基于单片机的实验室温湿度控制系统设计

1、2010 年 1 月FORESTRY MACHINERY & WOODWORKING EQUIPMENTJan. 2010设计与计算基于单片机控制的实验室温湿度控制系统设计钟晓伟， 宋蛰存（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）摘 要：介绍了基于 AT89C51 单片机的实验室温湿度控制系统的软硬件设计。该系统具有同时控制实验室温 度和湿度的功能，能够达到既定的控制指标，且具有稳定、精确和操作方便等特点。数字式温湿度传感器为开发高 集成度、高精度、高可靠性的温湿度测控系统提供了解决方案。关键词：单片机；数字式温湿度传感器；温湿度控制中图分类号：TP273 文献标识码：

2、A文章编号：1001- 4462（2010）01- 0039- 04Microcontroller-based Design of Laboratory Temperature and Humidity Control SystemZHONG Xiao-wei, SONG Zhe-cun（College of Electrical & Mechanical Engineering, Northeast Forestry University, Harbin Heilongjiang 150040, China）Abstract：AT89C51 SCM- based software a

3、nd hardware design of laboratory temperature and humidity control system is introduced. The system can simultaneously control laboratory temperature and humidity, achieve the established control indexes, and features stability, accuracy, easy operation. Digital temperature and humidity sensors provi

4、de a solution to the development of a temperature and humidity measurement and control system characterized by high integration, high precision and high reliability.Key words：SCM; digital temperature and humidity sensors; temperature and humidity control现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成，而温度和湿度是实验室最基本的环境 条件，

5、也是对实验影响较大的因素。一般温湿度控制 系统中的温湿度测量均采用热敏电阻与湿敏电容， 这种传统的模拟式温湿度传感器一般都需要设计信 号调理电路并经过复杂的校准和标定过程，因此测 量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性等方 面也存在一定问题。这种传感器只适合那些测量点 数较少，对精度要求不高的场合。因此设计出一款精 度高、稳定性好、成本低的温湿度检测控制系统将具 有一定的市场。本系统采用具有高精度、防干扰等优 点的数字式传感器 SHT11，不需要外部元件，可适配 各种单片机。这为开发新一代的温湿度测控系统提 供了有利条件，同时也有助于将温湿度测控技术提 高到新的水平。收稿日期：200911

6、041温湿度传感器1.1SHT11 传感器内部结构SHT11 数字式温湿度传感器采用 CMOSens （Ce - mo-Sens）专利技术（CMOS 和传感器技术的融合）制造， 其特点如下：全量程标定，二线数字输出，湿度测量范 围为 0100%RH，温度测量范围为-40+123.8，湿度 测量精度为±3.0%RH，温度测量精度为±0.4，响应时 间小于 4s，低功耗（30mW），可完全浸没。芯片能输出 经过完全校准的相对湿度和温度的数字信号，便于实 现系统的集成。SHT11 芯片内部包含相对湿度传感器、 温度传感器、放大器、14 位 A/D 转换器、校准存储器（EEPROM

7、）、状态寄存器、循环冗余校验码（CRC）寄存 器、二线串行接口和低电压检测电路等，如图 1 所示。1.2SHT11 引脚说明40林 业 机 械 与 木 工 设 备第 38 卷相对湿度传感器校准寄存器放D大器A温度传感器状态寄存器 二线串行接口CRC 产生器 低压检测SCK DATAGND VCC作或改变其工作强度;当温室内的温度（或湿度）大于（或等于）设置的初值时，单片机也将通过控制输出接 口使加温设备（或加湿设备）停止工作。2.2单片机温湿度检测电路设计使用 AT89C51 直接对传感器温湿度测量值进行读 写，其电路如图 4 所示。SHT11 传感器采用 SCK、DATA图 1 SHT11

8、内部组成框图SHT11 引脚图如图 2 所示。SCK 是 SHT11 和微控制 器之间同步传输时钟输入端。SHT11 的 DATA 端用来传 输输入和输出数据，它是一个双向三态端，DATA 在SCK 时钟下降沿改变，上升沿有效。在传输期间当 SCK为高电 平时，DATA 线必须保持稳定。为避免信号竞争，微控制 器应该只驱动 DATA 低电平，其外部必须接一个上拉电 阻，把信号拉为高电平，微控制器的上拉电阻通常包括 在微控制器的 I/O 电路里。SHT11 需要一个 2.45.5V 的 供电电压，加电后该器件需要一个 11ms 的睡眠延迟时 间，在这个时间之前，不应该向传感器发送命令。进行通信，

