房间温湿度控制系统定稿 (2)汇总

第六届大学生电子设计竞赛初赛房间温湿度控制系统

参赛学院：电气与信息工程学院

指导老师：

参赛队员及学号：任吉龙 2011302516

项敏剑 2011302523

钱调整 2011302518

目录

摘要 (1)

引言 (2)

一、方案设计 (2)

二、方案选择 (2)

2.1传感器选择方案 (2)

2.2显示器选择方案 (3)

2.3 单片机主芯片选择方案 (3)

三、详细说明及参数计算 (4)

3.1 硬件部分 (4)

3.1.1硬件设计 (5)

3.1.2控制系统 (5)

3.1.3测量部分 (6)

3.1.4显示部分 (8)

3.1.5控制部分 (10)

3.2 软件部分 (11)

四、其它功能拓展 (12)

4.1 房间灯光控制和调整 (12)

4.2 室内空气净化控制 (13)

4.3 其它拓展 (13)

五、结论 (13)

六、附件 (14)

房间温湿度控制系统（E题）

摘要

本设计为基于单片机的温湿度检测控制系统，采用模块化、层次化设计。用新型的智能温湿度传感器DHT11，主要实现对温度、湿度的控制，将温度湿度信号通过传感器进行信号的采集并转换成数字信号，再运用单片机STC89C52进行数据的分析和处理，为显示提供信号，显示部分采用字符型LCD1602液晶显示器显示所测温度和湿度值，控制部分采用加湿设备、除湿设备、加温设备、降温设备控制温湿度的高低。

关键词温湿度 DHT11 单片机 STC89C52 控制

引言

温湿度与人类的生活有着密切的关系。室内的温度、湿度不但对人体健康有影响，而且对物品的存放也有影响。室内温度、湿度过高，会使衣服发霉、虫蛀，各种食品发霉变质。因此，应该经常注意调整，使室内保持适宜的温度和湿度。

因此我们需要一种造价低廉、使用方便且计算精确的温湿度控制仪器。利用单片机对温、湿度控制，具有控温、湿精度高、功能强、体积小、价格低，简单灵活等优点。我们可以通过基于单片机的温湿度检测控制系统，采用模块化、层次化设计。用新型的智能温湿度传感器，主要实现对温度、湿度的控制，将温度湿度信号通过传感器进行信号的采集并转换成数字信号，再运用单片机进行数据的分析和处理，为显示提供信号，显示部分采用液晶显示器显示所测温度和湿度值，控制部分采用加湿设备、除湿设备、加温设备、降温设备控制温湿度的高低。本设计思路要求系统电路简单、集成度高、工作稳定、调试方便、检测精度高，具有一定的实用价值。

一、方案设计

设计思路

设计控制器使用单片机STC89C52，数字温湿度传感器使用DHT11，用LCD1602液晶屏实现温湿度显示,用加湿设备、除湿设备、加温设备、降温设备控制温湿度的高低，所以本设计能满足设计任务要求。基于单片机控制的数字温湿度控制系统，本系统属于多功能温湿度计，可以设置上下报警温湿度，当温湿度不在设置范围内时，可以报警并且进行控制。

二、方案选择

2.1传感器选择方案

方案一：选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块。DS18B20是一线式数字温度传感器。具有独特的单线式接口方式。测量范围在—55℃~125℃，—10℃~85℃，误差范围在-\+0.5℃。最高精度可达0.0625℃。

HS1101是电容式湿度传感器。可测量相对湿度范围在0%~100%RH。误差为-\+2%RH。

方案二：选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。DHT11是一款集成型的数字温湿度一体传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。测量范围20%~90%RH，0℃~50℃。测温精度为-\+2℃，测湿精度为-\+5%RH。完全符合本次毕业设计的要求。

经上述分析，方案一虽然精度更精确。却稍显复杂。方案二即便不能实现方案一的高精度测量。却也能满足设计要求。且简便易行。可靠稳定。具有超高的性价比。故选择方案二。

2.2显示器选择方案

方案一：采用12864液晶显示屏。液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。

方案二：采用HJ1602液晶显示屏。HJ1602A 是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02 即32个字符。（16列2行）。1602只能显示字母、数字和符号能显示16*2个字符，但寄存器不止32个，有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示等等，显示效果简单。

