孵化室温湿度控制.doc
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孵化室温湿度监控系统设计
沈阳工程学院
课程设计
设计题目：
孵化室温湿度监控系统设计
系别自动控制工程系班级测控本081
学生姓名王秋弟学号2008310109
指导教师祝尚臻职称讲师
起止日期：
2011年2月28日起——至2011年3月11日止
1
孵化室温湿度监控系统设计
-21-
沈阳工程学院
课程设计任务书
课程设计题目：
孵化室温湿度监控系统设计
系别自动控制工程系班级测控本081
学生姓名 王秋弟学号2008310109
指导教师祝尚臻职称讲师
课程设计进行地点：
F430
任务下达时间：
2011年2月28日
起止日期：
2011年2月28日起——至2011年3月11日止
教研室主任年月日批准
1设计主要内容及要求
1.1设计目的：
（1）了解温湿度检测和控制技术的基本知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。
（2）初步掌握常用测温、测湿方法的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。
（3）通过学习，具体掌握所选择测温、测湿方法和相关传感器的使用特点和方法。
1.2基本要求
（1）孵化室对温度有一定要求，温度是否合适直接影响孵化效果，为此需要对温度进行严格控制，主要指标如下：
孵化室温控制在36～42℃，温度低时启动电热器加热，温度高时，启动风扇冷却。
报警指示，当温度大于42℃或低于36℃时，用声光报警。
孵化室湿度要求保持在相对湿度55％～60％范围内，超出该范围要求声光报警。
（2）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器、控制系统和显示系统。
（3）要有相应的控制算法（软件流程图）。
1.3发挥部分
自由发挥
2设计过程及论文的基本要求：
2.1设计过程的基本要求
（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选；
（2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；
（3）报告的电子档需全班统一存盘上交。
2.2课程设计论文的基本要求
（1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。
项目齐全、不许涂改，不少于3000字。
图纸为A4，所有插图不允许复印。
（2）装订顺序：
封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。
3时间进度安排
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
2011.2.28
讲解主要设计内容，安排学生查阅资料
2
2011.3.1
检查任务框图的设计情况
3
2011.3.2
检查整个设计理论方面的准备情况
4
2011.3.3
指导学生进行传感器的选择
5
2011.3.4
进程传感器及测量电路的硬件电路设计
6
2011.3.7
讲解原理图的绘制要求
7
2011.3.8
检查原理图完成情况，讲解及纠正错误
8
2011.3.9
检查流程图的绘制及报告的书写要求
9
2011.3.10
布置答辩
10
2010.3.11
答辩、写报告
2011-2-28
沈阳工程学院
传感器技术课程设计成绩评定表
系（部）：
自控系班级：
测本081学生姓名：
王秋弟
指导教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2
工作能力
态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，
0.2
5
4
3
2
工作量
按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。
0.2
