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恒温恒湿试验箱控制系统毕业设计

毕业设计说明书

题目:

恒温恒湿试验箱控制系统的设计

2012年5月30日

摘要

随着我国现代农业的发展和工业产品研制的需要，恒温恒湿试验箱的应用越来越广,生产、科研对它的要求也越来越高。

要求它的性能价格比更高,使用寿命更长,使用费用更少（省电）,响应速度更快。

近几年来，我国从国外引进了大批试验系统，为我国工业产品的研制和定型发挥了重要作用，但由于其本身的复杂性，使得试验箱在运行中出现了许多问题，而且出现了问题不能及时解决，大大延长了试验周期，影响了产品的研制工作。

而产生这些现象的原因是对综合试验的工作原理不了解。

为此，本文对试验箱的基本工作原理作出了一些简要阐述。

恒温恒湿试验箱是利用一定的方式将箱内的温度和湿度调节到给定值，并在该条件下进行实验，达到实验反应要求。

即能同时施加温度、湿度应力的试验箱。

简而言之是指温度和湿度都能控制在指定范围内的试验箱。

恒温恒湿试验箱主要用于检测材料在各种环境下的性能的设备，并可试验各种材料耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。

适合电子、电器、通讯、仪表、车辆、食品、化学、建材、医疗、航天等制品检测质量之用。

关键词：

恒温恒湿试验箱单片机控制系统限温报警系统

TitleTheDesignofConstantTemperatureandHumidityChamberControlSystem

Abstract

WiththedevelopmentofChina'smodernagricultureandtheneedofindustrialproductsdeveloped,theapplicationsoftheconstanttemperatureandhumidityboxbecomemorewidely.production,scientificresearchanditsincreasinglyhighrequirements.highercost-effective,longerlife,lesscosts（saving）andfasterresponsearerequired.Inrecentyears,ourcountryhasimportedalargenumberoftestsystemsfromabroad,whichhasplayedanimportantroleinthedevelopmentofChina'sindustrialproductsandstereotypes,However,duetoitsowncomplexity,makingthechamberalotofproblemsintheoperation,andproblemscannotbesolvedpromptly,whichgreatlyprolongthetestcycle,affectingtheproductmanufacturework.Thereasonofthesephenomenaisdonotunderstandtheworkingtheoryofthecomprehensivetest.So,wemadesomebriefdescriptionofthebasicworkingtheoryofthechamber.

Theconstanttemperatureandhumidityboxisaboxwhichcanadjustthetemperatureandhumidityinsidetothesetpointinacertainway,theexperimentsandtheresponserequirementsoftheexperimentalunderthiscondition,whichcanimposedtemperatureandhumiditystresstothechamberatthesametime.Inshort,itisaboxwhichcanputthetemperatureandhumiditywithinaspecifiedrange.

Theconstanttemperatureandhumiditychamberisthedevicethatmainlyusedforthedetectionperformanceofmaterialsinvariousenvironments,whichCanexperimentvariousmaterialsperformanceofheat,cold,resistancetodryandmoisture.useingforthetestingqualityofelectronic,electrical,communications,instrumentation,vehicles,food,chemical,buildingmaterials,medical,aerospaceandotherproducts.

KeywordsConstantTemperatureandHumiditySingleChipControlSystemLimitTemperatureAlarmSystem

