智能公共浴室系统的研究与设计

王宁 徐凯 曾梓城 黄乾轩

摘  要：该设计将STC89C52单片机与公共浴室系统作为系统的设计核心，运用DHT11温湿度传感器对空气中的温度数據进行采集，并利用其内置A/D转换功能，将采集到的模拟信号转换成数字信号，再通过单片机对该数字信号进行分析与处理，将处理后的数据显示在LCD1602上，同时单片机也能够智能控制公共浴室系统的工作状态。该设计还拥有水位监测电路以及报警电路，防止水位过低而烧坏硬件。系统有电路简单，传感器的灵敏度高，采集的数据精度高，具有较高的安全性等优点。

关键词：公共浴室系统；STC89C52单片机；液晶显示；DHT11传感器

中图分类号：TP368 文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）02-0145-05

Research and Design of Intelligent Public Bathroom System

WANG Ning， XU Kai， ZENG Zicheng， HUANG Qianxuan

（Southeast University Chengxian College， Nanjing  210088， China）

Abstract： This design takes STC89C52 Single-Chip Microcomputer and public bathroom system as the design cores of the system. It uses the temperature and humidity sensor DHT11 to collect the temperature data in the air， and uses its built-in A/D conversion function to convert the collected analog signal into digital signal. Then the digital signal is analyzed and processed by the Single-Chip Microcomputer， and the processed data is displayed on LCD1602. At the same time， the Single-Chip Microcomputer can intelligently control the working state of the public bathroom system. The design also has a water level monitoring circuit and an alarm circuit， which can prevent the low water level from burning out the hardware. The system has advantages of simple circuit， high sensitivity of the sensors， high accuracy of collection data， higher security and so on.

Keywords： public bathroom system; STC89C52 Single-Chip Microcomputer; LCD; DHT11 sensor

0  引  言

随着时代与科技的发展，智能产品、物联网产品逐渐进入人们的生活。智能产品将传统产品通过网络与计算机控制系统连接，使其自动化运行，从而提高效率，给人们带来便利。最初，智能化技术只运用在单个的小物品上，随着技术的逐步成熟，智能化技术已经可以运用在了一些大型的公共场所当中，比如：智能公共浴室系统。智能公共浴室系统不仅可以通过系统控制提高人们在洗浴过程的舒适度，还可以有效提高浴室系统的安全性。研究发现，智能公共浴室系统在当今的生活有着广泛的应用。该系统可以运用于机关、学校的公共浴室，生活小区的浴室和一些大工厂的员工宿舍区的浴室。

在本次的设计中，智能公共浴室系统自动调节公共浴室的环境，以达到提高人们在沐浴时舒适度的目的。本项目由STC89C52单片机电路、LCD1602液晶显示电路、按键输入电路、传感器检测电路、继电器电路、电源电路组成。传感器检测室内各个参数，并在液晶屏LCD1602上实时显示。同时可以手动预设室内温度阈值对室内温度进行调节。

1  项目方案设计

本项目的总体设计方案是主要由单片机控制模块、水位检测模块、温度采集模块、液晶显示模块、按键输入模块、继电器驱动模块及报警模块共七部分组成，其系统组成框图如图1所示。

本项目中，通过DHT11传感器采集环境中的温度模拟信号，转换为数字信号输出至单片机。单片机控制模块负责对传感器采集的输入信号进行分析和处理，驱动液晶显示模块实时显示当前环境的温度数值。当环境中的温度低于设置的下限值时，单片机输出低电平，继电器闭合，驱动公共浴室加热系统工作，实现自动升温功能；当环境中的温度高于设置的阈值时，单片机驱动继电器断开，停止升温。当公共浴室储水装置的水位低于预设水位的下限值时，单片机驱动蜂鸣器鸣叫和指示灯亮起，实现声光报警功能，当水位高于下限值时会自动取消报警。按键输入模块实现手动设置公共浴室系统室温与水位的上限值和下限值功能。