总结：在编程使用方面，两者难度差不多，原理差不多，都是写指令、写地址、写数据等等。当然12864液晶屏显示更全面、字符更多。相比于1602液晶屏、12864能更形象具体的实现显示功能。不过1602液晶屏也能实现设计的要求。网上买比较廉价，最低的六块钱左右。而12864液晶显示屏最便宜的也要四十块钱。从造价方面考虑，当然是价格低廉的优先。而HJ1602A就是最好的选择。

2.3 单片机主芯片选择方案

方案一：AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大。其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。再者，AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且擦写时间仅需lOms。AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。PO口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

方案二：STC89C51系列单片机的指令系统和AT89C51系列的完全兼容，但实际操作起来却存在很多问题：

（1）AT89C51不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以用你的USB

转串口下载，下载软件可以到STC厂家网上去下。

（2）STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3-30倍，尽管快是好事，但这样一来，你在AT上好使的程序在STC上不一定好用，最典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块，用STC时注意得加长延时，大约是AT的10—30倍就差不多，这一点自己调试就知道了。

（3）STC单片机对工作环境的要求比较低，电压低于5伏时仍然正常工作，甚至3伏到4伏之间都还可以工作，然而这样的环境下AT肯定不行了，所以当一个系统用STC单片机好用，但用AT的单片机不工作时，直接查最小系统，看单片机的供电是否正常。

比较这两种方案，由于在学校期间学过数字电路、单片机原理、C语言程序设计，综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，我选择用STC系列芯片完成。而且学校也提供了相应的硬件操作平台，实际操作起来比较方便，故STC为更合理的选择。

三、详细说明及参数计算

3.1 硬件部分

设计图如图3-1所示

测量部分

控制系统控制部分

显示部分

图3-1 总体设计框图

3.1.1硬件设计

主机与主要部件的选择：

根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑，选用MCS-51系列的STC89C52为主机，满足上面的要求而且设计方便，不需要再存储扩展。

数据存储片内设有128B，外部有8279的256B，而由于存入的数据是随时更新的且不计小数位，存入 8个16进制数字，其总共需要的容量只有16B，已经够用。外部模温度、湿度采样，选用DHT11能够满足要求。

系统各部件的连接方式和原理图请见附件：

DHT11和单片机之间用单总线传输，DHT11的数据口与单片机的P1^7相连。

液晶显示器的RS,RW和E分别与单片机的P2^5,P2^6,P2^7相连，数据输入口DB0-DB7分别与单片机P00-P07口相连。

设置按键、按键加、按键减、确认刷新按键分别的单片机的P2^0，P2^1，P2^2，P2^3相连。单片机P1^3，P1^5分别为温度超过或低于上下限控制脚， P1^4，P1^6分别为湿度超过或低于上下限控制脚。控制脚通过控制加湿设备、除湿设备、加温设备、降温设备，调节温度及湿度。

3.1.2控制系统

STC89C52单片机简介

STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，STC89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

8052单片机的引脚功能

MCS-51系列单片机一般采用40个引脚，双列直插式封装，用HMOS工艺制造，其外部引脚排列如图3-2所示。其中，各引脚的功能为：

8052单片机的引脚

⑴主电源引脚

Vcc（40脚）：接＋5V电源正端

Vss（20脚）：接电源地端

一般Vcc和Vss间应接高频去耦电容和低频滤波电容。

⑵控制信号线

RST/VPD（9脚）：复位信号输入端，复位/掉电时内部RAM的备用电源输入端

ALE/ （30脚）：地址锁存允许/编程脉冲输入。用ALE锁存从P0口输出的低8位地址；在对片内EPROM编程时，编程脉冲由此输入。

图3-2 STC89C52外部引脚图

PSEN/ （29脚）：外部程序存储器读选通信号，低电平有效。

EA/VPP（31脚）：访问外部存储器允许/编程电压输入。EA为高电平时，访问内部存储器；低电平时，访问外部存储器。对片内EPROM编程时，此脚接21V 编程电压。

⑶多功能I/O口引脚

8052单片机设有4个双向I/O口（P0、P1、P2、P3），每一组I/O口线都可以独立地用作输入或输出口[4]。

3.1.3测量部分

测量所用仪器是数字温湿度传感器DHT11。

3.1.3.1 DHT11简介

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与长期的稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进

行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至极为苛刻的应用场合的最佳选择。

3.1.3.2 操作过程

1、接口说明

连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米根据实际情况使用合适的上拉电阻。

图3-4 DHT11温湿度传感器接线图

图3-5 DHT11温湿度传感器模块

2、电源引脚

DHT11的供电电压为3－5.5V。传感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波。

3、串行接口 (单线双向)

DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:

一次完整的数据传输为40bit,高位先出。

数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit 温度小数数据+8bit校验和

数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。

用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。

通讯过程如图3-6所示

图3-6 通讯过程

3.1.4显示部分

显示部分是LCD1602液晶显示，如图3-7所示。

图3-7 正常工作LCD1602显示

3.1.

