毕业设计（论文）基于单片机湿度控制系统设计

1、河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要摘 要随着科技的发达，以及人民生活水平的提高，人民室内生活环境不断改善，出现了空调、智能温度器、室内净化器等一系列改善人民生活条件的高科技产品。然而这并不能满足人民越来越高的生活需求，有些人提出了湿度的要求，本设计就在此基础上，设计一种基于89c51单片机控制的智能湿度控制系统。此系统采用了sht1x7x系列单片集成传感器；而且，通过软件编程，再加上相应的控制电路（光电耦合及继电器等部分电路组成），设计出可以自动的调节当前环境的相对湿度：当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控

2、制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态；键盘设置及调整湿度的初始值，另外在设计个过程当中，考虑了处理器抗干扰，加入了单片机监视电路。通过对基于单片机的相对湿度控制器设计，加深对传感器技术及检测技术的了解，巩固对单片机知识的掌握，并系统的复习本专业所学过的知识。关键词：湿度控制，传感器，湿度调节abstractwith the development of science and technology, the improvement of and the living standards of the people, the people ar

3、e improving constantly in indoor living environment, the air conditioner , intellectual temperature device , high-tech products of such peoples living conditions of a series of improvement as the purifying device ,etc. in the room have appeared. but this can not meet higher and higher life demands o

4、f people , some people propose the demand for the humidity, this text is just on this basis, design one on the basis of intellectual humidity control system which 89c51 mcu controlled. this system uses a series of monolithic integrated sensors sht1x/7x. and, through software programming, in addition

5、, corresponding control circuit (such some circuit as photoelectric coupling and relay ,etc. make up ), design the relative humidity of the present environment of regulation that can be automatic: when the indoor air humidity is too high, the control system starts the exhauster automatically, reduce

6、 the vapor in the indoor air, in order to achieve the goal of reducing air humidity; when the indoor air humidity is too low, the control system starts the steam engine automatically, increase the vapor of the air , in order to achieve the goal of increasing humidity , makes the air humidity keep at

7、 ideal state; the initial value of the humidity that the keyboard is set up and adjusted, in designing a course in addition, have considered the anti-interference of the processor, monitored the circuit after putting into the mcu. through designing the controller of relative humidity based on one-ch

8、ip computer , strengthen the knowledge of the technology of the sensor and detection technique, the ones that consolidated to knowledge of the one-chip computer were mastered, and the systematic knowledge that a speciality has been studied of review. keyword: humidity control, sensors, humidity regu

9、lation。河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录目 录摘 要iabstractii1 绪 言11.1 课题背景11.2 课题研究的目的和意义11.3 国内外发展状况12 系统设计方案的研究32.1 系统的控制特点与性能要求32.1.1 系统控制结构组成32.1.2 系统的性能特点32.2 系统的设计原理32.3 湿度测量的名词术语43 系统的结构设计63.1 电源电路的设计63.2 相对湿度电路的设计73.2.1 传统的电容式湿度传感器存在以下缺点：73.2.2 sht1x7x系列单片集成传感器73.2.3 sht1x7x系列单片集成传感器的特性83.2.4 sht1x7x系统结构93.3

10、 处理器模块的设计93.3.1 单片机at89c51简介及应用93.3.2 处理器的功能133.3.3 cpu 监控电路133.4 湿度的调节模块设计133.4.1 湿度调节的原理133.4.2 湿度调节的结构框图143.4.3 湿度调节硬件结构图143.4.4 湿度调节原理实现143.5 显示模块设计153.5.1 led显示器的介绍153.5.2 单片机与led接口163.6 按键模块的设计163.6.1 键盘接口工作原理163.6.2 单片机与键盘接口173.6.3 按键产生抖动原因及解决方案173.6.4 窜键的处理183.7 pid 控制算法184 软件的设计及实现195 总结与展望

11、22致 谢23参考文献24附 录25河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪言1 绪 言1.1 课题背景在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天以及现代生活的各个方面，经常需要对环境湿度进行测量及控制。对于生物制药、食品加工、造纸等行业，准确的测量湿度更是至关重要的。此外，湿度还直接影响到人们的舒适程度和身体健康，但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其它因素的影响，湿度与大气压、温度呈函数关系。因此，用常规的方法测量湿度的误差可达5%20%。过去用干湿球度计或毛发湿度计来测量、通过查表得到湿度的方法，早已无法满

