基站温、湿度控制系统设计

密级： NANCHANG UNIVERSITY学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（20132017年）题 目： 基站温、湿度控制系统设计 学 院： 信息工程学院 系： 电气与自动化工程系 专业班级： 测控技术与仪器131班 学生姓名： 刘庆伟 学号： 5801213004 指导教师： 张宇 职称： 讲师 起讫日期： 2017.3.132017.5.31 南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期：导师签名： 日期：1摘要基站温、湿度控制系统设计 专 业：测控技术与仪器 学 号：5801213004学生姓名：刘庆伟 指导教师：张宇摘要随着科学的进步，通讯业得到了前所未有的发展，而通信基站的建设与维护也成为评定一个国家通信业发展水平的标志。对于一个通信基站来说，基站外部的各类环境指标对基站的稳定性起到了巨大的作用，其中重要的一点就是温度和湿度的检测与控制。本文对基站设计了温湿度的检测与控制，以期达到维护基站外部环境的稳定。本次设计采用STC89C51型单片机，传感器选用的是性价比较高的DHT11型温湿度传感器，这是一款数字型传感器，能够检测当前的温度值并反馈给单片机进行处理。系统采用了AT2402来存储温湿度的设定值，用户可以根据需要预先通过按键来改变该设定值，同时加入了LCD1602液晶屏用于显示设定值和当前温湿度，并在温湿度超过设定阀值时启动蜂鸣器进行报警，同时根据情况驱动对应的继电器来发动外接设备，从而使温湿度始终趋于设定的范围。软件部分采用C语言进行编写程序，主要包括了主控程序和显示程序、温湿度程序、存储程序、按键程序、显示程序、报警程序以及继电器控制程序等。程序总体简洁紧凑，可读性较强而且编译效率高。关键词：基站；STC89C51；监控；DHT11；湿度；温度AbstractDesign of Temperature and humidity control system in the base stationsAbstractWith the scientific progress, the communications industry has been an unprecedented development, and communication base station construction and maintenance has become a national communications industry to assess the level of development. For a communication base station, the base station outside the various types of environmental indicators on the stability of the base station has played a huge role, one of the important point is the temperature and humidity detection and control. In this paper, the temperature and humidity detection and control are designed for the base station in order to maintain the stability of the external environment of the base station.This design uses STC89C51 single-chip, the sensor is selected price is relatively high DHT11 temperature and humidity sensor, which is a digital sensor, can detect the current temperature and feedback to the single-chip for processing. The system uses the AT2402 to store the temperature and humidity settings, the user can press the button in advance to change the set value, while adding LCD1602 LCD screen for the display set value and the