毕业设计（论文）-单片机多路温湿控制系统设计.doc

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1、 单片机多路温湿控制系统设计 毕 业 设 计 论 文题 目 单片机多路温湿控制系统设计 （院）系 电气与信息工程系 专业 电气自动化 班级 0102 学号 0101110235 学生姓名 导师姓名 完成日期 2005年6月14日 湖南工程学院毕业设计论文 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书 设计（论文）题目： 单片机多路温湿控制系统设计 姓名 贺洪明 系别 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0102 学号 0101110235 指导老师 伍 萍 辉 曾 成 教研室主任 唐 勇 奇、赵 葵 银 一、 基本任务及要求： 以单片机为核心，设计一个仓库多路温湿控制系统。温度和湿度可以在一定范围内由

2、人工设定，并能在环境温度湿度变化时实现自动调整，以保持设定温度湿度基本不变。设计的主要内容是完成温度湿度自动控制系统的软、硬件设计及调试。包括：1、单片机的选择；2、总体方案的确定；3、各模块电路的设计；4、软件设计；5、各模块调试；6、编写设计说明书等。 二、 进度安排及完成时间：1、 第一周：明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。2、 第二周至第三周：查阅相关资料，自学相关内容，确定课题总体方案，分配课题任务，确定个人研究重点，做好选题报告。3、 第四周至第七周：根据自己研究的方向，确定自己的总体设计方案，设计硬件总体模块图及

3、软件模块图。4、 第八周至第十周：完成本系统控制装置的软、硬件设计及调试。 5、 第十一周至第十四周：整理资料，撰写毕业设计论文，答辩。目 录摘 要-Abstract-第1章 概 述 -11.1 本课题研究的意义目的-11.2 温湿度控制在国内（外）现状及发展趋势-11.3 本课题研究的主要内容和工作-3第2章 总体设计及技术参数-42.1 总体方案设计-4 2.1.1 课题基本任务及要求-4 2.1.2 总体方案设计-42.2 方案论证-52.3 系统技术参数-7第3章 库房的温湿度调节与监测-83.1 温湿度的基本概念-83.1.1 温度以及其测定方法-83.1.2 湿度以及其测定方法-8

4、3.2 温度和湿度的相互关系-93.3 库房温湿度控制与调节常用方法-103.4 仓库温湿度控制系统设计背景-113.4.1 库房外围背景-113.4.2 库房温湿度控制系统的设备设置-123.4.3 库房温湿度控制系统设计方案-14第4章 硬件设计-164.1 单片机-164.1.1 单片机及其发展概述-164.1.2 凌阳（SPCE061A）16位单片机-174.2 PC机与单片机SPCE061A的串行数据通信-244.2.1 数据通信方式-254.2.2 串行通信的传送及方式-254.2.3 波特率-264.3 网络串行通讯总线标准及其接口串行通讯接口-264.3.1 RS-485总线标

5、准接口-274.3.2 PC机与SPCE061A异步串行通信-284.3.3 RS-485接口电路-284.4 测控系统前向通道与后向通道设计-294.4.1 传感器-304.4.2 滤波-334.4.3 键盘电路-344.4.4 光电祸合器(隔离器)件及驱动接口电路-354.4.5 显示电路-364.4.6 电源电路-36第6章 系统软件设计-385.1 软件系统总流程图-385.2 库房温湿度PID控制-405.2.1 PID控制-405.2.2 PID控制算法-405.3 各个模块流程图-435.3.1 主程序模块-435.3.2 扫描以及数据处理子模块-435.3.3 键盘扫描子程序-

6、445.3.4 A/D转换模块-465.3.5 显示程序流程图-485.3.6 串行口通信流程图-48总结与致谢-50参考文献-51附录-52（一） 单片机引脚功能表-52（二） 子系统电路图-53（三） 系统程序清单-54- 74 -单片机多路温湿控制系统设计摘 要: 本系统是通过单片机控制，来实现对仓库的温湿度进行自动控制。系统以凌阳SPCE061A单片机为基础，通过数字及模拟式传感器对温度和湿度进行检测；利用单片机之间的通信功能，采用RS-485通信方式进行网络传输信息。系统设计一个主控PC机（既上位机）通过RS-232与RS-485转换器，来实现对多个子系统的管理和控制，主控制微机能实

