引言隨著我國經濟的快速發展,人們自身生活品質水平不斷提高,皮膚缺水，氣候干燥，需要環境保持適當的濕度，有人采用向空氣中噴水來加濕，也有人會買加濕器來給環境增加濕度。然而傳統的加濕器電源打開就會不斷的給空氣加濕，要知道如果空氣太過干燥或者太過濕潤都會對身體產生不良的情況。基于此，采用單片機對空氣濕度檢測和水位檢測來控制加濕器的電源通斷，同時對于提升用戶體驗感有重要意義。當加濕器水位低于限位值時蜂鳴器會報警，用來提醒用戶加水，防止加濕器缺水運行，損壞電機。此時單片機對濕度、水位數據采集處理后會發送給單片機，單片機根據設定的閾值作相應的控制。相反，水位正常時，蜂鳴器繼電器被釋放，蜂鳴器停止報警。1.加濕器的設計1.1開發設計的意義 設計一種基于單片機的新型智能加濕器控制系統是為有效防止周圍環境干燥或周圍濕度過大的情況出現,本系統不僅可通過智能鍵盤控制模塊自動實現周圍濕度值的自動設定,同時通過濕度傳感器控制模塊以及濕度報警控制模塊等軟件實現對周圍環境濕度狀態的實時檢測,實現異常報警。本文主要技術指標摘要如下:本文技術指標如下：（1）顯示模塊可實時顯示當前濕度值、水位值、水質。（2）濕度數據通過鍵盤予以設置（3）水位異常會發出警報，提示用戶。（4）濕度到達停止電機運行。1.2設計方案在本文中為我設計了一種廣泛應用于家用的加濕器控制系統,主要介紹了這種系統硬件模塊結構設計使用方法、硬件模塊選型以及軟件調試等相關內容,主要可以分為以下三個大部分:第一和第二部分分別為應用硬件操作系統和應用軟件操作系統的。硬件系統設計主要包含報警檢測控制電路、顯示控制電路以及自動報警控制電路的綜合設計,軟件設計主要采用系統模塊化設計思想進行實現,根據報警系統設計預期需要實現的各種功能要求繪制系統電路結構圖和工作程序流程原理圖。第二調試部分主要是系統軟件和主機硬件調試模擬,軟件調試部分主要采用c語言進行編寫程序,由keil5和proteus語言實現的并聯合進行調試。第三章本部分主要內容是在一個實驗板焊接各個系統中的模塊,并將其組成一個系統，并對系統模塊中的所有功能模塊進行調試,觀察各個系統中的模塊是否能夠實現預期中的所有功能。2.智能加濕器系統的方案論證2.1系統的原理本次的課題是智能加濕器系統，在實際生活應用中是提醒用戶當前濕度、當前水位高低。將用戶檢測到的信息傳輸到單片式主機中并進行報警處理,簡單來說就是當空氣加濕器出現缺水時,系統通過報警信號反饋將信息發送給用戶,并且實時的把檢測采集的信息顯示在LCD顯示屏上。單片機將報警傳感器上所檢測的報警數據發送到主控單片機后在進行報警處理時然后會將當前報警狀態實時顯示,若超過系統設定報警閾下的值,則此時報警控制模塊中間的蜂鳴器就會發出報警器的聲音并提醒其他用戶。2.2實現方式要實現空氣加濕器這一功能就需要提前做好相關硬件和應用軟件設計和安裝調試三個方面的準備工作。首先是在硬件設計方面,通過合理的結構設計了對單片的主機接口管腳及其他外圍控制電路的鏈接,使之能夠既有一個i/0口的連接功能,又能具有其他控制電路型號的選擇功能。其次是在軟件設計方面,通過合理優化設計應用軟件的基本結構和合理安排子應用程序,使應用程序以最簡潔有效的應用方式得以實現。最后,調試仿真方面,程序需要用keil5軟件,語言可以使用c語言，仿真可直接使用proteus軟件來仿真,對其性能進行綜合調試。在整個程序數據編輯工作完成之后可再使用模擬硬件進行仿真,最終將整個程序燒錄進單片機并進行工程實測。2.3系統的組成系統結構框圖如圖2-1所示。主要包括：檢測電路、鍵盤電路、單片機系統、LED顯示電路、繼電器控制電路、報警電路六部分。濕度傳感器（1）濕度傳感器（1）水位傳感器（2）雙D觸發器組成的互鎖電路單片機LCD顯示電路繼電器控制電路聲光報警電路鍵盤輸入圖2-1系統的總體設計框圖Figure2-1overalldesignblockdiagramofthesystem系統各部分的基本功能簡介如下：（1）濕度傳感器濕度傳感器實時檢測環境濕度，把采集到的數據存儲在模塊中，單片機通過驅動時序讀取模塊中的濕度數據。