毕业论文基于单片机的智能空气加湿器系统设计与实现文档格式.docx
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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
Abstract
Airhumidityintelligentcontrolsysteminthisdesignusesamicrocontrollerasthecore.TemperatureandhumiditydataacquisitionistheuseofDHT11temperatureandhumiditysensor.ThroughtheSTC89C52MCUascontroller,toachieveultrasonicatomizingsheethumidifyingeffect.Andthrough4digitaltubedisplaysthecurrenttemperatureandhumiditydisplayvalue,canbethroughthekeyswitch.Andthroughtheindicatortoshowtheworkingstate.Wheninastateofdrought,thewaterlevelswitchtoawatersignal,MCUatomizedplatetostopworkreceivesthewatersignalwhenthelightsarered,andthroughthealarmtoachievethealarm.
Thedeviceisalsoprovidedwithahumidity,thehumidityislowerthanthelimitvalueofthehumidifier60%RH.Thecentralheatingsystemcutsoutwhen50%RHagiventemperatureisreached.Canmakeindoorairhumidityincreasesrapidly,theairwillbepurified.Thecontrolsystemissimple,stronganti-jammingcapability,themarketprospectisverybroad.
Keywords:
MicrocontrollerIntelligentcontroltemperatureandhumiditysensorsUltrasonicatomizationThelimitvalue
1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]。
1.4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:
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。
图2.1总体结构图
2.2STC89C52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。
图2.2STC89C52引脚图
2.2.1STC89C52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。
P3口:
P3口是的8位双向内部带有上拉电阻I/O口。
P3口可驱动的TTL逻辑门电路为4个,由输出缓冲级完成。
作输入端时,可以通过对P3口置“1”,通过内部上拉电阻拉高来实现。
此时,通过上拉电阻把外部拉低的P3口电流进行输出。
P3口作为普通I/O口线的同时,还有第二功能,其中Flash闪速存储器编程或者是程序校验的控制信号也可以利用P3口来接收[8]。
RST:
复位输入端。
当振荡器进行工作的时候,单片机的复位方式是利用RST引脚产生两个机器周期以上的高电平。
ALE/PROG:
在进行外部程序存储器以及数据存储器访问时,ALE(地址锁存允许)锁存地址的低8位字节作输出脉冲。
通常,ALE脉冲信号的输出仍使用钟振荡频率的1/6,定时或者对外输出时钟都是通过它来实现的。
值得注意的地方:
通过跳过一个ALE脉冲来进行对外部数据存储器的访问。
编程Flash存储器的时候,输入脉冲(PROG)也是通过该引脚实现。
当需要禁止ALE的操作时,可以对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位进行置位。
置位该位后,需要将ALE激活时采用指令MOVX和MOVC。
该引脚会被微弱拉高,只有设置无效的ALE禁止位,单片机才能执行外部程序[9]。
