（控制理论与控制工程专业论文）温湿度检测装置的设计与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文的主要工作就是充分考虑在实际工作环境中，温度不是一个恒值，随着 环境的变化而变化，变化的范围很宽。湿敏元件受温度的影响不能忽略。基于温 度祁澎度嚣个参数之闻鲍复杂关系，运曩模糨控毒理论鳃决遗度和瀵发之闻的关 系模型不完善性。本文设计了怒声波换能器 或称超声波振头 和越声波发生器； 5 5 5 定时器和湿度传感器构成的雾谐振荡器，利用单片机的定时器测最振荡电路 的振荡频率，实现溉度的检测：於围电路主骚完成数据的采集、数模和模数转 换、线经耗娃瑾等。联褥了较疑豹应莠l 效莱。 关键词；湿度传感器，超声波发生器，模糊控制，单片机 矗e s t r 矗| g t t h em a i nw o r ki nt h ep a p e ri st h a ti na c t u a lw o r k i n ge n v i r o n m e n tw h e nt h e e n v i r o n m e n tc h a n g e s ，t h et e m p e r a t u r ei sav a r i a b l ea n dt h ev a r i a b l es c o p ei s v e r y b r e a d t h i tc a n tb en e g l e c t e dt h a tt h ei n f l u e n c eo ft h et e m p e r a t u r et ot h eh u m i d i t y s e n s eo r g a n ，b a s e do nt h ec o m p l i c a c yr e l a t i o nb e t w e e nt h et w op a r a m e t e r s ，s ot h e f u z z yc o n t r o lt h e o r yi sa p p l i e dt o s o l u t et h ef a u l t i n e s so ft h em a t h sm o d e l i nt h e p a p e rt h eu l t r a s o n i ce x c h a n g ee q u i p m e n t a n dt h eu l t r a s o n i cc r e a t ee q u i p m e n ta r e d e s i g n e d ；am u l t i f r e q u e n c yo s c i l l a t i n gc i r c u i tb u i l tu pb yt h eh u m i d i t ys e n s o ra n d 5 5 5t i m e ri sg i v e n + t h e o s c i l l a t i n gc y c l eo fo s c i l l a t i n gc i r c u l a ri sm e a s u r e db yu s i n g t h et i m e ro f s i n g l ec h i pp r o c e s s o r t oa c h i e v et h eh u m i d i t ye a s e m e n t p e r i p h e r a lc i r c u i t m o s t l ya c h i e v e sd a t ac o l l e c t i o n ，a da n dd ac o n c e r ta n dl i n e a r i z a t i o nd i s p o s a l a t l a s ti th a sa l s op r o v e dt oh a v eag o o d e x p e r i m e n t a t i o n r e s u l t ， d us h e n h u i f c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a ow a n y e ，a s s o c i a t ep r o f k e y w o r d s ：i t u m i d i t ys e n s o r ，u l t r a s o n i ee q u i p m e n t ，f u z z yc o n t r o l ，s i g n a l c h i p 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文温湿度检测装置的设计与实现 应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指母下进行的研究工 乍帮取得黝研究成果。据本入所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其氇久已经笈寝或撰写遥麓磷究或象，龟不包含兔获彳霉华j l 电力大学或 其他教育机构的学位戚证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学经论文作者签名：挞送萱 目期：2 0 0 4 。