目次

1绪论

1.1文献综述

1.1.1国内恒温恒湿试验箱的状况

对温湿试验箱的研究主要集中于制冷和加热方式选择、控制精度与测试监控、设备的结构等方面，对温湿箱非稳态温变过程传热特性方面的研究不多，很少研究热力系统的耦合。

对于湿度，现在多已采用温湿度独立调节方式，这样可避免温湿度调节中的互相干扰，现在着重对加/除湿精度控制、选择加湿方式的研究。

对不同加湿方式之加湿能力和加湿效率的比较，分析对温湿试验箱的影响。

1.1.2未来的恒温恒湿试验箱发展方向

1、利用计算机仿真技术，与PC机结合，做仿真实验。

提高试验速度，降低试验成本。

2、多功能化、智能化，更加安全、精确。

虽然现在温湿箱只能模拟两种参数，但是将来将重点发展复合式的多功能智能化试验箱。

1.2课题的主要内容

本系统通过DS18B20温度传感器、KSC-6V湿度传感器对试验箱内温度、湿度进行检测，并将温度、湿度数据送入AT89C51单片机，与预设的温度、湿度数值进行对比，通过PID控制算法，控制继电器的通断，从而控制加热器、排风机、加湿器、除湿器的工作，从而使恒温恒湿试验箱工作于预设的温度、湿度。

温湿度控制算法精确控制加热、加湿，以温湿度误差最小为优化目标。

作为工业控制的主要被控参数的温度、湿度，已被广泛采用，如在工业控制中的各种反应炉、加热器等。

过去多采用常规的模拟调节器对温湿度进行控制，本课题采用了AT89C51单片机对温湿度实现自动控制。

使用单片机对温湿度进行自动控制，难就难在测量的温湿度值和单片机输出的温湿度值误差太大，导致无法输出，利用ATMEL单片机核心程序对其进行编码，实现温湿度在一段范围内的变化，实验成功控制语言的代码，并进行烧片，烧片成功后，运行实验，若能看到实验的结果，则实验完成。

1.3课题的研究方案

温度、湿度是工业生产过程中重要的被控参数之一，当今计算机控制技术在这方面的应用，已使温湿度控制系统达到自动化、智能化，要比以前仅仅使用电子线路的控制效果好太多，可控性更加精确。

温度是一个非线性的对象，具有大惯性的特点，在低温段惯性较大，在高温段惯性较小。

该温控对象的传递函数形式如下所示：

（1.1）

图1.1方案框图

AT89C51单片机可以通过数码管来显示恒温恒湿试验箱内温度、湿度的实际数值，并可用键盘输入设定值。

2设计的理论基础

2.1单片机的发展概况

1976年Intel公司首先推出了可以称为单片机的MCS-48系列单片微型计算机。

它以体积小、功能全、价格低等特点，赢得了非常广泛的应用，同时一些与单片机有关的其他公司都争相推出各自的单片机。

1978年下半年Motorola公司推出M6800系列单片机，Zilog公司相继推出Z8单片机系列。

1987年Intel公司又宣布了比8096性能高两倍的CMOS型80C196单片机，1988年推出带EPROM的87C196单片机。

纵观这短短的20年，已经经历了4次更新换代，单片机正朝着集成化、多功能、多选择、高速度、低功耗、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容的方向发展。

新一代的80C51系列单片机除了上述的结构特性外，其最主要的技特点是向外部接口电路扩展，实现微控制器（microcontroller）完善的控制功能。

2.2AT89C51单片机系列介绍

2.2.1AT89C51系列的特性和基本组成

本系统采用ATMEL公司生产的AT89系列单片机中的AT89C51。

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合，AT89C51的主要特点有：

（l）内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器EEPROM，容量8KB，内部数据存储器容量256字节，最大寻址空间64KB；

（2）AT89C51有40个引脚；三个16位定时/计数器；

（3）可利用两根I/O口线作为全双工的串行口，有四种工作方式，可通过编程设定；

（4）工作电压2.5~6.0V；

（5）AT89C51有40个引脚；

（6）1000次擦写周期。

2.3数字温度传感器DS18B20

2.3.1DS18B20简介

DS18B20温度传感器，具有微型化、非易失性、上下触发门限、低功耗等优点。

DS18B20采用的是3脚TO-92封装，形如三极管，测温范围为-55~+125℃，在-10~85℃范围内，精度为±0.5℃。

可自行设置温度报警上限值TH、下限值TL。

当DS18B20检测到温度值后，自动转换为数字量，然后保存到存储器中，与预设的TH或TL比较，如果测量值超过设定的范围时，立即发出报警信号。

2.3.3DS18B20的工作原理

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。

DS18B20测温原理如图所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

2.4湿度传感器

2.4.1湿度和湿度的表示方法

湿度指的是空气中所含的水蒸气的多少，经常采用相对湿度、绝对湿度、露点表示。

绝对湿度指的是在一定的温度和压力条件下，单位体积空气中所含水蒸气的质量，用符号AH表示。

（2.1）

式中

---绝对湿度，单位为

；

---空气中水蒸气质量g;

