恒溫恒濕試驗箱控制系統說明書-文庫吧

【正文】 ...............................................19 致謝 ...............................................................................................................................20 參考文獻 .......................................................................................................................21 1 1 緒論 文獻綜述 國內恒溫恒濕試驗箱的狀況 對溫濕 試驗 箱的研究主要集中于制冷和加熱方式選擇、控制精度與測試監控、設備的結構等方面，對溫濕箱非穩態溫變過程傳熱特性方面的研究不多，很少研究熱力系統的耦合。對于濕度，現在多已采用溫濕度獨立調節方式，這樣可避免溫濕度調節中的互相干擾，現在著重對 加 /除 濕精度控制、選擇加濕方式的研究。對不同加濕方式之加濕能力和加濕效率的比較，分析對溫濕 試驗 箱的影響。 未來的恒溫恒濕試驗箱發 展方向 利用計算機仿真技術，與 PC機結合，做仿真實驗。提高試驗速度，降低試驗成本。 多功能化、智能化，更加安全 、 精確。雖然現在溫濕箱只能模擬兩種參數，但是將來將重點發展復合式的多功能智能化試驗箱。 課題的主要內容 本 系統通過 DS18B20溫度傳感器、 KSC6V濕度傳感器對 試驗箱內溫度、濕度進行檢測 ， 并將溫度、濕度數據 送入 AT89C51單片機，與預設的溫度、濕度 數值進行 對比，通過 PID控制算法，控制繼電器的通斷，從而控制加熱器、 排風機、加濕器 、除濕器 的工作， 從而使 恒溫恒濕試驗 箱工作于預設的溫 度、濕度。溫濕度控制算法精確控制加熱、加濕，以溫濕度 誤差 最小為優化目標。 作為工業控制的主要被控參數的 溫度、濕度 ，已被廣泛采用，如在工業控制中的各種反應爐、加熱器等。過去多采用常規的模擬調節器對溫濕度進行控制，本課題采用了 AT89C51單片機對溫濕度實現自動控制。 使用單片機對溫濕度進行自動控制，難就難在測量的溫濕度值和單片機輸出的溫濕度值誤差太大，導致無法輸出，利用 ATMEL單片機核心程序對其進行編碼，實現溫濕度在一段范圍內的變化，實驗成功控制語言的代碼，并進行燒片，燒片成功后，運行實驗，若能看到實驗的結 果，則實驗完成。 課題的研究方案 溫度、濕度 是工業生產過程中重要的被控參數之一，當今計算機控制技術在 2 這方面的應用，已使溫濕度控制系統達到自動化、智能化，要比以前僅僅使用電子線路的控制效果好太多，可控性更加精確。 溫度是一個非線性的對象，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。該溫控對象的傳遞函數形式如下所示： ?? ss eTK ???? 1G s （ ） 數據采集A T 8 9 C 5 1單 片 機輸 入 電 源溫 度 控 制濕 度 控 制 圖 方案框圖 AT89C51 單片機可以通過數碼管來顯示恒溫恒濕試驗箱內溫度、濕度的實際數值，并可用鍵盤輸入設定值。 3 2 設計的理論基礎 單片機的發展概況 1976 年 Intel 公司首先推出了可以稱為單片機的 MCS48 系列單片微型計算機。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了非常廣泛的應用，同時一些與單片機有關的其他公司都爭相推出各自的單片機。 1978 年下半年 Motorola 公司推出 M6800 系列單片機， Zilog 公司相繼推出 Z8 單片機系列。 1987 年 Intel 公司又宣布了比 8096 性能高兩倍的 CMOS 型 80C196 單片機， 1988 年推出帶 EPROM的 87C196 單片機。 縱觀這短短的 20 年，已經經歷了 4 次更新換代，單片機正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴大存儲容量和加強 I/O 功能及結構兼容的方向發展。新一代的 80C51 系列單片 機除了上述的結構特性外，其最主要的技特點是向外部接口電路擴展， 實現微控制器（ microcontroller）完善的控制功能 。 AT89C51 單片機系列介紹 AT89C51系列 的特性和基本組成 本系統 采用 ATMEL 公司生產的 AT89 系列單片機中的 AT89C51。 AT89C51 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內含 8k bytes 的可反復擦寫的 Flash只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數據存儲器（ RAM），片內置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，功能強大的 AT89C51 單片機可提供許多較復雜系統控制應用場合， AT89C51 的主要特點有： (l)內部程序存儲器為電擦除可編程只讀存儲器 EEPROM，容量 8KB，內部數據存儲器容量 256 字節，最大尋址空間 64KB； (2)AT89C51 有 40 個引腳； 三個 16 位定時 /計數器； (3)可利用兩根 I/O 口線作為全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過編程設定； (4)工作電壓 ~； (5)AT89C51 有 40 個引腳； (6)1000 次擦寫周期 。 4 數字溫度傳感器 DS18B20 DS18B20簡介 DS18B20 溫度傳感器，具有微型化、非易失性、上下觸發門限、低功耗等優點。 