库房温湿度控制.docx

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库房温湿度控制

库房温湿度控制

摘　　要

在工业生产中，许多产品的储存都是在具体的环境中进行的，存储环境的优劣直接影响着存放产品的质量以及寿命，同时良好的库房环境还能对外界影响产品存放的因素进行抑制，因此库房的环境对产品的存放具有重要的意义。

在库房环境的因素中，最重要的两个因素就是库房的温度和湿度，适宜的湿度和温度不但不会对产品的存放造成伤害，还能够有效地延缓产品材料的老化等。

基于以上的原因，在产品的存放过程中必须要对库房的温度和湿度进行有效的监控，并且需要根据监控得到的温度和湿度进行调整，以此来达到最佳的产品存储环境。

本文以某档案资料室的库房环境为研究对象，设计出了一种基于单片机的库房恒温恒湿测控系统。

整个设计将计算机技术、数字化测控技术、传感器技术以及通信技术相结合，以AT89C51作为主控制器，通过选择合适的温湿度传感器组成了一套智能的温湿度监测系统，与此同时，设计还针对库房环境中出现的温湿度偏差，设计了温湿度纠正系统，通过选取一定的设备来对因外界影响和环境的变化而造成了库房温湿度偏差。

整个系统大致可以分为四个部分，分别是环境温湿度检测模块、单片机控制模块、显示模块以及偏差调整模块。

环境温湿度检测模块主要通过选取合适的传感器来对库房环境的温度和湿度进行检测，检测得到的数据经过一定的处理之后发送给单片机，单片机通过对这些环境参数进行分析得到当前环境与设置值的偏差，最终根据偏差通过控制相应的电机设备来对当前环境的温湿度进行调整。

在整个系统的工作中，测控系统测得的温湿度参数通过液晶显示屏显示出来供用户参考。

仿真结果表明，该系统完全能够对库房的温湿度进行监控并对过程中出现的偏差进行调节。

关键词：

库房；温湿度；传感器；单片机

Abstract

Inindustrialproduction,productsarestoragedinaspecificenvironment,thestorageenvironmentwilldirectlyaffecttheproductqualityandtheservicelife,atthesametime,anappropriateenvironmentcanrestainfactorsthatcaninfluencetheproductsfromtheoutside,thereforethewarehouseenvironmenthasanimportantsignificanceforthestorageofproducts.Twoofthemostimportantfactorsinwarehouseenvironmentaretemperatureandhumidity,anappropriateenvironmentwillcausenoharmtothestorageofproducts,butalsocaneffectivelydelaytheagingofmaterials.Basedontheabovereasons,efficientmonitoringmustbetakenintemperatureandhumiditycontrolinwarehouse,andshouldbeadjustedaccordingtothemonitoringoftemperatureandhumidity,soastoachievethebestproductstorageenvironment.

AtemperatureandhumiditymonitoringsystembasedonMCUisdesignedinarchivesroom.Computertechnology,digitalcontroltechnology,sensortechnologyandcommunicationtechnologyarecombinedinthewholedesign,AT89C51asthemaincontroller,byselectingthesuitabletemperatureandhumiditysensor,temperatureandhumiditymonitoringsystemisdesigned,atthesametime,systemfortemperatureandhumiditydeviationinwarehouseenvironmentisdesigned,throughtheselectionofcertainequipmentduetothechangesintheexternalandenvironmentaleffectscausedbythetemperatureandhumiditydeviation

Thewholesystemcanbedividedintofourparts,respectivelyistheenvironmentaltemperatureandhumiditydetectionmodule,controlmodule,displaymoduleandthedeviationadjustingmodule.Environmentaltemperatureandhumiditydetectionmodulemainlybyselectingappropriatesensorstodetectthewarehouseenvironmenttemperatureandhumidity.ThedataistransferedtoMCUafterprocessing,errorisprocessedinMCUcomparedwiththesettingvalue,finallyaccordingtothedeviationbycontrollingthemotorequipmentcorrespondingtothetemperatureandhumidityoftheenvironmentadjustment.Inthewholesystem,temperatureandhumidityparametersmeasuredinthesystemisdisplayedin1602.Thesimulationresultsshowthat,thesystemcanmonitortemperatureandhumidityinthestorehouseandadjustthedeviationappearedintheprocess.

