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人类的生活环境中的温度和湿度的分析研究的毕业论文第一章 概述温度和湿度与人类生活发展密不可分。在人类的生活环境中，温湿度度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温湿度打着交道。自18世纪英国工业革命以来，工业发展对是否能掌握温湿度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药、保鲜、军事、生活环境等各行各业，可以说几乎80%的行业部门都不得不考虑着温湿度的因素。因此温湿度的对社会发展，人类生活起到直接而又重要的干扰作用。1.1研究背景 21 世纪以来，科技推动着社会不断向前进步，使得人们的生活水平也有很大的提高，人们对生活质量的要求也越来越高，不单单在是吃穿住行的物质生活的提高，更多的是精神需求的提高，其中优良的室内生活环境自然也是提高生活质量的重要组成部分。然而，随着科技的快速进步，现代工业迅猛发展，人们生活的环境情况变化较大，各行各业各种气体的排放，使得环境自动调节温湿度的能力下降，使人们的生活环境发生了很大的变化，虽然我们不能改变大气中的温湿度，但我们可以改善室内的温湿度，让我们生活在自己理想和舒适的环境中。因此，对室内环境的良好控制也成为了人们对生活的基本要求，成为构建幸福家庭、和谐社会的重要元素。而温度湿度又是良好环境基本、最重要的两个因素。因此，在现代生活中，加强对室内温温湿度的检测与控制，是保证我们的生活与工环境良好的重要条件。所以，我们就需要一种不仅能检测温度和湿度，而且还要能对温度和湿度进行调节的系统装置。此系统装置需要满足使用简单、易于观察、自动报警、自动调节和便于控制等要求，方便人们根据不同时节以及自身的需要进行的调整，使自己的生活环境、工作环境达到理想的目标。这不仅仅是对我们生存环境的改善，同时也能体现出现代科技带给人们的好处，体现了社会的的发达与进步。1.2国内外发展现状 如今随着科技的快速发展，国内外温度传感器和湿度传感器的形式各式各样，再加之人们在各种环境下工作和实验，使之温度和湿度传感器的种类是五花八门，同时单片机和大规模集成电路技术的不断发展与成熟，出现了很多性能高，可靠性强的单片机数据采集系统，但是利用单片机检测控制系统来监控温度和湿度的实验例子缺十分稀少。随着经济和社会的不断发展，人们对自己生活环境的要求越来越严格，特别是在一些特殊的工作区域和实验基地中，温度和湿度的监控要求是十分的严格。基于单片机的室内环境监控系统设计，将会实现对室内温度和湿度的监控做出详细的分析和处理，采用性能极高的控制芯片与可靠性强、精度准的温度传感器和湿度传感器，逐步向模块化、高速化和智能化及自动化的单片机控制系统靠拢。将此系统应用于生活、工作等环境中，无疑提高了人们的生活品质和工作效率。从20世纪70年代到现在，中国不停地从美国、德国、日本等发达国家先后引进了先进的温室农业技术，并不停的在吸收和总结改善发达国家先进的温湿度控制技术的基础上，我国的科研人员相对加深的研究，并建了全国范围内第一个计算机应用研究基地，来自清华大学的郑学坚第一次说了一下应用单片机的监控人工恒定温度实验箱的技术，其次是来自农业科学院徐师华报道了Z-80C温室的硬件和软件的实施方案。1966年，江苏理工大学制作出室内环境监控系统，可以智能化的监控室内温度和湿度，当超出预设范围的温度和湿度，系统实现自动调节。虽然中国在智能监控技术领域获得了一定的成绩，但在多因数监控方面和欧美相比还是有很大的差距，差不多都是一些单一因子的监控，没有全面综合的研究。目前欧美发达国家正在致力研究和发展温室环境的监控，通过单片机来检测和控制作物生长必须物质的量，来满足室内作物的生长，1974年荷兰作为全球第一位首创者，研究出计算机控制的CECS。1978年日本东京大学的学者们，不懈努力的研制微型计算机温室环境监控系统，并取得一定的成果，现在一些欧美等发达国家可以根据作物的生长需要，来控制室内的多元素因子（温度、湿度、二氧化碳）。另外，欧美发达国家室内环境监控技术正在高速发展，特别是远距离检测、区域网络。控制的范围室外环境的监控。 1.3本设计的主要内容 本设计可以通过对外界温度和湿度的采集来控制温度和湿度调节器的启停以及自动智能调节室内温湿度。同时还能随着人们的思想，随时改变室内的温度和湿度，并通过单片机的监控系统，让温度和湿度保持在特定的范围内。