DHT11档案库的湿度控制设计论文

在国外大部分现代档案库房的湿度都是由电脑自动控制，做到了档案及时保存。同时又降低了库房人员的劳动强度，更加科学化智能化。而在国内大多数还是人工检测数据维修等。不能做到对档案进行实时监控处理。在我国大部分地区，一年中有很长一段时间是高温高湿季节，特别适合霉菌生长繁殖，当霉菌迅速蔓延时，档案保存是很困难。因为档案是历史的证明是国家和人民的财富。所以如何建立一个可以自动监测和控制的档案室成了一个重大问题。但随着科技经济的发展，这一难题已经破解。我国规定保存纸张的温度为14℃到24℃，相对湿度为45%到60%.通常75%是霉菌生长的临界湿度，只要我们控制档案室温度湿度达到要求以内，就不会发生档案被破坏的现象。使得我们国家的损失降到很低。

基于以上社会情况和材料查询，进行了本次课题设计。本次课题设计主要设计了温湿度检测电路，报警电路以及调控电路。温湿度检测电路主要由DHT11进行检测采集数据，把非电量转化为电信号。然后传送给单片机进行数据处理，将其数值送到液晶显示器上显示。报警主要由发光二极管完成，在这之前用户需要预先设定一个温湿度值，当所监测到的数值不在范围之内，报警电路启动。给与用户提醒，同时报警电路的蜂鸣器或者发光二极管产生的信号传递给调控电路，使其作为调控电路的启动信号。调控部分主要由小风扇完成，当湿度温度过高时风扇进行吹风使其降低到所设定的范围之内，当湿度过低时我们可以通过小喷雾进行加湿。这个设计的特点来说是用更加简洁的硬件来模拟档案室的温湿度调控，而且更加精准。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。参数调节办法：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作﹔(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期﹔(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。下面的设计将围绕此部分内容展开，是此部分内容的实现。

根据设计要求，采用的方案如下。硬件部分实现对温湿度的检测显示以及报警的的功能。包括检测模块，由DHT11温湿度传感器组成检测档案室的温湿度。显示模块，1602液晶显示器，把检测到的温湿度经过单片机处理显示到显示屏上。报警模块由四个LED发光二极管组成，当温度高于或低于由一组黄红灯显示，湿度同样。

软件部分实现温湿度调控功能，主要设计思想是利用PID调节设定合理的参数，通过调节电机的转速进而改变风扇转速来改变温湿度大小从而达到要求。

3.1主控模块

单片机最小系统

单片机芯片内还有一项主要内容就是并行I/O口。STC89C51共有4个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3。每个口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O端口使用。

单片机的4个I/O口都是8位双向口，这些口在结构和特性上是基本相同的，但又各具特点。

STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。在单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体（简称晶振），就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5-30pF，典型值为30pF。晶振CYS的振荡频率范围在1.2-12MHz间选择，典型值为12MHz和11.0592MHz。

当在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1KΩ。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经过电阻与电源Vcc接通而实现的。

3.2检测模块

此模块主要用于实现温湿度检测，然后与单片机相接，把检测到的信号传递给单片机的作用。建议连线长度短于20米时用5K以上的上拉电阻，本课设使用的10K的上拉电阻。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

DHT11引脚说明：VDD供电（              3-5.5V）

                 DATA串行数据

                 NC悬空   

                  GND接地或电源负极

根据传感器的通信协议，首先由单片机通过I/O口主动产生要求的激发信号，然后将数据线的控制权交给传感器，接着单片机通过while语句不间断的检查I/O口的高低电平，从而达到对时序的正确把握，解析出准确的传输数据。

DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。

用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转为高速模式，等待主机信号开始结束后，DHT11发出响应信号，送出40bit数据并触发一次信号采集。具体过程如下：

单片机接收的信号是一连串的脉冲，不同的脉宽组合表示0或者1。一共 40Bit的有效数据，那么

DHT11将会发送80个高电平和低电平。

数据解析：首先要找到DHT11发送的起始信号，其实是一个83uS的低电平和87uS的高电平，进入到我们的程序里，就是两个 80uS 以上的脉宽，处理的时候可以判断只要有两个连续大于80uS的脉宽，有就算一个正确的起始信号。如果连起始信号都没匹配的，那么通信可能失败了，所以就放弃后面的工作，再来一次吧。如果匹配到了起始信号，那么开始进行解码。每两个脉宽时间为一组，依次进行判断，如果第一个时间大