current temperature and humidity, and the temperature and humidity over the set Set the threshold when the buzzer to start the alarm, and according to the situation to drive the corresponding relay to launch external devices, so that the temperature and humidity tends to set the range.Software part of the preparation of the program using C language, including the main program and display procedures, temperature and humidity procedures, stored procedures, key procedures, display procedures, alarm procedures and relay control procedures. The program is simple and compact, readable and highly compiled.Keywords: base station；STC89C51；monitor；DHT11；temperature；humidityI目录目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1本课题研究的背景与意义11.2基站建设出现的问题21.3本次设计的意义2第二章 总体方案42.1 功能要求42.2 具体方案42.3 总体结构图4第三章 硬件设计53.1 系统硬件概述53.1.1 STC89C51单片机简介63.1.2 单片机最小系统73.2 温湿度模块83.2.1 DHT11传感器简介83.2.2 DHT11使用说明93.2.3 电路设计113.3 按键模块113.3.1 独立按键简介113.3.2 按键消抖123.3.3 电路设计123.4 显示模块133.4.1 LCD1602简介133.4.2 LCD1602使用说明143.4.3 电路设计153.5 阀值模块163.5.1 AT2402简介163.5.2 电路设计173.6 报警模块183.6.1 蜂鸣器简介183.6.2 电路设计183.7 控制模块193.7.1 继电器简介193.7.2 电路设计20第四章 软件设计214.1 总体设计214.2温湿度模块设计224.3按键模块设计234.4显示模块设计244.5 Proteus软件仿真254.6 Keil程序编写26第五章 总结27参考文献28致谢29I第一章 绪论5第一章 绪论1.1本课题研究的背景与意义本次设计的背景是基站，基站的本质是一种无线电台站，它可以在自己的监测区域内，以移动通信作为交换中心，从而在通信设备中实现信息传递和接收。我国已经成为移动通信的超级大国，几乎人人都要使用到电话、手机和网络等，这些都需要移动通信基站来实现。因此，制造大型通信基站也成为了运营商们重点关注的事项。只有真正建设出更多更好的基站，才能真正使用户受益，也真正能够使得自己的运营实力处在行业领先地位。现如今计算机通信技术的发展日新月异，以前被广泛使用的小数据量的通信也要慢慢退出历史舞台，为了赶上时代的变化和现代社会快节奏的需要，大数据量宽带数字移动通信系统成为了时代的主流，而这些改造以及进步全都仰仗基站的建设。移动通信基站的最主要的作用是能够接收到无线信号，并且可以将其发送出去，除此之外它还能够将无线信号变成传输效率更高的光电信号来进行工作。基站按照不同的分类方式可以分成很多不同的种类，如按安装位置分类可以分为室外基站和室内基站;按安装方式分类可以分为机柜式宏基站和分布式基站;按具体功能分类可以分为无线基站、有线基站等，根据不同的需求，可以建设不同类型的基站。基站作为移动通信中最重要的部分，如今正在向着体积小、频段多、全IP化和环保去污染等方向不断的发展。基站越来越成为现代社会必不可少的重要设施，要真正实现中国的现代化进程，使中国的第三次工业革命中不落后腿，就必须努力建设更多更好的基站。图1-1 GPS定位中的基站1.2基站建设出现的问题虽然基站的发展速度日新月异，可是在建设中仍然存在着许多的问题，如果不及时解决，那对以后的移动通信产业将造成巨大的障碍。首先是环保问题，基站的建设需要大量的资源来消耗，中国的通信规模已经达到世界第一，与之而来的耗能也非常惊人。其中主要的耗能产生在通信的载频功耗，它会随着使用量的变化而增大或减小。