同时当温度或者湿度超出预设的范围，自动启动声光报警器进行报警和自动调节。主要使用器件如下：PT100热敏阻传感器HS1101湿度传感器ADC0809转换芯片AT89C51单片机MAX721显示芯片温度调节器、湿度调节器 第二章 总体方案设计 本设计是利用单片机能对数字信号加以分析处理，温度传感器和湿度传感器是通过把温度和湿度的变化来影响自身电容、电阻的变化来生成模拟信号，ADC0809转换器能够把传感器生成的 模拟信号转变成单片机可识别的数字信号，同时输进单片机，进过分析处理，把当前环境中的温度和湿度信息通过显示器传递给人们或者通过温湿度监控系统，来调节当前环境温度和湿度。本设计的采用了AT89C51单片机为核心的温度和湿度监控系统，整个系统由AT89C51单片机、时钟电路、复位电路、AD转换器、键盘控制电路、声光报警电路、温度和湿度调节电路等组合而成。2.1方案选择方案一；由PT100热敏电阻温度传感器和湿度传感其HS101实实在在的采集温度和湿度数据，再由ADC0809对温度和湿度传感器产生的模拟信号转换成单片机识别的数字信息，并且将转换后的数据信息传入AT89C51单片机进行存储及判断识别处理，然后将转换后的数字信号输入AT89C51单片机，将采集到的实际温度与湿度和预设的数值区域作大小比较，如果环境实际温度和湿度不在预设区域内，则自动声光报警和自动调节室内温度和湿度，如果在预设区域内，则在不同的CLE显示器显示当前实际环境温度和湿度。其中PT100热敏电阻传感器的采温范围为-210+390，它还有很好的抗干扰性、运行起来十分的稳定、测量数据的精度很高、优点。HS1101湿度传感器可采集的湿度范围是0%90%RH最小区分度为1%RH。该方案可实时显示当前温度、湿度数值，还能自动调节室内的温度和湿度。方案二；采集瑞士Sendirion公司研究的先进集温度传感器和湿度传感器与一体的数字SHT71传感器，并且还包含了集成发大电路，模拟量转数字量的转换器和可以传递数字信号的接口。其还可以同时采集温度和湿度信息，在经过核心单片机对转换后的数字信号加以分析判断并保存，随后将分析判断过的数据传给数码管，同时向温度和湿度调节电路发出调节指令。综上所述，方案一采用的是不同的传感器分别对温度和湿度进行采集，并经过外在的AD转换，他可以增加设计的复杂性，更加贴近我们的学习和实验。方案二采用先进的传感器，完完全全简化了设计，让我们的了解到的知识和所做的实验变得简单。因此本设计采用方案一。2.2系统总体方案设计本设计是把单片机作为控制中心，让热敏电阻温度传感器和电容湿度传感器作为采集器件，监控技术等，组建一个环境监控系统。总体设计大体能够温度采集电路、湿度采集电路、声光报警电路、键盘控制电路、显示电路、温度监控电路、湿度监控电路。选用的主要器件有：AT89C51，PT100热电阻温度传感器，HS1101湿度传感器，MAX7219芯片和数码管组成显示模块，ADC0809作为AD装换器，降温装置制冷，升温装置加热器，加湿装置喷水雾器，除湿装置除湿器，声光报警装置蜂等，监控系统总体方框结构图如下图2-1所示。 系统总体方框图2.3系统功能 （1）采用适合核心控制芯片、采温传感器、采湿传感器和显示器等（2）也能够手动方便地使用按键电路按键设定控制想要的温度和湿度数值,系统能够自动将温度和湿度调节至此预定温度和度值并能保持,直至重新设定为另组一温度值和湿度,即能实现温度和湿度的自动调节。(3)能够实现把测量出来的温度和湿度的准确数值，并且通过控制面板上的数码管同步展现出来。(4)实现超越数据的及时报警，并启动控制系统，实现自动控制的目的。 （5）现场检测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力。 （6）模块化设计,安装拆卸简单,维修方便。 （7）尽可能使用普通的、常用的随处可见的器件,如果出现问题,可以在市场上随处买到。2.4系统工作流程基于AT89C51单片机的监控工作过程如下；热敏电阻传感器和电容湿度传感器将室内的温度与湿度测量出来，将相应的模拟信息传送给ADC0809转换器，并通过其转换，生成相应的数字信息，在传人单片机，经过单片机和分析判断和存储，并发出相应的显示和控制指令。当检测的湿度值高于设定的湿度值范围时,单片机将使P0.3输出低电平,停止加湿器加湿;同时使P0.2输出高电平,使除湿器进行除湿；当检测的湿度值低于设定的湿度值范围时, 单片机将使P0.2输出低电平,停止除湿器除湿;同时使P0.3输出高电平,使加湿器进行加湿1。