7、现对每个子系统进行实时监控，并且通过SPCE061A的编辑控制软件对每个分子系统进行控制。每个子系统具有对传感器发送的信息进行处理；键盘、显示处理；驱动空调机、去湿机；接收和发送信息到上位机等功能，能实现当温湿度超出设定值时，单片机能自动发出控制信息，驱动空调机、去湿机，等功能。 由于温度和湿度控制系统是一个一阶纯滞后惯性系统，具有明显的滞后特性；通过研究系统的控制算法，决定采用PID控制算法，该算法结构简单，技术成熟并有很好的控制性能。关键词： SPCE061A单片机 传感器 RS-485 PID算法Design on Temperature and humidityin a Automat

8、ic Control SystemAbstract:This system is a temperature to pass single a machine control, realizes to the warehouse degree of humidity to proceed the auto control.System with LINGYANG SPCE061A single a machine for foundation, pass the arithmetic figure and imitate the type spreads to feel the machine

9、 proceeds the examination with the degree of humidity to the temperature;Correspondence function that make use of single a machine, adopt the RS-485 correspondence method proceed the network delivers the information.The system designs a lord controls the machine of PC( since place of honor machine)

10、passes the RS232 converts with RS485 the machine, realize to the management of many statureses system with control, the tiny function in control in lord realizes to proceed to the each statures system the solid hour supervises and control, and pass the SPCE061A editor control software to proceed the

11、 control to each numerator system.The each statures system has to the machine that spreading and feeling the information proceeding sends out to handle;Keyboard, show to handle;Drive the air condition machine and go to the wet machine;Receive with send out the information place of honor machine etc.

12、 function, can realize to be the temperature degree of humidity beyond the reach of initial value, the single a function sends out to control the information automatically, driving the air condition machine and go to the wet machine, waiting the function. Because the temperature controls with the de

13、gree of humidity the system is a per rank inertial system after the pure characteristic after having the obvious;Pass the control calculate way that study the system, decide to adopt the PID control calculate way, the calculate ways construction is simple, the technique is mature also good control f

14、unction.Keywords: SPCE061A Single Chip Microcomputer Spread to feel machine RS-485 agreements The calculate way of PID第1章 概 述1.1 本课题研究的意义目的随着工业的发展，需要对温湿度进行控制的场合越来越多。例如：仓库系统、电力系统、档案资料库、烟草、食品加工等等，温湿度的高低对其影响很大，如粮仓中的温湿度过高将会是粮食变质；档案资料库房中的温度忽高忽低，纸张纤维热胀冷缩，是强度降低，湿度过大会使霉菌和害虫滋长，以致造成资料质变；电力系统中，由于温度过高、过低引起的元件失效

15、或由于湿度过高而引起的爬电、闪络事故时有发生等等。由于温湿度的控制不当导致的经济损失将让我们无法估计，为避免受到温湿度的影响，需要安装温湿控制系统减少因温度和湿度的变化给我们带来的经济损失1。同时针对于仓库管理系统对温湿度控制的要求，我们设计了一个自动控制温湿度的系统。本系统采用了现代的科学管理模式，采用微机监控连网子系统，它具有：测温、测湿、控温、控湿功能。系统由敏感传感器、信号调理变送装置、开关量输入输出接口、16位微型计算机处理器、单元显示器、工控机、连网装置及协议、宽行打印机等单元组成。空气的调节包括对温度的调节和湿度的调节，空调机的作用是控制仓库内的温度及湿度，除湿机的作用是保持仓库

16、内湿度不变。在仓库内的温湿度控制，直接影响到储藏物品的质量，如果控制不当，温度和湿度升高将会使物品潮湿发霉，而有些物品温度的降低会使冻结变质等等不良后果。故把仓库的温湿度控制在一定范围非常有意义，仓库应用的各种场合对温湿度的要求也不同，可以参看仓库管理手册进行温湿度的调节。仓库的管理系统目前在国内仍然存在很多问题，一般的仓库仍然停留在人工管理方面，一些所谓的自动控制仓库也只是简单的微机控制，并没有实现无人职守、自动调节控制的功能，我国在仓库的管理系统上仍然没有赶在世界的发展前列，达到由先进技术控制。因此计算机管理系统应用到仓库管理系统中拥有广阔的空间。1.2 温湿度控制在国内（外）现状及发展趋

