基于STC89C51的恒定濕度監控柜研究

梁文家

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064）

環境條件中的濕度是許多工農業、醫療、機房等場合的重要參數[1-2]，特別是工業中精密儀器、半導體器材，博物館保存的文物等都會因為過高的濕度使性能降低或者損壞[3]，因此研制能控制并保持恒定濕度的控制柜，對于這些貴重器物的保存就顯得格外重要[4]。

1 恒定濕度監控柜硬件電路設計

文中所研究的恒定濕度監控柜是首先由用戶設定要求的濕度值，通過濕度傳感器檢測柜內濕度，當濕度高于設定值時，控制除濕執行機構動作進行除濕，直至濕度合適并保持。控制柜的實時濕度通過一個數碼管顯示可供用戶隨時查看，其歷史數據儲存在一個Flash芯片中，并定時將該數據上傳至上位機，可供用戶存檔和分析。

恒定濕度監控柜采用化學除濕方式，即利用分子篩來吸取控制柜空氣中水分，使得柜內空氣濕度降低，達到物品儲存濕度條件。當分子篩吸收水分達到飽和時，柜內濕度將不再降低，此時，需將分子篩轉向柜子外部，并對其加熱，使得分子篩吸收的水分蒸發，水分蒸發后的分子篩可再次轉向柜內，被重復使用以降低柜內的濕度。恒定濕度監控柜硬件電路結構分為強電和弱電兩部分，如圖1所示。

1.1 恒定濕度監控柜弱電電路設計

圖1 恒定濕度監控柜硬件電路結構Fig.1 Constant humidity monitoring and controlling cabinet hardware structure

恒定濕度監控柜弱電部分包括MCU模塊、顯示模塊、Flash存儲模塊、用戶設置按鍵模塊、濕度檢測傳感器模塊、時鐘模塊組成和網絡上傳模塊。

1.1.1 MCU模塊

MCU模塊的主芯片采用的是宏晶科技的STC89C51型單片機芯片，該芯片具有4K的Flash存儲器、512字節RAM、四個8位并行端口、ISP接口、IAP接口和2K的EEPROM，是一款低功耗，低價高可靠性的一款單片機。

1.1.2 濕度檢測模塊

濕度檢測模塊采用的是一款基于CMOSensTM技術的新型濕度傳感器，它將濕度傳感器、信號放大調理、A/D轉換、I2C總線接口全部集成在一起，濕度值輸出分辨率為14位[5]。

1.1.3 Flash存儲器

Flash存儲器采用SST的SST25VF0168芯片，該芯片是NAND型SPI串行接口的16 Mbits非易失性閃速存儲器，具有速度快、成本低、密度大的特點，它能以字節為單位進行讀/寫操作，而擦除操作以塊為單位，每一塊的擦除能達到10萬次左右。

1.1.4 數碼顯示模塊

數碼顯示模塊由MAX7219驅動4個數碼管組成。MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅動器，它連接微處理器與8位數字的7段數字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個獨立的LED。其上包括一個片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅動器，而且還有一個8×8的靜態RAM用來存儲每一個數據。 只有一個外部寄存器用來設置各個LED的段電流。

1.1.5 時鐘模塊

時鐘模塊采用DS1302，DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片內含有一個實時時鐘/日歷和31字節靜態RAM，通過簡單的串行接口與單片機進行通信，實時時鐘/日歷電路提供秒/分/時/日，日期/月/年的信息，每月的天數和閏年的天數可自動調整。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用到三個口線——RES復位、I/O數據線和SCLK串行時鐘的讀/寫數據以一個字節或多達31個字節的字符組方式通信。

1.1.6 按鍵輸入模塊

按鍵輸入模塊用于用戶設定控制柜的濕度控制值，時鐘等各模塊的初始設置等功能，本控制柜共設置4個功能輸入按鍵。

1.1.7 網絡上傳模塊

網絡上傳模塊選用Conextop公司的NePort網絡串口轉換模塊實現。其體積約為兩個標準RJ45插座，擁有10M/100M的以太網接口，并可同時傳送TCP/UDP包給多個數據接收設備，提供1～2個高速串口，波特率可達921600bps[6]。MCU通過標準串口同NePort連接，NePort通過路由器與中央服務器相連。每隔10秒鐘上傳濕度測量信息并實時上傳分子篩動作信息。

1.2 恒定濕度監控柜強電電路設計

強電電路主要用于驅動除濕執行機構，包括轉向執行機構和加熱機構。

強電電路是由雙向可控硅光耦MOC3023和雙向可控硅BTA06組成的驅動電路以及控制柜的電源模塊組成，控制柜電源采用220 V交流供電，同時為控制柜的強電結構供電，同時采用變壓、整流、穩壓生成5 V直流電，為控制柜的弱電結構供電。執行機構由MCU發出的控制信號AO和HO分別控制分子篩的轉動和加熱。驅動電路如圖2所示。

