单片机在多路温度、湿度控制的研究与应用-中国知网

目  录

1  概述•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1.1 系统整体目标••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
1.2 方案比较•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••1
2  硬件设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4
2.1稳压电源的设计•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••4
2.2 温湿度传感器选用••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••6
2.3 通信模块设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••16
2.4 键盘模块的设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••19
2.5 液晶显示模块的设计•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••23
2.6 单片机控制电路••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••25
3  软件设计•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
3.1 程序设计语言与软件开发环境•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••34
3.2  软件程序设计•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••35
4  抗干扰设计与误差分析••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
4.1 抗干扰设计••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••41
4.2 误差分析••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••44
总  结••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••47
参考资料••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••48
致  谢••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••49
1  概述
1.1  系统整体目标
本系统的实现目标：
(1) 实时巡检功能
本系统能够同时检测4路温湿度，检测温度范围：0℃～400℃，湿度范围：0～100%RH；
(2) 高精度
应用12位AD转换芯片，采用过采样和工频周期求均值技术，分辨率达到16位，检测温度变化最小值达到0.007℃，湿度最小值达到5%RH。
(3) 传输距离远
使用RS-485串行总线进行传输，MAX485驱动芯片进行电平转换，传送距离大于1200m，抗干扰能力强。
(4) 功能完善
① 由主控机统一设置系统时间和温湿度修正值。
② 可由主控机分别设置各从机的温湿度报警上下限，主机、从机均具有声光报警功能。
③ 具有定时、整点收集各从机数据功能，使用I2C串行E2PROM，可保存各从机以往24小时的数据，具有数据更新与掉电保护功能。
④ 具有数据存储功能，可查询各从机以往24小时的温湿度情况。
从机可显示当前温湿度、时间、报警阈值等信息。
主从机均采用中文点阵式液晶显示器，人机界面友好。
⑤ 自带+5V和+12V直流稳压电源。
1.2  方案比较
温湿度测量的方案有很多种，可以采用传统的分立式传感器、模拟集成传感器以及新兴的智能型传感器。对于控制系统可以采用计算机、单片机等。
1.2.1 设计方案一
采用模拟分立元件，如电容、电感或晶体管等非线形元件，实现多点温湿度的测量及显示，该方案设计电路简单易懂，操作简单，且价格便宜，但采用分立元件分散性大，不便于集成数字化，而且测量误差大。
1.2.2 设计方案二
采用PC机作为主控机，单片机构成信号采集单元。通过温湿度传感器采集温湿度信号，经信号放大器放大后，送到A/D转换芯片，经过含有单片机的检测系统的进一步分析处理，通过通信线路将信息上行到PC机，在PC机上我们可对温湿度信号进行任何分析、处理。






图1.1  方案二的框图
采用该方案技术已经成熟，而且通过将温湿度信息上传到PC机，利用PC机强大的数据处理能力和相应的辅助软件，可以多角度、多需求的分析处理温湿度数据，但这在工业上大多不是必须的。而且目前PC的机价格的原因，制造出这样的系统，不会得到普遍的应用。所以我不准备采用此种方案。
1.2.3  设计方案三       
本方案以AT89C51单片机系统为核心，对多点的温湿度进行实时控制巡检。各检测单元（从机）能独立完成各自功能，根据主控机的指令对温湿度进行实时或定时采集，测量结果不仅能在本地储存、显示，而且可以利用单片机串行口，通过RS-485总线及通信协议将将采集的数据传送到主控机，进行进一步的分析、存档、处理。主控机负责控制指令发送，控制各个从机进行温湿度采集，收集测量数据，并对测量结果（包括历史数据）进行整理、显示和打印。主控机与各从机之间能够相互联系、相互协调，从而达到了系统整体统一和谐的控制效果。












图1.2  方案三的系统框图
该方案主控机和从机完全由单片机实现，采用该方案完全可满足工业上大部分需求，而且相对与第二种方案价格更加容易让人接受。上图中，从机部分实现的功能几乎和主机是对等的，但会接受主机发送过来的命令的指示。












图1.3 从机部分的框图
   
该方案采用AD620作为信号放大器MAX187作为A/D转换部件，对于温湿度信号的采集具有大范围、高精度的特点。相对与方案1，在功能、性能、可操作性等方面都有较大的提升。相对与方案3，具有更高的性价比，更大的市场。所以我采用方案3完成本设计。

2  硬件设计
2.1 稳压电源的设计
2.1.1 稳压电源的组成
电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值。交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给集成电路供电的，而要通过整流电路将交流电变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近稳恒的直流电。但这样的电压还随电网电压波动（一般有±10%左右的波动），负载和温湿度的变化而变化，因而在整流、滤波电路之后，还需要接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。
电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。      
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。
2.1.2 电源设计
工作原理：图中为T1电源变压器，它的作用是将交流电网电压V1变为整流电路要求的交流电压  ，四只整流二极管D1~ D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。
先计算文件参数：
二极管D1、D3和D2、D4两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为


                    ID= IC=0.45                     (2.1)
二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压可以从图1中看出。在 正半周时D1、D3导通，D2、D4截止。此时D2、D2所承受的最大反向电压均为的 最大值。即 =  
同理，在 的负半周，D 、D 也承受到同样大小的反向电压。