温湿度分时段控制研究

摘要:研究基于单片机的温湿度分时段控制系统，重点研究温度控制算法、湿度测量设计以及一些相关问题的处理方法，给出了硬件电路框图和软件中断服务程序流程图。使用结果表明，该系统工作稳定、效果好。

我们在项目《温度/湿度因子与云烟烘烤质量的相关分析》中，需要一个温湿度分时段变化的环境，为此，设计了以PIC单片机为核心的温湿度分时段控制系统，安装在一气候室中，取代其原有的控制系统并利用了箱体和大部分执行部件，建成一温湿度分时段变化环境。本系统可将整个控制过程分成多个（最多时12个）时段，每个时段设定不同的温度和湿度，温度范围为室温~90oC ，湿度范围为20~90%R.H 。但由于是双变量、宽范围变化系统，变量变化范围大，变量间有偶合作用，比已往情况要复杂得多，所以遇到了一些新的问题。

温度控制算法设计和仿真试验
由于温度属于大延时惯性对象，经分析比较，采用增量式PID控制算法对温度进行控制，取采样周期T = 20s，用暂态响应法整定控制参数，得到控制方程：
△Ui = 0.69△ei - 0.04ei + 3.1(△ei - △ei-1) (1)
式中△UI：本次和上次控制量之差；ei：本次测量值；△ei：本次和上次测量值之差。
为确定（1）式的调节效果，我们进行了仿真试验：将温度控制分成两个时段，第一时段温度设置为30oC，运行时间30分钟，第二时段温度设置为45oC。试验中，每隔10s记录一次温度值，然后把时间-温度对应数值标在坐标纸上并连接成温度曲线，见图1。显然，温度过渡期间出现了明显的过冲和宽幅振荡现象（实测振幅达7 oC）。经分析，过冲和振荡是由于发热器温度的滞后特性、控制算法产生的饱和效应和采样周期选择不当等原因造成。通过反复研究，最后采取以下校正措施：过渡期一开始， 控制量U即按
最大值Umax输出；采样周期修定为10s；当温度>40 oC时，便定为进入45 oC的保温段。相应地，（1）式修改为：
△Ui = 0.35△ei - 0.023ei + 1.57(△ei - △ei-1) (2)
校正前和校正后的温度曲线见图1，可见，过冲和振荡现象已被基本抑制。仿真结果指出：在保温段，温度控制精度稳定在±1 oC以内，偏差主要源于自然升温段到保温段的过渡时期。
图1 过渡时期温度曲线(带'Х'段为校正后曲线段)

湿度测量设计
目前基于单片机的湿度测量方法主要有两种：一是采用干湿球法，二是采用湿度传感器。
干湿球测湿法试验与结论
我们首先对干湿球法进行了试验。干湿球测湿原理是：用一只热电阻传感器检测空气温度（干球温度），用另一只相同的传感器检测被蒸馏水浸湿的面纱套_的温度（湿球温度），根据检测的温度差，再利用下式进行计算[6]:相对湿度={[湿度饱和水气压-AP（干球温度-湿球温度）]/干球饱和水气压}*100%
（Ａ：常数，与风速有关；P：大气力。）
其中饱和水汽压的计算是关键，我们采用LOWE多项式来近似计算饱和水汽压:
　　　　　　　E = C0 + C1T + C2T2 + ┄ + C6T6
（E：纯水平液面饱和水汽压（干球或湿球）；T：温度（干球或湿球）；C0_C6：常数。）
试验中，用北京长城航空测控技术研究所研制的双高分子高精度湿度测量仪进行对比的结果是：在20~90%湿度范围内，温度较低时，对比偏差较小，偏差随温度的上升而增加，70oC左右时，已达到8% 。试验表明，干湿球测湿法不适用于温度较高的场合，这个结论对一些研究论文中的说法提出了异议，由于高温环境下的较理想的计算公式一时难以导出，最终我们放弃了这种测湿方案，但却提出了一个新的研究课题。
高分子薄膜电容式传感器测湿设计
湿度传感器使用较多的有如下几种：陶瓷湿度传感器、聚合物湿度传感器、结露式湿度传感器和电容式湿度传感器，其中电容式湿度传感器的线性度好、响应快、工作可靠，是湿度传感器发展的主要趋势，特别是新近推出的高分子薄膜式湿敏电容更是该类产品中的佼佼者，我们在系统的设计中选用了齐齐哈尔科达敏感仪器厂的MSR1高分子膜湿敏电容。

