基于单片机的温湿度实验箱设计毕业设计论文Word文件下载.docx
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第1章绪论
题目的来源与意义
温湿度试验箱能够提供一个高温环境或低温环境，主要用于考核产品在高低温环境中的性能。
许多电子元器件在正式投入使用或批量生产前都需要进行耐高低温的例行实验，以检验其性能指标的稳定性。
产品的电子零部件和整机，他们都需要进行高低温的环境试验，各种领域包括汽车、摩托、航空航天、工业、火箭、国防、高等院校、科研单位等等，这些领域中的产品控制系统、导航系统、显示系统等中的电子元器件性能都需要通过高低温的检测。
因此，温湿度试验箱在科学试验以及产品测试中发挥着极其重要且不可替代的作用，温湿度试验箱的正常运行时保证试验正常进行的一个基本条件，由于温湿度试验箱一般持续时间长，工作时有噪音、扰动，环境较为恶劣，可能出现执行元件（如加热器件、制冷器件等）、控制器、调节器、接触器、电接点温度计烧坏或损坏造成温湿度试验箱在运行过程中突然无加热或加热不受控制，也有可能会出现由于制冷执行元件接触不良、电磁阀控制、压缩机、水冷系统、风冷系统等工作不正常一起的制冷工作异常，当温湿度试验箱出现故障时如果不能及时发现，轻则可能由于其温度不在指定的范围内造成测试结果不正确，重则会造成检测系统或电子元件由于过冷或过热损坏甚至发生火灾事故。
所以，在温湿度试验箱出现故障时希望能够及时切断电源，及时排除故障，从而保护各种设备。
由于测量条件以及我们对温湿度试验箱维护的要求，需要实时的对温度值进行测量与分析，因此研究对温湿度试验箱监控系统的设计很有必要。
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由于温湿度试验箱在科学试验及产品测试中的重要性，我们需要实时的监视设备的运行，传统的监控方式需要很多的人力来完成，效率很低，造成了人力资源的浪费。
随着计算机技术、通信技术等的迅速发展，为了适应新的环境形势，拥有较多数量温湿度试验箱的单位对安全可靠地运行高低温试验、提升试验效率、挖掘试验效能、减轻工作人员强度提出了更高的要求，温湿度试验箱监控系统的存在，能够实现在试验前预先设定任务模式，通过监视系统全面监视所有工作设备，实现在无人看守的情况下，通过温湿度试验箱网络控制系统，完成实时监控、故障隔离、电话语音报警，试验结束后可以打印报表，可以查询记录等功能。
通过温湿度试验箱监控系统的设计，实现了温湿度试验箱设备的无人值守，大大提高了温湿度试验箱的安全性、可靠性、高效性。
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国外发展及现状
温湿度试验箱作为环境试验设备，在很多汽车制造行业及各种电子、电工、仪器、零部件、材料、涂层等行业的温度湿度测试中发挥着重要的作用。
近年来随着应用的日益广泛，技术的不断改进，温湿度试验箱制造厂家和维修行业对温湿度试验箱的技术要求也越来越高，致使为数不多的温湿度试验箱生产厂家也纷纷向世界先进技术靠拢。
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温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。
自然界中任何物理、化学过程都紧密地与温度相联系。
在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。
自18世纪工业革命以来，工业过程离不开温度控制。
温度控制广泛应用于社会生活的各个领域，如家电、汽车、材料、电力电子等。
温度控制的精度以及不同控制对象的控制方法选择都起着至关重要的作用，温度是锅炉生产质量的重要指标之一，也是保证锅炉设备安全的重要参数。
同时，温度是影响锅炉传热过程和设备效率的主要因素。
基于此，运用反馈控制理论对锅炉进行温度控制，满足了工业生产的需求，提高了生产力。
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温度控制技术按照控制目标的不同可分为两类：
动态温度跟踪与恒值温度控制。
动态温度跟踪实现的控制目标是使被控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。
在工业生产中很多场合需要实现这一控制目标，如在发酵过程控制，化工生产中的化学反应温度控制，冶金工厂中燃烧炉中的温度控制等。
恒值温度控制的目的是使被控对象的温度恒定在某一数值上，且要求其波动幅度（即稳态误差）不能超过某一给定值。
从工业温度控制器的发展过程来看，温度控制技术大致可分以下几种：
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1定值开关温度控制法
所谓定值开关控温法，就是通过硬件电路或软件计算判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。
若当前温度值比设定温度值高，则关断加热器，或者开动制冷装置；
若当前温度值比设定温度值低，则开启加热器并同时关断制冷器。
这种开关控温方法比较简单，在没有计算机参与的情况下，用很简单的模拟电路就能够实现。
目前，采用这种控制方法的温度控制器在我国许多工厂的老式工业电炉中仍被使用。
