维普资讯 http://www.cqvip.com
电子工程坪 ．２８ⅣＤ．３ ２０Ｏ２ 新型温湿度自动控制系统的设计与应Ｙ［Ｉ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｎｅｗ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ 南京集成电路研究所 （南京２ｉ００１８） 王大海 【摘要】介绍了一套新型温湿度自动控制系统的原理、系统组成及鞔硬件设计。 关键词：单片机，温湿度自动控制系统，脉宽调｛翮，Ｉ。ｃ总线，ＳＰＩ总线 ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．ｆｕｎｃｔｉｏｎ．ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｎｅｗ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ・ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ， ＰＷＭ．Ｊ Ｃ ｂｕｓ。ＳＰＩ ｂｕｓ １ 引言 ２系统的组成和工作原理 ２．１总体框图 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 Ｉ 蛔 ＲＳ．４２２】皿ＦｔＬ，ａＬｔ￣ 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．在控温控湿方面投人较少，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ｒ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 围１ 造价低、性能稳定、控制精度高等特点．可控制 也可联网运行．若配台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 可诫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一４２２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１ ５００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 （可在半小时内降温际湿３０ ），即可严格控制库房 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。 收辅日期：２００２ ０２ ０５ ・３３・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
王大海：新型温湿度自动控制盎统的设计与应用 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 其中，Ｘ２５０４５是定时器看门狗电路。该芯片具 有叮编程定时器和４０９６Ｂ１Ｔ的Ｅ：ＰＲＯＭ，采用ＳＰＩ 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。 库蚱值 总线结构．其中ＳＩ（串行数据输人）、ＳＯ（串行数据 输出）、ＣＩ Ｋ（串行脉冲）可与其它信号混用 定时 ７一 器看门狗的作用是保正在设定的时间内，若系统程 序走死，不能定时访问Ｘ２５０４５的／ＣＳ片选，Ｘ２５０４５ ［＝］ ——《２：： ： 图２ ．日］ 将能把ＭＰＵ和系统进行复位，Ｘ２５０４５与Ｍｃｓｊ１ 的接口如图４所示。 其次．为丁便于维护和提高通讯可靠性，我们在 ＲＳ ４２２通信电路上采用＿ｒ ＴＩ公司的７５Ｉ ＳＢ］８４，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 ２．２传感器 本系统的传感器采用了菲利浦和ＤＡＩ Ｉ ＡＳ公 司的ＤＳ１８２０半导体温湿度传感器。ＤＳ１８Ｂ２０是一 种采用ｌ：ｃ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，在一５５～１２５ Ｃ内测量误差为 我们通常所说的热插拨，方便 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ｒ武汉力源公司的ＰＳ７２１ ９芯片，该 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、 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．二线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 ＰＳ７２１ ９最多可同时驱动８位８段共阴级Ｉ ＥＤ 当 匾 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０～１ ０ｍＡ电流 使用多于８位ＬＥＤ时，只需将Ｎ片级联，便可轻松 实现Ｎ×８位Ｉ ＥＤ显示。 最后，该控制器还采用ｒ ＤＳ１ ２８８７时钟芯片， 该芯片即为ＭＣ］４６８］８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Ｔ１ ｃ１ ５４３串 行１０通道１ ０位ＡＤ，此处不冉详细介绍 总之，该 图３ 系统可分为ＡＤ转换、数据处理、显示键盘、多机通 信、输人输出控制五个模块 ２．３前台控制器 前台控制器是整套系统的核心．崮此要考虑到 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ｌｌ＿作站 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件 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（ ）一 （Ａ１．Ａ２，Ａ３）一 （Ａ１） （ ２） （Ａ３） 的萤求，能２４小时不问断工怍。口司此．设计时选用ｒ 研华５８６工控机，Ｐ１ ６６ＣＰＵ，３２Ｍ内存、４．３（ 硬盘和一块Ｉ）１ １ＮＫ １０Ｍ １００Ｍ自适应网卡。 ２．５驱动器 由于该库房采用了２台ｊ０千瓦冷冻空调机机 因此．目前国外控制器多采用ＤＳＰ和Ｔ Ｃ器件． 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 在这种通用型、低造价的系统中 组进行库房的降温除湿．