基于單片機的庫房恒溫恒濕控制系統設計

趙素玲

摘要：在工業生產中，許多產品的儲存都是在具體的環境中進行的，庫房環境的優劣直接影響著存放產品的質量以及壽命。在庫房環境的因素中，最重要的兩個因素就是庫房的溫度和濕度，適宜的濕度和溫度不但不會對產品的存放造成傷害，還能夠有效地延緩產品材料的老化等。基于以上的原因，在產品的存放過程中必須要對庫房的溫度和濕度進行有效的監控，并且需要根據監控得到的溫度和濕度進行調整，以此來達到最佳的產品存儲環境。本文以某檔案資料室的庫房環境為研究對象，設計出了一種基于單片機的庫房恒溫恒濕測控系統。以AT89C51作為主控制器，整個系統可以分為四個部分，分別是環境溫濕度檢測模塊，單片機控制模塊，顯示模塊和偏差調整模塊。

關鍵詞：庫房；溫濕度；傳感器；單片機

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）35-0296-03

檔案是承受檔案內容的載體材料和反映檔案內容的記錄材料組成的，隨著科學的發展和數字化技術的普及，數字檔案館正在興起，但是就目前而言，檔案的記錄仍然以紙質材料為主。紙質檔案已經成為人類文化遺產的重要歷史見證，屬于可重復利用但是非再生的歷史性文化遺產。基于紙質檔案的重要性，如何保存人類歷史上浩如煙海的紙質檔案一直是人類歷史上最嚴峻的問題之一。相關研究表明，紙質檔案的存放主要受到存放環境溫度與濕度的綜合作用與影響。

1 系統主要指標及特點

整個系統的功能指標主要由溫濕度傳感器、除濕器以及散熱風機決定。溫濕度傳感器采用集成溫濕度傳感器，其中溫度測量范圍為-55～+65℃，溫控精度為±0.5℃；濕度測量范圍為：0～99%RH，濕度測量精度為±3%RH。除濕機：采用工業冷凝除濕機。散熱風機：采用220V交流市電供電的工業用散熱風機。

系統的特點是：

1）庫房現場所用的溫濕度檢測傳感器實行數字化輸出，不但使得外圍電路得到了最大程度上的簡化，而且由于外圍器件的減少，系統的可靠性得到了提高；

2）采用分布式測控系統，每個傳感器的通信總線上都可以連接多個傳感器進行數據傳輸，符合現代工業現場的布線要求；

3）上位機的設計使得用戶無需在庫房之內就可以實現溫濕度的監控；

4）上位機中實時顯示各個傳感器的工作情況，便于用戶對損壞的器件進行檢修。

2 系統的硬件設計

整個硬件部分的設計主要包括傳感器檢測模塊、單片機最小系統、偏差執行機構。溫濕度傳感器選用SHT11溫濕度傳感器，這是因為SHT11不但能夠對環境的溫度進行測量，還能夠對環境的濕度進行檢測，這恰恰能夠滿足系統的要求，并且由于溫度與濕度的信號都以數字化的形式進行輸出，不需要外接其他的信號處理以及A/D轉換模塊。

SHT11屬于Sensirion溫濕度傳感器家族中的貼片封裝器件，該溫濕度傳感器將傳感元件與信號處理電路集成在同一塊微型電路板中，可以實現全標定的數字化輸出，整片傳感器采用CMOS工藝進行制造，因此產品具有高可靠性和穩定性。傳感器包括一個電容式高分子濕敏元件用于濕度檢測，間隙材料制成的測溫元件用以進行溫度檢測，除此之外，芯片內部還集成可一個14分辨率為14位的A/D轉換器以及串口通信電路，所有這些器件共同組成了一個高精度的溫濕度檢測傳感器。芯片的外部結構如圖1所示。

