电子系统设计 室内温度湿度测控系统设计.docx
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电子系统设计室内温度湿度测控系统设计
室内温度湿度测控系统设计
摘要室内温湿度测控系统以AT89S52单片机为核心，采用加热炉、风扇、喷雾器、排潮设备，分别为室内进行加热、降温、加湿、去湿；使用新型的智能温湿度传感器SHT10实现对温度、湿度的检测，将采集的数据信息在LCD1602上显示出来；由按键自行设定温湿度上下限值，报警系统根据设定的上下限值实现声光报警功能；使用三端稳压集成电路LM7805来组成稳压电源作为电源模块。
本文设计的室内温湿度测控系统能够实时采集控制室内的空气温湿度参数，以直观的数据显示给用户，并可以根据需求提供报警信息。
关键词AT89S52；温湿度传感器SHT10；测控
1绪论
温度和湿度的检测和控制是许多行业的重要工作之一，不论是货品仓库、生产车间，都需要有规定的温度和湿度，然而温度和湿度却是最不易保障的指标，针对这一情况，研制可靠且实用的温湿度检测与控制系统就显得非常重要[1]。
温湿度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一，随着传感器在生产和生活中的更加广泛的应用，在生产中，温湿度的高低对产品的质量影响很大。
由于温湿度的检测控制不当，可能使我们导致无法估计的经济损失。
为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强室内温度与湿度的监测工作，但传统的方法是通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作，过于粗糙。
这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。
目前，在低温条件下（通常指100℃以下），温湿度的测量已经相对成熟。
利用新型单总线式数字温度传感器实现对温度的测试与控制得到更快的开发。
但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、学习、生活提供更好的更方便的设施就需要从数字单片机技术入手，一切向着数字化，智能化控制方向发展。
对于国内外对温湿度检测的研究，从复杂模拟量检测到现在的数字智能化检测越发的成熟，随着科技的进步，现在的对于温湿度研究，检测系统向着智能化、小型化、低功耗的方向发展。
在发展过程中，以单片机为核心的温湿度控制系统发展为体积小、操作简单、量程宽、性能稳定、测量精度高，等诸多优点在生产生活的各个方面实现着至关重要的作用[2]。
基于以上的认识，本文以温湿度控制为核心思想，根据所学专业知识，设计了一种操作简单、测量精度高、工作稳定的基于单片机的温湿度检测与控制系统。
2设计任务与要求
2.1基本要求
该系统能够对室内温度、湿度进行检测，并显示当前的温度、湿度，在其超过所设定的值时可以自动进行控制。
2.2技术指标
（1）检测温度范围-55℃~+95℃；
（2）湿度检测范围为20％~90％RH；
（3）检测精度为±5％；
（4）能用十进制显示当前测量值。
3设计分析及方案论证
3.1设计分析
根据设计要求分析，本系统可有硬件电路设计和软件设计两大部分构成。
软件设计部分可由PID控制算法和C语言程序设计实现。
硬件电路可由单片机控制模块、电源模块、温湿度采集模块、显示模块、按键设定模块、报警以及控制电路模块构成。
系统总体框图如图3.1所示。
图3.1系统总体框图
3.2设计方案论证
3.2.1系统总体方案
本系统基于单片机AT89S52进行设计。
本系统要求能够同时检测温湿度，检测温度范围-55℃~+95℃，湿度范围为20％~90％RH，其检测精度为±5％，分析得可采用温湿度传感器，将温湿度信号变为电压信号输出，传输给单片机进行分析、处理，具体数字信息由液晶显示器或数码管显示。
由按键自行设置温湿度上下限值，当温湿度值超过设定范围值时由蜂鸣器和红色LED灯进行声光报警，并由单片机控制加热炉、风扇、喷雾器和排潮设备来调节室内温湿度。
3.2.2温湿度传感器的选择
方案一：
湿度检测采用湿敏元件，其主要分为电阻式和电容式。
湿敏电阻的种类多，灵敏度高，但是其线性度和产品的互换性差。
湿敏电容灵敏度高，产品互换性搞，响应速度快，偏于实现产品小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。
综合湿敏元件，线性度可抗污染性差，很容易受到环境污染从而影响其测量精度和持续的稳定性。
温度检测采用最基本的热电偶和热敏电阻。
热电偶应用广泛，价格便宜而且耐用。
种类多，能够覆盖非常宽的温度范围，最高温度可以到达2000℃。
但是其非线性、响应速度慢、精度中等、灵敏度低、稳定性低、高温下容易老化和有线性漂移，并且测量需要参考量。
热敏电阻，该传感器主要随温度的变化阻值发生变化，主要用于-200~500℃温度范围内的温度测量。
其温度系数要大而且需要稳定的温度源，反应速度快，工艺好价格低，测温环境稳定。
方案二：
温湿度检测采用集成模拟传感器，其灵敏度高、线性度好、响应速度快，而且它可以和信号处理电路及逻辑控制电路集成在一起，使用方便。
湿度传感器选用HS1101，温度传感器选择AD590。
