DHT11檔案庫的濕度控制設(shè)計(jì)論文

在國外大部分現(xiàn)代檔案庫房的濕度都是由電腦自動(dòng)控制，做到了檔案及時(shí)保存。同時(shí)又降低了庫房人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，更加科學(xué)化智能化。而在國內(nèi)大多數(shù)還是人工檢測(cè)數(shù)據(jù)維修等。不能做到對(duì)檔案進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控處理。在我國大部分地區(qū)，一年中有很長(zhǎng)一段時(shí)間是高溫高濕季節(jié)，特別適合霉菌生長(zhǎng)繁殖，當(dāng)霉菌迅速蔓延時(shí)，檔案保存是很困難。因?yàn)闄n案是歷史的證明是國家和人民的財(cái)富。所以如何建立一個(gè)可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制的檔案室成了一個(gè)重大問題。但隨著科技經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這一難題已經(jīng)破解。我國規(guī)定保存紙張的溫度為14℃到24℃，相對(duì)濕度為45%到60%.通常75%是霉菌生長(zhǎng)的臨界濕度，只要我們控制檔案室溫度濕度達(dá)到要求以內(nèi)，就不會(huì)發(fā)生檔案被破壞的現(xiàn)象。使得我們國家的損失降到很低。

基于以上社會(huì)情況和材料查詢，進(jìn)行了本次課題設(shè)計(jì)。本次課題設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)了溫濕度檢測(cè)電路，報(bào)警電路以及調(diào)控電路。溫濕度檢測(cè)電路主要由DHT11進(jìn)行檢測(cè)采集數(shù)據(jù)，把非電量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。然后傳送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將其數(shù)值送到液晶顯示器上顯示。報(bào)警主要由發(fā)光二極管完成，在這之前用戶需要預(yù)先設(shè)定一個(gè)溫濕度值，當(dāng)所監(jiān)測(cè)到的數(shù)值不在范圍之內(nèi)，報(bào)警電路啟動(dòng)。給與用戶提醒，同時(shí)報(bào)警電路的蜂鳴器或者發(fā)光二極管產(chǎn)生的信號(hào)傳遞給調(diào)控電路，使其作為調(diào)控電路的啟動(dòng)信號(hào)。調(diào)控部分主要由小風(fēng)扇完成，當(dāng)濕度溫度過高時(shí)風(fēng)扇進(jìn)行吹風(fēng)使其降低到所設(shè)定的范圍之內(nèi)，當(dāng)濕度過低時(shí)我們可以通過小噴霧進(jìn)行加濕。這個(gè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)來說是用更加簡(jiǎn)潔的硬件來模擬檔案室的溫濕度調(diào)控，而且更加精準(zhǔn)。

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（P）控制
比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。參數(shù)調(diào)節(jié)辦法：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作﹔(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期﹔(3)在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。下面的設(shè)計(jì)將圍繞此部分內(nèi)容展開，是此部分內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用的方案如下。硬件部分實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的檢測(cè)顯示以及報(bào)警的的功能。包括檢測(cè)模塊，由DHT11溫濕度傳感器組成檢測(cè)檔案室的溫濕度。顯示模塊，1602液晶顯示器，把檢測(cè)到的溫濕度經(jīng)過單片機(jī)處理顯示到顯示屏上。報(bào)警模塊由四個(gè)LED發(fā)光二極管組成，當(dāng)溫度高于或低于由一組黃紅燈顯示，濕度同樣。

軟件部分實(shí)現(xiàn)溫濕度調(diào)控功能，主要設(shè)計(jì)思想是利用PID調(diào)節(jié)設(shè)定合理的參數(shù)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來改變溫濕度大小從而達(dá)到要求。

3.1主控模塊

單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)芯片內(nèi)還有一項(xiàng)主要內(nèi)容就是并行I/O口。STC89C51共有4個(gè)8位的并行I/O口，分別記作P0、P1、P2、P3。每個(gè)口都包含一個(gè)鎖存器、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。實(shí)際上，它們已被歸入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，低8位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時(shí)傳送，高8位地址由P2口傳送。在無片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，這4個(gè)口的每一位均可作為雙向的I/O端口使用。

