基于恩智浦MCU 的溫度/濕度控制器設(shè)計

張陽熠，程家勤，謝國雄，周海軍

（滁州學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

溫度和濕度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、物品貯存、日常生活等領(lǐng)域非常關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)。 對溫度/濕度的精確控制有利于提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、保證物品存儲率等作用［1-3］。 例如，在溫室大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，溫度/濕度控制在農(nóng)作物的最佳生長環(huán)境范圍內(nèi)， 可以有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量［4-5］。糧倉的溫度/濕度的精確控制對于糧食的儲藏時間至關(guān)重要［6］。 紙質(zhì)檔案和一些文化遺產(chǎn)的長期保存也對環(huán)境的溫度/濕度有著非常高的要求［7］。

目前國內(nèi)所使用的溫度/濕度控制器存在精確度不高、智能化水平較低且不便于系統(tǒng)的拓展和升級等問題。 我們以ARM 系列單片機MKL16Z128VLH4 為核心控制芯片，以DHT11 溫度/濕度傳感器、加熱器、加濕器、 控制按鍵和OLED 顯示單元為主要模塊，基于PID（Proportional-integral-differential，PID）算 法設(shè)計制作了一款自適應(yīng)溫度/濕度控制器。 通過數(shù)字化監(jiān)測和智能化控制實現(xiàn)環(huán)境溫度/濕度快捷的檢測與控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

溫度/濕度控制器設(shè)計方案框圖如圖1 所示，主要包括主控模塊MKL16Z128VLH4、OLED 顯示單元、加熱設(shè)備、降溫設(shè)備、驅(qū)動電機、加濕設(shè)備、除濕設(shè)備、報警單元和溫度/濕度采集設(shè)備等。 主控芯片為恩智浦公司生產(chǎn)的32 位微控制器MKL16Z128VLH4 QFP64， 該控制器具有128 KB 的Flash 存儲器，工作頻率為48 MHz， 配備16 位ADC 和12 位DAC 轉(zhuǎn)換器。DHT11 傳感器的濕度測量范圍為5～95 %RH，其溫度測量范圍為-20～60 ℃，測量精度分別為0.1 %RH 和0.1 ℃。OLED 顯示單元用于顯示當(dāng)前溫度/濕度和設(shè)定的溫度/濕度值。 加熱設(shè)備和降溫設(shè)備用于溫度的控制，加濕設(shè)備和除濕設(shè)備用于控制濕度，驅(qū)動電機風(fēng)扇控制空氣流通。 MKL16Z128VLH4 主控制芯片利用DHT11 溫度/濕度傳感器探知的當(dāng)前環(huán)境溫度/濕度數(shù)據(jù)， 借助于PID 算法計算輸出脈寬調(diào)制信號（PWM），進而通過控制降溫設(shè)備、加熱設(shè)備、除濕設(shè)備、加濕設(shè)備、驅(qū)動電機風(fēng)扇等來實現(xiàn)環(huán)境溫度/濕度的調(diào)控。

圖1 溫度/濕度控制器設(shè)計方案

3 程序設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)工作時， 單片機通過溫度/濕度傳感器采集空間環(huán)境即時的溫度與濕度，MCU（Microcomputer Unit） 將傳感器采集到的當(dāng)前環(huán)境溫度/濕度數(shù)值和設(shè)定的目標(biāo)值進行比較：若當(dāng)前溫度/濕度值與目標(biāo)值相差較大，MCU 將根據(jù)PID 算法的計算值輸出一個較大的PWM 控制信號， 實現(xiàn)溫度/濕度的快速的上升或下降；若當(dāng)前環(huán)境溫度/濕度數(shù)值和設(shè)定的目標(biāo)值相差較小，MCU 將通過PID 算法計算輸出一個較小的PWM 控制信號來控制溫度/濕度的緩慢上升或下降；若當(dāng)前環(huán)境溫度/濕度值在設(shè)定的目標(biāo)值一定范圍內(nèi)波動時，MCU 將輸出微小變化的動態(tài)控制變化量，實現(xiàn)環(huán)境溫度/濕度值趨于目標(biāo)值。 根據(jù)設(shè)計要求繪制系統(tǒng)流程圖，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

要實現(xiàn)系統(tǒng)的正常工作，需借助于相應(yīng)的程序來運行，其中，溫度/濕度監(jiān)測、PID 溫度/濕度控制、顯示、鍵盤控制等均以子函數(shù)的形式編寫，并置于主函數(shù)while（）大循環(huán)中。 鑒于各子函數(shù)程序內(nèi)容較長，這里只列出主函數(shù)相關(guān)程序內(nèi)容，主函數(shù)相關(guān)程序內(nèi)容具體為

在溫度/濕度控制子程序設(shè)計中，我們引入了一個過程控制概念，控制原理如圖3 所示。 控制系統(tǒng)主要由比較調(diào)節(jié)、 系統(tǒng)反饋、 執(zhí)行器等幾部分構(gòu)成。MCU 接收到給定值（期望值）R（t），結(jié)合傳感器持續(xù)獲得的反饋量Y（t）計算出控制量U（t），依據(jù)控制規(guī)律控制加熱設(shè)備/制冷設(shè)備、加濕設(shè)備/除濕設(shè)備的運行，使得反饋量不斷地接近期望值。 PID 控制器則是通過調(diào)節(jié)微分時間常數(shù)Td、 積分時間常數(shù)Ti和比例系數(shù)Kp來對系統(tǒng)進行調(diào)控的。 PID 控制器的控制量U（t）表達式［8］為

圖3 溫度/濕度控制原理圖

4 系統(tǒng)測試

為了驗證溫/濕度控制器工作時的可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)計了溫度、濕度控制器的性能測試平臺。 測試時，初始值為當(dāng)前環(huán)境溫度和濕度，目標(biāo)溫度設(shè)定為30 ℃，目標(biāo)濕度設(shè)定為50 %RH。測試開始的前5 min 內(nèi)， 每隔1 min 記錄一次環(huán)境溫度/濕度的測試值，5 min 后（含5 min），每隔5 min 記錄一次環(huán)境溫度/濕度的測試值，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 溫/濕度測試數(shù)據(jù)

由表1 知，由于在1～10 min 內(nèi)環(huán)境溫度與目標(biāo)溫度值相差較大，10 min 后環(huán)境溫度穩(wěn)定在（30±1℃）范圍內(nèi)，裝置啟動1 min 后，相對濕度值迅速達到了49 %RH，然后飆升到55 %RH，5 min 后回落并逐漸穩(wěn)定在（50±1）%RH。 該控制器較好地解決了溫度和濕度控制的滯后性問題， 實現(xiàn)了溫度/濕度快速、精確控制。

5 結(jié)束語

采用恩智浦MKL16Z128VLH4 芯片， 以DHT11傳感器為溫度和濕度采集器， 利用PID 算法設(shè)計了一款自適應(yīng)溫度/濕度控制器。該溫度/濕度控制器可以實現(xiàn)溫度和濕度的預(yù)設(shè)和控制，系統(tǒng)穩(wěn)定后，溫度值可以控制在設(shè)定溫度值±1 ℃范圍內(nèi)，相對濕度值可以控制在設(shè)定濕度值±1 %RH 范圍內(nèi)。