2  硬件设计

2.1  单片机控制模块

本项目的系统运用的中心控制元件是STC89C52单片机，STC系列的单片机正常工作的电压为3.3 V到5.5 V，STC89C52单片机的原理图如图2所示。

如表1所示为STC89C52单片机的主要功能特性。

单片机内部结构：

（1）STC89C52单片机内部配备有一个振荡器，它是由高增益反相比例放大器构成，形成时钟脉冲时，时钟电路中的电容起到对频率的微调作用。我们在本次设计中采用了振荡频率为11.059 2 MHz的晶体振荡器，为达到设定频率，本产品配置了大小为30 pF的电容来进行调节。如图3所示为时钟电路设计。

（2）复位功能是单片机的初始化操作。其主要作用是把PC地址初始化为0000H，使单片机从0000H单元地址开始执行程序。复位电路如图4所示。

2.2  温度采集模块与液晶显示模块

DHT11传感器连接电路如图5所示。将DHT11的VCC引脚接入正电压，电压输入范围为3.5 V～5.5 V；DOUT引脚为数据I/O口也就是数据传输口；NC引脚为空脚，GND为负极。在连接DHT11传感器时，注意要把传感器放置到离发热的元件较远的位置，能够保证传感器接收到准确的数据。DHT11正常工作后能够对公共浴室系统的温度进行检测，并将采集到的数据在LCD1602上显示。

液晶显示模块使用LCD1602液晶显示屏，其显示容量为16×2个字符；芯片的工作电压为4.5 V～5.5 V；工作电流为2.0 mA（5.0 V）；最佳工作电压为5 V；字符尺寸为2.95×4.35 mm。LCD1602引脚主要有电源引脚VDD、VSS；背光带电源引脚BLA、BLK；数据引脚D0-D7、RS引脚、R/W引脚、EN引脚；偏压信号引脚VL。

2.3  水位检测模块与报警电路模块

本项目中水位检测模块是将储水装置中的浮标与外电路滑动变阻器的滑片相连接，通过水位的变化来改变滑动变阻器的阻值，从而改变滑动变阻器两端的电压。水位的高低与滑动变阻器两端电压的大小成正相关，所以测量电压值就可以得到水位的高低信号。

蜂鸣报警电路采用的是有源蜂鸣器，只需简单通电就能持续发声。蜂鸣器发声原理为：通过电磁线圈的电流会产生磁场，磁场驱动振膜发声，所以蜂鸣器需要一定的电流才能发出声音。输出电流小的单片机I/O口，使得晶体管转换到通路状态，进而促使蜂鸣器发出报警信号；当检测到的水位是正常的，P2.0置高电‘l三极管截止。报警功能原理：检测到的低水位信号送至单片机后，单片机将该信号进行处理，转化为输出信号，并传送至蜂鸣器，蜂鸣器接收信号后工作，发出报警声音。报警电路模块如图6所示。

2.4  继电器驱动模块

本模块采用的继电器的工作原理：初始永磁铁保持释放状态，加上工作电压后，电磁感应使衔铁与永磁铁产生吸引力，衔铁向下运动，最后达到吸合状态，工作电路闭合，加热设备开始工作；断电后磁力消失，弹簧把衔铁拉起，切断工作电路，加热设备停止工作。

继电器模块电路如图7所示，VCC是电源的正极，其工作电压为5 V，GND是电源的负极，IN是通断信号的输入引脚，NC是常闭端，COM是公共端，NO是常开端。

3  软件设计

该系统的软件设计分为几个模块：公共浴室系统检测模块、继电器驱动模块、液晶显示模塊和报警模块。单片机系统开始运行后，会检测水位的电平变化，并且能够根据这些电平信号判断是否需要启动蜂鸣器报警；传感器读取公共浴室系统的数据并送至单片机，单片机对公共浴室系统数据进行比对，判断是否需要升高室内温度。软件设计流程图如图8所示。

3.1  公共浴室系统检测模块设计

依据公共浴室系统的通信协议，单片机系统通过I/O口积极地发出激励信号，从而使公共浴室系统控制数据线程，最后单片机系统使用while循环语句对I/O口的电平进行实时的检测，从而准确地得到传输数据。图9所示为公共浴室系统检测模块的软件设计流程图。

上电后，系统开始运行，单片机将P1.2引脚置于低电平，经过20毫秒之后将P1.2引脚置于高电平。40毫秒之后，单片机系统开始接收数据，并将接收到的数据信息存放到指定的数组中，信号采集完毕后，系统对采集到的数据进行保存，继续执行信号采集指令。

