通信机房温湿度检测及控制Word格式.docx
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第一章概述
、课题来源及意义
现代社会，在生产过程和科学实验中,温度、湿度、电流、电压、流量、流速等都是普遍而且重要的物理参数。
其中温湿度的准确测量和有效控制是保证生产过程优质，高产，低耗和安全生产的重要条件。
由于电子技术、通信技术的高度发展及电子设备的普及，使得通信机房大量增加。
而许多现代化的通信设备对环境、温湿度等都有特殊要求，并且通信设备都是24小时不间断运行，从而不可能腾出如此多的人力物力来对通信设备进行看护，造成很多电气设备无人值守。
这就需要在其上级局进行集中控制。
本文是关于环境监测系统，是为适应对温湿度有特殊要求的通信设备而进行的设计。
本设计的作用主要是改善通信机房的温湿度，防止因温湿度的变化而造成通信设备的故障，使通信设备保持在良好的运行状态，达到生产的不间断和安全运行。
本文结合生产实际和科研工作，运用PID算法和单片机对温湿度进行控制，以求达到较好的控制效果。
、国内外机房温湿度控制的发展现状
近年来，温湿度检测系统又有了很大改善和提高，系统在布线上采用了矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路；
在传感器方面采用了半导体，热电偶等器件；
在数据传输上采用了串行传输方式，从而节省了传输线，采用单板机进行数据处理，提高数据传输与检测速度，通过软硬件技术的结合，检测精度与可靠性较前期又有了很大提高。
但温度传感器的线性度差，测量精度仍不理想。
与国内相比，以美国日本等科技发达国家在温湿度监控技术已经发展到了成熟的地步，高科技数字式温度产感器广泛应用于机房温湿度监测系统。
该传感器采用了半导体集成电路誉为控制器的最新技术，在一个管芯上集成了半导体温度测量芯片，数据信号转换芯片，计算机接口芯片，存储器芯片等多个功能模块。
除了完成温湿度检测功能外，一些数字温度传感器还可以同时完成预知温湿度范围报警，多路A/D转换，温度补偿等功能。
由于数字温湿度传感器直接输出数字量从而解决了温湿度信号的长距离传输问题及传输过程中因干扰和衰减导致的精度降低问题。
由AnalogDevice公司生产的AD7418数字式温度传感器，集成了A/D转换器，参考电源，采样保持器，多路开关及温度监控报警电路。
温度敏感器件采用带隙式半导体温度传感器（BandgapTemperatureSensor）,具有较好的稳定性和精度。
该器件可以在片内将温度传感器的模拟量通过A/D转换器转换成数字量。
片内具有可预置的温度报警寄存器，可以通过外部程序控制来设定报警的上限温度和下限温度，当传感器温度超出该温度范围时，OTI引脚输出报警信号通知控制系统或直接用于控制。
NationalSemiconducor公司生产的LM74数字式温度传感器，集成了带隙式温度传感器，Delta-Sigma型数模转换器，并具有SPI/Microwrite兼容总线接口。
在传感器通电工作后，自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，可以在任意时刻读出传感器的温度值。
LM74具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过10uA，功率消耗低。
LM74的数模转换器为12位外加符号位，因此在其有效工作范围内可以达到摄氏度的分辨率。
由于采用了SPI/microwrite兼容总线接口，可以将多个传感器挂接在总线上，通过片选信号对特定器件进行读写操作。
由美国DallasSemiconductor公司推出的单线数字化测温集成电路——数字温度传感器DS1820，采用单线接口式，可通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式，测温范围-55~125摄氏度，温度转换值以九位数字方式串行输出。
微控制器与DS1820仅需一条线，每一DS1820在出厂时已给出了唯一序号，因此，在同一条单总线上可挂接任意多个DS1820.DS1820的序号值存放在内部ROM中。
传感器内部还有两个八位的用于存放温度数据的RAM，1号存放温度数据的正负符号，0号存放温度值的补码，采用塑封的DS1820易于封装在测温电缆中。
与外国同类产品相比较，国内的温湿度检测系统还有很大差距，系统采用的温湿度传感器的测量精度和灵敏度，温湿度传感器测得的环境温度模拟量信号转换成数字量信号时产生的误差，信号在长距离传输过程中因干扰和信号衰减导致的精度降低。
不可否认，国内电子元器件的制造技术水平和国外电子元器件的过高价格制约了环境检测系统向更高精度的发展。
单片微型计算机是随着超大规模集成电路的技术的发展而诞生的。
由于它具有体积小，功能强，性价比高等优点，所以广泛应用于电子仪表，家用电器，节能装置，军事装置，机器人，工业控制等诸多领域，使产品小型化，智能化，既提高了产品的功能和质量又降低了成本，简化了设计。
本文主要涉及AT-89C51单片机在温湿度控制中的应用。
应用单片机实现PID控制算法和PID参数的整定。
PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点,被广泛应用于工业过程控制。
当用计算机实现后,数字PID控制器更显示出参数调整灵活、算法变化多样、简单方便的优点。
随着生产的发展,对控制的要求也越来越高,随之发展出许多以计算机为基础的新型控制算法,如自适应PID控制、模糊PID控制、智能PID控制等等。
、机房环境要求
根据YD5003－94《电信专用房屋设计规范》的有关规定。
第10条：
机房室内温湿度应符合设计环境指标要求，并且配备温湿度计、温度、湿度告警设备。
其中机房温度湿度要求：
1.机房温度：
21±
3℃，相对湿度：
