智能湿度控制系统

智能湿度控制系统1．概述在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天以及现代生活的各个方面，经常需要对 环境湿度进行测量及控制对于生物制药、食品加工、造纸等行业，准确的测量湿度更是至 关重要的此外，湿度还直接影响到人们的舒适程度和身体健康，但在常规的环境参数中， 湿度是最难准确测量的一个参数这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立 的被测量，而湿度却受其它因素的影响，湿度与大气压、温度呈函数关系此外，湿度的校 准也是一个难题本设计提出一种基于 AT89C51 单片机控制的比较简单而实用的湿度检测 及控制方法文中讨论了一种测量湿度的简单方法，利用我们常用的电子元器件来组成简单 而实用的湿度检测电路，并在此基础上讨论湿度检测影响条件呵环境因数的作用以及湿度检 测的精确性问题；在湿度检测的基础上，讨论湿度的控制问题，分析湿度调节的可行性以及 怎么样调节的问题2．系统总体方案2.1湿度测量的名词术语 湿度：湿度是表示空气中水蒸气的含量湿度又分为绝对湿度和相对湿度两种绝对湿度：绝对湿度亦称水蒸气密度，它表示水蒸气的质量与总容积的比值，有公式m 217.6 pd = =一v v T + 273.16 (2丄)ab式中,dv代表绝对湿度，它表示每立方米干燥空气与水蒸气的混合物中所含水分的克数；p为 水蒸气的压强(单位是Pa)；Tab为干燥空气的温度值(单位是。

C).需要指出，国内也有人 将空气中所含水蒸气的压强理解为绝对湿度，这与国外关于绝对湿度的定义不相符 相对湿度：相对湿度表示在相同湿度下大气中水蒸气的实际压强与饱和水蒸气的压强之比， 通常用百分数来表示相对湿度的英文缩写为RH(Relative Humidity),有公式:2.2)RH = p (T)x 100%P (T)2式中，p1(T)代表温度为T时的水蒸气压强，p2(T)表示在温度T下的饱和压强显然，相对 湿度是压强和温度的函数露点:在水蒸气冷却过程中最初发生结露的温度若气温低于露点，水蒸气开始凝结 湿度比:它表示水蒸气的质量与干燥空气的质量比大气压强：在单位面积上大气的压力通常将海平面高度的大气压强称为1个标准大气压, p0=101.325Pa大气压强随高度的增加而降低设A.B两点的高度差h2-h1=h，这两点的大 气压强分别为p1,p2有公式h = h -h = 184001g(pv ) (2.3)2 1 "2当距海面高度为1000M、2000M、4000M、8000M时，大气压强就依次降成0.88p0、0.78p0、 16p0、0.37p0水蒸气压强：当空气和水蒸气的混合物与水(或冰)保持平衡时，就处于饱和状态，相对湿 度达到 100%，此时水蒸气对水(或冰)的饱和压强就称做水蒸气压强。

其计算公式比较复 杂，并且计算水和冰的饱和压强的公式也不同2.2 系统功能要求( 1)自动检测室内空气的湿度2) 当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达 到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水 蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态 3)数码管显示当前的湿度 4)键盘设置及调整湿度的初始值2.3 系统总体架构( 1)湿度检测电路用于检测空气的湿度2) 微控制器采用ATMEL公司的89C51单片机，作为主控制器3) 电源稳压电路用于对输入的200V交流电压进行变压、整流4) 键盘输入电路用于设定初始值等5) LED 显示电路用于显示湿度6) 功率驱动电路(湿度调节电路)图 2.1 系统结构图2.4 系统设计原理该湿度控制系统由湿度检测电路、 CPU 监控电路、显示电路、 A/D 转换电路、排风与 加热控制电路和微处理器等组成，其中微处理器 AT89C51 是整个系统的控制核心，它的原 理电路如图2.1所示工作原理如下：湿度检测电路将当前环境湿度信号通过A/D转换后,送到处理器AT89C51中，然后处理器通过软件的运行，将当前湿度信号通过LED显示出来 （显示相对湿度值），并且处理器通过程序的运行，判断当前湿度值是否在预先设定的范围 之内。

