基于单片机的配电房温湿度测控系统设计论文本科论文.docx
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基于单片机的配电房温湿度测控系统设计论文本科论文
基于单片机的配电房温湿度测控系统设计
摘要
为保证电气设备在配电房的安全运行，设计了一个基于ATC89C51单片机作为控制器的温湿度测控系统，本文首先介绍了系统的总体方案设计，然后详细介绍了各部分硬件及软件的设计，硬件部分包括串行通信电路、系统电源、人机交互界面、控制部分及输出部分。
软件部分采用汇编语言进行编写，给出了详细的流程图及部分子程序的设计。
实践表明，该系统工作稳定，抗干扰能力强，具有良好的性价比和应用价值，能实现自动控制、手动控制和报警功能，并且对于其它领域的温湿度测控系统的设计也有着较高的参考价值。
关键词：
温湿测控；ATC89C51；配电房
ABSTRACT
DesignofTemperatureandHumiditymeasurementandControlsystembasedonATC89C51isforthepurposeofguaranteeingelectricequipmentrunsafelyintheswitchinghouse.Firstwegivethegeneralplanofthedesign.Detailedtechniqueswillbepresentedtodescribeeverypartofthedesignofthehardareandsoftware.Forthehardware,itincludestheserialcommunicationcircuit、thesystempowersupply、thehuman-computerinteractioninterface、thecontrolsystemandtheoutputpart.Forthesoftware,weuseassemblelanguageandgivedetailedflowchartandsomedesignsofsubprogram.Thepracticeshowedthatthesystemworksstabilizationwellanti-interfere,highperformancepriceratioandapplicationvalue，hasauto-control、Manualcontrol、alarmingbareimplementedinthesystemandalsoavailableforreferencetodesignofotherfieldsofTemperatureandHumiditymeasureandcontrolsysteminstructions．
KEYWORDS:
temperatureandhumiditymeasureandcontrol,ATC89C51,TheSwitchingHouse
第一章绪论
配电房内的温湿度指数严重影响着供电设备的安全运行，在电力装置中，由于温度过高、过低，使元器件失效或环境湿度过大等引起的漏电现象时有发生。
多年来，对于这种在配电房工作状态下温、湿度需要同时控制的复杂的辨识问题，一直未能很好解决，有的方案在硬件系统设计方面的技术水平非常高，但是关于软件流程方面讨论的不够详细；有的方案则将重点论述在软件的流程及子程序设计方面，但是在实际的硬件设计方面略显粗糙；还有的方案在软硬件方面都加以了讨论，但是对于问题的实用性讨论不强。
基于以上各种原因，开发了以ATC89C51单片机为控制器的温湿度测控系统，分硬件部分和软件部分分辨详细论述该系统，硬件方面采样使用上海适科机电设备科技公司生产的T295工业分体耐压高温温湿度传感器，通过外接ADC0809转换芯片实现模数转换，采用动态显示方式驱动4个七段数码管，交替显示温度和湿度信息，同时采用采用非独立的4X4矩阵键盘设置工作模式与设定所需要的温湿度值，可大大减轻单片机的工作量，通过整流滤波稳压电路给系统供电，通讯部分采用串口通信电路与上位机相连，输出部分采用固态继电器AC~SSR连接电热丝与风扇进行输出，同时回路里装有电气隔离部分、抗干扰环节、报警部分和自动手动控制开关，能够完美电气隔离，增强系统的抗干扰能力，提高系统的预警能力，并且能实现系统的自动功能与手动功能的快速切换。
软件方面采用汇编语言进行编写，单片机与上位机直接通过Turbo语言实现通讯，为较好的实现对温湿度偏差的控制与调节，采用PID控制算法来实现对偏差的调节，具有原理简单，易于实现，结构典型，参数整定方便，鲁棒性强，适用面广和效果显著等特点，特别适用于对象动态特性不完全掌握、得不到精确数学模型、难以用控制理论进行分析和综合的场合。