（2）水位傳感器容器內的底部設有內置水位自動檢測傳感器,將通過水位自動感受器檢測得到的關于容器內置水位自動傳感器的信號反饋進行自動傳送并將反饋傳輸到水位自動控制器,控制器內的自動處理計算機將自動得到本次實測的結果容器內置水位自動傳感器的信號與送到容器之前設定好的水位傳感信號精度偏差的值進行綜合測量并相比較,得出容器水位信號偏差,然后根據偏差得出水位偏差的各種物理性質,水位傳感器產生模擬信號,單片機讀取模擬信號。水位低,信號低。水位高,信號高,保證給水容器容量達到一個設定值的水位。（3）單片機系統單片機為系統核心部件，實現對系統其它硬件部分的控制，實現預期的智能監控功能。（4）鍵盤采用獨立按鍵設環境濕度。（5）LCD顯示電路顯示模塊的主要功能是實現當前環境數據和設定數據。（6）繼電器繼電器模塊的主要功能是實現加濕模塊的通斷控制。（7）報警電路本設計中采取蜂鳴器或者報警提示器件。這種電路工作的原因有兩個方面:io端口的輸出通過一個經三極管NCE3400的導通除去帶動蜂鳴器工作。若是io口輸出信號轉換為一個較高的電壓,三極管此時就可能會使其處于一個閉合的狀態,即蜂鳴器產生一個聲音。反之則無法使得蜂鳴器能夠順利地發出聲音。3.智能加濕器系統的硬件設計在實際進行系統的軟硬件驅動電路設計的工作過程中,它無疑是首先采用了一種模塊化的系統設計實現形式,軟硬件驅動模塊主要組成包括屏幕顯示驅動模塊、最低控制系統、繼電器驅動模塊、報警操作控制驅動模塊和智能鍵盤操作控制驅動模塊等。3.1智能加濕器系統的檢測電路3.1.1傳感器的選擇該傳感器主要作用是對環境濕度進行檢測。所以我們在設計和選用這種傳感器的時候,就要充分考慮傳感器對于檢測區域的適應性、靈敏度。常用的傳感器包含反射式濕度傳感器、水位傳感器等。各種傳感器優缺點對比如下。表3-1傳感器性能比較傳感器類型優點缺點超聲波價格合理，夜間不受影響測量范圍小，對天氣變化敏感紅外線能直接測量，價格便宜探測距離較近視覺易于多目標測量和分類，分辨率好算法復雜，處理速度慢激光雷達價格相合理，夜間不受影響對水、灰塵、燈光敏感MMW雷達不受燈光、天氣影響價格貴Table3-1Comparisonofsensorperformance超聲波通過發出的超聲波來實現定位,雖然這種聲音能夠被傳很遠,但是基于本次的設計不涉及產超聲波,并且在實際應用的過程中非常容易被接收到其他超聲波信號所造成的干擾,因此不做選擇。而且因為這次我們采取了單片機作為信號處理器,如果使用了視覺式的傳感器,就需要進行圖形處理,圖像識別等復雜的一些算法,這樣就可能會直接造成整個系統的反饋響應速度非常慢,性能出現問題。總之,本設計采用了一種集成化的發送與接收式光電傳感器。它一般被用來規避和防止機器人的障礙物及其計數安裝線路。可以根據需要自行調節感應的距離,該模塊特點是測距遙控儀遠、費用少,組裝簡單,使用方便。3.1.2濕度傳感器檢測原理濕度傳感器上電后不斷檢測環境的濕度，并且把濕度數據存儲在緩存中，等待外部設備驅動并讀取濕度數據。例如,當進入空氣或水中的大量惰性水蒸氣被元件吸附傳送到感濕膜的薄膜上時,元件的直流電阻載功率和元件溫度的電阻率系數值隨時都會發生變化,利用這一變化特點我們即時就可以準確地快速測量元件溫度。3.2單片機最小系統的設計3.2.1單片機的選擇系統設計中選用HK32F030F4P6單片機作為系統主控模塊。HK32F030F4P6由于系統體積小，系統的可靠性高，系統的成本低的優勢它可稱為世界上最小的應用系統。HK32F030F4P6單片機在計算機和主控系統中都具備著比較強的市場競爭優勢,在正常工作的狀態下能耗低,運算速度快,運行相對比較穩定。