摘要:研究基于單片機的溫濕度分時段控制系統，重點研究溫度控制算法、濕度測量設計以及一些相關問題的處理方法，給出了硬件電路框圖和軟件中斷服務程序流程圖。使用結果表明，該系統工作穩定、效果好。

我們在項目《溫度/濕度因子與云煙烘烤質量的相關分析》中，需要一個溫濕度分時段變化的環境，為此，設計了以PIC單片機為核心的溫濕度分時段控制系統，安裝在一氣候室中，取代其原有的控制系統并利用了箱體和大部分執行部件，建成一溫濕度分時段變化環境。本系統可將整個控制過程分成多個（最多時12個）時段，每個時段設定不同的溫度和濕度，溫度范圍為室溫~90oC ，濕度范圍為20~90%R.H 。但由于是雙變量、寬范圍變化系統，變量變化范圍大，變量間有偶合作用，比已往情況要復雜得多，所以遇到了一些新的問題。

溫度控制算法設計和仿真試驗
由于溫度屬于大延時慣性對象，經分析比較，采用增量式PID控制算法對溫度進行控制，取采樣周期T = 20s，用暫態響應法整定控制參數，得到控制方程：
△Ui = 0.69△ei - 0.04ei + 3.1(△ei - △ei-1) (1)
式中△UI：本次和上次控制量之差；ei：本次測量值；△ei：本次和上次測量值之差。
為確定（1）式的調節效果，我們進行了仿真試驗：將溫度控制分成兩個時段，第一時段溫度設置為30oC，運行時間30分鐘，第二時段溫度設置為45oC。試驗中，每隔10s記錄一次溫度值，然后把時間-溫度對應數值標在坐標紙上并連接成溫度曲線，見圖1。顯然，溫度過渡期間出現了明顯的過沖和寬幅振蕩現象（實測振幅達7 oC）。經分析，過沖和振蕩是由于發熱器溫度的滯后特性、控制算法產生的飽和效應和采樣周期選擇不當等原因造成。通過反復研究，最后采取以下校正措施：過渡期一開始， 控制量U即按
最大值Umax輸出；采樣周期修定為10s；當溫度>40 oC時，便定為進入45 oC的保溫段。相應地，（1）式修改為：
△Ui = 0.35△ei - 0.023ei + 1.57(△ei - △ei-1) (2)
校正前和校正后的溫度曲線見圖1，可見，過沖和振蕩現象已被基本抑制。仿真結果指出：在保溫段，溫度控制精度穩定在±1 oC以內，偏差主要源于自然升溫段到保溫段的過渡時期。
圖1 過渡時期溫度曲線(帶'Х'段為校正后曲線段)

濕度測量設計
目前基于單片機的濕度測量方法主要有兩種：一是采用干濕球法，二是采用濕度傳感器。
干濕球測濕法試驗與結論
我們首先對干濕球法進行了試驗。干濕球測濕原理是：用一只熱電阻傳感器檢測空氣溫度（干球溫度），用另一只相同的傳感器檢測被蒸餾水浸濕的面紗套_的溫度（濕球溫度），根據檢測的溫度差，再利用下式進行計算[6]:相對濕度={[濕度飽和水氣壓-AP（干球溫度-濕球溫度）]/干球飽和水氣壓}*100%
（Ａ：常數，與風速有關；P：大氣力。）
其中飽和水汽壓的計算是關鍵，我們采用LOWE多項式來近似計算飽和水汽壓:
　　　　　　　E = C0 + C1T + C2T2 + ┄ + C6T6
（E：純水平液面飽和水汽壓（干球或濕球）；T：溫度（干球或濕球）；C0_C6：常數。）
試驗中，用北京長城航空測控技術研究所研制的雙高分子高精度濕度測量儀進行對比的結果是：在20~90%濕度范圍內，溫度較低時，對比偏差較小，偏差隨溫度的上升而增加，70oC左右時，已達到8% 。試驗表明，干濕球測濕法不適用于溫度較高的場合，這個結論對一些研究論文中的說法提出了異議，由于高溫環境下的較理想的計算公式一時難以導出，最終我們放棄了這種測濕方案，但卻提出了一個新的研究課題。
高分子薄膜電容式傳感器測濕設計
濕度傳感器使用較多的有如下幾種：陶瓷濕度傳感器、聚合物濕度傳感器、結露式濕度傳感器和電容式濕度傳感器，其中電容式濕度傳感器的線性度好、響應快、工作可靠，是濕度傳感器發展的主要趨勢，特別是新近推出的高分子薄膜式濕敏電容更是該類產品中的佼佼者，我們在系統的設計中選用了齊齊哈爾科達敏感儀器廠的MSR1高分子膜濕敏電容。