当检测的温度值高于设定的温度值范围时,单片机将使P0.0输出低电平,三极管断电，电磁触头收起来，停止加热;同时使P0.1输出高电平,三极管通电，电磁触头放下来，降温器进行降温；当检测的湿度值低于设定的温度值范围时, 单片机将使P0.1输出低电平,三极管断电，电磁触头收起来，停止降温器降温;同时使P0.0输出高电平,三极管通电，电磁触头放下来，加温器加温。系统工作流程图如下图2-2 所示。 系统工作流程第3章 硬件设计单片机是整个系统的高级监控机构，相当于人的大脑，决定和支配着外部电路的动作，进而实现相应的功能。硬件电路采用的模块化设计，不同的模块只能实现一个相应的动作，最后在将各个模块搭建在一起，组建一个高级多能能的监控系统，这种的设计方法完全削弱了设计者的难度，使其不会被搞晕。本系统关键硬件设计由供电电源电路、温度监控调节电路、湿度监控调节电路、ADC0809转换芯片、数码显示器组成。3.1主控电路3.1.1 AT89C51单片机本设计采用的单片机是常见的AT89C51，框图如下图3-1所示。 图3-1 AT89C51引脚图AT89C51单片机是一种工作需求电压很低，性能十分高，稳定性很强、可控性好的的单片机，并且自身内部含有4K字节能够反复擦写的程序存储器。此类单片机在生成过程中使用了ATMEL公司先进的有关分析处理数据的技术，并且能够实现与其他单片机的兼容。其内部自带8位中央处理器以及存储空间，特别是一些比较先进的单片机被使用在监控系统中。3.1.2AT89C51引脚介P3口不但能作为IO口，其更重要的是其他功能的体现，其功能说明如下表所示 表3-1RST是复位信号的写入口，当振荡器在执行命令时，RST拐角会出现至少两个周期以上的高电平，让单片机停止工作。ALE是当单片机访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲是用来锁存地址的低8位字节。即使单片机不访问外部存储器时，ALE会以时钟震荡频率的1/16输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或者用于定时目的。值得注意的是：每当访问外部数据存储器它跳过一个ALE脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还能用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。这个位置之后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应该把ALE设置为无效。PSEN是程序储存允许输出，是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期中PSEN两次有效，也就是输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号将不会出现。EA是 外部电路访问允许，想让中央处理器只是查询爱步程序存储器时，EA不能咋高电平，一定要接地。XTAL1：作为震荡电路与反相放大电路和单片机内部时钟发生器共同的输入端。XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。3.2时钟电路和复位电路3.2.1时钟电路 AT89C51单片机在实际应用中，时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机自身内部不同微小操作的时间基准。在此基础上，控制器将按照指令的功能并且产生一系列在时间上有一定先后次序的信号，这些信号是用来控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能的指令。时钟电路图如下图3-2所示。AT89C51时钟电路3.2.2复位电路复位电路是给单片机还没有工作之前，给即将开始的动作做好准备的电路 本设计在对复位电路设计上采用电复位和手动复位。这样使用起来比较方便，就算是在程序飞快的运行时，我们也可以通过手动复位，让程序停下来，不需要再去重新单片机电源。其Protel DXP电路图如下图3-3所示。AT89C51复位电路3.3测温电路设计本设计系统采用的PT100热敏传感器当温度信号采集原件，同时使用LM741为核心为放大电路。