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.5
5
4
3
2
指导教师评审成绩
（加权分合计乘以12）
分
加权分合计
指导教师签名：
年月日
评阅教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力
0.2
5
4
3
2
工作量
工作量饱满，难度适中。
0.5
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.3
5
4
3
2
评阅教师评审成绩
（加权分合计乘以8）
分
加权分合计
评阅教师签名：
年月日
课程设计总评成绩
分
中文摘要
现代科学技术使人类社会进入了信息时代，来自自然界的物质信息都需要通过传感器进行采集才能获取。
人们把电子计算机比作人的大脑，把传感器比做人的五种感觉器官，执行操作人的四肢。
尽管传感器与人的感觉器官相比还有许多不完善的地方，但传感器在诸如高温、高湿、高空等环境及高精度、高可靠性、远距离、超细微等方面所表现出来的能力湿人的器官所不能替代的。
传感器不仅充当着计算机、机器人、自动化设备的感觉器官及机电结合的接口，而且已渗透到人类生命、生活的各个领域。
现代的生产、养殖等好多行业的设备都与计算机密切相关。
目前在中国，绝大部分的养殖场的温湿度的检测还停留在人工测量和记录的水平上，没有一个科学的高技术的测试系统。
因此，一个好的养殖场的温湿度的控制系统，将给养殖场带来该方面的技术革新。
随着电子技术的迅速发展，传感器在仪表中的应用日益广泛。
智能仪器无论是在测量的准确度、灵敏度、可靠性、应用功能等方面还是在解决测试技术问题的深度及广度方面都有了巨大的发展，以一种崭新的面貌展现在人们的面前。
随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在测试技术方面的广泛运用，智能仪器有了更大的发展。
测试仪器的智能化已是现代仪器仪表发展的主流方向。
本次设计中，可以实现的功能有：
孵化室温控制在36～42℃，温度低时启动电热器加热，温度高时，启动风扇冷却；湿度控制在55％～60％范围内，湿度低时启动喷雾机工作，湿度高时，启动通风机排空气。
报警指示，当温湿度高于（小于）所设定限定值时，用声光报警。
关键词：
温度传感器，湿度传感器，报警
目录
课程设计任务书 I
课程设计成绩评定表 III
中文摘要 IV
1设计主要内容及要求 1
2设计思路 2
3设计方框图 3
4各部分电路设计 5
4.1.信号输入端电路设计 5
4.2.湿度控制电路比较器 5
4.3温度控制部分的设计 7
4.4声光报警系统 8
4.5外部高电压电路 9
5工作过程分析 10
6元器件清单 11
7主要元器件介绍 12
7.1湿度传感器简介 12
7.2温度传感器简介 15
小结 18
致谢 19
参考文献 20
附录：
A1逻辑电路图 21
1设计主要内容及要求
1设计主要内容及要求
1.1设计目的：
（1）了解温湿度检测和控制技术的基本知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。
（2）初步掌握常用测温、测湿方法的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。
（3）通过学习，具体掌握所选择测温、测湿方法和相关传感器的使用特点和方法。
1.2基本要求
（1）孵化室对温度有一定要求，温度是否合适直接影响孵化效果，为此需要对温度进行严格控制，主要指标如下：
孵化室温控制在36～42℃，温度低时启动电热器加热，温度高时，启动风扇冷却。
报警指示，当温度大于42℃或低于36℃时，用声光报警。
孵化室湿度要求保持在相对湿度55％～60％范围内，超出该范围要求声光报警。
（2）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器、控制系统和显示系统。
（3）要有相应的控制算法（软件流程图）。
1.3发挥部分
自由发挥
2设计思路
