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摘 要

近年来，随着智能手机、平板电脑等移动设备的迅速发展，其中内置的微机电系统(MEMS)的比例越来越高。一直以来，厂商在推广温湿度传感器的过程中，都非常注重于宣传舒适度概念。以前的客户只有温度的概念，而没有湿度概念。其实相对湿度是与温度密切相关的，只有对同一测量点的湿度和温度进行数据采集，才能保证相对湿度的准确性。人体对空气湿度的舒适感应空间较窄，因此需要通过感应器来感知湿度，随时补充或降低水分。湿度传感器不仅仅是提供一个感应器，而是把温度补偿和标定数据都集成在一个电路里面。温湿度传感器只需将其跟单片机通讯就可以直接采集到数据。
现在温湿度传感器已被应用于日本某知名品牌手机当中，可以通过手机与温湿度传感器形成一个简单的微型温湿度监测系统。针对农村市场已经推出了可以显示温湿度的手机，可以帮助农民更便捷地了解气候变化。未来我们还可能在一些针对老人的手持设备中加入温湿度传感器，提醒他们及时补充水分和调节空间温湿度。在消费电子领域，温湿度传感器的传统应用是天气预报以及室内监测。温湿度监测系统是传感器网络产品的一种。追求更小更方便满足集成电路是未来温湿度传感监测系统才是厂家要研究的方向。

关键词：温湿度传感器;温湿度监测系统;智能手机

Abstract
In recent years, with the rapid development of smartphones, tablets and other mobile devices, the proportion of built-in micro-electromechanical systems (MEMS) is increasing. All along, manufacturers in the promotion of temperature and humidity sensors in the process, are very focused on promoting the concept of comfort. Previous customers only had the concept of temperature, but no concept of humidity. In fact, relative humidity is closely related to temperature. Only by collecting data of humidity and temperature at the same measuring point can the accuracy of relative humidity be guaranteed. The comfortable sensing space of human body to air humidity is relatively narrow, so it is necessary to sense humidity through sensors, and to replenish or reduce moisture at any time. Humidity sensor not only provides a sensor, but also integrates temperature compensation and calibration data into a circuit. Temperature and humidity sensors can directly collect data by communicating with single-chip computer.
Now temperature and humidity sensors have been used in a well-known brand of mobile phones in Japan, which can form a simple miniature temperature and humidity monitoring system through mobile phones and temperature and humidity sensors. At present, mobile phone manufacturers, which can help farmers understand climate change more easily. the traditional applications of temperature and humidity sensors are weather forecasting and indoor monitoring. Temperature and humidity monitoring system is a kind of sensor network products. Pursuing smaller and more convenient integrated circuits is the future direction of temperature and humidity sensor monitoring system for manufacturers.
Key words : Temperature and humidity sensor ;Temperature and Humidity Monitoring System ;Intelligent mobile phone.

目 录
摘 要 i
Abstract ii
目 录 iii
第一章 绪论 1
1.1 理论阐述及其研究思路 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 2
1.2 Arduino发展历史和国内外现状 2
1.2.1 Arduino发展历史 2
1.2.2 研究现状以及发展趋势 2
1.3 论文主要研究内容 3
1.4 市场需求分析 3
第二章 基于Arduino温湿度监测控制系统关键技术、 5
2.1 无线通信技术 5
2.1.1 Bluetooth简介 5
2.1.2 蓝牙通信连接 5
2.2传感器技术 6
2.2.1 传感器分类 7
2.3 Arduino微型控制器技术 10
第三章 Arduino硬件方案设计 12
3.1 硬件设计方案 12
3.1.1 温湿度传感器DHT11 13
3.1.2 风扇 17
3.2 温湿度传感器的选择 17
3.3 环境对元件工作的影响 19
3.3.1 温湿度传感器日常维护和注意事项 19
3.3.2 Arduino日常维护和注意事项 20
3.4供电电源接口 20
第四章 温湿度监测系统测试与实现 22
4.1 硬件电路调试 22
4.1.1 加快应收账款和存货的周转 22
4.1.2 提高现金流量水平 22
4.1.3制定合理的偿债计划 22
4.2 加强长期偿债能力的建议 22
4.2.1 优化资本结构 22
4.2.2 提高盈利能力 22
4.2.3加强管理层的素质和能力 22
第五章 总结 22
参考文献 23
致谢 24