同此．其驱动不能用控制口 直接驱动，中间要经过 ¨空硅，中问交流接触器．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 发的烈向品俐管触发电路．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．输出输人隔离电压大于７５００Ｖ， 输＾控制电流为１ ５ｍＡ 由图６可见，当ＭＯＣ３０８１ 运用这种器件是得不偿失的 但若运用一些低龄格 的１ Ｃ或ＳＰＩ总线器件，却可节约ＭＰＵ宝贵的【ｊ 线，省去扩展１／Ｏ【ｊ电路，减少ＰＣＢ板体积．降低出 错率。因此．在设ｉ｛ 时本 运用了ＳＰ１ 线接口 芯片，如ＸＩＣＯＲ公司的Ｘ２５０４５、力豫公司的 ＰＳ７ ２１９和Ｔ１公 的Ｔ１ Ｃ１ ５４ ３ ・ ４・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
电子工程师 的输入端有１ ５ｍＡ的电流时，在 ＭＯＣ３０８１辅出端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５００，ｕＡ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。Ｒｌ是 ＭＯＣ３０６１的限流电阻，用于限翩 流经ＭＯＣ３０６ｌ输出端的电流不 超过１Ａ。ＭＯＣ３０８１过零检测的 电压值为２ＯＶ，所以，Ｒ１取稍大 图４ 于２０Ｅｌ。如果负载是感－胜负载，这 时流经Ｍ（）Ｃ３０８１输出端的电流会增加，所以Ｒ１还 进行库内库外通风 这种方式是利用库内外湿度差 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： 州一Ｖ Ｐ一进行空气的交换， 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。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 —２２０－ ￣ｖ／２＇＿一３ｌ】ｎ 保证及时地进行库内的除湿。其次．库内库外的温差 取３００Ｅｌ 在其它情况下可以取２７￣１￣３３０￣１ 当Ｒ１ 取的较大时．对最小触发电压会有影响。最小触发电 要小于２ Ｃ 这是固为，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 压Ｖ 由下式计算： ＶＴ Ｒ１（１Ｒ 一ＶＯｒ／－＇）＋ＶＧ＇７’＋ 了１ 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 Ｃ。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 Ｃ。 第二种控制模式：当温度高于３０ Ｃ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 式中：Ｉ 是流过Ｒ３的电流， ． ｖ｛ Ｉ ］ 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 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 向晶闸管所受的冲击电压，保护ＫＳ及ＭＯＣ３０８１ 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 ３系统的应用软件 ３．１控制算法 就是驱动设备的工作时问 但由于压缩机不能频繁 温廑Ｉ 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 图ｊ 地启动，一般启动问隔为３Ｏ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 此，经过大量的论证，对Ｅ 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 于让压缩机每次工作过长时 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ｒ以下两种控制模式： 间．这罩加入＿ｒ自适应算法，这种算法能自动 已录不 同时期库内温湿度的Ｌ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 ・３ ・ 第一种控制模式：当库内相对湿度高于７０ 时 维普资讯 http://www.cqvip.com
王大海：新型温温度酋动控制系统的设计与应用 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。 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 ３．２前台控锚器主程序框图 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。 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＿ｒ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７Ｏ ）以内。 ５结束语 豳 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 图６ 应用于江苏省农科所３００平方米的１ ３问小型人工 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 通讯中断子程序框图如图７所示。 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 参考文献 １条永权．单片机应用系统的功率接口技术．北京：北京航 空航天大学出版社，１９９２ ２谢来和 片机模糊控制系统设计与应用实例 北京：电 子工业出版社．１９９９ ３李 华．ＭＣＳ一５１单片机实用接口技术．北京：北京航空 航天大学出版杜．１ ９９３ ● ０甚 球 ｇ毒 苦 毒 ｊｊ 《 喜＿龆 ｓ盘 墓 （上接第ｌ２而） 参考文献 １綦希林．陈嘉庆 多国单片计算机宴用技术北京：电子工 图７ 业出版社．１ ９９２ ２高海生．杨文焕 单片机应用技术太全．成都：西南交通大 学出版社．１ ９９６ ● ３．３ Ｐｃ机程序 ＰＣ程序采用ＶＢ程序．可显示当前各监控点数 ・３６・