PC机与AT89C51单片机的串行通信程序由两部分组成，一部分是PC机的通信程序，另一部分是单片机的通信程序。
对于软件部分的抗干扰设计也给出了较为详细的设计方法。
此次关于配电房温湿度测控系统的设计既是对已有的关于此类设计的学习与继承，更希望能够对配电房的安全保护与正常运行做出更高层次的保障作用。
通过此次设计，我对自动控制理论有的许多全新的认识，同时对于许多实际问题的看法有了更深刻的体会。
由于时间因素和个人水平的局限性，本设计不可避免的存在许多不足之处。
恳请广大老师和同学予以指正。
第二章系统总体方案设计
由于该系统在配电房内运行及设计上的要求，硬件部分选用ATMEL公司生产的ATC89C51单片机作为控制器，硬件系统由温湿度采集部分、模数转换与处理部分、动态显示部分、系统电源部分、RS232串行总线通信、继电器输出部分、报警部分及自动手动控制部分组成。
系统硬件结构框图如图2.1所示：
图2.1系统硬件结构框图
系统的软件设计采用汇编语言，对单片机进行编程实现各项功能。
本软件为了实现温度、湿度显示，报警，A/D转换和对温湿度的控制等功能，采用主程序调用各个子程序来实现相应的功能的方法。
系统上电复位后，将调用初始化程序对单片机的端口初始化，将需要使用的内存单元进行清零，然后自动采样后调用A/D转换子程序并显示当前温湿度值，当有键按下时，进入中断，运行中断程序，将温、湿度上下限的初值写入内存单元，并且显示在动态显示部分上。
然后系统调用A/D转换子程序，将T295温湿度传感器电路输出的模拟信号转换为数字信号，将数字信号读入单片机，每次将读入的数据与上、下限进行判断，以决定是否调用报警和调温、调湿子程序，并且在此过程中实时显示当前温湿度值。
如果高于温度上限，系统启动报警功能及排风扇，加快室内外的空气对流，达到迅速降温的目的；如果高于湿度上限，系统也启动报警功能予以报警，并启动加热丝，使室内温度迅速上升，当温度上升一定值时，启动排风扇，将室内的高湿度空气排到室外，达到降低湿度的目的。
第三章系统硬件设计
3.1系统电源设计
电源是整个控制系统最重要的能源供应部分，电源的好坏直接影响整个系统能否正常稳定运行，系统电源如图3.1所示，由于T295温湿度感器要求的供电电源24VDC±15%，故220VAC经过变压后产生24VAC，经过整流滤波后引出A、B两端用来给T295温湿度传感器供电，同时经过三端稳压管7805实现稳压，稳压后成为+5V的电源输出，+5V为89C51等单电源芯片供电。
图3.1系统电源图
3.2信号采集变换部分
信号采集变换部分的硬件电路如图3.2所示，T295温湿度传感器产生的模拟量信号0~5VDC经过滤波后送入ADC0809的IN0口进行模数转换，本系统的干扰信号主要是50Hz的交流电源，采用常用的RC滤波电路即可将50Hz的工频信号滤除掉，由频率f=1/（2∏RC）,通过计算可得R=510Ω，C=10μF。
IN1~IN7口接地，对于ADC0809部分，利用ADC0809转换器三态输出锁存功能，直接与8255的总线相连接。
把ADC0809转换器当作外部RAM单元对待，系统中ADC0809转换器的片选信号由PB0线选控制。
当89C51产生WR写信号时，由一个或非门产生转换器的启动START和地址锁存信号ALE（高电平有效），同时将地址总线送出的通道地址A、B、C锁存，模拟量通过被选中的通道进入A/D转换器，并在START下降沿时开始逐位转换，当转换结束时，转换结束信号EOC变为高电平。
当89C51产生RD读信号时，由一个或非门产生OE输出允许信号（高电平有效），使A/D转换结果通过8255读入89C51单片机。
设89C51的晶振为12MHz，分频后ALE为2MHz，再经过D触发器分频为1MHz作为转换器的时钟信号[1]。
图3.2信号采集变换部分
3.3信号处理部分
如图3.3所示，AT89C51的P20~P23口与5045相连，X5045是在单片机系统中广泛应用的一种看门狗芯片，当单片机受到外界干扰或其它原因使程序跑飞时看门狗芯片发出复位信号使单片机复位,防止控制系统控制失效而导致意外事故发生。
同时为进一步提高性能，又增加了手动复位按钮以起到彻底保护的作用。
AT89C51的时钟信号由外部的晶振电路提供，采用12MHz晶振，外加两只30PF的独石电容起微调作用,使时钟脉冲频率更加准确，从而使系统按时钟节拍有条不紊地运行。
为使所有的芯片都能正常工作而不受外界高频噪声干扰的影响，所有的需外加电源才能工作的芯片的电源和地之间都加0.1μF的去藕电容。
