室内温度和湿度智能调控系统的设计与实现

2014-11-10何淑贤

晋中学院学报 2014年3期

何淑贤

（晋中学院信息技术与工程学院，山西晋中 030600）

0 引言

随着电子技术的进一步发展，单片机及温度传感器湿度传感器等成本降低，单片机分析控制温度湿度的技术逐渐成熟.

本研究用单片机控制进行温度和湿度信息的采集、分析及控制信号的输出.系统以单片机STC89C52平台为基础，搭建对温度传感器DS18B20和湿度传感器HR31以及模数转换芯片ADC0804的控制电路，然后设计算法实现具体的信息采集和分析，并输出控制信号，最终实现温度和湿度的智能调节.

1 相关技术及设计思路

针对温度和湿度两种非电信号量，需要先利用传感器将其转换为电信号，再由集成电路分析处理，进而实现温度和湿度调节；然后通过增加屏幕显示和按键控制调节，实现自由控制室内温度和湿度.

以STC89C52单片机为核心，对单片机设计算法以实现对温度和湿度数据的分析及调节控制，采用按键控制设备运行，采用显示屏输出运行结果.为实现温度湿度控制功能，需围绕单片机构建温度采集模块采集温度信息，构建湿度采集模块采集湿度信息，这两种信息作为单片机分析和控制的依据，另外还需构建显示输出模块，用以显示系统的运行状况，构建键盘输入模块控制系统状态的运行，最后提供控制结果的输出端口用来直接控制设备调节温度和湿度，设计框架如图1所示.

图1 设计框架图

2 控制模块设计

2.1 可运行单片机系统模块

设计以8051系列单片机为核心，对单片机设计算法实现对温度湿度数据的分析和调节控制[1].由于单片机P0口是接在两个三极管之间（与P1、P2、P3口不同），只有下拉能力，高电平输出没有电流，在高电平时表现为高阻态，需要加上上拉电阻达到能输出高电平和低电平的状态，若利用P0口需要加上拉电阻.

系统工作过程中实时检测按键事件和温度湿度的值，并且分析检测到的信息及输出显示信息和控制信息，然后分别调用温度和湿度信息控制模块达到分析并且控制温度和湿度的目的.

2.2 温度采集模块

温度采集模块需要把温度量转化成数字电信号.温度传感器有四种主要类型：热电偶型、热敏电阻型、电阻温度检测器（RTD）和IC温度传感器.相比IC温度传感器前三者结构简单，只能通过外围电路输出模拟信号，而IC温度传感器是一块可以测量温度的集成电路芯片，部分芯片直接集成了模数转换电路，可以不经过模数转换电路输出数字信号.考虑到电阻温度检测器需要经过模数转换模块的转换才能输出数字信号，而部分IC温度传感器可以直接输出数字信号，可省去模数转换，所以采用IC温度传感器.

采用的IC温度传感器是DS18B20数字温度传感器.DS18B20的测量范围是-55℃到+125℃，测量误差为0.5℃，足够室内温度检测的使用[2].其工作电压为3 v到5.5 v，与单片机供电电压相符合.

DS18B20的电路有三种：寄生电源供电方式、寄生电源强上拉供电方式和DS18B20的外部电源供电方式，第一种会有寄生供电电量不足增大误差的可能，第二种会多占用一个I/O口，故采用第三种的外部电源供电方式.

DS18B20温度采集电路与单片机P2.2口直接以单总线方式连接，单片机控制P2.2口的电平时序变化与DS18B20交互，硬件由读数据、写数据和初始化方法操作实现控制.读数据的方法为先拉低总线大约4 us再释放总线，然后延时8 us开始读数据，最后再延时60 us读取下一位数据，这样总共读取8次.写数据的方法为先拉低总线4 us，再发送1位数据，延时60 us后释放总线，接着再发送下一位数据，如此发送8次.初始化通过写数据操作发送命令设置传感器具体工作参数[3].

2.3 湿度采集模块

湿度采集模块需要完成湿度模拟信号向数字电信号的转换.限于湿度对物体的影响集中体现在表面的特点，湿度传感器有电容式、电阻式等类型.本文采用含湿敏电阻HR31的湿度传感器检测模块，模块提供四个接口，包括供电端、接地端、TTL信号输出端和模拟信号输出端，模块使用5V供电，带灵敏度调节旋钮，方便进行湿度校正.

