基于AT89S51单片机的温湿度监测与控制系统设计与应用研究

2022-05-28杜娟

现代制造技术与装备 2022年4期

关键词：温湿度继电器调试

杜娟

（酒泉职业技术学院，酒泉 735000）

传统温湿度控制系统设计中，多通过模拟技术设计温湿度控制系统。温度传感器多使用热电阻、热电偶等模拟器件，所以需要增加额外的补偿电路，且设计比较复杂，成本高。

基于成本和性能的综合考虑，研究一种以AT89S51单片机为核心控制器的数据采集和处理的系统设计方案，通过温度传感器和湿度传感器来监测和显示相关对象的温湿度，为相关人员做好温湿度的合理调控提供依据[1]。

1 系统设计结构和原理分析

基于AT89S51单片机的温湿度监测和控制系统设计，如图1所示。在这一温湿度控制系统设计中，并不是采用传统的PC上位机进行数据处理，而是借助AT89S51单片机充当核心控制元件，通过硬件电路设计和键盘配置，借助液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）显示具体环境的温湿度参数。系统硬件电路中包含单片机、时钟电路、复位电路、按键电路、LCD显示电路、继电器控制电路、温湿度监测模块以及报警电路等[2]。

图1 系统原理图

就该系统设计原理来看，时钟电路部分的功能是保证单片机正常工作，使其相应的内部功能电路能够在时钟信号的作用下实现有序工作。复位电路功能是对单片机硬件进行初始化操作，促进其内部的中央处理器和其他结构处于初始状态，使单片机从初始状态开始工作。按键电路则是通过设置受控对象的温湿度上下限值，确定整个系统的动作情况，根据设定值接通或断开报警电路、继电器控制电路。LCD显示电路能够实时显示受控对象的温湿度信号及系统的其他状态参数[3]。继电器控制电路则是根据实际温湿度参数测定值和设置的温湿度参数值的比较情况确定接通或断开电路，从而使受控对象的温湿度达到设定的最优值。温湿度检测模块实时采集受控对象的温湿度数据。报警电路是在受控对象的实时温湿度参数异常时发出声光信号提示，使监控人员快速发现系统的异常。

在该监测和控制系统设计中，AT89S51单片机是核心单元，对控制效果有直接影响。通过采集受控对象的温湿度信号，以数字信号的形式进行传输和显示，实时显示受控对象动态的温湿度变化，同时能够实时控制受控对象的温湿度，根据设定的温湿度控制受控对象进行相应的操作。

2 系统设计要点

2.1 传感器选择

2.1.1 温度传感器选择

综合相关传感器特性，本文选择使用热电阻温度传感器。这种传感器根据导体电阻随温度变化的特点进行测温元件的研制，能够精准监测温度变化。目前，在热电阻温度传感器制作中，多使用铜、镍以及铂等热电阻。这些材料精度高、测量范围大，同时能够满足远距离测量需要[4]。相对而言，铜电阻整体温度系数比铂电阻大，且材料价格低，加工和提取方法简单方便，电阻率较低，能够满足工农业的测温需要。

2.1.2 湿度传感器选择

对空气湿度进行监测的方法很多，主要是通过相应物质从其周围空气吸收水分后引起的物理和化学形式变化，从而间接获取物质吸水量和周围空气的湿度。本文在对比多种湿度传感器后，选择使用HOS-201湿敏传感器。这种传感器的主要特点是局限在一定范围内使用时具有较好的线性，所以使用中可以借助其线性特点确保使用效果。

2.2 单片机系统设计

该温湿度控制系统设计中，选择使用AT89S51单片机。通过将单片机、时钟电路、复位电路以及电源接口连接在相应的印刷电路板，再将应用程序下载到单片机，形成了一个最小型的控制系统，也就是单片机最小系统。最小系统是整体系统启动工作运行的最小模块，必不可少。单片机拥有自己的最小系统，主要作用是保证整个系统的正常运行。它的时钟电路给单片机提供了可靠的时钟信号，其复位电路使单片机能从初始状态开始执行程序和正常工作[5]。根据系统设计需要，选择如图2所示的包含单片机、时钟电路、复位电路以及电源的单片机最小系统。

2.3 LCD显示模块设计

在此温湿度监测和控制系统设计中，LCD显示模式是查看温湿度数值的重要部分。这一部分的设计主要是通过LCD显示器的电流控制LCD分子，使其按照相应规则进行排序，并配合相应的背光实现需要的内容和画面的显示功能。这一模块设计要确保效果，降低功耗，还要提升使用的便利性。此次设计中使用FYD12864-0402B型号的LCD显示器，优势在于其接口程序编写更加简单，价格更加便宜。这一LCD显示模块中通过串行和并行4位8位等多种通信方式，能够满足用户的多样化选择需要。它内部自带文字库和简单图形字符，能够使显示的内容更加丰富，提升人机交互的体验。

3 系统软件设计

此次温湿度监测和控制系统设计中，相应的软件程序设计至关重要。该系统设计中，主要从主程序、温湿度处理程序、键盘处理程序、LCD显示程序以及继电器控制程序等方面开展。就整体的控制程序来看，主要是按照“键盘查询—检测温湿度—温湿度数据处理—实时显示温湿度—继电器控制”这一流程开展的。

在这一过程中，主程序的主要功能是对温湿度数值进行动态显示。系统运行中，先由系统设定一个理想值，读取和显示实时测量的温湿度数值。通过对实时检测的环境中的温湿度值和设置的温湿度值进行比较，实现对其他模块的控制。在环境温湿度比设定的理想值低的情况下会出现亮灯、声音提醒，并控制继电器动作，实现加温或者加湿处理。就温湿度的程序设计来看，其中包含的程序较多，如系统温度的读取值程序、湿度的读取值程序以及数据的传输控制程序等。在环境温湿度比设定的理想值高的情况下会出现亮灯、声音提醒，并控制继电器动作，实现通风或者降温处理。整体而言，系统将实现受控对象的温湿度动态调整，确保温湿度的实时值和设定的温湿度值更加接近。在继电器控制系统动作中，系统的加热、加湿、通风以及降温的指示灯会相应亮起[6]。

图2 单片机系统电路图

4 系统调试

针对设计的单片机温湿度监测和控制系统进行调试，选择PROTEUS软件进行调试仿真，检验设计是否达标。这种调试仿真软件不但可以进行单片机简单的控制电路的仿真模拟，还能够在单片机处于复杂外围电路中或者没有相关电路的情况下进行模拟仿真。考虑到在本设计调试中更加重视程序运行、电路工作过程及结果调试，这一仿真调试软件能够有效对实践和实际应用中的脱节情况进行补偿。在完成硬件电路和软件程序设计后，需要确保相应软件设计和硬件电路正常运行，再进行相应元器件的硬件功能电路测试。在完成测试确认没有异常情况后，可以进行软件部分的代码调试，查看系统运行情况，确认无异常即可。