基于单片机的室内恒温控制及加湿系统设计

基于单片机的室内恒温控制及加湿系统设计

徐志国

徐州工程学院物理与新能源学院 221018

摘要：本设计是一款以STC89C52RC为核心的室内恒温控制及加湿系统，通过温湿度检测模块、无线通讯模块、显示模块、控制模块等诸多模块对室内的温湿度进行实时检测并显示，还可以根据需求智能控制室内温湿度，使室内的人处在一个舒适的环境中。实践证明，本设计具有响应快、稳定性高、成本低、智能化等特点。

关键词：STC89C52RC单片机、室内温湿度智能控制、无线通讯、1602液晶显示

1、设计背景

自20世纪末以来，单片机技术被广泛应用于自动控制、智能化仪器、仪表、数据采集、军工产品以及家用电器等各个领域。科技进步的同时，人们对于生活质量的要求也在逐步提高，人们的的生活方式逐渐趋向智能、高效和人性。目前市面上存在生活用室内加湿器，以及控温系统都是功能单一，操作繁杂，不能智能控制，不便于使用。我们想设计一种由单片机控制的智能温度调节与加湿系统，能够更方便人们的生活。

2、硬件系统介绍

本系统以STC89C52RC为主控模块，采用以DHT11传感器为主器件的测温单元检测室内温湿度，并将温湿度在1602液晶上实时显示。与此同时，通过以HC-05为主器件的无线通讯模块实现单片机与手机的实时通讯，可通过手机获取温湿度数据，也可以选择手动控制或者自动控制加湿模块、加热模块以及降温系统^[1-3]。

2.1系统图框

整个系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2.2主控模块

STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，用户应用程序空间为8K字节，有32个通用IO口、3个16位定时器/计数器、通用异步串行口（UART），完全能够满足本系统的需求。图2为STC89C52RC单片机的引脚分布图。

图2 STC89C52RC单片机引脚分布图

2.3温湿度检测模块

DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性和长期的稳定性。湿度与温度的测量范围分别为20-90%RH和0-50℃，测量精度分别为±5%RH和±2℃。在满足本系统需求的前提下，兼具品质卓越、超快响应、性价比极高等优点^[4]。

图3为DHT11温湿度传感器和51单片机通讯的时序图。51单片机先把总线拉低18ms以上，作为起始信号等待DHT11响应。DHT11接收到51单片机的信号后，等待51单片机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号，随后拉高电

平80us，准备发送数据。其中DHT11输出高电平26us-28us表示输出‘0’，输出高电平70us表示输出‘1’。这样即可获得可靠的温湿度数据^[5]。

图3 DHT11和51单片机通讯时序图

2.4无线通讯模块

HC-05蓝牙串口通讯模块，是基于Bluetooth Specification V2.0带EDR蓝牙协议的数传模块。HC-05操作简单，可以直接和51单片机实现串口通讯^[6]，再将数据通过蓝牙发送给手机，实现单片机与手机的通讯。图4是其基本参数

图4 HC-05基本参数图

由于HC-05蓝牙通讯模块需要3.3V供电，所以还需要5V转3.3V地降压模块。本系统采用LM1117T-3.3V降压芯片作为降压模块的主芯片，电路图如图5所示。

图5 5V转3.3V降压电路

2.5显示模块

LCD1602如图6所示，是一款极具性价比的字符型液晶显示器，专门用于显示字母、数字和符号，容量为2行16个字符，支持低电压操作（2.7V-5.5V）。LCD1602基控制器大部分为HD44780，芯片工作电压为4.5V-5.5V，采用标准的16脚接口。LCD1602液晶显示器还具有显示质量高、体积小、重量轻、低功耗等优点，并且液晶显示都是数字式的，和单片机系统接口更加简单可靠、操作更方便。

图6 1602液晶实物图

2.6控制模块

控制模块由三组继电器和加湿器、加热器、新风系统组成。在现实生活中我们将使用空调作为加热和加湿的手段，用加湿器作为加湿手段。但是在模拟室内环境的模型中，我们只使用加热片和小型加湿器对模拟环境进行加热和加湿；使

用新风系统理论对室内降温。下面介绍本系统使用的继电器和新风系统。

2.6.1继电器

本系统继电器采用1路5V低电平触发电磁继电器，触发电压0-3.5V，工作电流65mA，采用双面FR-4线路板设计，高端贴片工艺生产，可以直接控制各种设备和负载。当信号输入端有低电平信号时，继电器公共端和常开端闭合，用电器通电工作。此款继电器非常适合用于使用单片机控制用电器的系统。继电器实物图如图7所示。