17、势我国几十年来在工业上的温湿度空调工程以及凡是对湿度有控制要求的空调工程站中，为了控制室内相对湿度总不得不用再热的处理方法，这几乎已成了机械工业，电子工业等有关工程设计数十年的不变规律。因为，为了控制相对湿度，历来一贯的做法先把大量空气(新风和回风)的温度一直降低到必要的露点温度以下，以除去其中的水分，然后再加热升温，才能保持室内一定的相对湿度。可是这种再热形成的冷热抵消现象所引起的能耗是十分惊人的。并且费人力，温度变化大，不易控制。在过程工业发展的初期，在温度和湿度等测量和手动操作阀门开度的基础山个，用手动操作方式完成温度和湿度等过程变量的调节，这是一直保留下来的控制策略，直到现在，在长期手

18、动操作生产实践的基础上，逐渐总结出反馈控制的理论。在以后的发展中，PID调节是主要的控制策略，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好，可靠性高等优点，被广泛用于工业工程控制。随着计算机及各种接口电路、执行元件的不断开发，现在计算机已广泛用于温度和湿度控制系统中，如Apple-,IBM-PC,Supper等个人计算机以及各种单片机等均在热处理领域有广泛的应用，控制效果好，控制精度可达1。随着生产的发展，对控制的要求也越来越高，随之发展出许多以计算机为基础的新兴控制算法。仓库的温度和湿度应在一定范围内波动，由于仓库的热容量很大，温度和湿度的动态响应惯性大，是一个非线形、大

19、滞后的复杂系统，所以既难测，难控，又难以获得精确的数学模型，采用传统PID控制方法难以达到人们提出的控制要求，随着智能控制理论的发展，智能控制与常规的PID控制相组合，形成所谓的智能PID控制，这种新型的控制器已得到广泛的应用，它具有不依赖系统精确数学模型的特点，对系统的参数变化具有更好的鲁棒性，如专家PID控制，自学习PID控制，神经网络PID控制和模糊PID控制等智能控制。模糊控制正成为越来越热门的控制技术。在对温度和湿度测量和控制的过程中，对一些非线形和动态时变系统不能对它们建立有效的数学模型，在传统的二维逻辑不能对它们进行定义的情况下，可以采用模糊逻辑控制的方式实现有意义和合理的控制，

20、模糊控制器不依赖于对象的模型，但是其自适应能力有限，调整比较困难，需要经验丰富的专家或设计者。此外，模糊控制与PID相结合控制，这种控制方法是在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转化成PID控制，利用PID的积分特性改善系统的稳定性能，二者的转换由软件自动实现。这种复合控制策略比PID控制有更快的动态响应和更小的超调，比模糊控制具有更高的稳态精度，这种控制器在国外得到了广泛的应用2。 自适应控制是在控制对象未知的情况下，或者控制对象的参数发生变化时调整控制器的控制方法或参数，使控制系统达到预定的控制品质，自适应PID控制具有自适应控制和普通PID控制器两方面的优点。它有自动辩识被控过程参

21、数，自动整定控制器参数，能够适应被控过程参数的变化等一系列优点，它又具有PID控制器结构简单，鲁棒性好，可靠性高，为现场工作人员和设计工程师们所熟悉的优点，自适应PID控制具有的优点，使得它成为过程控制的一种理想的自动化装置，成为人们竟相研究的对象和自适应控制发展的一个方向。1.3 本课题研究的主要内容和工作库房的温湿度控制系统的研究是结合实际情况，制定相应的控制方案。本控制系统是在凌阳系列单片机SPCE061A的基础上，通过传感器采集数据，单片机来完成数据的处理，用PC机来进行实时监控，单片机自行调节控制过程，采用传统控制策略和智能控制相结合的控制方法，即PID和模糊控制相结合，来达到控制的

22、目的。研究的主要工作和内容如下：（1） 对数据采集和数据的处理，SPCE061A单片机与传感器之间的变送电路设计，键盘和显示的输入输出电路，光电耦合电路，驱动电路的实现以及单片机SPCE061A和PC机之间的通讯设计和相应的软件编制。（2） 温湿度模糊控制器和PID控制器的设计思路、原理和实现。（3） 对控制系统进行仿真，以用来随时检测控制系统的控制效果。第2章 总体设计及技术参数2.1 总体方案设计2.1.1课题基本任务及要求以单片机为核心，设计一个仓库多路温湿控制系统。温度和湿度可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度湿度变化时实现自动调整，以保持设定温度湿度基本不变。设计的主要内容是完

