新型控温控湿装置的研究与设计

乔 慧

（青岛市职业教育公共实训基地，山东 青岛266112）

现在的养鸡模式已从以前开放式鸡舍，鸡群被动适应外界环境的饲养方式，开始进入了现代化的人工控制鸡舍环境饲养的饲养方式。鸡舍温湿度是封闭式鸡舍日常管理中的重要内容之一。针对上述问题，作者设计出了基于单片机能够实现温湿度自动检测、调控、显示、上下限报警等多功能的温湿度监测控制系统。

1 温湿度控制原理与实现

1.1 方案简述

该温湿度测控系统包括：数据采集、处理系统和报警系统，由温度、湿度传感器、模拟量输入通道、A/D转换、显示器与报警电路等组成。当系统进入运行后,采样温、湿度值,并和此前已经设定好湿温度值相比较，比较后得到相应控制量,控制量作用于输出执行模块,然后输出信号来使执行部件进行动作，使温室大棚达到所要求指标。测控系统的主要技术参数有:温度检测范围0~50℃；测量精度±0.5℃；湿度检测范围0%~100%RH；检测精度±2.5%RH；控制方式有手动/自动可切换；参数调整为手动设定/程序控制。

1.2 系统的工作原理

温湿度测控系统能完成数据采集、分析、显示、串行通信和输出调控信号等多种功能[1~6]。该测控系统的主要硬件包括温度传感器、湿度传感器、A/D转换器、数据采集电路、AT89C51单片机、LED显示器等。其原理结构如图1所示。

图1 温湿度测控系统结构原理图

在工作时，温湿度测控系统首先把预先测量好的鸡舍内保持正常状态所需的温度和湿度存储于单片机中，将系统的数据采集部分的温湿度传感器置于鸡舍内部，测出室内的温湿度值，经过放大、A/D转换为数字量之后送入AT89C51单片机中，然后LED显示出温湿度测量值。单片机将预设的参考值与测量值进行比较，根据比较结果做出判断。当温湿度值超过允许的范围，系统将发出报警。单片机内预存湿温度参考值可通过键盘或按钮人工按实际需要改变。通过对整个系统的核心单片机部分的设计，达到优化控制温湿度的目的。

2 硬件系统设计

2.1 湿温度测量

温度测量用传感器采用铂电阻，传感器经运放电路LM324进行温电转换后，再通过A/D转换电路进入单片机。首先根据特性曲线,结合实际标定值,建立一个A/D转化值与温度值的对应表格，在测量时，通过查表求出温度值。温度传感器选择DALLAS公司生产的线制数字温度传感器DS18B20，其温度测量范围为-55℃~125℃，可编程为9位~12位的A/D转换精度，测温度分辨率可达0.062 5℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。

湿度测量采用干湿球法，其测量电路与温度测量电路相同，只是在得到干球温度和湿球温度后，还要通过计算才能得到相对湿度。求相对湿度的关键是计算饱和水汽压，通常由查表或公式法来计算水汽压。但因表格占用内存较多，这里采用多项式近似式计算饱和水汽压[7]有以下:

式中，

E为纯水平液面饱和水汽压(干球或湿球)，Pa；

T为温度(干球或湿球)，℃；

C0~C6为常数。

式中，A为常数,与风速有关。

湿度测量采用电容式集成湿度传感器HS1101来检测。HS1101的电容随所测空气的相对湿度增大而增大，具有极好的线性输出，在相对湿度为0%RH~100%RH的范围内，电容的容量由163 pF变化到202 pF，其误差不超过±2%RH;湿度量程为1%RH~99%RH，工作温度范围为-40℃~100℃;湿度输出受温度影响极小(温度系数仅为0.04 pF/℃);常温下使用无需温度补偿，无需校准。

2.2 采集电路的设计

（1）温度采集电路

DS18B20只有一个串行通信接口，其与单片机电路连接简单，需要的仅仅是与单片机上任一I/O端口连接即可，本设计系统采用了P2.0端口，其连接电路图如图2所示，其供电方式采用外部电源供电。

图2 温度采集电路

（2）湿度采集电路

本系统采用的是将HS1101接入555定时器组成的震荡电路中，输出一定频率的方波信号，这种方法结构简单，使用方便，因此被广泛采用，具体电路图如图3所示。

图3 HS1101和NE556构成的湿度采集电路

在图3中，R1、R2、C1、C2和NE556构成多谐振荡器，外接电阻R1、R2和湿敏电容C1构成了对湿敏电容C1的充电回路，7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C1的放电回路，并将2、6端相连引入到片内比较器。该振荡电路的两个暂稳态过程交替如下：首先是电源Ucc通过R1、R2向C2充电，经T1充电时后，Uc2充至内比较器的高触发电平，约2/3Ucc，此时输入引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经T2放电时间后，Uc2下降到比较器的低触发电平，约1/3 Ucc，此时输入引脚3端又由低电平跃升为高电平，如此反复，形成方波输出，其中充放电时间为：T1=C1×(R1+R2)×ln2；T2=C1×R2×ln2。输出的方波频率:f=1/(t1+t 2)=1/C1(R1+2R2)×ln2=50 Hz。

3 软件设计

软件部分包含有主程序、中断服务、测量、按键、显示、温度补偿和查表等功能模块,本文给出了中断服务子程序流程图（如图4所示）,由于系统控制过程是由中断服务程序实现的,所以从中可以看到整个程序设计的思路和概貌。

图4 中断服务程序流程图

4 结束语

为节省人力物力，精确调整鸡舍内温湿度，本文设计基于单片机的鸡舍温湿度控制系统，以期为鸡群提供适合生长环境。系统使用AT89C51单片机对鸡舍内温湿度进行数据的采集、接收，处理、RH发送和自动控制。系统成本低、可配置型强，通过对设计程序进行修改,则可实现不同的周期和非循环控制，便于用于特殊要求的场合。后期将对结合实际进行进一步完善。

[1]张琳娜，刘武发.传感检测技术及应用[M].北京:中国计量出版社，1999．

[2]杨振江，孙占彪，王曙梅，等.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，2001.

[3]何立民.MCS－51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:北京航天航空大学出版社，1999．

[4]杨世成.信号放大电路[M].北京:电子工业出版社，1995．

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[6]高光天.仪表放大器应用[M].北京:科学出版社，1995．

[7]李惠敏，郝 新，苗淑敏.交变湿热室测控系统设计[J].电子测量技术，2001(3):12-13.