倉庫溫度與濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖志紅

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

倉庫是用于存放物品的場所，通風(fēng)以及溫度、濕度的監(jiān)測是倉庫重要條件，它直接影響到儲(chǔ)備物資的使用壽命和工作可靠性?，F(xiàn)實(shí)生活中，溫、濕度的測量和控制在紡織工業(yè)、林業(yè)、化工以及氣象觀測等領(lǐng)域中也同樣有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫、濕度測量方法采用測試器材，通過人工進(jìn)行檢測，這種人工測試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因而有必要研制倉庫的自動(dòng)溫、濕度控制系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)檢測倉庫的溫、濕度，并根據(jù)所測的數(shù)據(jù)控制加濕器、空調(diào)器等設(shè)備的運(yùn)行，確保倉庫有合適的溫、濕度環(huán)境[1-3]。

這里提出的倉庫溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)是為某民用倉庫設(shè)計(jì)的，可實(shí)時(shí)檢測倉庫的溫濕度，根據(jù)檢測結(jié)果對溫、濕度加以控制，同時(shí)還具有在線修訂溫、濕度控制上下限，溫、濕度顯示和報(bào)警功能，并可向主控室傳送數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)采用AT89S51為主控制器，由鍵盤電路，溫、濕度檢測電路，看門狗電路，溫、濕度控制電路，顯示電路，通信電路等組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。AT89S51內(nèi)含有4 KB的E2PROM，無需外擴(kuò)存儲(chǔ)器[4]。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Block diagram of system hardware

系統(tǒng)通過溫、濕度傳感器檢測環(huán)境的溫度值和濕度值，將環(huán)境的溫度和濕度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將結(jié)果傳送給單片機(jī)，通過數(shù)碼管顯示。單片機(jī)利用鍵盤設(shè)置環(huán)境溫度和濕度的最大值和最小值，并將檢測的當(dāng)前值和預(yù)設(shè)的最大值和最小值作比較，根據(jù)比較結(jié)果單片機(jī)做出相應(yīng)的判斷，以控制輸出繼電器的工作狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的控制操作，從而實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫、濕度的檢測和控制，還可與上位機(jī)（PC機(jī)）通信，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的打印、分析等功能，系統(tǒng)采用串行通信，單片機(jī)的TXD和RXD通過MAX485與上位機(jī)相連。本系統(tǒng)可設(shè)定溫度范圍為0～80℃，可設(shè)定濕度范圍為0%～99%RH。

1.1 看門狗復(fù)位電路

看門狗復(fù)位電路采用微處理器監(jiān)控器DS1232。DS1232采用8引腳DIP封裝，具有性能可靠、使用簡單、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，在單片機(jī)產(chǎn)品中能夠提高硬件的抗干擾能力。DS1232具有如下功能：微處理器掉電或電源電壓瞬變降低時(shí)可自動(dòng)復(fù)位微處理器；在微處理器失控狀態(tài)下可以停止和重新啟動(dòng)微處理器；精確的5%或10%電源供電監(jiān)視。DS1232內(nèi)部集成有看門狗定時(shí)器，當(dāng)DS1232的周期輸入ST端在設(shè)置的周期時(shí)間內(nèi)沒有有效信號(hào)到來時(shí)，DS1232的 RST端將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。這一功能對于防止由于干擾等原因造成的微處理器死機(jī)是有效的?？撮T狗定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間由DS1232的TD引腳確定。本系統(tǒng)中TD接地，定時(shí)器時(shí)間為150 ms。P1.0接DS1232，為其提供周期輸入信號(hào)。RST輸出信號(hào)反向后接單片機(jī)外部中斷INT0。

1.2 溫、濕度檢測電路

溫、濕度檢測電路由溫度傳感器、濕度傳感器、LM324型運(yùn)算放大器、ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。溫度與濕度傳感器將溫度及濕度值變成電信號(hào)，通過放大器使得信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換器的量程范圍內(nèi)放大，在單片機(jī)的控制下，A/D轉(zhuǎn)換器完成信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。

