基于单片机的标养室温湿度控制系统应用研究

摘 要

标养室温湿度控制系统主要采用STC12C5A60S2单片机作为主要微控制器。通过该单片机实时地采集标养室温度和湿度，并智能判断实测值与标养室设定标准值之间的差异，及时启动工业空调和超声波雾化器进行升温、降温、喷雾、加湿等相应措施，以确保标养室温度和湿度恒定在标准范围内。

【关键词】标养室 STC12C5A60S2单片机 控制 温度 湿度

1 系统总体设计

1.1 系统功能设计

系统主要完成的设计功能：（1）实现对标养室温湿度参数的实时采集，由单片机对采集的温湿度值进行数据处理、显示、并将温湿度数据通过工业RS485总线传输到工控现场服务器；（2）实现实测温湿度值与标准值之间的智能判断，并及时启动工业空调和超声波雾化器进行升温、降温、喷雾、加湿等相应措施，以确保标养室温度和湿度恒定在标准范围内；（3）实现上位机对标养室温湿度参数进行监控并展现。（4）标养室现场温湿度传感器具有相应快、抗干扰能力强，测温范围达到0～80；测温精度±1；测湿范围达到0～100%RH；测湿精度±5%RH；

1.2 系统的组成和工作原理

本系统以STC12C5A60S2单片机作为核心控制器，主要采用温度平衡技术、传感器技术、单片机控制技术、串口通信技术等技术，以温湿度传感器作为温湿度测量元件，构成标养室温湿度控制系统，可分为主控制电路、液晶显示接口电路、按键输入电路、水位检测接口电路、串口通信接口电路、工业超声波雾化器驱动电路、水位阀门开关驱动电路、温湿度传感器接口电路。选用的主要器件有：STC12C5A60S2单片机、温湿度传感器SHT11、LCD12864液晶显示模块、工业超声波雾化器、风扇、水位检测器、工业空调、空调接受控制器、按键、继电器等。如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 STC12C5A60S2单片机最小系统组成原理

STC12C5A60S2单片机最小系统由微控制器器STC12C5A60S2单片机、时钟电路、复位电路组成，STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒），针对电机控制，强干扰场合。有EEPROM功能，外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增加支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒。通用的全双工异步串行口。

2.2 温湿度传感器设计

SHT11系列单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。因此，该传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。对于温湿度传感器与单片机接口电路，通过单片机的两个I/O口分别连接温湿度传感器的数据线和时钟线进行串行通信，在数据接口上拉一个5.1K的电阻保证数据的传输距离。

2.3 超声波雾化器驱动电路设计

单片机的I/O口P34为低电平的时候通过光电隔离耦合器驱动继电器开关闭合从而启动超声波雾化器的工作电源，当P34为高电平的时候同样通过光电隔离耦合器驱动继电器开关断开从而断开超声波雾化器的工作电源。

3 系统软件设计

软件系统设计过程：系统初始化、串口通信、按键扫描查询处理、液晶显示模块处理、温度平衡处理、水位检测、湿度处理、报警提示。

3.1 温度和湿度采集系统

温度和湿度采集系统主要由温湿度传感器负责完成温度和湿度的采集以及通过单片机串行数据线、时钟线获得数字信号的全过程，并将采集温湿度值通过单片机显示到LCD12864液晶屏幕同时把温湿度值传输到现场工控服务器。温度和湿度的采集主要是通过单片机和温湿度传感器组成的一个系统，温湿度传感器通过两串行的总线方式传输到单片机，单片机对数字信号进行处理进而转换相应的数值。

3.2 温度平衡处理技术

通过当前采集的温度值同标准值进行比较，如果当前采集值超过设定的上限值，单片机发送一条制冷命令帧（每条命令帧都是单片机与工业空调控制板设定好的协议）给工业空调控制板，工业空调控制板收到该命令后立即将相应信号反馈给单片机，并且工业空调立即启动制冷效应并进行降温处理。如果该值低于设定的下限值，此时单片机发送一条制热命令帧给工业空调控制板，工业空调控制板收到该命令后立即反馈给单片机，并且空调机开始对标养室进行制热、升温处理。如果当前采集的温度值正好处于标准值，单片机此时立即发送关机命令给工业空调控制板，工业空调控制板立即反馈相应信号给单片机同时将关掉工业空调机。这样一来可以平衡标养室的温度长期处于正常范围之内而且延长工业空调机的使用寿命。如图2所示。

3.3 超声波雾化器智能加湿技术

超声波雾化器智能加湿主要由水位检测和智能关闭、开启超声波雾化器的组成。超声波雾化器智能开关原理通过单片机采集当前的湿度值与设定的湿度值进行比较，如果采集的湿度值高于设定值则关闭超声波雾化器。如果低于设定值自动启动超声波雾化器对标养室进行加湿处理。水位检测原理首先通过水位检测器检查是否有水，如果有水则直接关闭阀门。如果没有水，启动阀门给容器加水，此时开启单片机中断定时器给加水时间开始计时；一旦加水的时间超过设定的加水时间（按键输入的信息单位为分钟，加水时间是根据容器设定的），则判定没有水源；此时自动关掉超声波加湿器以及启动报警电路装置，从而提醒现场工作人员是否断水等原因。

4 上位机标养室温湿度监控软件说明

主要利用Microsoft Visual Studio .NET 2003开发软件编写标养室温湿度监控系统的人机交互界面，该界面主要功能通过串口机制与基于单片机开发的下位机通信，将接收到的标养室温湿度数据显示在数据表上，并将数据表上的数据显示成曲线。如图3所示。

5 结束语

基于STC12C5A60S2单片机的标养室温湿度控制系统，经实验验证，标养室温湿度恒定在设定的标准范围内，设计运行稳定可靠。上位机监控软件展现温湿度变化曲线、数据统筹等方面，便于掌握标养室环境温湿度数据。

参考文献

[1]赵鸿图.基于单片机的温度控制系统设计与实现[J].微计算机信息，2008，24（9）：54-56.

[2]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2008：12-14.

[3]陈桂友，柴远斌.单片机应用技术[M].北京：机械工业出版社，2008：53-58.

作者单位

湖南省交通科学研究院 湖南省长沙市 410015