12、足现代科技发展的需求。干湿球湿度计和普通的湿度计并能用做标定，就是因为标定后的精度无法保证。湿度的标定对环境条件要求十分严格，而在国外的湿度标定设备（例如过生产的mc741hp型湿度校准仪），价格又十分昂贵。本设计就是在此基础是，提出一种基于at89c51单片机控制的比较简单而实用的湿度检测及控制方法。1.2 课题研究的目的和意义（1） 讨论一种测量湿度的简单方法，利用我们常用的电子元器件来组成简单而实用的湿度检测电路，并在此基础上讨论湿度检测影响条件和环境因数的作用以及湿度检测的精确性问题。（2） 在湿度检测的基础上，简单了讨论湿度的控制问题，分析湿度调节的可行性以及怎么样调节的问题。1.3

13、 国内外发展状况早在18世纪人类就发明了干湿球湿度计，干湿球湿度计的准确度还取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。干湿球湿度计的准确度只有5一7rh。干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。后来又出现了滴水法测量

14、相对湿度。而电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2一3rh。电子湿度传感技术由于发展快，精确性高，误差小，现在得到了广泛的应用。 近年来，随着电子芯片集成化、小型化速度的加快以及芯片制作技术的提高，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足的进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测以及的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。3河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统设计方案的研究2 系统设计方案的研究2.1 系统的控

15、制特点与性能要求 2.1.1 系统控制结构组成湿度检测电路。 用于检测空气的相对湿度。微控制器。 采用atmel公司的89c51单片机，作为主控制器。电源稳压电路。 用于对输入的220v交流电压进行变压、整流。键盘输入电路。 用于设定初始值等。led显示电路。 用于显示湿度。功率驱动电路。 用于调节湿度。at89c51电源电压的设计按键输入电路led显示电路功率驱动电路吹风机功率驱动电路蒸汽机湿度检测电路图2.1 系统结构图2.1.2 系统的性能特点（1）自动检测室内空气的湿度。（2）当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度

16、过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态。李竹 简单温控和湿控电路的探讨 山西师范大学学报（自然科学版）2003年3月 第17卷第1期 24（3）数码管显示当前的湿度。（4）键盘设置及调整湿度的初始值。2.2 系统的设计原理该湿度控制系统由湿度检测电路、cpu 监控电路、显示电路、排风与加热控制电路和微处理器等组成，其中微处理器at89c51 是整个系统的控制核心。工作原理如下：湿度检测电路将当前环境湿度信号，送到处理器at89c51中，然后处理器通过软件的运行，将当前湿度信号通过led显示出来（显示相对湿度值），并且处理器通过程序的运

17、行，判断当前湿度值是否在预先设定的范围之内。假设不是，系统就会自动进行湿度的调节：当湿度检测电路检测到当前环境湿度高于设定值的上限的时候，微处理器将使p2.6输出低电平，起动减湿控制电路使吹风机开始工作，开始排风散热降温；当湿度检测电路检测到当前环境湿度低于湿度设定下限时，p2.7输出输出低电平，使蒸汽机控制电路工作，开始加热增加湿度。图2.2 系统整体硬件电路图2.3 湿度测量的名词术语湿度：湿度是表示空气中水蒸气的含量。湿度又分为绝对湿度和相对湿度两种。绝对湿度：绝对湿度亦称水蒸气密度，它表示水蒸气的质量与总容积的比值，有公式 （2.1）式中,dv代表绝对湿度,它表示每立方米干燥空气与水蒸

18、气的混合物中所含水分的克数；p为水蒸气的压强(单位是pa)；ab为干燥空气的温度值（单位是）需要指出，国内也有人将空气中所含水蒸气的压强理解为绝对湿度，这与国外关于绝对湿度的定义不相符。相对湿度：相对湿度表示在相同湿度下大气中水蒸气的实际压强与饱和水蒸气的压强之比，通常用百分数来表示。相对湿度的英文缩写为(relative humidity)，有公式： （2.2）式中，p1(t)代表温度为时的水蒸气压强，p2(t)表示在温度下的饱和压强。显然，相对湿度是压强和温度的函数。露点：在水蒸气冷却过程中最初发生结露的温度。若气温低于露点，水蒸气开始凝结。湿度比：它表示水蒸气的质量与干燥空气的质量比。大

