基于AT89S51单片机的温湿度监测与控制系统设计

倪 瑞，张万达

（青岛大学 自动化学院，青岛266071）

目前随着人们生活质量的不断提高，对环境的温湿度的需求也相应提高。为满足人们对自身健康状态和生活品质的追求，对温湿度的监测和控制系统的研究就具有实际的应用价值。一些温湿度系统使用二极管作为传感器，其互换性差[1]，为了满足人们最佳的环境生活，我们需要研究一种简单、高效的温湿度检测和控制装置[2]，便于提醒和控制人们工作和生活的温湿度， 在不同的气候和环境需求下，进行一定程度的调整，以便达到最佳的居住环境。针对这种需求，本文设计了基于AT89S51 单片机[3]和DHT11 温湿度传感器[4]的温湿度监测与控制系统。

1 系统结构及硬件设计

1.1 系统结构

温湿度监测和控制系统，主要功能为监测当前环境的温湿度值；当温湿度值高于系统设定的温湿度阈值时，监测功能将以蜂鸣的形式报警，将温湿度值传输到CPU 中进行处理，控制相应的继电器吸合，进行加热、降温、加湿、除湿的操作，达到系统控制环境温湿度的目的。本系统由5 个部分组成：温湿度采集、数据处理、用户交互、系统控制、上位机显示。

温湿度采集由DHT11 传感器实现，它可以将采集到的数据传递到AT89S51 芯片中；数据处理通过AT89S51 单片机进行数据处理， 经过它的运算分析，将没有超过预设值的温湿度数值在LCD 屏上显示，完成环境检测功能。假设当前温湿度值超过了设定的阈值，则指示蜂鸣器报警，并引导系统控制模块中的相应装置运行；用户交互包含按键、蜂鸣器、液晶屏等硬件，用于设定温湿度阈值、报警、实时获取温湿度值， 给用户进行参考； 系统控制由AT89S51、继电器、加热装置、降温风扇、干燥器、加湿器组成， 通过系统控制模块可以控制本设备加热、降温、加湿、除湿操作；上位机显示，在计算机端显示实时温湿度数据，温湿度变化实时，与液晶显示屏数据一致。

依据以上对系统的功用剖析系统的结构原理图即图1所示。

图1 温湿度监测与控制系统架构图Fig.1 Architecture of temperature and humidity monitoring and control system

通过上图可以看出，AT89S51 是整个系统的核心， 各个分模块围绕AT89S51 展开功能， 其中DHT11 传感器是经校准的数字信号输出复合传感器，负责测量和传输温湿度数据[5]；LCD 显示部分完成了在系统装置上的显示；上位机部分实现了在计算机端的显示；按钮完成初始数值的预设；蜂鸣报警器完成了报警功能； 系统控制部分完成了加热、散热、加湿、除湿功能的实现。

1.2 硬件设计

1.2.1 温湿度传感器DHT11

DHT11 温湿度传感器通过内部取值，将采集到的温湿度模拟量转换成数据量，直接进行取值和运算，性能稳定、可靠。DHT11 传感器内含了温湿度数据校准功能，可以将校准后的温湿度数字送入自带的缓存中，进行存储，待和单片机建立通讯后，可以将这些数据送入芯片中进行通讯。DHT11 响应快速，抗干扰强，信号传输距离远，性价比高[6]。

1.2.2 AT89S51 单片机

AT89S51 具有编程的功能，特别对于联机设备，可在不停机的情况下，执行嵌入式在线编程，重置后方可查看实际的效果。它的存储功能，即使出现了突然断电等异常情况，仍然能良好的保存先期存储数据。

1.2.3 LCD 液晶显示屏

本系统的液晶显示屏，要能显示中文、英文、数字和温湿度单位，为此我们使用LCD1602 字符型液晶屏。对于功能较为强大的显示器，因为限制于装置的问题， 加之与之通信的单片机通信能力有限，所以一定要等液晶屏初始化之后，才能良好的显示数据。

2 系统软件设计

2.1 温湿度监测系统程序设计

温湿度监测的流程：当系统开始运行后，全部装置进行初始化操作， 蜂鸣报警器初始化鸣叫后，证明其功能正常；LCD1602 液晶屏初始化后， 显示预设值， 并等待数据传输；DHT11 温湿度传感模块开始采集环境中的温湿度值， 并通过数据转换，传送给AT89S51 单片机；AT89S51 根据DHT11 传来的温湿度数据值做出判断，如果温湿度数值没有超过预设值，则与LCD1602 液晶屏通信，完成当前温湿度值显示，若温湿度数值超过阈值，则报警器报警，监测流程如图2所示。

2.2 温湿度控制系统程序设计

图2 温湿度监测流程Fig.2 Flow chart of temperature and humidity monitoring

系统控制的过程如下：当AT89S51 单片机在执行完检测功能后，判断出当前的温湿度数值超出了预设值，则通过内部程序处理，将相关继电器吸合，从而为加热装置、降温装置、加湿装置、除湿装置加电，完成控制相对应的外设设备的启动；当外界温湿度数值在预设值范围后，AT89S51 要关闭继电器，为相应的外设设备断电，温湿度系统控制流程如图3所示。

图3 温湿度系统控制流程Fig.3 Flow chart of temperature and humidity control system

2.3 上位机界面设计

为保证上位机与LCD1602 显示的数据同步，采用RS232 串口通讯，使用Visual Basic 编程。上位机界面显示了预先设置的温度上限值， 温度下限值，当前温度值，湿度上限值，湿度下限值，当前湿度值。加湿继电器、去湿继电器、加热继电器、降温继电器的开关状态。上位机运行界面如图4所示。

图4 上位机运行界面Fig.4 Operating interface of host computer

此界面显示温度上限值是30 ℃，温度下限值是6 ℃，当前温度是25 ℃，湿度上限值是74%，湿度下限值是40%，当前湿度值是30%。因为当前湿度值在预设的湿度下限值以下，于是加湿继电器呈现打开状态，使当前湿度增大，达到预设的湿度范围。

3 结语

经过对温湿度监测与控制系统的硬件及软件环节的调试，本次温湿度检测与控制系统功能得到了实现，达到了系统设计之初，对生活环境温湿度的实时监测与控的各项目的。此外，该系统也可用于其他环境下得温湿度监测与控制，具有很好的移植性和广泛的应用性。