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第三章温度与湿度控制系统设计3.1系统总体方案图32系统总体方案图该设计系统有以下几项主要功能：采集温湿度参数、处理信号与显示、存储数据、控制环境的温湿度。该系统不仅要会独立地处理数据，还需要能控制外电路，因此，我们得选用结构简单、处理能力强并能可靠工作的CPU作处理器。可以达到该要求的芯片甚多，例如：人们在生活中广泛应用的单片机就可以。该系统是用单片机AT89S52进行控制，上图所示即为其总体的设计方案，从此图可看出系统包括以下几个主要部分：主控单片机、四个工作系统（加热、加湿、冷却、除湿）以及传感器模块等。3.2系统的功能及指标这个系统主要是对超声电机的工作环境进行温湿度控制，要求能够进行独立工作，并在显示屏上实时显示温湿度测量值，当所测得的温湿度不等于设定值的候，系统就会对环境起控制作用。系统的具体技术指标如下：（1）温度测量的误差：±5℃；（2）测温的范围：+25~+95℃；（3）湿度测量的误差：±2%RH；（4）测湿的范围：20%～95%RH；3.3实验箱体的设计3.4.1简易实验箱体设计实验箱（图33）体是薄钢板做的400x300x300mm的长方体，箱体厚20mm，在箱体外层有保温材料层，厚度100mm，采用耐高温硬质聚氨酯发泡+超细玻璃纤维棉，保温效果很好。实验箱的大门上安装观察窗，其可视尺寸200x140mm（宽x高），安装在大门的中央，观察窗用中空玻璃，其有镀膜，且耐热防霜，并在观察窗外侧设1支节能照明灯，方便观察。电线入口一个，用于各硬件与单片机等的连接，以实现控制。两个风口，相互对应，其中安装排气扇并带有封闭窗，可以达到给箱体加湿、通风以及封闭。左侧风口内侧有一可加热水杯，用于加湿控制。箱体底部是均匀分布的4个加热元器件，用于给系统加热，并通过导热板，实现对超声电机周围环境温度的改变。在箱体里面，有两支横向的水管，是用于冷却环境的，通过控制，将冷水从一端输入，从另一端输出，并回到水箱，实现循环控制。（注：其中，冷却用的水，需要在水箱里放置冰块，以降低水的温度，使其小于常温，从而达到降温以及除湿的效果）3.4.2箱体的内部分布平面图通过图34，可以很清楚的看出，箱体内部元器件的分布情况，特别是加热元件的均匀分布。这样的分布也有利于进行安装和维修，对使用者极为有利。3.5系统温湿度的控制3.5.1控制方式的选择1、加热方式：①采用镍铬合金电热丝来加热，安装的时候，要求将其均匀分布在试验箱的内部以保证均匀受热，这样不会影响到后面对温度的控制，其执行的元件用固态继电器；②GYQ型空气加热管Q1，Q2，Q3，其加热的介质是空气，一般只安装一个，不需要规律分布。综合以上两种方式的介绍，再考虑到本系统的设计，最后决定选择第一种加热方式更好，因为其加热更加均匀，有利实验进行。2、加湿方式：①应用小电极加湿器，安装在风机盘管的侧面或者将其安装在风道侧面，把蒸汽喷嘴安装在风道壁上，通过控制直接实现加湿；②蒸汽加湿（电热式蒸汽），通过控制水杯底的加热器，是水杯中的水变成蒸汽，再有风扇把蒸汽吹入实验箱，实现加湿。杯子中的水用蒸馏水，并需要手动补水。综合考虑以上介绍，由于，本设计并没有风道口，针对的是箱体，所以方式2更适合。3、冷却方式：冷却的方法有风冷、水冷以及机械压缩制冷等，而通过仔细地思考，得出本实验选择通过循环冷水制冷来实现降温，这是属于吸收式的，当然，还有融解式、升华式、气体膨胀式以及真空式等等。然而，本实验希望用循环冷水来实现降温，这样不仅环保，而且方便，也有利实验的进行。4、除湿方式：①冷却除湿，这种办法是通过使周围空气冷却，水分凝结析出，从而降低湿度；②利用干燥器来除湿，即从试验箱里抽出空气，然后，充入干燥的空气，与此同时，把刚才抽出来的湿润气体通到有循环作用地干燥器里进行干燥，而后再送入试验箱，从而实现降低湿度。综合，以上的方法，本试验应用更为简单方便的方式1,通过两支冷却的水管，来是箱子里的蒸汽凝结，从而达到降低湿度的目的。