由于这种控制方式是当系统温度上升至设定点时关断电源，当系统温度下降至设定点时开通电源，因而无法克服温度变化过程的滞后性，致使系统温度波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温度控制。
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2PID线性温度控制法
1922年美国的Minorsky在对船舶自动导航的研究中，提出了基于输出反馈的比例积分微分（PID，ProportionalIntegralDifferential）控制器的设计方法[1]，标志了PID控制的诞生。
随后，PID控制器就以其结构简单、对模型误差具有鲁棒性以及易于操作等特点，在大多数控制过程中能够获得满意的控制性能，到了20世纪40年代就已在过程控制中得到了广泛的应用。
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20世纪30～40年代，经典的频域设计法得到了很快的发展。
较为重要的是Nyquist和Bode在稳定性理论上所取得的重要成就。
这种经典设计方法是设计一种反馈补偿器，以获得一定量的稳定裕度，重点考虑了模型的不确定性，并利用反馈来减少系统对干扰和模型误差的灵敏度。
补偿器的设计主要是采用由Nyquist稳定准则引申出来的图解法。
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从20世纪80年代开始，在单回路PID控制器中引入了参数整定和自适应控制理论，PID控制理论从此进入了高速发展阶段。
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由于PID控制算法简单、可靠性高等特点，在控制技术高速发展的今天，它在工业过程控制中仍然占有主导地位。
由于PID调节器模型中考虑了系统的误差，误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温法。
其具体电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。
前者称为模拟PID调节器，后者称为数字PID调节器。
其中数字PID节器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。
采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（即比例值、积分值、微分值）。
只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。
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它对大多数工业控制对象都能达到较好的控制效果，但它有明显的缺点，比如依赖于对象模型，对于非线性、大滞后、时变系统控制效果不理想等。
而且随着生产的发展，对控制的实时性与精度要求越来越高，被控对象也越来越复杂，单纯采用常规PID控制器己不能满足系统的要求，因此出现了许多新的控制方法。
比如自适应控制、最优控制、智能控制、鲁棒控制、满意控制等，这些控制策略引入到PID控制系统的设计当中极大地提高了系统的控制性能。
其中，智能PID控制近几年引起了人们极大的研究兴趣。
将智能控制方法和常规PID控制方法融合在一起，形成了许多形式的智能PID控制器。
它吸收了智能控制与常规PID控制两者的优点。
首先，它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数、能够适应被控过程参数的变化;
其次，它又具有常规PID控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。
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目前国内温控仪表的发展，相对国外而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别.主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温控仪在全量程范围内温度控制精度低，自适应性较差。
这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的温控对象，由于控制算法的不足而导致控制精度不稳定等。
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纵观近十年中国环境试验行业迅速发展，主要源于两个动力：
一是国际局势的动荡，特别是美国挑起的几场局部战争迫使中国加大国防工业技改经费投入；
二是中国外向型企业，特别是外资企业数量、规模的增大及中国加入世界贸易组织后国内企业出于加强竞争力的需要。
前者影响分散在内陆各省，甚至山区，如陕西、四川、贵州等；
后者则集中在华东、华南、环渤海等沿海经济发达地区，近三年的需求量增长率在150%以上（仅国内生产厂家）。
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温湿度试验箱近几年基本技术趋于成熟、稳定，只有温湿度控制器的发展突飞猛进：