PSEN:
读选通信号是外部程序寄存器储存允许(PSEN)输出,当STC的指令是由外部程序存储器读取时,PSEN的有效次数为每个机器周期两次,即有两个脉冲输出。
此时,当外部数据存储器被访问时,有两次PSEN信号跳过10。
EA/VPP:
外部访问控制位。
EA端始终设置为低电平(接地)时,使得地址为0000H—FFFFH的外部程序存储器仅被CPU访问。
值得注意的是:
如果编程了加密位LB1,EA端状态会在复位时被锁存。
当EA端设置为高电平(接VCC),内部程序存储器中的指令会被CPU执行。
当连接编程允许的12V电源VPP时,可编程Flash存储器,同时对该器件连接12V编程电压VPP。
XTAL1:
反相振荡放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
反相振荡放大器的输出端。
2.2.2STC89C52复位电路
上电复位,电平式复位和手动式复位是复位方式中常用的。
上电复位是本设计所选用的。
通过一个电容和电源VCC端连接在RESET引脚上,并连接电阻R到地就能实现上电复位。
当系统上电时,复位电路通过电容C加给RESET端一个短的高电平信号,此高电平随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落,即RESET端上的高电平必须维持足够长的时间[10]。
2.2.3STC89C52时钟电路
时钟电路用于产生单片机的工作所需的时钟信号。
时钟信号由外部时钟和内部时钟两种方式产生,本设计采用的是内部时钟方式。
STC89C52有高增益反向放大器,用于构成振荡器,引脚XTAL1是放大器的输入端口、引脚XTAL2是放大器的输出端口。
在XTAL1和XTAL2的两端连接晶体或陶瓷型谐振器,稳定的自激振荡器就这样被构成,内部时钟发生器的脉冲由其直接送入。
外部连接晶振时,电容值通常选用30pF左右;
外接陶瓷型谐振器时,电容值通常选用47pF左右。
电容对频率有微调作用,振荡频率范围为1.2Hz~12MHz,使寄生电容减少,使振荡器更好的稳定可靠的工作,可以把电容和谐振器安装在靠近单片机芯片处。
通过二分频的触发器来实现内部时钟发生器,单片机工作所需的时钟信号就是其输出信号[11]。
2.3电源电路的设计
本设计中使用的是LM7805稳压芯片。
电源电路的组成简单,使用方便,在输入一个直流稳压电源时,其输出电压是5V是单片机正常工作所需要电压。
LM7805芯片的引脚接线为1引脚接经整流器输出的正电压,2引脚为公共地端,3引脚为输出电压其值为5V[12]。
本电路稳压电源输出的电压为5V,电流为1.5A。
该电路有电压变压器B,桥式整流电路D,滤波电容C1、C3,防自激电容C2、C4和一只固定式三端稳压器(LM7805)组成。
电源电路如图2.3所示。
图2.3电源电路图
通过电源变压器将220V交流电转换成交流低电压,由桥式整流电路进行整流,经滤波电容C1进行滤波,之后产生一个并不稳定的直流电压,该电压的变化和输入的交流电电压的波动和负载等因素有关,该电压经过LM7805对其进行稳压后经过滤波电容C3滤波,会在输出端产生一个精度高、稳定度好的直流输出电压。
该直流输出电压可为TTL电路或单片机电路进行供电。
此稳压电源集成电路是通用线性的具有系统化、标准化的优点。
其特点是工作可靠性高、性能好、使用简捷成本低、体积小。
单片式集成稳压器件在稳压电源中比较广泛[13]。
2.4湿度检测电路设计
DHT11数字温湿度传感器,内部含有的输出的数字信号已被校准,是一款温湿度复合传感器。
它在数字模块采集技术和温湿度传感器技术具有广泛的应用,具有卓越的长期稳定性以及极高的可靠性。
传感器的组成部分为NTC测温元件和电阻式感湿元件。
该产品所具有的优点为抗干扰能力强、响应快、性价比极高、品质卓越。
通过极为精确的湿度校准室对每个DHT11传感器进行校准。
在OTP内存中以程序形式把校准系数进行储存,这些校准系数在处理传感器内部的检测信号时进行调用。
系统能够集成的因素是采用单线制串行接口。
功耗低、体积小,能在20米以上进行信号传输。
能适应于较为苛刻的场合,产品采用4针单排针引脚封装,易于外接,根据不同用户的选择使得封装形式比较特殊[14]。
(1)接口说明
DHT11应用电路如图2.4-1所示,在连接的线路长度低于20米时,需外接5K的上拉电阻来确保其稳定性。
长度超过20米时,按照实际要求选择合适阻值的上拉电阻。
图2.4-1DHT11应用电路图
(2)电源引脚
DHT11的电压范围在3V至5.5V之间。
DHT11上电后,需要有1S的等待时间,此时间段内不用发送任何指令来跳过不稳定状态。
