基于單片機的溫濕度檢測與控制系統研究

引言

溫、濕度是工業(yè)生產(chǎn)中常見(jiàn)的被控參數，溫度和濕度己不再是相互獨立的量，而應在系統集成中綜合考慮。利用單片機對溫、濕度控制，具有控溫、濕精度高、功能強、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單片機進(jìn)行溫度和濕度的檢測及其控制的智能化方法。

1系統的硬件結構及工作原理

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，本文針對實(shí)際需要，設計了一套溫度、濕度閉環(huán)檢測與控制系統，系統整個(gè)硬件結構如圖1：

圖1 系統硬件結構圖

系統的工作中，經(jīng)過(guò)溫度、濕度檢測及變換電路把被測對象的溫度、濕度轉換成電壓信號，該電壓信號經(jīng)A/D變換器轉換為數字信號后送入單片機中，與給定的對應所要控制的多組溫度、濕度值進(jìn)行比較，找出現溫度、濕度值所在范圍，根據單片機AT89C51中設置的PID參數，輸出相應溫度、濕度初值對應的受控對象電機的轉速初值，經(jīng)D/A轉換器轉換為模擬電壓，通過(guò)信號轉化為變頻器的頻率，控制變頻調速裝置，帶動(dòng)被控對象，并且把被控對象的轉速經(jīng)變換電路和A/D轉換器反饋到單片機中，與輸出的轉速初值進(jìn)行比較，其偏差被PID程序計算出后重新輸出，在規定的時(shí)間內循環(huán)，從而實(shí)現對溫度、濕度的控制 ^[1]，直到達到在誤差允許的范圍內輸出的轉速值與轉速初值相等。對于欠溫度，控制加熱功率；對于過(guò)溫度，控制吹風(fēng)冷卻裝置，對于濕度則控制一個(gè)加濕、去濕裝置^[2]。

2硬件系統的組成

2.1溫度傳感器的選擇^[3]

本系統采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線(xiàn)數字式溫度傳感器DS18B20，由于具有結構簡(jiǎn)單不需要外接電路，可用一根I/0數據線(xiàn)既供電又傳輸數據，并且具有體積小，分辨率高，轉換快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于測量和控制溫度的地方。

2.2濕度傳感器的選擇

本系統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理是當基于電極間的感濕材料吸附環(huán)境中的水分時(shí)，其介電常數也隨之變化，其電容量與環(huán)境中水蒸汽相對壓（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，性能穩定，普遍用于各種情況下濕度測量。

2.3主控模塊單片機的選擇^[4]

本系統單片機選用ATMEL公司的閃速存儲器(flash ROM)型單片機芯片AT89C51。AT89C51是ATMEL公司的新一代8位的一片機產(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)/計數器，5個(gè)中斷源，一個(gè)串行口；它具有集成度高、系統結構簡(jiǎn)單，體積小可靠性高，處理功能強，速度快等特點(diǎn)。

2.4A/D芯片的選擇

本系統采用Ti公司的串行A/D芯片TLC2543，A/D轉換電路作為T(mén)LC2543與單片機的接口電路，它是一種利用12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近模擬信號的模數轉換器，片內有14位通道。具有12位分辨率A/D轉換口，在標定轉換溫度范圍內轉換時(shí)間為10us，輸出數據長(cháng)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的并行I/0口連接。

2.5D/A芯片的選擇

本系統采用帶有緩沖基準輸入的10位電壓輸出數據的模擬轉換器TLC5615，D/A轉換電路作為T(mén)LC5615與單片機的接口電路，它具有基準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)標準的微處理器和微控制器接口，接收16位數據字以產(chǎn)生模擬輸出。

2.6報警電路簡(jiǎn)介

本設計的報警電路由一個(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。設計中蜂鳴器是通過(guò)ULN 2003達林頓管芯片電流放大IC來(lái)控制。在要求的溫度、濕度達到一定的上界或者下界時(shí)，報警電路開(kāi)始工作。

2.7溫度、濕度顯示電路

本設計中用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4只MC14495芯片進(jìn)行控制。MC14495的輸出端與LED數碼管的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)轉換成相應的字形碼，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(guān)的看出溫度、濕度經(jīng)過(guò)閉環(huán)調節之后的效果值。如我們假定溫度上限、下限為50，0，濕度為70，30。我們可根據現場(chǎng)檢測直觀(guān)的顯示溫、濕度值，超出系統將做報警處理。程序簡(jiǎn)單思路如下^[5]：