4.1 1602液晶

LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。

引脚功能

LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口及其说明如图3-8及表3.1所示。

图3-8 LCD1602各引脚图

表3.1 LCD1602引脚说明

编号符号引脚说明编号符号引脚说明

1 VSS 电源地9 D

2 数据

2 VDD 电源正极10 D

3 数据

3 VL 液晶显示偏压11 D

4 数据

4 RS 数据/命令选择12 D

5 数据

5 R/W 读/写选择13 D

6 数据

6 E 使能信号14 D

7 数据

7 D0 数据15 BLA 背光源正极

8 D1 数据16 BLK 背光源负极

3.1.

4.2 指令说明

LCD1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3.2所示。

表3.2 LCD1602内部控制器

序号指令RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

1 清显示0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

2 光标返回0 0 0 0 0 0 0 0 1 *

3 置输入模式0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S

4 显示开/关控制0 0 0 0 0 0 1 D C B

5 光标或字符移位0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *

6 置功能0 0 0 0 1 DL N F * *

7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址

8 置数据存贮器地址0 0 1 显示数据存贮器地址

9 读忙标志或地址0 1 BF 计数器地址

10 写数到CGRAM或DDRAM）1 0 要写的数据内容

11 从CGRAM或DDRAM读数 1 1 读出的数据内容

3.1.5控制部分

本系统控制设备采用加湿设备、除湿设备、加温设备、降温设备作为控制器，加湿设备、除湿设备、加温设备、降温设备分别控制湿度与温度,使得室内的温湿度得到控制。

设计中，温湿度均可以设置上下限，按下k1键，出现温度上限的设置页面，按k2键为设置上限温度加，按k3键为设置上限温度减，按下k4键确认刷新，即成功设置温度上限。继续按下k1键，出现温度下限设置页面，按k2键为设置下限温度加，按k3键为设置下限温度减，再按下k4键确认刷新，即成功设置温度下限。继续按下k1键，出现湿度上限的设置页面，按k2键为设置上限湿度加，按k3键为设置上限湿度减，再按下k4键确认刷新，即成功设置湿度上限。继续按下k1键，出现湿度下限设置页面，按k2键为设置下限湿度加，按k3键为设置下限湿度减，再按下k4键确认刷新，即成功设置温度下限。按键模块如下：

图3-10 按键模块

3.2 软件部分

系统软件程序基于Keil uvsion2开发平台，采用C51语言编写。本程序采用模块化程序方法：

LCD初始化显示模块

系统初始化模块的主要功能是完成系统的初始化以及设定系统的工作状态，初始化部分包括以下方面的内容：

(a) 系统启动后，显示器上显示两行，第一行为“TEMPERATURE:00 C”,第二行显示为“HUMIDITY: 00 %”

(b)等待DTH11采集温度及湿度值。

(c)系统进入正常工作状态。

系统整体的工作方式如图所示

程序流程图：

图3-11 DHT11数据采集流程图

本系统采用DHT11温湿度传感器对房间内温湿度的采集并转换成数字信号，将信息提供给主控制器进行处理和分析，主控制器开始LCD初始化，进行延时等待提取DHT11温湿度传感器模块，将采集的信息处理后传给LCD1602显示，同时调用控制模块，与系统默认设定值比较，系统温度上下限，湿度上下限默认值均为0，可通过设置按钮进行设置，按下设置按钮可对温度下限、上限，湿度下限、上限的顺序依次进行设置，温湿度均可以设置上下限，按下k1键，出现温度上限的设置页面，按k2键为设置上限温度加，按k3键为设置上限温度减，按下k4键确认刷新，即成功设置温度上限。继续按下k1键，出现温度下限设置页面，

