单片机控制的温湿度控制仪.docx
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单片机控制的温湿度控制仪
河南机电高等专科学校
毕业设计论文
论文题目:
单片机控制的温湿度控制仪的设计
系部:
电气工程系
专业:
电机与电器
班级:
学生姓名:
学号:
指导教师:
2012年12月30日
摘要
随着科学技术的迅速发展、控制系统自动化程度的极大提高,基于单片机自动控制技术的温湿度控制系统显得越来越重要。
特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中,具有举足轻重的作用。
针对现实中一些仓库,例如粮食棉花、弹药等场所对温度和湿度要求较高的现实情况,单片机控制的温湿度控制仪应运而生。
本系统采用多点温湿度传感器进行信号检测,采用八位模数转换器对温湿度传感器采得信号进行转换,采用价格低廉的单片机为控制核心。
本系统具有多点温度测量,实时温度值设定功能,智能温湿度调节控制功能。
当温度超过要求时,能够根据室内外温湿度情况自动选择温湿度调节方案功能,通过控制抽风机或空调来调节仓库内温湿度,并且具有声光报警功能。
单片机具有处理能强、运行速度快、功耗低等优点,应用在温度测量与控制方面,控制简单方便,测量范围广,精度较高。
关键词:
单片机,温湿度传感器,温湿度控制系统,抗干扰
ABSTRACT
Alongwiththescienceandtechnologyrapiddevelopment,thecontrolsystemautomaticityenormousenhancement,appearsbasedonthemonolithicintegratedcircuitautomaticcontroltechnologyhumiturecontrolsystemmoreandmoreimportantly.Specialinmetallurgy,chemicalindustry,foodstuff,petroleumandsoon..Inviewoftherealityinsomewarehouses,forexampleplacesandsoongraincotton,ammunitiontothetemperatureandthehumidityrequesthighrealisticsituation,thehumiturecontrolmeterwhichthemonolithicintegratedcircuitcontrolsariseatthehistoricmoment.
Thissystemusesthemulti-spottemperatureandhumiditysensorclearsignalexamination,useseightmodulusswitchestopickthesignaltothetemperatureandhumiditysensortocarryonthetransformation,usesthepriceinexpensivemonolithicintegratedcircuitforthecontrolcore.Thissystemhasthemulti-spottemperaturesurvey,real-timetemperaturevaluehypothesisfunction,intelligenttemperatureandhumidity
regulatingcontrolfunction.Whenthetemperaturesurpassestherequest,canact
accordingtoinsideandoutsidetheroomthetemperatureandhumiditysituationautomaticselectiontemperatureandhumidityadjustmentplanfunction,throughcontrolsthedrawingfanortheairconditioningadjustsinthewarehousethetemperatureandhumidity,andhastheacousto-opticstoreporttothepolicethefunction.
Keywords:
MonolithicintegratedcircuitHumiturecontrolsystem
Humituresensor Anti-jamming
目录
摘要……………………………………………………………………………………Ⅰ
绪论………………………………………………………………………………………1