3.2  液晶显示模块设计

实现对LCD1602液晶显示的控制主要实现初始化函数、写指令函数、写数据函数。实现初始化函数要设置写操作：R/W设为低电平；屏幕设置模式：0038H；打开显示，关闭光标：写指令000CH；设置显示光标移动位置：写指令：0006H。实现写指令函数和写数据函数，都是以写操作时序来进行编程，实现有效的控制。可通过写时序和RS引脚的定义来控制写数据和写指令。写数据与写指令的区别在于RS引脚的电平；当RS为高电平时，写数据；当RS为低电平时，写指令。液晶显示软件流程图如图10所示。

3.3  继电器驱动模块与报警模块设计

利用循环语句让DHT11传感器一直处于工作状态，实时检测室内温度，并将数据反馈给单片机，再利用if判断语句将采集到的数据与设定的数据进行对比，控制继电器的通断，进而控制升温设备是否对室内进行加热。报警模块软件设计原理与继电器驱动模块软件设计原理相同，这里就不再过多阐述。

4  调试与结果

4.1  继电器控制升温设备

实验测试时，测试人员通过键盘输入室温值为30 ℃，DHT11实时检测到室温值为23 ℃，低于设定温度值，继电器工作将升温设备电路接通，升温设备对室内进行加热。一段时间后，室内温度达到30 ℃，继电器切断升温设备电路，升温设备停止加热。测试数据如图11所示。

4.2  水位监测报警装置

储水装置中的水位检测器对水位进行实时检测，水位最高时的检测器两端电压为4 V；出水口打开，水位持续变低，检测器两端的电压下降，当检测器两端的电压小于等于1 V时，指示灯亮起，蜂鸣器进行报警。向储水装置中加水，水位升高，电压上升，当电压超过1 V时，指示灯熄灭，蜂鸣器停止报警。实验记录如表2所示，实验测试图如图12所示。

5  结  论

本文主要介绍了智能公共浴室系统的单片机控制模块、按键输入模块、继电器驱动模块、水位检测模块、温度采集模块、报警模块及液晶显示模块的工作原理与应用。智能公共浴室系统是基于一般公共浴室系统的基础上进行改进的，一般的公共浴室系统检测系统都是由一个单片机和一些辅助电路如LCD或者OLED、键盘或者指示灯组成，当系统检测到的参数超出设定值一定的范围（如40%～60% RH），系统就会报警。一般的公共浴室系统只能简单的检测室内环境参数，而智能公共浴室系统和一般的公共浴室系统检测系统的不同，智能公共浴室系统不仅能检测公共浴室系统内的各参数，而且当参数不在设置的范围内，系统将自动作出相应的调节措施。人们可根据实际情况，对智能公共浴室系统的功能进行增加与优化，充分发挥智能公共浴室系统的作用。在当今科技高速发展的时代，智能化产品将涉及更多领域，智能化产品也将更好的为人们服务，提高人们的生活质量。

参考文献：

[1] 张皎，宁煜航.基于MSP430的智能浴室系统设计 [J].电子质量，2022（7）：84-88+95.

[2] 胡文睿，谈潘攀.基于物联网的智慧浴室系统的设计 [J].电脑知识与技术，2021，17（26）：127-130.

[3] 徐鑫秀，赵士原.基于DHT11传感器的机房温湿度控制系统设计 [J].现代信息科技，2020，4（14）：57-59..

[4] 王国正，吴韶波，王冲，等.智慧浴室管理系统的设计与实现 [J].物联网技术，2022，12（7）：121-123.

[5] 李晓磊，王学贺.基于STC89C52单片机的智能宿舍系统设计 [J].现代信息科技，2022，6（15）：181-183.

作者简介：王宁（2001—），男，汉族，江西吉安人，本科在读，研究方向：单片机的应用；徐凯（2000—），男，汉族，江苏南京人，本科在读，研究方向：单片机的应用；曾梓城（2001—），男，汉族，广东东莞人，本科在读，研究方向：单片机的应用；黄乾轩（2001—），男，汉族，上海人，本科在读，研究方向：单片机的应用。

收稿日期：2022-09-12