19、气压强：在单位面积上大气的压力。通常将海平面高度的大气压强称为个标准大气压，p0=101.325pa。大气压强随高度的增加而降低。设、两点的高度差h2-h1=h,这两点的大气压强分别为p1,p2。有公式 （2.3） 当距海面高度为1000m、2000m、4000m、8000m时，大气压强就依次降成 0.88p00.78p0、16p00.37p0。5河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统的结构设计3 系统的结构设计3.1 电源电路的设计稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳

20、定的直流电压输出。稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求，稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电流及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能，主要有以下四个万面的要求：1、定性好，2、输出电阻小，3 、电压温度系数小，4、输出电压纹波小。我设计的稳压电源是以78xx和79xx系列稳压器为基础的，这类电源能够产生5v，15v。它是先将来自交流电的电压通过变压器（即将220v转换为20v），然后通过78xx和79xx稳压器，达到设计要求。首先来介绍一下78xx和79xx的基本情况。78

21、xx和79xx系列是常用三端固定电压集成线形稳压器，78xx系列为正电压输出稳压器，79xx系列为负电压输出稳压器。除了输出电压极性不同外，其他方面基本相同，因此，本节以78xx系列为例进行介绍。型号78xx/79xx系列中的xx数字表示集成稳压器的输出电压的数值，以v为单位，例如：7805表示输出正电压为+5v，7924表示输出负电压-24v等。有5v，6v，9v，12v，15v，18v，24v等7种不同的输出电压档，能满足大多数电子设备所用的电源电压。图3.1基于我要得到正负电源同时使用和电路电源要求，我选用正负三种集成稳压器（7805、7812、7815、7905、7912、7915），

22、按图3.2所示设计：图3.2c1、c2是用以抵消其较长接线的电感效应，防止产生自激震荡，界限不长时可以不用，c1、c2一般在（0.11）f，输出端的电容c3、c4用来改善暂态响应，使瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动，削弱电路的高频噪声，c3、c4可用10f。由此得到稳压电源的设计图3.3 图3.3 电源电路图在图中a端输出+15v，b端输出+12v，c端输出+5v，d端输出-15v，e端输出-12v、f端输出-5v，这6种电源可以供我们后来设计器件的备用电源，如：湿度检测电路、单片机电源、继电器的电源等。3.2 相对湿度电路的设计3.2.1 传统的电容式湿度传感器存在以下缺点：

23、(1)输出是模拟量必须使用ad变换才可以接到微处理器进行处理，由于模拟传输中容易受到干扰，所以不适合多节点传感和远程传感。(2)长期稳定性差，容易受外部条件的影响，由于老化和漂移等问题，长期工作后误差较大；同时其精度受电源精度、稳定度的影响较大，为了保证精度需要对电源提出较高的要求，增加了成本。(3)一致性较差，由于模拟电路通道(例如检波电路)的不一致性，使批量生产较为复杂，必须进行曲线拟和标定。(4)由于需要进行标定，用户需要配备复杂而昂贵的标定设备及基准。3.2.2 sht1x7x系列单片集成传感器sht1x7x系列单片集成传感器是sensirion公司最近推出的一种可以同时测量湿度、温度

24、和露点的传感器，不需外围元件直接输出经过标定了的相对湿度、温度及露点的数字信号，可以有效解决传统温、湿度传感器的不足。sht1x7x系列单片集成传感器是利用cmosenstm技术制造的，如图3.4所示。郁有稳 常健 程继红 编著 传感器原理及工程应用 西安电子科技大学出版社图3.4 sht1x/7x结构功能框图内部集成了湿度敏感元件和温度敏感元件、放大器、一个14 b的ad转换器、标定数据存储器以及数字总线接口以及稳压电路。由于温度传感器和湿度传感器在硅片上是紧靠在一起，可以精确地测定露点，不会因为两者之间的温度差而引入误差；直接通过ad据是存放在芯片上otp存储器中的标定系数，输出是经过标定

