基于AT89S51單片機的溫濕度監測與控制系統設計與應用研究

杜 娟

（酒泉職業技術學院，酒泉 735000）

傳統溫濕度控制系統設計中，多通過模擬技術設計溫濕度控制系統。溫度傳感器多使用熱電阻、熱電偶等模擬器件，所以需要增加額外的補償電路，且設計比較復雜，成本高。

基于成本和性能的綜合考慮，研究一種以AT89S51單片機為核心控制器的數據采集和處理的系統設計方案，通過溫度傳感器和濕度傳感器來監測和顯示相關對象的溫濕度，為相關人員做好溫濕度的合理調控提供依據[1]。

1 系統設計結構和原理分析

基于AT89S51單片機的溫濕度監測和控制系統設計，如圖1所示。在這一溫濕度控制系統設計中，并不是采用傳統的PC上位機進行數據處理，而是借助AT89S51單片機充當核心控制元件，通過硬件電路設計和鍵盤配置，借助液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）顯示具體環境的溫濕度參數。系統硬件電路中包含單片機、時鐘電路、復位電路、按鍵電路、LCD顯示電路、繼電器控制電路、溫濕度監測模塊以及報警電路等[2]。

圖1 系統原理圖

就該系統設計原理來看，時鐘電路部分的功能是保證單片機正常工作，使其相應的內部功能電路能夠在時鐘信號的作用下實現有序工作。復位電路功能是對單片機硬件進行初始化操作，促進其內部的中央處理器和其他結構處于初始狀態，使單片機從初始狀態開始工作。按鍵電路則是通過設置受控對象的溫濕度上下限值，確定整個系統的動作情況，根據設定值接通或斷開報警電路、繼電器控制電路。LCD顯示電路能夠實時顯示受控對象的溫濕度信號及系統的其他狀態參數[3]。繼電器控制電路則是根據實際溫濕度參數測定值和設置的溫濕度參數值的比較情況確定接通或斷開電路，從而使受控對象的溫濕度達到設定的最優值。溫濕度檢測模塊實時采集受控對象的溫濕度數據。報警電路是在受控對象的實時溫濕度參數異常時發出聲光信號提示，使監控人員快速發現系統的異常。

在該監測和控制系統設計中，AT89S51單片機是核心單元，對控制效果有直接影響。通過采集受控對象的溫濕度信號，以數字信號的形式進行傳輸和顯示，實時顯示受控對象動態的溫濕度變化，同時能夠實時控制受控對象的溫濕度，根據設定的溫濕度控制受控對象進行相應的操作。

2 系統設計要點

2.1 傳感器選擇

2.1.1 溫度傳感器選擇

綜合相關傳感器特性，本文選擇使用熱電阻溫度傳感器。這種傳感器根據導體電阻隨溫度變化的特點進行測溫元件的研制，能夠精準監測溫度變化。目前，在熱電阻溫度傳感器制作中，多使用銅、鎳以及鉑等熱電阻。這些材料精度高、測量范圍大，同時能夠滿足遠距離測量需要[4]。相對而言，銅電阻整體溫度系數比鉑電阻大，且材料價格低，加工和提取方法簡單方便，電阻率較低，能夠滿足工農業的測溫需要。

2.1.2 濕度傳感器選擇

對空氣濕度進行監測的方法很多，主要是通過相應物質從其周圍空氣吸收水分后引起的物理和化學形式變化，從而間接獲取物質吸水量和周圍空氣的濕度。本文在對比多種濕度傳感器后，選擇使用HOS-201濕敏傳感器。這種傳感器的主要特點是局限在一定范圍內使用時具有較好的線性，所以使用中可以借助其線性特點確保使用效果。

2.2 單片機系統設計

該溫濕度控制系統設計中，選擇使用AT89S51單片機。通過將單片機、時鐘電路、復位電路以及電源接口連接在相應的印刷電路板，再將應用程序下載到單片機，形成了一個最小型的控制系統，也就是單片機最小系統。最小系統是整體系統啟動工作運行的最小模塊，必不可少。單片機擁有自己的最小系統，主要作用是保證整個系統的正常運行。它的時鐘電路給單片機提供了可靠的時鐘信號，其復位電路使單片機能從初始狀態開始執行程序和正常工作[5]。根據系統設計需要，選擇如圖2所示的包含單片機、時鐘電路、復位電路以及電源的單片機最小系統。

2.3 LCD顯示模塊設計

在此溫濕度監測和控制系統設計中，LCD顯示模式是查看溫濕度數值的重要部分。這一部分的設計主要是通過LCD顯示器的電流控制LCD分子，使其按照相應規則進行排序，并配合相應的背光實現需要的內容和畫面的顯示功能。這一模塊設計要確保效果，降低功耗，還要提升使用的便利性。此次設計中使用FYD12864-0402B型號的LCD顯示器，優勢在于其接口程序編寫更加簡單，價格更加便宜。這一LCD顯示模塊中通過串行和并行4位8位等多種通信方式，能夠滿足用戶的多樣化選擇需要。它內部自帶文字庫和簡單圖形字符，能夠使顯示的內容更加豐富，提升人機交互的體驗。

3 系統軟件設計

此次溫濕度監測和控制系統設計中，相應的軟件程序設計至關重要。該系統設計中，主要從主程序、溫濕度處理程序、鍵盤處理程序、LCD顯示程序以及繼電器控制程序等方面開展。就整體的控制程序來看，主要是按照“鍵盤查詢—檢測溫濕度—溫濕度數據處理—實時顯示溫濕度—繼電器控制”這一流程開展的。

在這一過程中，主程序的主要功能是對溫濕度數值進行動態顯示。系統運行中，先由系統設定一個理想值，讀取和顯示實時測量的溫濕度數值。通過對實時檢測的環境中的溫濕度值和設置的溫濕度值進行比較，實現對其他模塊的控制。在環境溫濕度比設定的理想值低的情況下會出現亮燈、聲音提醒，并控制繼電器動作，實現加溫或者加濕處理。就溫濕度的程序設計來看，其中包含的程序較多，如系統溫度的讀取值程序、濕度的讀取值程序以及數據的傳輸控制程序等。在環境溫濕度比設定的理想值高的情況下會出現亮燈、聲音提醒，并控制繼電器動作，實現通風或者降溫處理。整體而言，系統將實現受控對象的溫濕度動態調整，確保溫濕度的實時值和設定的溫濕度值更加接近。在繼電器控制系統動作中，系統的加熱、加濕、通風以及降溫的指示燈會相應亮起[6]。

圖2 單片機系統電路圖

4 系統調試

針對設計的單片機溫濕度監測和控制系統進行調試，選擇PROTEUS軟件進行調試仿真，檢驗設計是否達標。這種調試仿真軟件不但可以進行單片機簡單的控制電路的仿真模擬，還能夠在單片機處于復雜外圍電路中或者沒有相關電路的情況下進行模擬仿真。考慮到在本設計調試中更加重視程序運行、電路工作過程及結果調試，這一仿真調試軟件能夠有效對實踐和實際應用中的脫節情況進行補償。在完成硬件電路和軟件程序設計后，需要確保相應軟件設計和硬件電路正常運行，再進行相應元器件的硬件功能電路測試。在完成測試確認沒有異常情況后，可以進行軟件部分的代碼調試，查看系統運行情況，確認無異常即可。

5 結語

基于AT89S51單片機設計溫濕度監測和控制系統，對改變傳統溫濕度監控模式具有很好的應用效果，且成本低、精準度高。因此，本文設計了一種以AT89S51單片機為控制核心的溫濕度監測和控制系統，具有一定的實用價值。