按k2键为设置下限温度加，按k3键为设置下限温度减，再按下k4键确认刷新，即成功设置温度下限。继续按下k1键，出现湿度上限的设置页面，按k2键为设置上限湿度加，按k3键为设置上限湿度减，再按下k4键确认刷新，即成功设置湿度上限。继续按下k1键，出现湿度下限设置页面，按k2键为设置下限湿度加，按k3键为设置下限湿度减，再按下k4键确认刷新，即成功设置温度下限。当室内实际温度超过设定温度上限时，系统将调用控制模块对降温设备控制，将室内的温度降低；当室内实际温度低于设定温度下限时，系统将调用控制模块对升温设备控制，将房间的温度升高；当室内实际湿度超过设定湿度上限时，系统将调用控制模块对除湿设备控制，将室内的湿度降低；当室内实际湿度低于设定湿度下限时，系统将调用控制模块对加湿设备控制，将室内的湿度提高；主程序流程图如图3-12所示。

图3-12 主程序流程图

四、其它功能拓展

4.1 房间灯光控制和调整

主要体现在两方面：一是亮度，即光强的控制，二是色彩的控制。控制亮度的方法主要有两种：一种是机械加减法，即通过控制点亮灯具的数量，来达到发光总强度的增大或减弱。

对于单灯，则可采用遮光板或可变光阑来改变灯具透光量；另一种方法是电气控制法，即使用各种不同的调光器，改变灯具的工作电压或电流，从而调整灯具的发光强度，这两种方法各有特点，第一种方法的优点在于不会影响色温，但调整不够方便。第二种方法则操作简单，且能实现自动和程控操作，其缺点是在改变发光强度的同时，色温和显色性有较大变化。从灯光的电气控制原理来说，可归纳为通断控制和发光强度控制两种，与此相对应的有开关控制和调光控制两种方法。

4.2 室内空气净化控制

房间温湿度控制系统可调节室内温湿度，但不能彻底清除，灰尘、细菌、病毒，可以考虑在房间温湿度控制系统中添加有关空气净化器或除尘机的设备。

4.3 其它拓展

可在房间温湿度控制系统中添加时钟，计算器等功能，尽可能地提升其市场价值。

五、结论

通过这次竞赛，我们深深的认识到团队合作是多么的重要，凭一人之力很难全面的有效的解决问题，要善于利用各种可以利用的资源来帮助团队解决问题。通过这次竞赛，我们对很多课本之外的跟实际生活结合非常紧密的知识有了一定的了解。同时，我们也认识到在遇到问题时，对搜集来的资料进行有效的消化和运用，对解决问题是有很大的作用的。

从确定题目，到后来查找资料，理论学习，实验编程调试，这一切都使我的理论知识和动手能力有了很大的提高。了解了单片机的硬件结构和软件编程方法，对单片机的工作方式有了很大的认知。同时，对一些外围设备比如传感器、液晶屏、键盘等有了一定的了解！我们还学会了对一项工程如何设计：首先，要分析需要设计的系统要实现什么功能，需要什么器件；然后，针对设计购买相应的硬件，选用硬件时不仅要选用经济的，更重要的是如何能更精确更方便的完成系统的要求；再次，对各个硬件的软件实现要弄清楚，如何更好的实现各个硬件的协调，更好的通过主控制器件实现硬件的功能。最后，通过各种测试与调试，让设计更好的符合系统要求。

设计本系统的过程中遇到了很多的问题，在编写DHT11的测量程序的过程中始终得不到数据，我按照DHT11的通讯时序和接收时序将程序一条条的重写，在经过几次调试之后，终于得到了自己想要的结果；液晶显示部分也出了一点点小问题，送数据过去的时候忘了显示字符必须送字符的ASCII码。对湿度的控制方面，由于温度时刻都在发生着变化。而湿度的变化又大体上取决于温度。因而对于湿度的控制有点困难。同时由于湿度变化波动比较大。造成报警频繁，为湿度

限值的设定也带来了不小的麻烦。

本系统具有较强的实用性， DHT11传感器价格也很便宜。我对DHT11与DS18B20及一些水银温湿度测量器的测量数据进行了比较，验证了DHT11测量数据的准确性和稳定性。低廉的价格、小巧的体积、准确稳定的测量数据、简单的单总线控制方式、简洁的电路连接，这些将使DHT11拥有良好的应用前景。1602液晶也比较便宜，操作比较简单。

本系统还具有较高的扩展性，可集时钟，计算器，温湿度测量等于一体，具有一定的市场价值。

六、附件

房间温湿度控制系统原理图：

元器件清单：

1、智能温湿度传感器DHT11

2、单片机STC89C52

3、字符型LCD1602液晶显示器

4、一些加湿设备、除湿设备、加温设备、降温设备

5、若干导线、开关器件等

6、电源