3.5.2温度控制整体控制的过程：首先，工作箱内的温度是利用加热器通电来产生热量，再将热量通过导热板，从而使超声电机周围达到升温的效果，然而，当测试完成了，需要降温的时候，需要控制电磁阀打开，通过循环冷却水进入冷却管内，使箱内循环空气与其接触，将热量带走，使得工作箱降温。控制这一过程，需要配合各部分电路的设计，不过，需要注意的是，系统的温度应控制在室温~95度之间，在此期间，去测量电机的分辨率。3.5.3湿度控制整体控制的过程：首先，加热水杯中的加热器通电后，产生水蒸气，再经过风扇的作用，将潮湿的空气迅速带入到工作箱内，从而提高工作箱内的相对湿度，实现改变超声电机周围湿度的目的，当测试完成后，系统要求降低湿度，可通过控制，接通电磁阀，使循环冷却水进入冷却管内，使得箱内循环空气与其接触，水分析出，从而降低环境的湿度。控制这一过程，也需要配合各部分电路的设计，同时，需要控制湿度不能超过20~95相对湿度，从而在此期间进行测试超声电机的分辨率。3.6硬件的选择3.6.1温度传感器的选择由系统的技术指标可得，本设计的温度传感器可选用DS18B20。（1）关于DS18B20：本设计温度传感器选择的芯片是DS18B20，它不仅有高集成、超小型、高精度、数字化的特点，而且价格适中，能够简化电路设计，在很多实际应用中也是最佳选择。该种传感器，可把所测得的温度转成串行数字信号后供单片机使用，如果想要实现12位的温度读数，就可以通过简单的编程获得，并且这时两个或者两个以上的DS18B20可以并接到地址线上，开始与单片机实现通信。所选的传感器在某些特性方面是与其它的不同，如：接口方式是单总线接口，想要与单片机进行连接，一条接口线就满足DS18B20的需要，当连接后，它们是双向通讯的，温度的传输方式采用数字化并可实现一线总线，这使系统在很大程度上提高了抗干扰能力；测量结果是串行传送的，并且以9位数字量方式传送；用户还可以对报警温度进行设置、分辨率设定，这些都会存储于EEPROM里，掉电也不会消失；可以由数据线供电等，所以其满足设计要求。它是采用3脚TO-92或8脚SO封装，如图34所示：（2）DS18B20传感器的一些相关要求及参数如下：它是数字式的IC输出型，感应精度为±0.5°C，能够检测的温度范围为-55°C到+125°C，分辨率达到12bit；而它的电源电流为1mA，电压为3V~5.5V，输出电流则是4mA；针脚有3个，采用通孔安装。3.6.2湿度传感器的选择根据系统的技术指标及控制要求，本设计选用HM1500LF湿度传感器来配合完成控制。（1）简单地介绍：该产品所属分类为温湿度模块/探头，它是电容式线性电压输出湿度模块，图36.2HM1500LF其可靠稳定，且基本不依赖温度。它是在HS1101LF的基础上制成的防护棒形式封装的传感器，拥有严密的封装。该传感器的量程宽，在工作温度范围内（–40~60℃），可测得0~100%RH的相对湿度，而当所测湿度为10~95%RH，其精度达±3%RH。不仅如此，它还能防灰尘，抗静电以及能有效抵抗各种具有腐蚀性气体物质，且在长时间处于饱和状态后能快速脱湿，反应的时间快。（2）湿度的计算公式：线性方程：Vout=25.68RH+1079RH=0.03892Vout-42.017(WithVoutinmVandRHin%）多项式方程：Vout=9E-4RH3-1.3E-1RH2+30.815RH+1030RH=-1.91E-9Vout3+1.33E-5Vout2+9.56E-3Vout-2.16E(WithVoutinmVandRHin%)注：所有的Vout为mV，RH为%RH，Ta为℃。（4）HM1500LF结构图与引脚定义：（如下图36.3）图36.33.6.3加热元器件的选择选用镍铬合金的电加热式加热器(电热丝)，适用于全面加热，安装时，需要均匀分布。通过电路来控制其工作情况，从而改变系统温度。