于第二个时间，那么接收的是数据0，否则就是数据1，这样连续判断40组数据，就算处理完40Bit数据了。接收的数据一共是5个字节数据，最后一个字节是校验码，如果校验码也是对的，那么认为这组数据可靠。

3.2.1 电源电路

               

DHT11的供电电压为 3－5.5V。传感器上电后，要等待一秒以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波。

3.3显示模块

DHT11传感器连接STC89C51系列单片机相对比较简单。单片机的P2.0口用来发收串行数据，即数据口。连接传感器的Pin2（单总线，串行数据）。由于测量范围电路小于20米，建议加一个5K的上拉电阻，因此在传感器的Pin2口与电源之间连接一个5K电阻。而传感器的电源端口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。

   

其中8×10k欧姆的排阻作为P0 口的上拉电阻，分别接1602 的第7 到14引脚以及单片机的P0 口，电位器RLCD 是用来调节液晶背光对比度的，一端分别接1602 的第2、3 脚，另一端接地。1602 的

4、5、6 脚分别与单片机的P2.0、P2.1、P2.2 脚相连；15 脚接电源，1 脚和16 脚接地。

1602LCD主要参数：显示16*2个字符，工作电压4.5-5.5v

LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符图有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母。

引脚说明：

第1脚：VSS为地电源。

第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平

R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：背光源正极。

第16脚：背光源负极

读时序图：

写时序图：

3.4报警模块

报警模块的报警提示主要由两组发光二极管组成，把检测值与设定值进行比较，当温湿度值超过临界值时，发出报警信号，红色发光二极管闪烁。当低于温湿度临界值时黄灯闪烁，在范围之内不闪烁。

               

3.4.1 温湿度设定范围电路

用户在使用之前需要设定温湿度上下限，基于不同环境要求设定不同值。通过按键调整上下限值。该上下限值保存外外部EEPROM存储器中，掉电不失。

在单片机测量控制系统中，大致分为数据处理，过程控制两个基本类型。数据处理包括数据的采集，数字滤波，标度变换等。过程控制部分主要是让单片机按一定的方法进行计算，然后再输出以达到控制的目的。

4.1.2传感器模块设计

                           

6.结论及进一步设想
本系统以单片机为核心部件的控制系统，利用软件编程，最终基本上实现了各项要求。虽然系统还存在一些不足，比如温湿度测量不够精确，特别是湿度，波动较大。尝试了各种改进方法。仍然不太理想。不过大体能反映出设计的目的和要求。与预期的结果相差不多。
经过近两个月的奋斗，从确定题目，到后来查找资料，理论学习，实验编程调试，这一切都使我的理论知识和动手能力有了很大的提高。了解了单片机的硬件结构和软件编程方法，对单片机的工作方式有了很大的认知。同时，对一些外围设备比如传感器、液晶屏、键盘、蜂鸣器等有了一定的了解！学会了对一项工程如何设计：首先，要分析需要设计的系统要实现什么功能，需要什么器件；然后，针对设计购买相应的硬件，选用硬件时不仅要选用经济的，更重要的是如何能更精确更方便的完成系统的要求；再次，对各个硬件的软件实现要弄清楚，如何更好的实现各个硬件的协调，更好的通过主控制器件实现硬件的功能。最后，通过各种测试与调试，让设计更好的完成系统要求。
但因为我们的水平有限，此设计中也存在一定的不足。就比如说对温湿度下限的设定与控制，应用就更加广泛。
温湿度控制已经成为了21世纪热门研究话题之一。无论是从生产还是生活，与我们人类都是息息相关的。而智能化的控制温湿度已经发展成为一种必然。随着世界经济的发展，人们生活水平的提高以及社会的进步。我们不可能一直墨守陈规，不能在恪守以前利用人力资源来控制温湿度的方法。不仅浪费大量的人力资源、财力资源，并且控制系统也更加单一化。而采用自动控制的办法、既节省了人力资源，更体现了与时俱进的思想、世界在进步、而这种进步就该体现在各个方面。