智能温度控制系统设计.docx

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智能温度控制系统设计

目录

一、系统设计方案的研究3

（一）系统的控制特点与性能要求3

1.系统控制结构组成3

2.系统的性能特点4

3.系统的设计原理4

二、系统的结构设计6

（一）电源电路的设计6

（二）相对湿度电路的设计7

1.相对湿度检测电路的原理及结构图7

3.对数放大器及相对湿度校正电路9

3.断点放大器10

4.温度补偿电路10

5.相对湿度检测电路的调试11

（三）转换模块的设计11

1.模数转换器接受11

2.A/D转换器ICL713512

（四）处理器模块的设计13

1.单片机AT89C51简介及应用13

2.单片机与ICL7135接口16

3.处理器的功能17

4.CPU监控电路17

（五）湿度的调节模块设计17

1.湿度调节的原理17

2.湿度调节的结构框图17

3.湿度调节硬件结构图17

4.湿度调节原理实现18

（六）显示模块设计19

1.LED显示器的介绍19

2.单片机与LED接口19

（七）按键模块的设计20

1.键盘接口工作原理20

2.单片机与键盘接口20

3.按键产生抖动原因及解决方案20

4.窜键的处理21

三、软件的设计及实现22

（一）程序设计及其流程图22

（二）程序流程图说明23

四、致谢24

参考文献：

24

智能温度控制系统设计

摘要:

此系统采用了精密的检测电路（包刮精密对称方波发生器、对数放大及半波整流、温度补偿及温度自动校正及滤波电路等几部分电路组成），能够自动、准确检测环境空气的相对湿度,并将检测数据通过A/D转换后，送到处理器（AT89C51）中，然后通过软件的编程，将当前环境的相对湿度值转换为十进制数字后，再通过数码管来显示；而且，通过软件编程，再加上相应的控制电路（光电耦合及继电器等部分电路组成），设计出可以自动的调节当前环境的相对湿度：

当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态；键盘设置及调整湿度的初始值，另外在设计个过程当中，考虑了处理器抗干扰，加入了单片机监视电路。

关键词：

湿度检测;对数放大;湿度调节;温度补偿

一、系统设计方案的研究

（一）系统的控制特点与性能要求

1.系统控制结构组成

（1）湿度检测电路。

用于检测空气的湿度[9]。

（2）微控制器。

采用ATMEL公司的89C51单片机，作为主控制器。

（3）电源温压电路。

用于对输入的200V交流电压进行变压、整流。

（4）键盘输入电路。

用于设定初始值等。

（5）LED显示电路。

用于显示湿度[10]。

（6）功率驱动电路（湿度调节电路）

图1.1系统结构图

2.系统的性能特点

（1）自动检测室内空气的湿度。

（2）当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态[11]。

（3）数码管显示当前的湿度。

（4）键盘设置及调整湿度的初始值。

3.系统的设计原理

该湿度控制系统由湿度检测电路[12]、CPU监控电路、显示电路、A/D转换电路、排风与加热控制电路和微处理器等组成，其中微处理器AT89C51是整个系统的控制核心，它的原理电路如图l所示。

工作原理如下：

湿度检测电路将当前环境湿度信号通过A/D转换后，送到处理器AT89C51中，然后处理器通过软件的运行，将当前湿度信号通过LED显示出来（显示相对湿度值），并且处理器通过程序的运行，判断当前湿度值是否在预先设定的范围之内[13]。

假设不是，系统就会自动进行湿度的调节：

当湿度检测电路检测到当前环境湿度高于设定值的上限的时候，微处理器将使P2.6输出低电平，起动减湿控制电路使吹风机开始工作，开始排风散热降温；当湿度检测电路检测到当前环境湿度低于湿度设定下限时，P2.7输出输出低电平，使蒸汽机控制电路工作，开始加热增加湿度[14]。

附件图（1.2）。

（二）湿度测量的名词术语

湿度：

湿度是表示空气中水蒸气的含量。

湿度又分为绝对湿度和相对湿度两种。

绝对湿度：

绝对湿度亦称水蒸气密度，它表示水蒸气的质量与总容积的比值，有公式

（1.1）

式中,dv代表绝对湿度,它表示每立方米干燥空气与水蒸气的混合物中所含水分的克数；p为水蒸气的压强（单位是Pa）；Ｔab为干燥空气的温度值（单位是℃）．需要指出，国内也有人将空气中所含水蒸气的压强理解为绝对湿度，这与国外关于绝对湿度的定义不相符。

