关半锁死，危险湿度开关全锁死等一系列处理方法，最终快速准确地确定湿度的信息，得出准确结果。

1.2.2 技术特点

（1）降低传统判断难度，提高检测精度，稳定可靠。（2）减少机器在不适合湿度下工作造成的成本浪费。（3）及时、可靠发现过湿问题，不会因问题发现晚而造成机器损坏。（4）通用性强，适用于所有机器或其他需要防水领域，产品操作简单。（5）产品尺寸小，易于安装。

2 系统主要部件

2.1 芯片简介

2.1.1 AT89C51单片机简介

AT89C51是一种CMOS8位的微型处理器，它可编程、性能高且能消除低电压，一般称为单片机[2]。单片机可以和MCS-51指令集以及输出管脚互相兼容，运用了ATMEL存儲器的制造工艺制作完成。ATMEL的AT89C51是一种高效能微控制器，因为它将功能强大的8位CPU与闪烁存储器组合于一个芯片中，给许多嵌入式控制系统带来了一种灵活性很高但价格低廉的方案。

2.1.2 主要功能与特性

AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。AT89C51采用了高密度非易失性存储器的技术来制造，与工业上的80C51产品指令和引脚能够完全兼容。片上Flash允许程序存储器能够编写在它的系统中，同时在常规的编辑器中也是适合的。在单芯片中，因为包含了8位CPU和能编程的Flash，AT89C51单片机已经为很多的嵌入式系统带来了更便捷且更有效的方案。

主要性能特点和优越性如下。（1）能与MCS-51相兼容。（2）有两个16位定时器/计数器。（3）4K字节可编程的FLASH存储器。（4）寿命为1000写/擦循环。（5）5个中断源。（6）全静态工作：0 Hz～24 MHz。（7）128*8内部RAM。（8）三级程序存储器锁定。（9）32可编程I/O线。（10）数据保留的时间可达10年。（11）可编程穿行通道。（12）低功耗的闲置和掉电模式。（13）片内振荡器和时钟电路。

2.2 LED数码显示原理

一般的数码管LED显示器分为8段，也有部分分为7段，主要的区别在于7段少了“dp”段。在显示器的每个段中都有一个相对应的发光二极管。LED显示器一般分为共阴极和共阳极两种。共阴极LED显示器与发光二极管的阴极相连且接地，当发光二极管的阴极连低电平时，该发光二极管会被点亮，相应的段也会被显示出来。同样地，共阳极LED显示器的发光二极管与阳极相连且接正电压，当发光二极管的阳极连高电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示出来。

想要通过LED显示器来显示不同的数字和符号，点亮不同段的发光二极管，需要通过在LED显示器写入代码来完成。

2.3 传感器基本介绍

利用某一种转换功能，将物理的、化学的、生物的等一系列外界信号变成可直接测量的信号的器件被称为传感器[3]。从狭义上来说，传感器可以定义为可唯一而且重视性好地将外界的信号转换成电信号的元器件，从广义上说，在电子监控设备的输入模块中，传感器可以看作是用来检测信号的一种元器件。

传感器的分类方法有很多，但常用的分类方法有两种，一种是按照被测物理量划分；另一种是按照工作原理划分。如果按照前者来进行分类，常用的传感器包括温度传感器、湿度传感器、液位传感器、压力传感器、液位传感器和力传感器等；按照后者进行分类，常见的有电学式传感器、光电式传感器、磁学式传感器、光电式传感器等4种。

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

该检测技术首先对湿度传感器去除噪点，然后对多组湿度传感器检测到的返回值用处理器进行处理，通过对检测到的处理返回值的实时湿度显示，来判断机器是否达到危险湿度。如果机器达到危险湿度，则自锁式开关完全锁死，示警器触发示警；若未达到危险湿度，则判断是否达到警戒湿度，若达到警戒湿度，则自锁式开关半锁死，同样示警器触发示警。

3.2 系统主程序流程

该技术通过对多组传感器返回值处理，处理器处理，实时湿度显示，警戒时触发示警和开关半锁死，危险湿度开关全锁死等一系列处理方法，最终快速准确地确定湿度信息，得出准确的处理结果。