1 2 关于学位论文使用授权的说明 本人究全了解华j e 电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 投保管、势囱有关部f 1 送交学位论文的骤 牛与笈印传：学校可以采用影印、缩 印或其它笈制手段复镪并保存学豫论文；学校可允诲学位论文搜查阙竣倍阕； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；阐意学校可以用不同 方式在不同媒体上发波、传播学位论文的全部戏部分内容。 ( 涉密黯学位论文在解密露遵守诧裁定) 作糟签名：毽渥鳌庭鸯蕙 日 期：2 q q ：1 2 ， 导师签名：缝丕竺 嗣期：2 查咝! 兰 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 随着人们生活水平的提高，人们对生活环境的要求越来越高，在气候干燥的 冬季室内由于暖气的原因空气十分干燥，人体感觉不适。 研究表明：湿润的空气才能保持生机盎然。为防止家具、木质装修、书籍或 乐器老化、变形甚至干裂的情况出现，储存以上物品时室内湿度应保持在4 5 一 5 5 r i - i 之间，而冬季北方家庭室内湿度仅为1 0 一1 5 r h ，干燥使我们可能带上2 0 0 0 7 0 0 0 伏的高压静电，由于家用和办公电器的普及，静电更是无处不在。严重的 静电会使人心情烦躁、头晕胸闷、喉鼻不适。空气湿度调节控制系统可以释放湿 润的空气，负氧离子可均匀遍布整个房间，有效消除静电，创造森林、海滨般的 清新空气。由此可见空气湿度的控制对于我们的身心健康和工作学习的重要性。 室内湿度调节可以通过多种方式进行，例如：洒水、放置鱼缸，但是这种方 式效果比较慢，而且不易控制。由于过渡潮湿对人体同样具有副作用，现在家庭 采用的加湿方式主要是超声波加湿器方式，该方式效率高、速度快、可控性好。 目前市场上的加湿器一般只能提供简单的雾量调节，功能单一，且多为手动 控制类型。少数加湿器有自动调节和恒湿功能，但是其湿度检测方法单一、可信 度不高，难以达到真正均匀加湿的目的。 本课题的研究就是针对目前市场上加湿器产品功能单一的缺点，利用模糊控 制技术对加湿器功能进行改进，使其既有自动控制功能，又能够根据用户需要进 行自动调节。通过本研究，使目前加湿器的智能控制程度都得到增强，而且该研 究还直接针对家庭温湿度控制，具有非常重要的实际意义和应用价值。 t1 背景 在超声作用下，液体在气相中分散并在液体表面形成细雾飞逸的过程叫做超 声雾化。其空化作用是超声成雾的主要原因，然后通过风动装置，将水雾扩散到 空气中，达到均匀加湿空气的目的。雾化速度和功率密切相关，功率大则产生的 雾量多。雾化速度还与液体表面张力、密度、粘度、蒸气压、温度等因素有关。 雾滴的直径与超声频率成反比关系。下表列出了超声频率与采用的换能器形状和 物粒直径以及这种频率下雾化器的用途的关系。( 见表卜1 ) 华北电力大学硕士学位论文 超声雾化以其独特的雾化效果已广泛地应用于轻工、医疗、冶金、保健、环 境等行业。医用吸入超声雾化器和家用超声雾化加湿器工作原理基本相同，例如 在雾化杯中加入一些治疗药物，在超声雾化作用下，药物在1 7m h z 超声波的强 烈作用下，药物粉末分散到水形成的水雾中，其所形成的雾滴直径在卜2 um 之 间，然后经鼻或口吸入，使雾化了的药物直接进入支气管末梢和肺泡，从而大 大增强对疾病的治疗效果。 从对家电的控制手段来看。在上世纪7 0 年代到8 0 年代，家用电器基本上属 于机电控制功能型。进入9 0 年代，家用电器出现了智能化，转向电脑控制的智 能型家电。这种智能型家电一般通过单片机实现对家电的控制操作。未来家电将 实现网络化，b 1 u e t o o t h 、h o m e r f 以及i e e e8 0 2 1 5 等标准的制定表明了这个趋势。 单片机作为微型计算机的一个很重要的分支，自7 0 年代问世以来，以极其 高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很广。单片机体积 小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好， 开发较为容易，并可获得较高的经济效益。正因为如此，在我国，单片机已广泛 地应用在智能仪器仪表。机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数掘处理等 各个方面。 从对家电的控制方法来看模糊f u z z y 控制通过总结人的操作经验，模拟人的 思维进行控制，使原来一些复杂的、无法用数学模型精确表达的过程得以控制。 f u z z y 控制响应快，超调小且鲁棒性好，但典型的f u z z y 控制器参数为一组常量， 对系统的动静态特性不能兼顾。而实际工作过程中，总是希望得到快速的响应、 小的超调和较高的控制精度，这样固定的控制器参数就显得很不灵活，特别是对 慢变化、大滞后系统控制效果不佳，经过实验室仿真和现场调试，最后采用全系 数自适应控制理论方法中的参数预报思想，根据误差和误差变化率预估以后的误 差值，再用模糊控制方法进行控制决策，构成白适应模糊控制算法，很好地解决 了这一难题。