摘要：本论文通过设计并实现了一个基于单片机的智能温湿度调节系统，实现对温湿度实时准确测量，能有效的改善化工厂化验室温湿度，提高质检人员工作环境质量及分析化验的准确度，并将温湿度在液晶屏上显示，同时设置了异常自动警报电路，温湿度超过一定值时，则通过单片机控制继电器选择触电闭合，风扇转动，模拟散热除湿效果。
关键词：化验室；温湿度；自动调节
1背景及意义
目前，随化工厂化验分析设备逐步完善，化验人员对工作环境要求也越来越高，特别是为了提高化肥、矿石、硫酸、磷酸等材料的分析化验准确率，对室内的温湿度要求也越来越高。化验室温湿度的改善还可有效延长分析化验设备、仪器仪表的使用周期，降低设备故障率。
2温湿度自动系统硬件设计
2.1设计原理
传感器检测化验室空气中温湿度，通过A/D转换成数字信号输入到STM32最小系统中，系统将温湿度值显示在液晶屏上，当浓度超过预先设定值时，从而触发警报装置，通过单片机继电控制器动作，继电控制器的开断来选择执行器，并且迅速运行相应的执行器进行调控，从而有效控制化验室温湿度。
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图2.1 系统设计原理图
2.2系统硬件设计
系统主要由温湿度、控制和处理模块、液晶显示模块、执行模块等几部分组成。温湿度传感器整个系统的前端采集单元，负责数据的采集，它是系统构成的基础。控制器是整个系统的核心，它关系到系统稳定有效的运行，负责数据的处理。液晶显示屏是整个系统的直观数据显示单元。执行器是整个系统的执行机构，它关系到系统能否有效的调控周围环境，达到设计目的。
2.2.1 采集模块电路设计
本次设计采用的DHT11温湿度模块能对采集到的数据直接进行A/D 转化处理，并对数字信号进行一定程度的校准。当信号采集后，经过传感器和放大器的功效，能采集到较强的数据信号，同时通过单片机和A/D 转换器的处理，及时对采集的模拟数据进行A/D转换，并输出抗干扰能力较强的数字信号。同时通过将温湿度校准的数据储存在单片机中，方便当信号输时能够及时通过调用校准系数进行校验，确保采集数据和输出数据的一致性，提高了数据采集的准确性。
2.2.2 液晶显示模块电路设计
在使用该液晶显示模块的时候，在液晶屏的控制端都与微控制器连接好的情况下，通过 SPI口给出指定命令完成对显示环境的配置，其中主要指令内容包括对背光亮度、数据大小、文字类型等进行相应设置。通过对X轴Y轴像素点显示区域确定之后，通过SPI完成对 PD0~PD7口的八位数据输入，并按照一定方式显示出来。液晶硬件连接图如图所示，其中液晶屏时钟端CLK、忙信号输入线BY、片选端CS、复位端RST、数据输入端SDA分别连在单片机的 P6区，通过3.3V电压为液晶屏提供电源控制。
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图2.2.2 液晶屏接口分布图
在连接好控制线之后，在接收数据和指令时，模块组对于片选端CS是低电平有效的，当模块处于空闲状态的时候将CS置高电平。在液晶屏上电之后首先需要对模块组复位初始化，主要完成LCD的清屏、计数器和计时器的清零等功能，确保显示结果的准确。复位时，首先对复位端RST给定一个低电平使其有效，这个过程要至少持续5ms，模块组复位，然后在给定一个至少高电平，完成模块的复位过程。
复位完成之后将片选端 CS 置低电平并保持，从而保证数据和指令的有效传输。于此同时，模块通过 SDA 数据线完成 8 位数据的采集且在时钟线上升沿有效。采集完成后CS置高位，模块数据显示，延时2s后CS置低位，系统再次自动采集数据。
2.2.3电源模块设计
电源模块设计是决定单片机系统是否可靠的重要保障，电源系统的合理设计也是单片机系统能否稳定长久有效运行的必要前提。本系统设计中，采用外接5V电压对STM32F103RxT6最小系统、DHT11温湿度采集模块进行供电，单片机上的串口对液晶显示屏输出3.3V的电量供电。
2.2.4 执行模块设计
