基于AT89S51單片機的溫濕度監測與控制系統設計

倪 瑞，張萬達

（青島大學 自動化學院，青島266071）

目前隨著人們生活質量的不斷提高，對環境的溫濕度的需求也相應提高。為滿足人們對自身健康狀態和生活品質的追求，對溫濕度的監測和控制系統的研究就具有實際的應用價值。一些溫濕度系統使用二極管作為傳感器，其互換性差[1]，為了滿足人們最佳的環境生活，我們需要研究一種簡單、高效的溫濕度檢測和控制裝置[2]，便于提醒和控制人們工作和生活的溫濕度， 在不同的氣候和環境需求下，進行一定程度的調整，以便達到最佳的居住環境。針對這種需求，本文設計了基于AT89S51 單片機[3]和DHT11 溫濕度傳感器[4]的溫濕度監測與控制系統。

1 系統結構及硬件設計

1.1 系統結構

溫濕度監測和控制系統，主要功能為監測當前環境的溫濕度值；當溫濕度值高于系統設定的溫濕度閾值時，監測功能將以蜂鳴的形式報警，將溫濕度值傳輸到CPU 中進行處理，控制相應的繼電器吸合，進行加熱、降溫、加濕、除濕的操作，達到系統控制環境溫濕度的目的。本系統由5 個部分組成：溫濕度采集、數據處理、用戶交互、系統控制、上位機顯示。

溫濕度采集由DHT11 傳感器實現，它可以將采集到的數據傳遞到AT89S51 芯片中；數據處理通過AT89S51 單片機進行數據處理， 經過它的運算分析，將沒有超過預設值的溫濕度數值在LCD 屏上顯示，完成環境檢測功能。假設當前溫濕度值超過了設定的閾值，則指示蜂鳴器報警，并引導系統控制模塊中的相應裝置運行；用戶交互包含按鍵、蜂鳴器、液晶屏等硬件，用于設定溫濕度閾值、報警、實時獲取溫濕度值， 給用戶進行參考； 系統控制由AT89S51、繼電器、加熱裝置、降溫風扇、干燥器、加濕器組成， 通過系統控制模塊可以控制本設備加熱、降溫、加濕、除濕操作；上位機顯示，在計算機端顯示實時溫濕度數據，溫濕度變化實時，與液晶顯示屏數據一致。

依據以上對系統的功用剖析系統的結構原理圖即圖1所示。

圖1 溫濕度監測與控制系統架構圖Fig.1 Architecture of temperature and humidity monitoring and control system

通過上圖可以看出，AT89S51 是整個系統的核心， 各個分模塊圍繞AT89S51 展開功能， 其中DHT11 傳感器是經校準的數字信號輸出復合傳感器，負責測量和傳輸溫濕度數據[5]；LCD 顯示部分完成了在系統裝置上的顯示；上位機部分實現了在計算機端的顯示；按鈕完成初始數值的預設；蜂鳴報警器完成了報警功能； 系統控制部分完成了加熱、散熱、加濕、除濕功能的實現。

1.2 硬件設計

1.2.1 溫濕度傳感器DHT11

DHT11 溫濕度傳感器通過內部取值，將采集到的溫濕度模擬量轉換成數據量，直接進行取值和運算，性能穩定、可靠。DHT11 傳感器內含了溫濕度數據校準功能，可以將校準后的溫濕度數字送入自帶的緩存中，進行存儲，待和單片機建立通訊后，可以將這些數據送入芯片中進行通訊。DHT11 響應快速，抗干擾強，信號傳輸距離遠，性價比高[6]。

1.2.2 AT89S51 單片機

AT89S51 具有編程的功能，特別對于聯機設備，可在不停機的情況下，執行嵌入式在線編程，重置后方可查看實際的效果。它的存儲功能，即使出現了突然斷電等異常情況，仍然能良好的保存先期存儲數據。

1.2.3 LCD 液晶顯示屏

本系統的液晶顯示屏，要能顯示中文、英文、數字和溫濕度單位，為此我們使用LCD1602 字符型液晶屏。對于功能較為強大的顯示器，因為限制于裝置的問題， 加之與之通信的單片機通信能力有限，所以一定要等液晶屏初始化之后，才能良好的顯示數據。

2 系統軟件設計

2.1 溫濕度監測系統程序設計

溫濕度監測的流程：當系統開始運行后，全部裝置進行初始化操作， 蜂鳴報警器初始化鳴叫后，證明其功能正常；LCD1602 液晶屏初始化后， 顯示預設值， 并等待數據傳輸；DHT11 溫濕度傳感模塊開始采集環境中的溫濕度值， 并通過數據轉換，傳送給AT89S51 單片機；AT89S51 根據DHT11 傳來的溫濕度數據值做出判斷，如果溫濕度數值沒有超過預設值，則與LCD1602 液晶屏通信，完成當前溫濕度值顯示，若溫濕度數值超過閾值，則報警器報警，監測流程如圖2所示。

2.2 溫濕度控制系統程序設計

圖2 溫濕度監測流程Fig.2 Flow chart of temperature and humidity monitoring

系統控制的過程如下：當AT89S51 單片機在執行完檢測功能后，判斷出當前的溫濕度數值超出了預設值，則通過內部程序處理，將相關繼電器吸合，從而為加熱裝置、降溫裝置、加濕裝置、除濕裝置加電，完成控制相對應的外設設備的啟動；當外界溫濕度數值在預設值范圍后，AT89S51 要關閉繼電器，為相應的外設設備斷電，溫濕度系統控制流程如圖3所示。

圖3 溫濕度系統控制流程Fig.3 Flow chart of temperature and humidity control system

2.3 上位機界面設計

為保證上位機與LCD1602 顯示的數據同步，采用RS232 串口通訊，使用Visual Basic 編程。上位機界面顯示了預先設置的溫度上限值， 溫度下限值，當前溫度值，濕度上限值，濕度下限值，當前濕度值。加濕繼電器、去濕繼電器、加熱繼電器、降溫繼電器的開關狀態。上位機運行界面如圖4所示。

圖4 上位機運行界面Fig.4 Operating interface of host computer

此界面顯示溫度上限值是30 ℃，溫度下限值是6 ℃，當前溫度是25 ℃，濕度上限值是74%，濕度下限值是40%，當前濕度值是30%。因為當前濕度值在預設的濕度下限值以下，于是加濕繼電器呈現打開狀態，使當前濕度增大，達到預設的濕度范圍。

3 結語

經過對溫濕度監測與控制系統的硬件及軟件環節的調試，本次溫濕度檢測與控制系統功能得到了實現，達到了系統設計之初，對生活環境溫濕度的實時監測與控的各項目的。此外，該系統也可用于其他環境下得溫濕度監測與控制，具有很好的移植性和廣泛的應用性。