除此之外，电源系统带来的耗能也不容小觑，为了维持基站正常运转，需要提供风机和空调等设备来实现基站内部环境达标，加上通信电源的自动开启和关闭等，都会消耗大量的电能等。电能的产生需要煤炭等资源来提供，于是耗能问题也就间接的带来了环保问题，高电量的消耗无论的哪个领域都是非常值得研究解决的大难题。其次是成本问题。建造一个通信基站首先是场地租赁，以及需要人工和大量基础建筑材料，面对这些问题，运营商一般选择和铁塔公司合作，共同建造以求互相受益。除去这些一般建筑都需要的硬性要求外，基站建设还需要运用到大量的通信有关设备，其中很多都是不菲的价钱。这些通信设备建设好后，还需要一笔维护费用，例如对外部环境的把控，对设备元件的检测与更新等。为了减少成本，现在运营商选择抛开门户，两家或三家运营商合作共建，这样就能够大大解决成本带来的难处，同时也解决了节约占地、能源等问题。最后是选址落地问题，由于中国用户知识水平参差不齐，许多公众认为基站会带来大量辐射，从而给基站周围的居民带来身体健康的威胁，所以很多地方基站难以建起来。也正是因为辐射问题，有些地方的基站即使已经建设起来，也被用户不断投诉要求拆去。面对这样的结果，运营商往往选择妥协，顺应公众要求。基站的建设进程便无法开展，而由于没有基站，用户的手机信号往往很差，于是又向运营商反应说希望手机通信能够流畅，对此运营商表示很无奈。除了像上文所说共同建造基站外，为了加速基站的建设和加快中国现代化的进程，通信有关部门已经研发出一套辐射检验标准来消除公众的疑虑。 基站的建设是值得深刻研究的话题，现代社会已经离不开即时通讯，只有将通信基站开遍华夏大地，才能真正将移动通信事业发展起来。基站的建设所遇到的问题远不止以上几点，解决和落实好这些问题，不仅需要运营商自身的努力，更需要政府的大力支持和民众的充分理解。1.3本次设计的意义（1）解决基站的温湿度问题切实解决基站的温湿度问题是本设计最重大的意义。基站内部的许多设备都需要一个稳定的外部环境，只有在合适的外部环境下，设备才能发挥最佳性能，继而为用户提供更好的体验，以及节省额外的功率和不必要的资源浪费。外部环境有很多指标，温度和湿度无疑是最显眼的，如果这个问题不解决好，基站就无法发挥自身最大的价值，也就浪费了许多为建设基站而产生的资源。建设好温湿度控制系统，首先可以减少设备应为额外功率而产生的用电开支，也就变相的增大了移动通信的收入。除此之外，将基站内部的温湿度维持在一个稳定的范围内，不但可以使设备维持在最佳运行状态，也对设备本身的稳定性起到巨大作用。这样就节约了设备的维护成本，减少了基站的开支。（2）掌握单片机实际应用知识作为测控技术与仪器专业，控制占了很大的比例，而作为控制的基础，就有必要掌握好单片机这门技术。通过选择单片机进行基站温湿度控制系统的设计，可以深刻理解单片机的原理，同时从单片机入手，对控制有一个系统的认识。只有书本的知识是远远不够的，必须和实践相结合才能体现知识的力量。同时单片机作为控制入门，为我们提供了一个控制领域的窗口。掌握单片机实际应用知识，为我们今后的学业或工作都具有非常重大的意义。（3）为解决其他领域问题提供经验事物和事物之间都具有关联性，没有任何一个事物是完全特殊独立的。基站的温湿度问题是一个重要的实际应用问题，同时也是一个非常典型的系统设计问题，可以为我们以后解决其他领域的问题提供珍贵的经验。通过解决基站温湿度的控制问题，我们可以将其放到其他的领域：从基站来考虑，例如基站内部CO浓度问题，基站外部太阳光照问题; 从温湿度来考虑，例如大棚蔬菜温湿度控制问题，居民楼温湿度控制问题; 从单片机来考虑，可以改成例如PLC，FPGA等控制设备。通过解决一个问题，从而解决好一系列问题，做到举一反三，这也是一个非常重要的意义。31第二章 总体方案第二章 总体方案2.1 功能要求根据国家通信基站建设相关标准，综合各地基本环境情况，设计出一套适用于基站现场的智能温、湿度控制系统，以较好地保证基站各设备的良好工作情况，并实现良好的节能效果。系统要求以单片机为内核，要求实现基站室内外温湿度适时监控与显示功能，提供键盘操作设定控制系统各主要参数，并通过继电器控制风机和空调联动操作，保证基站温湿度指标，维持室内微正压，保持室内洁净性，同时节能降耗。2.2 具体方案本次设计采用单片机中MSC-51系列的STC89C51型单片机，通过单片机的I/O口进行数据的输入和输出，并且单片机作为中央处理器能够处理所接受到的数据，并将结果传到输出端口。传感器选用的是性价比较高的DHT11型温湿度传感器，这是一款成熟的数字型传感器，价格便宜使用方便同时检测结果较为准确，能够检测当前的温度值并转化为数字量反馈给单片机进行处理。系统采用了AT2402来存储温湿度所需要的设定值，这个设定值能够和当前实际温度进行对比，对比结果能够反馈给单片机进行处理，用户可以根据需要预先通过按键来改变该设定值。