3.3.1 PT100PT100热敏电阻传感器是和温度变化成正相关变化的传感器，其有关系数如下所示； 测量范围：-210+390； 允许偏差值： A级 ， B级 ； 响应时间30s； 最小置入深度：热电阻的最小置入深度200mm； 允通电流5mA。另外，PT100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压、抗低温等优良的特点。鉑热敏电阻的线性较好，在0100摄氏度之间变化时，最大非线性偏差不超过0.5摄氏度2。鉑热电阻阻值与温度关系为： 当-200t0时， （3-1） 当0t850时， （3-2）式中，A=0.00390802 ；B=-0.000000580； C=0.0000000000042735。可见PT100在温度范围为0100摄氏度区域内的变动的线性度是十分的号，它的电阻值表达式可大约当作： （3-3）当温度变化1，PT100阻值近似变化0.39。3.3.2放大电路设计热敏电阻测温是利用金属导体的电阻值随温度的变化而成正相关变化这一特性来进行温度测量的。通常将热电阻放在电桥的桥臂上，当温度变化时，热电阻两端的电压信号会被送到仪器放大器LM741的输入端，经过仪器放大器放大后，将放大的信号输送给A/D转换芯片，从而把热敏电阻的阻值转换成单片机接收的数字量。其放大电路原理图如下图3-4所示。-图3-4信号采集与放大电路在模拟信号放大这块，我们使用了低价格、高精度的仪器放大器LM741，它运用方便，便于人为计算，也可以通过外接电阻，更加方便的进行各种增益（1-1000）的调整3。其增益计算公式为： (3-4)温度值计算过程：由于A/D检测到的模拟电压值 （3-5）通过上述计算得到的值，可利用3-6的计算公式求出温度： (3-6)其中，。3.4测湿电路设计本设计采用HS1101电容传感器来采集湿度信号。同时使用了NE555N时基芯片。3.4.1 HS1101HS1101是一种不同于普通测湿器件，它具有特定的生产技术设计的电容器件，它具有其他类型的器件可以实现大批量生产，成本低，使用范围广，可使用于办公室自动化，住宅内空气质量控制，工业控制系统等各个行业和地方。它有以下几个显著的特点： 1.全互换性，在标准环境下不需再去进行繁琐的校正。 2.长时间潮湿环境下可以快速脱湿。 3.可以自动化焊接，如波峰或水浸。 4.具有很高的可靠性和长时间工作的稳定性。 5.具有专利的固态聚合物结构。 6.可使用于线性电压电路或者频率输出回路。7.反应快速，耗时短。HS1101的简单物照图如下图3-5所示。HS1101实物照 HS1101传感器在相对湿度在0%100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF,其误差不会超出2%RH；响应时间不会超出5s；温度系统为0.04pF/。可见其精度之较高。其湿度电容响应曲线如下图3-6所示。 相对湿度百分比 HS1101湿度电容响应曲线3.4.2测湿电路的选择HS1101电容传感器，在电路构成中和电容元器件的功能是完全相同的，它的电容量大小会随着所测空气湿度的改变成正相关变化4。关于如何将电容的变化量准确地转变为单片机易于接受的数字信号时，常用两种方法5:方法一；将HS1101置于运放电路与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号6;方法二；将HS1101置于NE555N振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，在经过AD转换，可直接被单片机所采集。3.4.3 NE555N时基电路NE555N芯片是一个能产生精确定时钟脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200mA.。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容所确定；当其在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容所确定，它可以延时数微秒甚至几个小时7。其工作电压范围为：4.5V16V。NE55N框图结构如下图3-7所示。NE555N框图结构图NE555N引脚功能介绍如下表所示表3-23.4.4 基于555振荡电路的湿度测量电路设计由HS1101和NE555组成的采湿电路的电路设计原理图如图3-8所示。 