图1 过渡时期温度曲线(带“Х”段为校正后曲线段)

图2 硬件系统组成

图3 中断服务程序框图

湿度传感器经运放电路进行湿—电转换后，再通过A/D转换器进入单片机。首先根据特性曲线，结合实际标定值，按1%的间隔建立起一个A/D转化值与湿度值在特定温度（20oC）时的对应表格。因为是温度大范围变化环境，为保证测量精度，必须对温度进行补偿，为此，分别在30oC、40oC、50oC、60oC、70oC 、80oC 、90oC 的温度下，重复上述测量与数据处理过程，形成8个A/D转化值与湿度值的对应表格，再用线性插值，最终得到每隔1oC的温度补偿值。将全部表格和数据写入EPROM，测量时通过查表获得湿度值。以上设计中，充分发挥了计算机的软件优势，使得在温度允许变化范围内，湿度测量误差不超过±2% 。由于湿度变化较快，惯性较小，采用直接自适应控制算法对湿度进行控制。
在以上湿度测量的设计过程中，试验了几个厂家生产的不同型号的电容式传感器，进而加深了其认识，有必要做一些说明，以便同行研制开发类似产品时参考：①每一个传感器，均给出了两个标定数据（例如0%的输出电压值和50%的输出电压值），由于传感器具有良好的线性度，根据这两点可画出对应温度为25 oC时的输出特性曲线，不必再进行标定。厂家还给出了一个温度补偿计算公式：真实输出电压值=传感器的输出电压值/（a+bT）（a、b为确定的数据，T为环境温度，当T等于25 oC时，a+bT=1）。于是，根据此公式可得到不同温度下的输出特性曲线。不少厂家宣称，传感器的适应范围是-10 oC~90oC和20~90%的全湿全温区域，事实上，我们经试验发现，随着温湿度的增加，以上得到的特性曲线的误差也越来越大，特别是在温度>80oC和湿度>80%的高温高湿区，误差会达到无法接受的程度。所以，高温高湿区的特性曲线应该通过实际标定而不是通过厂家给出的方法来获得。②在放置传感器的微观环境中，风速应保持恒定，否则会引起测量的不稳定性，必要时可加模拟风。
硬件系统组成
系统控制核心选用PIC16C72单片机，由于片内自带EPROM、A/D电路，且22个I/O口均具有较强的负载能力（可直接驱动LED），所以本硬件电路只须很少的外围元件，硬件系统组成见图2。五路执行模块分别实现对各参数的控制，其中升温为连续控制，单片机输出的脉宽可调制型脉冲，经光电可控硅隔离、驱动，控制电热器升温功率。由于升温控制是工作过程中使用最多的控制，所以其高精度、高稳定性的特点提高了整个系统的控制性能。湿度控制为开关控制，湿度加湿采用超生波电加湿器，去湿采用排湿风扇。
图2 硬件系统组成

软件设计
软件部分除主程序外，还包含有中断服务、测量、键盘、显示、控制算法、A/D转换、温度补偿和查表等功能模块。由于系统控制过程是由中断服务程序实现的，本文给出了中断服务程序流程图（见图3）,从中可以看到整个程序设计的思路和概貌.

结语
本系统研制成功投入运行一年多，使用结果表明，系统工作稳定可靠、效果良好。另外，本系统尽管是为科研而开发，也适合于农副产品的烘烤与干制、食品的制作与加工、人工气候箱等应用领域。
图3 中断服务程序框图。