一种温湿度测控系统的设计与模拟

周 信 马 祯 蒋 奇 王 艳 闫 涛

(1.山东大学控制科学与工程学院，济南 250061；2.内蒙古大学物理科学与技术学院，呼和浩特 010021)

温度与湿度是粮仓、农业大棚及化工等领域的重要参数，因此必须对环境中的温度和湿度进行实时检测。传统的温湿度检测完全依赖人工手段。这种方法不仅效率低下而且不能准确、实时地得出测量结果。近年来国内微机化温湿度测控系统绝大部分采用模拟信号的温湿度传感器,测试点到控制器的接线为点到点,因而系统前向通道为模拟信号传输方式,这种方式接线复杂、布线困难，还存在抗干扰能力差、工作不稳定记系统测试精度低等问题。这种输出模拟信号的传感器往往需要对信号进行采集、放大、滤波及A/D转换等，不仅硬件系统比较复杂而且系统容易出现故障[1，2]。鉴于此，笔者采用了数字式传感器DHT11提出了一种温湿度测控系统的设计与模拟，实现了实时多点监测温湿度的功能，而且在温湿度超过设定值时能及时报警并启动风机或空调器改变温湿度。

1 系统设计①

系统中所用的传感器为含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器DHT11。单片机采用型号为AT89C51系列的单片机。该系列单片机算术运算功能强、软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟及成本低等优点，在各个领域得到应用广泛[3]。报警器采用蜂鸣器进行报警。继电器采用国产常开型过零继电器SSR-H220D15。驱动电路采用一块8路达林顿管驱动集成电路ULN2803。当输入为低电平时，输出达林顿管截止，负载无电流。当输入为高电平时，输出达林顿管饱和，负载就有电流流入输出口。系统由数字式传感器DHT11采集温湿度，并将采集到的数据送给单片机进行处理，由LCD12864将采集到的数据进行显示。当温湿度值达到报警上、下限时，报警电路工作并发出报警声，同时控制电路使能继电器工作从而驱动风机和空调器。由键盘电路对报警上、下限进行设定，复位电路可以方便地实现对单片机的复位。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构框图

1.1 硬件设计

1.1.1检测电路

检测电路为由数据选择器74L151构成的8路采集电路。数据选择器的8路数据端子分别接8个DHT11的DATE端，数据选择器的3个地址端分别接入开关K3、K4、K5的同时也接入单片机的P1.4、P1.6、P2.3引脚。数据选择器根据K3、K4、K5的按下情况来决定接通哪一路传感器。同时由单片机的引脚P1.4、P1.6、P2.3来判断当前接入的是哪一路信号并在LCD上显示通道序号。而且当这3个引脚中有任何一个引脚的值发生改变时系统都需要控制单片机复位一次而且仅复位一次，以免传感器的时序发生错误造成读取数据错误，这一点非常重要，可由软件来实现。软件中只需加入单片机的复位控制判断程序即可。数据选择器的输出端接入单片机的P1.7引脚。检测电路如图2所示。

图2 多路检测电路的结构

DHT11数字传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能单片机连接。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。传感器的内部结构如图3所示。

图3 DHT11的内部结构

数据线DATA上传输的二进制数据0和1是由时序中的高电平所占时间来表示的。当数据传送距离大于20m时，电源引脚(VDD、GND)之间应该增加一个100μF的电容，用以去耦滤波。一次完整的数据传输为40bit用时4ms左右,数据分小数部分和整数部分,应该注意的是DHT11传感器的当前小数部分用于以后扩展,现读出为零。因此本系统在LCD12864中显示数据时只显示到整数部分。

用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据。从模式下,DHT11接收到开始信号就触发一次温湿度采集,如果没有接收到，主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。具体通信过程如图4所示。

图4 DHT11的通信过程

1.1.2单片机接口电路

键盘是一组按键的组合，该系统中使用独立连接式非编码键盘，每一个键占一个IO口线，按键功能可以根据需要灵活设计，软件编程简单。本系统中只需要两个按键(K1、K2)，用来调节报警值的上、下限。K1为上调，K2为下调。键盘与单片机的接口电路如图5所示。本系统采用LCD12864显示，其与单片机的接口电路如图6所示。

图5 键盘与单片机的接口电路

输出驱动电路所控制的设备主要包括风机和空调器。可分别采用过零型固态继电器来控制。本系统采用ULN2803作为驱动电路，ULN2803为8路达林顿管集成电路，有8路输入和对应的8路输出，输入5V的TTL或CMOS电压可直接驱

