空气湿度控制器的设计与实现.docx
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空气湿度控制器的设计与实现
本科毕业论文（设计）
题目空气湿度控制器的设计与实现
院（系）电子工程与电气自动化学院
专业电气工程及其自动化
学生姓名魏巍
学号10028096
指导教师孔兵职称
论文字数21269
完成日期:
2014年5月12日
巢湖学院本科毕业论文（设计）诚信承诺书
本人郑重声明：
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对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本人签名：
日期：
年月日
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保密的毕业论文（设计）在解密后遵守此规定。
本人签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
空气湿度控制器的设计与实现
摘要
本论文设计的是一种湿度自动控制系统，采用PC作为上机位，单片机作为下机位，用来控制空气湿度影响的电路不良问题。
湿度自动控制的控制方式采用分布式，首先选择普通的PC作为主机，用来管理各个各个从机，主要是修改各个从机湿度设定值，然后从机是利用89C51单片机扩展而成，它的主要作用是用来采集湿度数据，输出给主机与主机通信，最后再执行从主机传来的命令，从而完成湿度控制系统的报警，与控制。
湿度信号的采集是使用HS1101湿度传感器和TLC555所组成的湿度检测电路。
显示器则是利用并行接口芯片8225A以及LED显示器组成，完成电路的显示工作。
关键字：
湿度控制；单片机；89C51
Designandhumiditycontroller
Abstract
Forsolvenotconcentratingbyairconditionersystemcupboardhumiditytoohighproblemnotelectric,adopteachbyone-chipcomputerasmachine,thePCnotthenextasathumiditycontrolsystemnotautomatic,locationofmachine,thesystemadoptsthedistributedcontrolmethod,thehostcomputerchoosestheIBM-PCmachine,thehostcomputerrealizescentralizedmanagement,finisheveryfrommachinemodification,humidityofpersonwhoestablish,togiveanorderfromplanemainly,checkfromthestateofthemachine,receivefromthemachinedataandcarryonstatisticalanalysis,showthattypesandanalysesthecurve,reportform,etc..Expandbyone-chipcomputerfrommachineby89C51,itfinishcollectionandtreatment,humidityofdata,outputpersonwhocontrol,show,reporttothepolice,andhostcomputercommunication,etc.function.Collection,humidityofsignalwhetherhumiditythatmadeupofHS1101andTLC556measurecircuitisitfinishtocome,madeupof8255AandLEDdisplayandshowthecircuitseparately,finishshowingthework.
Keywords:
distributedcontrol；A/D0809;singlechipmicrocomputer
1引言
不管人类的生存还是社会工业的生产与制造以及社会活动都与温度湿度密切相关的。
随着现在科技越来越发达现代化的实现，无论是哪个领域都与温湿度有着分不开的关系。