第一章 绪论

1.1 理论阐述及其研究思路
1.1.1 研究背景
二十一世纪以来，由于计算机技术的蓬勃发展，加上大规模的集成电路和通信技术的发展，传感器元件的大规模爆发式增长，温湿度传感器的出现使温湿度监测系统被逐渐重视起来，温湿度监测系统目前广泛应用于工业生产、农业生产、环境监测等多个领域。目前国内传感器技术还是比较落后的，大部分数字传感器全靠国外进口，直接来到数字传感器温湿度监测时代，但单片机等关键部分仍然是通过进口。不过国内丰富了数字传感器的配套产品，如远程控制模块、中继器、分线器等。技术也比较成熟。计算机监测技术是当今国内人们比较关注的一个话题。
随着社会快速的发展，在生产生活的方方面面对温度湿度的环境监测要求越来越高，主要是指库房、储柜、大棚种植、工业生产等对温湿度环境变化监测有着重要要求的地方。传统的温度湿度监测过于简单，基本依靠人工观察监测，不具有实时监测性，而且效率低下，极大耗费人力。而通过Arduino温湿度监测系统设定正常温湿度范围，如果温湿度正常，系统继续监测，如果温湿度超出正常范围，就会发出信号，通知人员进行有效处理，极大的提高检测效率和人力损耗。
对环境实施科学监测和有效调控，是预防性保护环境和自然的关键所在。因此温湿度监测具有重要的意义。新世纪以来，我国的温湿度监测慢慢走向智能化，系统化。智能温湿度监控系统正是其一的智能化控制系统，它正助力社会的智能化发展，它能够使温湿度管理更加简便高效。智能温湿度监控系统同其它智能化（智能环境监测系统、智能土壤监测系统、智能虫害监测系统等）监测系统相辅相成，效力于智能社会的发展。

1.1.2 研究意义
由于数字式传感器我国还在依靠进口他国的产品，以及一些关键性的技术也未掌握，所以在我国布置一套数字式传感器系统相当昂贵，一般的企业和机构都无法负担系统布置以及后期的维护成本。国外的温湿度监测元件都是被垄断的，每个元件的损坏都需要向原公司提出维修建议，而且更换元件和找来专门的维修人员是一笔不小的开销。这专门的维修人员需要向原元件生产公司抽调，这也使得维修时间边长，极大影响生产生活的进行，效率低下。Arduino温湿度监测系统的可以大大解决这个成本过高的问题，Arduino的开源产品，而且购买也是其它控制器成本的一半不到，以及Arduino的配件传感器元件是目前我国技术是可以研发出来的，如果可以依靠Arduino开发板以及配套元件开发出一套完整的温湿度监测系统将极大的节省企业和机构布置温湿度监测系统的成本。

1.2 Arduino发展历史和国内外现状
1.2.1 Arduino发展历史
Arduino是由意大利Ivrea（一家高科技设计学校）学校的老师Massimo Banzi和他的学生设计制作出来的。由于之前的课堂教学和学习，学生们常抱怨找不到便宜且好用的微控制器，于是Massimo Banzi和David Cuartielles（西班牙籍芯片工程师）两人决定设计自己的电路板，并且让Massimo Banzi的学生David Mellis为电路板设计编程语言。大约两天之后，David Mells就写出程式码。之后大约过了三天，电路板就设计完成了。之后他们决定把他们设计的这款微控制器取名为Arduino。
1.2.2 研究现状以及发展趋势
国内发展现状。目前国内大部分的智能温湿度监测原件和系统使用基本依赖进口，而且国内的温湿度监测方法又是比较传统的，主要是以人工采集数据为主，室内外监测点采集，采集速度慢，精度差，且无法历史保存采集的数据信息。这其中最主要的工作就是需要工作人员到每个采集点，在预定时间进行数据采集，这一定程度上是非常浪费时间的，并且人工成本过高。当然这种情况是在那些不符合条件的相对空间环境进行温湿度监测处理，比如温度骤变、干燥、湿润等环境情况。这种监测方法对于工作人员来说是浪费时间，对于企业来说就是浪费人力物力财力。而且大部分地区仍然使用的是带有指示的温湿度监测仪表，这种仪表缺点就在于数据不具有记录功能，以及误差巨大。现在随着后现代的工业技术和微型计算机技术的飞快的发展和创新，少部分智能温湿度监测仪器仪表以及开始推广使用，正在慢慢取代以往的那种低效率工作的监测仪器。
国外发展现状。国外的温湿度研究时间比国内时间久，而且技术相对稳定成熟，很多智能控件比国内的更为先进，但当然价格更是国内产品的几倍，甚至是十几倍。像美国、日本、以色列等国家正从自动化监测系统上正走向完全自动化监测，向着无人化的方向发展。