Keywords：

Warehouse；temperatureandhumidity；Sensor；MCU

1绪论

1.1选题背景及研究意义

档案是由承受档案内容的载体材料和反映档案内容的记录材料组成的，随着科学的发展和数字化技术的普及，数字档案馆正在兴起，但是就目前而言，档案的记录仍然以纸质材料为主，这种情况在当前以及后续一段很长的时间内不会改变。

目前，绝大多数档案馆都以纸质档案为主。

纸质档案已经成为人类文化遗产的重要历史见证，属于可重复利用但是非再生的历史性文化遗产。

基于纸质档案的重要性，如何保存人类历史上浩如烟海的纸质档案一直是人类历史上最严峻的问题之一。

相关研究表明，纸质档案的存放主要受到存放环境温度与湿度的综合作用与影响。

根据《档案保护拘束教程》记载，国外学者得出了温度与湿度综合作用对于纸张的影响，并得出了如下的结论：

设定环境温度30摄氏度，相对湿度在50%以下纸张的寿命为1，那么，纸张的寿命与所处环境的温度与湿度呈线性变化。

温度每升高10摄氏度，纸张的寿命降低5倍；温度每降低10摄氏度，纸张的寿命提高5倍，同样的，当温度一定时，相对湿度每提高20%，纸张寿命降低2倍；相对湿度每降低20%，纸张寿命提高2倍。

温度、相对湿度与纸张寿命的关系如表1.1所示。

表1.1温湿度值与纸张寿命对应表

由表1.1可知，档案馆在库房的管理工作中可以根据环境的温度与湿度两个方面来进行，其主要任务为防潮、防腐、防爆、保持温度度等。

而这些指标也是衡量一个库房是否合理的重要标准。

其环境参数是否合理直接影响到库房内工作设备的状态以及储备物资的使用寿命与可靠性。

在这些因素中最主要的就是要控制环境的温湿度，使其处在标准的范围内，因此对于库房内温湿度的监控就显得十分有必要。

在传统的库房温湿度监控中，主要利用干湿度计、毛发湿度表、双金属式测量计或温湿度试纸等测量器材。

这些器材在进行温湿度检测之后还需要人工对数据进行处理，这种温湿度的监控方案不但耗费了大量的人力、物力等资源，而且由于这些测量仪表的精度以及灵敏度有限，并不能实现对库房温湿度的精确测控，除此之外这些传统的温湿度测控仪器的可靠性有限，很容易发生仪器损坏的现象，一旦仪器损坏，那么测得的温湿度参数就无法作为参考或者错误地引导管理员，那么整个库房内的仪器设备、存储资料的寿命都会加速老化，从而造成不可估量的损失。

基于以上的原因，温湿度监控在日常生活以及工业生产中具有极其重要的地位，而在仓库、食品、医药、图书馆、档案馆等场所对温湿度的要求都非常严格，因此有效并且精确的温湿度测控对于这些领域具有极其重要的意义。

1.2国内外的研究现状

由于温湿度测控对于工业、军事、农业等行业都有着重要的影响，因此温湿度控制被运用于科研、军事、农业等各行各业。

而各种关于温湿度的测控系统也早早地被各界学者所研究。

在绝大多数温湿度测控场所中，温湿度的控制都采用PID控制策略。

其中的原因一方面是由于PID控制方式产生较早，各界学者对其研究成果相对成熟，除此之外，采用PID控制策略能够满足大部分的温湿度测控场所，因此，在传统的温湿度测控系统以及设备中，基于PID的温湿度控制方式已经成为首要选择。

然而，随着科学技术的发展，温湿度的测控要求也与日俱增，不管是测量反应时间、测量精度、测量数据的传输与以往的测量系统相比都有着较大的提高，因此新的控制策略也逐渐地加入到测控系统当中，其中具有典型代表的有模糊控制、神经网络控制等，最近兴起的还有去伪控制等新兴控制策略。

