文献综述-建筑环境参数监控装置的设计

嘉兴学院南湖学院毕业设计文献综述题目建筑环境参数监控装置的设计系别机电工程学院专业电气工程及其自动化班级电气N092学号学生姓名一、前言温度、湿度、光照度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工农业生产中最常见最基本的工艺参数，例如农业上农作物的生长离不开对温度、湿度，特别是光照的检测与控制，机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度、湿度的检测与控制，所以对温度、湿度及光照度的检测及控制就非常有必要了。粮食是人类生存的必需品，温度与湿度是保存好粮食的先决条件，我国的公粮现在均集中存放在国家或地方的仓库中，最大的粮库方圆几公里，仓库库房数为数十个，测点可达数千个。按照国家粮食保护法规，必须定期抽样检查各点的粮食温度与湿度，已确保粮食的存储质量。档案馆中的档案资料同样会受到外界空气温度与湿度变化的影响，纸张纤维热胀冷缩，使强度降低，湿度过大会使霉菌和害虫滋长，以致造成资料变质。由此可见，温度、湿度、光照监控在人们现实生活生产中应用已经日渐广泛，在发电厂、纺织、食品、医院、仓库、农业大棚等众多的应用场所，对温度、湿度、光照参量的要求都非常严格，因此能否有效对这些领域的温、湿度、光照数据进行实时监控和控制是一个必须解决的重要前提。本课题即以上述问题为出发点，设计实现了温度、湿度、光照的实时监测系统，该系统不仅能实时采集各抽样点的温度值与湿度值，而且能够迅速处理，友好的将数据结果显示给用户，并储存结果以方便以后的对比研究。系统采用数据的采集到汇总及响应的设计思想。其中温度、湿度、光敏传感器是并行连接到单片机上的，数据分别进入单片机，再分别进行分析和处理。数据采集器的核心部件为单片机，主要完成对其所连接的传感器的测量与控制以及得到的响应。系统中，作为主机的单片机是整个系统的核心，它要接收前端的采集数据，还要分析与处理它们；并控制后端的响应数据的显示和声光的报警效应。系统的活动筋脉软件，是用C语言编写的，起到单片机芯片的数据处理、温湿度、光照数据的显示和通过485芯片输入PC。二、主题进入21世纪后，特别在我国加入WTO后，国内产品面临巨大挑战。各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。例如纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙，十分落后，绝大多数仍在使用干湿球湿度计，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，其控制效果可想而知。制药行业里也基本如此。而在食品行业里，则基本上凭经验，很少有人使用湿度传感器。值得一提的是，随着农业向产业化发展，许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市场。各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植反季节蔬菜，花卉；养殖业对环境的测控也日感迫切；调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。我国已引进荷兰、以色列等国家较先进的大型温室四十多座，自动化程度较高，成本也高。国内正在逐步消化吸收有关技术，一般先搞调温、调光照，控通风；第二步搞温湿度自动控制及CO2测控。此外，国家粮食储备工程的大量兴建，对温湿度测控技术提也提出了要求。在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般可达0500625。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达003125，测温精度为02。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27S、9S。新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线而国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为HONEYWELL公司（HIH3602、HIH3605、HIH3610型），HUMIREL公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），SENSIRON公司（SHT11、SHT15型）。这些产品可分成以下三种类型1线性电压输出式集成湿度传感器；典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。2线性频率输出集成湿度传感器；典型产品为HF3223型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55RH时的输出频率为8750HZ（型值），当上对湿度从10变化到95时，输出频率就从9560HZ减小到8030HZ。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。3频率/温度输出式集成湿度传感器；典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。2002年SENSIRON公司在世界上率先研制成功SHT（DHT）11、SHT（DHT）15型智能化温度/温度传感器，其外形尺寸仅为76（MM）5MM25（MM），体积与火柴头相近。出厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是0100，分辨力达003RH，最高精度为2RH。测量温度的范围是401238，分辨力为001。