基站温、湿度控制系统设计(编辑修改稿)

基站温、湿度控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

体方案 总体方案概述 基站温湿度控制系统设计是基于 89C51单片机设计的智能控制基站内外温湿度的系统，首先是通过温度传感器（ DS18B20）和湿度传感器（ HS1101）对基站内外的温湿度信号进行采集，单片机读取并处理温湿度传感器的数据，最后通过LCD液晶显示 模块实时显示基站的温湿度信息。 本控制系统的键盘控制选用专用接口芯片 8279。 键盘 各个键相应地接在 8279 的回馈线 RL0— RL7 上。 LCD1602液晶显示连接在 8279 的 OUT1OUT8和单片机的 ，液晶部分还添加了一个滑动变阻器来控制液晶显示的亮度。 键盘按键可以预先对温湿度设置一个设定值，单片机通过低压继电器对空调和风机进行控制，使基站内外的温湿度维持在一定的范围内。 当温度或湿度超过设定值，且无法通过空调和风机改变时，系统则会启动报警电路，通知工作人员进行及时的检修。 系 统工作原理 本设计中需要设置的参数 ： 机房内外的湿度上、下限 ， 机房内外温度上、下限 ， 空调开启温度， 风机 开启温度 ， 机房内强制降温的温度 ， 机房内强制报警的温度等。 系统工作原理 ： 传感器把测量的温、湿度数字信号传送到单片机 ， 信号与储存的温、湿度的设置值比较 ， 单片机产生高低电平信号对继电器上电 ， 通过继电器对风机、空调的开关控制 ， 利用风机、空调联动系统从而使温、湿度得到控制，达到控制机房内外的温湿度的效果，也起到了节能减排的作用。 总体方案 5 系统总体方案结构图 图 21 系统总体方案结构图 系统各模块概述 数据采集模块 此模块主要由传感器组成，温度传感器使用 DS18B20，湿度传感器使用HS1101，因为这两个传感器可以直接实现数据采集、 A/D信号转换、数字信号输出等功能，所以只需要简单的辅助电路，就可以实现温湿度的采集和转换。 键盘显示模块 键盘模块采用的是最简单的非编码键盘，不仅可以使按键数增加，还可节省硬件消耗，使电路变得简单。 单片机通过行扫描确定键值，然后采取相应操作，具体过程见以下键盘模块的具体介绍。 传感器将采集的温湿度模拟信 号转换为数字信号，并输送给单片机处理，再送到 P2口，最后在 LCD1602中动态显示。 温度和湿度分别会在液晶屏上标明。 中央处理模块 本控制系统用的单片机是 89C51单片机，下文会详细介绍 89C51，这里不多加介绍。 89C51 温湿度 传感器 键盘 复位 显示 继电器 风机 继电器 空调 报警 上位机 总体方案 6 温湿度控制模块 根据要求，本文采用风机和空调的联动操作原理，使两者协同工作，单片机把控制信号输送到相应三极管放大电路，来完成对继电器的控制，从而实时控制风机和空调运作方式，维持室内温湿度的稳定和正常。 通信报警模块 基站中所有设备的运行情况都需要自动检测、诊断、修复，因为基站的设备运行都是在无人的情况下。 引入 SIM900模块便于完成单片机与控制中心的通讯，保持系统运行的安全性和稳定性。 还引入了报警电路，当温度或湿度过高时，报警模块启动，并通过 SIM900模块发送报警短信到控制中心，以通知工作人员进行及时地检修。 硬件设计 7 第三章 硬件设计 电路总体设计 本系统硬件电路的设计采用分模块的思想，各个 子模块 单独 设计， 并 提供 合适 的接口 ， 整个系统 通过各自 的接口连接 为 一个整体。 这样做 ，首先可以保证每个模块的独立性， 方便 灵活 的 组装 ， 另一方面， 在 系统维护 阶段 ，可以 在 不影 响整体性能的前提下，对系统中某个模块进行修改或者升级。 