1.3 论文主要研究内容
本文设计的温湿度监测系统是基于Arduino开发平台进行设计制作，利用Arduino成本低、可创造性好的特点，加之平台的开源开放，可以与许多智能元件进行制作的优点，本文将Arduino与蓝牙无线通信结合，旨在研究出一套可靠、性价比高的智能温湿度监测系统，是以单片机为微控制中心，进行控制温湿度监测点数据的采集、传输、纪录。
1.4 市场需求分析
目前，智能化传感器技术正处于蓬勃发展时期，具有代表意义的典型产品是物理变量智能变送器和二维加速度传感器，以及另外一一些含有微处理器(MCU) 的单片集成压力传感器、具有多维检测能力的智能传感器和固体图像传感器(SSIS) 等。与此同时，基于模糊理论的新型智能传感器和神经网络技术在智能化传感器系统的研究和发展中，其重要作用也日益受到了相关研究人员的极大重视。
21世纪的先进传感器必须具备小型化、智能化、多功能化和网络化等优良特性，其中，智能化特性可以说是重中之重。在当今工业自动化领域，智能化传感器多用于压力、力、振动/冲击加速度、流量以及温/湿度的测量，如物理变量智能变送器和二维加速度传感器就属于这一-类传感器。另外，智能化传感器在空间技术研究领域亦有比较成功的应用实例。
在今后的发展中，智能化传感器无疑将会进一步扩展到化学、电磁、光学和核物理等研究领域。可以预见，新兴的智能化传感器将会在关系到全人类各国民生的各个领域发挥越来越大作用。
与传统意义的传感器相比，智能化传感器之所以倍受青睐，主要是因为其多功能性。智能化传感器相当于微型机与传感器的综合体，其主要组成部分包括主传感器、辅助传感器及微型机的硬件设备。通常情况下，一个通用的检测仪器只能用来探测一种物理量，其信号调节是由那些与主探测部件相连的模拟电路来完成的;而智能化传感器却能够实现所有的功能，而且其精度更高、价格更便宜、处理质量也更好。
与传统的传感器相比，智能化传感器具有以下优点:①自补偿功能:对信号检测过程中的非线性误差、温度变化及其导致的信号零点漂移和灵敏度漂移、响应时间延迟、噪声与交叉感应等效应的补偿功能;②自诊断功能:接通电源时系统的自检，系统工作时实现运行的自检，系统发生故障时的自诊断，确定故障的位置与部件等;③自校正功能:系统中参数的设置与检查，测试中的自动量程转换，被测参量的自动运算等;④数据的自动存储、分析、处理与传输等;⑤微处理器与微型计算机和基本传感器之间具有双向通信功能。

第二章 基于Arduino温湿度监测控制系统关键技术

2.1 无线通信技术
无线通信技术（Wireless）是一种物理通信技术，它是利用电磁波能在任何空间环境传播的特性进行信息交互的一种通信方式。无线通信技术有很多优点，它不需要去建立铺设大量的物理线路，比如，电线杆、地下电缆。也不需要大量的人力去铺设电缆，而且通信速度和稳定性相对于有线通信方式也较稳定。无线通信技术不受环境的限制，而且对环境变化的适应能力较强，如果出现故障，诊断以及维修起来也较为方便和简单。相对于过去的有线通信方式的设置和维修，无线通信方式只需要远程诊断，有线则需要维修人员到场进行诊断再维修。无线通信技术拓展也较强，拓展无线网络只需要添加一个无线通信设备即可，不需要像有线通信网络那样需要布线，如遇到地形复杂区域，有线网络的布置就显得异常繁琐和费成本，以及高成本。无线通信在使用环境变化时，只需要做出微小的调整就能适应新环境的要求，这也是本文选择无线通信方式的原因。
2.1.1 Bluetooth简介
蓝牙（Bluetooth）是一种无线通信技术的标准，在1994年时，是由最初的电信巨鳄爱立信公司说创立，当时是作为RS232串口数据线的替换方法。蓝牙可以实现设备与设备之间的数据通信交互，一个主设备而且可以同时连接多个设备，克服了数据同步的问题。它使用的是2.4GHz~2.485GHz的ISM（猪要是开放给工业、科学、医学的频段）波段的UHF（特高频无线电波）无线电波。蓝牙如今由蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group）管理，并将蓝牙技术列为IEEE802.15.1。而日常生活中蓝牙也是常用的无线通信方式之一，如图2-1中，都是为常用的蓝牙设备。图中第三个设备是本次设计中选用的蓝牙模块，蓝牙型号为HC-06。蓝牙具有安全性高的特点，也是本设计选用通信方案之一的理由。

图2-1 常用蓝牙设备
2.1.2 蓝牙通信
蓝牙设备可分为主设备和分设备，主设备与分设备之间组成一个微微网，是一个临时的计算机局域网络。主设备可以选择从设备进行访问，而且数据传输可以随时在主设备与其它从设备之间进行。一个使用蓝牙技术建立的临时计算机网络，最多可拥有七个通讯设备，当然这个需要看蓝牙主设备的性能，不是所有的蓝牙主设备都能达到这一最大设备连接量。而且蓝牙设备之间可以通过蓝牙通信协议进行角色转换，从设备可以变为主设备，比如，蓝牙耳机向手机发起连接请求，那么耳机就作为蓝牙连接的发起者，自然就是此蓝牙网络的主设备，而手机就作为从设备运行。这也是蓝牙核心规格，它可以以此形成分布式网络，如图2-2所示。

图2-2 蓝牙分布式网络

2.1.3 WI-FI通信
Wi-Fi与上述蓝牙通信技术一样，都是同属于短距离无线技术中的一种，为一种网络传输标准。日常生活中，WI-FI的普及速度就短短几年，目前可以说是全覆盖，并给人们带来极大的便利。WI-FI也是备选为该设计通信方案之一。在未来，设备与设备之间的通信数据加大，WI-FI数据传输量大，速率快，而蓝牙传输数据小，速率慢，是无法满足今后数据通信要求，所以WI-FI可以在未来成为取代蓝牙最好的通信方案。WI-FI通信虽说是该系统通信最好的选择，但并不作为该当前设计的选择。

