智能湿度控制系统.doc

智能湿度控制系统

1．概述
在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天以及现代生活的各个方面，经常需要对环境湿度进行测量及控制。对于生物制药、食品加工、造纸等行业，准确的测量湿度更是至关重要的。此外，湿度还直接影响到人们的舒适程度和身体健康，但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其它因素的影响，湿度与大气压、温度呈函数关系。此外，湿度的校准也是一个难题。本设计提出一种基于AT89C51单片机控制的比较简单而实用的湿度检测及控制方法。文中讨论了一种测量湿度的简单方法，利用我们常用的电子元器件来组成简单而实用的湿度检测电路，并在此基础上讨论湿度检测影响条件呵环境因数的作用以及湿度检测的精确性问题；在湿度检测的基础上，讨论湿度的控制问题，分析湿度调节的可行性以及怎么样调节的问题。

2．系统总体方案
2.1湿度测量的名词术语
湿度：湿度是表示空气中水蒸气的含量。湿度又分为绝对湿度和相对湿度两种。
绝对湿度：绝对湿度亦称水蒸气密度，它表示水蒸气的质量与总容积的比值，有公式
（2.1）
式中,dv代表绝对湿度,它表示每立方米干燥空气与水蒸气的混合物中所含水分的克数；p为水蒸气的压强(单位是Pa)；Ｔab为干燥空气的温度值（单位是℃）．需要指出，国内也有人将空气中所含水蒸气的压强理解为绝对湿度，这与国外关于绝对湿度的定义不相符。
相对湿度：相对湿度表示在相同湿度下大气中水蒸气的实际压强与饱和水蒸气的压强之比，通常用百分数来表示。相对湿度的英文缩写为ＲＨ(Relative Humidity)，有公式：
（2.2）
式中，p1(T)代表温度为Ｔ时的水蒸气压强，p2(T)表示在温度Ｔ下的饱和压强。显然，相对湿度是压强和温度的函数。
露点：在水蒸气冷却过程中最初发生结露的温度。若气温低于露点，水蒸气开始凝结。
湿度比：它表示水蒸气的质量与干燥空气的质量比。
大气压强：在单位面积上大气的压力。通常将海平面高度的大气压强称为１个标准大气压，p0=101.325Pa。大气压强随高度的增加而降低。设Ａ、Ｂ两点的高度差h2-h1=h,这两点的大气压强分别为p1,p2。有公式
（2.3）
当距海面高度为1000M、2000M、4000M、8000M时，大气压强就依次降成 0.88p0﹑0.78p0、16p0﹑0.37p0。
水蒸气压强：当空气和水蒸气的混合物与水（或冰）保持平衡时，就处于饱和状态，相对湿度达到100%，此时水蒸气对水（或冰）的饱和压强就称做水蒸气压强。其计算公式比较复杂，并且计算水和冰的饱和压强的公式也不同。
2.2系统功能要求
（1）自动检测室内空气的湿度。
（2）当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态。
（3）数码管显示当前的湿度。
（4）键盘设置及调整湿度的初始值。
2.3系统总体架构
（1）湿度检测电路。用于检测空气的湿度。
（2）微控制器。采用ATMEL公司的89C51单片机，作为主控制器。
（3）电源稳压电路。用于对输入的200V交流电压进行变压、整流。
（4）键盘输入电路。用于设定初始值等。
（5）LED显示电路。用于显示湿度。
（6）功率驱动电路（湿度调节电路）。

AT89C51
电源电压的设计
按键输入电路
LED显示电路
功率驱动电路
吹风机
功率驱动电路
蒸汽机
湿度检测电路
湿度传感器

图2.1 系统结构图
2.4系统设计原理
该湿度控制系统由湿度检测电路、CPU 监控电路、显示电路、 A/D 转换电路、排风与加热控制电路和微处理器等组成，其中微处理器AT89C51 是整个系统的控制核心，它的原理电路如图 2.l 所示。工作原理如下：湿度检测电路将当前环境湿度信号通过A/D转换后，送到处理器AT89C51中，然后处理器通过软件的运行，将当前湿度信号通过LED显示出来（显示相对湿度值），并且处理器通过程序的运行，判断当前湿度值是否在预先设定的范围之内。假设不是，系统就会自动进行湿度的调节：当湿度检测电路检测到当前环境湿度高于设定值的上限的时候，微处理器将使P2.6输出低电平，起动减湿控制电路使吹风机开始工作，开始排风散热降温；当湿度检测电路检测到当前环境湿度低于湿度设定下限时，P2.7输出低电平，使蒸汽机控制电路工作，开始加热增加湿度。