这两个传感器，在接入电路中，都需要A/D转换器，把模拟信号转换成数字信号从而是单片机存储采集到的数据。
方案三：
采用数字式传感器，起初选择DSB1820和SHT10作为温度和湿度测量元件，但是SHT10包含湿度传感器、温度传感器，所以把SHT10作为温湿度检测的一个整体。
SHT10作为典型的温湿度传感器，在测量过程中可对相对温湿度进行自动校准，准确的测量温湿度。
产品互换性好，相应速度快，抗干扰性强，不需要外部参考源和外部器件。
综上所述，SHT10与温湿敏元件的温湿度测量以及模拟测量的元器件相比，起数字温湿度传感器低成本，内部集成复杂，测量准确，而且能够提供数字输出，简化外部测量电路，精度高，适用广泛的测量范围，并且本设计的温湿度检测系统相适合。
因此，选择温度湿度传感器SHT10作为此次设计中的测量元件。
3.2.3显示器的选择
方案一：
数码管显示，数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，起驱动方式分别为静态驱动和动态驱动，静态驱动编程简单，显示亮度高但是占用I/O端口多，在十几应用时必须增加译码器驱动进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。
动态电路是最广泛的显示方式之一，其能够节省大量的I/O端口，而且功耗低。
针对数码管，其显示单调不具备数据的直观性。
方案二：
LCD1602液晶显示，具有字符发生器ROM可显示192种字符（160个5´7点阵字符和32个5´10点阵字符）具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5´8点阵字符或四个5´11点阵字符。
具有80个字节的RAM，标准的接口特性，适配M6800系列MPU的操作时序。
模块结构紧凑、轻巧、装配容易，像素尺寸小，分辨率高。
综上，选择LCD1602能够把温湿度很直观的显示出来，能够在设定阈值时更能简洁明了，所以选择LCD1602为显示元件。
综合系统总体方案和各模块元件的选择，得出系统详细框图如图3.2所示。
图3.2系统详细框图
4系统硬件设计
4.1控制器模块
本设计的控制器模块选用AT89S52，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
（1）标准功能：
8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路[3]。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
（2）在外部结构上，AT89S52单片机和MCS-51系列单片机的结构相同，有三种封装形式，分别是PDIP形式，为40针脚；PLCC形式，为44针脚；TAFP形式，也为44针脚[4]。
其中，常用的为PDIP形式，如图4.1所示。
AT89S52引脚功能[5]如下：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，即P3口输出电流（IIL）。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表4.1所示。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
表4.1P3口引脚与第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INTO（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
TO（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
图4.1AT89S52引脚图
PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
：
外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是器件是使用12V编程电压VPP。
单片机系统的扩展是以基本最小系统为基础的，单片机最小系统包括晶体振荡电路、复位电路、上拉电阻等，其电路图如图4.2所示。
图4.2单片机最小系统电路图
4.2温湿度测量电路模块
本设计采用数字式温湿度传感器SHT10来检测室内温湿度。
SHT10数字式温湿度传感器是由Sensirion公司推出的一种可以同时测量湿度、温度的传感器，不需外围元件直接输出经过标定了的相对湿度、温度的数字信号，可以有效地解决传统温、湿度传感器的不足。
其特点：
温湿度传感器、信号放大、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片上（CMOSens技术）；全校准相对湿度及温度值输出；具有露点值计算输出功能；免外围元件；卓越的长期稳定性；测量精度高，湿度的精度为±3.5，温度的精度为±0.5℃（在20℃时）；可靠的CRC数据传输校验功能；片内装载的校准系数，保证100%的互换性；电源电压为2.4~5.5V[6]。
SHT10引脚功能如表4.2所示。