当下次重新启动该设计时，AT2402便能够将上次存储的设定值再次显示出来。设计拥有4个按键，用于控制温湿度的设定值的加减，这样就起到了控制温湿度范围的作用。同时加入了LCD1602液晶屏用于显示设定值和当前温湿度，并在温湿度超过设定范围时启动蜂鸣器进行报警，系统根据温湿度超限的实际情况，打开对应的继电器来驱动空调或风机。当温湿度回到设定范围时，继电器开关闭合，报警声消失，从而使温湿度始终趋于一个设定的范围内。显示单片机2.3 总体结构图温湿度传感器空调继电器按键风机继电器复位报警图2-1 总体结构图第三章 硬件设计第3章 硬件设计3.1 系统硬件概述根据设计要求，此系统硬件电路采用不同模块分别设计然后有机的结合在一起的方式。这样做的好处是当总体设计出现问题时，不需要全部都一一改动，只需要检查是哪一个模块出现问题，然后针对性的进行调试即可。即便需要后期加入新的一些功能也只需要增加新的模块，修改一下主函数代码，就可以实现系统的改动，非常方便有效。实际模块分为以下几个部分：（1） 主控模块主控模块采用STC89C51单片机，这是一款入门级单片机芯片，价格非常便宜，而且操作方便、原理简单、易于扩展。51单片机成熟稳定且拥有很多资源，控制效果较好，完全可以满足本次设计的需要。（2） 温湿度模块温湿度模块采用DHT11温湿度传感器，这是一款成熟的数字型传感器，价格便宜使用方便同时检测结果较为准确，能够检测当前的温度值并转化为数字量反馈给单片机进行处理。（3） 按键模块按键模块采用4个独立按键组成，分别构成温湿度设定值的加减，独立按键采用编程方法既可以消除抖动，不需要额外的硬件去抖。（4） 显示模块显示模块采用LCD1602液晶显示屏，这是一款由日本开发的显示屏，可以显示阿拉伯字母、英文字母、数学符号和日本假名，其编程简单，性质稳定，造价便宜，用于显示温湿度结果非常合适。（5） 阀值模块阀值设定模块采用AT2402芯片，这款芯片可以实现掉电存储功能，用于存储温湿度所需要的设定值，这个设定值能够和当前实际温度进行对比，对比结果能够反馈给单片机进行处理，用户可以根据需要预先通过按键来改变该设定值。当下次重新启动该设计时，AT2402便能够将上次存储的设定值再次显示出来。（6） 报警模块报警模块采用蜂鸣器来完成，通过三极管进行驱动。当温湿度超限时，蜂鸣器会发出声音来实现报警功能，温湿度回归正常时，蜂鸣器关闭不再发声。（7） 控制模块驱动模块采用继电器来完成，继电器是一种电控制器件，由触点和线圈组成。在实际操作中，它相当于一个开关，能够根据指令打开或者闭合，由此起到驱动空调和风机运行的作用。显示模块主控模块 总体模块结构图如下所示：温湿度模块阀值模块报警模块按键模块控制模块 图3-1 总体模块结构图3.2 主控模块主控模块肩负着调动系统全局资源，分析接收到的数据并进行快速处理的任务。此外主控模块还必须将处理结果即时传送给相关元件，并且要求主控模块的稳定性和操纵性较好。STC89C51作为一种高性能的CMOS型8位微处理器，其内部具有4KB的字节空间来提供程序编写。作为一款基础型的单片机，其内部原理较为简单，许多设计需要运用到嵌入式控制系统时，往往将其列为首要考虑芯片，其操作灵活而且性价比高的性质受到广大工程师的喜爱。根据设计要求，这里选择89C51单片机来作为主控模块，可以满足设计要求。3.2.1 STC89C51单片机简介89C51单片机分为AT89C51和STC89C51两种。AT89C51单片机是由美国艾特梅尔（ATMEL）公司生产的，属于MCS-51系列，基于8051内核，需要通过编程器才能将程序烧入进去，用户程序空间为4K，性能稳定，质量上佳。而STC89C51是由中国宏晶公司所生产的基础单片机，内核同样为8051，其内部RAM拥有256KB的存储空间，而ROM可以达到4KB到8KB的容量，远大于AT89C51单片机。STC89C51支持在线编程，也就是具有ISP功能。STC89C51单片机和AT89C51绝大多少参数都是一样的，但是明显STC89C51单片机更加快捷方便，而且由于是国内生产，其价格更加便宜。考虑到这些因素，我们选择STC89C51单片机来作为主控模块。单片机的主要应用领域在于嵌入式系统和测控系统，国际上通常将其称之为嵌入式控制器也正是这个原因。89C51单片机具有40个引脚，这些引脚具有不同的功能，需要认真掌握才能将单片机的功能发挥出来。其引脚主要分为以下类型：（1） 电源引脚电源引脚分为两个，其中Vcc引脚接入电源正极，伏数要求为5V。另一个为Vss引脚，用于接地。（2） 控制引脚控制引脚有4个，主要是给单片机提供控制信号，有些引脚还兼具有复位功能。控制引脚分别为RST复位引脚、EA控制引脚、ALE/PROG地址引脚和PSEN读选引脚。这些引脚共同工作，为单片机的控制提供保障。