一種濕度檢測自鎖式安全開關(guān)

彭瑾 高秀敏 蘇文秀

摘 要：文章所設(shè)計的自鎖式安全開關(guān)，采用多層次、多方位的濕度傳感器進行檢測，用以解決機器在濕度過高的情況下工作所導(dǎo)致的機器損失、人身傷害等一系列問題。該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、調(diào)試方便、工作穩(wěn)定、檢測精度高。該設(shè)計有利于提高機器工作的安全性，降低機器損壞的概率，減少機器的維修成本。

關(guān)鍵詞：AT89C51單片機；濕度傳感器；自鎖式安全開關(guān)

1 設(shè)計原理

1.1 基本原理

自鎖式開關(guān)是一種常見的按鈕開關(guān)。在開關(guān)按鈕第一次按下時，開關(guān)接通并且保持，即自鎖；在開關(guān)按鈕第二次按下時，開關(guān)則斷開，同時開關(guān)按鈕會彈出來。自鎖指的是開關(guān)能通過鎖定機構(gòu)保持某種狀態(tài)（通或者斷），從操作方式來說，分為旋鈕式、板動式以及按鈕式。本設(shè)計中的自鎖式安全開關(guān)可以自主地通過濕度傳感器來檢測濕度是否到達警戒濕度，自動判斷是否發(fā)出警告或鎖死開關(guān)，避免危險的發(fā)生。

1.2 技術(shù)路線

1.2.1 技術(shù)實現(xiàn)

在常規(guī)環(huán)境參數(shù)中，濕度是很難準確測量的參數(shù)。濕度測量主要的目的是檢測環(huán)境中的溫度和濕度，以確定產(chǎn)品在生產(chǎn)或儲存的環(huán)境條件。常見濕度測量方法有：靜態(tài)法、干濕球法、露點法和電子式傳感器法[1]。濕度傳感器的選取要考慮測量范圍和測量精度，同時也要考慮時漂和溫漂，濕度傳感器應(yīng)該避免在粉塵多的環(huán)境中使用，也要盡量避免在酸性堿性和含有機溶劑的環(huán)境中使用。

本設(shè)計將濕度檢測技術(shù)用于工業(yè)中可能出現(xiàn)的濕度判斷情況，有利于降低機器過程中的損壞概率，減少機器維修成本，解決因不能準確判斷濕度情況而造成的機器繞行問題。通過對濕度傳感器返回檢測值的處理，解決動返回值錯誤數(shù)據(jù)排除、實時監(jiān)測顯示、警戒濕度報警、半鎖死全鎖死等問題。實現(xiàn)過程是通過對多組傳感器返回值處理，處理器處理，實時濕度顯示，警戒時觸發(fā)示警和開關(guān)半鎖死，危險濕度開關(guān)全鎖死等一系列處理方法，最終快速準確地確定濕度的信息，得出準確結(jié)果。

1.2.2 技術(shù)特點

（1）降低傳統(tǒng)判斷難度，提高檢測精度，穩(wěn)定可靠。（2）減少機器在不適合濕度下工作造成的成本浪費。（3）及時、可靠發(fā)現(xiàn)過濕問題，不會因問題發(fā)現(xiàn)晚而造成機器損壞。（4）通用性強，適用于所有機器或其他需要防水領(lǐng)域，產(chǎn)品操作簡單。（5）產(chǎn)品尺寸小，易于安裝。

2 系統(tǒng)主要部件

2.1 芯片簡介

2.1.1 AT89C51單片機簡介

AT89C51是一種CMOS8位的微型處理器，它可編程、性能高且能消除低電壓，一般稱為單片機[2]。單片機可以和MCS-51指令集以及輸出管腳互相兼容，運用了ATMEL存儲器的制造工藝制作完成。ATMEL的AT89C51是一種高效能微控制器，因為它將功能強大的8位CPU與閃爍存儲器組合于一個芯片中，給許多嵌入式控制系統(tǒng)帶來了一種靈活性很高但價格低廉的方案。