执行机构由一个蜂鸣器，一个LED灯，一个加热电阻，一个电机风扇构成。由单片机分析处理采集的温湿度，当温度、湿度值超过预先设定值时，分别针对温度和湿度进行自动预警调节。当监测到的温度高于33℃时，蜂鸣器响起，电机风扇转动，起到调控降温作用；当监测的温度低于10℃时，单片机输出高电平到继电器，启动加热电阻，起到升温作用。当监测到的湿度高于75%时，LED灯亮起，起到预警提示人为除湿。
2.2.5复位按钮
为防止单片机在运算过程中由于受到射频或者电源噪声干扰等原因会造成寄存器中数据混乱从而不能使其正常继续执行程序（诸如“死机”、“程序飞跑”等）或运算结果出现错误等现象。本次设计添加复位电路，当单片机上电时，复位电路通过电容给NRST端一个短暂的高电平信号，这个高电平信号会随着 VCC 对电容C1的充电而逐渐回落，当NRST端下降为低电平时，单片机复位完成。为保证电路对复位时间的需求，NRST端高电平必须维持足够的时间，而持续时间是由电容的充电时间决定。
3温湿度自动系统软件设计
控制系统的灵魂是软件部分，C语言是最常见通用的程序开发语言，KEIL μVision4是德国Keil公司针对ARM公司推出的嵌入式处理器的软件开发工具，用户能直接利用外部器件的实时特性曲线直接进行读取查看，运用起来简单高效。
3.1 软件流程设计
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图3.1 软件流程设计
当系统通电，温湿度传感器采集周围环境信息，传感器采集的信息经过数字信号处理传输到stm32最小系统中。单片机将接受到的数字信号分析判断处理，然后将对应的温度和湿度值显示在液晶显示屏上。同时，单片机对所输出的数值进行分析判断，判断温度、湿度是否超出范围值，如果是，则触发警报装置，同时启动相应的执行机构进行环境的模拟调控。
3.2采集模块程序设计
当单片机上电初始化后，传感器收到一个高电平，开始对温湿度数据进行采集，并通过函数DHT11_Read_Data（）完成单个数据字节读取。采集完成后需要将串口函数发送到单片机，单片机进行计算处理，并完成对数据的校验。
3.3 液晶显示模块程序设计
由于模块本身使用串行SPI接口，故使用串口来显示。当液晶显示屏上电之后首先进行清屏，通过LCD_Init（）函数对屏幕进行初始化，根据坐标点的映射关系来设定显示的起始坐标，在设定的位置上完成开机屏幕的显示功能，将需要显示的内容之如开机提示画面等显示在液晶屏幕上，继而跳转到下一画面，主要是完成对采集到的数据显示功能，通过函数完成对存储器重已经采集到的数据的字符串输入。
3.4 执行机构模块程序设计
设置串口pc6~pc9分别控制风扇、蜂鸣器、加热电阻和LED灯。当监测到的温度高于33℃时，蜂鸣器响起，电机风扇转动，起到模拟调控降温作用；当监测的温度低于10℃时，单片机输出高电平到继电器，启动加热电阻，起到模拟升温作用。
4应用效果
由于实际所测数据无法使得系统执行机构进行自动调节，后续在为设计系统模拟高温高湿情况下观察执行机构自动调节功能，利于水杯里的热水蒸气对温湿度传感器直接接触，使监测的温度和浓度逐渐上升，当液晶显示屏上监测到温度大于33摄氏度时，蜂鸣器响起；当监测到的湿度大于75%时，LED灯常亮。
5总结
该设计利用单片机技术、传感器技术、数据采集与数据处理技术等的综合应用，针对化验室温湿度检测系统展开研究，通过模块化设计思路，降低设计难度的同时，极大的提高了系统的可靠性和有效性，能有效的改善化工厂化验室温湿度，提高质检人员工作环境质量及分析化验的准确度。
参考文献：
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[4] 杨起.温湿度综合控制系统设计[D].青岛科技大学，2012，（1）：5-24.
论文作者:段保君
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：温湿度论文; 单片机论文; 数据论文; 系统论文; 模块论文; 化验室论文; 执行机构论文; 《电力设备》2019年第19期论文;