基于单片机的智能加湿器设计

段晓丽，张家超，贾支元，李立新，闫玉玮，吴伟振

(1.太原工业学院理学系,山西 太原 030008；2太原工业学院电子工程系,山西太原 030008)

0 引言

目前，加湿器已经在日常生活中得到了较为广泛的应用，随着温湿度检测技术越来越成熟，加湿器的设计朝着更安全以及智能化、便携化的方向发展。在ANSI公布的“热舒适图”中[1]表明，在大多数情况下，空气湿度越高，人体感觉会越舒适，通常人体能感受到的最佳温湿度范围在40%RH～60%RH。但随着温度升高，湿度就不一定是越高越好了(例如在室温25 ℃时，如果湿度大于50%人体反而会觉得不舒服，湿度越大越不舒适。)那么冬天在室内感到不舒服时，很有可能是湿度太高了，继续加湿则会适得其反[2]。因此我们需要对室温环境更加精确的测量以及智能化的自动加湿。

1 系统硬件设计

1.1 总体设计

本系统由易烧写的STC89C52单片机控制单元[3-4]、按键输入阈值(按键模块)、抗干扰能力强的DHT11湿温度采集(传感器模块)、水位传感器检测(传感器模块)、LCD1602显示(显示模块)、蜂鸣器报警(报警电路)、继电器控制七个部分组成，其中单片机作为系统核心与其他六部分相互作用实现各类功能。整体设计框图如图1所示。

图1 设计框图

1.2 控制单元

因为单片机具有较高的集成度且性能稳定[5]，操作灵活等优势，因此本设计采用STC89C52单片机为核心控制枢纽，振荡电路、复位电路辅之。STC89C52是高性能COMOS8位微处理器，有8 K的系统内可编程闪存。指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择，它兼容MCS-51系列的引脚，适用于所有标准80C51指令集。此外该器件支持在系统编程(ISD)，程序下载完成后自动运行。

震荡电路中单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

本设计中复位电路采用上电复位，通过外部复位电路的电容充电来实现。单片机的RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期即二个机器周期以上。

1.3 传感器模块

传感器模块是对整体电路进行信号采集和初步处理，本次设计采用DHT11温湿度传感器模块，其占用的面积小，湿度精度5.0%，温度精度为0.2 ℃，采用的是单总线的数据传输方式，而且其抗干扰能力强，经常用于高炉测温、机房检测、家庭温度控制等方面适合于很多空间比较小的场合，检测的结果以数字量方式串行传送。

DHT11在3～5.5 V电压下可以正常工作。在DHT11传感器上电之后，为了越过不稳定状态则需要等待1 s，在此期间不再发送任何指令。电源引脚(VDD，GND)之间可增加一个100 nF的电容，用以去耦滤波。DHT11同微处理器之间的通讯与同步通过DATA来实现的，DATA与单片机P2.0口相连，使用4.7 K上拉电阻，防止干扰来增加稳定性。使用单总线数据格式，在安装时为降低热传导，DHT11与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出了一道缝隙。

1.4 显示模块

本次设计的显示部分采用LCD1602液晶显示器，可以显示预设最佳相对湿度和室内实时的相对湿度。LCD1602工作在3.5 V～5 V的工作电压下，它内部设计有复位电路，可以进行光标移动、清屏的操作。显示的亮度可以通过外部连接的电位计进行调节。内部带有存储器可以储存数据，它可以直接与单片机相连，通过单片机程序来控制液晶的显示。RT为电位器也就是滑动变阻器，通过旋转这个电位器可以调节液晶背光亮度。

1.5 报警电路

本设计采用的蜂鸣音报警电路，采用有源蜂鸣器，其作用是将在水位低于阈值的信号送给单片机后，进行报警，起到防干烧的目的。由于电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此设计中增加了一个PNP型三极管放大电流以驱动蜂鸣器，如图2所示，图中电阻R4起到限流的作用，可以防止三极管意外导通而损坏器件。

图2 蜂鸣器报警电路

蜂鸣器的正极性的一端联接到5 V电源上面，另一端接到三极管的集电极，三极管的基极由单片机的一个管脚通过一个与非门来控制，当管脚为低时，与非门输出高电平，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。当管脚为高时，与非门输出低电平，三极管截至，蜂鸣器不发出声音。

1.6 按键电路

按键电路如图3所示，其主要功能为判别是否有按键按下，如果有就进入下一步工作；然后识别哪一个键被按下，求出相应的键值；依据键值找到相应的处理程序入口。具体操作及响应如下：

图3 按键电路

所有按键都是在按键弹起时，按键与单片机之间的引脚处于高电平，按键按下时处于低电平：

1) 总开关：主要用来控制硬件系统的开关；

2) 状态选择键K1：模式选择键，按一次后转为手动模式，可以根据用户需要输入最佳相对湿度，再按一次转为自动模式，根据默认最佳相对湿度40%RH进行加湿；

3) 数字设置键：在选择手动模式后，按下设置键K2后，进行温湿度设置，按下按键K3即可进入温度或湿度的数值设置。

1.7 继电器电路

电路中继电器室通过PNP型三极管驱动，当阈值超过设定时，单片机会由高电平跳变成低电平，三极管导通继电器吸合，继电器起开关作用，可以驱动负载。

2 软件设计

2.1 主程序设计

本系统使用的是Keil软件，它是C51系列兼容单片机C语言软件开发系统，能够应用通俗易懂的高级C语言对单片机进行软件开发。

所有的程序，使用C51编程语言，在keil开发环境中编译和调试，整个程序利用了中断技术、数字滤波技术、系数补偿技术以及其他先进技术。系统的程序设计分为几个模块包括湿度检测模块、湿度控制模块、按键输入模块、显示模块、水位检测模块。

系统上电初始化后，读取水位信号，根据水位信号判断是否蜂鸣报警，选择自动/手动模式后，传感器读取湿度将数据送至单片机，单片机进行数比对，判断是否加湿。加湿中如果输入水位低信号则蜂鸣报警且不再加湿。系统程序流程图如图4所示。

图4 主流程图 图5 数据采集流程图

2.2 湿温度DHT11程序

温湿度程序包括DHT11初始化，应答脉冲，扫描，数据转换，读操作等步骤，其程序流程图如图5所示。

2.3 LCD1602显示程序

考虑到要显示的是温度和湿度这两个数据，只需要能够显示一到两行的显示器即可。LCD1602显示数据的过程是首先进行液晶初始化，初始化之后执行延时程序，等待数据的采集，演示完成后先写入一些指令和显示字符的地址，之后单片机向LCD发送数据即写数据，数据发送完成后，LCD读取写入的地址并显示出来，最后返回。软件流程图如图6所示。

图6 显示流程图

3 结语

本款以STC89C52为核心设计的加湿器，经实际测试，能够实现根据室内空气温湿度对加湿器的智能调节，并实时显示温湿度，同时也通过水位检测电路实现了加湿器的防干烧功能，提高了安全性，性价比高，有较好的实际推广价值。