（3） 并行I/O口引脚这类引脚总共有P1、P2、P3、P4等四组，主要是充当接收数据和发送数据的功能，同时P3口的引脚还可以提供第二功能。（4） 时钟引脚时钟引脚分为XTAL1引脚和XTAL2引脚，可以作为时钟电路和内部振荡器的输入端口。图3-2 单片机引脚图89C51是实质是8位的微处理器，采用DIP的封装方式，内部具有一定空间的数据存储空间，同时具有两个定时器/计数器。该单片机提供片内振荡和时钟电路的功能，但是需要用户外接才能够起作用。3.2.2 单片机最小系统单片机的运行必须接入最小系统，它是使得单片机能够正常运行的一个最低配置，只有达到这个配置才可以正常工作。最小系统包括：（1）复位系统，此系统可以将单片机进行复位，我们下载进单片机里面的程序也将从新开始运行;（2）电源系统，也就是上文所说的Vcc和Vss引脚，用于给单片机提供电源动力;（3）时钟系统，可以给单片机提供片内振荡和时钟电路的功能，这对于单片机的正常判断和输出具有非常重要的功能。其最小系统电路图如下图所示：图3-3 最小系统电路图3.3 温湿度模块温湿度模块主要是以温湿度传感器为核心搭建一个检测温度和湿度的模块。我们需要检测的值不像其他传感器一样只需要检测一个变量，所以首先想到的是分别通过温度传感器和湿度传感器联合在一起，共同组成一个温湿度模块。但是如果选择这种方案，那么需要设计的东西更多，所涉及的电路也必然更加复杂。通过搜索，发现其实是有温度湿度都已经集成在一起的温湿度传感器，例如SHT11、SHT25、DHT11、DHT22等。根据设计要求和编程难易等因素来筛选，DHT11温湿度传感器是作为本设计的最佳选择。3.2.1 DHT11传感器简介DHT11温湿度传感器是一款数字型的传感器，它的内部包括有NTC型温敏电阻和电阻式湿敏电阻，它的内部集成有一个微型的8位单片机，可以直接将检测到的电压变化转化为数字量，不需要客户再去通过电阻特性和电压变化来计算温湿度的正确值。因为温度测量和湿度测量装置都已经包装好，所以抗干扰能力很强，对温湿度的响应时间很短，国内的DHT11温湿度传感器大多是由广州奥松公司所生产，已经得到大量生产，价格低廉，和其他温湿度传感器动辄几十上百的价格相比，这款传感器性价比非常高。除此之外，它的体积小、重量轻、功耗非常少等有点也同样受到广大工程师的喜爱。这款温湿度传感器的测量范围为：湿度范围为20%RH-90%RH，精度为正负5%RH，温度范围为0-50，精度为正负2。图3-4 DHT11实物3.2.2 DHT11使用说明DHT11共有4个引脚，分别代表着不同的功能，从传感器正面看起从左到右分别为1脚、2脚、3脚和4脚。1脚：Vcc电源引脚，是传感器的供电端，接入电压为3V到5.5V。2脚：Dout输出引脚，用于将内部的温湿度信息传递到外接设备。3脚：NC悬空引脚，此脚不用接任何电路。4脚：GND接地引脚，用于接地或者电源的负极。图3-5 引脚介绍DHT11传感器内部的微处理器与温湿度信息间的通讯使用单总线数据格式，实际工作的时间为4毫秒左右。传感器一开始默认状态是低速模式，当主控模块发送信号给传感器时，传感器立即转入到高速模式，当这个信号结束后，传感器才开始发送相应的有效信号，传送约40bit的内容并开始进行信号采集工作。没有接收到主控模块的发送信号时，传感器是不会开始温湿度采集的，一旦数据采集完毕，传感器就会转变为低速模式，等待下一次信号的到来。DHT11传感器时序图如下所示：图3-6 DHT11时序图从图上我们可以看到，传感器时一开始是属于高电平状态，使用时必须先给它一个信号，拉低应答线，接着又拉高应答线，进入到等待传感器响应状态。而等待DHT11的响应，其实就是等待数据线被拉低，等到传感器要开始进行数据输出时，再次把数据线拉低，此时数据就传送给了主控模块，主控模块可以根据传过来的高电平的长短来判断输出的数据是1还是0，再通过检查校验位，整个传输过程就完成了。自带的原理图库中并没有DHT11这个元件，我们需要知道它的封装信息自行建库，然后才能完成PCB图的设计，其封装信息如下所示：图3-7 封装信息DHT11虽然性质稳定，但仍然需要注意一些事项，避免导致失灵：（1）不能长时间工作，否则将导致产品的老化加速。（2）不能放置在化学物质中，否则将导致感应层破坏，灵敏度下降。（3）不能在极端环境下进行温湿度测试，否则将导致检测结果不准确。（4）数据传输线选择尽量材质较好的，避免影响传输质量。（5）如果DHT11失灵，在规定温湿度条件下风干5小时以上即可恢复正常。3.2.3 电路设计实际原理图中的电路连接如下所示：图3-8 DHT11接口图3.3 按键模块设计需要通过显示元件来表示温度的设定阀值和当前值，同时需要按键来控制一定的参数，所以加入了按键与显示模块。键盘的接口需要和主控模块连接在一起，主要分为编码键盘和非编码键盘。