随着计算机技术的发展，温湿度测控也由原本的个体测量系统发展到现在基于主机-终端模式的现代化测控方式。

基于主机-终端模式的测控方式与工业中分布式监控方式相类似，即系统中始终有一个主机担任整个测控系统的管理，各个单体测控模块在采集到环境变量之后，通过一定的数据传输总线传输到计算机，最终由计算机对总线中所有的测控模块测得的数据进行显示、处理、存储等操作。

这种测控模式相对于传统的单体环境参数测量系统具有布线灵活、易于拓展等特点，除此之外，由于用户可以直接在计算机中对各个测控模块的运行情况进行观察，因此该系统大大提高了系统的灵活性，同时使得系统易于拓展，用户只需要将需要的测控系统连接在总线中，计算机就可以根据地址信号来对新加入的测控，模块进行数据采集。

目前分布式温湿度监控系统也是主要的发展方向，这是计算机技术、数据采集技术、信号处理技术、通讯等技术相互渗透发展而成的。

随着今年以太网技术的迅速发展，基于以太网通信技术的环境测控系统也正在兴起，该种测控方式以工业以太网为载体，包括高速以太网和以太网交换机；高速以太网极大地减少了数据传输的延迟；工业以太网交换机把控制网络分成若干个相互独立的冲突区域，这样做可以使得各个冲突区域不会因为线路的竞争而发生碰撞，从而保证了信号传输的速度与可靠性。

因此，高速的工业以太网代替传统的现场总线控制网络将会成为工业技术发展中的一个重大技术趋势。

1.3论文的主要工作及章节安排

本系统以某档案室的温湿度测控为目标，通过选择合适的温湿度传感器来搭建温湿度检测模块，该模块测得环境的温湿度之后，将数据传输至主控制器，主控制器根据接收到的温湿度数据与预设值进行判断，若现场检测得到的温湿度参数处于系统的要求之内，则返回温湿度检测模块继续下一个周期的检测，若检测到当前环境中的温湿度超出预设值，则根据事先设定好的控制方式来启动相应的设备对环境中的温湿度进行调节，直到现场环境中的温湿度达到环境设定的指标。

与此同时，在主控制器接收到当前环境中的温湿度信号之后还需要将数据经过总线传输至上位机，通过上位机对数据进行显示、存储等操作。

设计全文总共分为七个章节，主要安排如下。

第一章：

主要介绍选题的背景及研究意义，并且对国内外的研究现状做了简要的介绍；

第二章：

对系统的总体设计结构进行说明并设计出系统的硬件部分；

第三章：

对系统的软件部分进行设计；

第四章：

系统的仿真与调试；

第五章：

对设计进行总结，并对下一步的研究提出目标和任务。

最后则是致谢与参考文献。

1.4本章小结

本章主要介绍了课题的来源以及本课题的研究意义，同时就国内外的研究现状作了简要的介绍。

在本章节的最后还对本课题的安排进行了简要的说明，指明了课题研究的目标与内容。

2系统总体结构

本章节的设计内容是整个系统最重要的部分之一，首先需要对系统的总体结构进行说明，在确定了系统的总体设计方案之后提出系统的主要性能指标及功能，最后说明系统的主要特点。

2.1系统结构

整个系统大致分为两个部分，分别为下位机和上位机。

下位机主要由传感器检测模块、单片机最小系统、数据显示模块、偏差执行机构和通信模块。

上位机主要是利用VB软件的MSCOMM控件实现计算机与单片机之间的通信。

整个系统的组成框图如图2.1所示。

图2.1系统总体结构框图

系统的工作大致工作流程为：

下位机中的温湿度检测模块对当前环境中的温湿度进行采集，数据采集模块测得环境的温湿度之后，将数据传输至主控制器，主控制器根据接收到的温湿度数据与预设值进行判断，若现场检测得到的温湿度参数处于系统的要求之内，则返回温湿度检测模块继续下一个周期的检测，若检测到当前环境中的温湿度超出预设值，则根据事先设定好的控制方式来启动相应的设备对环境中的温湿度进行调节，直到现场环境中的温湿度达到环境设定的指标。