25、的数字信号，可以确保传感器的性能指标一致性、稳定性好、成本低、使用方便。3.2.3 sht1x7x系列单片集成传感器的特性sht1x7x系列电源电压适用范围宽：2455 v。测量精度高：湿度的精度为35，温度的精度为05（在20时）。待机时电流低于3a。传感器的数字输出是通过两线数字接口直接连到微处理器上去，便于进行系统设计。sht1x7x送出的温度、湿度数据必须经过转换，才能表示实际的温度和湿度，其公式如下其中：tc表示摄氏温度；rhtrue表示相对湿度。d1，d2和温度分辨率有关，c1，c2，c3，t1，t2和湿度的分辨率有关，其对应关系如表2和表3所示。 引自郁有稳 常健 程继红 编著

26、传感器原理及工程应用 西安电子科技大学出版社图3.5温湿度校正系数3.2.4 sht1x7x系统结构测试电路使用at89c2051对传感器进行读写。其电路如图2所示。sht1x7x系列传感器采用sck，data进行通信，但是其协议有别于i2c总线。图3.6 sht1x/7x与89c51的连接3.3 处理器模块的设计3.3.1 单片机at89c51简介及应用 （1） at89c51性能及特点:丁元杰 单片机原理及应用 机械工业出版社 1999.8 4048at89c51是一种与mcs51单片机相兼容的、高性能的8位cmos微控制芯片，采用40引脚dip封装，片内带有4kb的快闪可编程/擦除只读存

27、储器（fperom）。是当前较先进的一种电擦除8位单片机，它与mcs-51指令系统完全兼容，片内fperom允许对程序存储器在线重新编程。也可用常规的eprom编程器编程。具有超强的加密功能。atmel公司生产的这种89c51微控制器，将具有多种功能的8位cpu与fperom结合在同一芯片上，可完全替代87c51和8751/8752，为很多嵌入式控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案，深受用户欢迎。此外,at89c51还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式,在空闲模式下,cpu停止工作,但ram,定时/计数器,串行口和中断系统仍然工作.在掉电模式下,只保存ram的内容

28、,振荡器停振,关闭芯片的所有其它功能,直到下一次硬件复位为止.其空闲和掉电两种工作方式以及静态逻辑运作等情况,与mcsc51相同.at89c51主要特性如下： 图3.7 at89c51引脚图与mcs-51产品兼容；4k字节可编程闪烁存储器；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0hz-24hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部ram；32可编程i/o线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；可编程全双工串行；4kb的在线可重复编程快闪存储器，写/檫可达1000次以上。（2）at89c51内部结构说明at89

29、c51的flash存储器有4kb，ram只有128字节，加密位有三位，加密位为lb1，lb2。at89c51是一带有2kb字节的闪速可编程可擦除的只读存储器（peom），低电压，高性能的8位cmos微型计算机，有如下特性；和mcs51系列产品完全兼容，2kb的flash的程序存储器，可擦写1000次，2.76电压范围，静态工作方式，可外接024mhz的晶体振荡器，；两级程序存储器，；128字节sram；32根可编程i/o引线；三个16位定时/计数器，六个中断源，可编程uart串行口，直接led驱动输出，片内模拟比较器，低功耗空闲方式和掉电工作方式。at89c51是atmel微控器家族中廉价的成

30、员，它含有2kb字节的快闪存储器和mcs51结构兼容并可用mcs51指令集进行编程，89c51程序存储器大小的物理范围为000h-7ffh，且89c2051中已保留了标准中断服务的子程序的地址，at89c51包含128字节内部数据存储器，这样8951中堆栈的深度局限于内部ram的128字节范围内，它既不支持外部数据存储器的访问，也不支持外部程序存储器的访问的执行，因此，程序中不应该包含mov指令。（3） 端口介绍:ale端口：地址锁存使能在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节在正常情况下ale 输出信号恒定为1/6 振荡频率并可用作外部时钟或定时注意每次访问外部数据时一个ale 脉冲将被忽

31、略ale 可以通过置位sfr 的auxlilary.0 禁止置位后ale 只能在执行movx 指令时被激活。psen端口：程序存储使能当执行外部程序存储器代码时psen 每个机器周期被激活两次在访问外部数据存储器时psen无效访问内部程序存储器时psen 无效。ea/vpp：外部寻址使能/编程电压在访问整个外部程序存储器时ea 必须外部置低如果ea 为高时将执行内部程序除非程序计数器包含大于片内flash 的地址该引脚在对flash 编程时接5v/12v 编程电压(vpp) 如果保密位1 已编程ea 在复位时由内部锁存。rst为复位输入端，振荡器工作时，该引脚上两个周期的高电平复位at89c2

