一種智能溫濕度控制器的設(shè)計(jì)

蔡昀羲

（上海安科瑞電氣有限公司  上海嘉定 201801）

摘    要：介紹了一種智能溫濕度控制器的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用，最多實(shí)現(xiàn)三路溫濕度的測量與控制；結(jié)合RS485總線技術(shù)及上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息遠(yuǎn)傳，滿足低壓配電智能化及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需求。
關(guān)鍵字：SHT11，STC89C58RD+，溫濕度控制，RS485

0　 引言
　　隨著電力系統(tǒng)規(guī)模越來越大、電壓等級越來越高，供電可靠性也要求更加嚴(yán)格。供配電設(shè)備環(huán)境的溫度、濕度是影響設(shè)備運(yùn)行的重要因素。溫度過高會(huì)加速儀器設(shè)備元器件老化，縮短其使用壽命，甚至直接導(dǎo)致設(shè)備損壞；低溫、潮濕，設(shè)備表面產(chǎn)生凝露則有可能發(fā)生爬電、閃絡(luò)等事故。
　　基于以上考慮，在中高壓開關(guān)柜、箱變、端子箱等供配電設(shè)備中進(jìn)行溫度、濕度控制是十分必要的。本文將介紹一種WHD型智能溫濕度控制器的設(shè)計(jì)方法，最多實(shí)現(xiàn)三路溫度、濕度的測量與控制；結(jié)合RS485總線技術(shù)及上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息遠(yuǎn)傳，滿足低壓配電智能化及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需求。

1　 硬件電路設(shè)計(jì)
1.1   硬件設(shè)計(jì)的總體思路
　　硬件系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，按功能可劃分為：電源供電、溫濕度測量、控制輸出、人機(jī)對話以及通訊五個(gè)部分，如圖1所示。
　　電源供電電路將AC220V或其他類型輔助電源轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)工作所需的直流電源。單片機(jī)將傳感器測得的溫濕度值進(jìn)行比較、處理，確定輸出控制部分繼電器的工作狀態(tài)，并顯示和發(fā)送溫濕度數(shù)值及輸出控制部分的工作狀態(tài)信息。人機(jī)對話部分具有按鍵信息錄入功能，用戶可根據(jù)實(shí)際情況，通過按鍵編程設(shè)置系統(tǒng)的工作參數(shù)。

1.2   硬件的具體電路及原理
　　核心器件單片機(jī)選用STC公司的STC89C58RD+型單片機(jī)，它是一款兼容51內(nèi)核的增強(qiáng)型8位機(jī)，片上資源豐富，抗干擾能力突出。STC89C58RD+（D版本）支持6時(shí)鐘/機(jī)器周期，內(nèi)含32K字節(jié)用戶程序空間，片上集成1280字節(jié)RAM，16K字節(jié)EEPROM空間；支持ISP/IAP功能，無須專用編程器；片上還集成了看門狗電路及MAX810專用復(fù)位電路。
　　溫濕度的測量選用SENSIRION公司開發(fā)的數(shù)字式溫濕度一體傳感器芯片SHT11。該傳感器可同時(shí)測溫度、濕度，并提供全程標(biāo)定的數(shù)據(jù)輸出，所以使用該傳感器既可以降低硬件成本，又方便了整機(jī)測試。其技術(shù)參數(shù)如下表所示：

　　溫度參數(shù)：　　     

 　　濕度參數(shù)：　

　　該傳感器與CPU之間的通訊采用二線制方式，即DATA（數(shù)據(jù)）線和CLK（同步時(shí)鐘脈沖）線。測量三路溫度、濕度時(shí)，CPU與傳感器的連接電路如圖2所示。CPU通用I/O口中的P1.0和P1.1，P1.2和P1.3，P1.4和P1.5分別與三路溫濕度傳感器SHT11連接，其中P1.0、P1.2、P1.4分別作為各路通訊的DATA（數(shù)據(jù)）線，P1.1、P1.3、P1.5分別作為各路通訊的CLK（同步時(shí)鐘）線，DATA線需外加10KΩ的上拉電阻將信號提高至高電平（詳情請參考SHT11數(shù)據(jù)手冊）。實(shí)際使用時(shí)，傳感器與控制器之間（即圖中虛線部分）以屏蔽線連接，經(jīng)驗(yàn)證，CPU與傳感器之間的最大通訊距離為10米。如果使用74HC245或其他芯片提高I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，可增加通訊距離，但會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能，因此不予采納。 

　　系統(tǒng)采用LED數(shù)碼管顯示溫度、濕度值，界面簡潔明了。三路傳感器測得的溫度、濕度值以循環(huán)方式依次顯示，顯示部分共有7位數(shù)碼管，其中4位用于顯示溫度值（顯示范圍：-40.0～100.0），并在編程狀態(tài)下顯示菜單及參數(shù)，2位用于顯示濕度值（顯示范圍：0～99），1位用于顯示當(dāng)前顯示或操作對應(yīng)的傳感器的編號（1～3）。數(shù)碼管顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式，其驅(qū)動(dòng)電路由集成電路74HC595及74HC164構(gòu)成。74HC595是一款帶有輸出門鎖功能的8位串行輸入、并行輸出（或串行輸出）的移位寄存器，用于數(shù)碼管的段驅(qū)動(dòng)；74HC164的串行輸入、并行輸出功能用于掃描顯示每一位數(shù)碼管，如圖3所示。
　　系統(tǒng)采用繼電器或可控硅作為控制輸出，電源部分采用開關(guān)電源方案，通訊部分采用RS485接口，具體電路設(shè)計(jì)請參考相關(guān)書籍，此處不予贅述。