AT89C51属于低功耗，高性能的八位单片机，它采用COMS工艺和高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和MCS—51兼容；片内的FLASHROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器来编程，是一种功能强，灵活性高，价格便宜合理的单片机[2]。
由于本系统功能强，接口较多，只靠89C51自身的接口很难完成所有的接口电路，所以采用了并行接口芯片8255实现扩展，89C51与8255直接通过74LS573实现典型接法，将89C51的P0口扩展成三个接口，PA口用于连接ADC0809的数据传输口，PB0、PB1用于控制ADC0809的片选信号端EOC和ADDA，PC口连入J1端，J1另一端接入动态显示部分，可轮流显示温度与湿度信息。
而对于AT89C51，选定P1口为键盘接口，用于温湿度控制的设置和各种工作模式的设定，INT1实现键盘的中断控制，P25、P26实现报警功能，这些连入J2端子板，而TXD、RXD连入上位机，实现串行通信的功能。
图3.3信号处理部分
3.4串口通信电路
上位机部分采用RS-232通讯，RS-232C规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不一致的。
因此，在实际应用时，必须把微处理器的信号电平（TTL电平）转换为RS-232电平，或者对两者进行逆转换。
这两种转换是由专用电平转换芯片实现的。
在本控制系统中采用了MAX232芯片，该芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成为RS-232输出电平所需的+10/-10V电压。
所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以，其适应性更强，加之其价格适中，硬件接口简单，所以被广泛采用。
如图3.4所示，为了提高串行总线节点的抗干扰能力，保证各节点在电气上完全隔离和独立，AT89C51的TXD和RXD分别通过高速光耦器6N137与串口芯片MAX202的T2IN和R2OUT相连。
电平转换芯片MAX202采用典型接法，其T2OUT与R2IN分别连接两个5Ω的电阻起限流作用，用于保护串口芯片MAX202,通过限流电阻与上位机相连。
为防止总线的电压突变，尤其是防止浪涌电压的产生，T2OUT和R2IN脚分别并联一个TVS管（D1和D2）。
同时在在MAX202的T2OUT和R2IN脚两端并联PHILIPS公司的PRTR5VOU2X静电保护器件，此ESD保护器使得输入信号与地之间有极小的分布电容（1pF），防止静电干扰，避免信号失真。
连个30pF的电容能有效滤除总线上的高频干扰[3]。
由于上位机的接口属于232接口，串口通信需要使用232通讯，但是由于工业中485通讯具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点使其成为首选的串行接口并且温湿度采集部分的T295传感器也需要485通讯故在单片机与上位机之间添加485/232转换芯片，转换芯片选用深圳市天地华杰科技有限公司生产的光隔离型485转换器，该RS485/232转换器能够将单端的RS-232信号透明的转换为平衡差分的RS-485或RS-422信号，同时具有自动识别RS-485/RS-422信号的功能，无需人工调拨。
图3.4串口通信电路
3.5人机交互界面
在本系统中采用动态显示方式驱动4个七段数码管，交替显示温度和湿度信息。
数码显示电路采用共阳级数码管，由于AT89C51单片机每个I/O口的拉电流只有1～2mA，采用三极管驱动，通过PC0～PC3进行位选，数据通过PC4～PC7输出，经过译码器74LS47转换成适合数码管显示的7段数据码。
显示部分接到单片机的J1接口上，其电路如图3.5所示。
图3.5动态显示部分
至于键盘部分采用非独立的4X4矩阵键盘,接口为89C51的P1口,其中P10～P13为输出口，P14～P17为输入口。
为减少单片机的工作量,采用中断式键盘,在有键被按下产生中断时中断服务程序才去扫描键盘,这样大大减轻单片机的工作量，如图3.6所示。
图3.64X4矩阵键盘
当T295温湿度传感器采集到的温度值和湿度值超出控制系统设定的设定值时，并在规定的时间内没有恢复时，单片机就发出超限报警，蜂鸣器发出蜂鸣声红色发光二极管发红光，直到测量值恢复到设定值上下限范围，报警才停止。
报警信号由P2.5，P2.6口控制。
由于单片机的I/O输出电流只有5mA，不足以驱动蜂鸣器，所以使用三极管驱动蜂鸣器，如图3.7所示。
图3.7报警电路
键盘部分与报警部分都接入J1端子板，另一端接入AT89C51。
3.6输出部分