32、051。xtal1：振荡器反相放大器内部工作时钟电路输入端。xtal2：振荡器反相放大器的输出端。p0 口： p0 口是开漏双向口可以写为1 使其状态为悬浮，用作高阻输入p0 也可以在访问外部程序存储器时作地，址的低字节在访问外部数据存储器时作数据总线此时，通过内部强上拉输出1。p1 口 ：p1 口是带内部上拉的双向i/o 口向p1 口写入1，时p1 口被内部上拉为高电平可用作输入口当作为，输入脚时被外部拉低的p1 口会因为内部上拉而输出电，流(见dc 电气特性) p1 口第2 功能，t2(p1.0) 定时/计数器2 的外部计数输入/时钟输出(见可编程输出)，t2ex(p1.1) 定时/计数器

33、2 重装载/捕捉/方向控制。p3口第二功能p3口第二功能p3.0rxd(串行口输入)p3.1txd(串行口输出)p3.2into(外部中断0)p3.3int1(外部中断1) p3.4t0(外部定时输入0)p3.5t1(外部定时输入1)表3.1 p3口特殊功能p2 口： p2 口是带内部上拉的双向i/o 口向p2 口写入1，时p2 口被内部上拉为高电平可用作输入口当作为，输入脚时被外部拉低的p2 口会因为内部上拉而输出电，流(见dc 电气特性) 在访问外部程序存储器和外部数据，时分别作为地址高位字节和16 位地址(movx dptr)，此时通过内部强上拉传送1当使用8 位寻址方式(movri)访

34、问外部数据存储器时,p2 口发送p2 特殊功能寄存器的内容。p3口：p3 口是带内部上拉的双向i/o 口向p3 口写入1时p3 口被内部上拉为高电平可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的p3 口会因为内部上拉而输出电流(见dc 电气特性) p3 口还具有以下特殊功能。图3.8复位电路设计（4）8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见图。此外，reset/vpd还是一复用脚，vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部ram的数据不丢失。（5）at89c51特殊功能寄存器 表10-14中给出了at89c2051中的所有特殊功能寄存器sfr，它们分布在地址范围为80h-f8h

35、中，工19个，比at89c2051少了p0和p2两个专用寄存器，因为它没有这两个相应的端口。p0 口： p0 口是开漏双向口可以写为1 使其状态为悬浮，用作高阻输入p0 也可以在访问外部程序存储器时作地，址的低字节在访问外部数据存储器时作数据总线此时，通过内部强上拉输出1。at89c51中的所有特殊功能寄存器与mcs-51系列的单片机相同，特殊功能寄存器也称专用寄存器，专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行i/o口、串行i/o口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作，用户在编程时可以置数设定，却不能自由移动它用。在51系列单片机中，将各专用寄存器与片内ram统一编址，且作为直接寻址字节，可

36、直接寻址。51系列有18个专用寄存器，其中3个为双字节寄存器，共占21个字节。（5）对8951指令系统的说明89c51指令系统与mc-51指令系统标准在某些地方有所不同。at89c51只包含128b的片内ram数据存储器，这样，栈地址空间就相应为128b有效范围。at89c51有片外存储器接口，它支持外部ram器件和外部编程器件，分支指令。3.3.2 处理器的功能at89c51 单片机作为控制仪的核心部分主要完成以下功能：根据采集到的湿度信号，通过led显示湿度值；当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动

37、启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态。3.3.3 cpu 监控电路为了提高系统工作的可靠性，测控仪增加了微处理器工作的监控电路，如图 1 中左边的中部所示，在这里采用 max813l 实现，以防程序跑飞使系统失控。如果在1.65s内微处理器 at89c51 不给 maxsl3l 的“看门狗”输入端 wdi 触发信号，说明程序已跑飞或程序已进入了死循环， max813l 将发出复位信号，使系统复位重新运行。另外，用于控制加热和排风的电路如图 1 中右下方所示。由于该电路很简单，在这里就不介绍了。值得一提的是加热控制和吹风扇控制用的接触器，其触点容量选取应

