基于STC89C51的恒定湿度监控柜研究

梁文家

（长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064）

环境条件中的湿度是许多工农业、医疗、机房等场合的重要参数[1-2]，特别是工业中精密仪器、半导体器材，博物馆保存的文物等都会因为过高的湿度使性能降低或者损坏[3]，因此研制能控制并保持恒定湿度的控制柜，对于这些贵重器物的保存就显得格外重要[4]。

1 恒定湿度监控柜硬件电路设计

文中所研究的恒定湿度监控柜是首先由用户设定要求的湿度值，通过湿度传感器检测柜内湿度，当湿度高于设定值时，控制除湿执行机构动作进行除湿，直至湿度合适并保持。控制柜的实时湿度通过一个数码管显示可供用户随时查看，其历史数据储存在一个Flash芯片中，并定时将该数据上传至上位机，可供用户存档和分析。

恒定湿度监控柜采用化学除湿方式，即利用分子筛来吸取控制柜空气中水分，使得柜内空气湿度降低，达到物品储存湿度条件。当分子筛吸收水分达到饱和时，柜内湿度将不再降低，此时，需将分子筛转向柜子外部，并对其加热，使得分子筛吸收的水分蒸发，水分蒸发后的分子筛可再次转向柜内，被重复使用以降低柜内的湿度。恒定湿度监控柜硬件电路结构分为强电和弱电两部分，如图1所示。

1.1 恒定湿度监控柜弱电电路设计

图1 恒定湿度监控柜硬件电路结构Fig.1 Constant humidity monitoring and controlling cabinet hardware structure

恒定湿度监控柜弱电部分包括MCU模块、显示模块、Flash存储模块、用户设置按键模块、湿度检测传感器模块、时钟模块组成和网络上传模块。

1.1.1 MCU模块

MCU模块的主芯片采用的是宏晶科技的STC89C51型单片机芯片，该芯片具有4K的Flash存储器、512字节RAM、四个8位并行端口、ISP接口、IAP接口和2K的EEPROM，是一款低功耗，低价高可靠性的一款单片机。

1.1.2 湿度检测模块

湿度检测模块采用的是一款基于CMOSensTM技术的新型湿度传感器，它将湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成在一起，湿度值输出分辨率为14位[5]。

1.1.3 Flash存储器

Flash存储器采用SST的SST25VF0168芯片，该芯片是NAND型SPI串行接口的16 Mbits非易失性闪速存储器，具有速度快、成本低、密度大的特点，它能以字节为单位进行读/写操作，而擦除操作以块为单位，每一块的擦除能达到10万次左右。

1.1.4 数码显示模块

数码显示模块由MAX7219驱动4个数码管组成。MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器，它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8×8的静态RAM用来存储每一个数据。 只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。

1.1.5 时钟模块

时钟模块采用DS1302，DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信，实时时钟/日历电路提供秒/分/时/日，日期/月/年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线——RES复位、I/O数据线和SCLK串行时钟的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。

1.1.6 按键输入模块

按键输入模块用于用户设定控制柜的湿度控制值，时钟等各模块的初始设置等功能，本控制柜共设置4个功能输入按键。

1.1.7 网络上传模块

网络上传模块选用Conextop公司的NePort网络串口转换模块实现。其体积约为两个标准RJ45插座，拥有10M/100M的以太网接口，并可同时传送TCP/UDP包给多个数据接收设备，提供1～2个高速串口，波特率可达921600bps[6]。MCU通过标准串口同NePort连接，NePort通过路由器与中央服务器相连。每隔10秒钟上传湿度测量信息并实时上传分子筛动作信息。

1.2 恒定湿度监控柜强电电路设计

强电电路主要用于驱动除湿执行机构，包括转向执行机构和加热机构。

强电电路是由双向可控硅光耦MOC3023和双向可控硅BTA06组成的驱动电路以及控制柜的电源模块组成，控制柜电源采用220 V交流供电，同时为控制柜的强电结构供电，同时采用变压、整流、稳压生成5 V直流电，为控制柜的弱电结构供电。执行机构由MCU发出的控制信号AO和HO分别控制分子筛的转动和加热。驱动电路如图2所示。

