仓库湿度自动控制系统.docx

武汉理工大学仪表与过程控制系统课程设计说明书目录1概述12系统组成与框图12.1系统控制结构组成13系统的设计原理23.1总体概述23.2 看门狗复位电路23.3湿度测量的名词术语33.4系统硬件设计总图44系统的单元结构设计44.1 电源电路的设计44.2湿度的调节模块设计54.3蜂鸣器模块设计64.4键盘模块设计74.5显示模块设计84.6 系统的抗干扰设计85软件的设计及实现96仿真107总结与体会11参考文献12仓库湿度自动控制系统1概述防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，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。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。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。仓库是用于存放物品的场所，通风以及温度、湿度的监测是仓库重要条件，它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。现实生活中，温、湿度的测量和控制在纺织工业、林业、化工以及气象观测等领域中也同样有着广泛的应用。传统的温、湿度测量方法采用测试器材，通过人工进行检测，这种人工测试方法费时费力，因而有必要研制仓库的自动温、湿度控制系统，以便实时检测仓库的温、湿度，并根据所测的数据控制加湿器、空调器等设备的运行，确保仓库有合适的温、湿度环境。这里提出的仓库温湿度自动控制系统是为某民用仓库设计的，可实时检测仓库的湿度，根据检测结果对温、湿度加以控制，同时还具有在线修订温、湿度控制上下限，温、湿度显示和报警功能，并可向主控室传送数据。通过一个学期的过程控制课程的学习，我们对整个控制系统的设计概况、技术方法和应用领域有了一定的认识，此次课程设计主要是巩固和加强我们对课本知识所学的认识，把理论知识实际应用，来达到学以致用的目的。2系统组成与框图2.1系统控制结构组成湿度检测电路。用于检测空气的湿度。微控制器。采用ATMEL公司的89C51单片机，作为主控制器。电源温压电路。用于对输入的200V交流电压进行变压、整流。键盘输入电路。用于设定初始值等。LED显示电路。用于显示湿度10。功率驱动电路（湿度调节电路）AT89C51电源电压的设计按键输入电路LED显示电路功率驱动电路吹风机功率驱动电路蒸汽机湿度检测电路湿度传感器图1系统总体框图3系统的设计原理3.1总体概述该湿度控制系统由湿度检测电路、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，它的原理电路如下图所示。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。3.2 看门狗复位电路看门狗复位电路采用微处理器监控器DSl232。DSl232采用8引脚DIP封装，具有性能可靠、使用简单、价格低廉的特点，在单片机产品中能够提高硬件的抗十扰能力。DSl232具有如下功能：微处理器掉电或电源电压瞬变降低时可自动复位微处理器；在微处理器失控状态下可以停止和重新启动微处理器；精确的5或10电源供电监视。DSl232内部集成有看门狗定时器，当DSl232的周期输入ST端在设置的周期时间内没有有效信号到来时，DSl232的RST端将产生复位信号。这一功能对于防止由于干扰等原因造成的微处理器死机是有效的。看门狗定时器的定时时间由DSl232的TD引脚确定。本系统中TD接地，定时器时间为150 ms。P10接DS1232，为其提供周期输入信号。RST输出信号反向后接单片机外部中断INT0。3.3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 （2.1）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)；ab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(Relative Humidity)，有公式： （2.2）式中，p1(T)代表温度为时的水蒸气压强，p2(T)表示在温度下的饱和压强。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个标准大气压，p0=101.325Pa。大气压强随高度的增加而降低。设、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 （2.3） 当距海面高度为1000M、2000M、4000M、8000M时，大气压强就依次降成 0.88p00.78p0、16p00.37p0。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。3.4系统硬件设计总图图2 系统总设计图4系统的单元结构设计4.1 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。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。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），按图所示设计： 图3 电源电路图在图中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。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（0.11）F，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10F。4.2湿度的调节模块设计当环境的湿度超出我们预先设定的湿度范围时，通过湿度检测电路以及A/D转换，把相应的信号送入主处理器AT89C2051中，通过软件的判断，确定当前的湿度值是否在合适的范围，如果不是，就自动的发出信号，启动湿度调节，例如当相应环境湿度大于预先设定的湿度值时，通过单片机发出信号，经功率驱动放大电路，启动抽风机的工作，减少空气中水蒸气的含量，以达到降低空气湿度的目的；当环境相应湿度小于预先给定的湿度值时，仍然的通过单片机发出信号，经功率放大电路，启动加湿器的工作（其实也就是一个蒸汽机相关的机械），增加空气中的水蒸气，以达到增加空气中湿度的目的。 