鹽浴爐的溫濕度控制系統設計

王歡 牛寶 程良 鄒婷 張寶移 李云云

關鍵詞：溫濕度傳感器；顯示器；單片機

1 緒論

1.1 課題研究的背景

工農業生產中對溫濕度有嚴格的把控。同時人們在生活中對溫濕度也有相應的標準，適宜的溫濕度對生產以及生活都有非常重要的作用。農業生產中，對溫度和濕度及時進行監測，能夠達到提高品質的目的[1]。生活中，人們的舒適感和情緒變化也和自然環境中的溫濕度變化有關系，不管生活還是生產，合理地對溫度和濕度進行監管和調控是非常重要的。

鹽浴爐的工作原理是利用熔融鹽液當作加熱介質，并把工件浸入鹽液內，利用高溫環境進行加熱。由于鹽浴爐內溫度很高，一般在150～1300℃之間[2-3]，所以對其溫度進行監測的傳感器必須滿足條件。當前有3種傳感器能達到要求，一是具有熱電效應的鉑銠10——鉑傳感器，其測量范圍寬、精度高，但成本太高[4]。二是利用非接觸型溫度傳感器，但其成本也高。第三種是根據傳感器材料顏色的變化來判斷溫度，但由于檢測溫度不連續，也不適于鹽浴爐中。所以針對以上傳感器的缺點，本論文采用DHT11傳感器來監測溫濕度，在測量效果上與鉑傳感器相似，但價格卻低很多。

1.2 課題研究的意義

隨著人們對溫濕度認識的提高以及溫濕度產品的出現，讓人們在這方面能進行更多的人為控制和干預[5]。生活處處和溫濕度有關，比如：人類生存的大氣環境以及工廠前線的工業生產和大型機械化的農業生產，都和溫濕度密切相關。最早的溫濕度檢測方式是輪換值班，手動對環境狀況進行測量并記錄。這樣不僅會造成人力資源浪費，而且由于人的間斷性觀察會造成數據的丟失。此外，如果人為觀察并不能做到準時、準確、穩定地記錄數據，長此以往會造成巨大的隱患。故本次設計對于類似課題的研究還具有普遍意義。

1.3 課題研究的主要內容

對于控制系統來說，傳感器的使用決定著這套系統的指向性，選擇合適的數據進行采集可以對實驗現象分析得更到位。所以本實驗選擇溫度和濕度傳感器進行數據的采集，以此來反映整個監控系統的工作狀態。

1） 溫度傳感器

溫度傳感器的主要組成：溫度傳感器、信號處理器、模擬/數字轉換器、存儲器和接口電路[6]。生活中最常接觸的應用是家用的冰箱、洗衣機、空調等，這些家用電器使用的都是成本低、可靠、穩定性久的溫度傳感器，從而達到最高的性價比。還有在醫療設備上，因為要求測量跨度在正常人體可達到的溫度范圍之間，所以精度一般小于0.1℃[7]。除了這些應用，在工業、太空探索和感測應用等方面，傳感器也有較多使用。

2） 濕度傳感器

濕度傳感器主要是由于環境中的水分附著在濕敏元件上時，導致電阻發生改變，以此原理制成濕度傳感器。濕度傳感器在農業生產當中有較多的用途，例如：生產農產品的現代化人工大棚、農產品的良種培育以及保存農產品的地下菜窖等。不僅如此，對于手術室的環境監測，生產藥品的環境監測等都需要用到濕度傳感器。除了這些還有布匹的生產、書籍報刊的印刷、煙草的制造、啤酒的發酵和文物的保管等都需要對濕度進行嚴格的把控。不同精度和濕度范圍的濕度傳感器價格相差特別大，所以選擇時一定要根據系統的要求進行選型。

2 系統總體方案設計

2.1 功能要求

該系統整體的工作原理是溫濕度傳感器采集環境中的溫濕度信息，經過模數轉換后發給單片機。單片機經過智能處理后傳給液晶屏。液晶屏顯示出采集的溫濕度數據。最后編寫程序，設置溫濕度的范圍，超過范圍的溫濕度在顯示時會出現錯誤；同時蜂鳴器會發出響聲提醒。

2.2 設計思路

電路中顯示模塊用的是1602型號液晶屏，中央處理器用的是STC89C52型號的單片機，溫濕度采集部分模塊用的是DHT11溫濕度傳感器，報警模塊用蜂鳴器[8]。通過軟件編寫程序，來決定整個系統模塊的功能。由溫濕度傳感器來獲得環境中的溫濕度信息，DHT11自帶模擬到數字的轉換，將獲得的模擬信號轉變為數字信號，傳給單片機。單片機通過智能處理，將數據傳給直接與它相連的液晶顯示屏[9]。如果獲得轉換后的數字信號不在設定好的溫濕度范圍之內，液晶屏顯示錯誤，此時蜂鳴器也會發出滴滴的響聲來報警。這就是實現系統總體要求的設計思路。這樣一個一個模塊地做下去，最后將各個模塊逐個連接起來，該論文的任務就順利完成。

