基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)與控制系統(tǒng)研究

引言

溫、濕度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的被控參數(shù)，溫度和濕度己不再是相互獨(dú)立的量，而應(yīng)在系統(tǒng)集成中綜合考慮。利用單片機(jī)對(duì)溫、濕度控制，具有控溫、濕精度高、功能強(qiáng)、體積小、價(jià)格低，簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn)，很好的滿(mǎn)足了工藝要求。本文介紹了利用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行溫度和濕度的檢測(cè)及其控制的智能化方法。

1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理

工業(yè)中很多裝置溫度和濕度需要保持在一個(gè)既定的溫度和濕度值上，本文針對(duì)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一套溫度、濕度閉環(huán)檢測(cè)與控制系統(tǒng)，系統(tǒng)整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的工作中，經(jīng)過(guò)溫度、濕度檢測(cè)及變換電路把被測(cè)對(duì)象的溫度、濕度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)A/D變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)中，與給定的對(duì)應(yīng)所要控制的多組溫度、濕度值進(jìn)行比較，找出現(xiàn)溫度、濕度值所在范圍，根據(jù)單片機(jī)AT89C51中設(shè)置的PID參數(shù)，輸出相應(yīng)溫度、濕度初值對(duì)應(yīng)的受控對(duì)象電機(jī)的轉(zhuǎn)速初值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬電壓，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)化為變頻器的頻率，控制變頻調(diào)速裝置，帶動(dòng)被控對(duì)象，并且把被控對(duì)象的轉(zhuǎn)速經(jīng)變換電路和A/D轉(zhuǎn)換器反饋到單片機(jī)中，與輸出的轉(zhuǎn)速初值進(jìn)行比較，其偏差被PID程序計(jì)算出后重新輸出，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度的控制 ^[1]，直到達(dá)到在誤差允許的范圍內(nèi)輸出的轉(zhuǎn)速值與轉(zhuǎn)速初值相等。對(duì)于欠溫度，控制加熱功率；對(duì)于過(guò)溫度，控制吹風(fēng)冷卻裝置，對(duì)于濕度則控制一個(gè)加濕、去濕裝置^[2]。

2硬件系統(tǒng)的組成

2.1溫度傳感器的選擇^[3]

本系統(tǒng)采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線(xiàn)數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需要外接電路，可用一根I/0數(shù)據(jù)線(xiàn)既供電又傳輸數(shù)據(jù)，并且具有體積小，分辨率高，轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于測(cè)量和控制溫度的地方。

2.2濕度傳感器的選擇

本系統(tǒng)采用的是電容式濕敏傳感器HS1101，電容式濕度傳感器的感濕機(jī)理是當(dāng)基于電極間的感濕材料吸附環(huán)境中的水分時(shí)，其介電常數(shù)也隨之變化，其電容量與環(huán)境中水蒸汽相對(duì)壓（PV/P}關(guān)系可由下式表示：

電容式濕度傳感器實(shí)用化程度高，工藝成熟，性能穩(wěn)定，普遍用于各種情況下濕度測(cè)量。

2.3主控模塊單片機(jī)的選擇^[4]

本系統(tǒng)單片機(jī)選用ATMEL公司的閃速存儲(chǔ)器(flash ROM)型單片機(jī)芯片AT89C51。AT89C51是ATMEL公司的新一代8位的一片機(jī)產(chǎn)品，帶有4KROM、128BRAM,最大工作頻率24MHZ，同時(shí)，具有32條輸入輸出線(xiàn)，16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，一個(gè)串行口；它具有集成度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小可靠性高，處理功能強(qiáng)，速度快等特點(diǎn)。

2.4A/D芯片的選擇

本系統(tǒng)采用Ti公司的串行A/D芯片TLC2543，A/D轉(zhuǎn)換電路作為T(mén)LC2543與單片機(jī)的接口電路，它是一種利用12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近模擬信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有14位通道。具有12位分辨率A/D轉(zhuǎn)換口，在標(biāo)定轉(zhuǎn)換溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時(shí)間為10us，輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可編程，TLC2543自帶采樣、保持電路。所以輸出引腳可以直接與單片機(jī)的并行I/0口連接。

2.5D/A芯片的選擇

本系統(tǒng)采用帶有緩沖基準(zhǔn)輸入的10位電壓輸出數(shù)據(jù)的模擬轉(zhuǎn)換器TLC5615，D/A轉(zhuǎn)換電路作為T(mén)LC5615與單片機(jī)的接口電路，它具有基準(zhǔn)電壓兩倍的輸出電壓范圍。通過(guò)3線(xiàn)串行總線(xiàn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器和微控制器接口，接收16位數(shù)據(jù)字以產(chǎn)生模擬輸出。

2.6報(bào)警電路簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)的報(bào)警電路由一個(gè)自我震蕩刑的蜂鳴器，只要在蜂鳴器兩端加上超過(guò)3v的電壓，蜂鳴器就會(huì)叫個(gè)不停和一個(gè)發(fā)光二極管組成。設(shè)計(jì)中蜂鳴器是通過(guò)ULN 2003達(dá)林頓管芯片電流放大IC來(lái)控制。在要求的溫度、濕度達(dá)到一定的上界或者下界時(shí)，報(bào)警電路開(kāi)始工作。

2.7溫度、濕度顯示電路

本設(shè)計(jì)中用4個(gè)LED組成顯示單元，采用靜態(tài)顯示方式。如圖2所示，

圖2 溫、濕度顯示模塊圖

AT89C51通過(guò)2-4譯碼器對(duì)4只MC14495芯片進(jìn)行控制。MC14495的輸出端與LED數(shù)碼管的7段a,b,c,d,e,f,g相連。MC14495芯片的作用是輸入被顯示字符的二進(jìn)制碼(或BCD碼)，井把他自動(dòng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的字形碼，送給LED顯示。

