新型恒溫恒濕箱測控系統(tǒng)的設計與研究

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展 ,恒溫恒濕箱的應用越來越廣 ,生產(chǎn)、科研對它的要求也越來越高。 要求它的性能價格比更高 ,使用壽命更長 ,使用費用更少 (省電 ) ,響應速度更快。筆者從硬、軟件兩個方面作了研究設計與調(diào)試 ,研制出新型恒溫恒濕箱 ,以滿足用戶更高的要求。1  系統(tǒng)硬件設計
 
恒溫恒濕箱測控系統(tǒng)的硬件框圖如圖 1所示。主要包括帶有 20 k B閃存存儲器 ( fla sh m em ory )和內(nèi)存 256B RAM 的高性能 AT89C55 單片機芯片[1 ] 、 A /D轉(zhuǎn)換器 IC L7135、傳感器、輸入設備 ( 鍵
盤 )、輸出設備 (數(shù)碼顯示器 LED、監(jiān)視器 CRT、微型
打印機 )、輸出控制設備等。
1. 1  單片機接口的復用技術(shù)
 
AT 89C系列單片機共 4個接口 ( P0、 P1、 P2、 P3 )32位 ,本系統(tǒng)所需的接口如下: 4× 4鍵盤占 8位;
 
A /D轉(zhuǎn)換器 7135需 12位; 微型打印機 10位; 監(jiān)視器 CRT(串口 ) 2位; 12位數(shù)碼顯示器 LED 需 20位 I / O 口 (用并行口 , 12位 , 8段 ); 輸出控制位 4位; 2
個控制二選一轉(zhuǎn)換開關(guān) 4066需 2位; 中斷 2位;
 
X25045需 4位 ,故共需 64位 I /O 口。如擴展 I /O 口
 
則將使系統(tǒng)變得既龐大、又雜復。本文使用單片機接口的復用技術(shù) ,可以使系統(tǒng)大大簡化。在復用技術(shù)中應遵循兩條原則: 除了輸出控制位之外 ,其它 I /O 口位都可以使用復用技術(shù); 充分利用單片機接口各位 ,只有到單片機本身接口不夠使用時才使用接口復用技術(shù)。
1. 1. 1 CRT 監(jiān)視器與 LED顯示器共用串口
 
如果不用接口復用技術(shù) ,單片機與 PC機的通訊用了串口 ( 2位 ) , LED顯示就只能用并口動態(tài)顯示 ( 10+ 8= 18位 ) ,總共需 20位。本系統(tǒng) LED 顯示采用通過串入并出接口 74LS164實現(xiàn)靜態(tài)顯示。如圖 1所示 ,只要用單片機的 1位作二選一開關(guān) 4066 的控制位 ,亦即只用單片機的 3位 ,就達到了使兩種顯示器共用串口的目的。 這樣既節(jié)省了 I /O 口 ,也節(jié)省了為 LED動態(tài)顯示 CPU 所花費的時間。
1. 1. 2 鍵盤與微型打印機共用 P0 口
 
鍵盤輸入接口與微型打印機輸出接口共用 P0 口 , 鍵盤再用到中斷口 IN T0 , 微型打印機再用到 W R、 RD信號位即可使兩者互不影響。
1. 1. 3 2045與 ICL 7135共用 P1 口
 
本系統(tǒng)所采用的 A /D 轉(zhuǎn)換器如圖 1所示的 ICL 7135是四位半雙積分 A /D轉(zhuǎn)換器。 它具有抗干擾性能好 ,轉(zhuǎn)換精度高 (相當于 14位二進制數(shù) ) , 自動校零 ,動態(tài)字位掃描 BCD碼輸出 ,單基準電壓 , 價格低廉等特點。雖然它的轉(zhuǎn)換速度較慢 ,但本系統(tǒng)所控的對象—— 溫濕度變化都是緩慢的量 ,是足夠的了[2 ]。 它占用 P1 口 8位 , P2 口 4位。
 
X25045芯片把 3種常用功能—— 看門口定時器、電壓監(jiān)視和 E2 PROM 組合在單個封裝之內(nèi) ,這種組合降低了系統(tǒng)成本并減少了對電路板空間的要求。 其中 4096位串行 E2 PROM 是按 512× 8組織的 ,是提高系統(tǒng)可靠性及自動化標定與校準的硬件
 
基礎[4 ]。
 
ICL7135與 X 25045是分時與 CPU 聯(lián)系的 ,二
 
者復用 P1 接口。 前者雖然是連續(xù)工作 ,但取數(shù)卻是程序控制。 X25045的工作有嚴格的時序 ,理論分析與工作實踐都證明 , IC L7135的連續(xù)工作不會影響
 