相对湿度：

相对湿度表示在相同湿度下大气中水蒸气的实际压强与饱和水蒸气的压强之比，通常用百分数来表示。

相对湿度的英文缩写为ＲＨ（RelativeHumidity），有公式：

（1.2）

式中，p1（T）代表温度为Ｔ时的水蒸气压强，p2（T）表示在温度Ｔ下的饱和压强。

显然，相对湿度是压强和温度的函数。

　　露点：

在水蒸气冷却过程中最初发生结露的温度。

若气温低于露点，水蒸气开始凝结。

湿度比：

它表示水蒸气的质量与干燥空气的质量比。

　　大气压强：

在单位面积上大气的压力。

通常将海平面高度的大气压强称为１个标准大气压，p0=101.325Pa。

大气压强随高度的增加而降低。

设Ａ、Ｂ两点的高度差h2-h1=h,这两点的大气压强分别为p1,p2。

有公式

（1.3）

当距海面高度为1000M、2000M、4000M、8000M时，大气压强就依次降成0.88p0﹑0.78p0、16p0﹑0.37p0。

水蒸气压强：

当空气和水蒸气的混合物与水（或冰）保持平衡时，就处于饱和状态，相对湿度达到100%，此时水蒸气对水（或冰）的饱和压强就称做水蒸气压强。

其计算公式比较复杂，并且计算水和冰的饱和压强的公式也不同。

二、系统的结构设计

（一）电源电路的设计

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。

整流器把交流电变为直流电。

经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求，稳压电源的技术指标可以分为两大类：

一类是特性指标，如输出电压、输出电流及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。

对稳压电源的性能，主要有以下四个万面的要求：

1、定性好，2、输出电阻小，3、电压温度系数小，4、输出电压纹波小。

我设计的稳压电源是以78XX和79XX系列稳压器为基础的，这类电源能够产生±5V，±15V。

它是先将来自交流电的电压通过变压器（即将220V转换为20V），然后通过78XX和79XX稳压器，达到设计要求。

首先来介绍一下78XX和79XX的基本情况。

78XX和79XX系列是常用三端固定电压集成线形稳压器，78XX系列为正电压输出稳压器，79XX系列为负电压输出稳压器。

除了输出电压极性不同外，其他方面基本相同，因此，本节以78XX系列为例进行介绍。

型号78XX/79XX系列中的XX数字表示集成稳压器的输出电压的数值，以V为单位，例如：

7805表示输出正电压为+5V，7924表示输出负电压-24V等。

有5V，6V，9V，12V，15V，18V，24V等7种不同的输出电压档，能满足大多数电子设备所用的电源电压。

此外，型号中还有英文字母：

数字前面的字母如LM78XX等，通常表示生产厂家，LM表示美国MULB公司。

中间的字母如78LXX等，通常表示电流等级，L表示的是小电流（100mA），M表示中电流（500mA）。

图2.1示出了78XX/79XX的管脚与封装形式，集成稳压作为稳压电源的一般接法如图2.2所示。

1.输入端，2.输出端，3.公共端

1.公共端，2.输入端，3.输出端

图2.1

图2.2

基于我要得到正负电源同时使用和电路电源要求，我选用正负三种集成稳压器（7805、、7812、7815、7905、7912、7915），按图2.3所示设计：

图2.3

C1、C2是用以抵消其较长接线的电感效应，防止产生自激震荡，界限不长时可以不用，C1、C2一般在（0.1~1）μF，输出端的电容C3、C4用来改善暂态响应，使瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动，削弱电路的高频噪声，C3、C4可用10μF。

由此得到稳压电源的设计图2.4

在图中A端输出+15V，B端输出+12V，C端输出+5V，D端输出-15V，E端输出-12V、F端输出-5V，这6种电源可以供我们后来设计器件的备用电源，如：

湿度检测电路、单片机电源、A/D转换ICL7135、继电器的电源等。

（二）相对湿度电路的设计

1．相对湿度检测电路的原理及结构图

（1）相对湿度检测电路框图如图2.5所示：

主要包刮9部分：

①精密对称方波发生器；②湿敏电阻；③对数放大器（兼做半波整流）；④湿度校正电路及滤波器；⑤输出放大器；⑥断点补偿电路；⑦温度补偿电路；⑧+15V稳压电源。

检测电路特点

鉴于当直流电流通过湿敏电阻时会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，因此必须采用交流信号或对称方波信号来驱动湿敏电阻。

