新型溫濕度自動控制系統的設計與應用?

　介紹了一套新型溫濕度自動控制系統的原理、系統組成及軟硬件設計。
??? 關鍵詞：單片機，溫濕度自動控制系統，脈寬調制，I2C總線，SPI總線
　　
1引言
　　溫濕度集散控制技術是最常見也最為廣泛應用的一門實用技術，這種技術利用溫濕度傳感器采集信號，然后將模擬信號進行A／D變換，傳送給控制器進行處理、運算，最后將運算結果上傳給中心計算機并控制驅動設備進行自動控溫控濕，以達到最終控溫控濕精度的要求。目前，由于我國經濟基礎薄弱，在控溫控濕方面投入較少，因而采用進口高檔控制系統有困難，由此，開發一套新型實用的溫濕度控制系統，將具有推廣價值。
　　本人設計了一套倉庫溫濕度集散控制系統，它運用了單片機技術和大量的先進工藝和芯片，具有造價低、性能穩定、控制精度高等特點，可獨立控制也可聯網運行，若配合PC機使用將成為一套集數據采集、控制和存儲為一體的高性能的控制系統。它可嵌套目前較流行的高中低三種控制算法，即脈寬調制、比例積分微分調節和模糊算法，以適應不同環境和控制精度的要求。其中，模糊算法用于一些小型的、要求比較高、變量較多的空調房間，必要時還可增加幾種輔助傳感器，此處不再詳述。
　　一九九八年，應某軍用藥材倉庫的要求，為其設計制造安裝了這樣一套完整的溫濕度集散控制系統，本文將根據這一實例對該系統的控制原理和系統組成進行詳細的介紹。
2系統的組成和工作原理
2．1總體框圖
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　　圖1所示是該系統的總體框圖。設計時考慮到經費和控制精度等多種因素，減少了監測控制點數，在網絡接口上采用RS－422總線結構，有利于日后增加監控點。在測控點分布上，設計時考慮到在封閉／半封閉庫房空間內，若隨機各點的溫濕度最大差值不超過2％，即可完全滿足測控精度的要求。因此，需在每500平方米、高6米的庫房范圍內的中心點放置一枚溫濕度探頭。降溫除濕設備的選擇可根據庫容大小選定，原則上與庫房內的溫濕度探頭數量、面積大小匹配。一般地，每1500平方米、高6米的庫房內選用一臺50千瓦冷凍空調機組進行降溫除濕（可在半小時內降溫除濕30％），即可嚴格控制庫房內的溫濕度在規定范圍之內。
　　系統的整個控制功能核心是由前臺控制器完成的，其系統的控制框圖如圖2所示，整個系統基本上是控制時間、溫度、濕度的閉環系統。
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2．2傳感器
　　本系統的傳感器采用了菲利浦和DALLAS公司的DS1820半導體溫濕度傳感器。DS18B20是一種采用I2C總線結構的半導體溫度傳感器，該傳感器傳送的是數字信號，在－55～125℃內測量誤差為0．25℃，完全可滿足一個倉庫控溫精度的要求，其不加驅動，可傳送距離為100米，與目前常用的pt電阻和熱敏電阻相比，具有價格低、一致性好、可互換、使用簡單、無需進行信號放大和線性化校正等優點。DS18B20與MCS51的接口見圖3。
　　濕度探頭采用菲利浦高分子濕敏膜，信號經放大輸出為0～10mA電流。
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2．3　前臺控制器
　　前臺控制器是整套系統的核心，因此要考慮到它的穩定性、可靠性和維護的方便性。我們都知道，一個系統的穩定性和可靠性是各個小系統的穩定性決定的，在一個串級的系統中，隨著串級元素增加，系統出錯概率就越大。即：
??? P（A）＝P（A1，A2，A3）＝P（A1）P（A2）P（A3）
因此，目前國外控制器多采用DSP和I2C器件，以減少系統的器件數量和體積；但由于DSP器件開發費用比較昂貴，所以在這種通用型、低造價的系統中運用這種器件是得不償失的。但若運用一些低價格的I2C或SPI總線器件,卻可節約MPU寶貴的口線，省去擴展I／O口電路,減少PCB板體積,降低出錯率。因此,在設計時本人大量運用了SPI總線接口芯片,如XICOR公司的X25045、力源公司的PS7219和TI公司的TLC1543。