输出部分如图3.8所示，执行元件为电阻丝和风扇，其输入电压为交流220V,连接有断路器实现短路和过载保护作用，由PB2、PB3口输出控制信号，控制过零型交流SSR实现温度和湿度的控制，在控制信号端和过零型交流SSR之间添加自动/手动开关，通过控制开关可实现系统的自动和手动功能互相切换的作用。
图3.8输出部分
固态继电器，它是一种无触点通断型电子开关，是四端有源器件，其中两个为控制输入端，另外两个为输出受控端。
为了实现输入与输出的隔离，器件采用高耐压的光耦合器。
当输入信号有效时，主电路呈导通状态，无信号时呈阻断状态，可以实现类似电磁继电器的开关功能。
SSR是将MOSFET、GTR、普通晶闸管等组合在一起与触发电路封装在一个模块中，并且驱动电路与输出电路实现电气隔离，如图3.9所示。
图3.9SSR内部结构图
3.7系统硬件部分的抗干扰设计
综合以上设计中提到的抗干扰的措施和电路设计、布局、布线中需要考虑的抗干扰原则及各种常用抗干扰措施[4]。
1.抑制干扰源
抑制干扰源的常用措施如下:
（1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。
续流
二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳继电器在单位时间内可动作的次数。
（2）在继电器接点两端并接火花抑制电路，减小电火花影响。
（3）信号输入端加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。
（4）电路板上每个IC要并接一个0.01uF一0.luF高频电容，以减小IC对电源的影响。
注高频电容的布线。
（5）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。
大功率器件尽可能在电路边缘。
（6）布线时避免90度折线，减少高频噪声射。
2.切断干扰传播路径
切断干扰传播路径的常用措施如下:
（1）充分考虑电源对单片机的影响，电源做好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。
许多单片机对电源噪声很敏感，要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。
可用100欧姆电阻代替。
（2）在I/O口与噪声源之间应加隔离。
也可100O欧姆电阻代替。
（3）注意晶振布线。
晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。
（4）电路板合理分区，如强、弱信号、数字、模拟信号。
尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。
（5）接地问题
为了是系统能正常工作和提高转换精度而不受模拟地和数字地的干扰，需要将整个系统的接地进行处理，先将整个系统的模拟地和数字地分开接，然后通过0Ω的电阻将模拟地和数字地接在一起。
这样能滤除较大的带宽频率，如图2.11所示。
图3.10共地接法
第四章系统软件设计
根据系统所要实现的不同功能，软件部分分为主程序和子程序两部分，子程序可分为A/D采样、温湿度控制、动态显示、键盘管理及串行通讯五部分，最后是对本系统中软件部分的抗干扰设计。
4.1主程序
图4.1主程序流程图
4.2A/D采样子程序
在进行控制时，给定值是温度值和湿度值，但在数据采集程序中，计算机采集到的是经过A/D转换后大小为0～255的数字量，为了方便运算，必须把这些无量纲的数字转化为实际的温度值与湿度值，其标度变换按式4.1进行计算:
=
+（
-
）*（
-
）/（
-
）（4.1）
式中
-----一次测量仪表的下限；
-----一次测量仪表的上限；
——实际测量值；
一一仪表下限对应的数字量；
一一仪表上限对应的数字量；
---测量值所对应的数字量。
这样就可以把设定的温度值转换成数字量，在和采集到的实际温度值的数字量进行比较，求出偏差，进行控制[5]。
采样子程序流程图如图4.2所示。
图4.2采样子程序流程图
4.3温湿度控制子程序
PID控制规律是广泛应用的一种控制规律，PID控制规律表示比例（proportional）-积分（integral）一微分（diferential）控制即调节器的输出与输入是比例一积分一微分的关系。
这种按偏差比例（proportional）、积分（integral）、微分（derivative）PID控制，是连续系统中技术成熟，应用最广泛的控制方法，具有原理简单，易于实现，结构典型，参数整定方便，鲁棒性强，适用面广和效果显著等特点，特别适用于对象动态特性不完全掌握、得不到精确数学模型、难以用控制理论进行分析和综合的场合。