2 恒定湿度监控柜湿度控制算法

恒定湿度监控柜的主流程如图3所示，湿度控制柜在用户设定湿度值H0的基础上，定时检测柜内湿度，当柜内检测湿度H1大于设定值H0时，驱动分子筛转到柜内，对柜内空气进行除湿操作，当柜内湿度仍未达到设定值，而湿度却不再减少是，表明分子筛已经饱和，此时，必须将分子筛转到柜外，并启动对分子筛的加热，以去除其吸收的水分，去除后，再将分子筛转入柜内，继续除湿，直至湿度达标，即H1=H0。

图2 分子筛转动和加热驱动硬件电路Fig.2 Zeolite rotating and heating organ driven hardware structure

图3 恒定湿度监控柜湿度控制算法主流程Fig.3 Constant humidity monitoring and controlling cabinet arithmetic main flow

恒定湿度监控柜算法还将控制柜的动作及每次检测的湿度值和检测时间实时存入到Flash中，每10 s将这些数据通过Neport接口发送到上位机，供用户实时查看和分析。

3 恒定湿度监控柜湿度控制结果

将恒定湿度监控柜放在室内，室内湿度为50%R.H.，设定控制柜湿度为20%%R.H.，经过30 h的测试，MCU将控制和湿度检测结果通过网络上传模块上传到上位机中，上位机显示结果如图4所示。

图4 恒定湿度监控柜湿度控制结果Fig.4 Constant humidity monitoring and controlling cabinet results

由图4可见，分子筛在控制柜刚开始工作时，处于极干燥状态，迅速吸取柜内空气中的水分，柜内空气湿度迅速降低，工作到近3个小时时，分子筛接近饱和吸湿能力下降，湿度下降变慢，直至没有降低，MCU驱动分子筛转向柜外，通过加热将分子筛中的水分蒸发，此时，由于柜子内部不可能完全与柜外空气隔绝，所以柜内空气湿度开始缓慢增大，分子筛水分蒸发后，驱动装置将分子筛转入柜内，继续吸收柜内空气水分，柜内空气湿度进一步降低，到410分钟时，分子筛再一次转出柜内，进行加热蒸发水分，后转入柜内，大约到540分钟时，柜内湿度达标，并一直保持。

4 结束语

介绍了一种基于STC89C51的恒定湿度监控柜，该控制柜通过湿度传感器定时检测柜内湿度，并根据检测情况控制分子筛的执行机构，有效实现柜内的湿度控制和保持。用户可以通过柜上数码显示模块实时查看柜内湿度，还可以通过网络上传模块上传至上位机的数据来存储和分析一定时间内的柜内湿度。经过试验测试，该基于STC89C51的恒定湿度监控柜能够很好的降低柜内湿度，并保持用户设定的湿度要求。

[1]姚传安.无线温湿度测量传感器网络设计[J].计算机测量与控制，2007，15（2）:165-166.YAO Chuan-an.Design of wireless sensor network for monitoringtemperatureandhumidity[J].ComputerMeasurement&Control，2007，15（2）:165-166.

[2]王冬，曹立文，刘向东.CAN总线在粮库温湿度监控系统中的应用[J].机电工程技术，2006（7）:55-56 WANG Dong，CAO Li-wen，LIU Xiang-dong.Application of CAN bus in the system of measurement and contro1 of temperature and humidity for grain depot[J].Mechanical&Electrical Engineering Technology，2006（7）:55-56.

[3]田建君.仓库自动通风及温、湿度监测系统[J].电子产品世界，2004（4）:70-71.TIAN Jian-jun.The system of automatic ventilating and temperature monitoring in warehouse [J]. Electronic Engineering&Product World，2004（4）:70-71.

[4]陈永利，张自宾，李晓银，等.粮食仓库温湿度检测系统[J].仪器仪表学报，2003（S1）:305-306.CHEN Yong-li，ZHANG Zi-bin，LI Xiao-yin，et al.A temperature and humidity measuring-system of granary[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2003（S1）:305-306.

[5]瑞士Sensirion公司，SHT1xHumidity&TemperatureSensmitter[Z].2007:1-4.

[6]德国Conextop公司，NePortTM用户手册（中文版）[Z].2006:2-3.