在工业中如恒温无尘室、食品的加工以及金属的加工与生产等，农业比如大棚蔬菜的生产，出畜牧的养殖等都需要对周围环境湿度测量然后进行控制的。
比如在一些大型的工厂中，尤其是光电、电子行业，工厂内都会有装有集中空调系统，而集中空调系统的部分控制柜（如主变控制柜、开关端子柜）被安置在空调室内。
首先这些控制柜没有很强的密封性，再长时间处于湿度很大的环境中，导致湿气不停地在控制柜内循环，是控制柜内的湿度过大而凝露。
从而降低了控制柜内几件的绝缘性，最终导致柜内器件被击穿，集中空调系统无法正常工作，然而这些行业对温度湿度控制是非常严谨的，如果环境不利生产，其结果导致经济损失程度巨大。
为了解决这问题，部分大型企业在集中空调系统控制柜内安装灯泡加热降湿或通风的方法，但效果不明显。
本论文研究一种湿度控制系统将很好地解决此类问题。
本文设计的湿度控制系统采用上机位和下机位两级控制结构：
上位机为综合管理级，主要实现显示、记录、打印等功能；下位机为直接控制级，主要完成湿度检测、实时显示、数据传输以及报警、处理等功能。
上位机选用普通的PC机，可以实现存储数据、打印曲线及事后数据处理的综合管理。
下位机则选用嵌入式系统，其结构比较简单、成本也低、实时性好，便于实时采集环境湿度。
在当今，数据采集、信息处理、通信联络和实施控制的电子系统中单片机充当着必不可少的角色。
通常利用单片机技术在各种系统、仪器设备或装置中，构成嵌入式智能系统或子系统。
中央处理器的选择直接关系到所做系统的性能，要选择既便宜又实用的单片机款型。
所以中央处理单元我采用AT89C51。
AD采用COMS工艺制造的8位8通道逐次逼近式A/D转换器ADC0809。
单片机89C51通过8255来管理显示器，显示器为4位8段共阴极数码管，用来显示设定和当前湿度值。
采用软件译码动态显示。
2系统概述
湿度控制系统采用分布式控制方式，由一台主机和多台从机组成，主机选择普通PC机，安放在主控制室内。
从机是由89C51单片机扩展而来，放置在空调系统电气控制柜内，从机的作用是分散控制，主要用来完成湿度检测、实时显示、数据传输以及报警、处理等功能。
主机实现集中管理，主要完成各个从机湿度设定值的修改，发出命令至从机，检查从机状态，统计分析来源于从机接收的数据，显示并打印分析曲线、报表等。
从机系统硬件结构是一个闭环控制系统,由单片机系统、湿度数据信号的采集、LED显示、报警装置、驱动控制和通信等几个部分组成。
2.1信号采集
传感器选择HS1101湿度传感器，HS1101湿度传感器是高精度的电容型湿敏传感器，其检测范围为0～100%RH，精度为2%RH。
变送器整形传感器的输出信号，变成0～5V的模拟电压信号，再经A/D转换成数字量送入单片机进行处理。
再根据控制柜的尺寸决定湿度传感器的个数，确保湿度检测的准确性，一般为2～3个。
2.2显示和报警
显示电路是由并行接口芯片8255以及LED显示器组成，单片机通过并行接口芯片8255A来管理LED显示器，显示器为4位8段共阴极数码管，用来显示当前湿度值，采用软件译码动态显示。
报警电路由三极管、感光二极管、电阻和扬声器组成。
声光的提示信号由89C51的P1.0口输出，从而驱动蜂鸣器和发光二极管。
2.3驱动控制
湿度控制系统的执行机构由干燥机和排风机组成，其中排风机起辅助作用。
干燥机的工作原理是加热从而达到降湿目的，它的发热材料为PTC半导体陶瓷，它的优点是使用寿命比传统发热材料要高得多。
排风机为微型风扇，它的作用是与干燥机配合使用，加快热扩散使得控制柜中的湿气尽快排出。
3方案论证
3.1中央处理单元CPU的选择
在当今，数据采集、信息处理、通信联络和实施控制的电子系统中单片机充当着必不可少的角色。
通常利用单片机技术在各种系统、仪器设备或装置中，构成嵌入式智能系统或子系统。
中央处理器的选择直接关系到所做系统的性能，要选择既便宜又实用的单片机款型。
3.1.1常见几种单片机的比较
Intel公司早期的产品8031/8051/8751。
8031内没有ROM程序存储器，用户在使用时，要外接一片逻辑电路373和程序存储器。
若想修改EPROM中的程序，须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除再写。
8051内的存储器ROM有4K，为体现其简练，无需外接373和存储器。