在系统的整个工作过程中，上位机始终与下位机保持通信状态，并且当前系统中的温湿度信号会显示在上位机软件中，用户可以对检测得到的信号进行存储、编辑等操作。

2.2系统主要指标

整个系统的功能指标主要由温湿度传感器、除湿器以及散热风机决定。

温湿度传感器：

采用集成温湿度传感器，其中温度测量范围为-55~+65℃，温控精度为±0.5℃；湿度测量范围为：

0~99%RH，湿度测量精度为±3%RH；

除湿机：

采用工业冷凝除湿机；

散热风机：

采用220V交流市电供电的工业用散热风机；

2.3系统的特点

（1）库房现场所用的温湿度检测传感器实行数字化输出，不但使得外围电路得到了最大程度上的简化，而且由于外围器件的减少，系统的可靠性得到了提高；

（2）采用分布式测控系统，每个传感器的通信总线上都可以连接多个传感器进行数据传输，符合现代工业现场的布线要求；

（3）采用两线制的串行总线进行数据传输，施工简单，节省器材，施工成本降低；

（4）上位机的设计使得用户无需在库房之内就可以实现温湿度的监控；

（5）上位机中实时显示各个传感器的工作情况，便于用户对损坏的器件进行检修。

2.4本章小结

本章主要介绍了温湿度测控系统的系统总体结构，并且就系统的要求说明了系统工作过程中各个模块的参数和指标，在章节的最后还介绍了系统的主要特征。

在下一个章节中，将根据系统的工作指标就系统的硬件设计进行详细的说明。

3系统的硬件设计

整个硬件部分的设计主要包括传感器检测模块、单片机最小系统、偏差执行机构。

系统上电工作时，温湿度检测模块对当前环境中的温湿度进行采集，数据采集模块测得环境的温湿度之后，将数据传输至主控制器，主控制器根据接收到的温湿度数据与预设值进行判断，若现场检测得到的温湿度参数处于系统的要求之内，则返回温湿度检测模块继续下一个周期的检测，若检测到当前环境中的温湿度超出预设值，则根据事先设定好的控制方式来启动相应的设备对环境中的温湿度进行调节，直到现场环境中的温湿度达到环境设定的指标。

系统总体硬件结构如图3.1所示。

下面就这几个部分进行必要的介绍。

图3.1系统硬件结构框图

3.1温湿度测量方法

3.1.1温度测量方法

在温度的测量中，主要有压力式温度计、热电阻式温度计、双金属式温度计、热电偶式温度计、光学高温计、辐射高温计以及红外测温仪等。

压力温度计是最早用于工业生产过程测温的方法之一，其结构简单，具有很好的机械强度，并且其在工作时不依赖外部电源、价格低廉，曾被广泛运用于工业生产过程的测温中，但由于其响应时间长、仪器密封不变维修、受外界环境影响较大，逐渐退出温度检测行列。

热电阻式温度计是利用导体或半导体的阻值随温度变化而变化的特性进行温度测量的一种温度计，它可以将温度信号转变成电阻的变化，最终由电阻的变化转变成电信号的变化，计算机通过对电信号变化的检测就可以实现温度的测量，由于其精度高，再现性好，被广泛运用于各种温度检测系统中。

但是由于电阻温度计在工作过程中需要用到电源并且机械强度较低，因此不能用在存有机械振动的场合中。

双金属式温度计具有结构简单、价格较低、维护方便等优点，被广泛运用于各种测温场合，但由于其精度较低，因此只能用在精度要求较低的场合中。

热电偶在工业测温中占有很大的比重，其可用于非接触式测温，具有体积小、安装方便等优点，但缺点是温度输出与热点势之间呈现飞线性关系，因此需要对热点势经过线性处理之后才能使用。

光学高温计、辐射高温计以及红外测温仪都输出非接触式测温计。

3.1.2湿度测量方法

日常生活以及工业现场中所指的湿度通常为相对湿度，用RH%表示。

即气体中（通常为空气中）所含水蒸气量（水蒸气压〉与其空气相同情况下饱和水蒸气量（饱和水蒸气压）的百分比。

对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值（重量或体积）等等。

常见的湿度测量方法有：

动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和电子式传感器法。

双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。

由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，要作为标准计量之用，其测量精度可达±2%RH以上。

静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。

但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。

用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。

特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡6~8小时。

露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。

计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。

但用现代光-电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。

干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。

历史悠久，使用最普遍。

干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：

即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上，普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有5~7%RH。

