倉(cāng)庫(kù)溫度與濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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倉(cāng)庫(kù)是用于存放物品的場(chǎng)所,通風(fēng)以及溫度、濕度的監(jiān)測(cè)是倉(cāng)庫(kù)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。現(xiàn)實(shí)生活中,溫、濕度的測(cè)量和控制在紡織工業(yè)、林業(yè)、化工以及氣象觀測(cè)等領(lǐng)域中也同樣有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的溫、濕度測(cè)量方法采用測(cè)試器材,通過人工進(jìn)行檢測(cè),這種人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,因而有必要研制倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)溫、濕度控制系統(tǒng),以便實(shí)時(shí)檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)的溫、濕度,并根據(jù)所測(cè)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(cāng)庫(kù)有合適的溫、濕度環(huán)境。
這里提出的倉(cāng)庫(kù)溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)是為某民用倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)的,可實(shí)時(shí)檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)的溫濕度,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)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(cè)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(wú)需外擴(kuò)存儲(chǔ)器。
系統(tǒng)通過溫、濕度傳感器檢測(cè)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(cè)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(duì)環(huán)境溫、濕度的檢測(cè)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O~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DSl232。DSl232采用8引腳DIP封裝,具有性能可靠、使用簡(jiǎn)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十?dāng)_能力。DSl232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。DSl232內(nèi)部集成有看門狗定時(shí)器,當(dāng)DSl232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(lái)時(shí),DSl232的RST端將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。這一功能對(duì)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DSl232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(cè)電路
溫、濕度檢測(cè)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(cè)量,其工作電壓范圍較寬(4~30 V),測(cè)溫范圍為-55~150℃,輸出電阻較大,長(zhǎng)導(dǎo)線上的壓降一般不影響測(cè)量精度,因此不需要專門的溫度補(bǔ)償電路。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(cè)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(cè)量濕度范圍為0~100%RH,固有精度為2%RH,工作溫度范同為-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。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(duì)濕度值。
1)計(jì)算在25℃條件下的相對(duì)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,RHo為25℃時(shí)相對(duì)濕度值。本系統(tǒng)中傳感器供電電壓值為5 V,因此相對(duì)濕度值RH在O~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(duì)濕度值RHo。
溫濕度測(cè)量電路如圖2所示,溫度測(cè)量電路是將溫度信號(hào)變成O~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。
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(duì)IH3605的輸出電壓進(jìn)行放大,使?jié)穸确秶鸀?%~99%RH的變化對(duì)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128μs左右,不必零點(diǎn)和滿刻度調(diào)整。圖3為ADC0809與AT89S51接口電路。
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(lái)的干擾。
系統(tǒng)共有4個(gè)共陽(yáng)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(cè)量精度,對(duì)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(lái);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(cè)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(duì)溫度或濕度的控制。
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(duì)系統(tǒng)的干擾較大。系統(tǒng)采用了以下抗干擾措施:1)對(duì)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DSl232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(shì)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)0.01μF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(wú)按鍵按下、有無(wú)中斷請(qǐng)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。
4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析
該系統(tǒng)的樣機(jī)在某書庫(kù)進(jìn)行了試運(yùn)行,調(diào)試后在室內(nèi)進(jìn)行了模擬測(cè)試,檢驗(yàn)了系統(tǒng)的控制精度。通常書庫(kù)室內(nèi)空氣溫度應(yīng)控制在25~26℃之間、相對(duì)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(cè)溫濕度的部分?jǐn)?shù)據(jù)比較情況。
從以上結(jié)果可以看出其溫度最大絕對(duì)誤差為O.5℃。濕度最大相對(duì)誤差為±3%RH。
5 結(jié)束語(yǔ)
以AT89S51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器的溫、濕度自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)并顯示倉(cāng)庫(kù)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(duì)倉(cāng)庫(kù)溫濕度的集中管理。經(jīng)測(cè)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(kù)、機(jī)房、檔案館、特殊材料加工場(chǎng)等場(chǎng)所。