V-----空气的体积

相对湿度指的是被检测气体中的水蒸气的气压（

）占该气体在相同温度条件下饱和水蒸气的气压（

）的百分比。

用符号％RH表示。

（2.2）

露点指的是在压力一定的情况下，将含水蒸气的空气冷却，当降到一定温度时，空气中的水蒸气达到饱和状态，开始从气态变为液态时称此温度为结露的温度，此时的温度称为露点，用℃表示。

湿度传感器选用KSC-6V湿度传感器，其振荡器采用CMOS电路，具有线路简单、工作可靠、制作成本低、抗干扰能力强、静态功耗低、振荡电路转换特性好、双振荡器在同一芯片上特性相同等优点。

湿敏传感器KSC-6V湿敏探头的电容随湿度的变化而变化，引起振荡电路输出方波的脉冲宽度发生相应的变化，经过处理之后输出电流信号。

KSC-6V的电压湿度特性大致成线性关系，输出灵敏度约为

。

2.4.2KSC-6V的工作原理

KSC-6V湿度传感器的工作原理主要是物理吸附和化学吸附。

感湿层为微型孔状结构，极易吸附它周围空气中的水分子。

由于水是导电物质，当感湿层中水分子含量增多时，就会引起电极间电导率的上升。

湿度传感器的感湿层还具有电解质特性，其正离子吸附空气中水分子的羟基（

），在外加电压的作用下，产生载流子移动。

这种现象的变化是可逆的，即当空气中水蒸气含量减少时，感湿层又会释放羟基，引起电导率降低。

为了不使感湿层因极化而降低感湿灵敏度，使用时应采取交流驱动或脉冲驱动。

2.5RS-232总线接口芯片MAX232

2.5.1RS-232接口

RS-232接口是个人计算机上的通讯接口之一，主要作用是实现电平间的转换，现在RS-232接口也经常叫做DB9，所以，在本设计中我们采用的是DB9。

3硬件电路设计

恒温恒湿试验箱控制系统硬件部分大致可分为：

AT89C51单片机、DS18b20温度传感器、KSC-6V湿度传感器、数码管温度、湿度显示电路、限温报警系统、继电器控温系统、继电器控湿系统等。

硬件总体结构如图3.1所示：

图3.1控制系统原理图

由上述结构框图可知，以AT89C51单片机为核心的温湿度控制系统，恒温恒湿试验箱的温湿度由DS18B20温度传感器和KSC-6V湿度传感器检测。

其一，可将恒温恒湿试验箱的温湿度通过显示器显示出来。

其二，可将设定的温湿度值与该温湿度值比较，若实测温度低于设定温度，继电器1动作，加热器开始工作；当温度高于设定温度时，继电器2动作，排风机工作；若实测湿度低于设定湿度，继电器3动作，加湿器工作；当湿度高于设定湿度时，继电器4动作，除湿器工作。

并按照它的偏差大小，使用PID控制算法计算，达到对恒温恒湿试验箱的温湿度进行控制的目的。

若实测温度值大于系统预设的极限安全温度，保护电路将会动作，从而保护恒温恒湿试验箱。

3.1主控模块设计

主控模块电路由单片机、外部时钟电路、复位电路、控制系统总电路图组成。

单片机的复位是由外部复位电路来实现的。

在单片机的复位引脚RST（9脚）上保持两个机器周期的高电平就能使AT89C51完全复位。

系统时钟电路设计采用内部方式，AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器，外接晶体谐振器以及电容构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。