2.2传感器技术
传感器技术是一种以一定精确度把被测量转换为与它自身有确定关系的物理量的测量装置。传感器在科学领域，又称为敏感元件、检测器、转换器、发讯器。不同的说法，可以知道它在不同的应用技术领域种，起着不同的作用，或大或小。传感器包含了如下几方面的含义：
1、传感器是测量装置，主要完成测量工作；
2、它的输入量（监测的数据）为被测量量，如物理量（质量、速度、体积、光照等）、化学量（CO2、O2、CO等）、生物量（红细胞、白细胞等）等；
3、传感器输出的是物理量，输出的物理量主要是为了便于传输、转换以及处理和显示等。而这种量一般都是电量，因为电量最符合传输、转换、处理和显示的特点；
4、传感器的输入和输出是有一定对应关系的，而且具有一定精准度。
传感器组成一般由敏感元件、转换元件、转换电路这三部分。如下图2-1所示。
图2-3 传感器组成图

一、敏感元件，它能直接测量被测量，与被测量量接触，并输出与测量量具有一定数学关系的值，就是某一物理量（温度、湿度、光照强度等）；
二、转换元件，转换元件将敏感元件输入的参数转换成电路参数（一种电、磁物理现象），并传输给转换电路；
三、转换电路，转换电路把转换元件传输的电路参数转换为物理量输出，并显示。
大体上所有的传感器基本都是由上述三部分组成，但传感器里面的元件有些复杂，有些简单。最简单的传感器是由一个敏感元件组成，这个敏感元件兼转换元件，就是说，它感受到被测量时可以直接输出物理量，比如，热电偶传感器。而有些传感器分别由两个传感（敏感元件和转换元件）元件组成，没有转换电路这一部分，比如，压电式传感器。而复杂的传感器内是有多个转换元件，工作过程比较复杂。
2.2.1 传感器分类
市面上的传感器种类繁多，而且原理也是各式各样。所以对于传感器的分类的方法也有很多，按照传感器工作原理去分类的话，大致传感器分为这么几大类：物理传感器、生物传感器和化学传感器；物理传感器是根据事物本身的物理性质（声、光、热、力、电）变化而进行检测的元件；生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。市面上常见的三种传感器如下图2-4所示，依次是速度传感器、细胞器传感
器和烟雾传感器。
图2-4 常用传感器
如果要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 [6]
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
1、灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。
传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
2、频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真。实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应越高，可测的信号频率范围就越宽。
在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过大的误差。
3、线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
4、稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。
传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。
5、精度
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器阿特拉斯空压机配件。
如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。
对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。

2.3 Arduino微型控制器技术
几乎任何人，即使你不懂任何电脑编程，也没有过任何编程学习，也能用Arduino做出一些很棒的东西，比如，做一套温湿度监测的系统。Arduino可以控制马达、灯光、电机以及开关等许多元器件，能满足我们生活生产的大部分需求。加之Arduino开发板是个开源平台，任何人都可以生产和制造电路板的复制品以及产品，不需要付任何版税。
Arduino是一个很神奇的工具。它可以让你的计算机能够拥有更强的感应和控制真实世界的能力，而不仅局限于键盘、鼠标、屏幕、扬声器等单一的标准I/O设备。它同时也能作为独立的控制核心，作为机器人、智能车、报警器等电子设备的控制器，应用起来非常简单。
Arduino可用于开发交互式对象，采用各种开关或者传感器输入设备，控制各种LED灯，电动机或者其他物理设备的输出。Arduino的项目可以独立制作，亦或者与计算机上运行的软件进行通信。Arduino开发板如下图2-3所示。