該芯片有一個可多次進行編寫多次擦除的存儲器,次數最多可達1000次,程序最多可以保持十年。一般保留期限是十年。它可以很容易地被應用到各個領域。圖3-2所示為HK32F030F4P6的引腳結構框圖。圖3-2HK32F030F4P6芯片引腳圖Figure3-2PindiagramofHK32F030F4P6chip引腳功能如下：端口:端口設計采用的電路是一個8位i/o邏輯端口,8位的電路漏極為一個開路,驅動8個單位邏輯端的電路水平即可用于開路進行一個數據流的輸入。這樣的一個操作過程模式,端口內部就一定會自動出現一定的上的下拉驅動阻力,所以我們在進行驗證一個應用程序時就必須不需要外部的端口一定量上的下拉阻力電阻。端口:這個雙向端口也就是一個可以對其端口進行兩個雙向輸入或者者說是兩個輸出的雙向端口動作,并且輸入位數都一定是8位的,和這個雙向端口一樣也就是會出現有上下下拉輸出電阻。根據不同的的端口操作系統需求,該每個端口都具有自己的數據接收器和字節。引腳所具有的的另一種功能定時器/計數器：、在進行其他功能時，該端口也承擔著接收外部控制信號的責任。3.2.2單片機外圍電路的設計（1）晶振電路晶振在每一個單片機系統中都會有,它可以令電能和機械能互相轉化,晶振對于整個電路來說也有很大作用,單片機的時鐘頻率是通過內部的晶振電路來實現的，單片機晶體諧震器提供的震動頻率在很大程度上與單片機的運行速度有關，時鐘頻率越大，單片機的運行速度也就會越快，單片機通過時鐘頻率來實現大部分命令。通常而言,普通晶振頻率的絕對精度高達50%。（2）復位電路設計復位電路的主要意義是能夠使單片機在經過一系列的操作后,還可以重新返回系統的運行初始化,復位控制電路的主要工作功能之一就是可以給CPU部件設置一個初始點的值,這個初始點的值進行復位后，可以重新從初始點重新從初始點繼續工作。當單片機的復位引腳電壓變成高電時其電容器的C3電壓便會上升,那么此時該單片機就可以發生復位。復位電路如圖。圖3-3單片機復位電路圖Fig.3-3ResetcircuitdiagramofSCM一3.3顯示電路的設計LCD顯示效果較好，既能顯示漢字又能顯示數字、英文等等。通過輸入相應的控制時序就可以驅動LCD顯示，包括濕度、水位、水質等等實時數據和設定數據。本次設計選用的是帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；本文所選用的現實模塊外形結構如下。圖3-4結構外形圖Fig.3-4Structureoutlinediagram顯示模塊電路圖如下。圖3-5LCD顯示部分電路圖Figure3-5LCDdisplaypartofthecircuitdiagram3.4鍵盤電路的設計按鍵是外部控制系統命令的主要實時觸發控制端口,一個按鍵從按下至按鍵松開都可以是一個外部命令輸入過程,精確地說在完成不同的命令按鍵輸入動作后所進行的實時過程判斷對于如何保證整個監控系統正常運行工作和穩定運行而言,也對其具有非常重要的作用。本文所設計的鍵盤電路如下所示。圖3-6鍵盤電路原理圖Figure3-6keyboardcircuitschematicdiagram按鍵按下后存在抖動常用的消除抖動方法包含兩種：軟件消抖:本系統中選擇消抖的方式是通過獨立按鍵消抖;主要的工作原理為:一但按鍵被直接地按下,就會對抖動進行檢測,方法是延時一段時間才去判斷這個按鍵是否為有效按鍵,在等待之后依舊有鍵被按下就可以說明是,此時會給予其對應的鍵值。在程序中便能夠通過鍵值來判斷其對應的操作。在確認按鍵的狀態之后就可以進入后面程序處理了。硬件抖動消抖:這是一種利用它的RC積分電路可用來有效去除硬件抖動時對控制按鈕上的集合處理器積分電路可能產生的硬件影響。通過一個按鍵控制電路就能夠實現最大超載時間人數設置為閾值的報警。