本系统电路采用的晶体振荡器频率为11.0592MHz。

复位电路和时钟电路如图3.2所示。

图3.2复位电路和时钟电路

3.2硬件系统电路连接设计

3.2.1温度、湿度检测、显示电路

图3.3温度、湿度检测、显示电路图

温度、湿度检测分别用DS18B20温度传感器、KSC-6V湿度传感器检测，DS18B20、KSC-6V都能在现场采集数据，并可将温度、湿度数据直接转换成数字量，将数字信号送入AT89C51单片机系统，然后通过显示电路将数据显示出来。

3.2.2继电器控温、控湿电路

图3.4继电器控温、控湿电路图

当DS18B20、KSC-6V分别采集到温度、湿度信号后，会将温度、湿度值传送给AT89C51单片机。

AT89C51单片机获取采集到的温度、湿度值，经过处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度、湿度值，按照已经设定的温度上限值、下限值，湿度上限值、下限值，然后通过PID控制继电器的通断，从而控制加热器、排风机、加湿器、除湿器的工作，使得恒温恒湿试验箱维持在设定的温湿度。

3.2.3串口通信接口电路

AT8951单片机是TTL电平的，而PC机的串口是RS-232电平的，如果要把51单片机连接到PC机上时，必须在两者之间加一个电平转换电路，本系统采用的是RS-232的专用接口芯片MAX232进行转换。

图3.5串口通信接口电路图

3.2.4保护电路

保护电路是指对恒温恒湿试验箱进行过温保护的电路，其电路如图3.6所示：

图3.6保护电路

通过电压比较器LM339对DS18B20测得的温度数值与预设的极限温度数值进行比较，若恒温恒湿试验箱的温度大于预设的极限温度，因为LM339电压比较器特别灵敏（当LM339电压比较器的两个输入端电压差超过10mV时，输出状态就从一种状态稳定地转换到另一种状态），当LM339电压比较器的输出端的输出为低电平时，该低电平会促使6N315光电隔离器的3号引脚变成低电平，从而使信号RELAY_DRY也变为低电平，由于RELAY_DRY信号控制继电器1，使加热电阻丝的电源断开，从而保护恒温恒湿试验箱。

4PID控制算法

4.1PID控制的发展

PID控制技术经历了气动式、电动式、液动式三个阶段，现今正向着智能化、数字化方向发展。

PID控制技术适用于高精度的测量控制系统，它可根据被控对象自动计算出最优PID控制参数。

PID参数自整定控制仪可选择外给定控制功能。

可取代伺服放大器直接驱动执行机构。

PID外给定控制仪可自动跟随外部给定值进行控制输出。

实现手动/自动无扰动切换。

手动切换至自动时，采用逼近法演算，实现手动/自动的可靠切换。

PID外给定控制仪可同时显示测量信号及阀位反馈信号。

另外PID显示控制仪包含数字仪表和模拟仪表，可实现对被控制数值和测量数值进行数字量显示，并同时对被控制数值和测量数值进行相对模拟量显示，从而使测量数值更加清晰直观。