溫度傳感器選用AD590。AD590是電流輸出型的集成溫度傳感器，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，適合遠(yuǎn)距離測量，其工作電壓范圍較寬（4～30 V），測溫范圍為－55～150 ℃，輸出電阻較大，長導(dǎo)線上的壓降一般不影響測量精度，因此不需要專門的溫度補(bǔ)償電路[5]。流過AD590的電流等于所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度系數(shù)。

濕度測量采用IH3605，IH3605是一種電容式濕度傳感器，其內(nèi)部集成有信號(hào)調(diào)理電路，具有精度高、線性度好、互換性強(qiáng)及輸出電壓范圍大等優(yōu)點(diǎn)。其測量濕度范圍為0～100%RH，固有精度為2%RH，工作溫度范圍為-40～+85℃，工作電壓為4～5.8 V，它的輸出電壓是供電電壓、濕度、溫度的函數(shù)。電源電壓升高，輸出電壓將成比例升高[6]。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過以下步驟計(jì)算出實(shí)際的相對濕度值。

1）計(jì)算在25℃條件下的相對濕度值：

式中，u0為傳感器輸出電壓值，Vcc為傳感器供電電壓值，RH0為 25℃時(shí)相對濕度值。本系統(tǒng)中傳感器供電電壓值為5 V，因此相對濕度值RH在0～100%之間變化時(shí)，傳感器輸出電壓值在0～3.9 V之間變化。

2）溫度補(bǔ)償，計(jì)算當(dāng)前溫度T下的實(shí)際相對濕度值RH0。

溫濕度測量電路如圖2所示，溫度測量電路是將溫度信號(hào)變成0～5 V電壓信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖2中R1為精密電阻，溫度每變化1℃，R1兩端電壓變化1 mV。

圖2 溫濕度測量電路Fig.2 Temperature and humidity measurement circuit

IH3605的輸出電壓較高且線性度較好，可以將 IH3605的輸出信號(hào)直接接到A/D轉(zhuǎn)換器上，完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，但為了提高精度，本系統(tǒng)還對IH3605的輸出電壓進(jìn)行放大，使?jié)穸确秶鸀?%～99%RH的變化對應(yīng)了A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的模擬量輸入范圍為0～5 V。

選用8路8位逐位比較式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。ADC0809采用單一電源（＋5 V）供電，模擬量輸入范圍為 0～5 V，轉(zhuǎn)換時(shí)間是128 μs左右，不必零點(diǎn)和滿刻度調(diào)整。圖3為ADC0809與AT89S51接口電路。

圖3 ADC0809與AT89S51接口電路Fig.3 Interface circuit between ADC0809 and AT89S51

1.3 鍵盤與顯示電路

鍵盤電路的作用主要是確定系統(tǒng)的工作狀態(tài)及設(shè)定參數(shù)，可在線設(shè)置需要的溫、濕度值以及報(bào)警的上下限值。共有以下按鍵：左移鍵、右移鍵、加1鍵、減1鍵、設(shè)定/運(yùn)行鍵等。鍵盤電路接單片機(jī)P2.0～P2.4，鍵盤電路中有阻容電路組成的消抖電路用于消除按鍵的抖動(dòng)帶來的干擾。

系統(tǒng)共有4個(gè)共陽極數(shù)碼管，輪流顯示溫度及濕度值、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)定值等。數(shù)碼管由帶鎖存功能的芯片CD4511驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)還有4路狀態(tài)指示燈，用于顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)及溫、濕度超限報(bào)警。

