新型控溫控濕裝置的研究與設計

喬 慧

（青島市職業教育公共實訓基地，山東 青島266112）

現在的養雞模式已從以前開放式雞舍，雞群被動適應外界環境的飼養方式，開始進入了現代化的人工控制雞舍環境飼養的飼養方式。雞舍溫濕度是封閉式雞舍日常管理中的重要內容之一。針對上述問題，作者設計出了基于單片機能夠實現溫濕度自動檢測、調控、顯示、上下限報警等多功能的溫濕度監測控制系統。

1 溫濕度控制原理與實現

1.1 方案簡述

該溫濕度測控系統包括：數據采集、處理系統和報警系統，由溫度、濕度傳感器、模擬量輸入通道、A/D轉換、顯示器與報警電路等組成。當系統進入運行后,采樣溫、濕度值,并和此前已經設定好濕溫度值相比較，比較后得到相應控制量,控制量作用于輸出執行模塊,然后輸出信號來使執行部件進行動作，使溫室大棚達到所要求指標。測控系統的主要技術參數有:溫度檢測范圍0~50℃；測量精度±0.5℃；濕度檢測范圍0%~100%RH；檢測精度±2.5%RH；控制方式有手動/自動可切換；參數調整為手動設定/程序控制。

1.2 系統的工作原理

溫濕度測控系統能完成數據采集、分析、顯示、串行通信和輸出調控信號等多種功能[1~6]。該測控系統的主要硬件包括溫度傳感器、濕度傳感器、A/D轉換器、數據采集電路、AT89C51單片機、LED顯示器等。其原理結構如圖1所示。

圖1 溫濕度測控系統結構原理圖

在工作時，溫濕度測控系統首先把預先測量好的雞舍內保持正常狀態所需的溫度和濕度存儲于單片機中，將系統的數據采集部分的溫濕度傳感器置于雞舍內部，測出室內的溫濕度值，經過放大、A/D轉換為數字量之后送入AT89C51單片機中，然后LED顯示出溫濕度測量值。單片機將預設的參考值與測量值進行比較，根據比較結果做出判斷。當溫濕度值超過允許的范圍，系統將發出報警。單片機內預存濕溫度參考值可通過鍵盤或按鈕人工按實際需要改變。通過對整個系統的核心單片機部分的設計，達到優化控制溫濕度的目的。

2 硬件系統設計

2.1 濕溫度測量

溫度測量用傳感器采用鉑電阻，傳感器經運放電路LM324進行溫電轉換后，再通過A/D轉換電路進入單片機。首先根據特性曲線,結合實際標定值,建立一個A/D轉化值與溫度值的對應表格，在測量時，通過查表求出溫度值。溫度傳感器選擇DALLAS公司生產的線制數字溫度傳感器DS18B20，其溫度測量范圍為-55℃~125℃，可編程為9位~12位的A/D轉換精度，測溫度分辨率可達0.062 5℃,被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出。

濕度測量采用干濕球法，其測量電路與溫度測量電路相同，只是在得到干球溫度和濕球溫度后，還要通過計算才能得到相對濕度。求相對濕度的關鍵是計算飽和水汽壓，通常由查表或公式法來計算水汽壓。但因表格占用內存較多，這里采用多項式近似式計算飽和水汽壓[7]有以下:

式中，

E為純水平液面飽和水汽壓(干球或濕球)，Pa；

T為溫度(干球或濕球)，℃；

C0~C6為常數。

式中，A為常數,與風速有關。

濕度測量采用電容式集成濕度傳感器HS1101來檢測。HS1101的電容隨所測空氣的相對濕度增大而增大，具有極好的線性輸出，在相對濕度為0%RH~100%RH的范圍內，電容的容量由163 pF變化到202 pF，其誤差不超過±2%RH;濕度量程為1%RH~99%RH，工作溫度范圍為-40℃~100℃;濕度輸出受溫度影響極小(溫度系數僅為0.04 pF/℃);常溫下使用無需溫度補償，無需校準。

2.2 采集電路的設計

（1）溫度采集電路

DS18B20只有一個串行通信接口，其與單片機電路連接簡單，需要的僅僅是與單片機上任一I/O端口連接即可，本設計系統采用了P2.0端口，其連接電路圖如圖2所示，其供電方式采用外部電源供電。

圖2 溫度采集電路

（2）濕度采集電路

本系統采用的是將HS1101接入555定時器組成的震蕩電路中，輸出一定頻率的方波信號，這種方法結構簡單，使用方便，因此被廣泛采用，具體電路圖如圖3所示。

圖3 HS1101和NE556構成的濕度采集電路

在圖3中，R1、R2、C1、C2和NE556構成多諧振蕩器，外接電阻R1、R2和濕敏電容C1構成了對濕敏電容C1的充電回路，7端通過芯片內部的晶體管對地短路又構成了對C1的放電回路，并將2、6端相連引入到片內比較器。該振蕩電路的兩個暫穩態過程交替如下：首先是電源Ucc通過R1、R2向C2充電，經T1充電時后，Uc2充至內比較器的高觸發電平，約2/3Ucc，此時輸入引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R2放電，經T2放電時間后，Uc2下降到比較器的低觸發電平，約1/3 Ucc，此時輸入引腳3端又由低電平躍升為高電平，如此反復，形成方波輸出，其中充放電時間為：T1=C1×(R1+R2)×ln2；T2=C1×R2×ln2。輸出的方波頻率:f=1/(t1+t 2)=1/C1(R1+2R2)×ln2=50 Hz。

3 軟件設計

軟件部分包含有主程序、中斷服務、測量、按鍵、顯示、溫度補償和查表等功能模塊,本文給出了中斷服務子程序流程圖（如圖4所示）,由于系統控制過程是由中斷服務程序實現的,所以從中可以看到整個程序設計的思路和概貌。

圖4 中斷服務程序流程圖

4 結束語

為節省人力物力，精確調整雞舍內溫濕度，本文設計基于單片機的雞舍溫濕度控制系統，以期為雞群提供適合生長環境。系統使用AT89C51單片機對雞舍內溫濕度進行數據的采集、接收，處理、RH發送和自動控制。系統成本低、可配置型強，通過對設計程序進行修改,則可實現不同的周期和非循環控制，便于用于特殊要求的場合。后期將對結合實際進行進一步完善。

[1]張琳娜，劉武發.傳感檢測技術及應用[M].北京:中國計量出版社，1999．

[2]楊振江，孫占彪，王曙梅，等.智能儀器與數據采集系統中的新器件及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社，2001.

[3]何立民.MCS－51系列單片機應用系統設計系統配置與接口技術[M].北京:北京航天航空大學出版社，1999．

[4]楊世成.信號放大電路[M].北京:電子工業出版社，1995．

[5]李建民.單片機在溫度控制系統中的應用[J].江漢大學學報，1999(3):60-62．

[6]高光天.儀表放大器應用[M].北京:科學出版社，1995．

[7]李惠敏，郝 新，苗淑敏.交變濕熱室測控系統設計[J].電子測量技術，2001(3):12-13.