單片機(jī)設(shè)計(jì)溫濕度控制儀

在某些行業(yè)中對(duì)溫濕度的要求較高，特別是在電力系統(tǒng)中，由于溫度過高、過低引起的元件失效或由于濕度過高而引起的爬電、閃絡(luò)事故時(shí)有發(fā)生。為了避免這些故障，需要在電力設(shè)備柜體內(nèi)安裝控溫、除濕設(shè)備。采用單片機(jī)開發(fā)的的溫濕度控制儀功能齊全、操作簡(jiǎn)便，特別適用于對(duì)溫濕度控制要求較高的繼電保護(hù)柜、儀表箱、計(jì)量柜等設(shè)備。主要技術(shù)指標(biāo)如下。
　　溫度指示：-30℃～120℃，精度±1℃；
　　濕度指示：(0～100)%RH，精度±5%RH；
　　加熱器啟動(dòng)條件：溫度顯示值≤低溫加熱下限T1_L時(shí)，或濕度顯示值≥過濕加熱整定值上限H_H時(shí)；
　　加熱器退出條件：溫度顯示值≥低溫加熱上限T1_H與濕度顯示值≤過濕加熱整定值下限H_L都滿足時(shí)；
　　排風(fēng)扇啟動(dòng)條件：溫度顯示值≥排風(fēng)降溫整定值上限T2_H時(shí)；
　　排風(fēng)扇停止條件：溫度顯示值≤排風(fēng)降溫整定值下限T2_L時(shí)；
　　繼電器觸點(diǎn)容量：AC220V/10A。 圖１：溫濕度控制儀硬件結(jié)構(gòu)圖

硬件設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)的核心采用與MCS-51完全兼容的GMS97C2051單片機(jī)，20腳封裝，減少了P0口和P2口，其他配置與性能不變，OTP器件降低了硬件成本。

　　系統(tǒng)中使用美國(guó)IMP公司的單片機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控電路IMP813L，以防程序跑飛。如果WDI不處于浮空狀態(tài)，在1.6秒內(nèi)GMS97C2051不觸發(fā)看門狗輸入WDI，就說明程序已經(jīng)紊亂，看門狗輸出端將輸出低電平到手動(dòng)復(fù)位端，使復(fù)位輸出端發(fā)出復(fù)位信號(hào)，使GMS97C2051可靠復(fù)位。

　　顯示電路采用帶有高速串行接口的8位LED控制驅(qū)動(dòng)器PS7219。PS7219是高性能、低價(jià)格的多位LED顯示驅(qū)動(dòng)器，完全兼容MAX7219，并增添了位閃等功能。其接口采用流行的同步串行外設(shè)接口SPI，可與任何一種單片機(jī)方便接口，并可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位LED。PS7219內(nèi)部有15×8 RAM功能控制寄存器，可方便尋址、對(duì)每位數(shù)字可單獨(dú)控制、刷新，不需重寫整個(gè)顯示器，顯示亮度可數(shù)字控制，每位都有閃爍使能控制位。PS7219的這些特點(diǎn)，既節(jié)省了I/O口，又方便了編程。

　　A/D轉(zhuǎn)換器采用8位串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC0834。TLC0834是低價(jià)格8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其多路器可用軟件配置為單端或差分輸入，也可配置為偽差分輸入，基準(zhǔn)電壓的大小可調(diào)，在全8位分辨率下允許任意小的模擬電壓編程間隔。

　　濕敏傳感器采用電容式濕敏元件HS1101。HS1101有響應(yīng)快、線性度高、高可靠性和常時(shí)間穩(wěn)定性、常時(shí)間飽和下快速脫濕等優(yōu)點(diǎn)。IC1-a與R1、R2、C1組成一個(gè)多諧振蕩器，其振蕩頻率f=1.44/(R1+2R2)C1，圖示參數(shù)振蕩頻率約為50Hz(T=20ms)，其振蕩脈沖作為可變脈沖發(fā)生器提供觸發(fā)脈沖。圖1中右側(cè)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由IC1-b、R3以及HS1101組成，輸出脈寬取決于充電時(shí)間常數(shù)RC，即t=1.1R3(C2+CX)，此輸出脈沖經(jīng)平滑濾波器R4、C3濾波后，經(jīng)IC3(OP07)直流放大后輸入到TLC0834的模擬電壓輸入端。其中，RP1用來調(diào)零，RP2用來調(diào)滿刻度。