去耦滤波的方法是增加一个100nf的电容连接在电源引脚(VSS,GND)之间。
(3)单线双向串行接口
DHT11之间的通讯和同步采用数据格式来微处理,数据格式采用单总线格式,一次通讯4ms左右的时间,数据分为小数和整数两部分,具体的格式说明在下面,当前小数部分便于以后用来扩展使用,现设置为零并读出,操作流程如下:
数据一次可完整传输40位,最高位先输出;
数据格式:
8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和。
校验正确数据传送时数据和等于“8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据”所得结果的最后8位。
上升沿信号如图2.4-2所示,开始信号被用户MCU发送后,DHT11的模式从低功耗转换到高速,等待主机结束开始信号后,响应信号被DHT11发送,送出的数据为40位,信号采集被触发一次,数据的读取部分由用户选择,开始信号发送给DHT11,并使得温湿度采集被触发一次,如果主机发送的开始信号未被接收到,DHT11的温湿度采集不会被响应,低速模式在采集数据后被转换。
图2.4-2上升沿信号图
下降沿信号如图2.4-3所示,高电平时代表总线处于空闲状态,DHT11处于等待时主机会把总线拉低,拉低的时间必须在18ms以上,保证起始信号能被DHT11检测到。
主机的开始信号被DHT11接收到后,等待主机结束开始信号,然后低电平响应信号发送80us。
开始信号结束被主机发送后,延时20~40us的等待时间后,把DHT11的响应信号进行读取,在主机发送开始信号后,可把输入或者输出切换至高电模式,上拉电阻把总线拉高。
图2.4-3下降沿信号图
总线处于低电平,说明响应信号被DHT11发送,响应信号发送之后,再进行80us的总线拉高延时,等待数据发送,数据的每一位间隙都以59us低电平开始,数据位状态“0”或“1”由高电平的长短来决定,DHT11未响应时,则高电平必为响应信号读取状态,这种原因可能是线路连接不正常,当数据的最后一位传送完毕后,对总线进行59us的拉低延时,随后通过上拉电阻把总线设置为空闲状态。
数字“0”信号的表示方法如图2.4-4所示。
图2.4-4数字0信号触发
数字“1”信号的表示方法如图2.4-5所示。
图2.4-5数字1信号触发
2.5超声波雾化电路设计
超声波雾化电路如图2.5所示,可分为缺水检测、缺水指示和雾量调整电路。
图2.5超声波雾化电路图
该电路的缺水检测采用的是干簧管配合漂浮磁环进行检测。
正常情况下包在泡沫塑料中的磁环因为水的浮力而漂浮起来,干簧管受到磁场干扰使常开触点闭合,振荡管由于电源的接通而被偏置,从而使振荡电路工作。
磁环会随着水面下降而下降,直至缺水而使得干簧管不能被控制,常闭触点被释放,由于无法偏置导致振荡管停振,加湿器失去工作能力。
采用发光二极管进行缺水指示。
干簧管断开后PNP型三极管基极与低电位相连接从而发光二极管点亮。
电位器即可调电阻是常用的雾量调整装置,通过调节振荡管的偏置达到调节雾量,电位器与干簧管需要串联在电路中。
采用电阻和可调电阻对电源电压进行压降,在提供给雾量调节电位器起到保护振荡管不会因偏置过高而损坏的作用。
经过电感电阻把调整后的偏置电压加到振荡管基极,使振荡管的变化状态能在截至和最强振荡状态之间选择。
振荡电路是三点式振荡电路由功率三极管和外围电容电感组成,振荡电路的频率约0.65MHZ。
换能器自带晶振的固有频率约1.7MHZ,通过耦合电容使换能器跨接在振荡管基极和电源之间,换能器接收的6.5KMz振荡电压通过耦合电容把振荡电路的振荡电压加载上。
振荡电路激励换能器产生振荡,耦合电容把这个振荡信号反馈给振荡管基极,可以产生1.7MHz的谐振,并产生峰值可达到200V左右的振荡幅度。
换能器把超声波振荡的电能转换成机械能,将表面的水打成水雾,并把水雾通过送风电扇吹出,来增加室内空气的湿度。
加湿器的风机一般使用12V的普通风扇[15]。
2.6继电器控制电路设计
继电器又称为自动开关具有隔离功能,是控制元件中的一个重要器件。
常应用于遥控、遥测、通信、自动控制、机电一体化及电力电子等设备中。
继电器是执行部件,主要应用在自动控制电路中起控制与隔离的作用,它可以实现低电压控制高电压,小电流控制大电流的自动开关。
本设计的控制电路采用电压继电器控制如图2.6所示,采用CPU低电平信号导通,继电器线圈得电,常开触点K闭合,加湿器工作电路得电,并通过指示灯亮来显示状态,如果继电器线圈未得
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- 毕业论文 基于 单片机 智能 空气 加湿器 系统 设计 实现