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??? 關(guān)鍵詞：單片機(jī)，溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)，脈寬調(diào)制，I2C總線，SPI總線
1引言
溫濕度集散控制技術(shù)是最常見(jiàn)也最為廣泛應(yīng)用的一門實(shí)用技術(shù)，這種技術(shù)利用溫濕度傳感器采集信號(hào)，然后將模擬信號(hào)進(jìn)行A／D變換，傳送給控制器進(jìn)行處理、運(yùn)算，最后將運(yùn)算結(jié)果上傳給中心計(jì)算機(jī)并控制驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控溫控濕，以達(dá)到最終控溫控濕精度的要求。目前，由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，在控溫控濕方面投入較少，因而采用進(jìn)口高檔控制系統(tǒng)有困難，由此，開(kāi)發(fā)一套新型實(shí)用的溫濕度控制系統(tǒng)，將具有推廣價(jià)值。
本人設(shè)計(jì)了一套倉(cāng)庫(kù)溫濕度集散控制系統(tǒng)，它運(yùn)用了單片機(jī)技術(shù)和大量的先進(jìn)工藝和芯片，具有造價(jià)低、性能穩(wěn)定、控制精度高等特點(diǎn)，可獨(dú)立控制也可聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，若配合PC機(jī)使用將成為一套集數(shù)據(jù)采集、控制和存儲(chǔ)為一體的高性能的控制系統(tǒng)。它可嵌套目前較流行的高中低三種控制算法，即脈寬調(diào)制、比例積分微分調(diào)節(jié)和模糊算法，以適應(yīng)不同環(huán)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(diào)房間，必要時(shí)還可增加幾種輔助傳感器，此處不再詳述。
一九九八年，應(yīng)某軍用藥材倉(cāng)庫(kù)的要求，為其設(shè)計(jì)制造安裝了這樣一套完整的溫濕度集散控制系統(tǒng)，本文將根據(jù)這一實(shí)例對(duì)該系統(tǒng)的控制原理和系統(tǒng)組成進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
2系統(tǒng)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(tǒng)的總體框圖。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到經(jīng)費(fèi)和控制精度等多種因素，減少了監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)數(shù)，在網(wǎng)絡(luò)接口上采用RS－422總線結(jié)構(gòu)，有利于日后增加監(jiān)控點(diǎn)。在測(cè)控點(diǎn)分布上，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到在封閉／半封閉庫(kù)房空間內(nèi)，若隨機(jī)各點(diǎn)的溫濕度最大差值不超過(guò)2％，即可完全滿足測(cè)控精度的要求。因此，需在每500平方米、高6米的庫(kù)房范圍內(nèi)的中心點(diǎn)放置一枚溫濕度探頭。降溫除濕設(shè)備的選擇可根據(jù)庫(kù)容大小選定，原則上與庫(kù)房?jī)?nèi)的溫濕度探頭數(shù)量、面積大小匹配。一般地，每1500平方米、高6米的庫(kù)房?jī)?nèi)選用一臺(tái)50千瓦冷凍空調(diào)機(jī)組進(jìn)行降溫除濕（可在半小時(shí)內(nèi)降溫除濕30％），即可嚴(yán)格控制庫(kù)房?jī)?nèi)的溫濕度在規(guī)定范圍之內(nèi)。
系統(tǒng)的整個(gè)控制功能核心是由前臺(tái)控制器完成的，其系統(tǒng)的控制框圖如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)基本上是控制時(shí)間、溫度、濕度的閉環(huán)系統(tǒng)。
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2．2傳感器
本系統(tǒng)的傳感器采用了菲利浦和DALLAS公司的DS1820半導(dǎo)體溫濕度傳感器。DS18B20是一種采用I2C總線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體溫度傳感器，該傳感器傳送的是數(shù)字信號(hào)，在－55～125℃內(nèi)測(cè)量誤差為0．25℃，完全可滿足一個(gè)倉(cāng)庫(kù)控溫精度的要求，其不加驅(qū)動(dòng)，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(jià)格低、一致性好、可互換、使用簡(jiǎn)單、無(wú)需進(jìn)行信號(hào)放大和線性化校正等優(yōu)點(diǎn)。DS18B20與MCS51的接口見(jiàn)圖3。
