吴虹佳++林军

摘要：本文设计了以STC89C52单片机作为控制平台的智能温控系统，该智能系统可以依据温湿度对电器设备的工作模式和工作状态进行控制。用E18-D80NK红外光电开关检测人体信号，选择温湿度传感器DHT11采集室内的温度和湿度，同时采用1602液晶显示屏显示出当前室内温湿度。该系统性能稳定，响应快，性价比高，具有一定实用价值和设计价值。

关键词：单片机；传感器；温湿度；智能系统

随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，家用电器产品更倾向于自动化、智能化、环保化、人性化。在现实生活中，有很多与温度相关的使用步进电机的电器设备，当温度变化时需要靠人工手动去改变其工作模式和状态，但是当人离开或者是深夜熟睡时就无法去控制机器，甚至有时还会忘记去关闭电器设备，因而无形中浪费了很多资源。为了解决上述问题，设计了这款智能温控系统。该系统采用高精度集成温湿度传感器，用单片机控制，能及时显示当前温度和湿度，并根据设定好的温度和湿度，自动的调节电器设备的工作状态和模式。

本文的设计思想最初来源于我们生活中，是为了实现风扇的智能化。基于单片机的智能温控系统，成功实现了机械的自动化，不仅可以很好的节约电能，同时也使产品更人性化。在现实生活中可以应用于很多与温度和湿度相关的电器设备，它的设计具有非常广泛的使用和应用价值。

近几年，智能控制理论发展迅猛，出现了大量新颖的控制理论[1]。目前，国内外对智能温控系统的研究也不断创新，已经取得了可观的研究成果。研究人员先是通过调整电阻的大小，调节充电电容时间常数，通过对可控硅[2]控制角α的调节来控制电器设备的工作模式。之后，随着自动调整设计的出现，通过控制脉宽调制来控制双向可控硅从而实现智能控制。

本系统的创新之处是选择了一种新的控制方式，即通过控制脉冲时延的长短改变电器转速，通过继电器控制电器的工作状态，而且增加了人体红外检测功能，能够实现由人体，温度及湿度同时控制的效果，从而使冷冰冰的电器更人性化，智能化。

一、硬件总体设计

本设计使用单片机作为控制核心，巧妙利用单片机控制技术[3]，温湿度传感器技术[4]，红外光电开关技术[5]、脉冲调节技术[6]，把智能控制系统应用于家用电器的控制中，将电器设备的转速和开关作为被控制量，由单片机分析采集到的数字温湿度信号，再通过调节脉冲频率对设备进行调速，通过继电器控制设备是否工作。从而达到无须人为控制便可自动调节电器设备转速和开关的效果。系统总体设计方案图，如图1所示。为使系统更具体化，并考虑到最初的思想的来源，本文用风扇模拟调速类（使用步进电机的）电器设备，以加湿器模拟开关类电器设备。

（一）温湿度检测电路设计

DHT11传感器连接单片机相对来说是简单的，单片机P3.7口用于接收串行数据，即数据口，连接到传感器的Pin2（单总线，串行数据），数据用于微处理器与DHT11单总线之间的通信和同步数据格式，传感器的电源端口Pin1和Pin4分别接单片机的VDD和GND端，传感器的第三脚悬浮放置[4]。DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，假若没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会自动进行温湿度采集。

（二）电机控制电路设计

当A相通电，B，C相不通电时，因为磁场的作用，齿1与A对齐。当B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3T，此时齿3与C偏移为1/3T，齿4与A偏移（T-1/3T）=2/3T。当C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3T，此时齿4与A偏移为1/3T对齐[7]。电机的位置和速率由导电次数（脉冲数）和頻率成一一对应关系。定转子展开图如图2所示。

（三）红外光电开关控制电路设计

这是NPN型光电开关，输出状态为0，1，即数字电路中的高电平和低电平，检测到目标是低电平输出，正常状态是高电平[5]。总共3条线，电源，地，信号线不需要进行AD转换，可直接接单片机的IO口。

（四）液晶显示模块电路设计

显示模块电路图如图3所示，其中Vo脚，即第三引脚加了一个10K的滑动变阻器，该变阻器的目的是调节液晶的显示对比度，经过调节滑阻改变Vo的电压值，从而使液晶显示在最清晰的状态[8]。

（五）加湿器（开关类电器）控制电路设计

加湿器的工作状态由继电器的吸合和释放来控制。将加湿器的电源引脚连接到继电器的常开接口，加湿器的接地引脚连接到扩展电源板的负极，将继电器的公共端连接到电源扩展版的正极，将继电器的IN引脚连接到单片机指定引脚[9]。