该系统采用温度传感器测量温度，用湿度传感器测量室内湿度，在传感器两端加上一定的工作电压，则其输出电压随着温度/湿度的变化而变化，由传感器输出的电压再由运放转将信号放大，输入到比较器中，与所需温度/湿度的上、下限数值进行比较。
当室内温度低于规定温度范围的下限时，比较器输出端输出的电压导通光耦电路，使发热器开始工作，直到达到适当的温度，同时比较器输出的电压接通报警电路，报警电路中发光二极管开始发出蓝光，电铃同步响。
如果测得的温度超出规定值的上限时，比较器的输出端输出电压将驱动光耦电路连接的散热器，使室内的温度降低，输出的电压也接通报警电路，开始报警，发光二极管发出不同颜色的光。
当室内湿度低于规定湿度范围的下限时，比较器输出端输出的电压导通光耦电路，使喷雾器开始工作，直到达到适当的湿度，同时比较器输出的电压接通报警电路，报警电路中发光二极管开始发出红光，电铃同步响。
如果测得的湿度超出规定值的上限时，比较器的输出端输出电压将驱动光耦电路连接的通风机，使室内的湿度降低，输出的电压也接通报警电路，开始报警，发光二极管发出不同颜色的光。
3设计方框图
温度传感器
室内温度
﹤36℃
声光报警
36℃～42℃
﹥42℃
温度控制驱动电路
声光报警
电压显示
加热器
散热器
湿度度传感器
室内湿度
﹤55%
声光报警
55%~60%
﹥60%
湿度控制驱动电路
声光报警
电压显示
喷雾器
通风机
4各部分电路设计
4.1.信号输入端电路设计
湿度控制器的电路如图示，该湿度控制器中采用了一只高分子湿度传感器作湿敏元件。
IC1（555电路）组成一只300Hz的方波发生器，信号通过耦合电容C2施加于湿敏元件HPR。
IC2、二极管D2~D4构成对数变换电路，其输出的电压将随相对湿度的增加而增大。
该输出电压R3和C4滤去干扰信号，然后分三路输出，分别连接到IC3、IC5的同相端（“+”端）和IC4的反相端（“—”端）。
4.2.湿度控制电路比较器
IC4和IC5是电压比较器，判断室内湿度所允许的变化范围，即上、下限湿度。
其原理如下：
根据室内所需湿度的控制范围，通过电位器W2和W3的调节，设置湿度的上、下限所对应的电压值。
当室内相对湿度降低时，IC2输出电压随之下降（湿度传感器为正湿度系数，IC1为反相放大），当降到某一数值，即IC4的“9”脚电位低于“10”脚电位时，IC4输出高电位，使驱动三极管BG1导通，则光耦隔离电路U1接通，接通电动喷雾器，使室内湿度升高；同时，IC4的输出点亮发光二极管（红色）表示室内湿度太低。
当升高到某一数值时，光耦隔离电路U1断开，停止喷雾。
在室内湿度太大，IC5的“5”脚电位高于“6”脚电位时，IC5输出高电位，使BG2导通，U2导通，通风机工作，排除过湿空气。
湿度降低到某值后，U2断开，通风机停止工作，使室内湿度保持在所需范围内。
电路调整过程：
1.电压表V的相对湿度刻度标定
虽然IC2已将湿度—电压信号进行了对数变换，但仍是非线性的，所以电压表的刻度要进行线性校正刻制。
由于精度要求不高，刻度刻制时，可用干湿泡湿度计做标准，对电压表进行线性标定。
2.高湿度报警与通风控制电路的调节
将湿敏传感器置于最高允许湿度环境中，当电压表显示出最高湿度对应的电压时，调节电位器W3，使发光二极管（绿色）刚好发光报警，U2导通，通风机开始工作为止。
3.低湿度报警与喷雾控制电路的调整
4.3温度控制部分的设计
根据室内所需往年度的控制范围，通过电位器W4和W5的调节，设置所需温度的上、下限所对应的电压值。
当室内相对温度降低时，IC2输出电压随之下降，当降到某一数值，即IC4的“9”脚电位低于“10”脚电位时，IC4输出高电位，使驱动三极管BG3导通，则光耦隔离电路U3接通，接通加热器，使室内温度升高；同时，IC4的输出点亮发光二极管（蓝色）表示室内温度太低。
当升高到某一数值时，光耦隔离电路U3断开，停止加热升温。
在室内温度太高，IC5的“5”脚电位高于“6”脚电位时，IC5输出高电位，使BG4导通，U4导通，通风机工作，排除过湿空气。
湿度降低到某值后，U4断开，通风机停止工作，使室内温度保持在所需范围内。
