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??? 關(guān)鍵詞：單片機(jī)，溫濕度自動控制系統(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)是最常見也最為廣泛應(yīng)用的一門實用技術(shù)，這種技術(shù)利用溫濕度傳感器采集信號，然后將模擬信號進(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)果上傳給中心計算機(jī)并控制驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行自動控溫控濕，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，開發(fā)一套新型實用的溫濕度控制系統(tǒng)，將具有推廣價值。
本人設(shè)計了一套倉庫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)某軍用藥材倉庫的要求，為其設(shè)計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)這一實例對該系統(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)計時考慮到經(jīng)費(fèi)和控制精度等多種因素，減少了監(jiān)測控制點(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)。在測控點(diǎn)分布上，設(shè)計時考慮到在封閉／半封閉庫房空間內(nèi)，若隨機(jī)各點(diǎn)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(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)庫容大小選定，原則上與庫房內(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米的庫房內(nèi)選用一臺50千瓦冷凍空調(diào)機(jī)組進(jìn)行降溫除濕（可在半小時內(nèi)降溫除濕30％），即可嚴(yán)格控制庫房內(nèi)的溫濕度在規(guī)定范圍之內(nèi)。
系統(tǒng)的整個控制功能核心是由前臺控制器完成的，其系統(tǒng)的控制框圖如圖2所示，整個系統(tǒng)基本上是控制時間、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，在－55～125℃內(nèi)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(qū)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(jìn)行信號放大和線性化校正等優(yōu)點(diǎn)。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(jīng)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(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，一個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是各個小系統(tǒng)的穩(wěn)定性決定的，在一個串級的系統(tǒng)中，隨著串級元素增加，系統(tǒng)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(tǒng)的器件數(shù)量和體積；但由于DSP器件開發(fā)費(fèi)用比較昂貴，所以在這種通用型、低造價的系統(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,降低出錯率。因此,在設(shè)計時本人大量運(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(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）可與其它信號混用。定時器看門狗的作用是保證在設(shè)定的時間內(nèi)，若系統(tǒng)程序走死，不能定時訪問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(zhì)量。由于該芯片具有防雷擊功能，并具有過流保護(hù)，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(shù)碼顯示驅(qū)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(diào)節(jié)、外圍電路精簡可靠、譯碼與功率驅(qū)動于一體。它具有采用簡單的三線SPI接口、內(nèi)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(diǎn)。每片PS7219最多可同時驅(qū)動8位8段共陰級LED。當(dāng)使用多于8位LED時，只需將N片級聯(lián)，便可輕松實現(xiàn)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(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、輸入輸出控制五個模塊。
2．4后臺計算機(jī)
計算機(jī)作為存儲歷史數(shù)據(jù)，實時顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)圖形、參數(shù)的后臺設(shè)備，還要能滿足網(wǎng)絡(luò)工作站的要求，能24小時不間斷工作。因此，設(shè)計時選用了***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)動器
由于該庫房采用了2臺50千瓦冷凍空調(diào)機(jī)機(jī)組進(jìn)行庫房的降溫除濕，因此，其驅(qū)動不能用控制口直接驅(qū)動，中間要經(jīng)過可控硅，中間交流接觸器，過流保護(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)介紹整個強(qiáng)電驅(qū)動電路，僅介紹其中帶過零觸發(fā)的雙向晶閘管觸發(fā)電路，電路見圖4?！?br>??????????????????????? 
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，當(dāng)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(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 ，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(jīng)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(fù)載是感性負(fù)載，這時流經(jīng)MOC3081輸出端的電流會增加，所以R1還需要加大。當(dāng)負(fù)載的功率因素小于0．5時，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(dāng)R1取的較大時，對最小觸發(fā)電壓會有影響。最小觸發(fā)電壓VT由下式計算：
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)過大量的論證，對上 述藥材倉庫提出的，保證庫房溫濕度嚴(yán)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(dāng)庫內(nèi)相對濕度高于70％時進(jìn)行庫內(nèi)庫外通風(fēng)。這種方式是利用庫內(nèi)外濕度差進(jìn)行空氣的交換，以達(dá)到庫內(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，庫外的相對濕度要低于庫內(nèi)的，它們之間的差要大于5％，這樣才能有效保證及時地進(jìn)行庫內(nèi)的除濕。其次，庫內(nèi)庫外的溫差要小于2℃，這是因為，如果在庫外溫度遠(yuǎn)高于庫內(nèi)溫度時進(jìn)行通風(fēng)，熱空氣進(jìn)入庫區(qū)后遇上冷空氣就會造成藥品、器材表面結(jié)露的現(xiàn)象，反而會影響藥品和器材的質(zhì)量。反之，如果在庫內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于庫外溫度時進(jìn)行通風(fēng)，冷空氣進(jìn)入庫內(nèi)后也會在藥品器材表面結(jié)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(jìn)行通風(fēng)，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(dāng)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(jī)進(jìn)行庫內(nèi)降溫除濕。
在控制算法上，控制精度要求在一個區(qū)域內(nèi)（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(diào)制。脈寬調(diào)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(qū)動設(shè)備的工作時間。但由于壓縮機(jī)不能頻繁地啟動，一般啟動間隔為30分鐘，這時就出現(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，將會損壞設(shè)備。而如果讓壓縮機(jī)每次工作很長時間，令庫內(nèi)溫濕度降得很低，使壓縮機(jī)不會頻繁啟動，又不利于節(jié)能。因此，從保護(hù)設(shè)備的角度出發(fā)，同時又不至于讓壓縮機(jī)每次工作過長時間，這里加入了自適應(yīng)算法，這種算法能自動記錄不同時期庫內(nèi)溫濕度的上升曲線，計算出壓縮機(jī)每次須工作多長時間，使壓縮機(jī)既不會頻繁啟動，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前臺控制器主程序框圖
前臺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，風(fēng)門是否在打開等。該程序工作在Windows95平臺上，處理事件響應(yīng)為打印報表顯示、設(shè)備狀態(tài)、溫度濕度、上傳下傳數(shù)據(jù)、定時存儲等。
4系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果
該系統(tǒng)自開發(fā)成功以來已正常運(yùn)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(jiān)控，改善了藥材存儲環(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損耗。減輕了保管人員的勞動強(qiáng)度，提高了后方倉庫藥材保障能力。該系統(tǒng)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(nèi)。
5結(jié)束語
該系統(tǒng)設(shè)計集溫濕度信號采集處理計算機(jī)軟硬件、調(diào)溫調(diào)濕技術(shù)于一體，實現(xiàn)了庫房溫濕度的遠(yuǎn)距離監(jiān)測控制和定點(diǎn)報警，使溫濕度調(diào)控更趨科學(xué)，從而為藥材儲備提供了一個良好的環(huán)境。該項目已獲得軍隊科技進(jìn)步獎，在全軍后勤倉庫進(jìn)行推廣應(yīng)用。 該系統(tǒng)不僅應(yīng)用于倉庫控制系統(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項目，都取得了良好的效果。實踐證明該系統(tǒng)具有投資少，能耗低，操作簡單，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)計與應(yīng)用實例．北京：電子工業(yè)出版社，1999
3 李 華．MCS－51單片機(jī)實用接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993
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