基于STC89C51的恒定濕度監(jiān)控柜研究

梁文家

（長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

環(huán)境條件中的濕度是許多工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、機房等場合的重要參數(shù)[1-2]，特別是工業(yè)中精密儀器、半導(dǎo)體器材，博物館保存的文物等都會因為過高的濕度使性能降低或者損壞[3]，因此研制能控制并保持恒定濕度的控制柜，對于這些貴重器物的保存就顯得格外重要[4]。

1 恒定濕度監(jiān)控柜硬件電路設(shè)計

文中所研究的恒定濕度監(jiān)控柜是首先由用戶設(shè)定要求的濕度值，通過濕度傳感器檢測柜內(nèi)濕度，當(dāng)濕度高于設(shè)定值時，控制除濕執(zhí)行機構(gòu)動作進(jìn)行除濕，直至濕度合適并保持。控制柜的實時濕度通過一個數(shù)碼管顯示可供用戶隨時查看，其歷史數(shù)據(jù)儲存在一個Flash芯片中，并定時將該數(shù)據(jù)上傳至上位機，可供用戶存檔和分析。

恒定濕度監(jiān)控柜采用化學(xué)除濕方式，即利用分子篩來吸取控制柜空氣中水分，使得柜內(nèi)空氣濕度降低，達(dá)到物品儲存濕度條件。當(dāng)分子篩吸收水分達(dá)到飽和時，柜內(nèi)濕度將不再降低，此時，需將分子篩轉(zhuǎn)向柜子外部，并對其加熱，使得分子篩吸收的水分蒸發(fā)，水分蒸發(fā)后的分子篩可再次轉(zhuǎn)向柜內(nèi)，被重復(fù)使用以降低柜內(nèi)的濕度。恒定濕度監(jiān)控柜硬件電路結(jié)構(gòu)分為強電和弱電兩部分，如圖1所示。

1.1 恒定濕度監(jiān)控柜弱電電路設(shè)計

圖1 恒定濕度監(jiān)控柜硬件電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Constant humidity monitoring and controlling cabinet hardware structure

恒定濕度監(jiān)控柜弱電部分包括MCU模塊、顯示模塊、Flash存儲模塊、用戶設(shè)置按鍵模塊、濕度檢測傳感器模塊、時鐘模塊組成和網(wǎng)絡(luò)上傳模塊。

1.1.1 MCU模塊

MCU模塊的主芯片采用的是宏晶科技的STC89C51型單片機芯片，該芯片具有4K的Flash存儲器、512字節(jié)RAM、四個8位并行端口、ISP接口、IAP接口和2K的EEPROM，是一款低功耗，低價高可靠性的一款單片機。

1.1.2 濕度檢測模塊

濕度檢測模塊采用的是一款基于CMOSensTM技術(shù)的新型濕度傳感器，它將濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成在一起，濕度值輸出分辨率為14位[5]。

1.1.3 Flash存儲器

Flash存儲器采用SST的SST25VF0168芯片，該芯片是NAND型SPI串行接口的16 Mbits非易失性閃速存儲器，具有速度快、成本低、密度大的特點，它能以字節(jié)為單位進(jìn)行讀/寫操作，而擦除操作以塊為單位，每一塊的擦除能達(dá)到10萬次左右。

1.1.4 數(shù)碼顯示模塊

數(shù)碼顯示模塊由MAX7219驅(qū)動4個數(shù)碼管組成。MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動器，它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個獨立的LED。其上包括一個片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動器，而且還有一個8×8的靜態(tài)RAM用來存儲每一個數(shù)據(jù)。 只有一個外部寄存器用來設(shè)置各個LED的段電流。

1.1.5 時鐘模塊

時鐘模塊采用DS1302，DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片內(nèi)含有一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡單的串行接口與單片機進(jìn)行通信，實時時鐘/日歷電路提供秒/分/時/日，日期/月/年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到三個口線——RES復(fù)位、I/O數(shù)據(jù)線和SCLK串行時鐘的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達(dá)31個字節(jié)的字符組方式通信。

1.1.6 按鍵輸入模塊

按鍵輸入模塊用于用戶設(shè)定控制柜的濕度控制值，時鐘等各模塊的初始設(shè)置等功能，本控制柜共設(shè)置4個功能輸入按鍵。

1.1.7 網(wǎng)絡(luò)上傳模塊

網(wǎng)絡(luò)上傳模塊選用Conextop公司的NePort網(wǎng)絡(luò)串口轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)。其體積約為兩個標(biāo)準(zhǔn)RJ45插座，擁有10M/100M的以太網(wǎng)接口，并可同時傳送TCP/UDP包給多個數(shù)據(jù)接收設(shè)備，提供1～2個高速串口，波特率可達(dá)921600bps[6]。MCU通過標(biāo)準(zhǔn)串口同NePort連接，NePort通過路由器與中央服務(wù)器相連。每隔10秒鐘上傳濕度測量信息并實時上傳分子篩動作信息。

1.2 恒定濕度監(jiān)控柜強電電路設(shè)計

強電電路主要用于驅(qū)動除濕執(zhí)行機構(gòu)，包括轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)和加熱機構(gòu)。

強電電路是由雙向可控硅光耦MOC3023和雙向可控硅BTA06組成的驅(qū)動電路以及控制柜的電源模塊組成，控制柜電源采用220 V交流供電，同時為控制柜的強電結(jié)構(gòu)供電，同時采用變壓、整流、穩(wěn)壓生成5 V直流電，為控制柜的弱電結(jié)構(gòu)供電。執(zhí)行機構(gòu)由MCU發(fā)出的控制信號AO和HO分別控制分子篩的轉(zhuǎn)動和加熱。驅(qū)動電路如圖2所示。

