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基于单片机智能空气加湿器系统设计与实现.rar

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    编号:20181030002154272    类型:共享资源    大小:2.60MB    格式:RAR    上传时间:2018-10-30
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    基于 单片机 智能 空气 加湿器 系统 设计 实现
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    郑 州 工 业 应 用 技 术 学 院本科生毕业设计说明书题 目:基于单片机智能空气加湿器系统设计与实现郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 基于单片机智能空气加湿器系统设计与实现I摘要本设计是采用单片机为核心的空气湿度智能控制系统。利用 DHT11 温湿度传感器进行温湿度采集;以 STC89C52 型单片机为控制器;利用超声波雾化片来实现加湿效果;采用 C 语言为编程控制语言,利用模块化编程来控制各个元器件的工作状态;通过四位数码管来显示当前温湿度值;并通过指示灯来显示具体工作状态。系统工作在缺水状态时,水位开关传回一个缺水信号,单片机接收到缺水信号时使雾化片停止工作,指示灯显示为红色,并通过报警器来实现报警提醒。本设计设置两种工作模式,通过按键进行选择,模式一低于 60%RH 工作,模式二低于 50%RH 工作,方便不同地区不同环境下进行选择使用。湿度值超出限制值时加湿器停止工作。雾化装置能够使室内空气湿度迅速增加,净化空气的效果。系统控制简便快捷,抗干扰能力强,市场前景十分广阔。关键字:单片机 智能控制 温湿度传感器 超声波雾化片 郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 基于单片机智能空气加湿器系统设计与实现IIAbstractAir humidity intelligent control system in this design uses a microcontroller as the core.Temperature and humidity data acquisition is the use of DHT11 temperature and humidity sensor.Through the STC89C52 MCU as controller, to achieve ultrasonic atomizing sheet humidifying effect. And through 4 digital tube displays the current temperature and humidity display value, can be through the key switch.And through the indicator to show the working state.When in a state of drought, the water level switch to a water signal, MCU atomized plate to stop work receives the water signal when the lights are red, and through the alarm to achieve the alarm.The device is also provided with a humidity, the humidity is lower than the limit value of the humidifier 60%RH.The central heating system cuts out when 50%RH a given temperature is reached.Can make indoor air humidity increases rapidly, the air will be purified.The control system is simple, strong anti-jamming capability,the market prospect is very broad.Keywords: Microcontroller Intelligent control temperature and humidity sensors Ultrasonic atomization The limit value 郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 基于单片机智能空气加湿器系统设计与实现III目录1 绪论 ..........................................................................................................................11.1 设计选择背景 ...............................................................................................11.2 加湿器发展现状 ...........................................................................................11.3 加湿器主要功能 ...........................................................................................11.4 加湿器湿度标准 ...........................................................................................11.5 加湿器选择方案 ...........................................................................................21.6 超声波加湿器选择 .......................................................................................22 加湿器电路设计 ......................................................................................................32.1 加湿器电路总体功能 ...................................................................................32.2 STC89C52 单片机 ........................................................................................42.2.1 STC89C52 的引脚功能 .....................................................................52.2.2 STC89C52 复位电路 .........................................................................62.2.3 STC89C52 时钟电路 .........................................................................62.3 电源电路的设计 ...........................................................................................72.4 湿度检测电路设计 .......................................................................................72.5 超声波雾化电路设计 .................................................................................102.6 继电器控制电路设计 .................................................................................112.7 水位开关电路设计 .....................................................................................112.8 按键控制及显示电路设计 .........................................................................113 PCB 电路制作及所需元器件 ...............................................................................133.1 硬件电路制作 .............................................................................................133.2 PCB 基本钻孔流程 ....................................................................................133.3 PCB 工艺流程 ............................................................................................143.4 元器件清单 .................................................................................................144 软件设计 ................................................................................................................154.1 模块化程序设计 .........................................................................................154.1.1 DHT11 温湿度采集模块 .................................................................154.1.2 报警器模块 ......................................................................................164.1.3 数码管显示模块 ..............................................................................164.1.4 指示灯显示模块 ..............................................................................174.1.5 继电器控制模块 ..............................................................................184.1.6 按键扫描模块 ..................................................................................18郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 基于单片机智能空气加湿器系统设计与实现IV4.1.7 水位判断模块 ..................................................................................194.2 主程序设计 .................................................................................................205 系统调试 ................................................................................................................215.1 测试环境及工具 .........................................................................................215.2 测试目的 .....................................................................................................215.3 测试要求 .....................................................................................................215.4 测试中的问题及解决方案 .........................................................................215.5 测试结果分析 .............................................................................................22结论 ..............................................................................................................................23致谢 ..............................................................................................................................24参考文献 ......................................................................................................................25附录 ..............................................................................................................................26附录 A 实物图 ..................................................................................................26附录 B PCB 电路图 ..........................................................................................27附录 C 原理图 ..................................................................................................28附录 D 程序 ......................................................................................................29郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 基于单片机智能空气加湿器系统设计与实现11 绪论日常生活中干燥是健康的重大影响因素,其使人体内水分大量流失,并造成皮肤紧绷、唇裂、上火、口干舌燥等,严重的还能引起咽喉炎、流感等呼吸道疾病。当室内空气干燥时,还会导致家电、地板、家具等用品变形、老化,使用寿命大大降低。在我国南方,晴天或秋冬季室内使用空调后空气湿度仅在40%RH 以下,明显低于正常的湿度范围:40%~70%RH,而加湿器的出现和使用,能让家人以及家具都从干燥中解脱出来,从此享受暖暖湿意且健康的秋冬。1.1 设计选择背景本设计为作者在生活中所做课题的一个改进,最初设计课题为药物催化控制系统,该课题利用单片机为控制核心,采用电热丝为热源器件,利用DS18B20 温度传感器采集温度,控制当前液体温度与催化效果的一种控制系统。该课题的原理与电加热型加湿器类似。原课题存在很多需要改进的地方,为了更好的体现设计效果在查阅资料以及对比的情况下,作者对原课题进行改进并设计出本设计并制作出硬件电路来实现真实效果。1.2 加湿器发展现状电加热型、超声波型、纯净型是当前加湿器的三种类型。热蒸发型加湿器也叫电加热式加湿器,其工作原理是将水通过电热丝加热到 100°C 产生水蒸气用电机将水蒸气送出。所以电加热式加湿器是技术最简单的加湿方式;缺点是能耗较大、不能干烧、安全系数较低、加热器上容易结垢 [1]。纯净型加湿器纯净加湿技术则是加湿领域刚刚采用的新技术,纯净加湿器通过分子筛蒸发技术,除去水中的钙镁离子,彻底解决“白粉”问题。超声波加湿器采用超声波高频震荡,将水雾化为 1~5um 的超微粒子,通过风动装置,将水雾扩散到空气中,使空气湿润并产生丰富的负氧离子,能清新空气,增进健康,一改冬季暖气的燥热,营造舒适的生活环境。1.3 加湿器主要功能主要功能:调节和增加室内湿度、预防疾病、消除静电、养颜护肤、养生保健、调节室内温度。辅助功能:加湿器在日常生活中还扮演者很多较色,可以在水箱中加入消毒液,从而预防流感及肺炎等病毒,阻挡其侵扰;在体现现代家庭的温馨和浪漫时可以兑入专用香水;对呼吸道患者疗养时可以兑入专用药水,为其创造一个良好的疗养空间;由于负离子的产生加湿器还能使人们仿佛进入森林、海洋,感受新鲜空气的滋润;由于加湿器的过滤作用使其还具备着净化空气的角色 [2]。郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 基于单片机智能空气加湿器系统设计与实现21.4 加湿器湿度标准生活在湿度较低的环境中给人一种干燥焦渴的感觉,并会引发呼吸性疾病,严重时会损伤皮肤;生活在湿度较高的环境中给人一种憋闷难受的感觉,并能够影响人体与环境的水分平衡。科学的选择最佳湿度是十分重要的,经实验表面,各种场所中最佳湿度如下:居室环境为 40%~70.5%RH;最利于防病、治病的湿度为 40%~55%RH。通过大量实验证明: 40%~50%RH 是人们感觉最适宜、最利于健康,也是消除静电保护机器的标准湿度。1.5 加湿器选择方案方案一:选用电热丝加湿器为原型,其工作核心是利用高电压使电热丝工作,对液体进行加热,通过温度变化使水从液态转换为气态并通过电机将水蒸气扩散到室内,从而达到加湿效果。但该过程产生大量的热,使原本干燥的空气更加炙热,而且大量的能量未被利用,容易产生水垢。方案二:选用超声波加湿器为原型,其工作核心是通过超声波高频振荡。通过雾化方式将水雾化为 1~5um 的超微粒子,通过风动装置,将水雾扩散到空气中,从而达到增湿效果。