基于单片机的库房恒温恒湿控制系统设计

赵素玲

摘要：在工业生产中，许多产品的储存都是在具体的环境中进行的，库房环境的优劣直接影响着存放产品的质量以及寿命。在库房环境的因素中，最重要的两个因素就是库房的温度和湿度，适宜的湿度和温度不但不会对产品的存放造成伤害，还能够有效地延缓产品材料的老化等。基于以上的原因，在产品的存放过程中必须要对库房的温度和湿度进行有效的监控，并且需要根据监控得到的温度和湿度进行调整，以此来达到最佳的产品存储环境。本文以某档案资料室的库房环境为研究对象，设计出了一种基于单片机的库房恒温恒湿测控系统。以AT89C51作为主控制器，整个系统可以分为四个部分，分别是环境温湿度检测模块，单片机控制模块，显示模块和偏差调整模块。

关键词：库房；温湿度；传感器；单片机

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）35-0296-03

档案是承受档案内容的载体材料和反映档案内容的记录材料组成的，随着科学的发展和数字化技术的普及，数字档案馆正在兴起，但是就目前而言，档案的记录仍然以纸质材料为主。纸质档案已经成为人类文化遗产的重要历史见证，属于可重复利用但是非再生的历史性文化遗产。基于纸质档案的重要性，如何保存人类历史上浩如烟海的纸质档案一直是人类历史上最严峻的问题之一。相关研究表明，纸质档案的存放主要受到存放环境温度与湿度的综合作用与影响。

1 系统主要指标及特点

整个系统的功能指标主要由温湿度传感器、除湿器以及散热风机决定。温湿度传感器采用集成温湿度传感器，其中温度测量范围为-55～+65℃，温控精度为±0.5℃；湿度测量范围为：0～99%RH，湿度测量精度为±3%RH。除湿机：采用工业冷凝除湿机。散热风机：采用220V交流市电供电的工业用散热风机。

系统的特点是：

1）库房现场所用的温湿度检测传感器实行数字化输出，不但使得外围电路得到了最大程度上的简化，而且由于外围器件的减少，系统的可靠性得到了提高；

2）采用分布式测控系统，每个传感器的通信总线上都可以连接多个传感器进行数据传输，符合现代工业现场的布线要求；

3）上位机的设计使得用户无需在库房之内就可以实现温湿度的监控；

4）上位机中实时显示各个传感器的工作情况，便于用户对损坏的器件进行检修。

2 系统的硬件设计

整个硬件部分的设计主要包括传感器检测模块、单片机最小系统、偏差执行机构。温湿度传感器选用SHT11温湿度传感器，这是因为SHT11不但能够对环境的温度进行测量，还能够对环境的湿度进行检测，这恰恰能够满足系统的要求，并且由于温度与湿度的信号都以数字化的形式进行输出，不需要外接其他的信号处理以及A/D转换模块。

SHT11属于Sensirion温湿度传感器家族中的贴片封装器件，该温湿度传感器将传感元件与信号处理电路集成在同一块微型电路板中，可以实现全标定的数字化输出，整片传感器采用CMOS工艺进行制造，因此产品具有高可靠性和稳定性。传感器包括一个电容式高分子湿敏元件用于湿度检测，间隙材料制成的测温元件用以进行温度检测，除此之外，芯片内部还集成可一个14分辨率为14位的A/D转换器以及串口通信电路，所有这些器件共同组成了一个高精度的温湿度检测传感器。芯片的外部结构如图1所示。

在主控制器选择上，设计选用美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机来作为系统的主控芯片。AT89C51是一款8位的高性能单片机，由于该芯片采用高性能的CMOS技术生产，因此该芯片在使用过程中具有良好的低功耗以、稳定性与可靠性。其主要性能参数如下所示。

1）单片机与MCS-51产品指令系统完全兼容；

2）内部集成4K字节的可擦写Flash高速存储器；

3）128×8字节的内部RAM；

4）32个可编程I/O口；

5）2个16位的定时器/计数器；

6）片内含有6个中断源；

7）可编程的串行UART通道。

为了满足不同用户的需求，AT89C51设计了多种封装形式以供用户进行选择，其封装形式主要有PDIP、PQFP、TQFP以及PLCC等，用户可以根据制版的需要选用合适的封装形式。在设计中为了方便制作电路板，选择PDIP的封装形式。其引脚图如图3所示。

测量结束之后就需要传输测量数据，整个测量数据由2字节的测量信息与1字节的CRC校验组成，校验位不是必须，用户可以自由选择。当收到CRC确认位之后表示通讯结束，如果没有选择CRC校验，则以检测到LSB为通讯结束标志位。测量和通信结束后，SHT11自动进入休眠模式。

用户可以对SHT11的状态寄存器发送指令来实现一些高级功能，譬如电量不足提示或者分辨率的选择等，由于在系统的设计中没有用到这些功能，因而在此不作赘述。设计需要显示温度和湿度在当前环境信息。系统采用液晶显示屏LCD显示数据，主流市场上综合考虑后1602显示数据。1602并行数据显示模式，用户可以自行设定数据的显示方式和位置。基本操作时序如表3所示。

在此由于篇幅所限就不提供全部程序了。

4 系统仿真与调试

该系统的硬件和软件设计完成后，并不意味着系统已经完成。还需要验证系统的可靠性，这就需要进行仿真和调试。通常仿真和调试占整个系统设计时间和精力的大部分，可以看出仿真和系统调试的重要性。系统调试的过程并不是一帆风顺的。有些错误时有发生，但在我的不懈努力下终于发现问题和纠正设计错误。在设计中存在的问题和解决方案主要有以下几个方面。

1）在电源模块的仿真过程，调试输出值仍不能满足设计要求，在错误的原则调查不是变压器线圈组变成原来的号码，后的线圈上设置数达到预期的结果。

2）模拟软件，发现1602出现乱码现象。后来，调试步骤调用显示程序后发现，没有之前1602初始化，加入显示程序初始化程序得到正确的结果。

5 结论

本设计以某档案室的温湿度环境控制为研究对象，在认真分析溫湿度对档案室纸张的影响之后，提出了一种基于单片机的温湿度测控系统。虽然通过仿真表明整个设计完全能够满足温湿度测控的要求，但是在整个系统中仍然有一些问题存在需要在后续的学习中得到改善。

1）所设计的系统只含有一个温湿度传感器，在实际的应用当中应该在同一个环境中放置多个温湿度传感器从而实现分布式测量系统，更符合现代测控技术的发展要求。

2）在偏差执行机构的控制上该设计没有引入算法，在实际的应用中应当引入算法的控制，譬如PID算法、模糊算法、神经网络控制算法等，通过算法的引进可以大大提高执行器的效率。

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