圖1 過渡時期溫度曲線(帶“Х”段為校正后曲線段)

圖2 硬件系統組成

圖3 中斷服務程序框圖

濕度傳感器經運放電路進行濕—電轉換后，再通過A/D轉換器進入單片機。首先根據特性曲線，結合實際標定值，按1%的間隔建立起一個A/D轉化值與濕度值在特定溫度（20oC）時的對應表格。因為是溫度大范圍變化環境，為保證測量精度，必須對溫度進行補償，為此，分別在30oC、40oC、50oC、60oC、70oC 、80oC 、90oC 的溫度下，重復上述測量與數據處理過程，形成8個A/D轉化值與濕度值的對應表格，再用線性插值，最終得到每隔1oC的溫度補償值。將全部表格和數據寫入EPROM，測量時通過查表獲得濕度值。以上設計中，充分發揮了計算機的軟件優勢，使得在溫度允許變化范圍內，濕度測量誤差不超過±2% 。由于濕度變化較快，慣性較小，采用直接自適應控制算法對濕度進行控制。
在以上濕度測量的設計過程中，試驗了幾個廠家生產的不同型號的電容式傳感器，進而加深了其認識，有必要做一些說明，以便同行研制開發類似產品時參考：①每一個傳感器，均給出了兩個標定數據（例如0%的輸出電壓值和50%的輸出電壓值），由于傳感器具有良好的線性度，根據這兩點可畫出對應溫度為25 oC時的輸出特性曲線，不必再進行標定。廠家還給出了一個溫度補償計算公式：真實輸出電壓值=傳感器的輸出電壓值/（a+bT）（a、b為確定的數據，T為環境溫度，當T等于25 oC時，a+bT=1）。于是，根據此公式可得到不同溫度下的輸出特性曲線。不少廠家宣稱，傳感器的適應范圍是-10 oC~90oC和20~90%的全濕全溫區域，事實上，我們經試驗發現，隨著溫濕度的增加，以上得到的特性曲線的誤差也越來越大，特別是在溫度>80oC和濕度>80%的高溫高濕區，誤差會達到無法接受的程度。所以，高溫高濕區的特性曲線應該通過實際標定而不是通過廠家給出的方法來獲得。②在放置傳感器的微觀環境中，風速應保持恒定，否則會引起測量的不穩定性，必要時可加模擬風。
硬件系統組成
系統控制核心選用PIC16C72單片機，由于片內自帶EPROM、A/D電路，且22個I/O口均具有較強的負載能力（可直接驅動LED），所以本硬件電路只須很少的外圍元件，硬件系統組成見圖2。五路執行模塊分別實現對各參數的控制，其中升溫為連續控制，單片機輸出的脈寬可調制型脈沖，經光電可控硅隔離、驅動，控制電熱器升溫功率。由于升溫控制是工作過程中使用最多的控制，所以其高精度、高穩定性的特點提高了整個系統的控制性能。濕度控制為開關控制，濕度加濕采用超生波電加濕器，去濕采用排濕風扇。
圖2 硬件系統組成

軟件設計
軟件部分除主程序外，還包含有中斷服務、測量、鍵盤、顯示、控制算法、A/D轉換、溫度補償和查表等功能模塊。由于系統控制過程是由中斷服務程序實現的，本文給出了中斷服務程序流程圖（見圖3）,從中可以看到整個程序設計的思路和概貌.

結語
本系統研制成功投入運行一年多，使用結果表明，系統工作穩定可靠、效果良好。另外，本系統盡管是為科研而開發，也適合于農副產品的烘烤與干制、食品的制作與加工、人工氣候箱等應用領域。
圖3 中斷服務程序框圖。