　　其中，X25045是定時器看門狗電路。該芯片具有可編程定時器和4096BIT的E2PROM，采用SPI總線結構，其中SI（串行數據輸入）、SO（串行數據輸出）、CLK（串行脈沖）可與其它信號混用。定時器看門狗的作用是保證在設定的時間內，若系統程序走死，不能定時訪問X25045的／CS片選，X25045將能把MPU和系統進行復位。X25045與MCS51的接口如圖4所示。
　　其次，為了便于維護和提高通訊可靠性，我們在RS－422通信電路上采用了TI公司的75LSB184，采用屏蔽雙絞線連接，有效提高傳輸質量。由于該芯片具有防雷擊功能，并具有過流保護，可帶電插撥，即我們通常所說的熱插撥，方便了控制器的更換。
　　接著，為了減少數碼顯示驅動電路，降低成本，在顯示上采用了武漢力源公司的PS7219芯片，該芯片的控制芯片使用簡單、功能多樣化、多級灰度調節、外圍電路精簡可靠、譯碼與功率驅動于一體。它具有采用簡單的三線SPI接口、內部自帶時鐘電路、無需任何外圍元件、顯示功能多樣化等特點。每片PS7219最多可同時驅動8位8段共陰級LED。當使用多于8位LED時，只需將N片級聯，便可輕松實現N×8位LED顯示。
　　最后，該控制器還采用了DS12887時鐘芯片，該芯片即為MC146818自帶電池晶振的替換型號，其使用方法完全相同，還有TI公司的TLC1543串行10通道10位AD，此處不再詳細介紹。總之，該系統可分為AD轉換、數據處理、顯示鍵盤、多機通信、輸入輸出控制五個模塊。
2．4后臺計算機
　　計算機作為存儲歷史數據，實時顯示當前系統狀態圖形、參數的后臺設備，還要能滿足網絡工作站的要求，能24小時不間斷工作。因此，設計時選用了***研華586工控機，P166CPU，32M內存、4．3G硬盤和一塊D－LINK10M－100M自適應網卡。
2．5驅動器
　　由于該庫房采用了2臺50千瓦冷凍空調機機組進行庫房的降溫除濕，因此，其驅動不能用控制口直接驅動，中間要經過可控硅，中間交流接觸器，過流保護器和斷相保護器，才能控制空調機組，此處不詳細介紹整個強電驅動電路，僅介紹其中帶過零觸發的雙向晶閘管觸發電路，電路見圖4。　
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　　MOC3081的輸出端額定電壓是600V，最大重復浪涌電流為1A，輸出輸入隔離電壓大于7500V,輸入控制電流為15mA。由圖6可見，當MOC3081的輸入端有15mA的電流時，在MOC3081輸出端6、4腳之間的電壓稍過零時,內部雙向晶閘管導通,觸發外部雙向晶閘管KS導通。當MOC3081的輸入端為高電平時，也有500μA的電流，加入R3可以消除這個電流對外部雙向晶閘管的影響。R1是MOC3061的限流電阻，用于限制流經MOC3061輸出端的電流不超過1A。MOC3081過零檢測的電壓值為20V，所以，R1取稍大于20Ω。如果負載是感性負載，這時流經MOC3081輸出端的電流會增加，所以R1還需要加大。當負載的功率因素小于0．5時，R1取最大值。最大值由下式計算：
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取300Ω。在其它情況下可以取27Ω～330Ω。當R1取的較大時，對最小觸發電壓會有影響。最小觸發電壓VT由下式計算：

其中，IGT為晶閘管KS門極觸發電流；VGT為晶閘管KS門極觸發電壓；VTM為MOC3081輸出晶閘管的導通壓降，一般取約等于3V。
　　與雙向晶閘管KS并聯的RC回路用于降低雙向晶閘管所受的沖擊電壓，保護KS及MOC3081。