3．系统硬件设计及实现
3.1电源电路设计
稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
稳压电源是以78XX和79XX系列稳压器为基础的，这类电源能够产生±5V，±15V。它是先将来自交流电的电压通过变压器（即将220V转换为20V），然后通过78XX和79XX稳压器，达到设计要求。
稳压电源的设计图3.1
图3.1 电源电路图
在图中A端输出+15V，B端输出+12V，C端输出+5V，D端输出-15V，E端输出-12V、F端输出-5V，这6种电源可以供我们后来设计器件的备用电源，如：湿度检测电路、单片机电源、A/D转换ICL7135、继电器的电源等。
3.2相对湿度检测电路设计
相对湿度检测电路框图如图3.2所示：主要包括9部分：①精密对称方波发生器；②湿敏电阻；③对数放大器（兼做半波整流）；④湿度校正电路及滤波器；⑤输出放大器；⑥断点补偿电路；⑦温度补偿电路；⑧+15V稳压电源。
精密对称方波发生器
湿敏电阻
对数放大器兼半波整流
温度校正及滤波器
输出放大器（A/D）转换
+12V +15V
温度补偿电路（恒温器）
断点补偿电路
稳压电源
图3.2 相对湿度检测电路结构图

该检测电路有下列特点：
（1）鉴于当直流电流通过湿敏电阻时会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，因此必须采用交流信号或对称方波信号来驱动湿敏电阻。在这里选用具有稳幅作用的精密对称方波发生器作为信号源，其输出信号中不包含直流分量。
（2）为解决湿敏电阻的非线性问题，由晶体管（VT1）和运算放大器构成对数放大器，对湿敏电阻的指数型特性曲线进行线性化。
（3）利用湿敏校正电路对40%RH、100%RH两点进行校正，再通过滤波器产生一个代表相对湿度的直流输出电压，输出电压范围是0～10V，所对应的相对变化范围是（0～100%）RH。
（4）输出信号送至位A/D转换器，通过ICL7135A/D转换将模拟量转换位BCD码送至微处理器进行数据处理。
（5）利用断点放大器专门对40%RH以下的相对湿度信号再进行一次线性补偿，使其输出信号尽可能呈线性。
（6）利用集成恒流源的正温度系数去补偿热敏电阻的负温度系数，大大降低了温漂。然后选用一片廉价的集成音频放大器对VT1进行温度补偿，使VT1的直流工作点不随环境温度的变化而变化。

3.3 A/D模块设计
ICL7135是目前市场上广泛流行的单片集成4位半双积分A/D转换器。由于ICL7135具有4位半的精度（相当于14位二进制数）、自动校零、自动极性输出、单一参考电压、动态字位扫描BCD码输出、自动量程控制信号输出、价格低等特点，所以广泛应用于微控制器的应用系统和各种精度较高的数字仪器等领域[19]。
（1） 主要参数
CMOS集成电路；双积分转换技术；单一参考电压；采用BCD码扫描输出；能用闪烁显示的方式表示超量程状态；具有六路输入/输出（I/O）辅助信号，可以和微处理器相连，进行复杂的控制；具有自动转换量程的过和欠量程信号；允许差分输入；具有自动极性辨别功能和自动校零电路；双电源供电；准确度高0.005%±1个字；输入漏电流低 1pA；分辨率高 14位；零读数漂移 0.5μV/℃；输入阻抗高 109Ω；转换速度慢 3次/秒；噪声低 15μV。
（2）引脚排列和引脚说明　
V-：负电源输入端，典型值为-5V。
VREF：参考电源输入端，典型值为1V，参考电压的精度合稳定度将直接影响转换精度。
D5、D4、D3、D2、D1：BCD码数据的位选通信号输出端，分别分位万、千、百、十、个位。
B1、B2、B4、B8：BCD码数据输出线。
BUSY：转换状态标志输出端。积分器在积分过程中（对信号积分和反向积分）BUSY输出高电平，积分器反向积分过零后输出低电平。
CLK：时钟输入端。双极性模式：最高时钟频率为125Hz,转换速度为3次/秒；单极性模式：最高频率为1MHz，这时转换速度为25次/秒。
AGND：模拟地，
INTOUT：积分器输出。
AZIN：自调零输入端。
BUFOUT：缓冲放大器输出端。
REFCAP-：外接参考电容引脚。
REFCAP+：外接参考电容引脚。
INLO：信号输入低端。
INHI：信号输入高端。
V+：正电源输出端，典型值为+5V。
DGND：数字接地。