在这里选用具有稳幅作用的精密对称方波发生器作为信号源，其输出信号中不包含直流分量。

为解决湿敏电阻的非线性问题，由晶体管（VT1）和运算放大器构成对数放大器，对湿敏电阻的指数型特性曲线进行线性化，

利用湿敏校正电路对40%RH、100%RH两点进行校正，再通过滤波器产生一个代表相对湿度的直流输出电压，输出电压范围是0～10V，所对应的相对变化范围是（0～100%）RH。

输出信号送至

位A/D转换器，通过ICL7135A/D转换将模拟量转换位BCD码送至微处理器进行数据处理。

利用断点放大器专门对40%RH以下的相对湿度信号再进行一次线性补偿，使其输出信号尽可能呈线性。

利用集成恒流源的正温度系数去补偿热敏电阻的负温度系数，大大降低了温漂。

然后选用一片廉价的集成音频放大器对VT1进行温度补偿，使VT1的直流工作点不随环境温度的变化而变化。

2.对数放大器及相对湿度校正电路

对数放大器由晶体管VT1和运放IC1c构成。

将VT1的基极接地，集电极接A点（虚地）时，相当于把集电极与基极短接，VT1就等效于硅二极管。

VT1的发射极电压（UBE）与集电极电流（IC）呈对数关系，其表达式为

（2.1）

式中K为波尔兹曼常数，K=8.63*10-5qV/K，q为电子电量（q=1.60219×10-19C）,T为热力学温度（K），IS为晶体管反向饱和电流。

根据这一特性可设计成对数放大器，用来补偿湿敏电阻的的指数曲线，使之近似于线性关系。

利用电路实现线性化的原理如下：

湿敏电阻的电阻值于相对湿度的关系式可近似表示为

R=Ae-RH（2.2）

式中的A为一变量，RH代表相对湿度（单位是%），令VT1发射极输出电压为UO2，显然，UO2=UBE。

考虑IC=IRH，然后将公式化简后得到

（2.3）

不难看出，UO2与相对湿度成正比，这就实现了对湿敏电阻的线性化。

在方波信号的正半周，UO1=+8V，使VD5截止，UO1途径湿敏电阻、求和点A，接VT1的集电极，再利用电路中的VT1对IRH求对数。

因IC1C作为反向放大器使用，故UO2输出的是负向方波信号。

在负半周时，UO1=—8V，使VD5导通，对数放大器不工作，因此，对数放大器兼有半波整流作用。

UO2送至IC1d的反相输入端。

由IC1d和电位器RP1、RP2组成的相对湿度校正电路。

其中，RP1用以校正40%RH的刻度，RP2则用来校正100%RH的刻度。

校正后的信号通过滤波电容（C3）得到直流信号，再经过输出放大器IC3a（1/2lf352）放大，获得0～+10V的输出电压。

3.断点放大器

所谓“断点”（breakpoint）就是指40%RH这一点。

，PCRC—55型湿敏电阻在RH≦40%时的非线性失真最为显著，针对这种情况可通过断点放大器再做一次局部线性化处理。

断点放大器（IC3b）就并联在输出放大器（IC3a）的两端。

当RH≦40%时，利用IC3b可以改变IC3a的增益，使相对湿度曲线在0～40%的范围内更接近于线性。

设IC3Ad同相输入端电压为U1（这也是IC3b的反相输入端电压），IC3b的同相输入端电压为U2。

根据图4.2.2所示电路不难算出U2=+0.37V，该电压即为IC3b的参考电压。

当RH﹥40%时，因U1﹥U2，IC3b输出为低电平，故VT4和VD6均截止，断点放大器不工作，对（40%～100%）相对湿度的线性化任务全部由对数放大器来完成。

仅当RH=40%时，U1≈0.36﹤U2，IC3b输出变成高电平，使VT4、VD6导通，断点放大器才开始工作，可使0～40%相对湿度范围内的输出电压与相对湿度仍然保持线性关系。

电路中R13和VD6的作用的防止在断点附近产生抖动现象。

4.温度补偿电路

当环境温度发生变化时，VT1的直流工作点也会改变，这必将影响对数放大器的输出特性。

因此，必须对VT1采取一定的温度补偿措施。

温度补偿电路实际上是由IC4～IC6和VT2、VT3等组成的小型恒温槽式控制器，并且需将VT2、VT3与VT1紧贴在一起。

将VT2的集电极短接，利用其发射极作为温度传感器使用。

IC5是温控电路。

VT3作为加热器，给VT1提供一个+50℃（典型值）的工作温度，使之不受外界环境温度变化的影响。

IC6（7812）给IC5提供+12V的稳压电源。

IC5的参考电压U3=+0.63V，该电压所对应的VT1管壳温度恰好为+50℃。

一旦VT1温度偏离+50℃，VT2就通过放大器来改变VT3的基极电流，调节VT3的发热量，使VT1始终工作在+50℃恒温状态，从而消除环境温度变化对VT1工作点的影响。