其优点是加湿强度大、加湿效率高、节能、省电、耗电仅为电热加湿器的 1/10~1/15;具有无水自动保护功能,对水质要求较高 [3]。1.6 超声波加湿器选择超声波加湿器是一种新兴的空调加湿设备。这种加湿器是利用高频超声波振动,把水雾化为 1~5um 的超微粒子,从而达到调节空气湿度的目的。本设计采用的是超声波型加湿器。超声波雾化器工作方式是电子高频振荡(该振荡范围超出人的听觉范围,对人体或者动物没有伤害),引起陶瓷雾化片的高频谐振而产生的超声波,超声波在水中传播产生空化现象,水和空气之间的空穴爆炸被雾化器加以利用,并将空穴周围的水粉碎成 1-3um 的微粒,于是水雾就在水面产生,该过程无需加热,更无需添加任何化学试剂 [4]。雾化器能够净化空气的原因是在雾化过程负离子的大量产生与释放的结果;促进植物的呼吸作用,还能够使营养液中的营养物质在空间悬浮长达二小时以上。雾化片的正常使用寿命约在 3000 小时,更换及其简单。同时水的质量也决定着它的使用寿命,可使用柔布将沉积在雾化片上的水垢进行清洗。不同的水质和使用目的,其雾化片的选择也是不同的,覆不锈钢的雾化片适合水质较硬的地区;玻璃釉面的雾化片适合在耐酸的环境下使用。覆不锈钢的雾化片可以郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 基于单片机智能空气加湿器系统设计与实现3对硬度比清水和自来水高的营养液进行雾化;进行空间消毒杀菌时可以选择玻璃釉面的雾化片,使用电功能水的超声波雾化进行消毒杀菌。雾化片的样式繁多,其中包括镀钛、陶瓷银片、不锈钢片、镀镍等样式。2 加湿器电路设计2.1 加湿器电路总体功能本设计的电路通过模块化来实现各自的工作方式以及所要求达到的功能。采用单片机为核心,进行对各个模块的控制,实现加湿器的工作效果。各模块的功能分析如下:(1)单片机设计功能单片机为系统的工作核心,拥有控制和运算功能。编程语言可以采用汇编语言或 C 语言。能够迅速响应接收到检测装置的数字信号,对控制信号进行输出响应驱动电路进行工作,通过系统判断工作程度,进行系统自动开关 [5]。(2)复位电路设计功能单片机的初始化可以通过复位操作来实现,还可以重新启动单片机结束死机状态,因此该电路非常重要。外部复位电路是单片机实现复位的必然选择,在时钟电路处于工作状态时,单片机的复位是通过置高单片机 RESET 引脚两个机器周期实现的。(3)时钟电路设计功能产生的时钟信号为单片机工作所需,产生方式分为两种:内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式。(4)水位开关电路设计功能水位开关电路在加湿器设计中是一个非常重要的电路,该电路确保加湿器在安全状况下运行,起到保护作用。无水时传给单片机一个低电平“0”信号。(5)DHT11 电路设计功能DHT11 为温湿度传感器,该部分电路的核心是采集当前环境湿度,通过单线传输采集到的信号通过数据转换,传送给单片机进行处理。(6)电源电路设计功能电源电路是整个电路中的能量来源,为整体电路的工作提供稳定的工作电压。(7)指示灯及报警电路、显示电路、按键电路工作方式指示灯电路显示三种状态,显示为绿色时表明室内湿度处于正常状态;显示为蓝色时表明室内湿度低于正常状态,加湿器开始工作;显示为红色状态结合报警电路进行报警,此时工作状态为单片机接收到水位开关传回的一个缺水信号。显示电路显示当前的温湿度值。按键电路向单片机传回两种控制信号:郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 基于单片机智能空气加湿器系统设计与实现4第一种信号使加湿器的工作上限值为 60%RH;第二种信号使加湿器的工作上限值为 50%RH[6]。(8)继电器电路、雾化电路设计功能继电器电路接收到单片机传入的工作信号后,继电器的常开触点闭合,雾化电路导通进行雾化加湿工作。湿度值通过 DHT11 传感器接收并传给单片机。总体结构如图 2.1 所示。单片机时钟电路复位电路水位电路D H T 1 1电路指示灯及报警电路显示电路继电器电路按键电路电源电路雾化电路图 2.1 总 体 结 构 图2.2 STC89C52 单片机宏晶科技生产的 STC 系列单片机是单时钟/机器周期( 1T)、具有高速、低功耗/超强抗干扰能力,其指令代码具有很好的兼容型,内部集成了 MAX810专用的复位电路,8 路高速 10 位 A/D 转换,4 路 PWM 专门针对电机控制能够适应强干扰场合。STC 系列单片机与 MCS-51 产品指令和引脚完全兼容;8K 可重擦写的闪速存储器;1000 次擦写周期;全静态操作:0Hz-24MHz;三级加密程序存储器;256×8 字节内部 RAM;32 个可编程 I/O 口线;3 个 16 位的定时/ 计数器;8 个中断源;可编程串行 UART 通道 [7]。STC89C52 的引脚分布如图 2.2 所示。郑州工业应用技术学院毕业设计说明书 基于单片机智能空气加湿器系统设计与实现5图 2.2 STC89C52 引脚图2.2.1 STC89C52 的引脚功能 P0 口:P0 口的地址/数据总线是复用口,漏极开路型双向 8 位 I/O 口。作为输出口使用,驱动 8 个 TTL 逻辑门电路来实现吸收电流的功能,使端口 P0置为高电位,可当作输入的高阻抗端口使用。对外部数据存储器进行访问,或者是对程序存储器进行访问,转换地址采用分时(低 8 位)和复用数据总线,访问期间对内部上拉电阻进行激活,Flash 编程时,P0 口指令字节做指令的接收,通过外接上拉电阻做输出接口对程序进行校验。P1 口:P1 是 8 位双向 I/O 口,且内部连接上拉电阻,P1 驱动的 TTL 逻辑门电路的个数为 4 个,由输出缓冲级完成。若作为输入口时需要通过上拉电阻把端口设置为高电平。由于其内部上拉电阻的存在,用作输入口时,利用外部信号把某个引脚置为低电平时会产生一个电流进行输出。定时器的外部计数输入可以通过 P1.0 口来实现,计数器 2 的外部计数输入可由 P1.1 来实现。P2 口:P2 是 8 位双向 I/O 口,内部连接上拉电阻,P2 可驱动的 TTL 逻辑门电路为四个,由输出缓冲区完成。当作输入口使用时,需要对 P2 口进行置“1”,由于内部有上拉电阻的原因可以把端口拉升为高电平,由于内部上拉电阻的存在,外部信号拉低 P2 口的某个引脚时会输出一个电流。在对存储器进行外部程序访问时,或对外部的 16 位地址数据存储器进行访问时,P2 口送出高8 位地址数据。对外部的 8 位地址数据存储器访问时,P2 锁存器的内容作为数据被 P2 口输出。 P2 口接收高位地址或者是一些控制信号时,可做 Flash 的编程或校验使用。
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