从最初的温度、湿度单独控制的分散仪表到双回路的可编程序控制器，再到PLC+触摸屏及专用触摸屏温湿度控制器。
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随着环境试验要求的不断深入，用户对试验箱的性能、交货期要求越来越严格。
为了满足这种状况，生产厂家应该加大技术和管理投入，针对用户需求迅速开发、生产出不同档次、不同规格的试验箱。
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进入21世纪，国内面临生产湿度测控系统的巨大压力，各传统行业对湿度的检测要求精度方面要求迅速提升，对其性能要求更加严格，但国内的湿度测控系统相对落后，远不能满足传统行业对湿度测量的要求，大多数湿度测量仪器还停留在干湿球湿度计，不能实现自动化测量控制，耗费大量人力、物力及财力；
通常湿度传感器主要分为以下几种：
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1、高分子电容式湿度传感器，这种传感器通常是在玻璃、陶瓷、硅等材料基础上，电极采用真空镀膜或丝网漏印等方式做成，电容元件采用浸渍或其他办法将感湿胶涂在电极上做成的，这种传感器测湿的主要原理为感湿膜在吸收水分子后其电容值会发生明显变化。
在实际使用中这种传感器的温度系数不是常数，会根据温度的变化而变化，国内的厂家一般可以做到在-10℃~60℃内较小温度带来的线性误差。
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2、聚酰胺树脂湿度传感器，国外的优秀厂家一般都采用聚酰胺树脂这种材料制作感湿材料，在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作电极，再将前述感湿材料喷涂在电极上形成感湿膜，最后将感湿膜上采用蒸发方式涂上金电极，采用这种方式制成的传感器性能优良，但其抗腐蚀等性能却远不如传统元件。
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3、陶瓷湿敏传感器，这种传感器是今年来各大力发展研究的一种新型传感器，耐高温、相应速度快、体积轻便是其显著优点，很适合进行批量生产，但尘埃对该种传感器的影响较大，需要经常维护，在极端环境下如高温或低温会大大降低这种传感器的寿命，还会影响这种传感器的线性度，目前这一状况还没有得到有效解决。
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4、2005年8月，国内JUCSAN公司依托于国家计量科学研究院、中科院自动化研究所、化工研究院等大型科研单位的有力技术，对湿度传感器进行大力研发，选用氯化锂感湿材料作为主攻方向，生产氯化锂湿敏传感器及相关变送器，自动化仪表等产品，在吸取了国内外此项技术的成功经验的同时，努力克服传统产品存在的各项弱点，取得实质性进展。
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论文主要结构及工作安排
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在设计的第一章主要阐述了当前国内外温湿度控制状况及今后的发展趋势，明确了设计要求，第一章分两个部分介绍，第一部分介绍了国内外温度控制所采用的方式和方法；
第二部分着重介绍了当前国内外湿度控制的方式和方法。
在第二章中主要介绍了如何选取系统的方案，通过几点比较了几种不同的方案优缺点，最终确定了一种方案，即确定了采用CAN总线作为系统总线以AT89S52单片机为核心的系统控制方案；
在第三章中介绍了各种器件的选型及其电路，在比较同类器件的优缺点以及综合其性价比后确定了本设计所用的各种芯片，主电路分两大块几个部分分别介绍，第一板块为下位机部分，该部分安装在现场，下位机第一部分是信息采集部分电路，包括温度信息采集电路、湿度信息采集电路、液位信息采集电路；
第二部分是A/D转化电路；
第三部分即为本设计的核心部分，单片机外围电路设计，包括单片机的电源电路设计、单片机的复位电路设计和单片机的晶振电路设计，第四部分即为CAN总线设计，第五部分为驱动电路设计。
第二块为上位机电路设计，该部分安装在监控室。
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第2章
系统的方案论证
概述
本论文设计了一个温度湿度可调的试验箱，实现50组、20段可编程调节，由恒速升温段、保温段和恒速降温段三种控温线段。
操作者只需设定转折点的温度Ti和时间ti，即可获得所需程控曲线；
每段时间设定最大值为99小时59分。
本设计采用PID调节规律，且具有输出限幅和防止积分饱和功能，以改善系统动态调节品质。
试验线带有声光报警功能，当温湿度超偏时进行声光报警，试验箱的显示部分采用液晶显示，试验箱带RS232计算机接口实行人机对话、联机数据传输及远程监控，补水箱能自动为加湿器加水。
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远传方式的选择
采用CAN总线作为数据远传方式：
CAN总线对于传输介质要求不高，能够适应多种传输介质，常见的有双绞线、光纤等，传送信号使用差分电压，通常被称为CAN_H和CAN_L，静态时电压CAN_H和CAN_L均为2.5V左右，此时表示逻辑状态“1”；