如图为湿度控制硬件结构图，图中采用了两只光电耦合器件、两个继电器、和两只发光二极管。其中光电耦合器件是将处理器（单片机）输出的信号转换为继电器的输入信号，而继电器又与吹风机和蒸汽机的电源线相连，这样，处理器输出的信号就可以通过光电耦合电路和继电器电路来控制机械（吹风机或蒸汽机）的动作。图4湿度的调节模块图湿度调节原理实现:现以吹风机为例，来说明湿度的自动调节过程。首先，我们可以人为的设定合适的湿度值，例如可以根据温湿度之间的联系，在知道当天温度的情况下设置合适的湿度值，然后湿度检测电路将所检测到的当前湿度信号通过A/D转换送到控制器（AT89C51），在控制器里面，通过软件的编程，将所检测到的湿度信号与预先设定的湿度值相比较，当检测到的湿度值大于预先设定的湿度值时，仍然是经过软件的处理，从处理器的端口P2.6（开始运行时，P2.6人为设定为高电平）输出低电平信号（见硬件结构图），这样，与P2.6相连光电隔离器件就开始工作，带动继电器的吸合，而继电器的长闭开关又控制着吹风机的电源开关，这样，继电器工作之后，吹风机就开始工作。在吹风机工作的同时，湿度检测电路仍然是不断的将湿度信号送到单片机处理器中，处理器也不断的进行比较，（当然这期间，P2.6一直为低电平），如果当前湿度仍然大于预先设定的湿度值，P2.6继续为低电平，吹风机继续工作，只有当检测到的当前湿度信号不大于预先设定的湿度值时，P2.6返回为高电平输出，随之，吹风机也停止工作。这一过程就实现了降低湿度的自动调节。当然，增加湿度的调节过程与此相似，在次不做介绍。这样就实现了空气湿度的自动调节。在本设计中，湿度的的调节除了自动调节外，还可以手动调节，以满足不同用户的要求（或者说在湿度自动调节失灵的情况下，可以进行人为调节，使湿度仍然保持在理想状态）。例如，当你按下S3键时，吹风机就会立即工作，而不管湿度检测信号，并且在此过程中，湿度检测电路还是不断的将湿度信号送入处理器中，并将当前湿度值通过数码管显示出来，但此时湿度检测信号不会影响吹风机的工作，直到用户觉得满意的时候，再按下S3键，吹风机就会停止工作。同理，人为加湿操作与此工程相似。4.3蜂鸣器模块设计我们在设计中加入了一个蜂鸣器作为简单的语音提示，在键盘输入数据时，蜂鸣器“滴”响一声，表示数据已经输入，同时在数据输入错误时提供报警作用，同时在切割时做完成的长鸣提示。由于蜂鸣器驱动所要电流不是很大，因此我们只用了一个三极管8550来放大电流，通过I/O口控制PNP的导通与截止，来控制蜂鸣器的响与不响。图5为蜂鸣器的连接电路图。图5 蜂鸣器连接电路图4.4键盘模块设计在此次设计中，我们用键盘输入起点坐标和终点坐标，输入形式为：(X，X)，(X，X)，“Y”(“Y”表示确定)。若要修改输入的数值我们按“C”(“C”表示改变)，然后按“B”(“B”表示删除)来删除前一个输入的数值，当按下“D”(“D”表示确认删除操作已完毕)时表明已删除错误值，等待再重新输入数据。图6 键盘模块设计图按键消抖：本系统由于只有4个按键，而且单片机的接口又足够，所以采用独立式键盘，每一个按键与单片机的一个输入端口相连。我们可以从系统设计原理图看到，四个按键S1、S2、S3、S4分别与单片机端口P3.0、P3.1、P2.4、P2.5相连。其中，S1键控制湿度预设值的加1，S2键也是设定湿度的预设值，只是按一下S2键，预设值就相应的减1，S3键是人为的控制吹风机的开关，S4键是人为的控制蒸汽机的开关。软件去抖动的方法： t0t1t2t3t4图7 抖动原理图当CPU检测到有按键按下后通过软件延时（5ms-20ms）一段时间后再进行扫描，如果延时后检测到仍然有键按下，这时才读取键值并存入寄存器，从而达到了去抖动的效果。4.5显示模块设计为了更好的进行显示，如果发现输入有错，可以进行更改。同时液晶兼代对每一次的进给方式进行显示，方便我们对控制算法的实施进行了解。液晶的连接我们采用8位并行数据传输方式，单片机通过I/O口来控制液晶上的三个使能管脚，使得数据的准确显示。图8 51单片机与液晶连接图4.6 系统的抗干扰设计系统的电磁性负载较多，它们对系统的干扰较大。系统采用了以下抗干扰措施：1)对单片机使用电源监控及看门狗电路，采用微处理器监控芯片DSl232实现；2)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，在继电器触点两端并接火花抑制电路，减小电火花影响；3)做好电源滤波，电路板上每个IC的电源与地之间要并接一个001F电容；4)为了使“乱飞”程序在程序区迅速纳入正轨，尽量多采用单字节指令，并且在关键地方插入一些空操作指令NOP或者将有效单字节指令重写；5)采用软件陷阱技术处理出错程序，采用数字滤波技术处理采样数据；6)通信程序中加数据校验位。5软件的设计及实现MAIN初始化开中断设置查询键盘是否压下调用显示程序中断服务程序读取A/D转换结果保存数据现场保护现场恢复返回（1）主程序流程图（2）A/D转换子程序流图显示子程序断点保护写缓冲单元及循环次数循环结束弹出堆栈还回送显示字位是否按键处理子程序S1键S2键S4键S3键判断键预设湿度加1预设湿度减1人为启动吹风机人为启动加湿机返回（4）按键子程序流图（3）显示子程序流程图 6仿真我们首先对系统进行设定，比如设置相对湿度为40%，如图1所示，而后启动系统，系统就开始检测仓库中的湿度，如若相对湿度高于40%，比如为80%，如图2所示，则开启吹风机进行干燥处理，是仓库空气相对湿度下降，如图3所示。如若空气中的相对湿度为20%，如图4所示，则低于我们设定的值，则我们开启蒸汽机对空气中的湿度湿化处理，如图5所示。当空气相对湿度达到我们所设定的要求是，则停止湿度调节。如若空气中相对湿度再次有变化，则继续采取上面的方式进行调节处理。图9设置相对湿度图 图10吹风工作图图11蒸汽工作图 图12工作停止图同时，我们还可以对报警的上下限进行设定，如图所示，如果空气中的相对湿度高于或低于我们所设定的值，就会报警。图13设定上限图图14设定下限图从仿真中我们可以得出，说设计的系统完全符合设计要求，达到了满意的效果。7总结与体会本系统是基于单片机89C51的处理，可以完美的实现对环境湿度的监测。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。随着社会的发展，传感器的作用越来越突出。在现代工农业生产尤过程中，要