基于单片机的配电房温湿度测控系统设计(编辑修改稿)

基于单片机的配电房温湿度测控系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

显示温青岛理工大学毕业设计（论文） 9 度和湿度信息。 数码显示电路采用共阳级数码管，由于 AT89C 51单片机每个 I/O口的拉电流只有 1～ 2mA，采用三极管驱动，通过 PC 0～ PC3进行位选，数据通过 PC4～ PC7输出，经过译码器 74LS47转换成适合数码管显示的7段数据码。 显示部分接到单片机的 J1接口上，其电路如图。 图 动态显示部分 至于键盘部分 采用非独立的 4X4 矩阵键盘 ,接口为 89C 51 的 P1 口 ,其中 P10～ P13 为输出口， P14～ P17 为输入口。 为减少单片机的工作量 ,采用中断式键盘 ,在有键被按下产生中断时中断服务 程序才去扫描键盘 ,这样大大减轻单片机的工作量 ，如图 所示。 青岛理工大学毕业设计（论文） 10 图 4X4矩阵键盘 当 T295温湿度传感器采集到的温度值和湿度值超出控制 系统设定的设定值时，并在规定的时间内没有恢复时，单片机就发出超限报警，蜂鸣器发出蜂鸣声红色发光二极管发红光，直到测量值 恢复 到设定值上 下 限范围 ，报警才停止。 报警信号由 ，。 由于单片机的 I/O输出电流只有 5mA，不足以驱动蜂鸣器，所以使用三极管驱动蜂鸣器， 如图。 图 报警电路 键 盘部分与报警部分都接入 J1端子板，另一端接入 AT89C 51。 青岛理工大学毕业设计（论文） 11 输出部分 输出部分如图 ，执行元件为电阻丝和风扇，其 输 入 电压为交流 220V,连接有断路器实现 短路和过载保护 作用，由 PB PB3口输出控制信号，控制过零型交流 SSR实现温度和湿度的控制，在控制信号端和过零型交流 SSR之间添加自动 /手动开关，通过控制开关可实现系统的自动和手动功能互相切换的作用。 图 输出部分 固态继电器，它是一种无触点通断型电子开关，是四端有源器件 ，其中两个为控制输入端，另外两个为输出受控端。 为了实现输入与输出的隔离，器件采用高耐压的光耦合器。 当输入信号有效时，主电路呈导通状态，无信号时呈阻断状态，可以实现类似电磁继电器的开关功能。 SSR是将 MOSFET、 GTR、普通晶闸管等组合在一起 与触发电路封装在一个模块中，并且驱动电路与输出电路实现电气隔离，如图 示。 过零电路吸收电路AC ~ S S R1234 青岛理工大学毕业设计（论文） 12 图 SSR内部结构图 系统硬件部分的抗干扰设计 综合以上设计中提到的抗干扰的措施和电路设计、布局、布线中需要考虑的抗 干扰原则 及各种常用抗干扰措施 [ 4 ]。 抑制干扰源的常用措施如下 : (1)继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。 续流 二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳继电器在单位时间内可动作的次数。 (2)在继电器接点两端并接火花抑制电路，减小电火花影响。 (3)信号输入端加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。 (4)电路板上每个 IC要并接一个 ，以减小 IC对电源的影响。 注高频电容的布线。 (5)单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。 大功率器件尽可能在电路边缘。 (6)布线时避免 90度折线 ，减少高频噪声射。 切断干扰传播路径的常用措施如下 : (1)充分考虑电源对单片机的影响，电源做好，整个电路的抗干扰就解决了一 大半。 许多单 片 机对电源噪声很敏感，要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。 可用 100欧姆电阻代替。 (2)在 I/O口与噪声源之间应加隔离。 也可 100O欧姆 电阻代替。 (3)注意晶振布线。 晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来， 晶振外壳接地并固定。 (4)电路板合理分区，如强、弱信号、数字、模拟信号。 尽可能把干扰源 (如电机，继电器 )与敏感元件 (如单片机 )远离。 (5)接地问题 为了是系统能正常工作和提高转换精度而不受模拟地和数字地的干扰，需要将整个系统的接地进行处理，先将整个系统的模拟地和数字地分开接，然后通过 0Ω的电阻将模拟地和数字地接在一起。 这样能青岛理工大学毕业设计（论文） 13 滤除较大的带宽频率，如图 所示。 G N DR 1 50 G N D G N D模拟地 数字地 图 共地接法 青岛理工大学毕业设计（论文） 14 第 四 章 系统软件设计 根据系统所要实现的不同功能，软件部分分为主程序和子程序两部分，子程序可分为 A/D采样、温湿度控制、动态显示、键盘管理及串行通讯五部分，最后是对本系统中软件部分的抗干扰设计。 