濕度探頭采用菲利浦高分子濕敏膜，信號(hào)經(jīng)放大輸出為0～10mA電流。
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2．3 前臺(tái)控制器
前臺(tái)控制器是整套系統(tǒng)的核心，因此要考慮到它的穩(wěn)定性、可靠性和維護(hù)的方便性。我們都知道，一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是各個(gè)小系統(tǒng)的穩(wěn)定性決定的，在一個(gè)串級(jí)的系統(tǒng)中，隨著串級(jí)元素增加，系統(tǒng)出錯(cuò)概率就越大。即：
??? P（A）＝P（A1，A2，A3）＝P（A1）P（A2）P（A3）
因此，目前國(guó)外控制器多采用DSP和I2C器件，以減少系統(tǒng)的器件數(shù)量和體積；但由于DSP器件開(kāi)發(fā)費(fèi)用比較昂貴，所以在這種通用型、低造價(jià)的系統(tǒng)中運(yùn)用這種器件是得不償失的。但若運(yùn)用一些低價(jià)格的I2C或SPI總線器件,卻可節(jié)約MPU寶貴的口線，省去擴(kuò)展I／O口電路,減少PCB板體積,降低出錯(cuò)率。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)本人大量運(yùn)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(shí)器看門狗電路。該芯片具有可編程定時(shí)器和4096BIT的E2PROM，采用SPI總線結(jié)構(gòu)，其中SI（串行數(shù)據(jù)輸入）、SO（串行數(shù)據(jù)輸出）、CLK（串行脈沖）可與其它信號(hào)混用。定時(shí)器看門狗的作用是保證在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，若系統(tǒng)程序走死，不能定時(shí)訪問(wèn)X25045的／CS片選，X25045將能把MPU和系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。X25045與MCS51的接口如圖4所示。
其次，為了便于維護(hù)和提高通訊可靠性，我們?cè)赗S－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(zhì)量。由于該芯片具有防雷擊功能，并具有過(guò)流保護(hù)，可帶電插撥，即我們通常所說(shuō)的熱插撥，方便了控制器的更換。
接著，為了減少數(shù)碼顯示驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單、功能多樣化、多級(jí)灰度調(diào)節(jié)、外圍電路精簡(jiǎn)可靠、譯碼與功率驅(qū)動(dòng)于一體。它具有采用簡(jiǎn)單的三線SPI接口、內(nèi)部自帶時(shí)鐘電路、無(wú)需任何外圍元件、顯示功能多樣化等特點(diǎn)。每片PS7219最多可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位8段共陰級(jí)LED。當(dāng)使用多于8位LED時(shí)，只需將N片級(jí)聯(lián)，便可輕松實(shí)現(xiàn)N×8位LED顯示。
最后，該控制器還采用了DS12887時(shí)鐘芯片，該芯片即為MC146818自帶電池晶振的替換型號(hào)，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(xì)介紹?？傊撓到y(tǒng)可分為AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、顯示鍵盤、多機(jī)通信、輸入輸出控制五個(gè)模塊。
2．4后臺(tái)計(jì)算機(jī)
計(jì)算機(jī)作為存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)圖形、參數(shù)的后臺(tái)設(shè)備，還要能滿足網(wǎng)絡(luò)工作站的要求，能24小時(shí)不間斷工作。因此，設(shè)計(jì)時(shí)選用了***研華586工控機(jī)，P166CPU，32M內(nèi)存、4．3G硬盤和一塊D－LINK10M－100M自適應(yīng)網(wǎng)卡。
2．5驅(qū)動(dòng)器
由于該庫(kù)房采用了2臺(tái)50千瓦冷凍空調(diào)機(jī)機(jī)組進(jìn)行庫(kù)房的降溫除濕，因此，其驅(qū)動(dòng)不能用控制口直接驅(qū)動(dòng)，中間要經(jīng)過(guò)可控硅，中間交流接觸器，過(guò)流保護(hù)器和斷相保護(hù)器，才能控制空調(diào)機(jī)組，此處不詳細(xì)介紹整個(gè)強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)電路，僅介紹其中帶過(guò)零觸發(fā)的雙向晶閘管觸發(fā)電路，電路見(jiàn)圖4。