图2-5 Arduino开发板uno板
上示图中的Arduino开发板只是Arduino开发板系列中的一种，Arduino开发板有很多种类，包括Arduino Uno、Arduino Nano、Arduino Nano 、Arduino LilyPad、Arduino Mega 2560、Arduino Ethernet、Arduino Due、Arduino Leonardo以及ArduinoYún。这所有的开发板都拥有一个硬件平台——Arduino Board，和一个开发工具——Arduino IDE。两者都是开放的，既可以获得Arduino开发板的电路图，也可以获得Arduino IDE的源代码。除了购买Arduino电路板外，不需要支付额外的费用。这是使用Arduino的最大的好处之一，可以控制温湿度监测系统制作成本。Arduino Board是基于简单的微控制器，如ATmega328，提供了基本的接口以及USB转换串口的模块。使用者只需要用一个USB线就可以连接电脑和Arduino Board，完成编程和调试，而不需要专门的下载器。Arduino使用一种简单的专用编程语言，使用者不必掌握汇编语言和C语言等复杂技术就可以进行开发。IDE可免费下载，并开放源代码，而求可以跨平台，极为的便利。
世界上有不少微处理器和对应的硬件平台，比如AVR系列或51系列的单片机开发板、Parallax Basic Stamp、BX-24。至于为何选择Arduino，主要拥有以下原因：
1.廉价;这也是Arduino诞生的主要原因和目标之一。一块最新版的Arduino Board的价格（约70元）仍然远低于一块AVR或51开发板（约100~200元），并且不需要额外购买价格几十元人民币的下载线。开发软件亦是免费的，这也为后期对Arduino维护减少了不少麻烦。Arduino Board是被设计用来直接用于产品开发的，小巧精简，而普通的AVR开发板往往过于臃肿，不适合直接用于产品中，只是作为学习之用。使用Arduino降低了了成本，您只需一块。
2.跨平台;Arduino IDE能够在主流平台上运行，包括Microsoft Windows，Linux，Mac OS X（它们占据了PC的99%以上）。而普通的AVR开发工具如ICC，AVRStudio，只有Windows版本。对于很多程序员来说，Linux是他们的最爱。而设计师往往钟情于Mac OS X。跨平台的Arduino IDE的确解决了这样的困难，开发人员可以保持自己的习惯。
3.简单、清晰的编程方式;电子产品的开发者并不都是电气工程师和程序员，他们甚至包括画家和建筑师。Arduino并没有使用天书一般的汇编语言，或者复杂难懂的C语言，而是创造了另一种简单、清晰的编程语言。经过简单的学习，便能够开始出色的设计。
4.开源的软件;让我有机会了解，并加以改变，让我的开发与众不同。
5.开放的硬件;让我有机会制造无限量的复制品或者创造“进化版”。

第三章 Arduino硬件方案设计

3.1 硬件设计方案
本文将硬件设计方案分为三部分：温湿度传感器部分电路设计、风扇电路设计以及数据传输。总体设计图如3-1图所示：

图3-1 硬件设计方案思路图
该硬件设计方案设计思路图中的蓝牙为串口监视器，是为通过蓝牙通信的串口监视器，目的为将DHT11采集到的温湿度数据通过蓝牙无线传输给串口监视器。此前所用的串口监视器为Arduino平台所附带的串口监视器，它需要USB串口线进行与电脑相连，才能将数据显示在电脑端的Arduino串口监视器，而使用蓝牙传输数据信息有一个好处就是不需要串口数据线，较为便利。蓝牙串口数据传输是本设计的备选方案，便于数据的有效传输。
3.1.1 温湿度传感器DHT11
流动DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。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。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。传感器为单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。而DHT11各个针脚功能如下图3-2所示。
PIN名称注释1VDD供电3~5.5v2DATA串行数据，单总线3NC空脚4GND接地，接负极图3-2 DHT11引脚说明

1、接口说明
建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻，大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。以下是DHT11电路接口示意图，如图3-3所示

图3-3 DHT11接口示意图

2、电源引脚
DHT11的供电电压为3－5.5V。传感器上电后，要等待1s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。
3、串行接口（单线双向）
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，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。操作流程如下：
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
数据传送正确时校验和数据等于“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”所得结果的末8位。
用户MCU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，用户可选择读取部分数据。从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。如图3-4所示。

图3-4 数据传输模式
总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。
DHT11切换到输入模式示意如下图3-5所示。

图3-5 DHT11输入模式切换
总线为低电平，说明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，高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示。如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。

数字0信号表示：

数字1信号表示：

4、测量分辨率
测量分辨率分别为8bit（温度）、8bit（湿度）。
6、电气特性
以下数据是在VDD=5V，T=25℃测得：
参数条件MinTypMax单位供电DC355.5V供电电源测量0.52.5mA平均0.21mA待机100150μA采样周期秒1次
7、DHT11封装示意图，如图3-6所示。

图3-6 DHT11封装示意图
3.1.2 风扇
风扇，是用电驱动电动机而产生气流的装置，其中里面配置的电机通电后来进行物理转动，将电能转化为机械能，使得扇叶转动化成自然风来达到乘凉的效果。电风扇的主要部件有：交流电动机。它工作原理是通电线圈在磁场中受力而转动。能量的转化形式是电能主要转化为机械能，同时由于线圈是具有电阻，所以一定会有一部分电能要转化为热能。本文中的风扇，当环境的中的温湿度过高时，而进行加速周围空气的流通，起到改变周围环境的温度、湿度的效果。本文所使用的风扇如图所示3-7所示

图3-7 风扇

3.2 温湿度传感器的选择
温湿度传感器有很多种类，关于温湿度传感器的选择是经过多次甄选和比较得出来的。本文要对温湿度数据进行测量工作，首先肯定要考虑到用何种原理的传感器，这肯定需要综合多方面的因素。同种物理量，有多种传感器可供选择。考虑到测量量和测量环境条件，测量量程，以及是否是接触式的传感器，价格也是主要考虑因素。在传感器的选择，我总结了以下五种挑选方法：
灵敏度的选择。通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。
传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
频率响应特性。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真。实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应越高，可测的信号频率范围就越宽。
在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过大的误差。
线性范围；传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
稳定性；传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。
传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。
精度；精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器阿特拉斯空压机配件。
如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。
3.3供电电源接口电路设计
本文设计采用的是USB接口来对整个控制系统进行适配供电，从而使得本设计的电源部分稳定且对电路实现了最大简化，相比较的单片机传统供电系统来说更为节能，成本更节约。本文中的USB接口不止是供电，还有担负数据传输的使命。
USB接口的简介；USB 是英文Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB接口电路图如图3-8所示。