考虑 到本系统的要求，自动调整基站 温湿度 ， 则要求系统中 必须 包含 温湿度数据采集 电路， 空调 、风扇控制驱动电路 ， 还有最重要的核心控制模块电路 ； 同时，为了方便维护人员维护 ，在 现场 增加液晶 显示模块与异常报警电路 来 提醒温湿度的 异常。 而 基站通常是无人值守的，所以为了在这种情况下能够及时发现环境异常，本系统中加入了GPRS 蜂窝 无线通信模块电路， 用来定时 将温湿度数据上传至服务器，并在出现异常的情况下，将 异常 提醒短信发送 至 设备维护人员 ， 保证系统及时 得到 维护。 电路 主要 可以分以下 几个模块： ① 温湿度采集模块 温湿度 采集模块 的 功能就是 使用 温湿度传感器，采集基站的 温湿度 信息， 该模块 的设计 本着精度 与成本兼顾的最优化 思想 ， 采用 了比较成熟稳定的温湿度传感器， 以此 给系统提供可靠的数据源。 ② 键盘显示模块 键盘 显示模块中包含了键盘输入模块电路与液晶显示电路。 作为 系统的人机接口模块，考虑到现场环境的需要与实时的系统的调整， 本 系统采用了 非 编码的矩阵 键盘 作为 输入 ，能够 提供较为丰富的 按键 功能； 液晶 显示器采用了 成熟 稳定的液晶显示器 ， 能够满足 现场 实时显示的要求。 ③ 中央处理模块 中央 处理模块是系统正常运行必 不可少的控制中枢。 为了 保证系统的高可靠性 ， 可维护性及可扩展性， 本系统 选用了 工业 微型控制器 作为 控制中枢， 该 控制器成熟 稳定 ，且使用方便 ， 接口丰富，便于扩展。 ④ 温湿度控制模块 温湿度 控制模块 的 任务就是驱动执行机构对温湿度 进行 调节。 本 系统利用 基硬件设计 8 站中 已经存在的风机和空调， 作为控制 执行机构， 系统主要 设计了 驱动电路 来驱动风机和空调的运行与停止， 使得 系统的温湿度调节自动化 、 智能化。 ⑤ 通讯报警模块 通讯 报警模块 的 主要任务是 通过 互联网上传实时的温湿度数据，并在发生异常的情况下进行报警， 包括 现场 蜂鸣 报警与远程短信报警。 让 工作 人员随时了解基站的 健康 状况， 使得 基站的管理透明化、智能化。 总体电路原理图如图 31 所示： 图 31 总体电路图 硬件设计 9 温湿度采集模块电路 设计 温度 采集模块设计 一般基站 是 建立 在野外的 中 的， 环境 温度变化 比较 大 ，因此温度 传感器的选型要满足 宽 温度变化 范围 ，同时要保证 准确性。 基于这种 思想，本系统选择了DS18B20数字 温度计作为 温度传感器。 DS18B20的特点： 单总线接口，只要一个端口引脚线就可以通信 每个器件的 ROM都有一个独特的 64位串行码 具有多点 能力 不需要其他外围元件 可以使用数据线供电，电压范围是 ～ 能够测量的温度范围： 55℃～ +125℃ 用户可以设定分辨率（从 912位中选择） 内部设有温度上下限和报警装置 DS18B20引脚说明 DS18B20的引脚图如下图 32所示： 图 32 DS18B20引脚排列 硬件设计 10 DS18B20引脚功能描述如下表 31所示： 表 31 DS18B20引脚功能描述 序号 名称 引脚功能 1 GND 地信号 2 DQ 数据输入/输出引脚。 对于单线操作：漏极开路。 当工作在寄生电源模 式模式时用来提供电源。 3 VDD 可选用的VDD引脚。 工作与寄生电源模式时VDD必须接地。 DS18B20的使用方法 因为 DS18B20采用的是一根数据线实现双向传输，因此，它对读写数据位的时序要求十分严格。 DS18B20采用的时序协议是：初始化时序、读时序、写时序。 