但所编的程序无法写到其中，只可将程序芯片返厂重写，并不能改写内容。
8751与8051基本一致，但是8751内有4k的EPROM，用户可以将编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除再写。
但是由于上述类型的单片机应用的时间早，产生的影响巨大，成为事实上的工业标准。
后来很多芯片厂商与Intel公司合作，推出很多版本的单片机，但实际内核都是一样的，这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容所以使用上可以互相代替。
这类与8051内核相同的单片机被称为为“51系列单片机”。
ATMEL公司的AT89C51不但和8051指令、管脚完全兼容，而且拥有FLASH工艺的4K程序储存器，可以用电的方式瞬间擦除和改写，ATMEL公司的AT89Cx做的编程器均带有这些功能。
AT89C51可以进行程序加密而且价格低市场也充足。
3.1.2中央处理单元AT89C51的确定
根据多方面的因素考虑。
中央处理单元选用Atmel公司生产的AT89C51单片机具有低功耗、低电压、高性能的8位单片机，内置FLASH可编程序，擦除改写方便，只读存储器；重要的一点是它具有高密度非易失性存储器技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。
主要特性：
1、与MCS-51兼容
2、4K字节可编程闪烁存储器
3、寿命：
1000写/擦循环
4、数据保留时间：
10年
5、全静态工作：
0Hz-24Hz
6、三级程序存储器锁定
7、128*8位内部RAM
8、32可编程I/O线
9、两个16位定时器/计数器
10、5个中断源
11、可编程串行通道
12、低功耗的闲置和掉电模式
13、片内振荡器和时钟电路
3.2传感器的选择
现代信息技术的三大基础是信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）。
传感器是现代信息技术的顶端产品，尤其是湿度传感器被广泛用于工农业、科研和生活等各大领域。
在本论文中传感器选择对整个测量系统的精确度和稳定性有直接影响。
1、湿度测量广泛应用于工业生产上的诸多领域，HONEYWELL公司生产的集成湿度传感器IH3605采用集成电路技术。
IH3605的内部的平板电容器电容量的大小可随湿度的变化发生变化，从而采集湿度信号。
而且IH3605的主要技术指标符合在仓库中的运用。
但IH3605的输出电压是供电电压、湿度及温度的函数。
输出电压随着电源电压的升高而升高。
还必须要通过步骤才可计算出实际的相对湿度值。
所以IH3605运用麻烦，而且价格也高于一般传感器，所以在本论文中不适用。
2、测量空气湿度的原理是从周围空气中吸收水分然后引起物理或是化学变化，从而间接的得到周围的空气湿度。
电容式，电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。
HS1101的特点：
不需校准的完全互换性，高可靠和长期稳定性，快速响应时间。
专利设计的固态聚合物结构，侧面接触的封装产品，适合用于线性电压输出和频率输出两种电路。
图3-1为湿敏电阻电容工作的温、湿度范围。
图3-2为湿度-电容响应曲线。
图3-1湿敏电阻电容工作的温、湿度范围
图3-2湿度-电容响应曲线
相对湿度在0%~100%RH范围内：
电容量由162pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5s，温度系数为0.4pF/℃。
可见精度是较高的。
HS1101的特性参数：
特性参数典型值单位
湿度测量范围1~99%RH
供电电压5V
标称电容55%RH180Pf
温度系数0.04Pf℃
33-75%的平均灵敏度0.34Pf/%RH
漏电流1Na
湿度迟滞±1.5%
长时间稳定性0.5%RH/yr
响应时间5S
偏离曲线±2%RH
工作温度-40-100℃
储存温度-40-125℃
湿度测量电路：
在电路HS1101电容传感器等效于一个电容器件，所测空气湿度的增大引起其电容量的增大，常用有两种方法将电容的变化量准确的转变为计算机以接受的信号：