VDZ为3伏稳压管。

5.相对湿度检测电路的调试

（1）给电路通电后，用数字万用表测量VT2的基极电压U3，适当调节R19的电阻值使IC3的反相输入端电压也接近于U3[17]。

（2）将VT3的基极与地脱开后，该电路即具有+50℃的恒温特性。

该仪表经过测试，即壳测量相对湿度。

旦需要说明两点：

第一，在更换湿敏电阻时，应重新校正仪表；第二，所给出的曲线是在室温（TA=+25℃）下测相互来的，当湿敏电阻的实际工作温度为T时，还应根据厂家给出的PCRC—55的温度特性对RH读数值进行修正，计算出实际相对湿度值[18]。

（三）转换模块的设计

1.模数转换器接受

能够完成将模拟量转换成数字量的器件叫模/数转换器，简称A/D转换器。

A/D转换器的种类很多，按位数来分，有8位、10位、12位、16位。

位数越高，其分辨率也越高，但价格也越高。

A/D转换器就其结构来分，有单独的A/D转换器；有的A/D转换器带多路开关；有的带多数开关、数据放大器、采样/保持及A/D转换器，其本身就是一个完整的数据采集系统。

A/D转换器按转换原理分：

计算器式A/D转换、逐次逼近型A/D转换、双积分式A/D、并行A/D转换、串-并行A/D转换等。

在这些转换方式中，计数器式A/D线路比较简单，但转换速度比较慢，所以现在应用很少。

双积分式A/D转换精度高，多用于数据采集系统及精度比较高的场合。

并行及串-并A/D转换速度比较快，多用于雷达及图象处理等要求比较高的场合。

逐次逼近型A/D转换既照顾了转换速度，有具有一定的精度，是目前工业过程控制系统中应用最多的一种。

目前，绝大多数A/D转换器都采用这种转换方法。

2.A/D转换器ICL7135

ICL7135是目前市场上广泛流行的单片集成4位半双积分A/D转换器。

由于ICL7135具有4位半的精度（相当于14位二进制数）、自动校零、自动极性输出、单一参考电压、动态字位扫描BCD码输出、自动量程控制信号输出、价格低等特点，所以广泛应用于微控制器的应用系统和各种精度较高的数字仪器等领域[19]。

（1）主要参数

CMOS集成电路；

双积分转换技术；

单一参考电压；

采用BCD码扫描输出；

能用闪烁显示的方式表示超量程状态；

具有六路输入/输出（I/O）辅助信号，可以和微处理器相连，进行复杂的控制；

具有自动转换量程的过和欠量程信号；

允许差分输入；

具有自动极性辨别功能和自动校零电路；

双电源供电；

准确度高0.005%±1个字；

输入漏电流低1pA；

分辨率高14位；

零读数漂移0.5μV/℃；

输入阻抗高109Ω；

转换速度慢3次/秒；

噪声低15μV。

（2）引脚排列合引脚说明　

V-：

负电源输入端，典型值为-5V。

VREF：

参考电源输入端，典型值为1V，参考电压的精度合稳定度将直接影响转换精度。

D5、D4、D3、D2、D1：

BCD码数据的位选通信号输出端，分别分位万、千、百、十、个位。

B1、B2、B4、B8：

BCD码数据输出线。

BUSY：

转换状态标志输出端。

积分器在积分过程中（对信号积分和反向积分）BUSY输出高电平，积分器反向积分过零后输出低电平。

CLK：

时钟输入端。

双极性模式：

最高时钟频率为125Hz,转换速度为3次/秒；单极性模式：

最高频率为1MHz，这时转换速度为25次/秒。

AGND：

模拟地，

INTOUT：

积分器输出。

AZIN：

自调零输入端。

BUFOUT：

缓冲放大器输出端。

REFCAP-：

外接参考电容引脚。

REFCAP+：

外接参考电容引脚。

INLO：

信号输入低端。

INHI：

信号输入高端。

V+：

正电源输出端，典型值为+5V。

DGND：

数字接地。

POL：

极性输出端。

当信号为正时，POL极性输出为高电平；输入信号为负时，POL极性输出为低电平。

R/

：

启动转换/保持控制端。

该端接高电平时，ICL7135为自动连续转换状态，1/2。

一次A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD码数据输出，可利用该信号把数据打入到并行接口中供CPU读取，这在和微处理接口时显得非常重要。