由于主控模块剩余接口较少，加上我们实际需要控制的变量很少，所以这里采用非编码中的独立式来组成键盘。3.3.1 独立按键简介独立式按键是指单独的一个按键，存在多个按键时，各个按键之间相互独立，每个按键都有专门的一根线与主控模块连接。主控模块会根据传过来的电平高低来判断按键是否按下。独立按键的实物共有4个引脚，两个引脚之间有一根横线划痕的表示这两个引脚是相互联通的，反之两个引脚间没有横线划痕的则表示是断开的。独立按键可以单独工作，也可以多个独立按键共同组成矩阵键盘，实现更多复杂的功能。单片机除了可以单纯检测出按键是否按下，也可以通过判断按下键盘的时间长度来实现一些复杂的功能，而这些都不需要额外的元件，完全通过编程就能实现。独立按键的实物图如下所示：图3-9 独立按键实物按键的按下到实现相应的功能有一系列的动作，这些工作都需要在编程中实现，必须每一步都到位才能设计成功。按键的工作流程如下所示：找到键值对应程序判断按键是否按下识别哪个按键按下图3-10独立按键流程图3.3.2 按键消抖独立按键在闭合与断开时会存在抖动阶段，此时电压会出现一串负脉冲，导致影响单片机进行按键判断。抖动时间与按键材质有关，大多为5毫秒到10毫秒。如果不进行消抖处理，那么单片机可能会对明明一次按键动作误判为多次按键，从而影响实际设计效果。按键常用的消抖方法有两种，第一种是接入专用的按键接口芯片，通过芯片内部的硬件电路达到自动消抖的目的。我们也可以自己设计一段硬件电路来代替这个芯片完成消抖设计。这种方法需要外接其他元件，实际操作较为复杂。第二种是通过软件编程延时的方法来消除抖动，其基本流程如下所示：按键松开，检测到高电平按键按下，检测到低电平延时10ms延时10ms检测到仍然是高电平检测到仍然是低电平确认该件确实按松开确认该件确实按下图3-11 消抖流程图软件消除抖动只需要在编程上加入一个简单的延时程序，不需要额外的加入其他元件，达到的效果和硬件消抖是一样的，而且更加节省资源和方便设计。本次设计本来按键就只有4个，所以采用的就是软件消抖方法。3.3.3 电路设计本次4个按键承担的任务分别是控制温度阀值的加减和湿度阀值的加减。（1） 按下温度阀值加键时，液晶屏显示温度上限值加一;（2） 按下温度阀值减键时，液晶屏显示温度上限值减一;（3） 按下湿度阀值加键时，液晶屏显示湿度上限值加一;（4） 按下湿度阀值减键时，液晶屏显示湿度上限值减一。其电路设计较为简单，具体电路连接如下所示：图3-12 按键电路图3.4 显示模块现在可以用于单片机控制的显示器有许多，常用的有LED数码管、LCD1602液晶屏、TFT彩色屏等，LED数码管布线复杂，编程较为麻烦，而且很不稳定，容易出现闪屏，亮度不够等问题。TFT彩色屏造价较高，程序较为繁琐，适合显示复杂内容。这两者都不适合本次设计，而LCD1602不但编程简单，而且显示稳定，价格也很便宜，是作为本次显示屏的最佳选择。3.4.1 LCD1602简介LCD1602是一种由日本开发的液晶显示器，分为背光式和无背光式两种，可以用来显示数字、字母、字符和平假名等。LCD1602共有上下两行，每行可以显示16个字符，所以取名叫1602。LCD1602内部由若干个等点阵的字符位组成，位与位中间以及上下行中间，用于间隔相邻的字符，避免产生阅读困难。而这个设定也注定了这款显示屏无法很好的显示视频，但是在不需要图形且字符量较小的设计上，这款显示器无疑是最好的选择，其实物图如下所示：图3-13 LCD1602实物3.4.2 LCD1602使用说明LCD1602早在几十年前就已经得到量产，性质稳定，图形清晰，适合用于小电压电源下的工程设计，其具体工作环境如下表所示：表3-1 LCD工作环境显示16*2字符电压4.5V5.5V电流20mA字符尺寸2.96*4.35mm最佳电压5VLCD1602共有16个引脚，每个引脚分别具有不同的功能，焊接和编程时需要特别注意，一旦出现混乱将无法正常内容。各引脚说明如下所示：表3-2 引脚说明序号符号说明序号符号说明1GND接地9D2数据2VCC电源10D3数据3VL显示偏压11D4数据4RS数据/命令12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能端14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极LCD1602内部已经将LCD驱动器、控制器、RAM、ROM和显示器用贴片方式连在了一起，不需要用户自行设计这些，只需要购买整个的一个LCD1602显示模块。由于内部含有存储空间，ROM里面已经存有许多字符，使用时只要对照着专门的字符库表格，即可以轻松调出显示内容。除了不能修改的ROM字符库，还有64个字节的RAM存储空间，我们可以自己来设计8个字符。