4.4声光报警系统
报警模块的电路图如图所示。
电路由电阻、NPN三极管和蜂鸣器构成。
当温湿度超过报警温湿度时，由由比较器输出的高电平来驱动蜂鸣器发出报警声。
声光报警部分流程图如下图4-5。
图声光报警电路
温度低于设定温度
指示灯（蓝）
响铃
温度高于设定温度
比
较
器
比
较
器
指示灯（黄）
响铃
温
度
传
感
器
湿度低于设定湿度
指示灯（红）
响铃
湿度高于设定湿度
比
较
器
比
较
器
指示灯（绿）
响铃
湿
度
传
感
器
图4-5声光报警部分流程图
4.5外部高电压电路
温湿度传感器通过温湿度的变化进而以电压的形式输出，通过比较器的电压比较，通过光耦电路进行弱电对强电的控制，比较器的输出端是高电平时，光耦电路接通，从而控制加热器、散热器、喷雾器、通风机进行工作，进而调节室内的温湿度。
5工作过程分析
根据室内所需温湿度的控制范围，通过电位器W2和W3的调节，设置温湿度的上、下限所对应的电压值。
当室内相对湿度降低时，IC2输出电压随之下降（湿度传感器为正湿度系数，IC1为反相放大），当降到某一数值，即IC4的“9”脚电位低于“10”脚电位时，IC4输出高电位，使驱动三极管BG1导通，则光耦隔离电路U1接通，接通电动喷雾器，使室内湿度升高；同时，IC4的输出点亮发光二极管（红色）表示室内湿度太低。
当升高到某一数值时，光耦隔离电路U1断开，停止喷雾。
在室内湿度太大，IC5的“5”脚电位高于“6”脚电位时，IC5输出高电位，使BG2导通，U2导通，通风机工作，排除过湿空气。
湿度降低到某值后，U2断开，通风机停止工作，使室内湿度保持在所需范围内。
控制温度时，原理与控制湿度基本相同。
6元器件清单
名称
型号
数量
备注
电阻
22KΩ
4
电阻
20KΩ
2
电阻
10KΩ
2
电阻
68KΩ
2
电阻
1K
2
电阻
0.33K
4
电解电容
10ｕF
2
电容
0.1ｕF
2
电容
0.22ｕF
2
电容
1uF/16V
2
温度传感器
AD590
1
湿度传感器
HRP
1
三极管
4
NPN
二极管
8
发光二极管
4
蜂鸣器
4
电压表
2
放大器
2
光耦
4
滑动变阻器
6
比较器
4
变压器
4
7主要元器件介绍
7.1湿度传感器简介
水分子易于吸附在物体表面并渗透到固体内部的这种特性陈伟水分子的亲和力。
利用这种特性制作的湿敏传感器称为水分子亲力型传感器。
与水分子亲和力无关的传感器陈伟非水分子亲和力传感器。
水分子附着或浸入湿敏功能的材料后，不仅是物理吸附，而且还有化学吸附，其结果使功能材料的电性能产生变化，如LiCl，ZnO材料的阻抗发生变化。
因此，这些材料就可以制成湿敏元件。
另外利用某些材料与水分子接触的物理效应也可以测量湿度。
因此，这两大类湿敏传感器细分为如下所示的各种湿度传感器：
几何尺寸变化式湿敏元件
电解质湿敏元件
超声波式湿度传感器
微波式湿度传感器
红外线吸收式湿度传感器
热敏电阻式湿敏传感器
水分子亲和力型
硒膜及水晶及振子湿敏元件
金属氧化物膜湿敏元件
金属氧化物陶瓷湿敏元件
高分子材料湿敏元件
湿敏传感器
非水分子亲和力型
这些传感器的具体任务是在适当的电路配合下，测量绝对湿度（在一定唯独和压力条件下，单位体积空气中所含的水蒸气的量，其单位为g/m3）、相对湿度（空气中所含市级水蒸气量与同温度下所含最大的水蒸气量的比值，其单位为%RH）和露点（空气中水蒸气达到饱和状态，从气态变成液态）。
常用的传感器及其参数如表1和表2所示。
项目
型号
单位
DWS—P
BTS—208
UD—08
CM8—A
测量范围
％RH
15~95
0~100
5~90
10~98
工作温度围
℃
5~50
—30~150
0~60
—35~100
精度
％RH
±2
4
±3
<±2
湿滞
％RH
1
2~3
<3
1
响应时间
S
10
<60
<180
<600
温度系数
％RH/C
0.12
0.5
<0.12
项目
型号
单位
DWS—P
BTS—208
UD—08
CM8—A
工作频率
Hz
50
100~200
50~100
40~1000
工作电压
V（AC）
<6
<20
