新型温湿度自动控制系统的设计与应用?

　介绍了一套新型温湿度自动控制系统的原理、系统组成及软硬件设计。
关键词：单片机，温湿度自动控制系统，脉宽调制，I2C总线，SPI总线
　　
1引言
　　温湿度集散控制技术是最常见也最为广泛应用的一门实用技术，这种技术利用温湿度传感器采集信号，然后将模拟信号进行A／D变换，传送给控制器进行处理、运算，最后将运算结果上传给中心计算机并控制驱动设备进行自动控温控湿，以达到最终控温控湿精度的要求。目前，由于我国经济基础薄弱，在控温控湿方面投入较少，因而采用进口高档控制系统有困难，由此，开发一套新型实用的温湿度控制系统，将具有推广价值。
　　本人设计了一套仓库温湿度集散控制系统，它运用了单片机技术和大量的先进工艺和芯片，具有造价低、性能稳定、控制精度高等特点，可独立控制也可联网运行，若配合PC机使用将成为一套集数据采集、控制和存储为一体的高性能的控制系统。它可嵌套目前较流行的高中低三种控制算法，即脉宽调制、比例积分微分调节和模糊算法，以适应不同环境和控制精度的要求。其中，模糊算法用于一些小型的、要求比较高、变量较多的空调房间，必要时还可增加几种辅助传感器，此处不再详述。
　　一九九八年，应某军用药材仓库的要求，为其设计制造安装了这样一套完整的温湿度集散控制系统，本文将根据这一实例对该系统的控制原理和系统组成进行详细的介绍。
2系统的组成和工作原理
2．1总体框图

　　图1所示是该系统的总体框图。设计时考虑到经费和控制精度等多种因素，减少了监测控制点数，在网络接口上采用RS－422总线结构，有利于日后增加监控点。在测控点分布上，设计时考虑到在封闭／半封闭库房空间内，若随机各点的温湿度最大差值不超过2％，即可完全满足测控精度的要求。因此，需在每500平方米、高6米的库房范围内的中心点放置一枚温湿度探头。降温除湿设备的选择可根据库容大小选定，原则上与库房内的温湿度探头数量、面积大小匹配。一般地，每1500平方米、高6米的库房内选用一台50千瓦冷冻空调机组进行降温除湿（可在半小时内降温除湿30％），即可严格控制库房内的温湿度在规定范围之内。
　　系统的整个控制功能核心是由前台控制器完成的，其系统的控制框图如图2所示，整个系统基本上是控制时间、温度、湿度的闭环系统。

2．2传感器
　　本系统的传感器采用了菲利浦和DALLAS公司的DS1820半导体温湿度传感器。DS18B20是一种采用I2C总线结构的半导体温度传感器，该传感器传送的是数字信号，在－55～125℃内测量误差为0．25℃，完全可满足一个仓库控温精度的要求，其不加驱动，可传送距离为100米，与目前常用的pt电阻和热敏电阻相比，具有价格低、一致性好、可互换、使用简单、无需进行信号放大和线性化校正等优点。DS18B20与MCS51的接口见图3。
　　湿度探头采用菲利浦高分子湿敏膜，信号经放大输出为0～10mA电流。