LCD1602的时序有两类，一种是读操作时序，另外一种是写操作时序。通过指令编程可以实现它的读写操作、光标移动和屏幕亮度的改变。成熟的驱动程序网络上有很多，他们都具有相似的编程思想，很多可以直接拿来使用，但是看懂时序依旧重要，只有读懂时序并跟着时序编写程序，才能真正学会这个元件的使用，最后才能完成我们的设计。LCD1602的时序图如下所示：图3-14 读操作时序图图3-15 写操作时序图3.4.3 电路设计本次设计中，LCD1602显示屏主要用来显示当前温湿度值和温湿度的阀值。实际的电路中，单片机和LCD1602之间需要加入一个上拉电阻，用来提高LCD1602的亮度，同时起到保持电压稳定的作用。具体的电路图如下所示：图3-16 LCD1602连接图实际仿真时的显示效果如下所示：图3-17 实际仿真效果图3.5 阀值模块本次设计需要提供一个温湿度上下限的阀值，当超过这个阀值时，蜂鸣器开始报警，控制系统开始工作。我们可以直接通过在单片机上编程来实现这个功能，可是这样会大大增加编程难度。这里采用了AT2402元件，这是一种EEPROM型存储器器件，特点是存储在里面的数据即使掉电了，下次运行还能够恢复原状。3.5.1 AT2402简介AT2402具有写保护功能，可以自行定义擦写周期，其数据保存时间长达一百年之久。工作电压为1.8V到6V，采用串型总线技术可以通过I2C总线接口进行操作。AT2402有8个引脚，为直插式低功耗存储元件。其引脚配置如下所示：图3-18 引脚配置图8个引脚分别代表不同的功能，具体描述如下表所示：表3-3 管脚描述管脚作用A0、A1、A2地址选择SDA串行数据和地址SCL串行时钟WP写保护Vcc1.8V6.0VVss接地A0、A1、A2三位地址选择可以通过二进制的方法提供8位的地址。WP引脚连接到正极时，AT2402里的内容都被写保护，只能读取不能修改。当WP引脚连到负极或者悬空时，则可以自由修改AT2402里的存储内容。其作用是防止使用者由于不当措施导致内部数据损坏。AT2402总线时序图如下所示：图3-19 总线时序图从图中可以看到，当时钟线处于高电平状态时，数据线由高到低的变化作为起始信号，而始终线处于低电平状态时，数据线由低到高的变化作为停止信号。而当数据传输过程中则需要数据线维持稳定，不允许发生跳变。3.5.2 电路设计实际设计中，AT2402里存储着温湿度的上下限阀值，该值始终显示在LCD1602液晶屏上，并可以通过按键改变这个上下限。当修改过上下限阀值后，下次再次启动电源，系统仍会显示上次修改前的数值。实际的电路图如下所示：图3-20 AT2402电路图3.6 报警模块当温湿度超过设定阀值时，我们不仅希望控制系统开始工作，也希望有个报警装置能够提醒用户，避免因高温或过湿导致整个系统奔溃。对于单片机的设计，采用最多的是用蜂鸣器来作为报警模块。3.6.1 蜂鸣器简介蜂鸣器是一种电子讯响器，分为压电式和电磁式两种，按电流的种类，又可以分为直流式蜂鸣器和交流式蜂鸣器，按封装方式可以分为直擦式和贴片式。其体积较小，重量非常轻，灵敏度高，质量可靠而且造价低廉，非常适合模拟一些报警装置。常用的蜂鸣器为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种，有源蜂鸣器内部含有震荡源，一通电就会发出声音。而无源蜂鸣器内部无震荡源，必须以2K到5K的方式去驱动它，因此可以通过编写程序，使蜂鸣器发出不同的音调。两者相比，有源蜂鸣器编程简单，但是只会有一种声音，而无源编程稍显复杂，但效果多样，而且价格比有源的低，所以这里选择无源蜂鸣器。图3-21 蜂鸣器实物3.6.2 电路设计蜂鸣器的电流要求一般很大，直接接入电路中很可能带不动，所以需要设计一段放大电路才行，实际操作中，往往通过加入一个三极管的方式来实现放大电流的作用。实际电路设计如下所示（9012为驱动三极管）：图3-22 蜂鸣器电路图3.7 控制模块当温湿度超限时，需要通过外接设备达到加温、降温、加湿、去湿的效果。本次设计采用的电源为5V，这点电压很难带动外接的风机和空调，所以加入了继电器来作为一个开关，起到控制外接设备的作用。3.7.1 继电器简介继电器是一种电控制器件，一般由线圈、铁芯、触点簧片、衔铁等组成的。通电后出现电磁效应，电磁力的产生把衔铁吸引过来，让其触碰到铁芯，继而带动衔铁的常闭点和常开点相互吸合。断电后电磁的吸力消失，衔铁就又返回到原来的位置，电路就被切断。继电器的作用主要是放大，通过小电流控制大功率电路，它的实质是一个电路开关。因为这个电磁吸合特性，继电器在电路中还往往扮演着安全保护和转换电路的角色。