图3-8 USB接口电路图
（1）选择USB接口为本设计供电的原因及注意事项
由于USB供电可以提供每个U口最大为500mA的电流，供电电压为5V，与单片机的供电系统相适配，能满足本设计绝大部分元器件的供电要求，而且本设计过程中并不存在大功率元器件，所以本设计选用USB作为整个蓝牙控制系统的供电电源，但是为了防止电路上短路烧坏电脑的USB接口，USB接口应加自恢复保险。
本设计只需要利用USB的VCC电源端（+5V），以及GND（接地端）对设计中所涉及的元器件进行供电，而其余两脚为数据传送端口无需利用，在设计过程中需要先用万用表电压档测量USB接口的VCC端以及GND端口，避免连接电路时候将电源极性接反而造成不必要的后果。
（2）USB接口的选型
USB接口的型号多种多样，对于供电电路来说，采用普通的A型或者B型接口就可以了，本设计使用的是A型USB接口，如图3-5所示。

图3-9 USB接口实物图

3.4 DHT11电路设计
本设计中采用的是DHT11传感器来采集环境的湿度参数。该传感器包括一个电阻式湿度检测元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能的微处理Arduino相连接。DHT11是通过单总线通信来传输数据的,单总线通信方式使得它的应用电路十分的简单,也大大减少了电路中元器件的数量。DHT11湿度测量范围是20%_{90%RH（RH为相对湿度）,而温度测量范围为20℃}50℃。DTH11温湿度模块电路连接如图3-6所示。
图3-10 DHT11电路设计

3.5 风扇电路设计
由于风扇同上述DHT11通信方式相同，为单总线通信方式传输数据的，而且风扇的针脚只有两个，其中一个针脚接5V，其中一个接地即可。如下图3-7电路所示。
图3-11 风扇电路设计示意图
上图中的PNP的作用是自动配置电路中的风扇，然后告诉风扇都做了什么。PNP的任务是把Arduino和串口监视器相配合，并控制风扇，在风扇和串口监视器之间建立通信信道。然后PNP分配下列资源给风扇：I/O地址、IRQ、DMA通道和内存段。
3.6 总电路设计
总电路设计的重点是将各个模块的电路设计结合在一起，依然能正常工作，因此，总电路设计示意图如下图3-8所示.

图3-12 总电路设计示意图

3.7 环境对元件工作的影响
3.7.1 温湿度传感器日常维护和注意事项
设备的正常维护、故障维护等方面对于系统正常运转监测环境温湿度变化是非常必要的。为了解决这些日常可能遇到的问题，再结合相关技术规定来对温湿度传感器以及其他设备维护进行归纳，目的是为了提高数据的准确性、设备的稳定性、传输数据的及时性。
温湿度传感器是一种连续可以连续测量温度和湿度变化的传感元件，在整个温湿度传感系统中也是最容易出问题，最容易损坏的元件之一。温湿度传感器一般安装在环境内，是直接与环境空气接触的元件，本文使用的DHT11温湿度传感器就是如此，它是直接与被检测物接触，容易被空气腐蚀，使用环境比较苛刻。
如下图3-6有温湿度传感器DHT11的外观视图，就知道DHT11为何需要使用这种日常维护方式。

图3-13 DHT11外观示意图
在使用DHT11温湿度传感器中，要使它在正常的工作条件下，不能超过它测量范围。还有一个是空气中的颗粒物影响，如果在一个高浓度的污染环境下进行监测工作，情况严重，会出现DHT11损坏衰老速度会急剧加快，情况较轻只会出现测量值误差较大，或者传输数据不正常。以下是针对温湿度传感器使用过程中出现的情况的解决办法：
温度影响。气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。因此在测量湿度时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将DHT11远离电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。为降低热传导，DHT11与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。
光线。长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中，会使性能降低。
配线注意。DATA信号线材质量会影响通讯距离和通讯质量,推荐使用高质量屏蔽线。焊接信息手动焊接，在最高260℃的温度条件下接触时间须少于10秒。
如何保存温湿度传感器注意事项。避免结露情况下使用；温度10~40℃，湿度60%以下
3.7.2 Arduino日常维护和注意事项
灰尘、水、震荡、静电等都是Arduino的要害。这些使用条件下可直接造成Arduino的永久损坏，以至无法日常使用。所有日常使用时应注意下例事项 ：
防尘：防止灰尘颗粒进入单片机芯片内。使用过程尽量保持Arduino主板的清洁，并定期清理Arduino主板内的灰尘。
防水：防止液体进入Arduino主板的任何部分，保持室内通风。不要将Arduino放在温湿度浓度过大的房间内使用，不然会加速Arduino的老化和氧化。
防震：在使用的过程中要防止对Arduino主板的震荡，应将Arduino主板平稳放置在电脑桌或工作台上，以防从高处摔落等。
防静电：在触碰Arduino主板前可以将手掌放在墙壁、地面上去除静电。