2.3 總體設計框圖

由以上設計方案，制定系統的布局，具體如圖1 所示。

位于框圖右上方的是DHT11溫濕度傳感器，經過串口連接與中心的STC89C51直接相連。位于框圖右中間的是1602液晶屏，也是串口與主控模塊相連[10]。位于框圖右下方的報警模塊是一個蜂鳴器。在完成設計系統時，先在網上購買型號為DHT11的溫濕度傳感器，型號為1602的液晶顯示屏幕，型號為STC89C51 的單片機，最后買個蜂鳴器。將它們通過接口和焊接的方式連接成一個整體，再通過編寫程序一步一步地實現設計要求，慢慢地來修正錯誤，不斷地改善系統即可。

3 系統硬件設計

3.1 概述

此次系統主要由LCD液晶顯示模塊、主控模塊、傳感器模塊及報警模塊這四大模塊構成。核心模塊是STC89C52芯片主控模塊，將其他模塊直接與主控模塊的接口相連即可構成整個系統[11]。該系統的報警部分是為了防止溫濕度超標設置的警示，一旦超過閾值，便可以提示工作人員做進一步的處理。LCD液晶顯示模塊是用來顯示單片機處理后的數據。

3.2 主控模塊設計

3.2.1 STC89C52芯片的簡介

現階段常用的微處理器如51系列、STC系列都有不錯的性能，它們功能強大且使用簡單，尤其是編程的過程中，沒有復雜的頭文件以及語法，這讓很多做控制的公司都對此青睞。本論文所采用的是STC系列單片機，原理圖如圖2所示。它的標準功能：一個6 向量2級中斷結構，2個數據指針，3個16位定時器/計數器，8k字節Flash，32 位I/O口線，256字節RAM，看門狗定時器[12]。其次，在燒錄程序的過程中，系統非常穩定，基本不會出現下載失敗以及程序丟失等問題。

3.2.2 主控模塊電路原理圖

單片機主程序模塊讀取DHT11傳感器采集到的信號，分析并處理數據信號，接著傳到1602液晶顯示模塊，最后連接蜂鳴器[13]。其電路如圖3所示：

3.3 DHT11傳感器模塊設計

3.3.1 DHT11傳感器簡介

溫濕度的監控是該套裝置的一項重要內容，因為監控環境比較復雜，這里對溫濕度傳感器的選型至關重要。本文選擇的溫濕度傳感器是DHT11數字溫度傳感器，這是將溫度和濕度融合起來的一款傳感器，而且信號傳輸方面采用的是數字信號傳輸，這樣受周圍環境的影響就大大降低。因此，它能確保產品擁有可靠性高和穩定性久的特點，傳感器與一個高性能8 位單片機相連接，它包括一個NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件[14]。所有DHT11傳感器都會進行校準，其濕度校驗極為精確。如圖4為典型應用電路。

DATA用于DHT11與微處理器間的通信和同步， 數據格式為單總線。每次通信時間接近4ms，數據分為整數部分和小數部分。電氣特性：VDD=5V，T =25℃，除非特殊標注。通信過程如圖5所示。

3.3.2 DHT11傳感器模塊電路設計

選擇好了溫濕度傳感器后，需要將該傳感器接入電路，因為在微處理器的選擇上，選用了結構簡單并且性能強大的STC系列單片機，該單片機可以直接將自己的引腳接口用來收發數據。又因為測量范圍電路小于20米，所以要在電源與傳感器的Pin2口之間連接一個5K的上拉電阻。傳感器的電源端口Pin1接單片機的VDD端，傳感器的Pin3懸浮放置，Pin4接單片機的GND端。

3.4 1602液晶顯示模塊設計

3.4.1 1602液晶顯示模塊電路原理圖

液晶顯示是用電壓來控制顯示。接通電流，圖形即刻顯示在屏幕上。液晶顯示器的特點：厚度薄、輕松實現全彩色顯示、可直接驅動大規模集成電路。目前已經在數字儀表、計算機、工業生產等眾多領域廣泛應用。

3.5 報警模塊

3.5.1 蜂鳴器介紹

報警模塊在整個監控系統中作為監控的最后一道防線，一旦被突破，后果是災難性的。所以在對報警模塊的設計過程中，工作穩定一定是最重要的。常用的報警裝置是蜂鳴器，它是依靠直流電壓給其供電的一體化結構設備。從分類上來看主要分為壓電式和電磁式，工作原理圖如圖7。

4 系統軟件設計

對本次設計所需硬件有了更深刻的認識，將整個設計模塊化，最后將各個模塊有機地結合起來，構成總系統。流程圖如圖8所示：

5 系統分析與調試

因為對鹽浴爐的溫濕度控制實驗條件較為復雜，所以本文采用protel99se軟件進行仿真，仿真圖如圖9。從該圖中顯示出溫濕度的變化可以清晰地反映到顯示器上，同時設置的報警蜂鳴器也在關鍵時刻起到作用。