9、分别连接单片机的 P1.0 与 P1.1 端口。串行 时钟输入线 SCK 引脚用来同步微控制器和 SHT11 之 间的通信，串行数据线 DATA 引脚用来进行数据的输 入和输出，这里的数据包括温湿度数字值及控制命令。 DATA 上的数据在 SCK 为低电平时改变，而在 SCK 为高电平时则被读出或写入，DATA 引脚上需要加一个上 拉电阻来产生高电平。单片机时钟发生电路通过外接 晶振实现，复位电路采用按键复位方式。NC NC SCK 1 NC VCC 2NC GND 3 NCDATA 4NC2 系统硬件设计图 2 SHT11 引脚图2.1系统硬件结构及工作原理图 3 所示为系统结构框图，经过温

10、湿度传感器把 实验室的温度、湿度值直接转换成为数字量后送入单 片机中，并将相应的温湿度值通过 LED 灯显示。输入数 据经单片机按预定的算法进行数据处理，与设定的控 制目标进行偏差运算，最后经 I/O 口输出实时控制信 号。当室内的温度（或湿度）小于设置的初值时，单片机 将通过控制输出接口使加温设备（或加湿设备）开始工数字式温湿度传感器图 4 SHT11 与单片机 AT89C51 的连接2.3输出控制电路设计 实验室温湿度反馈偏差控制的基本原理是测量及消除偏差，这就要用到经典控制理论中的 PID（比例积分微分）控制，控制器选择 AT89C51 单片机。单片机作 为微型计算机的一个分支已有二十多

11、年的发展历史， 在各控制领域都有广泛的应用。单片机接收数字式传 感器检测的温湿度数据（数字信号），进行显示、PID 运外部时钟 复位电路电源电路 输出控制单 片 机图 3 系统框图上位机通讯键盘显示接口 键盘接口算和输出。电器驱动电路的控制设备包括加热器、风机和加湿机等。本装置利用 AT89C51 的 P1 口（如 P1.2 端 口）作控制口，除去前面与传感器连接的 P1.0、P1.1 口， 剩下的还可以控制 6 个设备，包括加热器，加湿机等。 为了避免电磁干扰，系统采用光电隔离方式。控制电路 简图见图 5。第 1 期R4VCCR5钟晓伟，等：基于单片机的实验室温湿度控制系统设计41共阴极数码

12、管是指将所有发光二极管的阴极接到一起 形成公共阴极（COM）的数码管，共阴极数码管在应用500OPTOISO1100Q050R8220时将公共极 COM 接到地线 GND 上。9013INR6 100R9LED 显示器采用共阳极数码管，6 个 LED 分别用R7200图 5 控制电路电阻丝1KC1347u220来显示当前温度及湿度值，均可精确到小数点后一位。用 8255 的 A 口作段码输出，B 口作位选。采用动态扫 描方式，这种方式有利于节省 I/O 口，也能使功耗降低。2.5单片机与上位机通讯电路设计输出采用双向晶闸管控制，双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展起来的，它不仅能代替两只反极

13、性并联的晶闸管，在交流全周期内都可以实现对负载 的控制，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交为了更好地对控制系统实施监控，需设计上位机 通讯电路，如图 6 所示。通过 MAX232 电平转换芯片将 单片机 TTL 电平转换为 RS232 电平，实现与上位机的 串行通讯。流开关器件。实际工作中只要在合理位置给晶闸管控制极加触发脉冲即可使其导通，从而实现对温湿度调 节设备的控制。电路中应增加 R、C 阻容吸收电路作过 压保护，防止负载断开和接通的瞬间产生过高的感应 电压而损坏可控硅对加热器的控制可通过在单片机输出 P1.2 口加同 步移相脉冲，合理控制导通角，达到改变电阻丝两端平C51uFC6

14、51uF94837261U31C1+3C1-4C2+5C2-7T2OUT8R2IN14 T1OUT13 R1INVCC 16VDD 2VEE 6GND 15T2IN 10R2OUT 9T1IN 11R1OUT 12VCCC71uFC81uFTXD RXD均加热电压的目的。对于对加湿机等的控制，可以用继 电器控制其电磁阀的通断。单片机 P1.3 口输出脉冲采3 系统软件设计图 6 上位机通讯电路用可控硅过零触发方式，达到调节加湿机通断时间比的目的。2.4键盘显示电路设计 在单片机应用系统中，键盘和显示器往往须同时使用，为节省 I/O 口线，可将键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘、显示电路。8