圖2中，4個(gè)輸出端口用于輸出顯示字符的二進(jìn)制碼 (或BCD碼)。1個(gè)輸出端口用于控制2-4譯碼器工作，還有2個(gè)輸出口經(jīng)譯碼器輸出后控制哪一片MC14495顯示輸出，從而直觀的看出溫度、濕度經(jīng)過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)之后的效果值。如我們假定溫度上限、下限為50，0，濕度為70，30。我們可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)直觀的顯示溫、濕度值，超出系統(tǒng)將做報(bào)警處理。程序簡(jiǎn)單思路如下^[5]：

#includeiostream.h>

Void main( ){ int a,b,c,d,e,f,g,g;//設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)a,b用來(lái)檢測(cè)溫度上下限，c,d檢測(cè)濕度上下限，e,f,g,h對(duì)應(yīng)顯示溫度與濕度的測(cè)量值。

If(a>0a5c>3c7)//如果溫度、濕度都在我們?cè)O(shè)定的范圍內(nèi)，正常顯示。

a=e;b=f;c=g;d=h;//把檢測(cè)對(duì)應(yīng)連接顯示接口，顯示溫度、濕度值。

else

報(bào)警}

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)采集

溫度數(shù)據(jù)的采集經(jīng)過(guò)DS18B20獨(dú)特的功能，直接將采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳入單片機(jī)，濕度數(shù)據(jù)是由傳感器測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)濕度信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成0~5V的直流信號(hào)，送到A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)入PID算法比較做出控制量的選擇。

3.2數(shù)字濾波

當(dāng)采樣過(guò)程完成后，要對(duì)采樣所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波。數(shù)字濾波程序用于濾去來(lái)自控制現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采樣值的干擾，數(shù)字濾波的算法很多，這里采用中值濾波。中值濾波原理很簡(jiǎn)單，就是對(duì)采樣過(guò)程中的n個(gè) (一般是3個(gè))采樣值進(jìn)行比較，取中間值放入指定的存儲(chǔ)單元。

3.3單片機(jī)抗干擾電路的設(shè)計(jì)

在抗干擾方面的許多技術(shù)，如設(shè)計(jì)軟件陷阱、加硬件看門(mén)狗電路等。若失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”，通常采用“看門(mén)狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過(guò)不斷檢測(cè)程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時(shí)間超過(guò)最大循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進(jìn)行出錯(cuò)處理?！?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/看門(mén)狗">看門(mén)狗”技術(shù)大大提高了系統(tǒng)可靠性，本系統(tǒng)“看門(mén)狗”讓系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

3.4系統(tǒng)的PID控制算法^[6]

控制算法是控制系統(tǒng)的核心部分，是控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定和調(diào)節(jié)品質(zhì)是否優(yōu)良的關(guān)鍵。本系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制的單片機(jī)直接控制系統(tǒng)(DDC)，它的工作原理是按照一定的采樣周期T去對(duì)被控量（溫度、濕度）進(jìn)行采樣，并經(jīng)過(guò)控制算法算出控制量，以此控制量作為輸出控制執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制，采用單片機(jī)作為控制器核心所構(gòu)成的自動(dòng)控制系統(tǒng)，軟件算法流程圖如圖3。閉環(huán)溫度、濕度控制程序，由求偏差E和偏差變化率Ec,數(shù)據(jù)量化算法、增量PID控制算法等程序模塊組成。單片機(jī)首先讀取數(shù)字化的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與設(shè)定的轉(zhuǎn)速相比較，得出差值，單片機(jī)再根據(jù)差值，調(diào)用PID程序，計(jì)算并輸出模擬電壓控制變頻調(diào)速器，調(diào)節(jié)被控對(duì)象電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，同時(shí)，尋找最優(yōu)條件，改變PID參數(shù)。

PID的計(jì)算公式為：

U（K）=U（K-1）+K_P[E（K）-E（K-1）]+K_I×E（K）+K_D[E（K）-2 E（K-1）+ E（K-2）]

= U（K-1）+P_P+P_I+P_D （2）

K_I=T/T_K （3）

K_D=T_d/T （4）

式中：K_P為比例系數(shù)；T為采樣周期；T_K為積分時(shí)間；T_d為微分時(shí)間。

根據(jù)公式進(jìn)行編程，相應(yīng)的程序流程如圖4

圖3軟件算法流程圖

圖4PID算法子程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了AT89C51單片機(jī)為核心，通過(guò)PID算法達(dá)到對(duì)溫度、濕度的檢測(cè)及其控制，運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)單，精度高，響應(yīng)速度快，可以滿(mǎn)足溫、濕度的控制。同時(shí)，通過(guò)LED數(shù)碼管直觀的顯示通過(guò)控制系統(tǒng)后的溫、濕度值，當(dāng)出現(xiàn)異常現(xiàn)象時(shí)，通過(guò)報(bào)警裝置發(fā)出警告，及時(shí)得到處理，從而滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需要，具有廣泛的應(yīng)用前景。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：采用單片機(jī)AT89C51性?xún)r(jià)比高，溫度DS18B20轉(zhuǎn)化溫度簡(jiǎn)潔，整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)通過(guò)PID設(shè)置的參數(shù)，根據(jù)單片機(jī)自動(dòng)修正啟動(dòng)溫、濕度控制裝置，調(diào)整滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需要，同時(shí)可通過(guò)數(shù)碼顯示，清楚的觀測(cè)到溫、濕度值，超過(guò)限定值進(jìn)行報(bào)警處理。此套裝置實(shí)施方便、可靠。

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