仓库温湿度的监测系统设计

摘要：随着电子科技的迅速发展，对仓库温湿度监测系统的要求不断增高，从而也促进自动检测系统的迅速发展，本文详细叙述一个计算机多路温湿度自动检测系统的总体结构,设计原则及具体性能指标。由于系统具有较高的精度,反应速度快及可以多路远距离集中监测,在环境测量方面具有很好的应用前景。关键词：计算机控制系统；温度；相度湿度；监测Abstract：Theabstractalongwiththeelectronictechnologyrapiddevelopment,advancesunceasinglytothewarehousehumituremonitorsystemrequest,thusalsopromotestheautomaticdetectionsystemrapiddevelopment,thisarticleindetailtonarrateacomputermulti-channelhumitureautomaticdetectionsystemoverallstructure,theprincipleofdesignandtheconcreteperformanceindex.Becausethesystemhasthehighprecision,thereactionratequickandmaythemulti-channellong-distancerangecentralismmonitor,hastheverygoodapplicationprospectintheenvironmentsurveyside.Keyword:Thecomputercontrolsystem；thetemperature；examinesthehumidity；themonitor；themultichannel1绪论1.1选题背景防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。1.2设计过程及工艺要求（1）基本功能；①检测温度、湿度；②显示温度、湿度；③过限报警。（2）主要技术参数①温度检测范围：-30℃-+50℃；②测量精度：0.5℃；③湿度检测范围：10%-100%RH；④检测精度：1%RH；⑤显示方式：温度：四位显示湿度：四位显示；⑥报警方式：三极管驱动的蜂鸣音报警。2设计方案当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。2.1温度传感器采用AD590，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。M档在测温范围内非线性误差为±0.3℃。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，借口也很简单。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。AD590的测量信号可远传百余米。2.2湿度传感器测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。采用HS1100/HS1101湿度传感器。HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在10%---100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF/℃。可见精度是较高的。2.3信号采集通道在本设计系统中，温度输入信号为8路的模拟信号，这就需要多通道结构。采用多路分时的模拟量输入通道，如图1所示。图1多路分时的模拟量输入通道这种结构的模拟量通道特点为：（1）对ADC、S/H要求高；（2）处理速度慢；（3）硬件简单，成本低；（4）软件比较复杂。3系统总体设计本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以8031基本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计，总体框图如图2所示。图2系统总体框图本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。（1）信号采集由AD590、HS1100及多路开关CD4051组成；（2）信号分析由A/D转换器MC14433、单片机8031基本系统组成；（3）信号处理由串行口LED显示器和报警系统等组成。3.1信号采集3.1.1温度传感器集成温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。（1）主要特性AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分档，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图3（a）所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V＋；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图3（b）所示。a、AD590的外形b、集成温度传感器的电路符号图3集成温度传感器①流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：IT/T=1μA/K式中：IT——流过器件（AD590）的电流，单位μA。T——热力学温度，单位K。②AD590的测温范围-55℃-+150℃。③AD590的电源电压范围为4V-30V。电源电压可在4V-6V范围变化，电流IT变化1μA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。④输出电阻为710MΩ。⑤精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差±0.3℃。（2）基本应用电路AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压V0随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电路进行调整，调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只保证在0℃或25℃附近有较高的精度。AD590应用电路如图4所示。图4AD590应用电路图4AD590应用电路（3）摄氏温度测量电路如图4所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0℃时调整R2，使输出V0=0，然后在100℃时调整R4使V0=100mV。如此反复调整多次，直至0℃时，V0=0mV，100℃时V0=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25℃，那么V0应为25mV。冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。3.1.2湿度传感器测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。本设计采用的是HS1100/HS1101湿度传感器。（1）HS1100/HS1101湿度传感器的特点不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。图5(a)为湿敏电容工作的温、湿度范围。图5(b)为湿度-电容响应曲线。a、湿敏电容工作的温、湿度范围b、湿度-电容响应曲线图5湿敏电容特性相对湿度在10%---100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF/℃。可见精度是较高的。（2）湿度测量电路HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号,将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号。3.1.3多路开关在本设计中，由于采用了温湿度双量控制，所以在信号采集中将有两个模拟量被提取，这时选用多路开关就是很必要的。本设计选用的是CD4051多路开关，它是一种单片、COMS、8通道开关。该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成。CD4051的内部原理框图如图6所示。通道线IN/OUT（4、2、5、1、12、15、14、13）：该组引脚作为输入时，可实现8选1功能，作为输出时，可实现1分8功能。XCOM（3）：该引脚作为输出时，则为公共输出端；作为输入时，则为输入端。A、B、C（11、10、9）：地址引脚。INH（6）：禁止输入引脚。若INH为高电平，则为禁止各通道和输出端OUT/IN接至；若INH为低电平，则允许各通道按表1关系和输出段OUT/IN接通。VDD（16）和VSS（8）：VDD为正电源输入端，极限值为17V；VSS为负电源输入端，极限值为-17V。VGG（7）；电平转换器电源，通常接+5V或-5V。图6、CD4051的内部原理框图CD4051作为8选1功能时，若A、B、C均为逻辑“0”（INH=0），则地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。其它情况下，输出端OUT/IN输出端OUT/IN和各通道的接通关系如下表1所示。3.2信号分析与处理3.2信号分析与处理3.2.1A/D转换（1）A/D转换器的特点为了把温度、湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处理，本系统选用了双积分A/D转换器MC14433，它精度高，分辨率达1/1999。由于MC14433只有一路输入，而本系统检测的多路温度与湿度信号输入，故选用多路选择电子开关，可输入多路模拟量。（2）MC14433A/D转换器件简介MC14433是三位半双积分型的A/D转换器，具有精度高，抗干扰性能好的优点，其缺点是转换速率低，约1—10次/秒。在不要求高速转换的场合，例如，在低速数据采集系统中，被广泛采用。MC14433A/D转换器与国内产品5G14433完全相同，可以互换。MC14433A/D转换器的被转换电压量程为199.9mV或1.999V。转换完的数据以BCD码的形式分四次送出。3.2.2单片机8031为了设计此系统，我们采用了8031单片机作为控制芯片，在前向通道中是一个非电信号的电量采集过程。