在过程计算机控制系统中，PID算法仍然是应用最广泛和最成功的控制算法，利用计算机运算速度快，容量大，逻辑判断功能强，软件变化等特点，不是简单地把模拟控制PID算法数字化，而是进一步发展，使其具有智能化，更适合各种生产过程的控制要求。
PID控制器中的比例作用起纠正偏差的作用，其反应迅速，积分作用能清除静差，改善系统静态特性，微分作用有利于减小超调，克服震荡，提高系统的稳定性，加快系统过渡过程的作用，但对过程或测量噪声很敏感。
微分作用的引进改善了系统动态特性。
但也容易引进高频干扰，在控制算法中，采用实际微分或加上低通滤波，将使控制性能显著改善。
PID控制器的数学模型可以用下式表示:
u（t）=
[e（t）+
]（4.2）
式中u（t）----控制器的输出;
比例系数;
----积分时间常数;
---微分时间常数;e（t）—偏差，e（t）=SP-PV,SP和PV分别为被控参数的设定值和实际值。
在以微处理机为硬件核心的控制系统当中，由于以采样周期对输入和输出状态进行实时采样，故它是离散时间控制系统。
在离散控制系统中，PID控制器采用差分方程表示。
若选采样周期为T，将式3.2进行离散化处理，可得差分方程为
u（n）=
{e（n）+
+
[e（n）-e（n-1）]}
=
e（n）+
+
[e（n）-e（n-1）]
式中u（n）为本次PID算法的控制输出；e（n）为本次采样所得的偏差信号;e（n-1）为上次采样所得的偏差信号；
为积分常数；
=
为微分常数；
=
式4.2为位置式PID算式。
从式4.2中可以看到，每次的控制输出都与系统过去的所有状态有关，它需要对偏差e进行不断的累加，从而增大了计算机的计算量和存储量，而且当给定值变更时，容易产生积分失控，发生阀门冲击和超调。
为了弥补这一缺陷，目前计算机控制系统中的PID控制常用增量式算法，PID控制常用增量式算法如下：
其中
=
+
+
=-
-2
=
在计算机控制系统中，采样周期T一般是恒定的，所以在确定了
、
和
之后，仅需在内存中依次存放三个采样周期的偏差值，即可求出控制增量。
采用增量式算法不仅简化了运算过程，而且还具有如下优点:
（1）算式中没有累加项，不会发生积分失控，也不易产生超调。
（2）由于控制输出是控制值的增量，所以当系统出现故障时影响范围就小，也较容易实现自动/手动切换。
（3）可以在程序中设置条件判断，当PID算式输出的控制增量超过允许范围时，限制输出的变化幅度，从而减小对被控系统的冲击。
由于增量式算式给出的是每个采样周期中控制输出的变化量，所以必须通过一个积分环节才能得到实际位置的控制给定。
在应用中，可采用步进电机作为阀门的驱动元件，计算机将增值转换成向正方向或负方向的步进脉冲给出。
如果执行器是位置型的，计算机应采用式4.3给出控制输出值：
u（n）=u（n-1）+△u（n-1）（4.3）
增量式PID控制算法流程图如图4.3所示：
图4.3PID控制算法流程图
4.4动态显示子程序
本系统设计时采用的是4个七段共阳级数码管动态显示温湿度信息，正常显示时G脚接+5V，各发光二极管是否点亮取决于a～SP各引脚上是否是低电平0V,共阳极所需字形码如下:
“0”C0H“1”F9H“2”A4H“3”B0H“4”99H
“5”92H“6”82H“7”F8H“8”80H“9”90H
“A”88H“b”83H“C”C6H“d”A1H“E”86H
“F”8EH“·”7FH
由于显示的数字0－9的字形码没有规律可循，只能采用查表的方式来完成所需要求。
按着数字0－9的顺序，把每个数字的笔段代码按顺序排序建立的表格如下所示：
TABLEDBC0H，F9H，A4H，B0H，99H，92H，82H，F8H，80H，90H
系统工作后通过PC0～PC3进行位选，数据通过PC4～PC7输出，经过译码器74LS47转换成适合数码管显示的7段数据码。
位选选定后的LED显示程序流程图如图4.4所示：
图4.4显示子程序流程图
汇编子程序：
ORG0000H
START:
MOVR1,#00H
NEXT:
MOVA,R1
MOVDPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
LCALLDELAY
INCR1
CJNER1,#10,NEXT
LJMPSTART
DELAY:
MOVR5,#20
D2:
MOVR6,#20
D1:
MOVR7,#248
DJNZR7,$
DJNZR6,D1
DJNZR5,D2
RET
TABLE:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH
END
4.5键盘子程
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