一种是在运放与阻容组成的桥式振荡电路中放置该湿敏电容，产生的正弦波电压信号经过整流、直流放大、然后经过A/D转换为数字信号；另一种是在555振荡电路中放置该湿敏电容，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，计算机可直接采集该信号。
图3-3所示电路是555测量振荡的频率输出。
集成定时器555芯片外接电阻R2、R4与湿敏电容C的充电回路。
7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。
此外，R1用于平衡温度系数，R3是防止输出短路的保护电阻。
图3-3频率输出的555振荡电路
振荡电路的两个暂稳态的交替过程如下：
首先电源Vs通过R4、R2向C充电，经充电时间t后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67Vs,此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33Vs，此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。
如此即可形成方波输出，其中C的充放电时间为
t充电=C（R4+R2）㏑2
t放电=CR2㏑2
因此，输出的方波频率为：
f=1/（t充电+t放电）=1/[C（R4+2R2）㏑2]
可见，控制柜中的湿度通过555测量振荡电路转变为频率信号，且与之呈反比。
下表格是电压频率与湿度的典型值测试值。
表3-1电压频率与湿度的典型值
湿度
频率
湿度
频率
%RH
Hz
%RH
Hz
0
7351
60
6600
10
7224
70
6468
20
7100
80
6330
30
6976
90
6186
40
6853
100
6033
50
6728
测量值直接以线性电压的形式输出，精度达到±3%RH。
HM1500
湿度传感器HM1500，HM1500是一种专门为那些OEM要求可靠性和精度高的测量所设计的，在基于HS1101简单电容性湿度传感器的基础上
1.HM1500主要的特点：
①体积小、带防护棒状封装。
②即使浸在水里也不受影响。
③可交换性极强。
④高度的可靠性和长期的稳定性。
⑤在3-7伏的电压范围内可正常工作。
，以典型的1-4V电压输出表示1-100%的湿度。
⑥可在很低的温度下正常工作。
⑦在电压范围内，按比例参数调压。
⑧长时间处于饱和状态下会快速脱湿。
⑨反应时间快。
⑩对化学品的高抵抗性。
2.HM1500工作原理：
图3-4HM1500工作原理框图
3.最大参数（Ta=25除非特别注明）
参数
符号
参数值
单位
储存温度
Tstg
-30~70
℃
供电电压（峰值）
Vs
12
Vdc
湿度工作范围
RH
0~100
%RH
温度工作范围
Ta
-30~60
℃
4.特性参数（Ta=23,Vs=5.0VDC,RL>1M除非特别注明）
参数
符号
最小值
典型值
最大值
单位
湿度量程
RH
1
99
%RH
相对湿度精度（10～95%）
RH
±3
±5
%RH
供电电压
Vs
4.75
5.00
5.25
VDC
典型输出@RH=55%
Vout
2.42
2.48
2.54
V
消耗电流
Ic
0.4
0.8
mA
温度效应（0～60℃）
Tcc
±0.1
%RH/℃
平均灵敏度（33～75%RH）
ΔmV/%RH
+25
mV/%RH
吸收电流容量
Is
300
微安
150小时结露的恢复时间
t
10
S
温度迟滞
±1.5
%RH
长时间稳定性
0.5
%RH/yr
输出阻抗
Z
70
欧
反应时间（33～76%RHstatic@63%）
t
5
S
5.HM1500的典型测量范围
HM1500特别适用于在10～95%RH精确测量的环境。
超过范围（<10%,>95%包括饱和）不会影响可靠性。
图3-5典型测量范围输出图
6.HM1500模拟电压输出曲线（Vs=5V）
单位：
mV
如果需要可以用如下的关系式做补偿：
温度效应：
非小线性补偿：
7.HM1500工作曲线如下：
图3-6HM1500工作曲线
综合各种因素（如价格，使用年限，反映速度，应用场合等）决定选用
HS1101：
特点：
不需校准的完全互换性，长期稳定性和高可靠，快速响应时间。
TLC555多谐振荡器
在本次设计中应用555定时器构成了一个多谐振荡器。