假设不是，系统就会自动进行湿度的调节：当湿度检测电路检测到当前环境湿度高于 设定值的上限的时候，微处理器将使P2.6输出低电平，起动减湿控制电路使吹风机开始工 作，开始排风散热降温；当湿度检测电路检测到当前环境湿度低于湿度设定下限时， P2.7 输出低电平，使蒸汽机控制电路工作，开始加热增加湿度5V*5V V-VREFAGND D1R/HCLKORURPOLB8T~rV-l-53『卜th17LCID54B SELINLOINHI B11B4A 4Y1A 1YMRRESETWDOWDI湿度检测电路MAX813L74LS157P1.0P0.0P1.4P1.5P0.6P1.6P3.5P3.6P3.0P3.1P2・389C5P2 4P2.5P2.0RESETP2.6P3.4P2.7XLAT1XLAT2图2.2 系统硬件结构图数码显示1J—+5VJ吹风机控制T——SI蒸汽机控制3．系统硬件设计及实现3.1电源电路设计 稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所 需要的低压交流电整流器把交流电变为直流电经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压 变为稳定的直流电压输出稳压电源是以78XX和79XX系列稳压器为基础的，这类电源能够产生土5V,±15V。

它 是先将来自交流电的电压通过变压器（即将220V转换为20V），然后通过78XX和79XX稳压 器，达到设计要求稳压电源的设计图3.1图 3.1 电源电路图在图中A端输出+15V, B端输出+12V, C端输出+5V, D端输出-15V, E端输出-12V、F 端输出-5V,这6种电源可以供我们后来设计器件的备用电源，如：湿度检测电路、单片机 电源、A/D转换ICL7135、继电器的电源等3.2相对湿度检测电路设计相对湿度检测电路框图如图3.2所示：主要包括9部分：①精密对称方波发生器；②湿 敏电阻；③对数放大器（兼做半波整流）；④湿度校正电路及滤波器；⑤输出放大器；⑥断 点补偿电路；⑦温度补偿电路；®+15V稳压电源图 3.2 相对湿度检测电路结构图该检测电路有下列特点：（1） 鉴于当直流电流通过湿敏电阻时会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻,因此必须采 用交流信号或对称方波信号来驱动湿敏电阻在这里选用具有稳幅作用的精密对称方波发生 器作为信号源,其输出信号中不包含直流分量2） 为解决湿敏电阻的非线性问题，由晶体管VT1 ）和运算放大器构成对数放大器，对湿 敏电阻的指数型特性曲线进行线性化。

3） 利用湿敏校正电路对40%RH、100%RH两点进行校正，再通过滤波器产生一个代表相对 湿度的直流输出电压，输出电压范围是0〜10V,所对应的相对变化范围是（0〜100%） RH4） 输出信号送至4丿2位A/D转换器，通过ICL7135A/D转换将模拟量转换位BCD码送至微处理器进行数据处理5） 利用断点放大器专门对40%RH以下的相对湿度信号再进行一次线性补偿，使其输出信 号尽可能呈线性6）利用集成恒流源的正温度系数去补偿热敏电阻的负温度系数，大大降低了温漂然后 选用一片廉价的集成音频放大器对VT1进行温度补偿，使VT1的直流工作点不随环境温度的 变化而变化lC((ICu -ICULFW7(IP； 100ki 校 a-u^eRinJCn) LF353((」2O»p "T心LMJj4VD,出 *1004 VD< f t—JM T PCRC-55 b 能度电RiwLM3S5按 J ifiLDV M 07* 10 蚁 |0- HKJFRHf.丄ICjLM5291(A氐¥ U5 *怜27X1N70JU LM醐图跑6相对湿度检测电路RP；厂150k L 住推1妙・RH) 、tCi,L'o?:10k.1~ft jlh 5 6k VD3.3 A/D模块设计ICL7135是目前市场上广泛流行的单片集成4位半双积分A/D转换器。

