KT系列可调型温湿度控制器

多点温湿度测控系统设想

  粮食测温技术的研究始于20世纪70年代,是实现现代化储存粮食的一项重要技术。国内大多数粮库已经采用了计算机粮情已具有粮食温湿度检测、超温报警、自动生成各种报表、自动存储历史数据并据此自动生成粮温变化曲线等功能。本文设计的粮情,由多个数字温度传感器DS18B20及模拟湿度传感器HS1101构成。

  粮情测控系统是计算机硬件与软件的结合体,实现了计算机对储粮的检测与预警。系统硬件由控制处理部分和信号检测部分组成,其中,控制部分包含六个模块:控制器模块、电机驱动模块、显示模块、键盘输入模块、通信模块和报警模块;信号检测部分包含三个模块:温度检测模块(DS18B20)、湿度检测模块(HS1101)、烟雾检测模块(SS-1)。系统总体框图如图1所示。

  本系统硬件主要包括控制电路与检测电路。控制电路负责处理按键、温湿度信息、控制电机、控制蜂鸣器、LED。检测电路负责检测温度信息、湿度信息、烟雾信息。此外,还有显示电路、键盘扫描电路等。

  控制器是系统的核心部分,其性能好坏与系统功能的实现有密切的联系。它接收来自于键盘、温湿度传感器输出的数字信号和频率信号并对其进行处理,再以控制电压的形式将电压信号输出给电机驱动电路,以控制通风扇的开关。控制电路外接七段数码管电路、键盘扫描电路、信号检测电路和通风电机驱动电路,具体电路如图2所示。

  U110是单片机电源输入端,在此电路上安装了一个发光二极管以显示系统是否上电。J1是单片机ISP下载输入端,系统程序从该端口载入单片机内。尺101、C101和S101组成了单片机的复位电路。

  传感器电路的设计是本系统设计的重点,由于要对温度、湿度和烟雾进行检测,因此需要分别对三种传感器的检测电路进行设计。

  采用数字温度传感器DS18B20检测温度。由于温度检测的对象是粮库,其面积较大,所以可对粮库进行分划,每一个库划分成8个区域,每个区域设置12个检测点。通过多路选择开关CD4051控制8个区域的检测信号进行选通输入。

  DS18B20是美国Dallas半导体公司的产品。它采用1-Wire总线技术,将地址线根信号线,允许在这根信号线-Wire总线-Wire总线技术具有节省I/O资源,结构简单、KT系列可调型温湿度控制器成本低廉,便于总线扩展和维护等特点。

  DS18B20采用特有的温度测量技术:可提供9~12位(二进制)数据来指示传感器温度;数据信息与DS18B20之间只需一根数据线℃~85%之间的精度达1/2℃,而在整个温度测量范围内具有2℃的测量精度。

  图中R212为上拉电阻。CD4051的A、B、C端片选温度检测的8个区域。数字1~8表示8个区域的DS18B20数字信号输入端。当进行温度检测时单片机通过对A、B、C输入片选信号,分别选通8个区域的温度检测信号。同时单片机也是通过A、B、C的输入片选信号区分粮仓的8个检测区域。

  湿度检测采用的是湿度传感器HS1101。在粮情测控系统中主要是检测室内与室外的湿度,一般一个粮仓有两个湿度检测点,且精度要求不高。对湿度检测点的控制采用控制温度的方法,采用CD4051实现片选控制。

  湿度传感器HS1101是法国Humirel生产的电容式湿度传感器。HS1101是一种在高分子薄膜上形成的电容。高分子薄膜上的电极是很薄的金属微孔蒸发膜,水分子可通过两端的电极被高分子薄膜吸附或释放,随着这种水分子的吸附或释放,高分子的介电系数将发生相应的变化。由于介电系数随空气的相对湿度变化而变化,所以只要测定电容C值就可得到相对湿度。

  HS1101是基于独特工艺设计的固态聚合物结构,在电路中等效于一个电容器,其电容随所测空气的相对湿度增大而增大。具有极好的线%RH的范围内,电容的容量由163 pF变化到202 pF,其误差不大于2%RH;湿度量程为1~99%RH,工作温度范围为-40℃~100℃;湿度输出受温度影响极小(温度系数仅为0.04 pF/℃);常温下使用无需温度补偿,无需校准。

  烟雾传感器是气体敏感元件,它遇可燃性气体时会产生特殊效应,从而达到检测烟雾的目的。现在大多数烟雾传感器都需要预热,而且功耗大、结构复杂,但是SS-1烟雾传感器则无需预热,并具有工艺结构简单、功耗小、成本低、灵敏稳定、寿命长等特点。该传感器工作电压为6 V~12 V,静态功耗小于0.2 W,环境条件:温度范围为-30℃~+50℃的相对湿度95%,清洁空气中电阻RL上的电压:V12.5 V,标定气体中RL上的电压(0.2%的LPG):V25 V。

  通信电路采用RS485总线协议实现与PC机的通信。单片机将采集到的温湿度数据通过RS485总线输送给上位机(PC机)进行实时记录。由于PC机只能用RS232协议进行通信,因此需要采用一个RS485和RS232的电平转换电路,该电平转换电路主要包括电源、RS232电平转换、RS485电路三部分。

  显示电路采用5个七段数码管动态显示,显示结果清晰。其中第一个数码管用于系统标定,即显示当前系统的工作状态;第二、三个数码管显示温湿度的分组,即所显示的数据就是哪组温度传感器或哪个湿度传感器;第四、五个数码管用于显示温度的给定值、温度检测值和湿度检测值。其驱动电路图如图4所示。

  在七段数码管的扫描过程中,任意时刻只有一个数码管被点亮,显示时间很短(仅1ms~3 ms),并且是循环显示。由于人眼的视觉暂留效应,在显示刷新很快的时候,可以认为全部数码管持续点亮。

  键盘是计算机系统中最常用的输入设备之一,用户可以通过它向计算机输入指令和数据。计算机系统中的键盘按其连接方式的不同,可以分为非矩阵式键盘和矩阵式键盘两类。本系统由于功能的需要,并没有采用传统的行列扫描式矩阵键盘,而是采用了端口扫描检测高低电平的方法。

  ATmega16单片机有32个外部I/O端口资源。除去温度传感器4个I/O端口、湿度传感器3个I/O端口、LED显示13个I/O端口、烟雾传感器1个I/O端口以及电机控制1个端口,该系统只需要4个按键,其功能分别为设置、移位、自加和确认。其查询接口电路如图5所示。

  实践表明,该系统能够对温度、湿度、烟雾进行检测,同时也能控制电机与蜂鸣器;能够判断各个温度区域内平均温度值是否超过所允许的温度范围,也能显示各个区域内的温度平均值和湿度值。因此,粮情检测系统具有稳定性好、精度高等特点,具有一定的应用价值。

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