基于恩智浦MCU 的温度/湿度控制器设计

2022-10-10张阳熠程家勤谢国雄周海军

新乡学院学报 2022年9期

张阳熠，程家勤，谢国雄，周海军

（滁州学院机械与电气工程学院，安徽滁州 239000）

温度和湿度是工农业生产、物品贮存、日常生活等领域非常关键的技术参数。对温度/湿度的精确控制有利于提高工农业生产效率、保证物品存储率等作用［1-3］。例如，在温室大棚农业生产中，温度/湿度控制在农作物的最佳生长环境范围内，可以有效提高农作物的产量［4-5］。粮仓的温度/湿度的精确控制对于粮食的储藏时间至关重要［6］。纸质档案和一些文化遗产的长期保存也对环境的温度/湿度有着非常高的要求［7］。

目前国内所使用的温度/湿度控制器存在精确度不高、智能化水平较低且不便于系统的拓展和升级等问题。我们以ARM 系列单片机MKL16Z128VLH4 为核心控制芯片，以DHT11 温度/湿度传感器、加热器、加湿器、控制按键和OLED 显示单元为主要模块，基于PID（Proportional-integral-differential，PID）算法设计制作了一款自适应温度/湿度控制器。通过数字化监测和智能化控制实现环境温度/湿度快捷的检测与控制。

2 系统设计方案

温度/湿度控制器设计方案框图如图1 所示，主要包括主控模块MKL16Z128VLH4、OLED 显示单元、加热设备、降温设备、驱动电机、加湿设备、除湿设备、报警单元和温度/湿度采集设备等。主控芯片为恩智浦公司生产的32 位微控制器MKL16Z128VLH4 QFP64，该控制器具有128 KB 的Flash 存储器，工作频率为48 MHz，配备16 位ADC 和12 位DAC 转换器。DHT11 传感器的湿度测量范围为5～95 %RH，其温度测量范围为-20～60 ℃，测量精度分别为0.1 %RH 和0.1 ℃。OLED 显示单元用于显示当前温度/湿度和设定的温度/湿度值。加热设备和降温设备用于温度的控制，加湿设备和除湿设备用于控制湿度，驱动电机风扇控制空气流通。 MKL16Z128VLH4 主控制芯片利用DHT11 温度/湿度传感器探知的当前环境温度/湿度数据，借助于PID 算法计算输出脉宽调制信号（PWM），进而通过控制降温设备、加热设备、除湿设备、加湿设备、驱动电机风扇等来实现环境温度/湿度的调控。

图1 温度/湿度控制器设计方案

3 程序设计

当系统工作时，单片机通过温度/湿度传感器采集空间环境即时的温度与湿度，MCU（Microcomputer Unit）将传感器采集到的当前环境温度/湿度数值和设定的目标值进行比较：若当前温度/湿度值与目标值相差较大，MCU 将根据PID 算法的计算值输出一个较大的PWM 控制信号，实现温度/湿度的快速的上升或下降；若当前环境温度/湿度数值和设定的目标值相差较小，MCU 将通过PID 算法计算输出一个较小的PWM 控制信号来控制温度/湿度的缓慢上升或下降；若当前环境温度/湿度值在设定的目标值一定范围内波动时，MCU 将输出微小变化的动态控制变化量，实现环境温度/湿度值趋于目标值。根据设计要求绘制系统流程图，如图2 所示。

图2 系统流程图

要实现系统的正常工作，需借助于相应的程序来运行，其中，温度/湿度监测、PID 温度/湿度控制、显示、键盘控制等均以子函数的形式编写，并置于主函数while（）大循环中。鉴于各子函数程序内容较长，这里只列出主函数相关程序内容，主函数相关程序内容具体为

在温度/湿度控制子程序设计中，我们引入了一个过程控制概念，控制原理如图3 所示。控制系统主要由比较调节、系统反馈、执行器等几部分构成。MCU 接收到给定值（期望值）R（t），结合传感器持续获得的反馈量Y（t）计算出控制量U（t），依据控制规律控制加热设备/制冷设备、加湿设备/除湿设备的运行，使得反馈量不断地接近期望值。 PID 控制器则是通过调节微分时间常数Td、积分时间常数Ti和比例系数Kp来对系统进行调控的。 PID 控制器的控制量U（t）表达式［8］为

图3 温度/湿度控制原理图

4 系统测试

为了验证温/湿度控制器工作时的可靠性和稳定性，设计了温度、湿度控制器的性能测试平台。测试时，初始值为当前环境温度和湿度，目标温度设定为30 ℃，目标湿度设定为50 %RH。测试开始的前5 min 内，每隔1 min 记录一次环境温度/湿度的测试值，5 min 后（含5 min），每隔5 min 记录一次环境温度/湿度的测试值，测试数据见表1。

表1 温/湿度测试数据

由表1 知，由于在1～10 min 内环境温度与目标温度值相差较大，10 min 后环境温度稳定在（30±1℃）范围内，装置启动1 min 后，相对湿度值迅速达到了49 %RH，然后飙升到55 %RH，5 min 后回落并逐渐稳定在（50±1）%RH。该控制器较好地解决了温度和湿度控制的滞后性问题，实现了温度/湿度快速、精确控制。