3.5報警電路的設計本系統中的報警器件分選用蜂鳴器和LED作為提示控制元件。該電路的工作原理是:IO端口的輸出信號通過經三極晶NCE3400的直流導通去帶動蜂鳴器正常工作。若是此時IO口輸出信號為高電壓，三極管就會處于接通狀態,此時蜂鳴器就會報警。反之則不能使蜂鳴器報警。該報警電路如下圖所示。圖3-7蜂鳴器報警電路Figure3-7BuzzerAlarmCircuit3.6加濕器繼電器的設計在本系統中通過繼電器觸點的開合來實現，其電路圖如3-8所示。圖3-8繼電器電路圖Fig.3-8Relaycircuitdiagram本系統采用的繼電器主要功能是實現控制加濕模塊，當傳感器測定的數值超過設定的閾值時單片機控制繼電器斷開，加濕器停止工作。4.智能加濕器系統的軟件設計在正常情況下，開發設備包括：總體方案設計以及不同模塊的設計、硬件型號的選擇以及程序的編寫，同時還包含設備的調試和修改等等。在設計時應當保證系統能滿足預期的所有功能，且價格合理，具有良好的穩定性和可維護性。4.1智能加濕器系統的軟件設計方案（1）T0，T1計數中斷程序：程序的主要功能是將傳感器產生的脈沖信號傳遞到計數器，并在計數器開始進行計數之前設置0FFFFH。計數器產生溢出中斷。（2）在手動設定報警閾值是通過一個按鍵控制模塊來實現。（3）數據處理后完成后的結果可在顯示模塊中予以顯示。（4）報警子程序將設定的閾值與當前傳感器采集的數據進行比較，若超過設定值會進行報警，否則不報警。4.2系統工作流程設計智能空氣加濕器基于HK32F030F4P6單片機為主控制器，系統通過單片機控制單總線式溫濕度傳感器DHT11采集環境的溫濕度，通過ADC采集TDS水質傳感器的水質信息，通過ADC采集WaterSensor水位傳感器的水位高度，并將環境的溫濕、加濕器中水位和水質的信息顯示在LCD12864液晶顯示屏上。通過按鍵可以設置溫濕度和水位的下限值，當系統檢測到加濕器中的水位低于下限值時，開啟LED燈和蜂鳴器進行聲光報警，同時將報警信息通過ESP8266無線模塊上傳到服務器。當系統檢測到環境濕度低于下限值時，驅動繼電器吸合，啟動加濕模塊工作，對空氣進行加濕；當濕度恢復到正常范圍時，自動關閉加濕模塊，整個系統實現空氣智能加濕的功能。主程序流程圖如下圖4-1主程序流程圖Fig.4-1Mainprogramflowchart4.3定時器中斷計數程序的設計中斷流程圖如下圖4-2中斷流程圖Figure4-2Interruptflowchart在終端中斷指令子程序中,硬件操作系統通常會自動將一個指定斷點的起始地址值解壓到堆棧,并對累加器和寄存器的信息進行,中斷指令在執行完命令后就自動返終端,并在這個堆棧中自動重新刪除點地址,系統會自動繼續執行本次中斷之前的所有程序。4.4按鍵子程序的設計此次在系統中我選擇的通過獨立式按鍵對所有參數進行設置;主要的工作原理表現為:一但按鍵被地用戶按下是,就會開始對第一次按鍵的抖動進行檢測,方法是延時一段時間后去判斷這個按鍵是否是有效按鍵,在等待之后依舊有鍵被按下就可以說明是,此時會給予其相對應的鍵值。在程序中可以根據鍵值來判斷相應的操作。按鍵子程序流程圖如下:開始開始YNYNYYN按鍵DEC_SET=0？返回N數值減1數值加1按鍵ADD_SET=0？有鍵閉合嗎？延時10ms有鍵閉合嗎？YNYNYYN按鍵DEC_SET=0？返回N數值減1數值加1按鍵ADD_SET=0？有鍵閉合嗎？延時10ms有鍵閉合嗎？圖4-3按鍵子程序流程圖Figure4-3keysubroutineflowchart4.5報警與鎖定子程序的設計報警與鎖定子程序的流程圖如圖4-4所示，其主要功能是對加濕器的但當前狀態進行檢測。繼電器不工作繼電器不工作返回YN繼電器電路工作蜂鳴器報警開始檢測數據大于設定數據檢測數據大于設定數據圖4-4報警與鎖定子程序流程圖Figure4-4AlarmandLockingSubroutineFlowChart4.6顯示子程序的設計顯示子程序流程圖如圖4-5所示。