图6 LCD12864与单片机的接口电路

动。输出为500mA、50V。因为输出是集电极开路，所以输出负载的另一端需接正电源。10脚为8路输出的续流二极管公共端，它是在驱动感性负载时用的，驱动感性负载时10脚接负载电源+V。9脚接地。继电器采用国产交流固态继电器SSR-H220D15。它是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关器件，利用电子元器件的特点，即磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，并采用了大功率三极管、功率场效应管[4]。当单片机检测到温湿度值超过预警值时，P2.4、P2.5输出控制信号触发继电器启动外围设备。ULN2803与单片机的接口电路如图7所示。

图7 ULN2803与单片机的接口电路

1.2 软件设计

该系统是以AT89C51单片机为核心，采用C语言编程，模块化设计。由主程序、读出温湿度程序、LCD12864显示程序以及有关DHT11读写程序等组成。采取的模式为生产者与消费者结构。本系统设计的工作流程为：开始并初始化后，通过K1、K2按键改变温湿度报警值，单片机复位，传感器读取温湿度值，读取成功后，线性拟合数据，然后LCD显示数据，如果温湿度过限则启动报警并使能控制设备；如果数据在温湿度上、下限范围内，则显示温湿度值。同时可以通过K3、K4、K5改变采集通道。系统程序流程如图8所示。

2 系统模拟实验

为了测试系统采集数据的可靠性与实用性，故对系统的数据采集部分进行了一系列测试实

图8 系统软件总体流程

验。实验在型号为DHG-9145的电热恒温鼓风干燥箱中进行。

2.1 温度测量模拟

测试系统温度采集的时间响应曲线。系统的时间响应是指系统的输出在时域上的表现形式。将测试时环境温度(20.3℃)设为输入最小值，观察系统的输出为20℃。打开干燥箱电源，设定温度为50℃，将此温度设置为输入最大值。干燥箱中的温度从室温开始上升，待温度达到设定值后，将系统放入烤箱，同时记录系统在干燥箱中的温度输出值随时间的变化，所得曲线如图9a所示。当系统输出稳定后，从干燥箱中拿出测试系统，放置于室温下同时记录系统的输出随时间下降的响应曲线，如图9b所示。

图9 系统采集温度的时间响应曲线

2.2 湿度测量模拟

测试系统湿度采集的时间响应曲线。取空气中的湿度(29%RH)作为系统湿度输入最小值，关闭电热恒温鼓风干燥箱电源，开启加湿器，待电热恒温鼓风干燥箱空间中的相对湿度达到65%RH(系统湿度输入最大值)后将系统放入该空间中，同时记录系统输出和相应的时间，当系统输出达到设定值后关闭加湿器，同时拿出系统放置于空气中并记录系统的输出和相应的时间，分别作出两种情况下的时间响应曲线(图10)。

图10 系统采集相对湿度的时间响应曲线

2.3 系统的重复性测试

系统重复性是指系统在检测同一物理量时每次测量的不一致程度，也叫稳定性。将烤箱温湿度分别设置为40℃、55%RH。重复6次对烤箱空间内的温湿度进行测量得到系统的重复性曲线(图11)。

2.4 系统的线性度测试

在规定条件下系统的校准曲线与拟合直线间的最大偏差(ΔYmax)与满量程输出(Y)的百分比，称为线性度，也称为非线性误差，该值越小，表明线性特性越好，表示为δ=ΔYmax/Y×100%[5]。将烤箱内温湿度按10℃的梯度依次增加，分别测量每次的温湿度。取6个点得到的线性度拟合曲线如图12所示。

图12 系统线性度曲线

经过上述对系统的各种实验测试，可以得出系统的相关指标。系统的检测精确度为：湿度±2%RH，温度±1.5℃，分辨率为：湿度1%RH，温度1℃。系统检测温湿度时的超调量几乎为0，检测温度上升过程中的过度时间Ts最大为90s，检测温度下降过程中的Ts最大为93s。检测湿度上升过程中的Ts最大为75s，检测湿度下降过程中的Ts最大为90s。系统的线性度为1.5%。重复性：湿度2%RH，温度1℃。温湿度的检测范围：湿度20%RH～90%RH，温度0～60℃。需要注意的是在50～60℃之间，系统的精确度、稳定性和时间响应都要受到影响。系统的上述指标能够满足测量过程中的检测要求。

3 结束语

设计的温湿度数据采集与控制系统利用74L151集成电路模块完成了多点数据采集与控制功能。这种多点检测的方法简单可靠，能够达到应用现场要求的性能指标。此外该系统还具有很好的可扩展性，可以添加中、短程无线通信模块，使系统能够在比较恶劣及危险等不适合人到达的地方进行工作，提高了系统的实用性；还可以利用串口与PC机相连接，将采集的信息在PC机上进行处理，例如可以绘制时间-温湿度曲线，也可将信息发布到Web上，进行远程操控。