因为PID控制技术构造简单、鲁棒性稳定性高、参数容易整定，所以，在工业控制中PID控制技术受到大多数的亲赖。

统计显示，采用PID控制技术的工业控制器有90%以上。

4.2PID控制理论

线性控制PID控制器根据实际输出数值y（t）与给定数值r（t）构成的控制偏差e（t）：

（4.1）

将积分、偏差

的比例和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象实行控制，所以称为PID控制。

PID控制技术原理如图所示：

图4.1PID控制技术工作原理

其控制规律为：

（4.2）

或者写成传递函数的形式为：

（4.3）

式中

：

比例系数

：

积分时间常数

：

微分时间常数

4.3PID控制算法

作为采样控制系统的计算机控制，由于其只能按照采样时刻偏差数值演算控制量。

因此（4.2）式不可直接使用，必须进行离散化处理。

设

为采样周期，令众多采样时刻点

代表不同的时间

，用累加求和的方式近似替代积分，用一阶后向差分的方式近似替代微分，方程做如下变换：

（4.4）

（4.5）

（4.6）

本系统采用的是增量式的PID控制算法，其程序流程图如下图所示。

图4.2增量式PID控制算法程序流程图

5软件设计

5.1软件设计综述

本系统的软件部分由主程序流程图、DS18B20、KSC-6V实现温度、湿度转换和温度、湿度数值读取流程图和显示流程图三部分组成。

5.2软件流程图

5.2.1主程序流程图

系统的主程序流程图如下图所示，当有信号输入时，主程序启动，进行初始化操作，之后进行温湿度数据采集、传送，并将采集到的温湿度数值与预设的温湿度数值进行比较，若温度低于设定温度，则继电器1动作，控制加热丝工作；若温度高于设定温度，继电器2动作，限温报警系统发出警告，同时排风扇启动；若湿度低于设定湿度，则继电器3动作，加湿器工作；若湿度高于设定湿度，继电器4动作，除湿器工作。

图5.1主程序流程图

先对DS18B20温度传感器进行初始化处理，然后采集数据，并将数据传送给单片机，经PID控制运算，与设定的温度值进行比较，若实际温度小于设定温度，继电器1动作，加热电阻工作，再次采集温度，如此不断循环，当实际温度大于设定温度时，继电器2动作，排风机工作，温度传感器再次采集温度，传送、比较，直至达到设定的温度范围。

温度传感器DS18820、AT89C51单片机、8位数码管间数据传输如图5.2所示：

图5.2数据传输流程图

DS18820先进行检测，并将数据移位读入单片机，单片机将数据传送给P2，数据锁存到74LS138中，通过74LS138动态显示。

图5.3主程序流程图

先对KSC-6V湿度传感器进行初始化处理，然后采集数据，并将数据传送给单片机，经PID控制运算，与设定的湿度值进行比较，若实际湿度小于设定湿度，继电器3动作，加湿器工作，再次采集湿度，如此不断循环，当实际湿度大于设定湿度时，继电器4动作，除湿器工作，湿度传感器再次采集湿度，传送、比较，直至达到设定的湿度范围。

KSC-6V湿度传感器、AT89C51单片机、8位数码管间数据传输如图5.4所示：

图5.4单片机数码管数据传输流程图

KSC-6V湿度传感器先进行检测，并将数据移位读入单片机，单片机将数据传送给P2，数据锁存到74LS138中，通过74LS138动态显示。

图5.5单片机74LS138数据流程图

5.2.2显示流程图

主要是通过对传输信号进行显示后，给操控人员提供提示，以到达为本系统提供对温度、湿度数据的显示和监控的目的。

图5.6系统的显示流程图

5.2.3DS18B20、KSC-6V实现温度、湿度转换和温度、湿度数值读取流程图

DS18B20、KSC-6V实现温度、湿度转换和温度、湿度数值读取流程图如图5.7所示，用于系统的温度、湿度转换和温度、湿度数值的读取。

图5.7DS18B20、KSC-6V实现温度、湿度转换和温度、湿度数值读取流程图

结论

在工业生产和日常生活中，对温度、湿度控制系统的要求，主要是保证温度、湿度在一定范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。

本文简单分析了单片机温度、湿度控制系统，并按照有关要求完成了单片机温湿度控制系统的设计，设计中以DS18B20温度传感器、KSC-6V湿度传感器、AT80C51单片机、PID控制为核心内容。

其中，DS1820温度传感器、KSC-6V湿度传感器可以直接将采集的温度数值、湿度数值以数字量传送到51单片机中，方便、简单。

恒温恒湿试验箱控制系统的设计令我受益匪浅。

对常见的芯片有了更加深刻的认识，虽然在电路设计中遇到许多问题，比如元器件的选择（要考虑芯片的功能、性价比）、元器件的摆放位置等，但是经过多个方案的取舍终于能够设计出较为完整的电路。

在设计过程中，我也学会了很多新的东西，PROTEL软件绘制电路原理图和PCB图，以及一些仿真软件的应用。

本次毕业设计，锻炼了我以前所学的专业基础知识（数字模拟电路，C语言，自动控制原理等），当然最重要的是学到了关于基本电子设计的一些基本方法，同时也加深了对一