用CAN_H比CAN_L电压高表示逻辑“0”，此时CAN_H电压通常为3.5V,CAN_L电压通常为1.5V。
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CAN总线具有以下特点：
CAN总线网络上的任意节点都可在任意时刻向网络上的其他节点发送信息，不分主从，可灵活方便的构成多机备份系统和分布式测控系统；
网络上的接点可分成不同的优先级，可满足不同实时要求；
采用非破坏性总线仲裁技术，当两个接点同时向网络上传送信息时，优先级高的先发送数据，优先级低的等优先级高的发送完成后再继续发送数据；
具有点对点、一点对多点及全局广播传送接收数据的功能；
在通信速率为5Kb/s时，最远传输距离可达10Km；
通信距离为40Km时，最高通信速率为1Mb/s；
网络节点数最高可达110个；
每一帧的有效字节数为8个，传输时间短受干扰概率低；
通信介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求；
在传输信息严重出错时节点自动切断与总线的联系，这样使总线上的其他节点上的操作不受影响。
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采用工业以太网为总线的系统
工业以太网具有传输速度高、低功耗、易于安装和兼容性好等方面的优势；
其用于网络控制具有以下优点：
具有相当高的传输速率，能提供足够的带宽；
由于具有相同的通信协议，Ethernet和TCP/IP很容易集成到企业管理网络；
能在同一总线上运行不同传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；
在整个网络中运用了交互式和开放式的数据存取技术；
沿用多年，已成为众多技术人员所熟悉，市场上能够提供广泛软件资源、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；
允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。
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综合以上数据远传方案，在实时性要求较高的场合，重要数据的传输过程工业以太网会产生传输延迟，因而导致数据传输不确定性。
但该项缺点可通过智能集线器的使用、主动功能的实现、优先权的引入以及双工的布线来解决。
对于本设计要求而言，使用工业以太网较为繁琐且会提高生产成本，因此本设计采用CAN总线作为系统的总线方式。
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CPU字长的选择
单片机是一种集成电路芯片，它的位数表示它一次可以处理的数据的长度，通常有4位、8位、32位等几种，通常位数越高的单片机其内部资源越丰富，以51单片机为例，它是八位COU,其内部有两个定时器、128BRAM、4KBROM、64KB可编程扩展、一对串行I/O口、三组并行I/O口，高位CPU内部资源更加丰富但成本较高，本设计要求较为简单，有8位单片机即可满足要求。
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系统方案组成
PC
主机1#
主机2#
…………
主机15#
CAN总线
系统总体组成如图2.2所示
图2.1系统总体组成框图
如图2.1所示，PC机可同时监控15台试验箱的运行状况，通过PC机对现场参数进行设置，主机通过总线形式进行远传，实现现场主机与监控室PC机通信的功能。
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试验箱的系统组成如图2.2所示。
如图2.2所示，信息采集部分功能需要温度、湿度和液位传感器来完成，通常传感器输出信号为较为微弱的模拟信号，不能直接被单片机使用，需要进行放大并进行A/D转化，因此本系统设计了信号放大电路和A/D转换电路。
微小信号经放大后变为1-5V的连读模拟信号，经A/D转化后变为数字信号被送入主机内，经主机的运算产生相应输出信号，分别控制系统的加热、降温、加湿、除湿、水箱补水等功能，同时将试验箱内的温度、湿度等情况送入显示电路进行显示，显示的同时还要将试验箱内的温度、湿度情况进行远传送给PC机进行显示并控制，因此本设计设计了通信接口电路，键盘接口电路主完成对温度和湿度的现场设置。
隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。
温度传感器
湿度传感器
液位传感器
信号放大电路
A/D转换电路
主机
键盘接口电路
显示电路
通信接口
电源电路
PC
加热模块
降温模块
加湿模块
除湿模块
液位补偿模块
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图2.2试验箱的系统组成
如图2.2所示，信息采集部分功能需要温度、湿度和液位传感器来完成，通常传感器输出信号为较为微弱的模拟信号，不能直接被单片机使用，需要进行放大并进行A/D转化
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