3系統的應用軟件
3．1控制算法
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　　在一套控制系統中，選擇有效的控制算法并建立正確的數學模型，決定著系統的穩定性和控制精度。因此，經過大量的論證，對上　　述藥材倉庫提出的，保證庫房溫濕度嚴格控制在溫度低于30℃，相對濕度低于70％的要求，選擇了以下兩種控制模式：
??? 第一種控制模式：當庫內相對濕度高于70％時進行庫內庫外通風。這種方式是利用庫內外濕度差進行空氣的交換，以達到庫內降溫除濕的要求。它的優點是高效、節能、減少了電力消耗、節省資金。但這種方式受到嚴格的限制。首先，庫外的相對濕度要低于庫內的，它們之間的差要大于5％，這樣才能有效保證及時地進行庫內的除濕。其次，庫內庫外的溫差要小于2℃，這是因為，如果在庫外溫度遠高于庫內溫度時進行通風，熱空氣進入庫區后遇上冷空氣就會造成藥品、器材表面結露的現象，反而會影響藥品和器材的質量。反之，如果在庫內溫度遠高于庫外溫度時進行通風，冷空氣進入庫內后也會在藥品器材表面結露。最后，庫外溫度不能超過28℃。這是因為，如果庫外溫度超過28℃時進行通風，很可能將密閉的庫溫升高，從而超過溫度上限30℃。
　　第二種控制模式：當溫度高于30℃或濕度高于70％但不滿足第一種情況時，只有打開壓縮機進行庫內降溫除濕。
　　在控制算法上，控制精度要求在一個區域內（如圖5所示），因此選擇了一個相對較簡單的控制算法即脈寬調制。脈寬調制是將檢測的值與閥值相比較，之間的差距越大，脈沖的寬度就越長，而脈沖的寬度就是驅動設備的工作時間。但由于壓縮機不能頻繁地啟動，一般啟動間隔為30分鐘，這時就出現了矛盾，如果控制曲線出現震蕩，溫濕度頻繁超標，而讓壓縮機頻繁啟動，將會損壞設備。而如果讓壓縮機每次工作很長時間，令庫內溫濕度降得很低，使壓縮機不會頻繁啟動，又不利于節能。因此，從保護設備的角度出發，同時又不至于讓壓縮機每次工作過長時間，這里加入了自適應算法，這種算法能自動記錄不同時期庫內溫濕度的上升曲線，計算出壓縮機每次須工作多長時間，使壓縮機既不會頻繁啟動，控制曲線振蕩又最小，從而達到節能的目的。具體程序清單就不一一列出了。
3．2前臺控制器主程序框圖
　　前臺控制器主要完成溫濕度數據采集，運算處理顯示與驅動相應設備，與PC機交換數據等功能，其程序框圖見圖6、圖7。
??? 主程序框圖如圖6所示。
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3．3PC機程序
??? PC程序采用VB程序，可顯示當前各監控點數據，并動態顯示當前各設備工作狀態。如風機是否在轉動，風門是否在打開等。該程序工作在Windows95平臺上，處理事件響應為打印報表顯示、設備狀態、溫度濕度、上傳下傳數據、定時存儲等。
4系統運行結果
　　該系統自開發成功以來已正常運行近兩年，有效地對某軍用藥材倉庫2400平方米密閉藥品倉庫的溫濕度實施24小時不間斷智能化監控，改善了藥材存儲環境，有效地減少了因環境因素造成的藥材霉變、結塊、潮解等損失，極大地降低了藥材的存儲損耗。減輕了保管人員的勞動強度，提高了后方倉庫藥材保障能力。該系統使該倉庫的溫濕度始終保持在三七線（即溫度低于30度、濕度低于70％）以內。
5結束語
　　該系統設計集溫濕度信號采集處理計算機軟硬件、調溫調濕技術于一體，實現了庫房溫濕度的遠距離監測控制和定點報警，使溫濕度調控更趨科學，從而為藥材儲備提供了一個良好的環境。該項目已獲得軍隊科技進步獎，在全軍后勤倉庫進行推廣應用。　　該系統不僅應用于倉庫控制系統，它還先后被應用于江蘇省農科所300平方米的13間小型人工氣候溫房控制和南京土壤研究所的人工氣候箱等多個項目，都取得了良好的效果。實踐證明該系統具有投資少，能耗低，操作簡單，使用安全方便等特點，可以大規模推廣使用。