如图4.3所示，SHT10数字式温湿度传感器来检测室内的温湿度，并将检测到的信号传送给单片机，让单片机处理。
表4.2SHT10引脚功能
引脚
名称
描述
1
GND
接地
2
DATA
串行数据，双向
3
SCK
串行时钟，输入口
4
VDD
电源
NC
NC
必须为空
图4.3SHT10温湿度传感器连接电路图
4.3显示电路模块
本设计显示部分采用LCD1602液晶显示所测温湿度值。
LCD1602显示器主要特点：
液晶显示屏是以若干个5´8或5´11点阵块组成的显示字符群。
每个点阵块为一个字符位，字符间距和行距都为一个点的宽度。
主控制驱动电路为HD44780（HITACHI）及其他公司全兼容电路，如SED1278（SEIKOEPSON）、KS0066（SAMSUNG）、NJU6408（NERJAPANRADIO）[7]。
具有字符发生器ROM可显示192种字符（160个5´7点阵字符和32个5´10点阵字符）具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5´8点阵字符或四个5´11点阵字符。
具有80个字节的RAM，标准的接口特性，适配M6800系列MPU的操作时序。
模块结构紧凑、轻巧、装配容易，像素尺寸小，分辨率高。
颜色分单色（黑白）、彩色两种。
使用时，可将P0与LCD的数据线相连，P2口与LCD的控制线相连，其中，TC1602第4脚RS为寄存器选择，第5脚RW为读写信号线，第6脚E为使能端。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
LCD1602显示电路图如图4.4所示。
图4.4LCD1602显示电路图
4.4报警电路模块
本设计采用的是声光报警，设定报警的上下限值实现报警功能，使用单片机的中断系统。
根据单片机接收到的数据经过处理后与该参数设定的上下限进行比较，高于上限值（或低于下限值）则进行报警，同时能进行正常的显示。
报警电路以红色LED和蜂鸣器构成，在输入温湿度的上下限后，系统会进行实时采样，并判断测试温湿度与输入温湿度之间的差异，当检测出的温湿度在设定的温湿度上下限外就会报警，即红色LED亮，同时蜂鸣器响。
报警电路如图4.5所示。
图4.5报警电路
4.5键盘设定模块
本设计可以直接设定温湿度参数的上下限值，从而达到对温湿度控制报警的功能。
按设置键出现设置界面，按确定键选择需要设置的数字，上下键设置需要限定的温湿度如图4.6所示。
图4.6键盘设定模块
4.6控制电路模块
图4.7继电器控制电路
本设计的控制电路模块选用继电器作为控制系统的开关。
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
如图4.7所示，主机接受指令控制继电器的开关，从而使各类执行器件起到对室内温湿度调节的作用。
4.7电源电路模块
本设计中用到3种电源，分别为-5V、+5V、＋12V。
如图3.11所示，220V交流电经变压器降压、桥式整流、电容滤波后由7905、7805、7812三端集成稳压管分别得到-5V、+5V、＋12V电压，为整个系统供电。
图4.8电源电路图
5系统软件设计
根据空气温湿度数据的特点，本系统对温室的空气温度进行PID算法控制。
，传感器采集数据后，经过信号处理，存入AT89S52的内部数据存储器，与设定值进行比较，经过PID算法得到控制量并由单片机输出去控制加热炉。
5.1PID控制算法原理
PID控制（ProportionalIntegralDerivative）是控制工程中技术成熟、应用广泛的一种控制策略。
经过长期的工程实践，总结形成了一整套PID控制方法。
由于它已形成了典型结构，且参数整定方便、结构改变灵活，在大多数工业生产过程控制中效果较为满意，因此长期以来被广泛采用，并且与新的控制技术相结合，继续发展。
所谓PID控制规律，就是一种对偏差信号
进行比例、积分和微分变换的控制规律。
PID控制规律的数学表达式如下式所示
（5.1）
为控制常量，即偏差为零时的控制变量。
写成传递函数的形式，即
（5.2）
PID控制器各个参数对系统的动态和稳态性能有不同的影响[9]。
A比例作用
比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的趋势变化。
（1）对动态特性的影响
比例控制参数Kc凡加大，使系统的动作灵敏，速度加快，Kc偏大，振荡次数加多，调节时间加长。
当Kc太大时，系统会趋于不稳定，若Kc太小，又会使系统的动作缓慢。
（2）对稳态特性的影响
加大比例系数Kc，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差ess，提高控制精度，但是加大Kc只是减少ess，却不能完全消除稳态误差。
在PID控制的闭环系统中，对于设定值的变化和外扰的响应是不同的，在工程应用上对两者的性能要求也有所不同，对设定值的变化一般要求满足一定的前提条件，如无超调下的快速跟踪对外扰则希望闭环系统在具有一定衰减比的情况下快速克服。
B积分作用
积分作用的引入，主要是为了保证被控量在稳态时对设定值的无静差跟踪，它对系统的性能影响可以体现在以下两方面：
（1）对动态特性的影响
积分作用通常使系统的稳定性下降。
如果积分时间Ti太小系统将不稳定，Ti偏小，振荡次数较多；如果Ti太大，对系统性能的影响减少，当Ti合适时，过渡特性比较理想。