测湿电路NE555电路功能的简单概括为:当6号引脚和2号引脚一起写入“1”时，3号引脚写出是“0”；当6号引脚和2号引脚一起写入“0”时，3号引脚写出是“1”；在NE555N电路时基电路中，NE555N就是因为这特点，才被选作多多稳态触发器输出频率信号。当电源接通时,由于6和2端的输入为“0”,那么定时器3端输出为“1”又由于HS1101两端电压为0,故 通过R5和R1对HS1101充电，当HS1101电容电压达到2/3时，输出由“1”变为“0”，这个时候NE555N定时器的内部的放电BJT的基极电压为“1”,放电BJT导通,从而使电容HS1101 通过R1 和内部放电BJT 进行放电,当C1 两端电压降低到/3 时,定时器又翻转,使输出变为“1”,内部放电BJT 截止,VCC 又开始通过R2 和R3 对C1 充电,如此周而复始,形成振荡。其工作循环中的充电时间为=0.7(R2+R3)C1；放电时间为 = 0.7R3*C1； 输出脉冲占空比为q (R2+R3)/(R2+2R3),为了使输出脉冲占空比接近50,R2应远远小于R3。当外界湿度变化时,HS1101 两端电容值发生改变,从而改变定时电路的输出频率。因此只要测出555的输出频率,并根据湿度与输出频率的关系,即可求得环境的湿度8。3.5 模拟信号转换器单片机在各个应用之中，特别是在实时监控系统中，常常生活环境中连续变化的因素，（如压力、流量、亮度、光照强度、温湿度），转换成单片机能够判断处理和存储的信号。反之，也需要将单片机输出的数字量转为连续变化的模拟量，用来控制调节一些执行机构，实现对被控对象的控制和调节9。这种由模拟量变为数字量，或者由数字量转为模拟量的转换，通常叫做模/数，或者数/模转换。用来实现这类信号种类转换的器件，叫做模/数（A/D）转换器或数/模（D/A）转换器。3.5.1 ADC0809ADC0809芯片是带有8路模拟信号接收线，能够在系统的监控下实现对任何线路实现信号的转换，可以和单片机直接接在一起。其主要性能有：逐次比较型；CMOS工艺制造；单电源供电；无需外部进行零点和满量度调整；可锁存三态数据传出。数据传出可以和TTL兼容；并且易于和不同的为空器件相连，自带锁存控制的8线模拟开关，其分辨率是8位，功率是15mW。其引脚图如图3-9所示 ADC0809引脚图IN0IN7：8条模拟量输入通道ADC0809对传感器采集到的模拟信号的要求；信号不能是多计极性，只接受单极性的，电压不能超过5V，如果传感器采集道德信号太小，必须用放大器或者放大系统电路进行放大；传进的模拟量在生成成数字量的进程中必须确保不变，如若模拟量变化速度非常之快，则需在信息传入之前增加采样保持电路，保证数据的不丢失。地址输入和控制线：4条ALE是地址锁存允许信号写入的通道，并且是低电平无效，一旦ALE线写进高电平时，地址锁存器和译码器将ADDA，ADDB，ADDC三条地址线的地址信号进行锁存，经过译码后被选中通道的模拟量传送进转换器进行转换。ADDA，ADDB和ADDC为地址输入线10，是用于选择通IN0IN7上的一路模拟量输入。通选择表如下表3-3所示。表2-3 通道选择表数字量输出及控制线：11条ST为模拟量转换成数字量启动的信号。当ST是上跳沿时，所有内部寄存器全部清零；当ST为下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST必须保持低电平有效。EOC作为模拟量转换成数字量结束的信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，说明正在进行A/D转换或者没有进行转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。当OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。3.5.2 ADC0809与AT89C51相连因为ADC0809转换器没有时钟，则需要添加ADC0809的转换时钟由单片机的ALE提供，我们可以采用D触发器让ADC0809和单片机的时钟保持一致。ADC0809的典型转换频率为640kHz，ALE信号频率与晶振频率有关，如果晶振频率取12MHz，则ALE的频率为2MHz，所以ADC0809的时钟端CLK与单片机的ALE端相接时，要考虑分频11。AT89C51通过地址线P3.4和读写控制线、来控制模拟输入通常地址锁存、启动和输出允许。