模数转换模块采用ADC0804芯片，HR31湿度传感器检测模块由接地端和模拟信号输出端两脚提供的模拟信号，信号从ADIN输入，经ADC0804转换成数字信号后从输出到单片机.

ADC0804主要由模数转换方法和读转换结果的方法控制操作，通过这两个操作将HR31湿度模块采集到的模拟电压量转换为八位二进制的数字量[4].具体设计为：首先进行模数转换，方法是先置片选脚CS为低电平使芯片工作，再使AD转换起动控制脚WR由高电平转为低电平，再转为高电平启动模数转换，延迟一段时间后置片选CS脚为高电平，转换结束.其次进行读转换结果的操作，方法是置片选脚CS和读数据控制脚RD为低电平，数据输出口输出的数据即为转换结果，把此结果存入一个变量，置片选脚CS和读数据控制脚RD为高电平停止读取，最后把得到的二进制数据转换为十进制数.因为得到的十进制数与ADC0804模拟信号输入口电压成线性关系，而湿度传感器输出电压值与湿度物理量在适用范围内也近似成线性关系，所以所得的十进制值与湿度物理量可视为线性关系，关系函数通过参照标准湿度值进行校正求得.

2.4 温度、湿度处理与输出控制模块

本模块包含温度分析模块、湿度分析模块、温度控制模块、湿度控制模块.

通过比较当前温度（湿度）值与标准温度（湿度）值的关系输出控制信息，进而控制制冷、产热设备调节温度接近标准温度，或控制加湿、除湿设备调节湿度接近设定的标准湿度，当调节环境到标准温度和标准湿度时关闭输出控制信号，此时温度和湿度会逐渐偏离标准值，进而触发系统重新打开输出控制信号继续调节温度和湿度.假若设定的标准温度（湿度）值是个数值而非区间，这会使得温度和湿度值在标准值附近频繁变化，制冷、产热设备或加湿、除湿设备也会频繁启动和关闭，这对设备有害.因此将标准转换为以其为中心的区间，使得温度（湿度）在一个较小的区间里变化时不会改变制冷、产热设备（或加湿、除湿设备）的运行状态，进而延长设备寿命.

具体设计算法如下：

初始化变量now，var，std，X，ctrlOut

maxStd=std+X

minStd=std-X

ifnow>maxStd then

ctrlOut=2

elseifnow>std and now<=maxStd then

IfctrlOut==1 then

ctrlOut=0

endif

elseifnow=minStd then

IfctrlOut==2 then

ctrlOut=0

endif

else ctrlOut=1

endif

其中now、std在调用此模块时取得参数，输出结果为ctrlOut.根据mark和ctrlOut最终控制相应设备调节环境.

输出控制采用单片机控制继电器，以继电器为开关由单片机控制相应设备调节温度湿度.

2.5 按键信息采集模块

按键使用独立键盘，按动后会引起对应线路（单片机I/O口）的电位变化，对这种变化进行检测即可实现按键信息的采集.对按键状态扫描时，因为有可能信号干扰，所以当扫描到某个按键按下后和再延迟10ms重新判断此按键是否按下，若结果还是按下，则置按键状态为此按键编号，将按键信息由此值传送.

按键有编码式和非编码式之分，计算机键盘的按键属于编码式按键，其内部通过微处理器将按键信息转换为一定的编码值实现按键功能，适用于按键数量多信号线少时，非编码按键则是简单地通过按键改变信号线电平，结构简单[5].本系统按键需要4个，即复位键RST、设置键SET、增加键+和减少键-.复位键在单片机的复位电路里给出，这里不予考虑，剩下三个按键采用非编码式.非编码式按键分为独立式和阵列式，这里只有三个按键，采用独立式按键方式.

对三个信号线设置高电平，通过按动按键使其接通低电平，实现电平改变，对单片机设计算法检测这种电平变化，实现按键信息的输入.

2.6 显示输出模块

显示屏采用LCD1602字符型液晶屏，LCD1602屏幕直接与单片机的P3.4、P3.5及P0口相连，单片机控制这几个脚的电平按一定时序变化实现屏幕显示，在P0连接的数据口输入数据，然后让使能端由高电平变为低电平，当P3.5连接的寄存器选择脚为高电平时实现写数据操作，为低电平时实现写命令操作.LCD1602是通过写数据和写命令两个操作把数据写入相应寄存器实现显示的，由这两个操作即可在屏幕上共两行32个位置上显示字符.