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MOC3081的輸出端額定電壓是600V，最大重復(fù)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(jiàn)，當(dāng)MOC3081的輸入端有15mA的電流時(shí)，在MOC3081輸出端6、4腳之間的電壓稍過(guò)零時(shí),內(nèi)部雙向晶閘管導(dǎo)通,觸發(fā)外部雙向晶閘管KS導(dǎo)通。當(dāng)MOC3081的輸入端為高電平時(shí) ，也有500μA的電流，加入R3可以消除這個(gè)電流對(duì)外部雙向晶閘管的影響。R1是MOC3061的限流電阻，用于限制流經(jīng)MOC3061輸出端的電流不超過(guò)1A。MOC3081過(guò)零檢測(cè)的電壓值為20V，所以，R1取稍大于20Ω。如果負(fù)載是感性負(fù)載，這時(shí)流經(jīng)MOC3081輸出端的電流會(huì)增加，所以R1還需要加大。當(dāng)負(fù)載的功率因素小于0．5時(shí)，R1取最大值。最大值由下式計(jì)算：
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取300Ω。在其它情況下可以取27Ω～330Ω。當(dāng)R1取的較大時(shí)，對(duì)最小觸發(fā)電壓會(huì)有影響。最小觸發(fā)電壓VT由下式計(jì)算：
其中，IGT為晶閘管KS門極觸發(fā)電流；VGT為晶閘管KS門極觸發(fā)電壓；VTM為MOC3081輸出晶閘管的導(dǎo)通壓降，一般取約等于3V。
與雙向晶閘管KS并聯(lián)的RC回路用于降低雙向晶閘管所受的沖擊電壓，保護(hù)KS及MOC3081。
3系統(tǒng)的應(yīng)用軟件
3．1控制算法
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在一套控制系統(tǒng)中，選擇有效的控制算法并建立正確的數(shù)學(xué)模型，決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。因此，經(jīng)過(guò)大量的論證，對(duì)上 述藥材倉(cāng)庫(kù)提出的，保證庫(kù)房溫濕度嚴(yán)格控制在溫度低于30℃，相對(duì)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(dāng)庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度高于70％時(shí)進(jìn)行庫(kù)內(nèi)庫(kù)外通風(fēng)。這種方式是利用庫(kù)內(nèi)外濕度差進(jìn)行空氣的交換，以達(dá)到庫(kù)內(nèi)降溫除濕的要求。它的優(yōu)點(diǎn)是高效、節(jié)能、減少了電力消耗、節(jié)省資金。但這種方式受到嚴(yán)格的限制。首先，庫(kù)外的相對(duì)濕度要低于庫(kù)內(nèi)的，它們之間的差要大于5％，這樣才能有效保證及時(shí)地進(jìn)行庫(kù)內(nèi)的除濕。其次，庫(kù)內(nèi)庫(kù)外的溫差要小于2℃，這是因?yàn)?，如果在?kù)外溫度遠(yuǎn)高于庫(kù)內(nèi)溫度時(shí)進(jìn)行通風(fēng)，熱空氣進(jìn)入庫(kù)區(qū)后遇上冷空氣就會(huì)造成藥品、器材表面結(jié)露的現(xiàn)象，反而會(huì)影響藥品和器材的質(zhì)量。反之，如果在庫(kù)內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于庫(kù)外溫度時(shí)進(jìn)行通風(fēng)，冷空氣進(jìn)入庫(kù)內(nèi)后也會(huì)在藥品器材表面結(jié)露。最后，庫(kù)外溫度不能超過(guò)28℃。這是因?yàn)?，如果?kù)外溫度超過(guò)28℃時(shí)進(jìn)行通風(fēng)，很可能將密閉的庫(kù)溫升高，從而超過(guò)溫度上限30℃。
第二種控制模式：當(dāng)溫度高于30℃或濕度高于70％但不滿足第一種情況時(shí)，只有打開(kāi)壓縮機(jī)進(jìn)行庫(kù)內(nèi)降溫除濕。
