基于单片机的粮库温湿度控制系统的设计u

基于单片机的粮库温湿度控制系统的设计u内容摘要：

61 574U 1 0L M 7 4 13261 574U 1 1L M 7 4 1 3261 574U 1 2L M 7 4 1+ C81 0 0 0 u+C81 0 0 0 unIqKITVBE K/mA1TIr 基于单片机的粮库温湿度控制系统的设计 7 图 23 感温部分的核心电路 图 24 AD590 内部的电路 AD590 的工作原理 在被测温度一定时， AD590 相当于一个恒流源，把它和 5～ 30V 的直流电源相连，并在输出端串接一 个 1kΩ 的恒值电阻，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有 1mV／K 的电压信号。 图 23 是利用 ΔUBE 特性的集成 PN 结传感器的感温部分核心电路。 其中 T T2 起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流 I1 和 I2 相等； T T4 是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但 T3 实质上是由 n 个晶体管并联而成，因而其结面积是 T4 的 n 倍。 T3 和 T4 的发射结电压 UBE3 和 UBE4 经反极性串联后加在电阻 R 上，所以 R 上端电压为 ΔUBE。 因此，电流 I1 为： 对于 AD590， n＝ 8，这样，电路的 总电流将与热力学温度 T 成正比，将此电流引至负载电阻RL 上便可得到与 T 成正比的输出电压。 由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。 图 3 中的电阻 R 是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到 1μA／ K 的 I 值。 图 24 所示是 AD590 的内部电路，图中的 T1～ T4 相当于图 23 中的 T T2，而 T9， T11 相当于图 23 中的 T T4。 R R6 是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。 T T8，T10 为对称的 Wilson 电路，用来提高阻抗。 T T12 和 T10 为启动电路，其中 T5 为恒定偏置二极管。 T6 可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。 R1， R2 为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。 T1～ T4 是为热效应而设计的连接方式。 而 C1 和 R4 则可用来防止寄生振荡。 该电路的设计使得 T9， T10， T11 三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流 I 的 1／ 3。 T9 和 T11 的发射结面积比 为 8： 1， T10 和 T11 的发射结面积 相 等。 T9 和 T11 的发射结电压互相反极性串联后加在电阻 R5 和 R6 上，因此可以写出： ΔUBE＝（ R6－ 2 R5） I／ 3 R nln)qKT(RUI BE1  基于单片机的粮库温湿度控制系统的设计 8 R6 上只有 T9 的发射极电流，而 R5 上除了来自 T10 的发射极电流外，还有来自 T11 的发射极电流，所以 R5 上的压降是 R5 的 2／ 3。 根据上式不难看出，要想改变 ΔUBE，可以在调整 R5 后再调整 R6，而增大 R5 的效果和减小 R6 是一样的，其结果都会使 ΔUBE 减小，不过，改变 R5 对 ΔUBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。 实际上就是利用激光修正 R5 以进行粗调，修正 R6 以实现细调，最终使其在 25℃ 之下使总电流 I 达到 1μA／ K。 AD590 的基本应用电路 图 25（ a）是 AD590 的封装形式，图 25（ b）是AD590 用于测量热力学温度的基本应用电路。 因为流过 AD590 的电流与热力学温度成正比，当电阻 R1 和电位器 R2 的电阻之和为 1kW 时，输出电压 VO 随温度的变化为 1mV/K。 但由于 AD590 的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。 调整的方法为：把 AD590 放于冰水混合物中，调整电位器 R2，使VO=。 或在室温下 (25℃ )条件下调整电 位器 ,使 VO=+25=（ mV）。 但这样调整 只可保证在 0℃或 25℃附近有较高精度。 AD590 温度与电流的关系如下表 21 所示。 图 25 AD590 的封装及基本应用电路 表 21 AD590 温度与电流的关系表 摄氏温度 AD590 电流 经 10KΩ 电压 0℃ V 10℃ V 20℃ V 30℃ V 40℃ V 50℃ V 60℃ V 100℃ V LM741 放大器 741 型运算放大器具有广泛的模拟应用。 宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。 高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。 此外，它还具有如下特点：（ 1）无频率补偿要求；（ 2）短路保护；（ 3）失调电压调零；（ 4）宽大的共模、差模电压范围 ；（ 5）低功耗。 741 型运放双列直插封装的俯视图如图 26（ a）所示。 紧靠缺口（有时也用小圆点标记）下方的管脚编号为 1，按逆时针方向，管脚编号依次为 2， 3，…， 8。 其中，管脚 2 为运放反相输入端， 基于单片机的粮库温湿度控制系统的设计 9 管脚 3 为同相输入端，管脚 6 为输出端，管脚 7 为正电源端，管脚 4 为负电源端，管脚 8 为空端，管脚 1 和 5 为调零端。 通常，在两个调零端接一几十千欧的电位器，其滑动端接负电源，如图 (b)所示。 调整电位器，可使失调电压为零。 U +U IN 8 7 6 51 2 3 4 +IN +OUT 调零调零空端++231 5 467U +U （ a） （ b） 图 26 741 型运算放大器的封装图 LM741 是通用型集成单运算放大器，其特点是电压适应范围较宽，可在 177。 5 ～ 177。 18V 范围内选用；具有很高的输入共模、差模电压，电压范围分别为 177。 15V 和 177。 30V；内含频率补偿和过载、短路保护电路；可通过外接电位器进行调零。 