第1章系统的整体设计………………………………………………………………2
1.1方案设计…………………………………………………………………………2
1.2方案选择……………………………………………………………………………2
1.3系统的整体功能…………………………………………………………………3
1.4系统整体结构表……………………………………………………………………3
1.5系统技术指标………………………………………………………………………4
1.6系统功能划分……………………………………………………………………4
1.7系统的工作方式……………………………………………………………………5
第2章系统硬件设计………………………………………………………………6
2.1输入通道设计………………………………………………………………………6
2.2控制系统核心设计………………………………………………………………10
2.3输出通道设计……………………………………………………………………11
2.4人机对话通道设计………………………………………………………………12
第3章系统软件设计……………………………………………………………14
3.1程序模块化思想…………………………………………………………………14
3.2程序模块划分……………………………………………………………………15
3.3程序子模块设计…………………………………………………………………15
3.4软件说明…………………………………………………………………………16
第4章系统抗干扰设计……………………………………………………………17
4.1硬件抗干扰设计…………………………………………………………………17
4.2软件抗干扰设计………………………………………………………………20
第5章软硬件调试………………………………………………………………24
5.1软件电路的调试…………………………………………………………………24
5.2软件调试…………………………………………………………………………25
5.3联机调试…………………………………………………………………………26
第6章展望…………………………………………………………………………27
致谢…………………………………………………………………………………28
参考文献……………………………………………………………………………29
附录…………………………………………………………………………………30
绪论
随着工控技术、电子信息技术和现代科学技术的发展,工业生产中对设备自动化程度要求越来越高。
在这些自动化生产过程中,电流、电压、温度、压力、流量、转速和一些开关量等都是重要的测控参量,其中温湿度是科研与生产控制对象中的最主要的测控参量。
有效地对温湿度进行测控可以节省能源,减轻工人劳动强度,提高产品质量和生产效率。
单片机控制的温湿度测控系统凭借其控制方便、编程简单、控制灵活性和价格低廉等诸多优点,在食品、化工、仓储、医药加工等各个领域中,特别是在仓库存储方面得到越来越广泛的应用。
目前,国内大中型库房在仓储管理中由于技术和资金上的原因,多数仅限于只对温度进行监测,当温度超标时进行强制通风和翻仓,即使如此,处理不及时或因设备人力条件有限仍会造成大量损失。
实现库房储藏物的温升主要是由于湿度引起的,库房储藏物本身的水分过高或连续的高湿天气将导致储藏物新陈代谢加快而放出热量,放热引起的温升又使代谢进一步加剧以至发霉变质。
这种恶性循环一旦形成很难进行有效控制。
因此,库房在进行温度监测的同时,必须重视对空气湿度的检测,以利于提前采取有效措施控制库房储藏物升温而霉变。
本文设计了一种基于AT89C51嵌入式系统和温度传感器、湿度传感器的温湿度检测控制系统。
该系统包括系统硬件和软件设计,可靠性高,结构简单,实现了对温湿度的自动调节。
随着单片机技术已成为电子技术领域中的一个新的亮点,使单片机技术成为一门综合应用技术,成为电子技术改造的重要技术手段之一。
采用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点,而且还可以大幅度的提高被控温湿度的性能指标,从而能大大提高产品的质量。
因此,单片机控制的温湿度测控系统――温湿度控制仪已成为首选。
该单片机控制系统主要是针对现实中一些对温度和湿度要求较高的仓库。
主要通过单片机与输入通道、输出通道和人机对话通道等各部分设计结合起来实现。
本系统是一个具有从多点温湿度检测、多通道模数信号检测、单片机核心控制、智能化输出调控功能的检测、控制型应用系统。