2.1.2 主要功能與特性

AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。AT89C51采用了高密度非易失性存儲器的技術(shù)來制造，與工業(yè)上的80C51產(chǎn)品指令和引腳能夠完全兼容。片上Flash允許程序存儲器能夠編寫在它的系統(tǒng)中，同時在常規(guī)的編輯器中也是適合的。在單芯片中，因為包含了8位CPU和能編程的Flash，AT89C51單片機已經(jīng)為很多的嵌入式系統(tǒng)帶來了更便捷且更有效的方案。

主要性能特點和優(yōu)越性如下。（1）能與MCS-51相兼容。（2）有兩個16位定時器/計數(shù)器。（3）4K字節(jié)可編程的FLASH存儲器。（4）壽命為1000寫/擦循環(huán)。（5）5個中斷源。（6）全靜態(tài)工作：0 Hz～24 MHz。（7）128*8內(nèi)部RAM。（8）三級程序存儲器鎖定。（9）32可編程I/O線。（10）數(shù)據(jù)保留的時間可達10年。（11）可編程穿行通道。（12）低功耗的閑置和掉電模式。（13）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。

2.2 LED數(shù)碼顯示原理

一般的數(shù)碼管LED顯示器分為8段，也有部分分為7段，主要的區(qū)別在于7段少了“dp”段。在顯示器的每個段中都有一個相對應(yīng)的發(fā)光二極管。LED顯示器一般分為共陰極和共陽極兩種。共陰極LED顯示器與發(fā)光二極管的陰極相連且接地，當發(fā)光二極管的陰極連低電平時，該發(fā)光二極管會被點亮，相應(yīng)的段也會被顯示出來。同樣地，共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管與陽極相連且接正電壓，當發(fā)光二極管的陽極連高電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應(yīng)的段被顯示出來。

想要通過LED顯示器來顯示不同的數(shù)字和符號，點亮不同段的發(fā)光二極管，需要通過在LED顯示器寫入代碼來完成。

2.3 傳感器基本介紹

利用某一種轉(zhuǎn)換功能，將物理的、化學(xué)的、生物的等一系列外界信號變成可直接測量的信號的器件被稱為傳感器[3]。從狹義上來說，傳感器可以定義為可唯一而且重視性好地將外界的信號轉(zhuǎn)換成電信號的元器件，從廣義上說，在電子監(jiān)控設(shè)備的輸入模塊中，傳感器可以看作是用來檢測信號的一種元器件。

傳感器的分類方法有很多，但常用的分類方法有兩種，一種是按照被測物理量劃分；另一種是按照工作原理劃分。如果按照前者來進行分類，常用的傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器、液位傳感器和力傳感器等；按照后者進行分類，常見的有電學(xué)式傳感器、光電式傳感器、磁學(xué)式傳感器、光電式傳感器等4種。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

該檢測技術(shù)首先對濕度傳感器去除噪點，然后對多組濕度傳感器檢測到的返回值用處理器進行處理，通過對檢測到的處理返回值的實時濕度顯示，來判斷機器是否達到危險濕度。如果機器達到危險濕度，則自鎖式開關(guān)完全鎖死，示警器觸發(fā)示警；若未達到危險濕度，則判斷是否達到警戒濕度，若達到警戒濕度，則自鎖式開關(guān)半鎖死，同樣示警器觸發(fā)示警。

3.2 系統(tǒng)主程序流程

該技術(shù)通過對多組傳感器返回值處理，處理器處理，實時濕度顯示，警戒時觸發(fā)示警和開關(guān)半鎖死，危險濕度開關(guān)全鎖死等一系列處理方法，最終快速準確地確定濕度信息，得出準確的處理結(jié)果。

4 系統(tǒng)硬件集成

4.1 系統(tǒng)組成模塊及功能介紹

該濕度檢測自鎖式安全開關(guān)由6部分組成，分別為微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）最小系統(tǒng)、電源模塊、示警模塊、按鍵模塊、顯示模塊以及檢測模塊。其中，MCU最小系統(tǒng)一般都是由單片機、程序存儲器、復(fù)位電路以及時鐘電路4部分構(gòu)成的。

因為AT89C51單片機內(nèi)存在4K程序存儲器，因此，該單片機的MCU最小系統(tǒng)只需要外接上復(fù)位電路和時鐘電路，就能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)功能。