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 本课题研究的主要内容 研究智能型湿度控制系统，该系统包括两项任务，其一是研究温度对加湿效 果的影响和选择适当的模糊控制算法，使系统有很强的适用性、实用性：其二是 开发智能控制装置，实现对温度、湿度进行检测和对湿度控制。 本课题的目标：提供具有湿度加湿和智能控制的装置一套。 本课题的指标：湿度主要被控参数应满足适当的标准( 如居室应用标准湿度 3 0 一7 0 ) ，系统运行可靠。 系统超声雾化加湿器主要技术指标： ( 1 ) 电源2 2 0 l o v ，5 0 h z ： ( 2 ) 消耗功率4 0 w ： ( 3 ) 工作频率1 5 1 7 m h z ： ( 4 ) 换能器尺寸：由2 0 m m 压电陶瓷片； ( 5 ) 物化量5 m l m i n ： ( 6 ) 雾粒直径卜5um 。 课题研究的技术关键： 提供了温湿度测量结构，相比其它方式的温度测量方案，这种检测方案具有 低成本、宽工作电压、低功耗、高可靠性、易于实现和维护等诸多优点。 分析了多种控制算法，根据各自的优缺点，实现了基于s m i t h 一模糊复合控 制。 用软件实现了湿度检测的温度补偿。 测控系统是随着计算机技术、自动控制等的发展而提出和发展起来的。“智 能”可理解成为其科技含量，其科技含量高低反映了其技术水平。总之，“湿度 智能控制系统研究”课题的完成，一方面，为多种参数的测控智能化的可行性提 供了依据：另一方面，也为制定智能化规范提供了参考。 1 3 系统研究的应用前景 湿度智能控制系统是一种用于家庭、实验室、仓库( 厂房、花棚和塑料薄膜 大棚) 内环境温湿度监测及湿度控制的全自动智能调节系统。它通过超声雾化加 湿装置对湿度进行自动调节，使环境的湿度达到适宜的范围。 系统的设计可靠，操作简单方便，全自动化，优选分析软件，智能控制，而 且安装简便，维护简单，不仅适用于国防工程、人防工程等，而且也可广泛适用 华北电力大学硕士学位论文 于大型建筑、工厂车间、仓库( 房) 、温室花棚、蔬菜塑料大棚等对湿度要求较高 的场所。 另外，相关于智能化以及相关产品的研发，既有利于推动工控技术的发展， 又能带来可观的经济效益和社会效益。 1 ) 市场预测 随着计算机技术、现代检测技术和自动控制技术等高新技术的延伸，以计算 机为中心的自动化是当今世界范围内心的工业技术革命的核心之一。计算机测控 技术是人们提高劳动生产率确保产品质量，减轻劳动强度，实现综合自动化和生 产过程最有控制以及为家庭提供舒适生活条件的有效手段。 2 ) 课题的实用性及前瞻性 “温湿度智能控制系统”具有很强的灵活性，根据用户需要，可以进行灵活 设置。例如：如果用户需要不同的相对湿度，我们在设计系统时提供了用户湿度 设定功能，这样用户也可根据实际情况进行灵活设置。总之，即能适合现在的测 控要求，也会在一定程度上满足将来发展的需要。 3 ) 本课题的社会效益 本课题是以测控智能化为宗旨，旨在为工业及家庭提供有效、实用的湿度测 控方法。这一方面是对当前湿度测控技术的更新，另一方面也为人们的家庭生活 更加舒适提供了条件。此外，对于生产智能控制器的厂商来说，他们在推广应用 这项成果中，将会获得可观的经济效益。 华北电力大学硕士学位论文 第二章超声雾化加湿装置的设计 在超声作用下，液体在气相中分散并在液体表面形成细雾飞逸的过程叫做超 声雾化。其空化作用是超声成雾的主要原因，然后通过风动装置，将水雾扩散到 空气中，达到加湿空气的目的。 超声雾化加湿装置的设计主要包括电源电路、超声波功率源( 超声震荡电路、 放大电路) 等设计。 现代家用超声雾化加湿装置主要技术指标如下：( 1 ) 电源2 2 0 l o v ，5 0 h z ：( 2 ) 消耗功率4 0 w ：( 3 ) 工作频率1 5 1 7 m h z ：( 4 ) 换能器尺寸：由2 0 m m 压电陶瓷片；( 5 ) 雾化量5 m l m i n ：( 6 ) 雾粒直径卜5 1 1m 。 2 1 加湿装置的原理 图2 1 加湿装置电路 一 hn， v j 一 一 华北电力大学硕士学位论文 如上图2 1 中电压源为2 2 0 v 、5 0 h z 交流电。f u 为熔断器，以提供给整体电 路的过流保护。s 1 为电源总开关，电机采用y j f 一4 8 1 0 型，它为额定电压为2 2 0 v a c 额定频率为5 0 h z ，电机的设置是为了带动扇叶，以把雾化后的水雾从雾杯中 吹散到空气中，达到加速加湿的效果。t l 变压器为t d b - 2 8 型将2 2 0 v 变为4 8 v 主电路要应采用直流，因此使用四个1 n 4 0 0 7 型号的二极管组成单相桥整流 电桥，也可以采用1 a 的整流桥芯片代替，那样会更节省电路板空间，滤波采用 4 7uf 的电解电容实现。r p l 为功率调节变阻器，它的阻值的变化可以改变整个 电路的输出功率，可以达到控制雾化量大小的作用，r 3 作为分压电阻配合r 4 、 r 5 、r 6 来给三极管蚍提供静态工作点，而电阻r 2 为保护电阻，防止当r p l 滑动 到电阻为0 时，不至于三极管两端的电压过大，而烧毁三极管。 放大电路总共分为两级，q 1 采用c 9 4 5 ，q 2 采用b u 4 0 6 ，震荡电路由l 1 、l 3 和c 3 构成。振荡频率为1 4 - 1 8 m h z 左右，c 2 、c 4 、l 2 为滤波电容和电感，同时 也起到保护作用。 s o 为液位保户开关，s 0 1 、s 0 2 、s 0 3 、s 0 4 为由单片机控制的继电器开关， 通过改变串联电阻的阻值来改变输出功率，从而控制雾量。 