新型控溫控濕裝置的研究與設計

喬 慧

（青島市職業(yè)教育公共實訓基地，山東 青島266112）

現(xiàn)在的養(yǎng)雞模式已從以前開放式雞舍，雞群被動適應外界環(huán)境的飼養(yǎng)方式，開始進入了現(xiàn)代化的人工控制雞舍環(huán)境飼養(yǎng)的飼養(yǎng)方式。雞舍溫濕度是封閉式雞舍日常管理中的重要內(nèi)容之一。針對上述問題，作者設計出了基于單片機能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度自動檢測、調(diào)控、顯示、上下限報警等多功能的溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)。

1 溫濕度控制原理與實現(xiàn)

1.1 方案簡述

該溫濕度測控系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng)和報警系統(tǒng)，由溫度、濕度傳感器、模擬量輸入通道、A/D轉(zhuǎn)換、顯示器與報警電路等組成。當系統(tǒng)進入運行后,采樣溫、濕度值,并和此前已經(jīng)設定好濕溫度值相比較，比較后得到相應控制量,控制量作用于輸出執(zhí)行模塊,然后輸出信號來使執(zhí)行部件進行動作，使溫室大棚達到所要求指標。測控系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)有:溫度檢測范圍0~50℃；測量精度±0.5℃；濕度檢測范圍0%~100%RH；檢測精度±2.5%RH；控制方式有手動/自動可切換；參數(shù)調(diào)整為手動設定/程序控制。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

溫濕度測控系統(tǒng)能完成數(shù)據(jù)采集、分析、顯示、串行通信和輸出調(diào)控信號等多種功能[1~6]。該測控系統(tǒng)的主要硬件包括溫度傳感器、濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集電路、AT89C51單片機、LED顯示器等。其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫濕度測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

在工作時，溫濕度測控系統(tǒng)首先把預先測量好的雞舍內(nèi)保持正常狀態(tài)所需的溫度和濕度存儲于單片機中，將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分的溫濕度傳感器置于雞舍內(nèi)部，測出室內(nèi)的溫濕度值，經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后送入AT89C51單片機中，然后LED顯示出溫濕度測量值。單片機將預設的參考值與測量值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果做出判斷。當溫濕度值超過允許的范圍，系統(tǒng)將發(fā)出報警。單片機內(nèi)預存濕溫度參考值可通過鍵盤或按鈕人工按實際需要改變。通過對整個系統(tǒng)的核心單片機部分的設計，達到優(yōu)化控制溫濕度的目的。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 濕溫度測量

溫度測量用傳感器采用鉑電阻，傳感器經(jīng)運放電路LM324進行溫電轉(zhuǎn)換后，再通過A/D轉(zhuǎn)換電路進入單片機。首先根據(jù)特性曲線,結(jié)合實際標定值,建立一個A/D轉(zhuǎn)化值與溫度值的對應表格，在測量時，通過查表求出溫度值。溫度傳感器選擇DALLAS公司生產(chǎn)的線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其溫度測量范圍為-55℃~125℃，可編程為9位~12位的A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫度分辨率可達0.062 5℃,被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出。

濕度測量采用干濕球法，其測量電路與溫度測量電路相同，只是在得到干球溫度和濕球溫度后，還要通過計算才能得到相對濕度。求相對濕度的關(guān)鍵是計算飽和水汽壓，通常由查表或公式法來計算水汽壓。但因表格占用內(nèi)存較多，這里采用多項式近似式計算飽和水汽壓[7]有以下:

式中，

E為純水平液面飽和水汽壓(干球或濕球)，Pa；

T為溫度(干球或濕球)，℃；

C0~C6為常數(shù)。

式中，A為常數(shù),與風速有關(guān)。

濕度測量采用電容式集成濕度傳感器HS1101來檢測。HS1101的電容隨所測空氣的相對濕度增大而增大，具有極好的線性輸出，在相對濕度為0%RH~100%RH的范圍內(nèi)，電容的容量由163 pF變化到202 pF，其誤差不超過±2%RH;濕度量程為1%RH~99%RH，工作溫度范圍為-40℃~100℃;濕度輸出受溫度影響極小(溫度系數(shù)僅為0.04 pF/℃);常溫下使用無需溫度補償，無需校準。

2.2 采集電路的設計

（1）溫度采集電路

DS18B20只有一個串行通信接口，其與單片機電路連接簡單，需要的僅僅是與單片機上任一I/O端口連接即可，本設計系統(tǒng)采用了P2.0端口，其連接電路圖如圖2所示，其供電方式采用外部電源供電。

圖2 溫度采集電路

（2）濕度采集電路

本系統(tǒng)采用的是將HS1101接入555定時器組成的震蕩電路中，輸出一定頻率的方波信號，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，因此被廣泛采用，具體電路圖如圖3所示。

圖3 HS1101和NE556構(gòu)成的濕度采集電路

在圖3中，R1、R2、C1、C2和NE556構(gòu)成多諧振蕩器，外接電阻R1、R2和濕敏電容C1構(gòu)成了對濕敏電容C1的充電回路，7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對C1的放電回路，并將2、6端相連引入到片內(nèi)比較器。該振蕩電路的兩個暫穩(wěn)態(tài)過程交替如下：首先是電源Ucc通過R1、R2向C2充電，經(jīng)T1充電時后，Uc2充至內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約2/3Ucc，此時輸入引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R2放電，經(jīng)T2放電時間后，Uc2下降到比較器的低觸發(fā)電平，約1/3 Ucc，此時輸入引腳3端又由低電平躍升為高電平，如此反復，形成方波輸出，其中充放電時間為：T1=C1×(R1+R2)×ln2；T2=C1×R2×ln2。輸出的方波頻率:f=1/(t1+t 2)=1/C1(R1+2R2)×ln2=50 Hz。

3 軟件設計

軟件部分包含有主程序、中斷服務、測量、按鍵、顯示、溫度補償和查表等功能模塊,本文給出了中斷服務子程序流程圖（如圖4所示）,由于系統(tǒng)控制過程是由中斷服務程序?qū)崿F(xiàn)的,所以從中可以看到整個程序設計的思路和概貌。

圖4 中斷服務程序流程圖

4 結(jié)束語

為節(jié)省人力物力，精確調(diào)整雞舍內(nèi)溫濕度，本文設計基于單片機的雞舍溫濕度控制系統(tǒng)，以期為雞群提供適合生長環(huán)境。系統(tǒng)使用AT89C51單片機對雞舍內(nèi)溫濕度進行數(shù)據(jù)的采集、接收，處理、RH發(fā)送和自動控制。系統(tǒng)成本低、可配置型強，通過對設計程序進行修改,則可實現(xiàn)不同的周期和非循環(huán)控制，便于用于特殊要求的場合。后期將對結(jié)合實際進行進一步完善。

[1]張琳娜，劉武發(fā).傳感檢測技術(shù)及應用[M].北京:中國計量出版社，1999．

[2]楊振江，孫占彪，王曙梅，等.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社，2001.

[3]何立民.MCS－51系列單片機應用系統(tǒng)設計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京:北京航天航空大學出版社，1999．

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[7]李惠敏，郝 新，苗淑敏.交變濕熱室測控系統(tǒng)設計[J].電子測量技術(shù)，2001(3):12-13.