1
1~5
稳定性
%RH/年
2
<4
1~2
1~2
感湿程度
薄膜
厚膜
烧结体
薄膜
主要成分
LiCl
氧化镁、氧化铬
氧化镍
硅镁复合氧化物
厂名
北京建筑研究院空调所
北京太阳能研究所
长沙矿冶研究所
项目
CGS-H
H104
CGS-D2
工作温度
1~100℃
0~+50℃
0~60℃
测湿范围
（1~100）%RH
（30~90）%RH
（70~100）%RH
主要材料
TiO2-V2O5陶瓷
ZnO-CrO2陶瓷
陶瓷材料
工作频率
50Hz~100kHz
50Hz~4kHz
50Hz~1kHz
工作电压
<15V
—
≤3V
湿滞误差
—
±5%RH
—
响应时间
—
<120s
—
温度系数
—
<1%RH/℃
—
有机季铵盐高分子电解质湿敏元件：
该类高分子湿度传感器的感湿材料即是含有氯化季铵盐的高分子聚合物——丙烯酸酯，该材料是一种离子导电的高分子材料。
其感湿原理为：
大气中增加的湿度越大，则感湿膜被电离得程度越大，电极间的电阻值也就越小。
该元件在高湿条件下，有极好的稳定性，湿度监测范围宽，湿滞后小，响应速度快，并且具有较强的耐油性等特性。
HRP-MQ高分子湿度传感器主要技术特性：
精度/%RH
工作温度范围/℃
测湿范围/%RH
滞后/%RH
响应时间
额定功率/mW
额定电压/V
额定电流/mA
±2~3
—20~60
20~99.9
<±2
30
0.3
1.5（AC）
0.2
7.2温度传感器简介
温度传感器类型与温测范围
温度是表征物体冷热程度的物理量。
它与人类生活关系最为密切，市工业控制过程中的四大物理量（温度、压力、流量和物位）之一，也是人类研究最早、检测方法最多的物理量之一。
温度的测量与控制对保证产品质量、提高生产效率、促进国民经济的发展起着十分重要的作用。
温度是表正误题冷热程度的一种状态量，各种不同的物体有着不同的温度范围。
从总体来说，温度分布范围极宽，加上被测对象的繁杂多样，虽然，测量温度的传感器种类很多，但至今没有一种温度传感器能够覆盖整个温度范围，而又能满足一定的测量精度，只能根据不同的温度范围和不同的被测对象，适当选择不同的传感器。
不同类型的温度传感器是由各种材料随温度变化而改变某种特性来间接测量的，即不同类型的温度传感器有不同的工作机理。
例如，物体随温度变化导致物体的电阻、电容、热点势、频率或磁性能的变化，温度与他们之间存在着线性或非线性关系，因而通过测量电阻、电势或频率等达到测量温度的目的。
温度传感器种类是最多的，归纳起来，常用的传感器约有20余种，它们能测量零下几百度到零上几千度的温度。
但是各种材料制成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。
温度传感器测量被测介质温度的方式可分为两大类：
接触式和非接触式。
测温时使传感器与被测物体直接接触的称为接触式温度传感器。
这类传感器种类较多，如热电偶、热电阻、PN结等。
传感器与被测物体不接触，而是利用被测物体的热辐射或热对流来测量的称为非接触式温度传感器，如红外测温传感器等，它们通常用于高温测量，如炼铁炼钢炉内温度测量。
常用的测温传感器的种类、机理和测温范围如下表：
种类
机理
测温范围
特性
铜电阻
铂电阻
热敏电阻
热阻变换
—50~+150
—200~+600
中精度，价格低
高精度，价格高
—200~0
—50~+360
0~+700
灵敏度高，精度低
价格最低
镍铬-考铜
镍铬-镍硅
铂铑10-铂
铂铑30-铂铑
热电效应
—200~800
—200~1250
0~1700
100~1900
测温范围宽、测温精度高、需冷端补偿
半导体二极管
P-N结电压变化
—150~+150
灵敏度高
晶体管
IC传感器
晶体管特性变化
—150~+150
—40~+150
线性度好，价格很低
石英晶体振荡器
压电效应
—100~+200
精度很高
SAW振荡元件
频率变化
0~+200
精度很高
光学高温计
光学变化
+900~+2000
非接触测量
种类
机理
测温范围
特性
热辐射温度传感器
热辐射
+100~+200
非
升级会员 