2　 軟件設(shè)計(jì)方法
　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括以下四個(gè)部分：主程序、測量控制模塊、顯示模塊及通訊模塊。
　　主程序完成上電或復(fù)位初始化，復(fù)位看門狗，查詢按鍵信息等功能，程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。 

　　程序初始化包括配置CPU的SFR，設(shè)置I/O口初始狀態(tài)，從EEPROM讀取工作參數(shù)，設(shè)置看門狗定時(shí)器的復(fù)位時(shí)間等。需要注意的是，一般只在主程序中喂狗，看門狗的復(fù)位時(shí)間時(shí)要設(shè)置的比測量程序中可能出現(xiàn)的最長等待時(shí)間還要長。以下給出主程序的部分C語言源代碼。
　　void  Main ()
　　{
　　WDT_CONTR = 0x00;//關(guān)閉看門狗
　　InitialEeprom();//讀EEPROM
　　InitialIO();//初始化I/O狀態(tài)
　　InitialSFR();//設(shè)置SFR
　　InitialSHT11();//初始化傳感器
　　InitialComm ();//初始化通訊口
　　WDT_CONTR = 0x35;//喂狗1.25秒
　　while(1)
      　　{
     　　  WDT_CONTR = 0x35;
      　　 KeyScan();//按鍵查詢
     　　  KeyProcess();//按鍵信息處理
    　　  }
　　}
　　通訊收發(fā)處理、顯示和溫濕度測量控制均以中斷方式實(shí)現(xiàn)，優(yōu)先級順序?yàn)椋捍谕ㄓ嵵袛啵ㄗ罡撸?rarr;顯示中斷→測量控制中斷（最低）。
　　系統(tǒng)通訊采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU規(guī)約，便于上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)，與其他網(wǎng)絡(luò)儀表組網(wǎng)使用，實(shí)現(xiàn)對供配電系統(tǒng)的完整監(jiān)測。

3　 產(chǎn)品應(yīng)用
　　在電力供配電環(huán)境中進(jìn)行溫濕度控制，一般采取如圖5所示的方案。

　　 通過溫濕度傳感器采集開關(guān)柜或箱式變電站中的溫度、濕度信息，經(jīng)控制器處理后輸出繼電器觸點(diǎn)信號（斷開或?qū)ǎ賹⒂|點(diǎn)信號連接到溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備（一般使用加熱器或風(fēng)扇）的電源回路中，用于控制其工作或停止，以實(shí)現(xiàn)對溫濕度的智能化控制。
　　WHD型智能溫濕度控制器通用技術(shù)指標(biāo)如下：

　　此類溫濕度控制器可控制一路、二路或三路溫濕度，每一路溫濕度傳感器對應(yīng)一組（二個(gè)）繼電器輸出觸點(diǎn)，其中一個(gè)觸點(diǎn)用于控制加熱器，實(shí)現(xiàn)升溫或除濕控制，另一觸點(diǎn)用于控制風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)控制。當(dāng)傳感器或加熱器發(fā)生故障時(shí)，控制器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號。
　　控制器中還可設(shè)置溫濕度控制的回滯量，即調(diào)節(jié)設(shè)備的啟動(dòng)條件與停止條件之差。如圖6所示，以加熱升溫為例，當(dāng)環(huán)境溫度降低到預(yù)先設(shè)置“加熱啟動(dòng)溫度”以下時(shí)，控制器輸出觸點(diǎn)導(dǎo)通信號，加熱器工作，環(huán)境溫度逐漸上升；當(dāng)環(huán)境溫度上升至“加熱停止溫度”以上時(shí)，控制器輸出觸點(diǎn)斷開信號，加熱器停止加熱。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，回滯量一般設(shè)置在4～10（℃或RH％）范圍內(nèi)較合適。

 　　鋁合金加熱器是電力供配電系統(tǒng)中最常用的溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備，下面是由經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的環(huán)境空間大小與加熱器功率選擇的關(guān)系，供讀者參考。 

　　WHD型智能溫濕度控制器可將測量的溫濕度值及控制系統(tǒng)中的各種狀態(tài)信息通過RS485通訊接口向上位機(jī)遠(yuǎn)傳，由上位機(jī)管理軟件實(shí)現(xiàn)遙測、遙控，滿足了智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的要求。

4 　結(jié)束語
　　本文介紹了一種智能溫濕度控制器的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)最大三路溫濕度的采集、控制，并具有編程參數(shù)設(shè)置和RS485（MODBUS-RTU）通訊功能。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，參照此方法設(shè)計(jì)的WHD系列產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中易于用戶使用，控溫及控濕效果顯著。同時(shí)，該產(chǎn)品的抗電磁干擾性能突出，例如，5kHz和100kHz頻段抗脈沖群干擾可達(dá)到三級，適合在電磁環(huán)境相對惡劣的電氣設(shè)備中使用。

　　文章來源于：《電工技術(shù)》2006年第10期。

參考文獻(xiàn)
[1] 數(shù)字溫濕度傳感器SHT1X/SHT7X應(yīng)用指南，瑞士SENSIRION公司，2005
[2] STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)使用指南，宏晶科技，2006
[3] 戴佳，戴衛(wèi)恒 51單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，2006

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