二、软件总体设计

这个系统的运行程序用C语言编写，采用模块化设计，包括加湿器（开关类）控制模块，风扇（调速类）转速控制模块，液晶显示模块，温湿度传感器模块，红外光电开关模块5个子程序模块，由温湿度传感器模块和红外光电开关模块采集温湿度与红外信号，再运用脉冲的不同时延调节风扇（步进电机）的转速，调用液晶显示模块显示当前温湿度，调用加湿器（开关类）控制模块控制加湿器的开与关。

（一）主程序设计

主程序是整个程序设计的主体，也是整个系统中最重要的部分，它负责每个子程序模块的执行顺序、时序以及它们之间的关系。当按下开关键后，系统开机运行，显示当前温湿度，在检测到人体的情况下，若温度高于规定上限值，模拟调速类电器（风扇）开始全速转动；若温度在规定上下限值之间，风扇缓慢转动；若温度低于规定下限值，风扇停止转动；当湿度低于规定值时，模拟开关类电器（加湿器）开始工作。当检测不到人体时，风扇和加湿器都停止工作。

（二）温湿度传感器模块设计

新式的单总线温湿度数字传感器（DHT11）不需要外置的AD转换模块，具备标准接口，控制方便，易于实现。其部分算法设计原理：单片机发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集。总线为低电平时，DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短决定数据位是0还是1。

（三）液晶显示模块设计

液晶显示模块是一个缓慢性的设备，在执行每条指令之前要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。其部分算法设计如下所示：

1.display0[1]=温度的个位数字；2.display0[0]=温度的十位数字；3.调用显示函数显示出一个字节，即十位上的数；4.调用显示函数显示出一个字节，即个位上的数；

（四）风扇（调速类）转速控制模块设计

通过软件编程，用单片机实现脉冲分配，步进电机的不同转速通过设置延时函数参数来确定，在一定时延范围内，延时越短电机转速越快，反之越慢[5]。其部分算法设计如下所示：IF检测到人且温度在20～25度之间THENdo延时函数的参数设为500ms；

IF检测到人且温度不低于25度THENdo延时函数的参数设为70ms；

IF检测不到人或温度不高于20度THENdo延时函数的参数设为150000ms；

ENDIF

（五）加湿器（开关类）控制模块设计

单片机通过继电器的开闭控制加湿器的工作状态，将继电器设置为低电平触发，当单片机发送低电平时，继电器开关闭合[10]，电器设备开始工作（即加湿器喷雾）；当单片机发送高电平时，继电器开关断开，电器设备停止工作（即加湿器不工作）。其部分算法设计如下所示：

IF检测到人且湿度低于45%THENdo发送低电平，加湿器工作；

ELSE检测不到人或湿度不低于45%THENdo发送高电平，加湿器停止工作；

ENDIF

三、系统的运行与测试

本系统是由多个模块集合而成的，为了保证整个系统正确运行，测试系统的正确性与可靠性时就要对系统的各个模块进行逐一测试，具体的测试方案见表1。

各个模块测试完成后进行整个系统测试，为了说明本系统的可靠性和通用性，对不同的电器设备进行了多次系统测试[11]。对于不同类型的设备，它们各自有不同的特征，但其本质的核心电路却是相似的，都可以通过本智能温度控制系统实现很好的智能控制，通过实验测试说明，该系统具有较高的测量精度和控制能力。

本系统的难点是对电路原理图的理解，以及对引脚的作用的熟悉。液晶显示屛出现闪烁和抖动最主要的原因就是显示器的刷新频率设置低于75Hz造成的，只需把刷新率调高到75Hz以上，屏幕抖动的现象就不会再出现了，同时要做好清屏工作。在设计过程中遇到很多问题，但经过反复调试，最终可以使系统正常运行。

四、结语

本系统采用STC89C52为中央处理器，与各种外围设备构成整个单片机控制系统，采用E18-D80NK红外光电开关检测室内人体信号，用温湿度传感器DHT11来检测室内温度和湿度，通过1602液晶显示屏将温湿度显示出来，用风扇模拟调速类（使用步进电机的）电器设备，用加湿器模拟开关类电器设备，能够实现对大多数与温度和湿度相关的电器设备的智能控制，并达到很好的节能效果。本设计的局限性在于可以控制的电器设备的类型有限，在之后的研究中，将以扩大系统的通用性及增强系统的稳定性为目標，使其能更好地应用到更多不同类型的电器设备中。

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[10]杨光勇.探讨继电器在电气工程自动化低压电器中的应用[J].科技经济导刊，2016（20）：29-76.

[11]沈亮.嵌入式软件的测试方法与技术[J].数字技术与应用，2015（11）：232.

作者简介：吴虹佳（1994.01-），女，辽宁鞍山，广西大学计算机电子与信息学院在读研究生。研究方向：网络性能优化。

林军（1993.05-），男，辽宁大连，辽宁工程技术大学软件学院在读研究生。研究方向：高性能计算。