电子式湿度传感器法电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业,近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。

湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为幵发新一代温湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。

因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。

表征传感器静态特性的要参数有：

线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

3.2传感器选型

在本系统的设计中，传感器主要分为温度传感器和湿度传感器，因此需要对这两种传感器进行选型。

3.2.1温度传感器的选择

在系统的设计中，总有三种温度传感器可供选择，分别是热电阻式温度传感器、模拟集成温度传感器和数字化温度传感器。

方案1：

热电阻式温度传感器是利用导体或半导体本身的电阻值随温度的升高而增大的特性制成的，在该种传感器的测量中，温度信号转变成热电势的电信号，电信号最终经过一定的处理传送到计算机，计算机根据得到的数据可以对现场温度进行换算，最终得到现场所测量的温度。

其主要由铂、铜、镍等热电阻，具有测量范围广、测量精度高、便于数据的远距离传输等特点，铂电阻是其中性能最好的一种，由于其金属性较差，因此能够在恶劣的环境中不被腐蚀，耐氧化能力极强，因此铂电阻也被广泛运用于工业现场的温度测量中。

而铜、镍电阻由于金属活跃性强，因此容易受到酸等环境的腐蚀，并且容易氧化，主要在非腐蚀性的介质中使用，在工业中用于-50~+180℃的测量，

方案2：

采用模拟集成温度传感器。

在方案的备选中，使用美国ANALOGDEVICES公司推出的一款单片集成两端温度传感器AD590。

该种模拟集成温度传感器以电流输出的方式传递温度数据，其输出电流与当前环境的温度成正比。

其使用范围为-55~+150℃，低成本的单芯片集成电路以及不需要外围电路的特点，使得该芯片在温度测量领域有很防范的应用。

与传统的模拟传感器不同，其在使用过程中不需要进行线性化处理、精密运放、电阻测量以及冷端补偿等电路，用户在使用的过程中只需要对芯片输出的电流进行电压变换，经过A/D转换器之后就可以将模拟量转变成数字量，从而被主控制器所接收、处理；除此之外，AD590在进行长线传输时，对于电路上的压降并不敏感，任何一种绝缘性能良好的双绞线都可以用来进行电流的传输，传输距离可以达到数百英尺。

因此选择该种模拟集成温度传感器作为备选方案具有很高的可能性。

方案3：

采用数字化温度传感器。

在采用数字化温度传感器作为备选方案时，共有两种器件可供选择，分别是美国DALLAS公司推出的DS18B20以及瑞士SENSIRION公司推出的温湿度传感器SHT11。

下面就这两种器件分别进行简要的介绍并对芯片进行选型。

DS18B20是一种支持“一线制总线”接口的温度传感器，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强以及易于配置微处理器等特点，可以直接将温度信号装换成数字信号以供主控制器使用。

SHT11与DS18B20相类似，同属于数字型温度传感器，与DS18B20相类似地使用一线制数据传输方式。

除了性能上的细微差别之外，其与DS18B20最主要的区别就是除了能够输出温度信号之外，还可以输出检测环境的湿度信号。

通过对以上三种备选方案的分析可以知道，热电阻式温度传感器虽然测量范围广，输出精度高，但由于铂电阻价格相对来说较高，并且在使用了该种温度传感器之后，后续还需要加上信号放大电路、滤波电路以及A/D转换电路等，这无疑为系统的成本加大了许多，因此综合考虑，该种温度传感器并不适用于本系统的库房温湿度监控当中；第二种模拟集成温度传感器具有良好的线性输出，测量范围也比较广，并且适合长距离传输，但由于其后续需要添加模数转换系统，这样做不但使得系统的成本得到了增加还由于元件的增加，降低了系统的可靠性。

因此系统最终将传感器的选型定位在数字型温度传感器中。

3.2.2