2．3　前台控制器
　　前台控制器是整套系统的核心，因此要考虑到它的稳定性、可靠性和维护的方便性。我们都知道，一个系统的稳定性和可靠性是各个小系统的稳定性决定的，在一个串级的系统中，随着串级元素增加，系统出错概率就越大。即：
    P（A）＝P（A1，A2，A3）＝P（A1）P（A2）P（A3）
因此，目前国外控制器多采用DSP和I2C器件，以减少系统的器件数量和体积；但由于DSP器件开发费用比较昂贵，所以在这种通用型、低造价的系统中运用这种器件是得不偿失的。但若运用一些低价格的I2C或SPI总线器件,却可节约MPU宝贵的口线，省去扩展I／O口电路,减少PCB板体积,降低出错率。因此,在设计时本人大量运用了SPI总线接口芯片,如XICOR公司的X25045、力源公司的PS7219和TI公司的TLC1543。
　　其中，X25045是定时器看门狗电路。该芯片具有可编程定时器和4096BIT的E2PROM，采用SPI总线结构，其中SI（串行数据输入）、SO（串行数据输出）、CLK（串行脉冲）可与其它信号混用。定时器看门狗的作用是保证在设定的时间内，若系统程序走死，不能定时访问X25045的／CS片选，X25045将能把MPU和系统进行复位。X25045与MCS51的接口如图4所示。
　　其次，为了便于维护和提高通讯可靠性，我们在RS－422通信电路上采用了TI公司的75LSB184，采用屏蔽双绞线连接，有效提高传输质量。由于该芯片具有防雷击功能，并具有过流保护，可带电插拨，即我们通常所说的热插拨，方便了控制器的更换。
　　接着，为了减少数码显示驱动电路，降低成本，在显示上采用了武汉力源公司的PS7219芯片，该芯片的控制芯片使用简单、功能多样化、多级灰度调节、外围电路精简可靠、译码与功率驱动于一体。它具有采用简单的三线SPI接口、内部自带时钟电路、无需任何外围元件、显示功能多样化等特点。每片PS7219最多可同时驱动8位8段共阴级LED。当使用多于8位LED时，只需将N片级联，便可轻松实现N×8位LED显示。
　　最后，该控制器还采用了DS12887时钟芯片，该芯片即为MC146818自带电池晶振的替换型号，其使用方法完全相同，还有TI公司的TLC1543串行10通道10位AD，此处不再详细介绍。总之，该系统可分为AD转换、数据处理、显示键盘、多机通信、输入输出控制五个模块。
2．4后台计算机
　　计算机作为存储历史数据，实时显示当前系统状态图形、参数的后台设备，还要能满足网络工作站的要求，能24小时不间断工作。因此，设计时选用了***研华586工控机，P166CPU，32M内存、4．3G硬盘和一块D－LINK10M－100M自适应网卡。
2．5驱动器
　　由于该库房采用了2台50千瓦冷冻空调机机组进行库房的降温除湿，因此，其驱动不能用控制口直接驱动，中间要经过可控硅，中间交流接触器，过流保护器和断相保护器，才能控制空调机组，此处不详细介绍整个强电驱动电路，仅介绍其中带过零触发的双向晶闸管触发电路，电路见图4。　
                        　
　　MOC3081的输出端额定电压是600V，最大重复浪涌电流为1A，输出输入隔离电压大于7500V,输入控制电流为15mA。由图6可见，当MOC3081的输入端有15mA的电流时，在MOC3081输出端6、4脚之间的电压稍过零时,内部双向晶闸管导通,触发外部双向晶闸管KS导通。当MOC3081的输入端为高电平时，也有500μA的电流，加入R3可以消除这个电流对外部双向晶闸管的影响。R1是MOC3061的限流电阻，用于限制流经MOC3061输出端的电流不超过1A。MOC3081过零检测的电压值为20V，所以，R1取稍大于20Ω。如果负载是感性负载，这时流经MOC3081输出端的电流会增加，所以R1还需要加大。当负载的功率因素小于0．5时，R1取最大值。最大值由下式计算：

取300Ω。在其它情况下可以取27Ω～330Ω。当R1取的较大时，对最小触发电压会有影响。最小触发电压VT由下式计算：

其中，IGT为晶闸管KS门极触发电流；VGT为晶闸管KS门极触发电压；VTM为MOC3081输出晶闸管的导通压降，一般取约等于3V。
　　与双向晶闸管KS并联的RC回路用于降低双向晶闸管所受的冲击电压，保护KS及MOC3081。
3系统的应用软件
3．1控制算法