由于ICL7135具有4位半的精度（相当于14位二进制数）、自动校零、自动极性输出、单一参考电压、动态 字位扫描 BCD 码输出、自动量程控制信号输出、价格低等特点，所以广泛应用于微控制器 的应用系统和各种精度较高的数字仪器等领域［19］1） 主要参数 ①CMOS集成电路；◎双积分转换技术；◎单一参考电压；①采用BCD码扫描输出；⑤能用 闪烁显示的方式表示超量程状态；6具有六路输入/输出（I/O）辅助信号，可以和微处理器 相连，进行复杂的控制；0具有自动转换量程的过和欠量程信号；（8允许差分输入；（9具有 自动极性辨别功能和自动校零电路； 10双电源供电； 11准确度高0.005%±1 个字； 12输入漏 电流低IpA； O分辨率高14位；（4零读数漂移0.5p V/°C； 15输入阻抗高109Q ； （6转 换速度慢3次/秒；◎噪声低15p V 2）引脚排列和引脚说明V-：负电源输入端，典型值为-5VVREF:参考电源输入端，典型值为IV,参考电压的精度合稳定度将直接影响转换精度D5、D4、D3、D2、D1： BCD码数据的位选通信号输出端，分别分位万、千、百、十、个位 Bl、B2、B4、B8： BCD码数据输出线。

BUSY：转换状态标志输出端积分器在积分过程中（对信号积分和反向积分）BUSY输出高 电平，积分器反向积分过零后输出低电平CLK:时钟输入端双极性模式：最高时钟频率为125Hz，转换速度为3次/秒；单极性模式:最高频率为1MHz，这时转换速度为25次/秒AGND :模拟地，INTOUT:积分器输出AZIN :自调零输入端BUFOUT:缓冲放大器输出端REFCAP-：外接参考电容引脚REFCAP+:外接参考电容引脚INLO：信号输入低端INHI：信号输入高端V+：正电源输出端，典型值为+5VDGND :数字接地19121316沖!15

R/H :启动转换/保持控制端该端接高电平时，ICL7135为自动连续转换状态，1/2一 次A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD码数据输出，可利用 该信号把数据打入到并行接口中供CPU读取，这在和微处理接口时显得非常重要OVERRANG：过量标志输入端当输入信号读数超过转换记数范围时，该引脚输出高电平 UNDER :欠量程标志输入端当输入信号读数小于9%或者更小时，该端输出高电平3.4处理器模块设计AT89C51是一种与MCS—51单片机相兼容的、高性能的8位CMOS微控制芯片，采用40 引脚DIP封装，片内带有4KB的快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM）是当前较先进的一 种电擦除8位单片机，它与MCS-51指令系统完全兼容，片内FPEROM允许对程序存储器在线 重新编程也可用常规的EPROM编程器编程具有超强的加密功能o ATMEL公司生产的这种 89C51微控制器，将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在同一芯片上，可完全替代87C51和 8751/8752，为很多嵌入式控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案，深受用户欢迎此外,AT89C51还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式, 在空闲模式下,CPU停止工作，但RAM,定时/计数器，串行口和中断系统仍然工作.在掉电模式 下，只保存RAM的内容，振荡器停振，关闭芯片的所有其它功能，直到下一次硬件复位为止•其 空闲和掉电两种工作方式以及静态逻辑运作等情况与MCSC51相同。