X 25045的工作。
 
1. 2  信號處理通道設計
 
測控系統(tǒng)檢測精度的高低在很大程度上取決于信號處理通道的設計質(zhì)量。
1. 2. 1 傳感器
 
本系統(tǒng)采用了穩(wěn)定性、重復性和線性度都較好的鉑電阻 Pt100溫度傳感器和 HS20型 (日本 )濕度傳感器。高精度傳感器是提高檢測精度的重要保證。
1. 2. 2 通過采樣參考值以消除系統(tǒng)漂移
 
通過多路模擬開關(guān) ,兩個傳感器和參考電阻的信號處理共用一個多路開關(guān) 4051放大電路和 A / D 轉(zhuǎn)換電路 ,通過對參考電阻的采樣與處理 ,既簡化了系統(tǒng) ,又基本消除了系統(tǒng)的漂移 ,從而提高了檢測精度。
 
2  系統(tǒng)軟件設計
 
整個恒溫恒濕箱控制系統(tǒng)是在應用程序的控制下執(zhí)行的 ,應用程序由主程序、數(shù)據(jù)巡回采集及處理子程序、 PID 調(diào)節(jié)子程序、鍵盤中斷服務程序、打印子程序及定時中斷服務程序等組成。
2. 1  主程序
 
主程序流程圖
 
如圖 2所示。 主程  
序順序執(zhí)行: ①初  
始化: 主要包括設  
定堆棧指針 ; 定義  
定時 /計數(shù)器工作  
方式; 開中斷及設  
中斷優(yōu)先等級。 ②  
將給定值及 PID各  
參數(shù)由鍵盤或指定  
的 flash  memo ry  
單元傳送到指定的  
RAM單元。③巡回  
檢測、顯示并調(diào)節(jié)  
溫、濕度。這是軟件 圖 2  主程序流程圖
系統(tǒng)的主體。
Fig. 2   M ain pro g ram flow cha rt
2. 2  控制方法的
 
選用
 
本系統(tǒng)所采用的控制方法是 PID 控制方法 [3 ]。用現(xiàn)有的同類產(chǎn)品實現(xiàn)低溫下恒溫控制 ,需要將壓縮機全速全功率運行 (因為壓縮機不允許頻繁起動 ) ,然后用加熱器進行 PID調(diào)節(jié)保持恒溫。這無疑
 

 

耗能多、噪聲大、降低使用壽命。
 
本系統(tǒng)充分發(fā)揮單片機數(shù)控優(yōu)勢 ,采用 PID調(diào)頻控制壓縮機 [4 ]的制冷量從而達到恒溫的目的 ,克服了現(xiàn)在同類產(chǎn)品的不足 , 提高了產(chǎn)品質(zhì)量 , 有明顯的節(jié)能效果。
 
 
 
 
本系統(tǒng)采用了積分分離的方法[4 ] , 以消除在開工、停工或大幅度提降時 , 因積分的作用 , 產(chǎn)生大超調(diào)量 , 而使系統(tǒng)不停震蕩的現(xiàn)象 , 取得很好的控制效果。
 
其控制算   圖 3   PID運算流程圖
     
式為 Fig . 3 PID o per atio n flo w char t
 
  > XPD(比例微分 ) 運算
ei =  w - yi  ≥ XPID(比例積分微分 ) 運算
其運算流程圖如圖 3所示。
 
3  主要技術(shù)指標
 
由于采用了較好的硬、軟件技術(shù) ,實現(xiàn)了較高

的檢測精度和較好的控制效果 ,本系統(tǒng)的主要技術(shù)
 
指標如下:
 
溫度范圍 -  30～ +  80℃; 溫度波動度 ≤
 
± 0. 3℃; 溫度檢測精度≤± 0. 1℃; 溫度控制精度≤
 
± 0. 4℃; 濕度范圍 20% ～ 100%  RH;濕度波動度≤
 
1%  RH; 濕度檢測精度≤ 3%  RH; 濕度控制精度≤
 
4%  RH。
 
且比同類產(chǎn)品節(jié)電 20% 左右。
 
4  結(jié) 語
 
新型恒溫恒濕箱測控系統(tǒng)由于采用了 I /O 接口的復用技術(shù) ,實現(xiàn)了設計真正意義上的嵌入式單片機測控系統(tǒng) [5 ]的設計 ,這是提高性能價格比的極好途徑。將調(diào)頻技術(shù)應用于本系統(tǒng)的制冷壓縮機 ,使得 PID控制方法用于制冷過程 ,使制冷控制動態(tài)品質(zhì)大為改善。
 
推薦產(chǎn)品