　　在一套控制系统中，选择有效的控制算法并建立正确的数学模型，决定着系统的稳定性和控制精度。因此，经过大量的论证，对上　　述药材仓库提出的，保证库房温湿度严格控制在温度低于30℃，相对湿度低于70％的要求，选择了以下两种控制模式：
    第一种控制模式：当库内相对湿度高于70％时进行库内库外通风。这种方式是利用库内外湿度差进行空气的交换，以达到库内降温除湿的要求。它的优点是高效、节能、减少了电力消耗、节省资金。但这种方式受到严格的限制。首先，库外的相对湿度要低于库内的，它们之间的差要大于5％，这样才能有效保证及时地进行库内的除湿。其次，库内库外的温差要小于2℃，这是因为，如果在库外温度远高于库内温度时进行通风，热空气进入库区后遇上冷空气就会造成药品、器材表面结露的现象，反而会影响药品和器材的质量。反之，如果在库内温度远高于库外温度时进行通风，冷空气进入库内后也会在药品器材表面结露。最后，库外温度不能超过28℃。这是因为，如果库外温度超过28℃时进行通风，很可能将密闭的库温升高，从而超过温度上限30℃。
　　第二种控制模式：当温度高于30℃或湿度高于70％但不满足第一种情况时，只有打开压缩机进行库内降温除湿。
　　在控制算法上，控制精度要求在一个区域内（如图5所示），因此选择了一个相对较简单的控制算法即脉宽调制。脉宽调制是将检测的值与阀值相比较，之间的差距越大，脉冲的宽度就越长，而脉冲的宽度就是驱动设备的工作时间。但由于压缩机不能频繁地启动，一般启动间隔为30分钟，这时就出现了矛盾，如果控制曲线出现震荡，温湿度频繁超标，而让压缩机频繁启动，将会损坏设备。而如果让压缩机每次工作很长时间，令库内温湿度降得很低，使压缩机不会频繁启动，又不利于节能。因此，从保护设备的角度出发，同时又不至于让压缩机每次工作过长时间，这里加入了自适应算法，这种算法能自动记录不同时期库内温湿度的上升曲线，计算出压缩机每次须工作多长时间，使压缩机既不会频繁启动，控制曲线振荡又最小，从而达到节能的目的。具体程序清单就不一一列出了。
3．2前台控制器主程序框图
　　前台控制器主要完成温湿度数据采集，运算处理显示与驱动相应设备，与PC机交换数据等功能，其程序框图见图6、图7。
    主程序框图如图6所示。


3．3PC机程序
    PC程序采用VB程序，可显示当前各监控点数据，并动态显示当前各设备工作状态。如风机是否在转动，风门是否在打开等。该程序工作在Windows95平台上，处理事件响应为打印报表显示、设备状态、温度湿度、上传下传数据、定时存储等。
4系统运行结果
　　该系统自开发成功以来已正常运行近两年，有效地对某军用药材仓库2400平方米密闭药品仓库的温湿度实施24小时不间断智能化监控，改善了药材存储环境，有效地减少了因环境因素造成的药材霉变、结块、潮解等损失，极大地降低了药材的存储损耗。减轻了保管人员的劳动强度，提高了后方仓库药材保障能力。该系统使该仓库的温湿度始终保持在三七线（即温度低于30度、湿度低于70％）以内。
5结束语
　　该系统设计集温湿度信号采集处理计算机软硬件、调温调湿技术于一体，实现了库房温湿度的远距离监测控制和定点报警，使温湿度调控更趋科学，从而为药材储备提供了一个良好的环境。该项目已获得军队科技进步奖，在全军后勤仓库进行推广应用。　　该系统不仅应用于仓库控制系统，它还先后被应用于江苏省农科所300平方米的13间小型人工气候温房控制和南京土壤研究所的人工气候箱等多个项目，都取得了良好的效果。实践证明该系统具有投资少，能耗低，操作简单，使用安全方便等特点，可以大规模推广使用。