图3.4 ICL7135引脚排列图

POL：极性输出端。当信号为正时，POL极性输出为高电平；输入信号为负时，POL极性输出为低电平。
R/：启动转换/保持控制端。该端接高电平时，ICL7135为自动连续转换状态， 1/2。一次A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD码数据输出，可利用该信号把数据打入到并行接口中供CPU读取，这在和微处理接口时显得非常重要。
OVERRANG：过量标志输入端。当输入信号读数超过转换记数范围时，该引脚输出高电平。
UNDER：欠量程标志输入端。当输入信号读数小于9%或者更小时，该端输出高电平。
3.4处理器模块设计
AT89C51是一种与MCS—51单片机相兼容的、高性能的8位CMOS微控制芯片，采用40引脚DIP封装，片内带有4KB的快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM）。是当前较先进的一种电擦除8位单片机，它与MCS-51指令系统完全兼容，片内FPEROM允许对程序存储器在线重新编程。也可用常规的EPROM编程器编程。具有超强的加密功能。ATMEL公司生产的这种89C51微控制器，将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在同一芯片上，可完全替代87C51和8751/8752，为很多嵌入式控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案，深受用户欢迎。此外,AT89C51还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式,在空闲模式下,CPU停止工作,但RAM,定时/计数器,串行口和中断系统仍然工作.在掉电模式下,只保存RAM的内容,振荡器停振,关闭芯片的所有其它功能,直到下一次硬件复位为止.其空闲和掉电两种工作方式以及静态逻辑运作等情况,与MCSC51相同。
图3.5 AT89C51引脚图

为了提高系统工作的可靠性，测控仪增加了微处理器工作的监控电路，如图2.2中左边的中部所示，在这里采用 MAx813L 实现，以防程序跑飞使系统失控。如果在1.65s内微处理器 AT89C51 不给 MAxsl3L 的“看门狗”输入端 WDI 触发信号，说明程序已跑飞或程序已进入了死循环， MAX813L 将发出复位信号，使系统复位重新运行。另外，用于控制加热和排风的电路如图 1 中右下方所示。由于该电路很简单，在这里就不介绍了。值得一提的是加热控制和吹风扇控制用的接触器，其触点容量选取应视控制对象的功率而定，至少在 220WroA 以上，以确保控制仪的可靠工作。
3.5湿度调节模块设计
湿度调节电路的设计：如图3.6
单片机输出信号
继电器
吹风机/蒸汽机
电源

图3.6 湿度调节电路的结构框图
如图3.12为湿度控制硬件结构图，图中采用了两只光电耦合器件、两个继电器、和两只发光二极管。其中光电耦合器件是将处理器（单片机）输出的信号转换为继电器的输入信号，而继电器又与吹风机和蒸汽机的电源线相连，这样，处理器输出的信号就可以通过光电耦合电路和继电器电路来控制机械（吹风机或蒸汽机）的动作。

3.6显示模块设计
由于发光二极管是电流驱动设备，一般的I/O接口驱动能力是都是有限的，在发光二极管与接口芯片间要接驱动电路，常用的CMOS或TTL驱动器有：LS7448、LS7449。
3.7键盘模块设计
本系统由于只有4个按键，而且单片机的接口又足够，所以采用独立式键盘，每一个按键与单片机的一个输入端口相连。并且按键采用脉冲式键盘，即按键按下一次，就是说与按键相连的端口原来为高电平，按下之后，与按键相连的端口变为低电平，当与此按键相连的端口再次变为高电平时，认为一次按键有效，处理器做出一次相应的处理。在这里，我们可以从系统硬件结构图2.2看到，四个按键S1、S2、S3、S4分别与单片机端口P3.0、P3.1、P2.4、P2.5相连。其中，S1键控制湿度预设值的加1，S2键也是设定湿度的预设值，只是按一下S2键，预设值就相应的减1，S3键是人为的控制吹风机的开关，S4键是人为的控制蒸汽机的开关。
4．系统软件设计及实现
4.1程序设计及其流程图
MAIN

初始化
开中断设置
查询键盘是否压下
调用显示程序
中断服务程序
读取A/D转换结果
保存数据
现场保护
现场恢复
返回

（1）主程序流程图
（2）A/D转换子程序流图

显示子程序
断点保护
写缓冲单元及循环次数
循环结束
弹出堆栈
返回
送显示字位
是
否
按键处理子程序
S1键
S2键
S4键
S3键
判断键
预设湿度加1
预设湿度减1
人为启动吹风机
人为启动加湿机
返回
（4）按键子程序流图

（3）显示子程序流程图

4.2程序流程图说明
在本程序的设置中，A/D转换是通过每次转换完成后产生中断来通知处理器，并将转换结果送如处理器的存储器中保存；因为在硬件结构时，就采用了独立键盘的结构，所以键盘子程序采用查询方式，以保证处理器始终都在监视键盘的动作；显示子程序采用单独的子程序，作为主程序的调用子程序，以保证LED管的连续显示。主程序流程图如（1），将键盘查询子程序和显示调用子程序作为它的程序运行的循环环节；A/D转换中断处理程序如程序流程图（2），采用中断处理程序，保持了湿度检测信号的不断及时更新；流程图（3）就是显示子程序，它直接通过单片机的端口，不停的送出字位显示和字数的显示；（4）就是键盘处理子程序，键盘采用独立键盘，在有键按下时，首先判断那个键按下，然后根据相应的键作出相应的处理，在此程序中，键盘采用的是脉冲式按键方式，按键按下一下，处理器作出一次相应的回应。