在控制算法上，控制精度要求在一個(gè)區(qū)域內(nèi)（如圖5所示），因此選擇了一個(gè)相對(duì)較簡(jiǎn)單的控制算法即脈寬調(diào)制。脈寬調(diào)制是將檢測(cè)的值與閥值相比較，之間的差距越大，脈沖的寬度就越長(zhǎng)，而脈沖的寬度就是驅(qū)動(dòng)設(shè)備的工作時(shí)間。但由于壓縮機(jī)不能頻繁地啟動(dòng)，一般啟動(dòng)間隔為30分鐘，這時(shí)就出現(xiàn)了矛盾，如果控制曲線出現(xiàn)震蕩，溫濕度頻繁超標(biāo)，而讓壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)，將會(huì)損壞設(shè)備。而如果讓壓縮機(jī)每次工作很長(zhǎng)時(shí)間，令庫(kù)內(nèi)溫濕度降得很低，使壓縮機(jī)不會(huì)頻繁啟動(dòng)，又不利于節(jié)能。因此，從保護(hù)設(shè)備的角度出發(fā)，同時(shí)又不至于讓壓縮機(jī)每次工作過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，這里加入了自適應(yīng)算法，這種算法能自動(dòng)記錄不同時(shí)期庫(kù)內(nèi)溫濕度的上升曲線，計(jì)算出壓縮機(jī)每次須工作多長(zhǎng)時(shí)間，使壓縮機(jī)既不會(huì)頻繁啟動(dòng)，控制曲線振蕩又最小，從而達(dá)到節(jié)能的目的。具體程序清單就不一一列出了。
3．2前臺(tái)控制器主程序框圖
前臺(tái)控制器主要完成溫濕度數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理顯示與驅(qū)動(dòng)相應(yīng)設(shè)備，與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)等功能，其程序框圖見(jiàn)圖6、圖7。
??? 主程序框圖如圖6所示。
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3．3PC機(jī)程序
??? PC程序采用VB程序，可顯示當(dāng)前各監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)，并動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前各設(shè)備工作狀態(tài)。如風(fēng)機(jī)是否在轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)門是否在打開(kāi)等。該程序工作在Windows95平臺(tái)上，處理事件響應(yīng)為打印報(bào)表顯示、設(shè)備狀態(tài)、溫度濕度、上傳下傳數(shù)據(jù)、定時(shí)存儲(chǔ)等。
4系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果
該系統(tǒng)自開(kāi)發(fā)成功以來(lái)已正常運(yùn)行近兩年，有效地對(duì)某軍用藥材倉(cāng)庫(kù)2400平方米密閉藥品倉(cāng)庫(kù)的溫濕度實(shí)施24小時(shí)不間斷智能化監(jiān)控，改善了藥材存儲(chǔ)環(huán)境，有效地減少了因環(huán)境因素造成的藥材霉變、結(jié)塊、潮解等損失，極大地降低了藥材的存儲(chǔ)損耗。減輕了保管人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了后方倉(cāng)庫(kù)藥材保障能力。該系統(tǒng)使該倉(cāng)庫(kù)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(nèi)。
5結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)集溫濕度信號(hào)采集處理計(jì)算機(jī)軟硬件、調(diào)溫調(diào)濕技術(shù)于一體，實(shí)現(xiàn)了庫(kù)房溫濕度的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)控制和定點(diǎn)報(bào)警，使溫濕度調(diào)控更趨科學(xué)，從而為藥材儲(chǔ)備提供了一個(gè)良好的環(huán)境。該項(xiàng)目已獲得軍隊(duì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)，在全軍后勤倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行推廣應(yīng)用?！ ≡撓到y(tǒng)不僅應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)，它還先后被應(yīng)用于江蘇省農(nóng)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(gè)項(xiàng)目，都取得了良好的效果。實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有投資少，能耗低，操作簡(jiǎn)單，使用安全方便等特點(diǎn)，可以大規(guī)模推廣使用。
2 謝宋和．單片機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例．北京：電子工業(yè)出版社，1999
3 李 華．MCS－51單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993
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