#includeiostream.h>

Void main( ){ int a,b,c,d,e,f,g,g;//設置檢測點(diǎn)a,b用來(lái)檢測溫度上下限，c,d檢測濕度上下限，e,f,g,h對應顯示溫度與濕度的測量值。

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

a=e;b=f;c=g;d=h;//把檢測對應連接顯示接口，顯示溫度、濕度值。

else

報警}

3系統軟件設計

3.1數據采集

溫度數據的采集經(jīng)過(guò)DS18B20獨特的功能，直接將采集的數據自動(dòng)轉化為數字量傳入單片機，濕度數據是由傳感器測得現場(chǎng)濕度信號經(jīng)變送器轉換成0~5V的直流信號，送到A/D模數轉換器轉換成數字量后，再送入單片機進(jìn)行數據處理，處理后的數據進(jìn)入PID算法比較做出控制量的選擇。

3.2數字濾波

當采樣過(guò)程完成后，要對采樣所得的數據進(jìn)行數字濾波。數字濾波程序用于濾去來(lái)自控制現場(chǎng)對采樣值的干擾，數字濾波的算法很多，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單元。

3.3單片機抗干擾電路的設計

在抗干擾方面的許多技術(shù)，如設計軟件陷阱、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)不斷檢測程序循環(huán)運行時(shí)間，若發(fā)現程序循環(huán)時(shí)間超過(guò)最大循環(huán)運行時(shí)間，則認為系統陷入“死循環(huán)”，需進(jìn)行出錯處理?！?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/看門(mén)狗">看門(mén)狗”技術(shù)大大提高了系統可靠性，本系統“看門(mén)狗”讓系統運行更加穩定可靠。

3.4系統的PID控制算法^[6]

控制算法是控制系統的核心部分，是控制系統能否穩定和調節品質(zhì)是否優(yōu)良的關(guān)鍵。本系統是一個(gè)閉環(huán)控制的單片機直接控制系統(DDC)，它的工作原理是按照一定的采樣周期T去對被控量（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行器，實(shí)現對被控對象的控制，采用單片機作為控制器核心所構成的自動(dòng)控制系統，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,數據量化算法、增量PID控制算法等程序模塊組成。單片機首先讀取數字化的實(shí)際轉速，并與設定的轉速相比較，得出差值，單片機再根據差值，調用PID程序，計算并輸出模擬電壓控制變頻調速器，調節被控對象電機轉速的大小，同時(shí)，尋找最優(yōu)條件，改變PID參數。

PID的計算公式為：

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；T為采樣周期；T_K為積分時(shí)間；T_d為微分時(shí)間。

根據公式進(jìn)行編程，相應的程序流程如圖4

圖3軟件算法流程圖

圖4PID算法子程序流程圖

4 結束語(yǔ)

該閉環(huán)控制系統實(shí)現了AT89C51單片機為核心，通過(guò)PID算法達到對溫度、濕度的檢測及其控制，運行可靠，操作簡(jiǎn)單，精度高，響應速度快，可以滿(mǎn)足溫、濕度的控制。同時(shí)，通過(guò)LED數碼管直觀(guān)的顯示通過(guò)控制系統后的溫、濕度值，當出現異?，F象時(shí)，通過(guò)報警裝置發(fā)出警告，及時(shí)得到處理，從而滿(mǎn)足現場(chǎng)需要，具有廣泛的應用前景。

本文創(chuàng )新點(diǎn)：采用單片機AT89C51性?xún)r(jià)比高，溫度DS18B20轉化溫度簡(jiǎn)潔，整個(gè)閉環(huán)控制系統通過(guò)PID設置的參數，根據單片機自動(dòng)修正啟動(dòng)溫、濕度控制裝置，調整滿(mǎn)足現場(chǎng)需要，同時(shí)可通過(guò)數碼顯示，清楚的觀(guān)測到溫、濕度值，超過(guò)限定值進(jìn)行報警處理。此套裝置實(shí)施方便、可靠。

參考文獻：

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