2 2 加湿装置的各部分电路 超声雾化加湿装置主要包括电源电路、超声波功率源( 超声振荡电路、放大 电路) 等。 2 2 1 电源电路 加湿装置电源采用单相桥式不可控整流电路，它的作用是把我们的市电 ( 2 2 0 v 或3 8 0 v ，5 0 或6 0 h z ) 转换成与加湿装置相匹配的直流电信号。 2 2 2 超声波功率源 超声波功率源( 或称发生器) 是种用于产生并向超声换能器提供超声能量 的装置。超声波发生器就其激励方式有两种：一种是他激式，另一种是自激式。 本系统采用他激式超声发生器，其主要包括两部分，前级是振荡器，后级是 放大器。一般通过输出变压器耦合，把超声能量加到换能器上。而自激式超声发 生器是把振荡、功放、输出变压器及换能器集为一体，形成一闭环回路，回路在 满足幅度、相位反馈条件，组成一个有功率放大的振荡器。 振荡器采用阻抗电桥形式的动态反馈系统，系统组成的频率自动跟踪电路其 原理如下：它是利用电桥平衡原理补偿换能器电学臂的无功与有功分量，借助于 差动变量器提取与换能器机械臂振荡电流成正比的反馈电压，使闭环系统在换能 华北电力大学硕士学位论文 器机械接振频率上融振。本方法对换能器电参数的补偿衡可能做到与频率无关， 因瑟程较竟频段蠹鞭踩莛努。 传统的a 类、b 凝、c 类放大器是把有源器件( 例如晶体管为讨论对象) 作为电 流源工作。在这些放大器中，晶体管工作在伏安特性曲线的有源区。集电极电流 受基投激藏信号控涮l 乍据应变化，焉集电极嗽压是正弦波或正弦波懿一瓤分。因 _ i 毙集魄扳在信号一周内同时存巍颓大的电流和电压。要潲耗相当一部分功率，这 就是传统放大器的能量转换效帮受限制的主骚原因。开关模式放大器在提高放大 器效率方厦做了质的改革，它搬有源器件作为接通断歼的开关运用。晶体管工 箨在欲安特淫鏊线瓣魄秘嚣或截止嚣。当鑫髂管蔹激庶麓菝透露进入稳霹区，戮 开时进入截止区。由于晶体管饱和压降很低，集电极功耗降到最低限殿，提高了 放大器的能量转换效率。一般谯理想的晶体篱条件下( 饱和压降为零，饱和电阻 梵零颟开窀疆必燹穷大，开关瓣惩为零，属于开关模式工箨懿0 装放大器， 理论效率为1 0 0 。a ，实际效率可达9 0 以上。而通常酌a 类放大器效率只有5 0 ，b 淡效率为7 8 5 。从中看出开关模式功率放大器在功率超声的应用中具 有相当大的实际意义。 爽舔经弱孛大多数熬超声波发生嚣都楚8 ，e 粪放大器，e 类器多，部分籍拣 用途的设计为b 类。 2 3 超声波发生嚣与换能器的匹配设计 2 3 1 匹配溉述 越声波发生器与换能器匹配包括两个方词，一是通道匹配使发生器向换能器 输出鬏定静电功率，这是由子发生器罴要一个最佳懿受钱考疑簸凄额定功率酝 致，把换能器的阻抗变换成最毯负载，也邵阻抗变换作_ 鬻；二是通道溪配使发生 器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率一h 的输出电压 和电流鹰一定相位麓，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效 率降 蔻，因此在发生器簸整臻并上或事上一个耱反豹撬，往发生器受载为缝毫疆， 也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。 2 3 2 阻抗匹配 为了镬功率敞大嚣输出额定功率最大；在电源电压绘定条件下主要取决子负 载阻抗。一般在d 类开关型功放中其发生器变压器初级铎效负载r i 上的输出功 率表达式为： p 嘉i 1v 可l , 华北电力大学硕士学位论文 式中，v a m 为等效负载上的基波幅度； 一詈( y 。2 v v c c 为电源电压；v c e s 为功放管饱和压降，故 一羔! ! ! 二兰! 型! ： “一7 r 2 m 为了保证系统有一定功率余量( 因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗 电阻都有损耗，p o 需要乘上一个约等于1 4 1 5 的系数。即输出功率p o 为 1 5 p o ； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载r l 。 目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百 欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载r l 进行阻抗变换。 由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数 比进行变换。变压器次初级匝数比为n m ，则输出功率p o 时的初级电阻 瓜一忐兰一惫 举例：要求发生器输出在换能器上的功率为1 0 0 0 w ，设直流电v c c 为2 2 0 v v c e s = i o v ，功率应留有一定余量，则p o = i 5 p 0 = 1 5 0 0 w 。则变压器初级的 r ：兰! ! ! ! 二；! ! ! ! ! ：；! ! 墨! q = ! 兰：6 5 q “。2 j 一。i 面百汀2 一 若换能器谐振时等效电阻r l = 2 0 0q ，则输出变压器次级初级圈数比 n ：= 一5 5 。 