根据实际工作稳定性的要求,该系统无论是在软件上还是硬件上都采取了相应的抗干扰措施。
以防止软件系统的‘跑飞’,确保硬件系统乃至整个温湿度控制系统的可靠工作。
第1章系统的总体设计
1.1方案设计
方案1:
基于PLC的温湿度控制系统
温湿度控制系统原理温湿度控制系统的被控参数是温度和湿度。
温度与湿度通过温度传感器与湿度传感器输出的电信号经过A/D转换,送到PC机内。
PC机根据温湿度设定值与测量值之间的偏差和偏差变化率,经过模糊自调整PID的调节,送出控制信号,将PC机的输出分成加热、制冷或加湿、开风机信号,送入PLC来分别控制加热阀、制冷阀、制湿阀和风机,从而实现了用PLC对温湿度的控制。
图1-1PLC温湿度控制仪
方案2:
基于单片机的温湿度控制仪
以一个单片机控制的温湿度控制仪。
该控制系统主要是针对现实生产中一些对温度和湿度要求较高的场合,如仓库,仓库内温度、湿度保持在规定的范围内的实际情况而设计。
整个控制系统通过单片机与输入、输出电路的有机组结合来实现。
本系统是一个仓库温湿湿度的检测、控制型应用系统,它具有温湿度检测功能、温湿度信号处理、输入、运算功能、并具有相应温湿度调控功能。
1.2方案选择
由于近年来单片机的发展,使得单片机控制技术得到了巨大的应用,使用单片机设计的温湿度控制仪不仅结构简单,响应速度快,测温湿度范围广等优点,而且它价格低廉,有利于降低生产成本,所以本次设计采用方案2,单片机控制的温湿度控制仪的设计。
1.3系统的总体功能
根据现实生产需要,此次设计的单片机控制的湿度控制仪要求具有以下几种基本功能:
1.多点温度测量功能:
要求能够合理测量仓库多个点温度值,求出平均温度值以减小测量误差;要求在测量时用中断定时方式对各个温度点进行
温度值巡检提高单片机利用率。
2.智能温湿度调节控制系统:
要求具有自动选择温湿度调节方案功能。
通过控制抽风机或空调通电或断电来调节仓库内环境,在调节温度时要有对室内外湿度值进行比较判别,并要求能够根据室内外湿度情况分别进行不同的调节方式。
3.实时温度值设定功能:
根据实际工业现场的需要可以进行不同(实际所需的)温度值设定;要求具有实时温度值设置功能(在任何时候均可以进行温度值设定,其级别高于所有程序,最好使用中断方式)。
4.声光报警功能:
当温湿度超过要求范围时,进行相应动作的同时发出声光报警信号。
5.温度显示系统:
按要求实时显示室内的温湿度值;在进行设定时需要显示对应设定值。
本设计主要从系统的总体功能进行考虑,选择适当的设计控制方案以便使整个单片机控制系统达到最优性能。
1.4系统总体结构
在一个较好的控制系统中通常有十几个、甚至更多的被测数据即使速度很高的系统也难以满足要求。
为此,必须提高系统的可靠性、稳定性和准确性。
每个测量点的测量通过单片机进行数据的处理,并分析数据是否超限,若超限则报警显示。
同时单片机循环检测,考虑输出距离采用串行通讯的方法实现信息传输。
综上所述,系统总体结构图如图1-2所示:
图1-2系统结构图
综合考虑系统的适用性,可靠性,可维护性操作简便等,系统还应采用以下技术措施:
1.对粮仓内多点和环境温湿度自动巡视或人为选测,定时间隔可调。
测温点数扩展方便。
2.检测时间、监测点编号和检测结果可显示或记录。
3.系统采用软硬件抗干扰技术。
4.系统采用模块化设计思想,提高系统的可维护性。
5.系统部分采用UPS不间断电源,保证该系统工作的连续行。
1.5系统技术指标
1.温湿度测量点数:
测量点越多越能反映工业现场实际温度情况。
2.测量方式:
单片机对各测量点巡回检测,出现问题即时发出报警信号并进行相应处理。
3.温湿度设定范围:
温度控制设定范围:
0℃-30℃,最小区分度:
1℃;湿度控制设定范围:
40%-55%,最小区分度:
0.1%。
4.通讯距离:
测量点和单片机之间的距离不超过100米。
5.显示方法:
8位LED数码管循环显示,实时显示当前温度,显示温度范围:
0℃-99℃。
6.报警方式:
在室内(和控制室内)声光报警。
7.电源要求:
条件允许的情况下采用UPS不间断电源。
1.6系统功能划分
为了简化系统硬件、降低成本,提高系统灵活性和可靠性,输入信号滤波及大部分控制过程都可由软件来完成。
硬件的主要功能是信号的采集、传送、A/D转换及输出信号的功率放大。
另外,系统软件、硬件合理配合,可以降低成本,
降低软件设计的复杂性及缩短系统的研制周期。
在绝大多数单片机应用系统中,系统功能的软件、硬件划分往往是由系统对控制速度的要求决定的,在没有速度限制的情况下可以考虑以软件取硬件电路的简化,以求降低硬件成本。
过程控制是对生产过程中各种工艺参数实施的控制,这是单片机控制系统的重要应用领域。
温湿度控制系统便是最常见的控制系统。