23、成温度湿度自动控制系统的软、硬件设计及调试。包括：1、单片机的选择；2、总体方案的确定；3、各模块电路的设计；4、软件设计；5、各模块调试；6、编写设计说明书等。2.1.2总体案设计我们根据课题的基本任务是一个利用单片机控制系统，实现对仓库控制系统的温湿度控制，并且使温湿度在一定范围内可调。分析整个控制系统，我们把一个单片机控制单元为一个子控制系统，引入网络控制，既通过PC机控制多个子系统，这样不仅仅能实现对单个仓库的控制，同时还可以扩展到对多个仓库的控制，更能满足现代仓库管理的模式-网络管理。我们可将我们将整个系统分成几个单元进行设计。包括：敏感传感器单元，变送电路单元，键盘和显示电路单元，

24、驱动电路单元，16位单片机处理单元及网络连接工控机单元组成。我们对课题的设计从信号顺序来考虑，系统先从信号开始采集，我们先通过传感器采集到现场的温湿度信息，一般为模拟信号，我们通过变送装置，模数转换传送到单片机。单片机将实现多种控制处理。首先处理从键盘输入的数据和信号采集进来的数据，接下来将二者进行比较：如果采样值不超过键盘的输入值，系统将继续查询采样信号，如果采样值超过键盘输入值，单片机发出控制空调机及除湿机信号，信号通过驱动电路来实现对空调器及除湿机的控制，在对信号采样和处理的过程，单片机还通过网络实时与上位机进行通信，从而来实现一个上位机对整个系统的监控，整个系统由多个子系统组成，这样更

25、利于扩展到多个仓库实现集中控制。下面如图2.1所示为系统主框图：图2.1 系统总框图2.2 方案论证本课题的目的是设计一个能够实现温湿度自动控制系统，控制对象是粮食仓库中的空调机与除湿机。要求能在-2050温度范围内控制温度，精度在1；湿度控制在60%。并具有较好的快速性与较小的超调，以及十进制数码管显示、温度曲线打印等功能。网络连接部分：方案一：采用RS232通信协议，其特点为它适用于设备之间的通讯距离可达15m，传输速率最大为20kb/s。RS-232C标准规定了数据和控制信号的电压范围。由于RS-232C是在TTL集成电路之前研制的，所以它的电平不是+5V和地，而是采用负逻辑，规定+3V

26、-+15V之间的任意电压表示逻辑“0”电平，-3V-15V之间的任意电压表示逻辑1”电平，该标准可以与上位机PC直接向连接，如果延长传输距离需加中继器，增加了成本。方案二：采用RS-485通信协议，其特点为工作于半双工方式，最大传输速率可达10Mbit/s，最大传送距离300M，如果降低数据传送速率，可传送距离可达到1200M。同时RS-485标准还允许双绞线上一个发送器驱动32个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接受器或收发器。在与PC机连接时需加转换器。从实际中考虑由于每个子系统之间将会距离很远，所以采用该协议测量部分：方案一：测量温度采用模拟传感器，该类型的传感器的类型很多，包括热敏电

27、阻、铂电阻等等，现阶段其应用领域很广，并且倍受广大用户喜欢，但是如果应用到计算机控制电路中，在采样的时候需要另外加A/D转换器，才能达到模数之间的转换，从而增加了电路之间的复杂程度。例如采用热敏电阻，可满足4090C的测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性都比较差，对于检测小于1的温度信号是不适用的。方案二：采用数字传感器，采用数字传感器可以简化电路，并且在程序设计上减少A/D之间的转换，程序上也得到了简化，大大提高了系统的稳定性。在本次设计中我们对温度的测量采用数字传感器DS18B20。DS18B20具有较高精度和重复性，测量范围- 50 125 ,精度0.5 ;在93175ms 和750