40%～60%
2.温度、湿度的测量点为空调回风口处。
其主要控制参数如下：
温度传感器工作指标：
温度：
0oC--60oC精度：
2oC
制冷加热指标：
当温度降至5oC时，启动加热器；
加热至10oC时停止加热。
当温度升至25oC时，启动制冷机；
制冷至15oC时停止制冷。
湿度传感器工作指标：
相对湿度：
40%～60%精度：
2%
干燥增湿指标：
当湿度降至20%时，启动增湿器；
加热至30%时停止增湿。
当湿度升至80%时，启动干燥机；
干燥至30%时停止干燥。
、论文的主要研究内容
本论文主要是完成一种低成本、低价格、功能齐全、及温湿度测量、显示、控制于一体的单片机温湿度控制系统的理论设计。
该设计主要包括硬件电路和主要的控制算法。
研究的关键问题是：
通信机房温湿度的精确测量；
双向可控硅控制的温湿度控制电路设计；
温湿度控制算法的选择,本设计采用PID控制算法；
以及温湿度标度转换、数字滤波环境温湿度采样等软件设计。
根据本设计所要完成的任务完成了如下工作：
1介绍了研究和设计的背景和意义,调查并综述了当前温湿度控系统市场的国内外现状。
2提出了符合设计要求的高精度温湿度控制系统方案,并阐述了其工作原理。
3完成了硬件电路的设计,它包括：
1）温湿度检测放大传送电路；
2）包含MCS-51系列单片机AT-89C51,外围扩展并行接口8155,程序存储扩展2732,模数转换器ADC8089，数模转换器DAC0832等芯片的接口电路；
3）输入信号口采用光电耦合器，使抗干扰能力增强；
4）输出信号设计有两路继电器控制；
5）通过双向可控硅管实现的温湿度控制电路；
6）键盘接口和两位7段数码显示管用来显示温度。
图系统的原理图
4基本完成了软件部分设计,它包括：
1）键盘扫描；
2）温湿度控制显示；
3）温湿度采样；
4）数字滤波；
5）数据处理；
6）PID计算；
第二章系统方案论证
本设计是环境温度实时监测控制系统，其中通信机房内的监控单元为主要设计目标。
、中央控制单元的确定
2.1.1、单片机方案
单片机已成为电子系统中进行数据采集、信息处理、通信联络和实施控制的重要器件。
通常利用单片机技术在各种系统、仪器设备或装置中，形成嵌入式智能系统或子系统。
中央处理器的选择直接关系到所做系统的性能，要选择既便宜又实用的单片机款型。
常见几种单片机的比较：
Intel公司早期的产品8031/8051/8751。
8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。
用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。
写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。
8051片内有4K的ROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。
但是你编的程序你无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代你烧写，并是一次性的，今后你和芯片厂都不能改写其内容。
8751与8051基本一样，但8751片内有4k的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。
由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。
后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；
在使用上基本可以直接互换。
我们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列单片机”。
在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89Cx做的编程器均带有这些功能。
显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。
写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。
重要的一点AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。
从多方的因素考虑论证。
硬件的核心选用Atmel公司生产的AT89C51单片机。
它是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个数KB的FLASH可编程、可擦除、只读存储器；
它采用了CMOS工艺和Atmel公司的高密度非易失性存储器技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。
2.1.2、DSP方案
如果采用TMS320F240DSP实现，其主要优点有：
1.速度快，执行速度达到20MIPS，几乎所有的指令可以在50μs的单周期内完成，如此高的性能非常适合实时数据采集。
2.硬件结构简单，DSP片内具有十位A/D转换器，不需要外接A/D转换器，并且还具有丰富的可编程多路复用I/O引脚。
3.软件编程灵活，可采用C语言与汇编语言混合编程。
本设计仅仅是简单的温度检测控制，不需要功能太强大的控制单元，单片机已经足够用，而且单片机的价格便宜，容易购买，所以决定用AT89C51单片机。
、温湿度传感器的选择
百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；
（1）传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；
（2）模拟集成温度传感器／控制器；
（3）智能温度传感器。
温敏传感器中最主要的元件就是热电阻，热电阻是利用导体的电阻值随温度变化的特性而制成的测温元件。