第四章 温湿度监测系统测试

4.1 硬件电路调试
硬件的实现只是系统的一部分,硬件的工作需要软件赋予它工作命令,才能实现各种功能。本章主要内容是对硬件系统相对应的下位机软件进行介绍及分析。下位机按功能分为采集模块和主控模块。采集模块主要实现的对环境温度、湿度浓度环境变量进行采集，并传输到主控模块Arduino中。主控模块Arduino将采集模块传输的数据在串口监视器显示采集的温湿度数值。下面将测试各个模块的电路程序，之后将各个电路模块组合成最终温湿度监测硬件部分，与Arduino平台软件部分形成较为完整的温湿度监测。
4.1.1 DHT11数据采集程序
#include
dht11 DHT11;
#define DHT11PIN 2 //设置DHT1引脚为Pin 2
void setup() {
Serial.begin(9600);
Serial.println(“DHT11 TEST PROGRAM”);
Serial.print(“LIBRARY”); // 输出DHT11库的版本号
Serial.println(DHT11LIB_VERSION);
Serial.println();
}
void loop() {
Serial.println("\n");
int chk = DHT11.read(DHT11PIN); // 测试DHT11是否正确连接
Serial.print("Read sensor: ");
switch (chk)
{
case DHTLIB_OK:
Serial.println(“OK”);
break;
case DHTLIB_ERROR_CHECKSUM:
Serial.println(“Checksum error”);
break;
case DHTLIB_ERROR_TIMEOUT:
Serial.println(“Time out error”);
break;
default:
Serial.println(“Unknown error”);
break;
} // 获取数据
Serial.print("Humidity (%): ");
Serial.println((float)DHT11.humidity, 2);
Serial.print("Temperature C): ");
Serial.println((float)DHT11.temperature, 2);
delay(1000);
4.1.2 风扇控制程序
if(Serial.available()>0){
char ch=Serial.read();
if(ch == ‘a’){
digitalWrite(fengshan,HIGH);
}
if(ch == ‘b’){
digitalWrite(fengshan,LOW);
}
}
//湿度，8位的bit，转换为数值
humi=chr[0]*128+chr[1]*64+chr[2]*32+chr[3]*16+chr[4]*8+chr[5]*4+chr[6]*2+chr[7];

//温度，8位的bit，转换为数值
temp=chr[16]*128+chr[17]*64+chr[18]*32+chr[19]*16+chr[20]*8+chr[21]*4+chr[22]*2+chr[23];
//校对码，8位的bit，转换为数值
tol=chr[32]*128+chr[33]*64+chr[34]*32+chr[35]*16+chr[36]*8+chr[37]*4+chr[38]*2+chr[39];
4.1.3总控制程序
总电路程序为上述俩主要电路程序的结合，即可为完整的电路程序。但总程序代码与上述代码会有些不同。程序代码如下。
#include //该为库函数，是为了方便程序编译
#include
//LiquidCrystal_I2C lcd(0x3B,16,2);//定义I2C地址
int humi;//定义湿度
int tol;//定义校对码
int temp;//定义温度
int j;//定义变量
byte ch;
#define fengshan 4
unsigned int loopCnt;
int chr[40] = {0};//创建数字数组，用来存放40个bit
unsigned long time;
#define pin 2//定义DHT11引脚号
void setup()
{
Serial.begin(9600);//设置串口波特率38400
pinMode(fengshan, OUTPUT);
digitalWrite(fengshan,HIGH);
}
void loop()
{
bgn:
delay(2000);
pinMode(pin,OUTPUT);
digitalWrite(pin,LOW);
delay(20);
digitalWrite(pin,HIGH);
delayMicroseconds(40);
digitalWrite(pin,LOW);
//设置2号接口模式：输入
pinMode(pin,INPUT);
//高电平响应信号
loopCnt=10000;
while(digitalRead(pin) != HIGH)
{
if(loopCnt-- == 0)
{
//如果长时间不返回高电平，输出个提示，重头开始。
Serial.println(“HIGH”);
goto bgn;
}
}
//低电平响应信号
loopCnt=30000;
while(digitalRead(pin) != LOW)
{
if(loopCnt-- == 0)
{
//如果长时间不返回低电平，输出个提示，重头开始。
Serial.println(“LOW”);
goto bgn;
}
}
//开始读取bit1-40的数值
for(int i=0;i<40;i++)
{
while(digitalRead(pin) == LOW)
{}
time = micros();
while(digitalRead(pin) == HIGH)
{}
//当出现低电平，记下时间，再减去刚才储存的time
//得出的值若大于50μs，则为‘1’，否则为‘0’
//并储存到数组里去
if (micros() - time >50)
{
chr[i]=1;
}else{
chr[i]=0;
}
}
if(Serial.available()>0){
char ch=Serial.read();
if(ch == ‘a’){
digitalWrite(fengshan,HIGH);
}
if(ch == ‘b’){
digitalWrite(fengshan,LOW);
}
}
//湿度，8位的bit，转换为数值
humi=chr[0]*128+chr[1]*64+chr[2]*32+chr[3]*16+chr[4]*8+chr[5]*4+chr[6]*2+chr[7];
//温度，8位的bit，转换为数值
temp=chr[16]*128+chr[17]*64+chr[18]*32+chr[19]*16+chr[20]*8+chr[21]*4+chr[22]*2+chr[23];
//校对码，8位的bit，转换为数值
tol=chr[32]*128+chr[33]*64+chr[34]*32+chr[35]*16+chr[36]*8+chr[37]*4+chr[38]*2+chr[39];
//输出：温度、湿度、校对码
Serial.print(“temperature:”);
Serial.print(temp);
Serial.println(“C”);
Serial.print(“humidity:”);
Serial.print(humi);
Serial.println("%");
delay(100);
4.2 硬件连接图
4.2.1 DHT11连接图
连接好硬件，通过USB串口与电脑通信，完成程序烧录。得到以下结果，如图4-1所示。绿灯亮，表示程序正常写入，Arduino正常工作。打开Arduino串口监视器得到DHT11采集到的数据数值，如图4-2所示。
图4-1 DHT11硬件连接图
图4-2 DHT11数据采集数值
4.2.2 风扇连接图
由于风扇电路连接过于简单，这里就不将展示，因为风扇只有两根针脚，一根接5V，一根接地即可。
4.2.3总程序连接图
最初是在面包板上测试实现，如图4-3所示，线路连接较为复杂，但总体实验结果理想。而后进行了电路优化，将风扇和DHT11电路做了部分优化，如图4-4所示。最终总连接电路图如4-5所示。
图4-3 初始布线电路连接