硬件电路制作包括印制电路板制作,焊接和系统连接等几个方面。
印制电路板的设计一般都在计算机上利用PROTEL软件进行辅助设计,设计完交由厂家制作出所需要的印制电路板,经焊接和系统连接完成硬件电路的制作过程来控制温度。
为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可靠性,输入信号滤波及大部分控制过程都可由软件来完成,硬件的主要功能是信号的检测、放大、A/D转换及输出信号的功率放大。
单片机基本系统是整个控制系统的核心,它完成整个系统的信息处理及协调控制功能.由于系统对控制速度、精度及功能要求都无特别之处,因此可以选用
目前广泛使用的MCS-51系列单片机AT89C51
1.7系统的工作方式
系统以温湿度监控为核心,温湿度参数和设备运行状态由主机根据用户要求定时向从机查询,各控制模块的设置参数修改时,将新的参数发送到从机。
主机可以对从机进行参数设置及控制,从机也可以独立工作。
从机通过数据采集装置不间断地采集温湿度数据,根据控制模块的设置参数做出控制决策,驱动设备运行,并随时准备接受主机的指令,当受到询问时,将库房的各项数据编码通过串行通信方式传输到主机。
主机接收到数据后,进行数据处理,在监控界面上显示当前的状态信息,并将此信息实时地存储到数据库中,为用户维护和管理准备数据。
对数据可以进行查询,也可以将一段时期的数据信息汇集成报表,报表包括各项统计数据,还可以将数据处理绘制成图形曲线,实现对数据的分析与管理。
第2章
系统硬件设计
本设计主要是以单片机控制为核心,来检测和调试温湿度。
单片机对温湿度控制系统的主要设计过程包括:
主芯片、A/D转换器的选择及性能要求、硬件电路、软件电路的设计与配合、键盘显示电路的控制与显示。
其中硬件电路主要由主芯片与A/D转换器的连接加上温湿度传感器的控制来实现,软件部分则主要通过编程和程序流程图来实现。
这样整个系统才能按照预定的计划运行并进行控制和检测。
单片机控制的温湿度控制仪应用系统中,包括MCU控制核心、前向通道(数据采集部分)、后向通道(控制输出部分)和人机对话通道等四部分。
而每一部分又都有各自的信号接口,本章将介绍组成该单片机应用系统的这几个基本组成部分,以实现设计任务基本要求为重点,力求满足主要性能指标的基础上实现系统的最优性能/价格比。
2.1输入通道设计
输入通道是信息采集的信道,主要包括传感器、信号放大、A/D转换等电路。
由于温湿度变化是一个相对缓慢的过程,输入通道中使用采样保持电路。
另外,信号的滤波可由软件实现,以简化硬件、降低硬件成本。
按设计要求,可以采用8位A/D转换器实现前向通道组成,温湿度值经过温湿度传感器和信号放大电路产生(0~5)V的模拟电压信号送入A/D转换器的输入端,A/D转换器将模拟量转换为数字量,通过系统总线送入单片机内进行运算处理。
2.1.1模数转换器A/DC0809
模数转换器A/D0809在本设计中将温湿度传感器产生的模拟电压信号分时序转换为相应的数字信号送入单片机进行处理。
A/D0809可以选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用一个A/D转换器进行转换。
地址锁存与译码电路完成分时对A、B、C三个地址位进行锁存和译码,其译码输出用于通道选择。
其通道选择如表2-1所示:
CBA
选择的通道
000
INT0
001
INT1
010
INT2
011
INT3
100
INT4
101
INT5
110
INT6
111
INT7
表2-1通道表选择
2.1.2集成温度传感器AD590
1.温度传感器选择
温度传感器的种类较多。
热电偶由于热电势较小,因而灵敏度较低,热敏电阻由于非线性而影响其精度,铂电阻温度传感器由于成本高,在一般小系统中很少使用,传感器采用热敏电阻,相对于热电阻而言,热敏电阻采用NTC负温度系数型做温度检测用。
它检测0℃~100℃的测温电路,相应输出电压为0~5V,其灵敏度50mV/℃.它可以与A/D转换器连接,灵敏度低、精度不高。
但采用集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点,得到广泛应用。
在本设计中我们考虑到系统对元件的要求,我们主要选择用集成温度传感器AD590,在这方面他具有比别的传感器更好的性能,也更适应系统的要求。
2.AD590摄氏温度测量电路
本设计是由集成温度传感器AD590构成的多点测温系统,用最少的引线将许多AD590的信号引到测量仪表或计算机上。
本系统充分利用了AD590的传输距离远(因为输出是电流信号)的优点,而且巧妙地进行了引线的组合分配,以达到用最少的引线连接最多的AD590数量的目的。