該技術(shù)實現(xiàn)的功能主要有：（1）濕度監(jiān)控。實現(xiàn)對工廠濕度參數(shù)的實時采集，測量空間的溫度和濕度，由單片機對采集的濕度值進行循環(huán)檢測、數(shù)據(jù)處理、顯示，實現(xiàn)濕度的智能檢測。（2）控制處理。當濕度越限時報警，并根據(jù)報警信號提示采取一定手段控制。（3）數(shù)值顯示。用數(shù)碼管將測量的濕度數(shù)據(jù)顯示出來。

4.2 系統(tǒng)組成電路設(shè)計

通過MCU最小系統(tǒng)、電源模塊、示警模塊、按鍵模塊、顯示模塊以及檢測模塊組成的自鎖式安全開關(guān)，能夠快速準確地獲取濕度信息。為了實現(xiàn)溫、濕度的快速準確檢測，本系統(tǒng)使用溫濕度傳感器DHT11。首先，將得到的溫濕度信號通過傳感器進行信號的采集，將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，再利用AT89C51單片機對數(shù)據(jù)進行處理分析，同時也為顯示電路和報警電路提供信號，從而實現(xiàn)對濕度的控制報警。該電路的主要組成部分為電源電路、示警電路、CPU電路以及數(shù)碼管顯示電路。

4.2.1 電源模塊設(shè)計

本設(shè)計采用移動電源通過USB接口輸出5 V電壓給單片機供電，同時，由于電源可能出現(xiàn)的電壓不穩(wěn)或雜波，這里加上兩個0.1 μF電容用來濾除雜波。

4.2.2 報警電路

單片機接收到數(shù)據(jù)后會首先對數(shù)據(jù)進行處理，然后再和設(shè)置的參數(shù)進行比較，參數(shù)有上限（最高值）和下限（最低值）。如果得到的數(shù)值高于設(shè)置的上限值，系統(tǒng)會進行報警，反之，如果得到的數(shù)值低于下限值，同樣會進行報警。無論是以上那種情況，數(shù)值都會正常顯示。

該報警電路是由紅色發(fā)光二極管組成的，在輸入濕度的上下限以后，系統(tǒng)會實時對濕度值進行采樣，如果測得的濕度值超出了我們設(shè)置的上下限范圍，則系統(tǒng)觸發(fā)報警。

4.2.3 單片機模塊設(shè)計

綜合了性價比、運行速度以及整體功能等相關(guān)因素，本系統(tǒng)最終采用的是AT89C51單片機。

4.2.4 LED顯示模塊設(shè)計

通過控制單片機的P口來控制LED燈的亮和滅。這里采用的是動態(tài)驅(qū)動顯示方式，指的是將數(shù)碼管的驅(qū)動端相對應(yīng)地和單片機的數(shù)據(jù)口逐個連接，而將公共端單獨送至單片機的I/O口進行片選。由于人的眼睛會有暫時性的視覺停留，假如每兩個數(shù)碼管之間亮的時間非常短，則人眼是觀察不到的，我們能夠通過片選信號來點亮數(shù)碼管。

4.2.5 復(fù)位電路

單片機的復(fù)位方式主要有3種，分別為上電、按鍵以及看門狗。本實驗中所采用的為上電+按鍵型復(fù)位方式，將兩者相結(jié)合，使用任意一種方式，都能夠使單片機復(fù)位。

在單片機的系統(tǒng)中，系統(tǒng)復(fù)位是在電啟動的時刻，而且要想使系統(tǒng)再次復(fù)位，只需將按鍵按下即可，倘若放下后接著按一次，它還能復(fù)位。因而我們要想在這個運行系統(tǒng)中控制它的復(fù)位，只需通過按鍵的閉合與斷開即可。

4.2.6 濕度檢測模塊

此模塊為系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，它既能對溫濕度進行準確測量，也可以將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量。在本系統(tǒng)中，濕度傳感器DHT11會直接進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再將已經(jīng)轉(zhuǎn)化完成的數(shù)字量數(shù)字量送給單片機，經(jīng)過處理之后所得到的濕度數(shù)值會在數(shù)碼管電路上顯示出來。由于濕度傳感器的精確度值會直接影響到整個系統(tǒng)的檢測與控制，所以本系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)字式濕度傳感器，來保證測量得到的濕度值的準確性。

[參考文獻]

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