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与 绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式 影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时， 应选取具有高磁通密度b ，高导磁率u ，高电阻率p c 的高饱和材料作铁芯。一 般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点： 8 华北电力大学硕士学位论文 1 工作磁通密度b 的选取 後芯捞瓣静磁薅应增量a8 愈大，薪鬻线圈匝数愈少，壹流电戳r 也愈蠢、， 从而线圈的铜损p m 也愈小。b 取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在 设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体 竣霸熏爨罄是缀鸯联懿。为了避免在戆态或避渡过程中笈生途郓，簸选取工终 磁通密度b b s 3 为宣，这羹b s 为磁芯酌鼹大和磁道密度。 2 要保证初级电感濑足够大 一般要求变嚣瓣裙级瞪摭艨滤足下式关系；w l l 1 5 r l ，其中髓为次级受 载掰辫到初级边的簿效电阻值，w l l 为初级电感感抗，麓扔级电感熬太小，动磁 电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低 b s ，使变压器进入饱帮的可能性增大。 3 饕鸯惑“集获效瘟”静彰稳 强高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线 有效截面积，增加了导线的电照，从而引起导线的压降增大，导致变胍器温度升 裹，缝莱遴大了交藤器送天镪秘静建险毪，建议采矮小焱经瓣多段导线著绕懿方 法。 2 3 3 调谐匹配 国予压电换戆器有静毫窖，磁致释缩挟能器有静魄感l 0 ，在羧戆器谐振 状态时，换能器上的电压v r l 与电流i r l 间存在着一相位角中，其输出功率p o = v r l i r l c o s 巾。幽于中的存在，输出功率达不到最大慎。只有当( b = 0 时，输 出功攀这最大傻。鞭此为了馒换缆器上毫匿v r l 与电流i r l 同稠( 每= 0 ) ，则必 须在换能器上，并上或串上一个耜抵消的抗。对于压电抉能器而言，鞠荠上或串 上一个电感l o 即可，而磁致伸缩换能器应并上或串上一个电容c o 。压电换能器 的阻抗戏导纳等效电路如图1 5 2 所示。在簿效电路图中 封，+ 、 舣) 2 r i 面营薪 x 。( 。) 一 b ( j r ) 凡2 ( ) 】+ ( 骞( 。，一) r ( ，) 2 式中r ( f ) ，x ( f ) 为串联电阻和电抗；r ( f ) ，g ( f ) ，b ( f ) 为并联电阻、电导和电 纳。它们都是频率的函数。并联调谐和串联调谐电感量内下式确定： 华北电力大学硕士学位论文 厶井= 矗丽一哿 ，x ( ，d ) “一可 2 3 4 关于匹配电感的设计 匹配电感通常就是铁心线圈的电感，其电感量可按下式计算。 ，0 4 ，r t 矿s 。，e l 2 1 一 ， 式中。为线圈匝数，s c 为铁芯有效截面积( c m 2 ) ；l c 铁芯平均磁路长度( c m ) ue 铁芯有效磁导率， 肚一惫一( 去十妒 式中，u 铁芯磁导率，1 9 铁芯中非磁致间隙长度( c m ) ；因为l b l c i u ，故 队一( 。7 | 。) 叫一t c n 。 所以 型竿坚1 0 一t ( h 3 粤 由此可见电感l 与间隙l b 近似成反比，调节l b 间隙即可调节l 。 设计电感有以下几个步骤； ( 1 )按( 【) s c 选铁芯 诚= 渤舢4 式中v 为输出电压有效值( v ) ；f 为工作频率( h z ) ；b 为铁芯磁感应强度。 一般选m x o 一2 0 0 0 e 型磁芯较多，匝数计算如下； 1 ， 枷一石蔬1 0 4 ( 2 ) 计算磁芯间隙l b 华北电力大学硕士学位论文 l g - - - - 竽竽枷叫 ( 3 ) 确定导线 考虑到高次谐波和超声频率较高，顺计及高频电流的邻近效应和集肤效应的 因素。当f l o k h z 时由邻近效应引起的交流电阻r 约为其直流电阻r d 的2 一l o 倍，铜耗p r 也要比直流铜耗p r o 增大同样倍数。令增大倍数为k ，则：p r = k p r o 因此，为维持电感线圈的正常升温，电流密度必须按照常规允许值的1 k 。 来选择。 关于集肤效应，常用高频电流的穿透深度b 来表示： p = ( 吖五r ) 一专 式中，u 为导线磁导率，r 为导线电导率。 为减少集肤效应的影响，所选导线直径d 必须小于两倍穿透深度b ，否则采 用扁平线或者高频线。 在功率超声中其频率为1 5 4 0 千赫的匹配电感导线可以采用多股塑胶线，一 般问题不大。 匹配电感连续工作8 小时如果温升正常，则表明设计是成功的。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 温湿度检测方法 第三章温湿度检测设计 温度的检测方法，一般采用热敏元件，如热电阻、热敏电阻、温敏二极管、 温敏三极管等测温元件。