AD590的典型使用方法如图所示,AD590的供用电压为3~30v,输出电流为278uA(25度),灵敏度1Ua/c。
挡在回路中串接采用电路R时,R两端的电压可作为输出电压。
注意R放入阻值不能太大以保证AD590两端电压不低于3V。
由于AD590输出信号为电流信号,所以传输距离远,可以达到1km以上。
图2-1AD590应用电路图
AD590摄氏温度测量电路如图2-1所示,电位器R2用于调整零点,R4用于调整运放LF355的增益。
调整方法如下:
在0℃时调整R2,使输出V0=0,然后在100℃时调整R4使V0=100mV。
如此反复调整多次直到调至0℃时,V0=0mV,100℃时V0=100mV为止。
最后在室温下进行校验。
例如,若室温为25℃,那么V0应为25mV。
冰水混合物是0℃环境,沸水为100℃环境。
图2-2用于测量摄氏温度的电路
要使图2-2中的输出为200mV/C,可通过增大反馈电阻(图中反馈电阻由R3与电位器R4串联而成)来实现。
另外,测量华氏温度(符号为℉)时,因华氏温度等于热力学温度减去255.4再乘以9/5,故若要求输出为1Mv/F,则调整反馈电阻约为180k,使得温度为0℃时,V0=17.8mV;温度为100℃时,V0=197.8mV。
AD581是高精度集成稳压器,输入电压最大为40V,此时输出为10V。
2.2.3湿度传感器
1.湿度传感器概述
在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门,经常需要对环境湿度进行测量及控制,但在常规的环境参数中,湿度是最难准确测量的一个参数。
用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法,早已无法满足现代科技发展的需要。
这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多,温度是独立的被测量,而湿度却受其他因素(大气压强、温度)的影响。
此外,湿度的标准也是一个难题。
国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。
近年来,国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展,为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件,也将湿度测量技术提高到新的水平。
2.HS1101湿度传感器
湿敏传感器采用电容式湿敏元件HS1101。
HS1101有响应快、线性度好、可靠性高和长时间饱和下快速脱湿等优点。
湿敏电容是一种在高分子薄膜上形成的电容。
高分子薄膜上的电极是很薄的金属微孔蒸发膜,水分子可通过两端的电极被高分子薄膜吸附或释放,随着这种水分子的吸附或释放,高分子的介电系数将发生相应的变化。
由于介电系数随空气的相对湿度变化而变化。
所以只要测定电容C值就可得相对湿度。
HS1101是基于独特工艺设计的固态聚合物结构,如图2-3所示。
在电路中等效于一个电容器Cx,其电容随所测空气的相对湿度增大而增大。
具有极好的线性输出,在相对湿度为0%~100%RH的范围内,电容的容量由163pF变化到202pF,其误差不大于±2%RH;湿度量程1%~99%RH,工作温度范围为-40℃~100℃;湿度输出受温度影响极小(温度系数仅为0.04pF/℃);常温使用无
需温度补偿,无需校准;相对湿度在33%~75%RH之间,电容与相对湿度的变化为0.34pF/%RH,相对湿度为55%RH时的典型电容值约182pF;高可靠性及长期稳定性,年漂移量0.5%RH/年;响应时间小于5S。
图2-3HS1101的电容值与相对湿度的关系
3.湿度信号传感器的应用
湿敏电容是将空气中湿度的变化转换成电容的变化。
要想将湿度信号转换成电信号,需要将湿敏电容Cx置于电路中,通过电路将湿度变化转换成对应的电压或电流变化,以便于测量、显示或控制。
目前,常用的湿度测量方法有两种:
一种是将湿敏电容Cx置于振荡电路之中,将湿度的变化转换为与之成反比的振荡频率变化,该频率信号可以直接被微处理器采集或通过频率/电压变换被采集;另一种是将湿敏电容Cx置于可调脉冲发生器中,将湿度的变化直接转换成脉冲宽度的变化,然后通过低通滤波器,将脉冲宽度的变化转换为与之成正比的直流电压输出。
2.2.4湿度变送器
湿度信号传感器产生的输出信号是一个频率信号或电压信号,在实际应用中,除了频率
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