ADC0809与单片机的连接图如图3-10所示12。 ADC0809与单片机的连接3.6 键盘与显示电路3.6.1键盘电路设计为了完成预定湿度和温度值的设定，键盘电路中设置了4个按键，S3为启动/停止键，用来控制系统的启停，S5，S7分别为加1键和减1键，设置湿度与温度的上下值，S7设置切换，用来切换设置温度与湿度预设值。按键对单片机的接口电路图如下图3-11所示图3-11按键对单片机的接口电路图3.6.2 MAX7219显示电路设计显示电路由MAX7219芯片完成，MAX7219是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极LED显示驱动器。每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管。SEGASEGG（图中为A到G）为LED七段显示器段驱动端，SEGDP为小数点驱动端；DIG7DIG0：8位数值驱动线。输出位选信号，从每个LED公共阴极吸入电流，吸收显示器共阴极电流的位驱动线。其最大值可达500 mA，关闭状态时，输出VCC。MAX7219是一种高集成化的串行输入/输出的共阴极LED显示驱动器。每片可驱动8位7段加小数点的共阴极数码管，可以数片级联，而与微处理器的连接只需3根线。MAX7219内部设有扫描电路，除了更新显示数据时从单片机接收数据外，平时独立工作，极大地节省了MCU有限的运行时间和程序资源。MAX7219芯片上包括BCD译码器、多位扫描电路、段驱动器、位驱动器和用于存放每个数据位的88静态RAM以及数个工作寄存器。通过指令设置这些工作寄存器，可以使MAX7219进入不同的工作状态。如图3-12MAX7219的时序图（DIN CLK LOAD原理） 图3-12MAX7219工作时序图这个时序图简单反映了DIN，CLK和LOAD的工作时序，就是告诉大家三个端口是怎么合作传送数据的。其中，DIN是串行数据输入端，CLK和LOAD实际上是充当了组织者。针对单片MAX7219介绍一下数据传送的过程：首先，在CLK的下降沿，无效，在CLK的上升沿，第一位二进制数据被移入内部移位寄存器，然后CLK再出现下降沿，无效，然后CLK再出现上升沿，第二位二进制数据被移入内部移位寄存器，就这样工作十六个周期，完成十六个二进制（前八个是地址，后八个是数据）的传送，这当中LOAD一直是低电平，当完成十六个二进制的传送后。把LOAD置成高电平，产生上升沿，把这16位串行数据锁存到数据或控制寄存器中。完成装载。然后再把LOAD还原为低。重复开始的动作。MAX7219与LED数码管连接如下图3-13所示。 图3-13 MAX7219与LED数码管连3.7调节电路设计3.7.1湿度调节电路当检测的湿度值高于设定的湿度值范围时,单片机将使P0.3输出低电平,停止加湿器加湿;同时使P0.2输出高电平,使除湿器进行除湿；当检测的湿度值低于设定的湿度值范围时, 单片机将使P0.2输出低电平,停止除湿器除湿;同时使P0.3输出高电平,使加湿器进行加湿13。湿度调节电路如下图3-14所示。湿度调节电路3.7.2温度调节电路 当检测的温度值高于设定的温度值范围时,单片机将使P0.0输出低电平,三极管断电，电磁触头收起来，停止加热;同时使P0.1输出高电平,三极管通电，电磁触头放下来，降温器进行降温；当检测的湿度值低于设定的温度值范围时, 单片机将使P0.1输出低电平,三极管断电，电磁触头收起来，停止降温器降温;同时使P0.0输出高电平,三极管通电，电磁触头放下来，加温器加温，电路设计图如下3-114。温度调节电路3.8声光报警电路 报警电路的设计在每一个设计和实验中是不可缺少的，他能自动提醒人们，实验不在安全和规定的范围内。报警电路的种类很多，有语音播报的，有闪烁灯光报警、声光报警的等等，本设计采用了声光报警电路，它能给人听觉和视觉上的双重报警，让人们多触觉方面的接受报警信息。本设计声光报警说明介绍如下； 当温度和湿度在设定范围内，p2.4输出高电平，绿灯亮，报警器报警。 当温度不在预设范围，p2.4输出低电平，绿灯灭，p2.5输出高电平，红灯亮，报警器响；当温度回到设定区，p2.5输出低电平，p2.4输出高电平绿灯亮，报警器不报警15。 当湿度不在预设范围，p2.4输出低电平，绿灯灭，p2.6输出高电平，黄灯亮，报警器响；当温度回到设定区，p2.6输出低电平，p2.4输出高电平绿灯亮，报警器不报警。声光报警电路图如下图3-15所示。