在主控制器選擇上，設計選用美國ATMEL公司生產的AT89C51單片機來作為系統的主控芯片。AT89C51是一款8位的高性能單片機，由于該芯片采用高性能的CMOS技術生產，因此該芯片在使用過程中具有良好的低功耗以、穩定性與可靠性。其主要性能參數如下所示。

1）單片機與MCS-51產品指令系統完全兼容；

2）內部集成4K字節的可擦寫Flash高速存儲器；

3）128×8字節的內部RAM；

4）32個可編程I/O口；

5）2個16位的定時器/計數器；

6）片內含有6個中斷源；

7）可編程的串行UART通道。

為了滿足不同用戶的需求，AT89C51設計了多種封裝形式以供用戶進行選擇，其封裝形式主要有PDIP、PQFP、TQFP以及PLCC等，用戶可以根據制版的需要選用合適的封裝形式。在設計中為了方便制作電路板，選擇PDIP的封裝形式。其引腳圖如圖3所示。

測量結束之后就需要傳輸測量數據，整個測量數據由2字節的測量信息與1字節的CRC校驗組成，校驗位不是必須，用戶可以自由選擇。當收到CRC確認位之后表示通訊結束，如果沒有選擇CRC校驗，則以檢測到LSB為通訊結束標志位。測量和通信結束后，SHT11自動進入休眠模式。

用戶可以對SHT11的狀態寄存器發送指令來實現一些高級功能，譬如電量不足提示或者分辨率的選擇等，由于在系統的設計中沒有用到這些功能，因而在此不作贅述。設計需要顯示溫度和濕度在當前環境信息。系統采用液晶顯示屏LCD顯示數據，主流市場上綜合考慮后1602顯示數據。1602并行數據顯示模式，用戶可以自行設定數據的顯示方式和位置。基本操作時序如表3所示。

在此由于篇幅所限就不提供全部程序了。

4 系統仿真與調試

該系統的硬件和軟件設計完成后，并不意味著系統已經完成。還需要驗證系統的可靠性，這就需要進行仿真和調試。通常仿真和調試占整個系統設計時間和精力的大部分，可以看出仿真和系統調試的重要性。系統調試的過程并不是一帆風順的。有些錯誤時有發生，但在我的不懈努力下終于發現問題和糾正設計錯誤。在設計中存在的問題和解決方案主要有以下幾個方面。

1）在電源模塊的仿真過程，調試輸出值仍不能滿足設計要求，在錯誤的原則調查不是變壓器線圈組變成原來的號碼，后的線圈上設置數達到預期的結果。

2）模擬軟件，發現1602出現亂碼現象。后來，調試步驟調用顯示程序后發現，沒有之前1602初始化，加入顯示程序初始化程序得到正確的結果。

5 結論

本設計以某檔案室的溫濕度環境控制為研究對象，在認真分析溫濕度對檔案室紙張的影響之后，提出了一種基于單片機的溫濕度測控系統。雖然通過仿真表明整個設計完全能夠滿足溫濕度測控的要求，但是在整個系統中仍然有一些問題存在需要在后續的學習中得到改善。

1）所設計的系統只含有一個溫濕度傳感器，在實際的應用當中應該在同一個環境中放置多個溫濕度傳感器從而實現分布式測量系統，更符合現代測控技術的發展要求。

2）在偏差執行機構的控制上該設計沒有引入算法，在實際的應用中應當引入算法的控制，譬如PID算法、模糊算法、神經網絡控制算法等，通過算法的引進可以大大提高執行器的效率。

參考文獻：

[1] 江澤民. 能源發展趨勢及主要節能措施[J]. 上海交通大學學報， 1989，23（3）.

[2] 張曉麗， 楊永. 論建筑節能中環境保護[J]. 黑龍江科技信息， 2007（22）.

[3] 刁乃仁， 方肇洪. 地源熱泵—建筑節能新技術[J]. 建筑熱能通風空調， 2004， 23（3）.

[4] 盧佩， 劉效勇. 溫室大棚溫濕度模糊解耦控制系統設計與仿真[J]. 農機化研究， 2010（1）.