DS18B20 采用的是 3 腳 TO92 封裝，形如三極管，測溫范圍為 55~+125℃ ，在 10~85℃ 范圍內，精度為 177。℃ 。可自行設置溫度報警上限值 TH、下限值 TL。當 DS18B20 檢測到溫度值后，自動轉換為數字量，然后保存到存儲器中，與預設的 TH 或 TL 比較，如果測量值超過設定的范圍時，立即發出報警信號。 DS18B20的工作原理 DS18B20 的讀寫時序和測溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由 2s 減為 750ms。 DS18B20 測溫原理如圖所示。圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器 1。高溫度系數晶振隨溫度變 化其振蕩率明顯改變，所產生的信號作為計數器 2 的脈沖輸入。計數器 1 和溫度寄存器被預置在 55℃ 所對應的一個基數值。計數器 1 對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器 1 的預置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1，計數器 1 的預置將重新被裝入，計數器 1 重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到計數器 2 計數到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。圖 3 中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數器 1 的預置值。 濕度傳感器 濕度 和濕度的表示方法 濕度指的是空氣中所含的水蒸氣的多少，經常采用相對濕度、絕對濕度、露點表示。 絕對濕度指的是在一定的溫度和壓力條件下，單位體積空氣中所含水蒸氣的質量，用符號 AH 表示。 vmH va ? () 式中 aH 絕對濕度，單位為 3gm ； 5 vm 空氣中水蒸氣質量 g。 V空氣的體積 3m 相對濕度指的是被檢測氣體中的水蒸氣的氣壓（ wP ）占該氣體在相同溫度條件下飽和水蒸氣的氣壓（ NP ）的百分比。用符號％ RH 表示。 RHPPH NwT %100)( ?? （ ） 露點指的是在壓力一定的情況下，將含水蒸氣的空氣冷卻，當降到一定溫度時，空氣中的水蒸氣達到飽和狀態，開始從氣態變為液 態時稱此溫度為結露的溫度，此時的溫度稱為露點，用 ℃ 表示。 濕度傳感器選用 KSC6V濕度傳感器，其振蕩器采用 CMOS 電路，具有線路簡單、工作可靠、制作成本低、抗干擾能力強、靜態功耗低、振蕩電路轉換特性好、雙振蕩器在同一芯片上特性相同等優點。濕敏傳感器 KSC6V濕敏探頭的電容 隨濕度 的變化而變化，引起振蕩電路輸出方波的脈沖寬度發生相應的變化，經過處理之后輸出電流信號。 KSC6V 的電壓濕度特性大致成線性關系，輸出靈敏度約為 RHmV %/1 。 KSC6V的工作原理 KSC6V濕度傳感器的工作原理主要是物理吸附和化學吸附。感濕層為微型孔狀結構，極易吸附它周圍空氣中的水分子。由于水是導電物質，當感濕層中水分子含量增多時，就會引起電極間電導率的上升。 濕度傳感器的感濕層還具有電解質特性，其正離子吸附空氣中水分子的羥基（ ?OH ），在外加電壓的作用下，產生載流子移動。這種現象的變化是可逆的，即當空氣中水蒸氣含量減少時，感濕層又會釋放羥基，引起電導率降低。為了不使感濕層因極化而降低感濕靈敏度，使用時應采取交流驅動或脈沖驅動。 RS232總線接口芯片 MAX232 RS232接口 RS232 接口是個人計算機上的通訊接口之一，主要作用是實現電平間的轉換，現在 RS232 接口也經常叫做 DB9，所以，在本設計中我們采用的是 DB9。 6 3 硬件電路設計 恒溫恒濕試驗箱控制系統硬件部分大致可分為： AT89C51 單片機、 DS18b20溫度傳感器、 KSC6V濕度傳感器、數碼管溫度 、 濕度顯示電路、限 溫報警系統、繼電器控溫系統、繼電器控濕系統等。硬件總體結構如 圖 所示： 圖 控制系統 原理圖 由上述結構框圖可知，以 AT89C51 單片機為核心的溫濕度控制系統，恒溫恒濕試驗箱的溫濕度由 DS18B20 溫度傳感器和 KSC6V 濕度傳感器檢測。 其一，可將恒溫恒濕試驗箱的溫濕度通過顯示器顯示出來。 其二，可將設定的溫濕度值與該溫濕度值比較， 若實測溫度低于設定溫度，繼電器 1 動作，加熱器開始工作；當溫度高于設定溫度時，繼電器 2 動作，排風機工作；若實測濕度 低于設定濕度，繼電器 3 動作，加濕器工作；當濕度高于設定濕度時，繼電器 4 動作，除濕器工作。 并按照它的偏差大小，使用 PID 控制算法計算，達 到對恒溫恒濕試驗箱的溫濕度進行控制的目的。 若實測溫度值大于系統預設的極限安全溫度，保護電路將會動作，從而保護恒溫恒濕試驗箱。 主控模塊設計 主控模塊電路由單片機、外部時鐘電路、復位電路 、控制系統總電路圖組成 。 單片機的復位是由外部復位電路來實現的。在單片機的復位引腳 RST(9 腳 )上保持兩個機器周期的高電平就能使 AT89C51 完全復位。 繼電器 1 繼電器 2 AT89C51 CPU 濕度傳感器 通信接口 RS232 加熱器 限溫報警系統 溫度傳感器 排風機 除濕器 繼電器 4 加濕器 繼電器 3 PC機 溫度顯示器 濕度顯示器 7 系統時鐘電路設計采用內部方式， AT89C51 內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1(19 腳 )和 XTAL2(18 腳 )分別是此放大器的輸入端和輸出端 ，這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器，外接晶體諧振器以及電容構成