4 系统硬件集成

4.1 系统组成模块及功能介绍

该湿度检测自锁式安全开关由6部分组成，分别为微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）最小系统、电源模块、示警模块、按键模块、显示模块以及检测模块。其中，MCU最小系统一般都是由单片机、程序存储器、复位电路以及时钟电路4部分构成的。

因为AT89C51单片机内存在4K程序存储器，因此，该单片机的MCU最小系统只需要外接上复位电路和时钟电路，就能够实现相关功能。

该技术实现的功能主要有：（1）湿度监控。实现对工厂湿度参数的实时采集，测量空间的温度和湿度，由单片机对采集的湿度值进行循环检测、数据处理、显示，实现湿度的智能检测。（2）控制处理。当湿度越限时报警，并根据报警信号提示采取一定手段控制。（3）数值显示。用数码管将测量的湿度数据显示出来。

4.2 系统组成电路设计

通过MCU最小系统、电源模块、示警模块、按键模块、显示模块以及检测模块组成的自锁式安全开关，能够快速准确地获取湿度信息。为了实现温、湿度的快速准确检测，本系统使用温湿度传感器DHT11。首先，将得到的温湿度信号通过传感器进行信号的采集，将其转化成数字信号，再利用AT89C51单片机对数据进行处理分析，同时也为显示电路和报警电路提供信号，从而实现对湿度的控制报警。该电路的主要组成部分为电源电路、示警电路、CPU电路以及数码管显示电路。

4.2.1 电源模块设计

本设计采用移动电源通过USB接口输出5 V电压给单片机供电，同时，由于电源可能出现的电压不稳或杂波，这里加上两个0.1 μF电容用来滤除杂波。

4.2.2 报警电路

单片机接收到数据后会首先对数据进行处理，然后再和设置的参数进行比较，参数有上限（最高值）和下限（最低值）。如果得到的数值高于设置的上限值，系统会进行报警，反之，如果得到的数值低于下限值，同样会进行报警。无论是以上那种情况，数值都会正常显示。

该报警电路是由红色发光二极管组成的，在输入湿度的上下限以后，系统会实时对湿度值进行采样，如果测得的湿度值超出了我们设置的上下限范围，则系统触发报警。

4.2.3 单片机模块设计

综合了性价比、运行速度以及整体功能等相关因素，本系统最终采用的是AT89C51单片机。

4.2.4 LED显示模块设计

通过控制单片机的P口来控制LED灯的亮和灭。这里采用的是动态驱动显示方式，指的是将数码管的驱动端相对应地和单片机的数据口逐个连接，而将公共端单独送至单片机的I/O口进行片选。由于人的眼睛会有暂时性的视觉停留，假如每两个数码管之间亮的时间非常短，则人眼是观察不到的，我们能够通过片选信号来点亮数码管。

4.2.5 复位电路

单片机的复位方式主要有3种，分别为上电、按键以及看门狗。本实验中所采用的为上电+按键型复位方式，将两者相结合，使用任意一种方式，都能够使单片机复位。

在单片机的系统中，系统复位是在电启动的时刻，而且要想使系统再次复位，只需将按键按下即可，倘若放下后接着按一次，它还能复位。因而我们要想在这个运行系统中控制它的复位，只需通过按键的闭合与断开即可。

4.2.6 濕度检测模块

此模块为系统的关键所在，它既能对温湿度进行准确测量，也可以将模拟量转变成数字量。在本系统中，湿度传感器DHT11会直接进行数模转换，再将已经转化完成的数字量数字量送给单片机，经过处理之后所得到的湿度数值会在数码管电路上显示出来。由于湿度传感器的精确度值会直接影响到整个系统的检测与控制，所以本系统应用数字式湿度传感器，来保证测量得到的湿度值的准确性。

[参考文献]

[1]万隆.单片机原理及应用技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]华韡.激光驾束制导仿真测试系统的研究[D].南京：南京理工大学，2008.

[3]吴松林.传感器与检测技术基础[M].北京：北京理工大学出版社，2009.