（2）对稳态特性的影响
积分作用能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。
但是Ti太大时，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。
C微分作用
微分作用通常与比例作用或积分作用联合作用，构成PD控制或者PID控制。
微分作用的引入，主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态特性，如使超调量较小，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。
当微分时间Td偏大时，超调量较大，调节时间较长；当Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长只有合适时，可以得到比较满意的过渡过程。
直观地分析，假设被控对象存在一定的惯性，微分作用将使得控制作用与被控量，与偏差量未来变化趋势之间形成近似的比例关系。
从频域分析的角度讲，微分作用等效于一个高通滤波器，即有可能在控制
输出中引入较强的高频噪声，这是实际控制所不希望的。
在现代由于计算机进入控制领域，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，用软件实现PID控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使PID控制更加灵活。
计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。
因此，连续PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。
在计算机PID控制中，使用的是数字PID控制器。
目前有位置式PID控制算法以及增量式PID控制算法[10]。
本系统采用了增量数字化PID算法。
增量式控制器是指控制器每次输出的只是控制量的增量，当执行机构，例如步进电机，需要的是增量而不是位置量的绝对数值时，就可以使用增量式PID控制器进行控制[10]。
增量
，当执行机构需要的是控制量的增量时，应采用增量式PID控制。
根据递推原理可得
（5.3）
用式（4.3）减式（4.4），可得增量式PID控制算法
（5.4）
式（4.5）称为增量式PID控制算法，将其进一步可改写为
（5.5）
式中，
，
，
增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少的优点[11]：
（1）由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。
（2）手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。
此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值。
（3）算式中不需要累加。
控制增量u（k）的确定，仅与最近k次的采样值有关，
所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。
但是增量式控制也有其不足之处[12]：
积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。
因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可采用位置式控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量式控制算法。
5.2系统主程序流程图设计
本系统软件主程序主要由各数据测量、模块控制、报警等程序组成。
主程序流程图，如图5.1所示。
传感器采集的数据存储入单片机，单片机初始化，开始比较采集的空气温湿度是否在测量范围内，如果在测量范围内，则显示测量值，否则进入空气温湿度度调整子程序，控制加热炉加热或者通风系统通风以升高或降低空气温度，或是控制喷雾系统或排潮系统以升高或降低空气湿度。
图5.1系统主程序流程图
6结论
本次设计结合单片机技术传感器技术，以AT89S52单片机为核心，对温度和湿度的检测与控制智能化进行了简单的设计与阐述，对MCS-51单片机系统的温湿度检测控制原理与结构进行了论述。
本次设计以硬件为主，软件程序为辅，给出了检测系统与控制系统的各部分电路以及相对应的程序。
采用模块化、层次化设计。
使用新型的智能集成温湿度传感器SHT10主要实现对温度、湿度的检测，将温湿度信号通过传感器进行信号的采集并转换成数字信号，再运用单片机AT89S52进行数据的分析和处理，为显示和报警电路提供信号，实现对温湿度的控制报警。
报警系统根据设定报警的上下限值实现声光报警功能，显示部分采用字符型LCD1602液晶显示所测温湿度值。
结果表明该系统实现了对室内温湿度精确控制，达到了相应的效果，系统电路简单、集成度高、工作稳定、检测精度高，具有一定的实用价值。
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