單片機(jī)的4個(gè)I/O口都是8位雙向口，這些口在結(jié)構(gòu)和特性上是基本相同的，但又各具特點(diǎn)。

STC89C51單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，二是外部時(shí)鐘方式。在單片機(jī)內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（簡(jiǎn)稱晶振），就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。圖中電容C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5-30pF，典型值為30pF。晶振CYS的振蕩頻率范圍在1.2-12MHz間選擇，典型值為12MHz和11.0592MHz。

當(dāng)在STC89C51單片機(jī)的RST引腳引入高電平并保持2個(gè)機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)）。

復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的上升時(shí)間不超過1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。時(shí)鐘頻率用6MHZ時(shí)C取22uF,R取1KΩ。除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)過電阻與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。

3.2檢測(cè)模塊

此模塊主要用于實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)，然后與單片機(jī)相接，把檢測(cè)到的信號(hào)傳遞給單片機(jī)的作用。建議連線長(zhǎng)度短于20米時(shí)用5K以上的上拉電阻，本課設(shè)使用的10K的上拉電阻。

傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。

DHT11引腳說明：VDD供電（              3-5.5V）

                 DATA串行數(shù)據(jù)

                 NC懸空   

                  GND接地或電源負(fù)極

根據(jù)傳感器的通信協(xié)議，首先由單片機(jī)通過I/O口主動(dòng)產(chǎn)生要求的激發(fā)信號(hào)，然后將數(shù)據(jù)線的控制權(quán)交給傳感器，接著單片機(jī)通過while語句不間斷的檢查I/O口的高低電平，從而達(dá)到對(duì)時(shí)序的正確把握，解析出準(zhǔn)確的傳輸數(shù)據(jù)。

DATA 用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說明,一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先出。數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。

用戶MCU發(fā)送一次開始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)為高速模式，等待主機(jī)信號(hào)開始結(jié)束后，DHT11發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，送出40bit數(shù)據(jù)并觸發(fā)一次信號(hào)采集。具體過程如下：

單片機(jī)接收的信號(hào)是一連串的脈沖，不同的脈寬組合表示0或者1。一共 40Bit的有效數(shù)據(jù)，那么

DHT11將會(huì)發(fā)送80個(gè)高電平和低電平。

數(shù)據(jù)解析：首先要找到DHT11發(fā)送的起始信號(hào)，其實(shí)是一個(gè)83uS的低電平和87uS的高電平，進(jìn)入到我們的程序里，就是兩個(gè) 80uS 以上的脈寬，處理的時(shí)候可以判斷只要有兩個(gè)連續(xù)大于80uS的脈寬，有就算一個(gè)正確的起始信號(hào)。如果連起始信號(hào)都沒匹配的，那么通信可能失敗了，所以就放棄后面的工作，再來一次吧。如果匹配到了起始信號(hào)，那么開始進(jìn)行解碼。每?jī)蓚�(gè)脈寬時(shí)間為一組，依次進(jìn)行判斷，如果第一個(gè)時(shí)間大

于第二個(gè)時(shí)間，那么接收的是數(shù)據(jù)0，否則就是數(shù)據(jù)1，這樣連續(xù)判斷40組數(shù)據(jù)，就算處理完40Bit數(shù)據(jù)了。接收的數(shù)據(jù)一共是5個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，最后一個(gè)字節(jié)是校驗(yàn)碼，如果校驗(yàn)碼也是對(duì)的，那么認(rèn)為這組數(shù)據(jù)可靠。

3.2.1 電源電路

               

DHT11的供電電壓為 3－5.5V。傳感器上電后，要等待一秒以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè)100nF 的電容，用以去耦濾波。

3.3顯示模塊

DHT11傳感器連接STC89C51系列單片機(jī)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。單片機(jī)的P2.0口用來發(fā)收串行數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)口。連接傳感器的Pin2（單總線，串行數(shù)據(jù)）。由于測(cè)量范圍電路小于20米，建議加一個(gè)5K的上拉電阻，因此在傳感器的Pin2口與電源之間連接一個(gè)5K電阻。而傳感器的電源端口Pin1和Pin4分別接單片機(jī)的VDD和GND端。傳感器的第三腳懸浮放置。

   