图3-23 继电器原理图继电器按工作原理来说有许多分类，如电继继电器、固体继电器、温度继电器舌簧继电器、时间继电器、霍尔效应继电器等，符合我们设计需要的无疑是电继继电器，这种继电器的触点分为以下三种方式：表3-4 继电器触点分类断电时通电时动合常开型触点断开触电闭合动端常闭型触点闭合触电断开转换型一个闭合一个断开一个断开一个闭合3.7.2 电路设计本次设计采用了2个继电器，驱动空调来降低温度，驱动风机来降低湿度。当温度或者湿度超过设定阀值时，系统会自动判定哪一个继电器闭合，继而带动设备来将温湿度带回到设定范围内。当温湿度到达设定范围内时，系统再判定该继电器断开，继而关闭设备的运行，由此达到控制温湿度的目的。单个继电器电路设计如下所示：图3-24 继电器驱动电路图第四章 软件设计第四章 软件设计4.1 总体设计 了解清楚各个部分的硬件设计后，我们需要对整个总体设计有个全局的了解。系统的运行效果主要是根据软件编程来设计的，根据我们的设计思路，首先对设计总体进行分模块设计，各个模块再单独设计运行效果，最后所有模块合在一起构成一个总体设计。总体设计的流程图如下所示：开始初始化延时检测温湿度液晶屏显示数据温湿度比较温湿超过温度上限超过湿度上限继电器吸合空调开始工作继电器吸合风机开始工作结束 图 4-1总体设计流程图4.2温湿度模块设计温湿度模块采用DHT11温湿度传感器来进行设计，这款传感器内部集合有模拟量转数字量的设计，不需要我们另外设计一段A/D转化电路，这也免去了我们再去进行A/D转化的软件设计。DHT11的编程首先需要定义温湿度的变量，以便后期调用以及单片机处理，然后是进行一个读取温湿度数据的循环，读取了数据后还需要进行数据校验，中间多次用到延时处理，所以最后要记得再加上一段延时子程序。经过这样的处理，DHT11就能实时接受到外界的温湿度信息，并且转化成数字量传送给主控模块，整个温湿度模块就设计好了。DHT11具体读取外界温湿度信息的过程如下面流程图所示：DHT11上电延时1S保持高电平检测记录信号输出低电平延时输出低电平数据输出结束信号图 4-2DHT11程序流程图4.3按键模块设计按键设计采用中断扫描的方式，根据按键的动作，会有一个中断信号，单片机随机相应这个信号，并马上执行相应程序，从而判别出键号。按键扫描按键按下？进行采样显示检测数值调取控制程序显示设定值按键扫描有键按下？为设定键？数值设定显示设定值为功能键？NNNNYYYY图4-3 按键程序流程图4.4显示模块设计显示模块采用LCD1602作为元件，这款显示屏的使用需要根据时序来编写程序，首先需要将LCD1602初始化，然后需要一段判忙函数来确认此时指令是否有效，接着需要写入命令函数、写入数据函数和清屏函数后，才可以开始对LCD1602进行显示效果的编程。显示效果编程的流程图如下所示：开始LCD初始化延时设置LCD第一行显示第一行内容LCD第二行设置显示第二行内容图4-4 显示程序流程图4.5 Proteus软件仿真在进行实物制作前，我们需要先用Proteus来验证我们的猜想。Proteus软件是一款英国开发的专业仿真软件，可以模拟许多EDA类工具，尤其对于单片机方面的仿真，具有很强的借鉴性。工程师们需要验证一个方案的实施性，往往可以通过这个软件搭建电路查看效果，不需要再耗时耗力制作实物，大大节省了工程师的时间和精力，受到广大学生、教师和工程师的青睐。Proteus上的芯片支持hex文件的导入，可以用Keil软件编写程序后生成Keil软件，然后导入到Proteus上的模拟单片机上查看操控效果。此外这款软件的实时编译和调试功能也很重要，用户可以直接边调试边验证结果。由于Proteus是仿真效果，和实物相比还是有差距的，很多实际应用中可能会出现问题的电路，在Proteus上仍然可以实现效果，例如LCD1602在Proteus上没有加入上拉电阻也可以显示内容，但实际制作中如果没有上拉电阻，LCD的显示亮度是不够的。即使如此，这仍然是一款实物制作前验证设计思路的最佳软件。随着软件的更新迭代，目前的Proteus已经可以实现和PCB图之间的转换，并支持多种格式的文件输出。本次设计的软件设计正是运用到了这个软件，并且为后面的原理图和PCB图的设计省下了很多时间。本次设计Proteus仿真图如下所示：图4-5 Proteus软件仿真图4.6 keil程序编写Keil软件是一款由美国开发的C语言软件开发系统，他支持C语言的在线编写，而且可以建立一个大的工程文件，能够将主程序和子程序分别建立文件编入到该工程中，从而实现软件编写模块化，和硬件设计模块化相结合。汇编语言是C语言的底层部分，具有更精准的数据处理，但是较为繁琐，思路不够清晰，写出的程序较难马上看懂。所以C语言逐渐代替了汇编，成为单片机开发的宠儿。Keil正是一款适合C语言编写的程序，其内部编写环境较好，支持错误查找，是使用C语言编程的最好的软件之一。编写页面如下所示：图4-6Keil 软件运行图Keil软件另一个重要功能是可以将编译