主程序 图 主程序流程图 青岛理工大学毕业设计（论文） 15 A/D 采样子程序 在进行控制时，给定值是温度值和湿度值，但在数据采集程序中，计算机采集到的是经过 A/D转换后大小为 0～ 255的数字量，为了方便运算，必须把这些无量纲的数字转化为实际的温度值 与湿度值，其标度变换按 式 : XA = 0A +( mA 0A )*( XN ON )/( mN ON ) () 式中 0A 一 次测量仪表的下限 ； mA 一 次测量仪表的上限 ； xA —— 实际测量值 ； ON 一一 仪表下限对应的数字量 ； mN 一一 仪表上限对应的数字量 ； XN 测 量值所对应的数字量。 这样就可以把设定的温度值转换成数字量，在和采集到的实际温度值的数字量进行比较，求出偏差，进行控制 [5]。 采样子程序流程图如图。 青岛理工大学毕业设计（论文） 16 图 采样子程序流程图 温湿度控制子程序 PID控制规律是广泛应用的一种控制规律， PID控制规律表示比例(p ro p ort iona l) 积分 (integral )一微分 (diferent ial)控制即调节器的输出与输入是比例一积分一微分的关系。 这种按偏差 比例 (p ropo rt ional )、积分 (integral )、 微分 (deri vati ve)PID控制，是连续系统中技术成熟，应用最广泛的控制方法，具有原理简单，易于实现，结构典型，参数整定方便，鲁棒性强，适用面广和效果显著等特点，特别适用于对象动态特性不完全掌握、得不到精确数学模型、难以用控制理论进行分析和综合的场合。 在过程计算机控制系统中， PID算法仍然是应用最广泛和最成功的控制算法，利用计算机运算速度快，容量大，逻辑判断青岛理工大学毕业设计（论文） 17 功能强，软件变化等特点，不 是简单地把模拟控制 PID算法数字化，而是进一步发展，使其具有智能化，更适合各种生产过程的控制要求。 PID控制器中的比例作用起纠正偏差的作用，其反应迅速，积分作用能清除静差，改善系统静态特性，微分作用有利于减小超调，克服震荡，提高系统的稳定性，加快系统过渡过程的作用，但对过程或测量噪声很敏感。 微分作用的引进改善了系统动态特性。 但也容易引进高频干扰，在控制算法中，采用实际微分或加上低通滤波，将使控制性能显著改善。 PID控制器的数学模型可以用下式表示 : u(t )= PK [ e(t )+  TIdtteT0)(1 DT dttde)( ] () 式中 u(t )控制器的输出。 PK 比例系数。 IT 积分时间常数。 DT 微分时间常数。 e(t) — 偏差， e(t)=SPPV,S P和 PV分别为被控参数的设定值和实际值。 在以微处理机为硬件核心的控制系统当中，由于以采样周期对输入和输出状态进行实时采样，故它是离散时间控制系统。 在离散控制系统中， PID控制器采用差分方程表示。 若选采样周期为 T，将式 离散化处理，可得差分方程为 u (n )= PK {e(n)+ITT nk ke0 )(+ TTD [e(n)e(n 1)]} = PK e(n )+ IK nk ke0 )(+ DK [e(n)e(n1)] 式中 u (n )为本次 PID算法的控制输出 ； e(n)为本次采样所得的偏差信号。 e(n 1)为上次采样所得的偏差信号 ； IK 为积分常数 ； IK = PKITT DK 为微分常数； DK = PK TTD 式 PID算式。 从式 以看到，每次的控制输出都与系统过去的所有状态有关，它需要对偏差 e进行不断的累加，从而增大了计算机的计算量和存储量，而且当给定值变更时，容易产生积分失控，发生阀门冲击和超调。 为了弥补这一缺陷，目前计算机控制系统中的 PID控制常用增量式算法 ， PID控制常用增量式算法 如下 ： 青岛理工大学毕业设计（论文） 18 其中 0b = PK + IK + DK 1b = PK 2 DK 2b = DK 在计算机控制 系统中，采样周期 T一般是恒定的，所以在确定了PK、IK和DK之后，仅需在内存中依次存放三个采样周期的偏差值，即可求出控制增量。 采用增量式算法不仅简化了运算过程，而且还具有如下优点 : (1)算式中没有累加项，不会发生积分失控，也不易产生超调。 (2)由于控制输出是控制值的增量，所以当系统出现故障时影响范围就小，也较容易实现自动 /手动切换。 (3)可以在程序中设置条件判断，当 PID算式输 出的控制增量超过允许范围时，限制输出的变化幅度，从而减小对被控系统的冲击。 由于增量式算式给出的是每个采样周期中控制输出的变化量，所以必须通过一个积分环节才能得到实际位置的控制给定。 在应用中，可采用步进电机作为阀门的驱动元件，计算机将增值转换成向正方向或负方向的步进脉冲给出。 如果执行器是位置型的，计算机应采用式 给出控 制输出值 ： u (n )=u (n。