38、视控制对象的功率而定，至少在 220wroa 以上，以确保控制仪的可靠工作。3.4 湿度的调节模块设计3.4.1 湿度调节的原理当环境的湿度超出我们预先设定的湿度范围时，通过湿度检测电路以及a/d转换，把相应的信号送入主处理器at89c2051中，通过软件的判断，确定当前的湿度值是否在合适的范围，如果不是，就自动的发出信号，启动湿度调节，例如当相应环境湿度大于预先设定的湿度值时，通过单片机发出信号，经功率驱动放大电路，启动抽风机的工作，减少空气中水蒸气的含量，以达到降低空气湿度的目的；当环境相应湿度小于预先给定的湿度值时，仍然的通过单片机发出信号，经功率放大电路，启动加湿器的工作（其实也就是一

39、个蒸汽机相关的机械），增加空气中的水蒸气，以达到增加空气中湿度的目的。总之，我们所要做的工作就是要使空气湿度保持在我们需要的理想状态。3.4.2 湿度调节的结构框图湿度调节电路的设计：如图3.9单片机输出信号继电器吹风机/蒸汽机电源 图3.9 湿度调节的结构框图3.4.3 湿度调节硬件结构图 如图为湿度控制硬件结构图，图中采用了两只光电耦合器件、两个继电器、和两只发光二极管。其中光电耦合器件是将处理器（单片机）输出的信号转换为继电器的输入信号，而继电器又与吹风机和蒸汽机的电源线相连，这样，处理器输出的信号就可以通过光电耦合电路和继电器电路来控制机械（吹风机或蒸汽机）的动作。3.4.4 湿度调节

40、原理实现本湿度调节电路包含两个方面，一方面就是增加湿度的蒸汽机，也就是用来增加空气湿度的加湿设备，另一方面就是降低湿度的的吹风机，也就是用来减小空气中的湿度，这两个方面合起来，就是实现空气湿度的自动调节。现以吹风机为例，来说明湿度的自动调节过程。首先，我们可以人为的设定合适的湿度值，例如可以根据温湿度之间的联系，在知道当天温度的情况下设置合适的湿度值，然后湿度检测电路将所检测到的当前湿度信号通过a/d转换送到控制器（at89c51），在控制器里面，通过软件的编程，将所检测到的湿度信号与预先设定的湿度值相比较，当检测到的湿度值大于预先设定的湿度值时，仍然是经过软件的处理，从处理器的端口p2.6（

41、开始运行时，p2.6人为设定为高电平）输出低电平信号（见硬件结构图），这样，与p2.6相连光电隔离器件就开始工作，带动继电器的吸合，而继电器的长闭开关又控制着吹风机的电源开关，这样，继电器工作之后，吹风机就开始工作。在吹风机工作的同时，湿度检测电路仍然是不断的将湿度信号送到单片机处理器中，处理器也不断的进行比较，（当然这期间，p2.6一直为低电平），如果当前湿度仍然大于预先设定的湿度值，p2.6继续为低电平，吹风机继续工作，只有当检测到的当前湿度信号不大于预先设定的湿度值时，p2.6返回为高电平输出，随之，吹风机也停止工作。这一过程就实现了降低湿度的自动调节。当然，增加湿度的调节过程与此相似，

42、在次不做介绍。这样就实现了空气湿度的自动调节。在本设计中，湿度的的调节除了自动调节外，还可以手动调节，以满足不同用户的要求（或者说在湿度自动调节失灵的情况下，可以进行人为调节，使湿度仍然保持在理想状态）。例如，当你按下s3键时，吹风机就会立即工作，而不管湿度检测信号，并且在此过程中，湿度检测电路还是不断的将湿度信号送入处理器中，并将当前湿度值通过数码管显示出来，但此时湿度检测信号不会影响吹风机的工作，直到用户觉得满意的时候，再按下s3键，吹风机就会停止工作。同理，人为加湿操作与此工程相似。3.5 显示模块设计3.5.1 led显示器的介绍led显示器是由发光二极管组，其结构如图所示，其中7个发