热敏电阻的工作原理：热敏电阻的阻值随温度的升高而 成非线性急剧变化，一般具有负的温度系数，其阻值随温度升高而急剧减小，只 有少数具有正的温度系数。热电阻的工作原理：热电阻的阻值随温度的升高而增 大并且阻值随温度按照近似的线性关系缓慢变化。 湿度的检测方法，一般采用湿敏元件检测湿度，分为湿敏电阻和湿敏电容两 种情况。常用的有高分子电阻式湿度传感器、高分子电容式湿度传感器等。高分 子电阻式湿度传感器的工作原理：由于水附在有极性基的高分子膜上，在低湿度 下，因吸附量少，不能产生荷电离子，电阻值较高。当相对湿度增加时，吸附量 也增加，集团化的吸附水就成为导电通道，高分子电解质的正负离子主要起到载 流子作用，另外，由吸附水自身离解出的质子、水和氢离子也起电荷载流子作用， 使高分子湿度传感器的电阻值下降。高分子电容式湿度传感器的工作原理：高分 子材料吸水后，元件的介电常数随环境的相对湿度的改变而改变，元件的介电常 数是水与高分子材料两种介电常数的总和。当被测的气态水分子通过多孔的上电 极扩散至感湿膜表面，被极性官能团所吸收，引起湿敏电容器介电常数的改变， 从而改变了湿敏电容器的容量值。 在实际工作环境中，温度不是一个恒值，随着环境的变化而变化，变化的范 围很宽。而湿敏元件受温度的影响不能忽略。湿敏元件的湿度温度系数就是表示 器件的感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。环境的温度变化越大，由感 湿特征量表示的环境相对湿度与实际的相对湿度之问的误差就越大。另外，湿敏 元件检测湿度时，所加的激励电压不能用直流电压，而要用交流电压。原因在于 直流电压会引起湿敏元件吸收的水分子产生电解，导致感湿特征量改变。但加交 流电压后会产生一定的热量，所以，交流电压值不能过高，要有一定的限度，而 且，感湿特征值与所加的交流电压频率r h 有关，即有一定的频率上限和下限。 除此之外，响应时间、湿滞回线、湿滞回差等也不容忽略。响应时间越短，表明 湿敏元件的吸湿过程和脱湿过程越快，湿滞回差越小，湿敏元件的性能越好。一 般采用振荡电路作为湿敏元件的测试电路。 华北电力大学硕士学位论文 3 2 温湿度检测原理与实现 在温湿度检测试验过程中采用了以下两种方法： 一、温湿度数据检测采集采用图3 - 1 电路除了输出湿度信号外，还输出温度 信号，可以做成温湿度的检测电路，应用于各种环境的温湿度测量由a 1 组成文氏 电桥振荡电路，产生频率l k hz4 5 v 的正弦波，作为湿度传感器的工作电压，这里 采用电阻r 1 ，r 2 ，r 3 串并联作为传感器的线性补偿a 2 为跟随器起阻抗变换作用， 跟随器输出的信号经d 3 整流及1 0 uf 电容滤波后送入温度补偿差动放大器a 3 湿度传感器每有o 7 左右的温度系数，因此，在电路中采用了热敏电阻温度补 偿电路该电路以相对湿度6 0 为中心值时，在3 5 8 5 的范围内，检测精度可达 4 ，不过要达到这样的精度还与传感器的性能有关a 5 为温度补偿电路，热敏电 阻与2 4 k q 电阻并联后作为反馈电阻，当温度改变后输出与温度成比例的信号热 敏电阻与2 4 kq 电阻并联有线性化的作用，但输出的信号仍有些非线性 温度补偿后的湿度电压信号经a 4 作输出放大，其灵敏度可达相对湿度每变化 1 为1 0 0 m v a 5 输出的温度信号，经a 6 放大后输出h r 2 0 2 湿度传感器的性能为 ( 2 5 ，1 k hz ) ：4 0 时阻抗为6 8 k q ：6 0 时阻抗为2 9 k q ：8 0 时阻抗为7 k q ( 一般湿 度传感器厂为用户调试方便，每1 个传感器给出几个特定湿度时的阻抗值或给出 湿度与阻抗曲线，以便用户调试电路或用计算机作软件补偿用) 由于本次设计中 没有现成的产品，无法进行查表补偿，所以在设计中都认为其输出是线性的 此电路调整方法如下： 1 ) 调整w l ，使振荡器输出电压为4 5 v ： 2 ) 调整w 2 ，使a 4 输出为4 v ： 3 ) 将6 8 k q 的代用电阻换成7 k q 电阻( 相当于相对湿度为8 0 时输出值) ，调 用2 0 k q 的电阻代替热敏电阻，用6 8 k q 电阻代替湿度传感器( 相当于相对湿度为 4 0 的阻抗值) ： 4 ) 调整w 4 ，使a 4 输出为8 v ： 5 ) 将以上3 ) ，4 ) 项操作反复2 3 次，使达到代用电阻为6 8 k o 时输出为4 v ，7 k q 时为8 v 然后接上湿度传感器及热敏电阻，再进行下面的微调： 6 ) 将湿度传感器放在4 0 的环境中放置1 5 m i n 后，w2 ，a 4 输出为4 v 然后将 湿度传感器放在8 0 的环境中放置1 5 m i n ，w 4 输出为8 v 反复2 3 次可满足要 求温度输出调整与一般温度计调整相同 华j b 电力大学硕士学位论文 图3 一l 温湿度数据采集电路 二、基于多港缀荡器的溢灏度数据裣浏聚集也可糕翔5 5 5 定时器署疆潺湿度传 感器来构成。( 如豳3 2 所示) c f 簿ii i_ j j l ；慷出。胁一馘 立 蠖 窄 黔觑 p d c ：= i 崔 巷4 6 & & = 7 n e 5 5 5 3 6 2 s 麓 上r | 土产v 躯 t 镰| t 。i 圈3 - 25 5 5 湛瀑度数獯采集逛路 1 4 华北电力大学硕士举位论文 1 5 5 5 定时器工作原理： 麴强3 - 3 掰示接遂龟添瓣黧，定辩电粪器c 主豹电嚣￥e 秀零，襄秘s蓑毫 位均小于v c c 。