所以，要求导体的温度系数尽可能地大和稳定，电阻率大，电阻与温度之间最好呈线性关系，并在较宽的范围内有稳定的物理化学性质。
目前用的较多的热电阻材料有铂、铜等。
铂电阻的物理化学性质能在高温和氧化性介质中最稳定，它能用做工业测温元件和作为温度标准。
很多检测电路中采用铜电阻，是因为测量精度要求不高（2oC），测量范围不大（0oC-60oC）时，可用铜热电阻代替铂热电阻，这样可以降低成本。
在-50oC-150oC时，铜电阻与温度呈线性关系：
Rt=R0（1+αt）,式中α=10-3-4为铜的温度系数。
但是铜电阻经测量后还要经过ADC的模数转化，给设计本身增加了成本，还造成一定的繁琐。
本设计采用了智能温度传感器DS1820系列。
DS1820是美国达拉斯（DALLAS）公司研制的单线数字温度计。
它采用单线总线结构,用一根I/O线传送数据与命令,并可兼作电源线。
DS1820内含集成温度传感器、CPU、ROM、RAM和I/O接口,属于新一代智能传感器。
它具有微型化（外形尺寸仅为4.6mm×
9.0mm×
3.0mm）、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器（μP）等优点,适于构成多路温控仪或大型分布式温度测控系统,是一种有推广价值的新型器件。
并且，和传统的采集模拟量通过外接A/D转换电路采集数据的方式相比，DS1820自己本身就可以完成温度模拟量的A/D转换，不需要外接A/D转换电路。
这就在设计时大大简化了电路及外围器件的数量，使设计简单并可靠。
空气湿度是表示空气干湿程度的物理量。
空气湿度是反映空气中水蒸汽含量多少的尺度，对空气湿度的测量，也就是对空气中水蒸汽含量的测量。
空气湿度常用相对湿度和露点温度来表示。
相对湿度是指空气中水蒸汽的分压了与同温度下饱和水蒸汽压力之比。
常用的湿度测量方法有:
1、毛发测湿法
毛发的长度会随着所处环境的湿度而变化。
这种变化在机械意义方面指为相对湿度。
该方法简单，成本低，但是维修费用高，要频繁地对毛发进行长度还原;
最大相对湿度测量范围只为15%RH-85%RH，最大测量温度只为50℃;
高误差，测量慢。
2、露点镜法
一面镜子降温并达到露点时，其表面上将出现水凝滴。
于是通过监视镜面上的凝滴即可测得露点。
这种方法测量范围宽、测量准确，但是费时、昂贵、笨重、时间适应慢。
3、湿度传感器测湿湿度传感器分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。
空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件.湿度传感器要达到土2%-13%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温（20℃士10'
C）和洁净的气体中测最的。
在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间长了，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在土2%左右，甚至更高。
湿敏元件除了对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在的范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。
温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。
采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。
湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。
多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。
金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化铿等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。
必须是交流电供电。
国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见。
感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化铿和金属氧化物.电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。
但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。
市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到需求的水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH以下及80%RH以上感湿段变形严重。
有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现“阶跃’性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。
无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为pF级，1%RH的变化不足0.5pF，容值的漂移改变往往引起几十RH%的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40℃以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。