43、光二极管按“8”行排列，用于显示数字，字母等符号，一个发光二级管圆点形状，右下角用于显示小数点，led显示器共阴极和共阳极两种类型。 当发光二极管导通时，相应的一段笔画成小数点亮，对共阴极显示器，将共阴极com接地，在a_q段加驱动信号，当驱动信号是高电平时，相应段发光；对共阳极显示器，将共阳极com极接高电平，在a_q段几加驱动信号，当驱动信号是低电平时，相应段发光，从而显示相应字符。不同的显示字符其驱动代码是不一样的，发光二极管每段流过5ma的平均电流就可以有较满意的亮度，最大电流不得超过30a，由于发光二极管是电流驱动设备，一般的i/o接口驱动能力是都是有限的，在发光二极管与接口芯片间要

44、接驱动电路，常用的cmos或ttl驱动器有：ls7448、ls74493.5.2 单片机与led接口在单片机应用系统中led显示器有动态和静态两种显示方式，所谓的静态显示方式就是需要在显示的字符各段通过连续的电流，动态显示方式就是需要显示的字符断续通过电流，对于动态显示，当需要显示多个字符时轮流给每个字符通以电流，由于轮流的速度很快，发光二极管的余辉以及人的视觉暂留等因素，虽然在同一时刻只有一个显示器通电，但人们看起来都是所有的显示器都稳定的显示。动态显示的特点是：单片机既要控制数码管的公共端又要控制各段发光二极管。各数码管的相应显示发光二极管的段选信号都并联起来，接单片机的同一个i/0口，单

45、片机控制数码管公共端的信号，称为位选信号，控制数码管各显示字段的信号称为段选信号，需要在哪些数码管上显示，先输出位选信号，选中该数码管，再输出段选信号，显示一位字符，需要显示每个字符时，用扫描的方法，依次向各个数码管输出位选信号和段选信号，显然每一瞬间只有一个数码管点亮，但由于扫描频率高，所以看上去，就好象所有的数码管都同时点亮（20ms扫描一次）。图3.11 数码管原理图3.6 按键模块的设计3.6.1 键盘接口工作原理键盘可分为两类：独立式和矩阵式，本文只用到了独立式键盘，故只对独立键盘作简要说明。 独立式键盘电路，各个键相互独立，每个按键独立的与一根输入线相连，一根线上的工作状态不会影响

46、其他输入线的工作状态，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断那个按键按下了。 为中断方式，任何一个按键按下时通过门电路都会向cpu申请中断，在中断服务程序中读入p1口的值，从而判断是那个键被按下， 为查询方式，在平时，所有的数据输入线都通过上拉电阻被连接成高电平，当任何一个键被按下时，与之相连的数据输入线将被拉成低电平，要判断是否有键按下，只要用位处理指令即可。3.6.2 单片机与键盘接口本系统由于只有4个按键，而且单片机的接口又足够，所以采用独立式键盘，每一个按键与单片机的一个输入端口相连。并且按键采用脉冲式键盘，即按键按下一次，就是说与按键相连的端口原来为高电平，按下之后，与按键相连的端

47、口变为低电平，当与此按键相连的端口再次变为高电平时，认为一次按键有效，处理器做出一次相应的处理。在这里，我们可以从系统硬件结构图2.2.1看到，四个按键s1、s2、s3、s4分别与单片机端口p3.0、p3.1、p2.4、p2.5相连。其中，s1键控制湿度预设值的加1，s2键也是设定湿度的预设值，只是按一下s2键，预设值就相应的减1，s3键是人为的控制吹风机的开关，s4键是人为的控制蒸汽机的开关。3.6.3 按键产生抖动原因及解决方案实际中，在按下某个键时，被按按键的弹簧总会有轻微的抖动，如图6.11所示。t1，t3分别是闭和和释放的抖动时间，抖动时间的长短与按键的机械特性有关，一般为5ms-2

48、0ms。为确保cpu对键的一次闭和仅做一次处理，必须去抖动，这可以分别通过软件和硬件两种方法实现。硬件去抖动的电路图如下图（）所示，如果用硬件来实现去抖动，那就需要增加必要的元器件这样就使得电路变的复杂，而且也不经济，所以在本例中选用了，选用了软件去抖动的方法。 t0t1t2t3t4图3.14 按键延时示意图 具体实现的方法就是，当cpu检测到有按键按下后通过软件延时（5ms-20ms）一段时间后再进行扫描，如果延时后检测到仍然有键按下，这时才读取键值并存入寄存器，从而达到了去抖动的效果。3.6.4 窜键的处理用户在操作时常常因不小心同时按下了一个以上的键键的处理一般用软件的方法解决，也有用硬