15、9C51 单片机具有 4 个 8 位 的 I/O，从原理上说，这 4 个口均可用作双向并行 I/O。 但在实际应用中，P0 口和 P2 口常被用作扩展总线，P3 口的一些位又常用作它的第二功能，本例中用可编程 通用并行接口芯片 8255 扩展 I/O 口构成键盘、显示接口电路。单片机键盘电路设计一般有独立式按键和矩阵式 按键两种方式。独立式按键就是各按键相互独立，每个 按键单独占用一根 I/O 口线，每根 I/0 口线的按键工作 状态不会影响其他 I/O 口线上的工作状态。因此，通过 检测输入线的电平状态就可以很容易地判断哪个按键 被按下。电路配置灵活，软件结构简单。显示装置采用现今应用广泛的

16、八段数码管，每一 位有八个发光二极管单元组成。按连接方式分为共阳 极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有 发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数 码管，共阳极数码管在应用时将公共极 COM 接到+5V。系统软件由主程序模块、功能实现模块和运算控 制模块组成。3.1主程序模块在主程序中首先给定 PID 算法的参数值，然后通 过循环显示当前温湿度，并设定键盘外部中断为最高 优先级，以便能实时响应键盘处理;软件设定定时器 T0 为 5s 定时，在无键盘响应时每隔 5s 响应一次，以用来开始 系统初始化，显示温湿度 PID 参数设定启动 SHT11 采集数据 数据处理显示当前温湿度

17、有中断，温湿度设定？Y N与温湿度设定值比较Y 相等？N输出控制量图 7 主程序流程图42林 业 机 械 与 木 工 设 备第 38 卷采集温湿度信号;设定定时器 T1 为嵌套在 T0 之中的定时中断。在主程序中必须分配好每一部分子程序的起 始地址。主程序流程图见图 7。3.2功能实现模块 功能实现模块用来执行对加（减）温、加（除）湿设备的控制。功能实现模块主要由数据采集子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序和显示子程序等部分组成。数据采集子程序。该部分主要完成单片机接收 SHT11 检测到由实验室当前温湿度转换而来的数字信 号，数据采集流程图见图 8。开始 发送启动时序 发送命令字等待转换结

18、N Y接受数据接受校验位 结束图 8 数据采集流程图T0 中断子程序。该中断是单片机内部 5s 定时中 断，优先级设为最低，但却是最重要的子程序。在该中断 响应中，单片机要完成数据采集、数字滤波、判断是否越 限、标度转换处理、继续显示当前温湿度、与设定值进行 比较、调用 PID 算法子程序并输出控制信号等功能。T1 中断子程序。T1 定时中断嵌套在 T0 中断之 中，优先级高于 T0 中断，其定时初值由 PID 算法子程序提供，T1 中断响应的时间用于输出控制信号。键盘及 中断程序流程图见图 9。初始化 开始运行启动数据采集显示键按下？N Y显示设定温湿度温湿度设定N 显示键升起？Y图 9 中

19、断程序流程图3.3运算控制模块 系统算法控制采用工业上常用的位置型 PID 数字控制，并结合特定的系统对算法加以改进，可形成变速积分 PID积分分离 PID 控制相结合的自动识别的 控制算法。该方法不仅大大减小了超调量，而且有效地 克服了积分饱和的影响，使控制精度大大提高。4 结束语SHT11 是一种全新的基于智能传感器设计理念的 新型传感器，其实现了温湿度值的数字式输出，具有抗干扰性强、可靠性高和便于计算机接口等特点，应用越来越广泛。控制器采用 ATMEL 公司生产的 AT89C51 高性能单片机，对传感器所测温湿度信号进行数据处 理并对外输出控制信号，以实现对实验室的温湿度控 制。如此设计的控制系统实时性强，精度高，能达到很 好的控制效果，具有较高的推广价值。参考文献：1 于海生.微型计算机控制技术M.北京：清华大学出版社，1999.2 公茂法，等.单片机人机接口实例集M.北京：北京航空航天大 学出版社，1998.3 白雪冰，张延林，等.单片机原理及应用M.哈尔滨:东北林业大 学出版社，2006.4 AT89C51 DATA SHEEP Philips SemiconductorsM.1999.5 SHTxx 数字式传感器原理与应用J.电子技术，2004（7）.6 SHT1X/SHT7X Relative Humidity