声光报警电路3.9电源电路的设计设计一个合理的电源是非常重要的，一个好的电源设计，不仅可以减少电路的复杂程度，而且会使电路的抗干扰能力大大增强，才能保证系统的稳定性。所以在设计电源的时候，一定要认真细心。 系统中主要的用电设备为：传感器、显示器，ADC0809芯片、AT89C51等需要直流 5V 电压，而温度改善装置则需要直流12V 的电压。 电源系统采用的是市电，即 220V/50Hz 的交流电来供电,因此设计一个电源电路时，必须采用满足电压、电流、和稳定性的条件，需要经过降压、整流、滤波，再经过 78H125 才能将 220V 的交流电最终变为 12V 的直流电，12V在经过LM7805把12V变成5V的直流电。其中LM7805期间内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节电器相比，可以使用更小规格的滤波原件，它只有输入端，输出端及公共端3个引脚，内部使用过流保护、过热保护以及调整管安全保护电路，由于需要外接元件少，使用方便、可靠、所以它可以作为一个稳压电源16。这样利用市电，一是为了方便；二是可以节约成本。由 220V/50Hz 的交流电压产生 12V ，,12V变5V的电压的电路图如下3-16所示。 第四章 软件系统设计单片机的硬件和软件开发是单片机系统设计最重要的两个过程，硬件电路基本实现温度和湿度的检测，通过MAX7219高集成化的数码管显示，实时环境温湿度的基本信息，另外就是报警电路在温湿度超出预设范围自动报警。软件设计的好坏直接关系着系统运行情况的良好。因本设计涉及的模块较多，所以软件的设计也采用模块化的设计17。 4.1程序设计本设计的软件设计主要包括主程序、读出温度程序、复位应答程序、写入子程序以及温度和湿度传感器的程序（初始化子程序、写程序和读程序）。主程序对模块进行初始化。而后调用读温度湿度、处理温度湿度、显示、键盘和继电器各模块。用的是循环查询方式，来显示和控制温度和湿度。在读取温度和湿度模块子程序，不管什么时候都要对传感器按照其工作过程协议和说明进行操作，处理过程是开始、初始化、操作指令、保存数据指令，判断处理信息的顺序来操作。一个应用系统要完成各项功能，首先要有完整的硬件电路作保障，同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多有硬件完成的工作，都可以通过软件编程而代替18。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得十分简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用了器内部丰富的硬件资源好软件资源，采用51系列单片机相对的结构程序设计进行软件编程。 其中主程序主要实现系统的初始化，键值处理，A/D转换，显示数据。系统的初始化包括寄存器的初始化（控制寄存器、堆栈、中断寄存器等），通信的初始化（串口的初始化，ADC0809的初始化，通信缓冲区的初始化），LED显示的初始化，输出端口的初始化，采集、累计数据的初始化。键值处理包括对系统三个键的判断与处理,A/D转换包括数据转换.显示数据包括数据转换（主要实现将各类参数、测量数据、计算累计值等转换成LED显示所需的数据类型）和显示屏的刷新（包括刷新采集数据屏和根据按下的键更改显示屏）。子程序主要由温度信号采集程序和键值处理程序等。其程序流程图如下图4-2所示。 图4-2 程序主流程图4.2键盘管理键盘管理软件包括键盘消息接收和键盘消息处理两个部分。按键软件消息的收取主要指当操作者按下某个按键以后，单片机立即对按键键盘接口的分析和判断，接受键盘所传递的信号，立刻查找按键获取信息并存储。键盘对获得消息的处理方法是通过查找相关设计，取出键值，并按照所查找的信息分析和区分做出动作，在本设计中，其按键有“+”、“-”、启停、切换按键，每一个按键处理程序都在控制电路中运行。其流程图如图4-3。 键盘程序图4.3模拟量的采集与处理由于不同地点的有不同的温湿度和干扰的存在，可能导致AD转换的结果与室内温度和湿度出现差异，为了提高系统的可靠性和信号的真实性，采用程序计算的方法对采样信号进行平滑加工，从而克服虚假信号，这种算法称为数字滤波。数字滤波的方法有以下几种：限幅滤波，其基本方法是通过比较相邻(n和n-1时刻)的两个采样值和，如果它们的差值过大超出了参数可能的最大变化范围，则认为发生了随机干扰，并视后一次采样值为非法值，应予剔除 限幅滤波法，就是相邻采样值相互比较，如果某两个数值差距过大，超过了可取值的最大范围，则直接去掉。 