2 恒定濕度監(jiān)控柜濕度控制算法

恒定濕度監(jiān)控柜的主流程如圖3所示，濕度控制柜在用戶設(shè)定濕度值H0的基礎(chǔ)上，定時檢測柜內(nèi)濕度，當(dāng)柜內(nèi)檢測濕度H1大于設(shè)定值H0時，驅(qū)動分子篩轉(zhuǎn)到柜內(nèi)，對柜內(nèi)空氣進(jìn)行除濕操作，當(dāng)柜內(nèi)濕度仍未達(dá)到設(shè)定值，而濕度卻不再減少是，表明分子篩已經(jīng)飽和，此時，必須將分子篩轉(zhuǎn)到柜外，并啟動對分子篩的加熱，以去除其吸收的水分，去除后，再將分子篩轉(zhuǎn)入柜內(nèi)，繼續(xù)除濕，直至濕度達(dá)標(biāo)，即H1=H0。

圖2 分子篩轉(zhuǎn)動和加熱驅(qū)動硬件電路Fig.2 Zeolite rotating and heating organ driven hardware structure

圖3 恒定濕度監(jiān)控柜濕度控制算法主流程Fig.3 Constant humidity monitoring and controlling cabinet arithmetic main flow

恒定濕度監(jiān)控柜算法還將控制柜的動作及每次檢測的濕度值和檢測時間實時存入到Flash中，每10 s將這些數(shù)據(jù)通過Neport接口發(fā)送到上位機，供用戶實時查看和分析。

3 恒定濕度監(jiān)控柜濕度控制結(jié)果

將恒定濕度監(jiān)控柜放在室內(nèi)，室內(nèi)濕度為50%R.H.，設(shè)定控制柜濕度為20%%R.H.，經(jīng)過30 h的測試，MCU將控制和濕度檢測結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)上傳模塊上傳到上位機中，上位機顯示結(jié)果如圖4所示。

圖4 恒定濕度監(jiān)控柜濕度控制結(jié)果Fig.4 Constant humidity monitoring and controlling cabinet results

由圖4可見，分子篩在控制柜剛開始工作時，處于極干燥狀態(tài)，迅速吸取柜內(nèi)空氣中的水分，柜內(nèi)空氣濕度迅速降低，工作到近3個小時時，分子篩接近飽和吸濕能力下降，濕度下降變慢，直至沒有降低，MCU驅(qū)動分子篩轉(zhuǎn)向柜外，通過加熱將分子篩中的水分蒸發(fā)，此時，由于柜子內(nèi)部不可能完全與柜外空氣隔絕，所以柜內(nèi)空氣濕度開始緩慢增大，分子篩水分蒸發(fā)后，驅(qū)動裝置將分子篩轉(zhuǎn)入柜內(nèi)，繼續(xù)吸收柜內(nèi)空氣水分，柜內(nèi)空氣濕度進(jìn)一步降低，到410分鐘時，分子篩再一次轉(zhuǎn)出柜內(nèi)，進(jìn)行加熱蒸發(fā)水分，后轉(zhuǎn)入柜內(nèi)，大約到540分鐘時，柜內(nèi)濕度達(dá)標(biāo)，并一直保持。

4 結(jié)束語

介紹了一種基于STC89C51的恒定濕度監(jiān)控柜，該控制柜通過濕度傳感器定時檢測柜內(nèi)濕度，并根據(jù)檢測情況控制分子篩的執(zhí)行機構(gòu)，有效實現(xiàn)柜內(nèi)的濕度控制和保持。用戶可以通過柜上數(shù)碼顯示模塊實時查看柜內(nèi)濕度，還可以通過網(wǎng)絡(luò)上傳模塊上傳至上位機的數(shù)據(jù)來存儲和分析一定時間內(nèi)的柜內(nèi)濕度。經(jīng)過試驗測試，該基于STC89C51的恒定濕度監(jiān)控柜能夠很好的降低柜內(nèi)濕度，并保持用戶設(shè)定的濕度要求。

[1]姚傳安.無線溫濕度測量傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2007，15（2）:165-166.YAO Chuan-an.Design of wireless sensor network for monitoringtemperatureandhumidity[J].ComputerMeasurement&Control，2007，15（2）:165-166.

[2]王冬，曹立文，劉向東.CAN總線在糧庫溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機電工程技術(shù)，2006（7）:55-56 WANG Dong，CAO Li-wen，LIU Xiang-dong.Application of CAN bus in the system of measurement and contro1 of temperature and humidity for grain depot[J].Mechanical&Electrical Engineering Technology，2006（7）:55-56.

[3]田建君.倉庫自動通風(fēng)及溫、濕度監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子產(chǎn)品世界，2004（4）:70-71.TIAN Jian-jun.The system of automatic ventilating and temperature monitoring in warehouse [J]. Electronic Engineering&Product World，2004（4）:70-71.

[4]陳永利，張自賓，李曉銀，等.糧食倉庫溫濕度檢測系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報，2003（S1）:305-306.CHEN Yong-li，ZHANG Zi-bin，LI Xiao-yin，et al.A temperature and humidity measuring-system of granary[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2003（S1）:305-306.

[5]瑞士Sensirion公司，SHT1xHumidity&TemperatureSensmitter[Z].2007:1-4.

[6]德國Conextop公司，NePortTM用戶手冊（中文版）[Z].2006:2-3.