下面我对时序协议简单介绍下： DS18B20初始化时序 图 33 DS18B20初始化时序 DS18B20读时序 图 34 DS18B20读时序 硬件设计 11 DS18B20的写时序 图 35 DS18B20的写时序 DS18B20的内部结构 DS18B20的内部结构如图 36所示： 图 36 DS18B20的内部结构 DS18B20有 4个主要的数据部件： （ 1） 64位激光 Rom。 （ 2）温度灵敏元件。 （ 3）非易失性温度报警触发器 TH和 TL。 （ 4）配置寄存器。 DS18B20在 0时序按此寄存器将温度转换成相应的数值，其各位定义如下表 32所示： 硬件设计 12 表 32 配置寄存器结构 TM R1 R0 1 1 1 1 1 MSB DS18B20配置寄存器结构 LSB 其中 TM（测试模式标志位），在出厂前被写入 0，不可以被改变。 R0、 R1（温度计分辨率设置位），它的对应四种分辨率如下表 33所示： 表 33 置配寄存器与分辨率关系表 R0 R1 温度计分辨率/bit 最大转换时间/us 0 0 9 0 1 10 1 0 11 375 1 1 12 730 高速暂存存储器 当温度转换命令发布后，温度值会以二进制补码的形式存放在高速暂存存储器中，单片机可以通过单线接口读到数据，读取时低位在前，高位在后。 对应的温度计算： S=0时，直接将二进制转换成十进制； S=1时，先将补码转换成原码，再转换成十进制。 表 34 温度值格式图 DS18B20温度数据表 温度 低位 温度 高位 TH TL 配置 保留 保留 保留 8位CRC LSB DS18B20存储影像图 MSB 23 22 21 20 21 22 23 24 MSB LSB S S S S S 26 25 24 硬件设计 13 表 35 典型对应的温度值表 温度/℃ 二进制表示 十六进制表示 +125↓ +↓ +↓ +↓ 0↓ ↓ ↓ ↓ 55↓ 00000111 1101000↓ 00000001 1001000↓ 00000000 1010001↓ 00000000 0000100↓ 00000000 0000000↓ 11111111 1111100↓ 11111111 0101111↓ 11111110 0110111↓ 11111100 1001000↓ 07D0H↓ 0191H↓ 00A2H↓ 0008H↓ 0000H↓ FFF8H↓ FF5EH↓ FE6FH↓ FC90H↓ DS18B20与 核心控制器的接口 设计 DS18B20是 单总线 器件 ， 使用 一根总线进行 寄 存器 的访问、芯片的寻址与数据的传输。 DS18B20具有 较宽的 供电 电压范围，一般选用 5V电源 给它供电。 为了保证数据管 脚 的接口时序 、 并考虑 核心 控制器的输入 电压 范围， 高于 识别为 1， 低于 识别为 0， 因此本系统将 DS18B20的 数据管脚通过一个上 拉 电阻拉高， 保证 高低电平的变化。 DS18B20电路图 如下所示： 图 37 DS18B20电路图 湿度传感器 HS1101 基站的 野外环境 不 确定，可能会在 干旱 的北方平原，也可能在潮湿的 河流 聚集地，其 湿度 的特点是 季节性 、区域性较强。 本系统 为了适应 这种 不 确定性 ， 保证系统正常稳定的工作， 选择 了 精度 较高、 测量范围 较宽的湿度传感器 HS1101。 硬件设计 14 HS1101的特点： ﹒全互换性，在标准环境下不需校正。 ﹒在长时间饱和的状况下快速脱湿。 ﹒高度可靠性和稳定性。 ﹒快速反应时间。 ﹒可以用线性电压或者频率输出回炉。 HS1101的示意图如图 38所示： 图 38 HS1101示意图 HS1101在电路中相当于是一个会变化电容大小的电容器，它的电容会随着环境湿度的增大而增大。 下图 39 HS1101典型输出曲线。 图 39 HS1101典型输出曲 线 硬件设计 15。