其中8×10k歐姆的排阻作為P0 口的上拉電阻，分別接1602 的第7 到14引腳以及單片機(jī)的P0 口，電位器RLCD 是用來調(diào)節(jié)液晶背光對(duì)比度的，一端分別接1602 的第2、3 腳，另一端接地。1602 的

4、5、6 腳分別與單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2 腳相連；15 腳接電源，1 腳和16 腳接地。

1602LCD主要參數(shù)：顯示16*2個(gè)字符，工作電壓4.5-5.5v

LCD1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符圖有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母。

引腳說明：

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。

第5腳：R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平

R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。

第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

第15腳：背光源正極。

第16腳：背光源負(fù)極

讀時(shí)序圖：

寫時(shí)序圖：

3.4報(bào)警模塊

報(bào)警模塊的報(bào)警提示主要由兩組發(fā)光二極管組成，把檢測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)溫濕度值超過臨界值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，紅色發(fā)光二極管閃爍。當(dāng)?shù)陀跍貪穸扰R界值時(shí)黃燈閃爍，在范圍之內(nèi)不閃爍。

               

3.4.1 溫濕度設(shè)定范圍電路

用戶在使用之前需要設(shè)定溫濕度上下限，基于不同環(huán)境要求設(shè)定不同值。通過按鍵調(diào)整上下限值。該上下限值保存外外部EEPROM存儲(chǔ)器中，掉電不失。

在單片機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)中，大致分為數(shù)據(jù)處理，過程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)的采集，數(shù)字濾波，標(biāo)度變換等。過程控制部分主要是讓單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出以達(dá)到控制的目的。

4.1.2傳感器模塊設(shè)計(jì)

                           

6.結(jié)論及進(jìn)一步設(shè)想
本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心部件的控制系統(tǒng)，利用軟件編程，最終基本上實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)要求。雖然系統(tǒng)還存在一些不足，比如溫濕度測(cè)量不夠精確，特別是濕度，波動(dòng)較大。嘗試了各種改進(jìn)方法。仍然不太理想。不過大體能反映出設(shè)計(jì)的目的和要求。與預(yù)期的結(jié)果相差不多。
經(jīng)過近兩個(gè)月的奮斗，從確定題目，到后來查找資料，理論學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)編程調(diào)試，這一切都使我的理論知識(shí)和動(dòng)手能力有了很大的提高。了解了單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件編程方法，對(duì)單片機(jī)的工作方式有了很大的認(rèn)知。同時(shí)，對(duì)一些外圍設(shè)備比如傳感器、液晶屏、鍵盤、蜂鳴器等有了一定的了解！學(xué)會(huì)了對(duì)一項(xiàng)工程如何設(shè)計(jì)：首先，要分析需要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)什么功能，需要什么器件；然后，針對(duì)設(shè)計(jì)購買相應(yīng)的硬件，選用硬件時(shí)不僅要選用經(jīng)濟(jì)的，更重要的是如何能更精確更方便的完成系統(tǒng)的要求；再次，對(duì)各個(gè)硬件的軟件實(shí)現(xiàn)要弄清楚，如何更好的實(shí)現(xiàn)各個(gè)硬件的協(xié)調(diào)，更好的通過主控制器件實(shí)現(xiàn)硬件的功能。最后，通過各種測(cè)試與調(diào)試，讓設(shè)計(jì)更好的完成系統(tǒng)要求。
但因?yàn)槲覀兊乃�平有限，此設(shè)計(jì)中也存在一定的不足。就比如說對(duì)溫濕度下限的設(shè)定與控制，應(yīng)用就更加廣泛。
溫濕度控制已經(jīng)成為了21世紀(jì)熱門研究話題之一。無論是從生產(chǎn)還是生活，與我們?nèi)祟惗际窍⑾⑾嚓P(guān)的。而智能化的控制溫濕度已經(jīng)發(fā)展成為一種必然。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高以及社會(huì)的進(jìn)步。我們不可能一直墨守陳規(guī)，不能在恪守以前利用人力資源來控制溫濕度的方法。不僅浪費(fèi)大量的人力資源、財(cái)力資源，并且控制系統(tǒng)也更加單一化。而采用自動(dòng)控制的辦法、既節(jié)省了人力資源，更體現(xiàn)了與時(shí)俱進(jìn)的思想、世界在進(jìn)步、而這種進(jìn)步就該體現(xiàn)在各個(gè)方面。