图7 继电器实物图

2.6.2

新风系统

本系统使用新风系统实现降温。新风系统是根据在密闭的室内一侧用专用设备向室内送新风，再从另一侧由专用设备向室外排出，在室内会形成“新风流动场”，从而满足室内新风换气的需要^[7]，如图7所示。本系统将使用小风扇作为新风系统的送风设备。

图7 新风系统示意图

2.7实物图如图8所示。

a.硬件系统正面

b.硬件系统背面

c.上电效果图

图8 硬件系统

3、软件系统介绍

3.1软件介绍及程序流程图

本系统采用keil C51作为编程软件。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，在编写程序的功能上、结构性、可读性、可维护性等诸多方面具有明显优势。

在程序方面，我们采用递推和递归相结合的方式，实现程序高效、简洁、可维护。其中，主程序为整个软件系统的核心，主要用来获取温湿度数据，并配合定时器中断和串口中断，实现数据显示以及和手机的信息交换。

系统程序流程图如图9所示。

图9 软件流程图

3.2温湿度数据的获取

图10为DHT11（及DHT11温湿度传感器）和主机（即本系统中的51单片机）通讯的时序图。DHT11和主机通讯，采用单总线数据格式。一次通讯时间为4ms左右。一次完整的数据传输为40bit，数据格式为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。

通讯流程为：主机先发出开始信号，将总线拉低至少18ms并等待DHT11响应。DHT11接收响应并等待主机开始信号结束后向主机发送80us响应信号。主机发送开始信号结束后，延迟20-40us后接收DHT11发送的响应信号。随后，DHT11再把总线拉高80us，准备发送数据。DHT11发送26us-28us高电平表示发送数据0，发送70us高电平表示发送数据1。程序流程图如图11所示。

图10 DHT11通讯时序图

图11 通讯流程图

3.3手机控制用电设备

这部分将使用到51单片机的串行口、HC-05蓝牙通讯模块以及手机软件《蓝牙串口》。51单片机的串行口是一个可编程全双工的通讯接口，具有UART的全部功能，能同时进行数据的发送和接收，本系统将使用串行口工作方式1。串行口工作方式1传送一帧数据共10位，1位起始位，8位数据位，1位停止位，也就是此方式一次性只能发送1个字节的数据。将单片机与HC-05如图10所示连接，就可以实现单片机与HC-05的数据通讯。然后经过HC-05的蓝牙模块将数据发送给手机，此时手机就接收到单片机发送的数据，即此时的室内温湿度数据。同理，手机也可以向单片机发送指令，实现对用电设备的控制。程序流程图如图12。

图12 手机控制流程图

4、系统测试

下面，我们将模拟室内环境并使用本系统检测温湿度并将其控制在我们设定的范围内。在此过程中，我们会使用市面上比较热卖的两款温湿度检测装置也对模拟环境进行温湿度检测，并将这些数据进行比较。为了方便叙述，我们将本系统称为A装置，将建大仁科的温湿度检测装置称为B装置，将控塞恩的温湿度检测装置称为C装置。我们在A装置的程序指令中，将控制温度设置为20℃到25℃，湿度设置为50%RH到60%RH。启动本程序，并每隔30min记录一次数据。

温度记录数据如表1所示。

表1温度数据

湿度记录数据如表2所示。

表2湿度数据

得到温湿度数据图表如图12所示。

图12 温湿度数据图表

如图a和图b的柱状图所示，本系统测得的温湿度数据和市面上的仪器所测得的数据在误差许可的范围内近似相同，所以本系统测量的室内温湿度数据是可靠的。

再如图c和图d的折线图所示，在本系统程序控制指令中将温度设置为20℃到25℃、湿度设置为50%RH到60%RH的情况下，模拟环境的温湿度大体都被本系统控制在设定范围内。我们也看到，湿度在第6次测量时为62%RH，超过了60%RH。后来我们分析发现，这是由于第六次测量时系统正在给模拟环境加湿，当系统检测到湿度达到60%RH时，加湿器已经将模拟环境的湿度加到60%RH以上了，即系统检测与系统控制之间存在一定延迟，这种误差是在许可范围内的。所以，本系统能够很好、准确地控制室内温湿度。

综上，本系统具有良好的温湿度测量精确性，并能快速准确地控制室内温湿度。

5、结语

本系统采用加湿器、加热器、新风系统，通过单片机的控制，实现了对室内温度、湿度的智能调节，使室内温湿度总处于一个令人舒适的范围。此外，我们还搭设了单片机与手机的通讯系统，使得使用者可以随时随地通过手机了解和控制室内的温度和湿度。本系统响应快、稳定性高、成本低、智能化，能够广泛地

应用到母婴室、实验室、工作车间、蔬菜养殖房等多种场合，具有良好的开发前景。

参考文献：

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