电容式湿敏元件抗腐蚀能力也较欠缺，往往对环境的洁净度要求较高，有的产品还存在光照失效、静电失效等现象，金属氧化物为陶瓷湿敏电阻，具有湿敏电容相同的优点，但尘埃环境下，陶瓷细孔被封堵元件就会失效，往往采用通电除尘的方法来处理，但效果不够理想，且在易燃易爆环境下不能使用，氧化铝感湿材料无法克服其表面结构“天然老化，的弱点，阻抗不稳定，金属氧物陶瓷湿敏电阻也同样存在长期稳定性差的弱点。
4、干湿球测湿法
该方法利用干、湿球温度差效应来测量空气相对湿度。
选用线性度好的热敏元件，能够实现宽范围、高精度测量，而且性价比高，反映也很快。
在本设计中，湿度传感器选择了HM1500。
HM1500是专门适用于需要精确可靠检测湿度的OEM用户。
它的特点是有很小的易于安装的接头可以非常节省成本的机械自动安装。
由于它是线性的电压输出湿度检测模块，因此能直接与微控制器相接。
第三章系统硬件设计
、系统的工作过程
控制过程如下：
温度传感器采集数据后，将数据送入单片机中，因为温度传感器DS1820是数字传感器，所以，其输出量为数字量，可直接由中央处理器处理。
一个湿度传感器通过多路开关CD4051接到A/D转换器AD574上，经过模/数转换，将数字量送入单片机。
这样，单路温度和单路湿度的测量数据就被采集到了中央处理器中。
通过显示电路，经LED数码管直观地显示给观测人。
这是温室智能控制系统的数据采集部分，但在本设计中，加入了RS-232电路，即和上位机的通讯串口电路，这样，此系统就可以和PC机相连，便于直接控制。
并且，在本设计中还加入了键盘，这是给控制部分设置的，在和上位机发生通讯故障时，可以手动输入控制量，以达到要求。
、单片机最小系统
1、单片机
（1）主要性能参数：
·
与MCS-51产品指令系统完全兼容
4K字节可重擦写Flash闪速存储器
1000次擦写中期
全静态操作：
0Hz——24MHz
三级加密程序存储器
128*8字节内部RAM
32个可编程I/O口线
2个16位定时/计数器
6个中断源
可编程串行UART通道
低功耗空闲和掉电式
（2）功能特性概述：
AT89C51提供以下标准功能：
4K字节Flash闪存存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，
并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容。
但振荡器停止工作并禁止其它所有不见工作直到下一个硬件复位。
（3）AT89C51引脚及说明：
图89C51双列直插封装方式的引脚图
（一）电源引脚：
（1）Vcc（40脚）：
电源端，接+5V。
（2）Vss（20脚）：
接地端。
（二）时钟引脚：
（1）XTAL1（19引脚）：
接外部晶体的一个引脚。
该引脚内部是1个反相放大器的输入端。
这个反相放大器构成了片内振荡器。
如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。
（2）XTAL2（18引脚）：
接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。
若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
（三）控制引脚：
（1）RST/Vpd（9脚）：
RST（RESET）是复位信号输入端，高电平有效。
当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。
Vpd为本引脚的第二功能，即备用电源的输入端。
（2）ALE/PROG非（30引脚）：
ALE引脚输出为地址锁存允许信号。
PROG非为本引脚的第二功能。
在对片内EPROM型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。
（3）PSEN非（29引脚）：
程序存储器允许输出控制端。
（4）EA非/Vpp（31引脚）：
EA非功能为内外程序存储器选择控制端。
Vpp在对EPROM型单片机8751片内EPROM固化编程时，用于施加较高的编程电压（例如+21V或+12V）。
对于89C51，则加在Vpp引脚的编程电压为+12V或+5V。
（四）I/O口引脚：
（1）P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
（2）P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流（I）。
Flash编程和程序校验期间，P1口接受底8位地址。
（3）P2口：
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口行上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接受高位地址和其它控制信号。
（4）P3口：
P3是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
作输入口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能：
（1）RXD（串行输入端口）
（2）TXD（串行输出端口）
（3）/INT0（外部中断0）
（4）/INT1（外部中断1）
（5）T0（记数器0外部输入）
（6）T1（记数器1外部输入）
（7）/WR（外部数据存储器写选通）
（8）/RD（外部数据存储器读选通）
（9）P3端口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
2、时钟振荡器:
AT89C51中有一个用于构成内部振荡器
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