倉庫溫度與濕度自動控制系統(tǒng)設(shè)計

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，它直接影響到儲備物資的使用壽命和工作可靠性?，F(xiàn)實生活中，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時費力，因而有必要研制倉庫的自動溫、濕度控制系統(tǒng)，以便實時檢測倉庫的溫、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)備的運行，確保倉庫有合適的溫、濕度環(huán)境。
    這里提出的倉庫溫濕度自動控制系統(tǒng)是為某民用倉庫設(shè)計的，可實時檢測倉庫的溫濕度，根據(jù)檢測結(jié)果對溫、濕度加以控制，同時還具有在線修訂溫、濕度控制上下限，溫、濕度顯示和報警功能，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)存儲器。

    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，通過數(shù)碼管顯示。單片機利用鍵盤設(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，從而實現(xiàn)對環(huán)境溫、濕度的檢測和控制，還可與上位機(PC機)通信，實現(xiàn)溫度、濕度的打印、分析等功能，系統(tǒng)采用串行通信，單片機的TXD和RXD通過MAX485與上位機相連。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、使用簡單、價格低廉的特點，在單片機產(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可自動復(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器，當(dāng)DSl232的周期輸入ST端在設(shè)置的周期時間內(nèi)沒有有效信號到來時，DSl232的RST端將產(chǎn)生復(fù)位信號。這一功能對于防止由于干擾等原因造成的微處理器死機是有效的?？撮T狗定時器的定時時間由DSl232的TD引腳確定。本系統(tǒng)中TD接地，定時器時間為150 ms。P1．0接DS1232，為其提供周期輸入信號。RST輸出信號反向后接單
片機外部中斷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，通過放大器使得信號在A／D轉(zhuǎn)換器的量程范圍內(nèi)放大，在單片機的控制下，A／D轉(zhuǎn)換器完成信號的A／D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入單片機進(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)部集成有信號調(diào)理電路，具有精度高、線性度好、互換性強及輸出電壓范圍大等優(yōu)點。其測量濕度范圍為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。在實際應(yīng)用中，可通過以下步驟計算出實際的相對濕度值。
    1)計算在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，RHo為25℃時相對濕度值。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O～100％之間變化時，傳感器輸出電壓值在0～3．9 V之間變化。
    2)溫度補償，計算當(dāng)前溫度T下的實際相對濕度值RHo。
   
    溫濕度測量電路如圖2所示，溫度測量電路是將溫度信號變成O～5 V電壓信號送入模數(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)換時間是128μs左右，不必零點和滿刻度調(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／運行鍵等。鍵盤電路接單片機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帶來的干擾。
    系統(tǒng)共有4個共陽極數(shù)碼管，輪流顯示溫度及濕度值、設(shè)備運行狀態(tài)、設(shè)定值等。數(shù)碼管由帶鎖存功能的芯片CD4511驅(qū)動。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、濕度超限報警。
1．4 溫、濕度控制電路
    溫、濕度值輸入單片機后為進(jìn)一步提高測量精度，對信號再進(jìn)行數(shù)字濾波，此信號經(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，報警燈亮，同時執(zhí)行機構(gòu)動作，直到溫度和濕度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)為止。執(zhí)行機構(gòu)包括加熱器、制冷機、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，J3控制加濕器，J4控制除濕器，繼電器由晶體管9013驅(qū)動，驅(qū)動電流為150 mA左右。VD1～VD4為續(xù)流二極管，VL1～VL4為各執(zhí)行機構(gòu)動作指示燈。當(dāng)單片機檢測到溫度值或濕度值超過預(yù)設(shè)的范圍時，單片機的P1口輸出控制信號通過三極管驅(qū)動繼電器，啟動繼電器工作，實現(xiàn)對溫度或濕度的控制。

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實現(xiàn)；2)繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾，在繼電器觸點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IC的電源與地之間要并接一個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)校驗位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件采用模塊化設(shè)計。系統(tǒng)軟件主要包括主程序和按鍵處理、中斷、執(zhí)行機構(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。

4 實驗測試結(jié)果與分析
    該系統(tǒng)的樣機在某書庫進(jìn)行了試運行，調(diào)試后在室內(nèi)進(jìn)行了模擬測試，檢驗了系統(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給出了一天不同時刻預(yù)設(shè)溫濕度與實測溫濕度的部分?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誤差為O．5℃。濕度最大相對誤差為±3％RH。

5 結(jié)束語
    以AT89S51單片機作為系統(tǒng)控制器的溫、濕度自動測控系統(tǒng)可自動檢測并顯示倉庫溫、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，系統(tǒng)由于具有與上位機通信功能，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，有很強的實用性，可廣泛應(yīng)用在糧庫、機房、檔案館、特殊材料加工場等場所。