图 27 为 LM741 的内部电路图 图 27 LM741 的内部电路图 湿度采样电路设计 湿度传感器的分类及特点 湿度传感器，分为电阻式和电容式两种，产品的基本形 式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。 空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。 湿度传感器具有如下特点： （ 1） 精度和长期稳定性 基于单片机的粮库温湿度控制系统的设计 10 湿度传感器的精度应达到 177。 2%~177。 5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到 177。 2%~177。 3%RH 的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温（ 20℃ 177。 10℃ ）和洁净的气体中测量的。 在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般 说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在 1%RH 水平的产品很少，一般都在 177。 2%左右，甚至更高。 （ 2） 湿度传感器的温度系数 湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在 ~%RH/ ℃ 范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。 温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。 采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用 硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。 湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。 多数湿敏元件难以在 40℃ 以上正常工作。 （ 3） 湿度传感器的供电 金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化锂等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。 必须是交流电供电。 （ 4） 互换性 目前，湿度传感器普遍存在着互换性差的现象，同一型号的传感器不能互换，严重影响了使用效果，给维修、调试增加了困难，有些厂家在这方面 做 出了种种努力，（但互换性仍很差）取得了较好效果。 （ 5） 湿度 校正 校正湿度要比校正温度困难得多。 温度标定往往用一根标准温度计作标准即可，而湿度的标定标准较难实现，干湿球温度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来作标定的，精度无法保证，因其要求环境条件非常严格，一般情况（最好在湿度环境适合的条件下）在缺乏完善的检定设备时，通常用简单的饱和盐溶液检定法，并测量其温度。 湿度传感器的选择 本系统选用 HSl101 湿度传感器来测量粮库中的相对湿度，它具有如下特点：不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，适用于线性电压输出和 频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。 图 28 为 HS1101 的结构及示意图。 表 22 为 HS1101 的特性参数。 基于单片机的粮库温湿度控制系统的设计 11 图 28 HS1101 的结构及示意图 图 29 为 HS1101 的电容湿度响应曲线，相对湿度在 0%100%RH 范围内，电容量由 162PF 变到200PF，其误差不大于 177。 2%；响应时间小于 5s；温度系数为 ℃。 表 22 HS1101 的特性参数 图 29 湿度 — 电容响应曲线 湿度信号的测量原 理 如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常用两种方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再经 AD 转换为数字信号，一种是将该湿敏电容置于 555 定时器或施密特触发器组成的振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集 [9]。 本系统采用的是将 HS1101 接入 555 定时器组成振荡器电路，输出一定频率的方波信号，电路图如图 210 所示。 集成定时器 555 芯片外接电阻 R R2 与湿敏电容 C 构成了对 C 的充电回路。 7 端 通过芯片内 基于单片机的粮库温湿度控制系统的设计 12 部的晶体管对地短路又构成了对 C 的放电回路，并将引脚 2， 6 端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。 另外， R3 是防止输出短路的保护电阻， R1 用于平衡温度系数。 该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下 ： 首先电源 Vs 通过 R R2 向 C 充电，经 t1 充电时间后，Uc达至芯片内比较器的高触发电平，约 ，此时输出引脚 3 端由高电平突降为低电平，然后通过 R2 放电，经 t2 放电时间后， Uc下降到比较器的低触发电平，约 033Vs，此时输出引脚 3 端又由低电平跃升为高电平。 如此翻来覆去，形成方波 输出。 其中充放电时间为 图 210 湿度测量电路 2ln)RR(Ct 421  2lnCRt 22 因而，输出的方波频率为 可见，空气的相对湿度通过 555 测量振荡电路就转变为与之成线性关系的频率信号。 表 23 给出了其中的一组典型测试值。 表 23 相对湿度与电压频率的典型值 将 555 测量振荡电路输出的方波信号送入单片机 AT89S52 的 Tl 引脚，定时器 /计数器 1 工作在计数方式，定时器 /计数器 0 工作在定时方式。 用这种测量频率法测出方波信号的频率，从而也就测出了空气中的相对湿度。 f 0 7351 10 7224 20 7100 30 6976 40 6853 50 6728 60 6600 70 80 90 100 6468 6330 6033 6186 RH TRIG THR CNTL RST GND VDD DISC OUT TLC555CD 5 VCC Fout 6 2 4 1 R1 909K HS1101 R。