2 恒定濕度監控柜濕度控制算法

恒定濕度監控柜的主流程如圖3所示，濕度控制柜在用戶設定濕度值H0的基礎上，定時檢測柜內濕度，當柜內檢測濕度H1大于設定值H0時，驅動分子篩轉到柜內，對柜內空氣進行除濕操作，當柜內濕度仍未達到設定值，而濕度卻不再減少是，表明分子篩已經飽和，此時，必須將分子篩轉到柜外，并啟動對分子篩的加熱，以去除其吸收的水分，去除后，再將分子篩轉入柜內，繼續除濕，直至濕度達標，即H1=H0。

圖2 分子篩轉動和加熱驅動硬件電路Fig.2 Zeolite rotating and heating organ driven hardware structure

圖3 恒定濕度監控柜濕度控制算法主流程Fig.3 Constant humidity monitoring and controlling cabinet arithmetic main flow

恒定濕度監控柜算法還將控制柜的動作及每次檢測的濕度值和檢測時間實時存入到Flash中，每10 s將這些數據通過Neport接口發送到上位機，供用戶實時查看和分析。

3 恒定濕度監控柜濕度控制結果

將恒定濕度監控柜放在室內，室內濕度為50%R.H.，設定控制柜濕度為20%%R.H.，經過30 h的測試，MCU將控制和濕度檢測結果通過網絡上傳模塊上傳到上位機中，上位機顯示結果如圖4所示。

圖4 恒定濕度監控柜濕度控制結果Fig.4 Constant humidity monitoring and controlling cabinet results

由圖4可見，分子篩在控制柜剛開始工作時，處于極干燥狀態，迅速吸取柜內空氣中的水分，柜內空氣濕度迅速降低，工作到近3個小時時，分子篩接近飽和吸濕能力下降，濕度下降變慢，直至沒有降低，MCU驅動分子篩轉向柜外，通過加熱將分子篩中的水分蒸發，此時，由于柜子內部不可能完全與柜外空氣隔絕，所以柜內空氣濕度開始緩慢增大，分子篩水分蒸發后，驅動裝置將分子篩轉入柜內，繼續吸收柜內空氣水分，柜內空氣濕度進一步降低，到410分鐘時，分子篩再一次轉出柜內，進行加熱蒸發水分，后轉入柜內，大約到540分鐘時，柜內濕度達標，并一直保持。

4 結束語

介紹了一種基于STC89C51的恒定濕度監控柜，該控制柜通過濕度傳感器定時檢測柜內濕度，并根據檢測情況控制分子篩的執行機構，有效實現柜內的濕度控制和保持。用戶可以通過柜上數碼顯示模塊實時查看柜內濕度，還可以通過網絡上傳模塊上傳至上位機的數據來存儲和分析一定時間內的柜內濕度。經過試驗測試，該基于STC89C51的恒定濕度監控柜能夠很好的降低柜內濕度，并保持用戶設定的濕度要求。

[1]姚傳安.無線溫濕度測量傳感器網絡設計[J].計算機測量與控制，2007，15（2）:165-166.YAO Chuan-an.Design of wireless sensor network for monitoringtemperatureandhumidity[J].ComputerMeasurement&Control，2007，15（2）:165-166.

[2]王冬，曹立文，劉向東.CAN總線在糧庫溫濕度監控系統中的應用[J].機電工程技術，2006（7）:55-56 WANG Dong，CAO Li-wen，LIU Xiang-dong.Application of CAN bus in the system of measurement and contro1 of temperature and humidity for grain depot[J].Mechanical&Electrical Engineering Technology，2006（7）:55-56.

[3]田建君.倉庫自動通風及溫、濕度監測系統[J].電子產品世界，2004（4）:70-71.TIAN Jian-jun.The system of automatic ventilating and temperature monitoring in warehouse [J]. Electronic Engineering&Product World，2004（4）:70-71.

[4]陳永利，張自賓，李曉銀，等.糧食倉庫溫濕度檢測系統[J].儀器儀表學報，2003（S1）:305-306.CHEN Yong-li，ZHANG Zi-bin，LI Xiao-yin，et al.A temperature and humidity measuring-system of granary[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2003（S1）:305-306.

[5]瑞士Sensirion公司，SHT1xHumidity&TemperatureSensmitter[Z].2007:1-4.

[6]德國Conextop公司，NePortTM用戶手冊（中文版）[Z].2006:2-3.