现在国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。但目前，在湿度测试领域大部分湿敏元件性能还只能使用在通常温度环境下。在需要特殊环境下测湿的应用场合大部分国内包括许多国外湿度传感器都会“皱起眉头”在上面提到纺织印染行业，食品行业，耐高温材料行业等，都需要在高温情况下测量湿度。一般情况下，印染行业在纱锭烘干中，温度能达到120摄氏度或更高温度；在食品行业中，食物的烘烤温度能达到80200摄氏度左右；耐高温材料，如陶瓷过滤器的烘干等能达到200摄氏度以上。在这些情况下，普通的湿度传感器是很难测量的。高分子电容式湿度传感器通常都是在绝缘的基片诸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用丝网漏印或真空镀膜工艺做出电极，再用浸渍或其它办法将感湿胶涂覆在电极上做成电容元件。湿敏元件在不同相对湿度的大气环境中，因感湿膜吸附水分子而使电容值呈现规律性变化，此即为湿度传感器的基本机理。影响高分子电容型元件的温度特性，除作为介质的高分子聚合物的介质常数及所吸附水分子的介电常数受温度影响产生变化外，还有元件的几何尺寸受热膨胀系数影响而产生变化等因素。根据德拜理论的观点，液体的介电常数是一个与温度和频率有关的无量纲常数。水分子的在T5时为7836，在T20时为7963。有机物与温度的关系因材料而异，且不完全遵从正比关系。在某些温区随T呈上升趋势，某些温区随T增加而下降。多数文献在对高分子湿敏电容元件感湿机理的分析中认为高分子聚合物具有较小的介电常数，如聚酰亚胺在低湿时介电常数为30一38。而水分子介电常数是高分子的几十倍。因此高分子介质在吸湿后，由于水分子偶极距的存在，大大提高了吸水异质层的介电常数，这是多相介质的复合介电常数具有加和性决定的。由于的变化，使湿敏电容元件的电容量C与相对湿度成正比。在设计和制作工艺中很难组到感湿特性全湿程线性。作为电容器，高分子介质膜的厚度D和平板电容的效面积S也和温度有关。温度变化所引起的介质几何尺寸的变化将影响C值。高分子聚合物的平均热线胀系数可达到的量级。例如硝酸纤维素的平均热线胀系数为108X105/。随着温度上升，介质膜厚D增加，对C呈负贡献值；但感湿膜的膨胀又使介质对水的吸附量增加，即对C呈正值贡献。可见湿敏电容的温度特性受多种因素支配，在不同的湿度范围温漂不同；在不同的温区呈不同的温度系数；不同的感湿材料温度特性不同。总之，高分子湿度传感器的温度系数并非常数，而是个变量。所以通常传感器生产厂家能在1060摄氏度范围内是传感器线性化减小温度对湿敏元件的影响。在国内JUCSAN依托于国家计量科学研究院、中科院自动化研究所、化工研究院等大型科研单位从事温湿度传感器产品的研制、生产。选用氯化锂感湿材料作为主攻方向，生产氯化锂湿敏传感器及相关变送器，自动化仪表等产品，在吸取了国内外此项技术的成功经验的同时，努力克服传统产品存在的各项弱点，取得实质性进展。产品选用了AL2O3及SIO2陶瓷基片为衬底，基片面积大大缩小，采用特殊的工艺处理，耐湿性和粘覆性均大大提高。使用烧结工艺，在衬底集片上烧结5个9的工业纯金制成的梳妆电极，氯化锂感湿混合液使用新产品添加剂和固有成份混合经过特殊的老化和涂覆工艺后，湿敏基片的使用寿命和长期稳定性大大提高，特别是耐温性达到了40120，以多片湿敏元件组合的独特工艺，是传感器感湿范围为1RH98RH，具备了15RH范围以下的测量性能，漂移曲线和感湿曲线均实现了较好的线性化水平，使湿度补偿得以方便实施并较容易地保证了宽温区的测湿精度。采用循环降温装置封闭系统，先对对被测气体采样，然后降温检测并确保绝对湿度的恒定，使探头耐温范围提高到600左右，大大增强了高温下测湿的功能。成功解决了“高温湿度测量”这一湿度测量领域难题。现在，不采用任何装置直接测量150度以内环境中的湿度的分体式高温型温湿度传感器JCJ200W已成功应用在木材烘干，高低温试验箱等系统中。同时，JCJ200Y产品能耐温高达600度，也已成功应用在印染行业纱锭自动烘干系统、食品自动烘烤系统、特殊陶瓷材料的自动烘干系统、出口大型烘干机械等方面，并表现出良好的效果,为国内自动化控制域填补了高温湿度测量的空白，为我国工业化进程奠定了一定基础。三、总结本设计综合利用单片机技术、传感器技术、数字电子技术和LCD显示等科学知识，完成了基于单片机的温度、湿度、光照度和显示装置的设计。利用单片机C语言完成系统软件的设计。1把传感器技术应用到单片机控制系统中，实现了对环境温湿度和光照度的数据采集和读取。2利用LCD数码显示管的显示技术完成了环境温湿度、光照度及显示电路的设计。3通过485芯片输入PC。4整个系统软硬件搭配合理，设计、开发、维护方便，性价比高。由于单片机经济实用、开发简便，因而在工业控制、农业自动化、家电智能化等领域占据了广泛的市场。本文介绍的系统设计有一定的实用性，但该系统在设计过程中仍有很多漏洞。还需要在智能化方面加以改进。特别是在节省功耗，提高稳定度等方面。不过，该产品有很好的可扩性能，比如，该设备的测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机的串行口和RS485总线通信协议将采集的数据传送到主控机，以进行进一步的存档、处理。主控机负责控制指令的发送，以控制各个从机的温湿度、光照度采集，收集测量数据，并对测量结果包括历史数据进行整理、显示和存储。主控机与从机之间也能够相互联系、相互协调，从而达到系统整体统一、和谐的效果。四、参考文献1孟凡文NTC热敏电阻的非线性误差及其补偿J传感器世界,2003,052沙占友,薛树琦,葛家怡湿度传感器的发展趋势J电子技术应用,2003,073施隆照,杨小玲,伍水顺NTC热敏电阻串、并联温度补偿电路设计J福州大学学报自然科学版,2003,044郑霖,曾志民,万济萍,王建明基于IEEE80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