中值滤波法，就是不停地多次采样，但采样次数必须为奇数，取其最中间的数值作为采样标准。 算术平均滤波法，就是不停的多次采样，然后然后求多次采样数值的平均值。计算公式为；因为算术平均滤波方法简单、数据采集更加精确，滤波结果就是对多地点温度和湿度多次测量，然后取其的平均值，更加真实的反应了被测温度和湿度的大小，因此，本系统采用了算术平均滤波法。设计时，温度传感器和湿度传感器产生的模拟电压信号先送入模拟量采集器，其一次采样周期为T，按顺序把个信号一次送入AD转换器一次性全部装换。为了更真实的获得被测信息，减少外在干扰每一个传感器在20ms内获取4次信号。也就是采样周期为5ms。当4次采集到的数据平均化，这个平均值就是本次采集的数据。当4次采集完事后，将信息换换成有用的量，在传送至各个控制系统和报警电路，同时判断是否应当报警。流程图如下图4-4所示。模拟量采集流程图从传感器输出的是一个模拟信号，ADC0809的作用就是要把这个单片机不能识别的模拟信号转换成一个可以读取的数字信号。这时所用到的计算机思想就是插值法19。即当ADC0809的输入与输出特性为非线性时，可以用一个单调非线性函数来表示。将x平均分成几个小段，每一个小段的两头都对应一个输出，然后把这些整理成数据库保存起来，每次测量的数值都会安置在一个小段内。插值法的思想是在某段范围内，用简单的平滑线来代替真是的曲线，再用代替曲线有关的公式计算。ADC0809的操作流程图如下4-5所示。4.4显示管理 显示软件管理是给人们获取真实信息的直观渠道，能够直观的看到所采集的当前环境的温湿度数值。 其流程图如下图4-6所示。 结 论本次设计是以温度和湿度采集监控为总目标，用AT89C51单片机最小应用系统为总控制中心，外部电路设计包含了温度采样电路PT100、湿度采样电路HS1101，ADC0809模拟信号转换单元、MAX7219芯片和数码管，按键电路，声光报警电路，温度调节电路，湿度调节电路等共同构建了一个室内环境监控系统，该系统能够自动检测和控制室内的温度和湿度。在设计过程中，遇到了许多问题，如设计初始阶段盲目迷茫、目的不明，思绪混乱，不知道从何处下手等诸多问题。随后就是在硬件电路的设计过程中，ADC0809芯片与AT89C51单片机的链接这块，由于AD转换器自身没有时钟，不能确保其工作手气和单片机同步，为了查找解决办法，与老师同学们商量讨论，最终决定在AD转换器和单片机之间增加一个D触发器，来确保他们工作频率一致。本设计细心设计了硬件电路和软件程序，实现了室内环境温度和湿度的智能化监控，具有教强的稳定性和较高的可靠性等优点。不足之处就是本人水平低，能力弱，在大图的布局上还是不够美观，论文的说明不够专业化，很多语言文字不能精准的介绍有关电路和软件等。 致谢经过大学4年的学习，我不单单学到了专业知识和技能上的知识，更多的是学到了老师传给我们做人的道理，怎样做一个能对社会，国家，人民 做出贡献的有用之人。特别是在做大学毕业设计之时，陈国民老师给予了我细心的指导和鼓励，当我在做毕业设计不论是大图的设计还是论文的撰写遇到问题，他总会放下自己的繁忙的工作，给我解难答疑，教我如何思考，怎么做。如果没有陈老师的悉心指导，就不可能有本次设计的完成，在此向陈老师表示真挚的感谢和衷心的祝福。其次感谢本组毕业设计的其他同学，感谢你们给我提供的帮助。最后感谢学校4年来的培育之情，衷心祝愿母校人才济济,桃李满天下。成为人才的摇篮,知识的沃土。参考文献 1. 卞金洪 基于AT89C52的智能湿度控制器的设计113，盐城工学院电信工程学院,江苏盐城224003 2.互联网数据 PT100铂金属温度传感器使用_电子设计应用_电子设计产._华强电子网2 3李琴 三相电机温度智能监测系统研究3 2012，(15)：27 -27 . 4.田庆华 十六位单片机在语音湿度测试仪中的应用4 2010，11(1)：226 -227 . 5.34基于AT89S51单片机的以HS1101作为前端湿敏元件的室内湿度检测.5 11 6.薛营1 孙徽2 基于单片机的大棚温、湿度的检测系统的设计6 2014，11(4)： - . 7.刘芯彤 AT89C51单片机为主控元件的超声波水位测量系统设计7 2015，(14)： - 8.张萍1 黄增双2 基于555定时器的数字化测湿方法的研究 8 2007，26(9)：1