图4-4 集成DHT11和风扇电路
图4-5 总电路图

第五章 总结

本设计的温湿度控制系统，并按照有关要求完成了以Arduino控制平台作为核心，DHT11温湿度传感器为辅，从而实现温湿度智能监测控制的系统设计。设计中的温湿度传感器DHT11集温度传感器和湿度传感器于一体来进行采集与测量，它自带A/D转换器，因而该温湿度控制仪器具有精度高、体积小、良好的抗干扰能力，故该系统具有很高的实用性。自己动手连接各个元件模块,使得自己对硬件电路连接更加熟悉，以及对软件、元器件的熟悉，画仿真图时更为流畅。在进行设计之前有着很多要解决的问题，比如元器件的选择问题、各个模块的设计和主程序的编程。通过这次设计，我从到图书馆的网站查找相应的资料应用到对应电路参与设计的思考。每个模块都要经过多次的设计，不断的试验，让我对之前在学校所学的书本上的理论知识也有了更为深刻的了解。在完成毕业设计的过程是一次难得的理论与实际相结合的过程，在这段时间使我有对学习更为深刻的理解和掌握了大学期间所学的一些知识，例如C语言的编程、数字模拟电路、Arduino硬件的简单应用、Arduino软件的使用。
该系统可以在许多环境下进行对温度、湿度的检测。这次毕业设计比中的系统中的显示模块可以设计的更加合理化，针对一些日常检查的工作，显示模块可以记录一天或者几天内内需要测量的环境下的温湿度，加上风扇模块、报警模块等其它模块的结合，这样更有利于各种的需要，鉴于本人的设计能力和设计要求，这里就不将该设计思路具体化。

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致谢

时光荏苒，转眼间四年的大学生涯即将结束。在这短短的四年年时间里，让
我充分了解和掌握了专业知识，在学习专业知识的同时，也使我的各方面能力有所提升，为我以后更好融入社会打下准备。在这段白驹过隙的时间里，在毕业论文的写作中，不管是老师还是同学都给予我了莫大的帮助和支持。
在这段学习生涯中，我要诚恳的感谢我的导师，在我毕业论文的指导过程中尽心尽责，耐心指导，严谨的教学态度、渊博的学识、认真负责的工作作风使我受益颇多。无论开题过程中还是写作中，老师都悉心指导，让我打开了毕业论文的思路。在跟老师的沟通过程中，自身也学到了许多为人处事的道理，在这里，再一次深深地由衷的感谢老师！
与此同时，我要衷心感谢人工智能学院的各位老师，是他们为我传道授业解惑，其中最重要的是教会我从不同的方面去思考专业问题，传授给了我学习思考的方法，为我以后的工作奠定了基础。在此真诚的谢谢人工智能学院的各位老师！
在四年年的学习生涯中，跟同学们相处的很融洽，辅导员对我也是关怀备至，
在本次毕业论文的写作过程中，同班同学也给予我帮助，在此也要向她们表达真
挚的谢意！
再此，我要特别感谢陶博士对我设计莫大的帮助，陶博士的帮助，对我毕业设计提供了思路，帮助我解决了设计过程中的问题。
最后，我也要感谢我的家人，是他们的支撑让我走到今天，是他们让我有了
继续奋斗拼搏下去的勇气，以后，我会尽我最大的努力来报答他们。