28、ms 内将温度值转化9 位的数字量。并且具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点，可以简化电路并使系统更稳定。在湿度测量上我们依旧使用模拟器件，虽然电路比较烦琐，但有其稳定的特点。考虑到温度与湿度之间的关系，温度的传感器精度较高，我们降低湿度传感器的精确度，并从实际经济中考虑，而使用模拟的ZHG型传感器，来实现我们的要求。控制部分方案一：该方案的系统原理框图如图1.2所示，此方案采用89C51单片机实现，单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制，它能完成所要求的功能。但是存在不足之处是：编程不方便，主要是A/D接口和RS-485接口编程不方便，同时89C51需外接模数转

29、换器来满足数据采样，对外围电路来说也比较复杂，且软件实现也较麻烦。另外，51单片机需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。图2.2 方案一系统框图方案二:该方案的系统原理框图如图2.3所示，它使用SPCE061A单片机作CPU，该CPU内核具有模块化的结构。此方案采用SPCE061A单片机实现，此单片机内置8路ADC,2路DAC,且集成开发环境中，配有很多语音播放函数，用SPCE061A实现语音播放极为方便。另外，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试。 图2.3 方案二系统框图2.3 系统技术参数 本系统是对仓库进行温湿度控制，仓库在存储

30、物品不同的同时，对温湿度的要求也是不同的。例如：在存储粮食、存储钢铁用品、存储日用品以及档案等等对温湿度的要求都不同，所以我们首先把系统的温湿度可调范围扩大，使系统可以适应多种要求，同时我们要增加精确度，来更能保证在短时间内完成测量及控制。当具体的应用上那种类型的仓库上时，在通过键盘进行设定来满足要求。在本次设计中我们以存储粮食仓库为例进行设计。通过查阅仓库管理手册，库房内环境可达到的具体技术指标如下：（1） 控制温度范围：-2050，控制精度1；（2） 控制湿度范围：4060%（可调）；（3） 工作环境：温度-3060，相对湿度95%，控制精度3%；（4） 工作电压：220V15%；3第3章

31、 库房温湿度的调节和监测3.1 温湿度的基本概念3.1.1温度以及其测定方法温标上的标度，称温度。它是用来定量的描述物体冷热程度的物理量.是物体分子热运动的平均动能的标志。粮仓的库内温度、库外温度，一般是指库内，库外空气的温度。空气温度常简称为气温，一般用摄氏温标来表示。在用设备对库房进行空气调节过程中，还是常用到机器露点温度的概念。在空调器或大型喷水组合式空调机组中，当空气经过喷水或表面冷却器以后，空气的温度降低使相对湿度达到90-95%，一般习惯上把这个相对湿度接近饱和状态时的温度，称为机器露点温度。温度不能直接测定。它的测定是采用间接的手段，通过观察另一种物质即所谓测温介质的物理特性变化

32、的方法来确定。这种测量方法并没有给出被测介质温度的绝对值，而仅仅是它和测温介质原始温度相对的温度差，这个原始温度是制定温标时就被规定作为零度。为了测量时的方便，应尽可能的选择这样的物理特性，即它能随温度的改变而单值的变化，不受其它因素的影响，且比较易于精确测定适合这些要求的特性。如体积的膨胀、热电势的产生、电阻和辐射强度的变化等都被用作温度测量的基础，常用的测温仪表有各种温度计和温度传感器。例如，热膨胀是温度计、热电偶、辐射温度计、光高温计4。3.1.2湿度以及其测定方法湿度是表示空气干湿程度的物理量。有绝对湿度、相对湿度、饱和湿度、比较湿度(含湿量)、露点等多种表示法。单位体积空气中所含水蒸汽的质量，称作空气的绝对湿度。相对湿度就是lm空气中实际所含水蒸汽的质量和同温度下饱和状态时所含水蒸汽的质量百分比。通常，我们所说的库房湿度大小，都是指库房相对湿度大小。随着库房中湿度的变化，粮食会由于吸收过多的水分而变得潮湿，也会因原有水分被蒸发而变得干燥。但是，粮食究竟是从空气中吸收水分，还是原有水分蒸发，则与相对湿度的大小直接有关。相对湿度小，说明空气所含水蒸汽量还没有接近饱和量，也就是说还能容纳更多的水分，这时物品中水分就会被蒸发;相对湿度大，说明空气所含水蒸汽量己接近饱和量不能再容纳更多的水分，这时物品中的水分不仅不易蒸发，反而会吸收空气中的水分。若用绝对湿度来