555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它可以方便的构成施密特触发器，单稳态触发器和多谐振荡器，使用灵活，方便。
正因为如此，自从Signetics公司于1972年推出这种产品以后，国际上各主要的电子器件公司也都相继的产生了各自的555定时器产品。
机关产品型号繁多，但所有双极型产品型号最后的3位数码都是555，所有COMS产品型号最后的4位数码都是7555。
而且，它们的功能和外部引脚的排列完全相同。
为了提高集成度，随后又产生了双定时器产品556（双极型）和7556（CMOS型）。
利用555定时器能够很方便的接成施密特触发器，再由施密特触发器的基础上连接成多谐振荡器。
要构成多谐振荡器只要把施密特触发器的反相输出端经RC积分电路接回到它的输入端即可。
其振荡周期为
T=T1+T2=（R1+2R2）Cln2（7）
振荡频率为
f=1/T=1/（R1+2R2）Cln2（8）
HS1101配上多谐振荡器TLC555可构成单稳态电路，将相对湿度转换成频率信号。
输出频率范围是7351Hz～6033Hz，所对应的相对湿度为0～100％。
当RH＝55％时，f＝6660Hz。
输出频率信号可送至DSP的GPT2，测量并显示出相对湿度值。
4系统的组成以及辅助电路的设计
整个湿度控制系统结构框图如图4-1所示：
图4-1系统结构框图
上位机为普通PC机，使用标准RS-232串口与下位机通讯，接收下位机发来的湿度数据。
下位机系统主要由单片机AT89C51、温度传感器AD0809、湿度传感器HM1500、显示电路8255A和LED数码管组成，原理框图如图4-2所示。
采集、显示、报警、驱动控制和通信等几个部分。
接
主机
图4-2下位机原理框图
4.1AT89C51的基本结构和功能简介
1.结构框图
图4-389C51单片机结构框图
2.存储器空间结构
计算机操作的主要对象是数据，CPU是按地址控制与组织数据流的。
因此，地址空间结构是微机结构的一项重要内容，并直接影响其指令系统。
AT89C51的存储空间（哈佛结构:
程序空间与数据空间分别独立）
（1）程序存储器（由PC提供地址）
FFFFH
1000H
0FFFH
0000H
图4-4AT89C51的程序存储空间
（2）数据存储器
1）内部数据存储器（8位地址）2）外部数据存储器与I/O端口
外部数据
存储器
与
外设I/O
端口
FFFFH
0000H
（由数据指针DPTR提供16位地址）
7FH
30H
片内
RAM
2FH
20H
1FH
00H
图4-589C51的数据存储空间
（3）引脚及其功能
1）工作电源与地
图4-6两种时钟电路，（a）内部时钟方式，（b）外部时钟方式
Vcc（40）：
电源+5V0.5V
GND（20）：
地
2）时钟（图4-6）
XTAL1（19）：
内部振荡器输入端
XTAL2（18）：
内部振荡器输出端
3）并行I/O口
①P0.0～P0.7（39～32）通用I/O口P0/A0-A7/D0-D7。
②P1.0～P1.7（1～8）通用I/O口P1
③P2.0～P2.7（21～28）通用I/O口P2/A8-A15
④P3.0～P3.7（10-17）通用I/O口P3/第二功能
P3.0（10）：
RXD串行口数据接收
P3.1（11）：
TXD串行口数据发送
P3.2（12）：
外中断0
P3.3（13）：
外中断1
P3.4（14）：
T0计数/定时器0的外部计数脉冲输入
P3.5（15）：
T1计数/定时器1的外部计数脉冲输入
P3.6（16）：
外部数据存储器写控制信号
P3.7（17）：
外部数据存储器读控制信号
4）控制信号
1ALE（30）：
输出正脉冲，1有效，外部地址锁存信号。
2
（31）：
输入，0有效，前4k选择外部程序存储器的控制信号。
3
（29）：
输出，0有效，访问外部程序存储器的选通信号。
4
（16）：
外部数据存储器写控制信号
5
（17）：
外部数据存储器读控制信号
6RST（9）：
输入，高电平持续24个时钟周期有效，产生复位操作。
图4-7上电与手动复位电路
5）CPU使用的特殊功能寄存器
1累加器（Acc）运算指令的目标寄存器，用于访问外部存储器的唯一寄存
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