OVERRANG：

过量标志输入端。

当输入信号读数超过转换记数范围时，该引脚输出高电平。

UNDER：

欠量程标志输入端。

当输入信号读数小于9%或者更小时，该端输出高电平。

（四）处理器模块的设计

1.单片机AT89C51简介及应用

（1）AT89C51性能及特点

AT89C51是一种与MCS—51单片机相兼容的、高性能的8位CMOS微控制芯片，采用40引脚DIP封装，片内带有4KB的快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM）。

是当前较先进的一种电擦除8位单片机，它与MCS-51指令系统完全兼容，片内FPEROM允许对程序存储器在线重新编程。

也可用常规的EPROM编程器编程。

具有超强的加密功能。

ATMEL公司生产的这种89C51微控制器，将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在同一芯片上，可完全替代87C51和8751/8752，为很多嵌入式控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案，深受用户欢迎。

此外,AT89C51还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式,在空闲模式下,CPU停止工作,但RAM,定时/计数器,串行口和中断系统仍然工作.在掉电模式下,只保存RAM的内容,振荡器停振,关闭芯片的所有其它功能,直到下一次硬件复位为止.其空闲和掉电两种工作方式以及静态逻辑运作等情况,与MCSC51相同.

AT89C51主要特性如下：

与MCS-51产品兼容；

4K字节可编程闪烁存储器；寿命：

1000写/擦循环；数据保留时间：

10年；全静态工作：

0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；可编程全双工串行；4KB的在线可重复编程快闪存储器，写/檫可达1000次以上。

（2）AT89C51内部结构说明

AT89C51的FLASH存储器有4KB，RAM只有128字节，加密位有三位，加密位为LB1，LB2。

AT89C51是一带有2KB字节的闪速可编程可擦除的只读存储器（PEOM），低电压，高性能的8位CMOS微型计算机，有如下特性；和MCS—51系列产品完全兼容，2KB的FLASH的程序存储器，可擦写1000次，2.7—6电压范围，静态工作方式，可外接0—24MHZ的晶体振荡器，；两级程序存储器，；128字节SRAM；32根可编程I/O引线；三个16位定时/计数器，六个中断源，可编程UART串行口，直接LED驱动输出，片内模拟比较器，低功耗空闲方式和掉电工作方式。

AT89C51是ATMEL微控器家族中廉价的成员，它含有2KB字节的快闪存储器和MCS—51结构兼容并可用MCS—51指令集进行编程，89C51程序存储器大小的物理范围为000H---7FFH，且89C2051中已保留了标准中断服务的子程序的地址，AT89C51包含128字节内部数据存储器，这样8951中堆栈的深度局限于内部RAM的128字节范围内，它既不支持外部数据存储器的访问，也不支持外部程序存储器的访问的执行，因此，程序中不应该包含MOV[]指令。

（3）端口介绍:

ALE端口：

地址锁存使能在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节在正常情况下ALE输出信号恒定为1/6振荡频率并可用作外部时钟或定时注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略ALE可以通过置位SFR的auxlilary.0禁止置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。

PSEN端口：

程序存储使能当执行外部程序存储器代码时PSEN每个机器周期被激活两次在访问外部数据存储器时PSEN无效访问内部程序存储器时PSEN无效。

EA/Vpp：

外部寻址使能/编程电压在访问整个外部程序存储器时EA必须外部置低如果EA为高时将执行内部程序除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址该引脚在对FLASH编程时接5V/12V编程电压（Vpp）如果保密位1已编程EA在复位时由内部锁存。

RST为复位输入端，振荡器工作时，该引脚上两个周期的高电平复位AT89C2051。

XTAL1：

振荡器反相放大器内部工作时钟电路输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

P0口：

P0口是开漏双向口可以写为1使其状态为悬浮，用作高阻输入P0也可以在访问外部程序存储器时作地，址的低字节在访问外部数据存储器时作数据总线此时，通过内部强上拉输出1。

P1口：

P1口是带内部上拉的双向I/O口向P1口写入1，时P1口被内部上拉为高电平可用作输入口当作为，输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电，流（见DC电气特性）P1口第2功能，T2（P1.0）定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出（见可编程输出），T2EX（P1.1）定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制。

P3口第二功能

P3口

第二功能

P3.0

RXD（串行口输入）

P3.1

TXD（串行口输出）

P3.2

INTO（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（外部定时输入0）

P3.5

T1（外部定时输入1）

表2.1P3口特殊功能

P2口：

P2口是带内部上拉的双向I/O口向P2口写入1，时P2口被内部上拉为高电平可用作