1.4 溫、濕度控制電路

溫、濕度值輸入單片機(jī)后為進(jìn)一步提高測量精度，對信號(hào)再進(jìn)行數(shù)字濾波，此信號(hào)經(jīng)過數(shù)字濾波、標(biāo)度轉(zhuǎn)換后，一方面通過LED將溫度顯示出來；另一方面，將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的大小按PID控制算法得到輸出控制量，從而調(diào)節(jié)環(huán)境溫度的變化。系統(tǒng)通過鍵盤輸入溫、濕度允許變化的上、下限值，在正常情況下，應(yīng)保持溫、濕度介于上、下限值之間，當(dāng)溫濕度超限時(shí)，報(bào)警燈亮，同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，直到溫度和濕度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)為止。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括加熱器、制冷機(jī)、加濕器等，用繼電器進(jìn)行控制。圖4為溫、濕度控制電路，繼電器J1控制加熱器，J2控制制冷機(jī)，J3控制加濕器，J4控制除濕器，繼電器由晶體管 9013驅(qū)動(dòng) ，驅(qū)動(dòng)電流為 150 mA 左右。 VD1～VD4為續(xù)流二極管，VL1～VL4為各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作指示燈。當(dāng)單片機(jī)檢測到溫度值或濕度值超過預(yù)設(shè)的范圍時(shí)，單片機(jī)的P1口輸出控制信號(hào)通過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器，啟動(dòng)繼電器工作，實(shí)現(xiàn)對溫度或濕度的控制。

圖4 溫、濕度控制電路Fig.4 Control circuit of temperature and humidity

2 系統(tǒng)的抗干擾措施

系統(tǒng)的電磁性負(fù)載較多，它們對系統(tǒng)的干擾較大。系統(tǒng)采用了以下抗干擾措施：1）對單片機(jī)使用電源監(jiān)控及看門狗電路，采用微處理器監(jiān)控芯片DS1232[7]實(shí)現(xiàn)；2）繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢干擾，在繼電器觸點(diǎn)兩端并接火花抑制電路，減小電火花影響；3）做好電源濾波，電路板上每個(gè)IC的電源與地之間要并接一個(gè)0.01 μF電容；4）為了使“亂飛”程序在程序區(qū)迅速納入正軌，盡量多采用單字節(jié)指令，并且在關(guān)鍵地方插入一些空操作指令NOP或者將有效單字節(jié)指令重寫；5）采用軟件陷阱技術(shù)處理出錯(cuò)程序，采用數(shù)字濾波技術(shù)處理采樣數(shù)據(jù)；6）通信程序中加數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件主要包括主程序和按鍵處理、中斷、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制、顯示和通信等子程序。主程序完成器件的初始化，并判斷有無按鍵按下、有無中斷請求，然后根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的子程序。圖5為主程序流程圖。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與分析

該系統(tǒng)的樣機(jī)在某書庫進(jìn)行了試運(yùn)行，調(diào)試后在室內(nèi)進(jìn)行了模擬測試，檢驗(yàn)了系統(tǒng)的控制精度。通常書庫室內(nèi)空氣溫度應(yīng)控制在25～26℃之間、相對濕度應(yīng)控制在 50%～65%。表1給出了一天不同時(shí)刻預(yù)設(shè)溫濕度與實(shí)測溫濕度的部分?jǐn)?shù)據(jù)比較情況。

表1 測試結(jié)果Tab.1 Test results

從以上結(jié)果可以看出其溫度最大絕對誤差為0.5℃，濕度最大相對誤差為±3%RH。

5 結(jié)束語

以AT89S51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器的溫、濕度自動(dòng)測控系統(tǒng)可自動(dòng)檢測并顯示倉庫溫、濕度，并根據(jù)用戶要求設(shè)定系統(tǒng)的溫、濕度閾值進(jìn)行控制，它克服了電子式溫濕度控制系統(tǒng)電路較復(fù)雜，控制精度低等特點(diǎn)，系統(tǒng)由于具有與上位機(jī)通信功能，方便進(jìn)行對倉庫溫濕度的集中管理。經(jīng)測試，該裝置工作穩(wěn)定可靠，有很強(qiáng)的實(shí)用性，可廣泛應(yīng)用在糧庫、機(jī)房、檔案館、特殊材料加工場等場所。

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