　　溫度傳感器采用MF58型熱敏電阻，本系統(tǒng)的測(cè)量范圍為：-30～120℃，對(duì)應(yīng)的電阻值范圍為：60.0256～0.2760kΩ。因MF58的阻值變化足以為TLC0834提供0～2.5V的模擬電壓，所以LM358接成電壓跟隨器的形式。TLC0834可由軟件配置為差分或單端輸入，對(duì)于溫度采樣用差分輸入方式，RP3用來調(diào)零，RP4用來調(diào)滿刻度。

　　本系統(tǒng)中設(shè)立3個(gè)按鍵，分別是功能鍵、加1及減1鍵，用來設(shè)定溫濕度的上下限。功能鍵是多功能鍵，依照按下的次數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的功能。當(dāng)功能鍵第一次被按下，數(shù)碼管顯示調(diào)整低溫加熱下限符號(hào)并顯示低溫加熱下限的值，按加1減1使值符合要求后，再按下功能鍵則數(shù)碼管顯示調(diào)整低溫加熱上限符號(hào)并顯示低溫加熱上限的值，按加1減1使值符合要求，這樣依次類推，設(shè)定完最后一個(gè)參數(shù)后，再按一次功能鍵則完成參數(shù)整定進(jìn)入測(cè)控狀態(tài)。

軟件編程
　　控制儀的軟件由主程序和T0中斷處理程序組成，其中主程序框圖如圖2所示，T0中斷處理程序如圖3所示。

　　系統(tǒng)中，設(shè)定定時(shí)器T0為工作方式1，定時(shí)周期為125ms，8次定時(shí)器中斷為1秒。為了提高抗干擾性能，采用滑動(dòng)平均濾波算法，即只采樣一次，將這一次采樣值和過去的若干次采樣值一起求平均，得到的有效采樣值即可投入使用。本系統(tǒng)中采用兩個(gè)環(huán)形隊(duì)列，每次中斷采樣一次溫濕度的值，分別放入環(huán)形隊(duì)列中，每存入一個(gè)新數(shù)據(jù)便自動(dòng)沖去一個(gè)舊數(shù)據(jù)。環(huán)形隊(duì)列的地址為30H～3FH共16個(gè)單元，溫濕度數(shù)據(jù)各占8個(gè)單元。為了有效防止顯示閃爍現(xiàn)象，每秒鐘進(jìn)行一次數(shù)據(jù)處理(8個(gè)數(shù)據(jù)求和再除以8)，處理后的數(shù)據(jù)換算成溫濕度的值送顯示緩存并申請(qǐng)顯示，同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控處理，符合加熱器加熱停止條件或排分扇啟動(dòng)停止條件的，要進(jìn)行相應(yīng)的處理。

　　由于系統(tǒng)中有看門狗電路，所以在編程時(shí)要特別注意，傳統(tǒng)的等待按鍵釋放的方法容易造成看門狗電路輸出復(fù)位信號(hào)。解決方法是，在主程序中，當(dāng)檢測(cè)到有鍵按下后置鍵按下標(biāo)志位，在主程序的循環(huán)中則反復(fù)判斷鍵按下標(biāo)志位是否被清零，如果被清零則說明鍵已釋放，然后才能進(jìn)行下一輪的鍵盤按下判斷。在T0中斷處理程序中，每次中斷均要檢測(cè)鍵是否按下。若無鍵按下，有兩種情況，一是系統(tǒng)中無鍵按下(此時(shí)鍵按下標(biāo)志為0)，處于監(jiān)控狀態(tài)；二是鍵按下釋放后的情況(此時(shí)鍵按下標(biāo)志為1)，這時(shí)要清鍵按下標(biāo)志，以便主程序中進(jìn)行下一輪的鍵按下檢測(cè)。這樣既可以保證當(dāng)鍵按下后不論按下多長(zhǎng)時(shí)間只響應(yīng)一次，又可以保證不使看門狗電路輸出復(fù)位信號(hào)。

結(jié)語
　　用單片機(jī)為核心開發(fā)的溫濕度控制儀小巧美觀，安裝、使用方便，性能穩(wěn)定可靠，不僅可用于電力部門，對(duì)溫濕度要求較高的庫(kù)房、糧倉(cāng)等場(chǎng)所也十分適用。