3.6.4继电器\接触器的选择继电器\接触器只需要选择能够满足试验要求的即可，具体选用下图3.8所示:图36交流接触器CJX2-0901图37低压继电器LY2N-D2-JDC243.6.5单总线A/D转换器DS2450该转换器有四个通道，它是单总线A/D转换器芯片，可以对其电压及精度参数进行修改，且每个通道都可以存储所设置的参数。在不同方式下，通信速率相差大，而且片内能够自行检测通信的正确性。它是采用8脚的SOIC封装，体积较小，不管是单5V电源还是寄生电源的方式供电都能工作，且功耗很低。它能够实现多个并联，且只要一根端口线就能与CPU通信，基本不占用端口，能够省出引出脚并简化逻辑电路。3.6.5.1DS2450的引脚排列及典型连接1．转换器的引脚功能下图是DS2450的8个管脚及其功能：2.典型接法下图为单片机与该转换器的连接图，其中DATA端接单片机的P1．0，此电路是外接电源供电，即用5V电源接在VCC端。该图中A、B接上拉电阻，用来作D的报警信号，并只对D进行模拟信号转换。3.6.6AT89S52单片机（1）内部构造及最小系统该单片机需要能够实现温湿度控制，其功耗低且控制器性能高，有8K的存储器。其包含：I\O口共32位、RAM256个字节、时钟电路、数据指针（2个）、定时器与计数器（3个16位的）等。其结构与最小系统分别如下图所示：图36.6a36.6bAT89S52最小系统3.7硬件总图及电路设计3.7.1系统硬件总体图及电路图37.1a在单片机AT89S52的引脚上接上温湿度传感器、电源电路、复位电路、晶振电路、LCD电路及控制温湿度的各电路等，其硬件总体情况如上图。37.1b系统总体电路图3.7.2温度传感器的电路连接传感器选DS218B20，其接口方式是单总线的，只要一条接口线就能满足与单片机连接，在与单片机连接后，它们之间的通讯是双向的，温度通过DQ传输，因为是单总线，所以不易受到干扰。其电路图如下：（图37.2）接于单片机的P1.0口。图37.23.7.3湿度传感器的电路连接图37.3该湿度传感器选用湿敏电容，其输出的是线性电压，然后进行函数关系的变换取得数据。将它接到DS2450的模拟电压输入的D道，并用+5V电源供电。通过利用该电路，检测到的湿度信号可以立即转为数字信号供单片机读取，图37.3即为其接线图。3.7.4加热部分的控制电路图37.4首先，在单片机的P2.3接口上接加热电路，再由温度传感器检测到信号，传给单片机，然后由单片机控制加热是否进行，即接通电路，使电热丝发热，从而提高温度。这部分是用继电器来驱动的，有足够的输出功率。连接电热器3.7.5冷却部分的控制电路图37.5将冷却部分的电路接到单片机的P2.2接口，根据温度传感器检测到的信号传给单片机，然后由单片机控制冷却是否进行，即接通电路，使电机工作，将冷却水通过水管，从而实现降低温度的要求。这部分也利用继电器来驱动的。3.7.6加湿部分的控制电路图37.6将加湿部分的电路接到单片机的P2.0接口，根据湿度传感器模块检测到的信号传给单片机，然后由单片机控制加湿是否进行，即接通电路，使加热水杯加热，从而增加环境的湿度。驱动部分同样是用继电器。连接抽水电机连接加热水杯3.7.7除湿部分的控制电路图37.7将除湿部分的电路接到单片机的P2.1接口，根据湿度传感器模块检测到的信号传给单片机，然后由单片机控制除湿是否进行吗，即接通电路，使电机工作，带动排风扇转动，从而使环境的湿度降低。同样，也为继电器来驱动的。3.7.8数码管的电路图37.8a数码管与单片机的连接电路该设计是通过数码管来显示温湿度的，以上是其连接电路。从中可以清楚地看出，其是与单片机的P0口连接的。连接风扇电机3.8软件的选择与设计3.8.1程序编程与烧写软件1、程序编程KeilC51本设计的程序部分是用C语言编程的，在这里应用了Keil软件来辅助完成。该软件是C语言系统的，它的功能更强，出现问题，也较容易维护，而且可读性好，结构方面也更有优势，更利于学习和应用。Keil软件含有编译、调试、连接及管理等功能。下面是它