P 1 0 CP1 1 i■:tvec FO.OrADD]P 1.7 □3.pc. 1|A：D1)P1 3 L!4arpfl JP 1 J- C ：5弭PO. Ji ■.Cpa.4p 1 e cTPQ.SAD 3)P i 7 "PM(AdStjhot q■DE>CJ ?MOT)Pa o c1 D1 I1 f Aj^PP(TX-Dj P3. 1* i勺占ALEfPROapNTflJ P3 2 C1 2Zfl-PSEN片l>JT1> l■单 3 -1 U弼:PJ.TMWrm Fo■丄匚1 4pa nit i j pj i d1 Hpj $[WIT) pa-.e ql E25a(TO) P* ?■匚I Ti ps.a(AHjXT.皿IM■.- 图 3.5 AT89C51 引脚图 < ■；.为了提高系统工作的可靠性，测控仪增加了微处理器工作的监控电路，如图2.2中左边的中部所示，在这里采用MAx81 理器AT89C51不给MAxsl3L丨8^^实现，（以防程序跑飞使系统失控如果在1.65s内微处 的“看门狗输入端汕触发信号，说明程序已跑飞或程序已进入了死循环，MAX813L将发出复位信号，使系统复位重新运行。

另外，用于控制加热 和排风的电路如图 1 中右下方所示由于该电路很简单，在这里就不介绍了值得一提的 是加热控制和吹风扇控制用的接触器，其触点容量选取应视控制对象的功率而定，至少在 220WroA 以上，以确保控制仪的可靠工作3.5湿度调节模块设计湿度调节电路的设计：如图3.6图 3.6 湿度调节电路的结构框图如图3.12为湿度控制硬件结构图，图中采用了两只光电耦合器件、两个继电器、和两 只发光二极管其中光电耦合器件是将处理器（单片机）输出的信号转换为继电器的输入信 号，而继电器又与吹风机和蒸汽机的电源线相连，这样，处理器输出的信号就可以通过光电耦合电路和继电器电路来控制机械（吹风机或蒸汽机）的动作由于发光二极管是电流驱动设备，一般的 I/O 接口驱动能力是都是有限的，在发光二极 管与接口芯片间要接驱动电路，常用的CMOS或TTL驱动器有：LS7448、LS7449 3.7键盘模块设计本系统由于只有4个按键，而且单片机的接口又足够，所以采用独立式键盘，每一个按 键与单片机的一个输入端口相连并且按键采用脉冲式键盘，即按键按下一次，就是说与按 键相连的端口原来为高电平，按下之后，与按键相连的端口变为低电平，当与此按键相连的 端口再次变为高电平时，认为一次按键有效，处理器做出一次相应的处理。

在这里，我们可 以从系统硬件结构图2.2看到，四个按键SI、S2、S3、S4分别与单片机端口 P3.0、P3.1、 P2.4、P2.5相连其中，S1键控制湿度预设值的加1, S2键也是设定湿度的预设值，只是 按一下S2键，预设值就相应的减1, S3键是人为的控制吹风机的开关，S4键是人为的控制 蒸汽机的开关4．系统软件设计及实现4.1程序设计及其流程图(1)主程序流程图(2) A/D转换子程序流图(3)显示子程序流 程图(4)按键子程序流图4.2程序流程图说明在本程序的设置中，A/D转换是通过每次转换完成后产生中断来通知处理器，并将转换 结果送如处理器的存储器中保存；因为在硬件结构时，就采用了独立键盘的结构，所以键盘 子程序采用查询方式，以保证处理器始终都在监视键盘的动作；显示子程序采用单独的子程 序，作为主程序的调用子程序，以保证LED管的连续显示主程序流程图如(1),将键盘查 询子程序和显示调用子程序作为它的程序运行的循环环节；A/D转换中断处理程序如程序流 程图(2)，采用中断处理程序，保持了湿度检测信号的不断及时更新；流程图(3)就是显 示子程序，它直接通过单片机的端口，不停的送出字位显示和字数的显示；(4)就是键盘处 理子程序，键盘采用独立键盘，在有键按下时，首先判断那个键按下，然后根据相应的键作 出相应的处理，在此程序中，键盘采用的是脉冲式按键方式，按键按下一下，处理器作出一 次相应的回应。