49、件方法实现的，但是用硬件的方法既复杂有不经济，而用软件的方法只需几行程序就能够解决，所以在本例中我选用了用软件的方法完成窜键的处理。具体方法如下：在8051单片机的数据存储单元中预先设定了窜键标志寄存器。窜键标志寄存器在行扫描期间用于记录被按按键个数，故发生窜键时窜键标志必大于01h。cpu在行扫描时不以发生第一个被按按键为满足，而是继续完成对所有键的一遍扫描，并在该键扫描结束后根据窜键标志来判断是否发生窜键。如果未发现窜键，则cpu再进行一遍扫描就可以获得最后放开键的键值了。从而解决了窜键的问题。3.7 pid 控制算法 pid 控制采用单片机软件实现,模拟控制系统的pid 控制规律表达式为

50、:u(t) = kp e (t) +1/ t1e (t) dt + td de (t)/dt由于本系统对被控对象进行断续控制,因此要对上式进行离散化,可得pid 控制算式为:u(k) = kpe (k) + k1 e (i) +kd e (k) - e (k - 1)为简化计算, 本文采用增量型pid 控制算法 7 ,即:u(k) = u(k) - u(k - 1)= kpe(k) - e(k - 1) + k1e(k) + kd e(k) - 2e (k - 1) + e (k - 2) = kpe (k) + k1 e (k) + kd2 e (k)式中:e(k) = e(k) - e(k

51、 - 1) ,2e(k) =e(k) - e(k - 1)由于加热器属于带滞后的一阶对象, 所以式中kp , ki , kd 的选择取决于加热器的阶跃响应特性和实际经验,为了实现pid 参数的实时整定, 温度区域由实验测取了最佳的kp , ki , kd 参数值。在程序中根据输入的控制温度选择合适的pid参数29河南城建学院本科毕业设计（论文） 软件的设计及实现4 软件的设计及实现 main初始化开中断设置查询键盘是否压下调用显示程序（1）主程序流程图（2）数据采集流程图产生启动序列写地址和控制指令等待转换完成读取数据和校验值转换数据至摄氏温度/相对湿度显示子程序断点保护写缓冲单元及循环次数循

52、环结束弹出堆栈返回送显示字位是否按键处理子程序s1键s2键s4键s3键判断键预设湿度加1预设湿度减1人为启动吹风机人为启动加湿机返回（4）按键子程序流图（3）显示子程序流程图 河南城建学院本科毕业设计（论文） 总结与展望5 总结与展望 湿度检测技术一直是世界上的一个难题，本文以这样一个具有挑战性的问题前面做论文题目，也只能是作出一些简单的探讨。但在讨论的过程中，我还是做了一些工作，将前人的研究方法加以借鉴利用，再在此基础上加入自己的一些想法，于是写出了这篇论文。虽然这篇论文的实用价值可能不大，但我想还是学到了很多东西：为了本设计的成功，我翻阅了大量的书籍资料和报刊，并积极的通过网络搜寻相关的知

53、识，努力的做到理论上行的通，实验能通得过，可惜，此设计由于实验材料及实验条件的限制，未能在实验室仿真，也未能做出实物。但是通过理论上的分析，我已经学到了很多知识：通过的此湿度检测及控制电路的设计，我学到了很多东西：熟悉了一些以前没有接触的电子元件，了解了一些相关的理论知识，掌握了一些电子元气件的使用方法，巩固了大学四年来所学过的知识。另外，在此设计过程中，我遇到了许多问题，在老师指导和同学的帮助下，我一一解决了那些问题，在分析解决问题的过程中，又学到了不少知识。总之，此次毕业设计，是对我大学四年来学习的一个总结，是对我的一次综合考验，让我受益非浅，将对我以后的学习、工作、生活产生巨大的促进作用。随着科学技术的发展、电子产品制造技术的提高、集成传感技术的进步，湿度检测技术也一定会取得突破性进展，到时候湿度的检测也就会更准确，更有科