由5 5 5 定时器的原理可知，此时集成定时器输出端被鼹位，定时 器内部放电管截止。此后，电源v c c 通过电阻器r 、湿敏元件对电容器c 充电，r 与s 端蕊电位逐激嚣嘉，当势蠢到v c c 时，簸出端爨变为低电乎，送时定时器 内部放电管导通，电容器c 遴道湿度传感器鞠放电管放魄，r 与s 端的电位逐渐 下降，当s 端电位下降到v c c 时，输出端又跳变为高电平，定时器内部放电管截 止。依此周而复始形成震荡。在输出端得到矩形脉冲信号。利用单片机的定时器 灏量强荡电路豹振荡羯期亲求滋澄度，稳之灸振荡竭麓潼。 设电容器c 的充放电时间分别为t l 和t 2 ，则多谐振荡器上午振荡周期 t = t 1 + t 2 。 囊r c 邀路辩羚跃激弱豹全稳应方程为 乩p ) = 圪p 彳+ e ( i e 彳) ( 1 ) 将v o = l 3 v c c ，e = v c c ，f = ( r + r h ) c 代入式( 1 ) 整理得 t l = ( r + r 、) c l n 2( 2 ) t 2 = r h c l n 2( 3 ) 所以，多谐振荡器的振荡周期t 为 t = t i + t 2 = ( r + 2 r 。) c l n 2 ( 4 ) 麦式( 4 褥r f l 2 ( t ci n 2 一r ( 5 ) 幽于式( 5 ) 中电阻和电容为常量，因此，由振荡周期就可队得到温湿度传 感器在定温湿度下戆等效电阻强，迸露可求出楣对漫艘秘温度傻。 2 电压跟随器 电压跟随器的输入与输出信号相等，但怒输入阻抗高达1 0 7 1 0 8 k q ，而输出 阻抗缀低，小于千敬，因此可用 乍阻抗变换器。通过它使秘级的离输出阻抗和后级 豹低输入阻抗之黼链够实现合瑕匹配。裁侮湿度穗感嚣辩，获褥其霄滠敏性能豹 样品不难，难的是低阻值，有可能出现阻抗商达1 0 8 k q 的样品，此时，威考虑电路 上的阻抗变换。 3 黯数线淫落毫潞 半导陶瓷湿敏电阻的交流阻抗随大气栩对湿度变化的特征曲线，一般呈指数 15 华北电力大学硕士学位论文 关系，为了使湿度搬示表头刻度为线性读数，必须使指数荧系的v d 转换成线性关 系豹￥。在图3 - 4 中，裁囊鑫俸二稷管匏垂淘毫滚目镶瑟之瓣豹据鼗关系，爨及运 算放大器的“虚地”和“虚断”原理，可以近似算出输出龟臌为：v e 一一c 】g ( v d r 4 ) + 5 选取r 4 = l k ，r 5 = 5l k ，r 6 = l o k ，r 7 = 5 l k ，r 8 = l o k ，c 6 = 0 1uf ，d 2 2 d 3 2 i n 4 1 4 8 。 4 。赦大毫鼹 图3 - 5 的电聪放大倍数为：k = i + r l l r i o ， r 1 1 = ( k - 1 ) r 1 0 ， 取k = 1 6 ，r l o = l k ，r 9 = l k ，r 1 l = l s k 。 图3 - 35 5 5 定时器电 凝3 4 黠数线性伲 图3 5放大电匿 5 显示电路 嘲3 6 巾，d 4 的r 1 2 为袭头保护元件。当大气相对湿度分别为r h 8 0 、 ： o o e a ，f 点静惫愿分别是v f o + 6 5 v 、= 1 6 2 v 、= 3 。8 6 v 。当r h o 7 v ，d 4 警运，表头电压v = o - 7 v 不会超出电压表的摄程。表盘最好是按大气湿度重新标记。由1 0 。4 0 m a ，v f 2 3 8 6 v 算如r 1 2 = 7 9 q 1 0 0 q ，d 5 = i n 4 0 0 1 ，v 2 0 1 v a 8 。控潮电路 阁3 7 中选继电器j = 6 v i o o m a ，功率放大管t = 9 0 1 3 。由a 4 的最小高电平信 1 8 6 9 v ，计算出电阻r 1 3 = 且( v h v b e ) l o o m a 。8 2 0 q 。 ? 。稳器逮黪 豳3 8 是a n 7 8 0 6 集成三端予固定输出稳压器。外加赢流电源v c c 2 8 5 2 1 v ， 1 r 华北电力大学硕士学位论文 可得固定输出电压v d d = 6 v ，输出电流i o = l a 。高频滤波电容c 2 = 00 1uf 1 6 v ，消振 电容c 1 = luf 5 0 v 。 图3 - 6 显示电路 图3 7 控制电路 图3 - 8 稳压电路i 在实际应用中人们发现，高分子电阻型湿度传感器不是纯电阻湿敏元件， 而是存在一定的电容分量。一般将其等效为一电阻与电容的串联模型。另外，导 线的分布电容对高分子电阻型湿度传感器有一定的影响，特别是在低湿时比较明 显。这样，采用上面的电路存在很大的误差，需要做技术上的改进。高分子湿敏 电容具有线性较好、温度系数小、响应时间快、全程测量、湿滞较小等诸多优点， 但是，在某些特定条件下，经常出现“输出限幅”现象。即传感器的输出电压突 然增大，一般约为正常应输出值的两倍，大大超出其量程范围感器失去了感湿测 量作用。 3 3 湿度检测数据 本课题采用的是电阻型湿敏传感器，型号为h r 2 0 2 ，它是采用有机高分子材 料的一种新型的湿度敏感元件，具有感湿范围宽，响应迅速，抗污染能力强，无 需加热清洗及长期使用性能可靠等特点。 