返回返回個位、十位分離存入30HBCD轉換01H送P2口取個位段碼送P0口延時02H送P2口取十位段碼送P0口延時開始圖4-5顯示子程序流程圖Figure4-5showstheflowchartofthesubroutine在完成數據檢測后子程序工作，此時顯示程序工作，由于采用LCD顯示，因此需要將待處理的數據信息轉換為十進制進行保存和顯示，隨后調用延時程序，在終端和等待響應的過程中都調用了顯示程序，完成了顯示要求。5實物制作與調試5.1實物展示5.1.1實物展示圖片圖5-1實物圖片1Picture5-1Physicalpicture1圖5-2實物圖片2Picture5-2PhysicalPicture2在系統的整體焊接工作全部做好之后,就進入了系統的調試工作階段。擬建系統在正式投入使用之前都需要對其進行調試,系統在進行軟件設計時很有可能會因為開發人員的疏忽而產生許多漏洞,因此我們需要對其進行測試才能夠發現漏洞并及時加以改進,驗證該系統的安全性和可靠度,以便實現所有預期的應用功能。5.2系統的硬件調試下面為大家詳細介紹了系統軟硬件組成部分進行了調試,其中包括最小系統和方向器電路兩個組成部分:(1)對單片機最小系統進行調試:首先將電路連接好并將最小控制系統上電,隨后使用萬用電表和示波器來測量電壓,測量控制端口晶振電路的引腳輸入電壓是否是2.0v左右,利用示波器來檢測ale口中是否輸出方波信號,按下復位按鍵來觀察復位引腳是否輸出一個高電平,完成了調試后將寫好的程序燒錄到單片機并檢驗最小系統能否正常運行。(2)根據方向正確辨認調試電路的連接調試:按照電路流程框圖中的要求進行電路連接,將74ls04反相器和74ls74雙d型的觸發器分別安裝在控制面板,與模擬傳感器驚醒連接后會輸出一個脈沖信號,連接十倍頻的方向電路輸出端,用萬用電表分別測量觸發器q1、q2端的兩端電平,直到測試完成，其功能能順利實現。5.3系統的軟件調試在本次編程時我們利用proteus軟件進行了仿真和調試系統,當軟件進行仿真后通過則我們就利用了對該仿真儀進行仿真,并按照相應的次序對其中的錯誤值進行了修改,最終把程序中的HEX文件以硬盤形式燒錄后再進入到單片機上,然后對其進行了實測。在進行軟件調試主要包括兩個組成部分,分別是為單元電路的調試和整機聯調:1、單元電路調試在對各個單元電路進行調試時,我們應當明確需要調試的內容和要求,按照調試的順序及其原理框圖的要求對各個單元電路進行調試,將前一級調試輸出的信號轉換為后一級的輸入信號,保證了調試工作可以順利地完成。單元調試主要分為兩種不同的類型,其一是靜態調試,其二是動態調試。后者所指的就是在無外接信號的條件下能對各個電路不同電位進行測量,該方法適用于有源器件中各個靜態工作地點的電位信號調試。通過靜態調試能及時地發現儀器中的零部件是否處發生故障。動態調試則是根據前一個級別的輸出信號來對自己的信號測試單元進行調試,其中包括信號的幅值,相位關系以及頻率。對于信號的產生電路而言,通常只有在動態指標調試中才能完成。通過將兩者的調試結果進行對比,可以對電路的參數進行修正,并給出詳細的記錄。2、整機聯調在各個模塊的組合工作完畢后需要對各個整機電路進行調試,測量不同的模塊所構成系統后的電路性能,在開始進行各個整機的電路調試時重要的指標之一就是系統的動態性能,將調試的結果與所設計的指標進行對比后找到該系統在運行中可能出現的不足并給出相應的解決方案,若其間的差距大于或超過所設計規定的范圍則對其進行糾偏,直到達到整機電路調試的結果與設計指標的差距均處于允許值范圍內。5.4調試故障及原因分析在調試過程中遇到的問題包含下述幾種。（1）焊接錯誤焊接到一個電路時容易就會出現一些問題,因為此次的電路設計由于線路相對比較復