规格为： ( 1 ) 额定电压 1 5 va c ( m a x ，正弦波) ( 2 ) 额定功率0 2 m w ( m a x ，正弦波) ( 3 ) 工作频率 5 0 0 h z 一2 k h z ( 4 ) 使用温度o 一6 0 摄氏度 ( 5 ) 使用湿度9 5 以下 ( 6 ) 相对湿度一阻抗特性，湿度检出精度 传感器的输出阻抗随温度的变化而变化，通过试验得到它的特性参数，为此 目的，必须创造一个有固定相对湿度值的测试环境。最容易的控制环境湿度的方 法是利用水的盐溶液。根据第一劳尔定律，溶液的饱和蒸汽压是溶解物质和它的 浓度的函数。在此条件下，在密封容器中，在饱和或过饱和溶液的表面上形成了 个严格确定的饱和水蒸汽压。比较倾向应用过饱和溶液，因为它形成的气压比 17 华北电力大学硕士学位论文 较稳定。一个常用的方法是将浸满了饱和溶液的软填料放在封闭容器中。盐类饱 和溶液在不同温度时的相对湿度表见附录a 。 在同一温度湿度和同一湿度不同温度条件下，通过检测电路及相关计算得出 湿敏电阻于温湿度间的关系。( 见下表3 1 ) 表3 1 湿度传感器与温度 华北电力大学硕士学位论文 第四章温湿度控制系统的硬件设计 本系统的硬件由m c s 一8 0 5 1 、湿度传感器、温度传感器、温湿度显示、执行机 构等组成。数据采集主要完成数据的采集、数模和模数转换、线性处理j m c s 一8 0 5 1 单片机是系统的核心部分，主要完成系统参数和控制参数的设定，传感 器标定曲线和模糊控制总表的确定以及数据的输入、处理、存储、输出、显示、 等功能。系统硬件配置如图4 一l 所示。 41 8 0 5 1 单片机的特点 图4 一l 系统硬件配置图 单片机s c m ( s i n g l ec h i pm i c r 。c o m p u t e r ) ，即m i c r o c o n t r o l l e r ，是把微型 计算机主要部分都集成在个芯片上的单芯片微型计算机。主要包括了微处理器 ( c p u ) 、存储器( r o m ，r a m ) 、输入输出口( i o 口) 和定时器计数器、中断系统等 功能部件。 从应用的角度看，m c s 一5 1 单片机具有如下的特点： a ：集成度高。 m c s - 5 l 单片机的典型产品为8 0 3 1 。该芯片内部包含了1 2 8 个字节的r a m ，4 个8 位并行i o 口，1 个全双工的串行口，2 个1 6 位的定时器计数器，以及一个 华北电力大学硕士学位论文 处理功能很强的中央处理器。m c s 一5 1 单片机的另一代表产品为8 7 5 1 ，它在8 0 3 1 单片机的基础上，增加了4 k 字节的e p r o m 。在许多不复杂的场合，只用一片8 7 5 1 即可满足要求。 b ：系统结构简单。 m c s 一5 1 芯片内部采用模块式结构，增加或更换一个模块，就能得到与系统和 引脚兼容的新产品。 c ：系统扩展方便。 m c s 一5 1 芯片具有外扩至6 4 k 字节程序存储器和6 4 k 字节的外部r a m 和l o 口的 能力。 d ： 可靠性高。 m c s - 5 1 单片机的总线大多在芯片内部不易受干扰，而且m c s 一5 1 应用系统体 积小，容易采取屏蔽等措施，适应范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠的工作。 m c s 一5 1 单片机根据其抗干扰性能有军用、民用之分。其中，军用品的抗干扰性能 最强，可靠性最高。 e ： 处理功能强、速度高。 m c s - 5 1 单片机指令系统中有加、减、乘、除及各种逻辑运算和转移指令，还 具有位操作功能，c p u 时钟频率高达1 2 m h z ，指令系统中近5 0 的指令为单字节指 令，指令执行速度快。 f ： 容易产品化。 m c 8 - 5 1 由于单片机应用系统具有体积小、可靠性高、功能强、价格低等特点， 很容易形成产品，可以把它装入各种仪器、仪表及控制装置中。 4 2 系统的组成及工作原理 本系统原理结构框图如图4 - 2 所示，它是主要包括数据采集与单片机处理、 输出等，由数据采集和单片机组成的控制系统。其中数据采集由相应的传感器( 如 温度传感器、湿度传感器) 、8 0 5 1 单片机、模拟量输入输出通道、开关量输出通 道所组成。系统既可以独立完成各种信息的采集、预处理及存储任务，又可接受 人对控制参数设置，启动加湿装置，从而按不同要求调控湿度环境。 华北电力大学硕士学位论文 一 矗转 键盘 i 湿度传感器 c 斗 0 8 _ i 温度传感嚣l ，0 9一温湿度显示 g o 0 0 o 0 1 h _ 一 一继电器i - t 加湿装爨 撕 辅 鞠 - t 声光报警 甏4 - 薯系统覆矮绪稳框图 4 2 1 温湿度数据采集接潮电路 滋浸疫整溺鸯疆令辕入售号，一个寒爨滠度螽感器，嚣一令袁叁滋度筵感器。 在单片枫8 0 5 1 的控制下，两路输入分时进入到a d 转换芯片a d c 0 8 0 9 的输入端 上。a d c 0 8 0 9 转换结果是以字动态扫描b c d 确形式输出的。 a d c 0 8 0 9 与8 0 5 1 单冀提髂接霸热墨4 一毒瘊示。 华北电力大学硕士学位论文 陵4 毋8 0 5 1 与a d c 0 8 0 9 的迄接( 采用查询方式 囊予a d c 0 8 0 9 笄痰无对镣，可稳霜8 0 5 1 疆撰戆蘧镰锾存盘译繁譬a l e 经d 触发器二分频后获得，a l e 脚的频率是