室内湿度自动控制系统的研究

2015届本科毕业设计室内湿度自动控制系统的研究姓名：孙东东系别：物理与电气信息学院专业：电气工程及其自动化学号：110314110指导教师：赵永红2015年5月3日商丘师范学院学士学位毕业设计I目录摘要与关键词………………………………………………………………………………………II0引言…………………………………………………………………………………………………11系统方案的设计……………………………………………………………………………………11.1系统总体设计………………………………………………………………………………11.2系统的设计原理……………………………………………………………………………12湿度信号的采集……………………………………………………………………………………22.1湿度测量的名词术语………………………………………………………………………22.2湿度检测元件………………………………………………………………………………33信号分析与处理电路的设计………………………………………………………………………33.1相对湿度检测电路的原理及结构图………………………………………………………33.2湿度调节模块的设计………………………………………………………………………43.2.1湿度的调节原理……………………………………………………………………43.2.2湿度调节硬件结构图……………………………………………………………43.3A/D转换器的特点……………………………………………………………………………53.4AT89C51单片机…………………………………………………………………………63.5LED简介……………………………………………………………………………………83.6按键模块的设计……………………………………………………………………………94系统软件设计……………………………………………………………………………………105结语…………………………………………………………………………………………………10参考文献……………………………………………………………………………………………11致谢…………………………………………………………………………………………………11商丘师范学院学士学位毕业设计II室内湿度自动控制系统的研究摘要系统采用了精密的检测电路（包刮精密对称方波发生器、对数放大及半波整流、温度补偿及温度自动校正及滤波电路等几部分电路组成），能够自动、准确检测环境空气的相对湿度,并将检测数据通过A/D转换后，送到处理器（AT89C51）中，然后通过软件的编程，将当前环境的相对湿度值转换为十进制数字后，再通过数码管来显示；而且，通过软件编程，再加上相应的控制电路（光电耦合及继电器等部分电路组成），设计出可以自动的调节当前环境的相对湿度：当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态；键盘设置及调整湿度的初始值。关键词湿度控制；传感器；单片机；自动控制ResearchofindoorhumidityautomaticcontrolsystemAbstractThissystemhasadoptedtheaccuratemeasuringcircuit(isitblowaccuratesymmetricalsquarewavegenerator,logarithmenlargeandhalfwaverectifier,temperaturecompensation,temperaturecorrectandstrainwavecircuitoddpartsofcircuitnottomakeupautomaticallytowrapup),canmeasuretherelativehumidityofthesurroundingairautomaticallyandaccurately,andaftermeasuringthedataandchangingthroughA/D,senditintheprocessor(AT89C51),Thenthroughtheprogrammingofthesoftware,afterchangingthevalueofrelativehumidityoftheenvironmentatpresentintothedecimaldigit,andtheninchargeofthenumbertoshow;And,throughsoftwareprogramming,inaddition,correspondingcontrolcircuit(suchsomecircuitasphotoelectriccouplingandrelay,etc.makeup),designtherelativehumidityofthepresentenvironmentofregulationthatcanbeautomatic:Whentheindoorairhumidityistoohigh,thecontrolsystemstartstheexhausterautomatically,reducethevaporintheindoorair,inordertoachievethegoalofreducingairhumidity;Whentheindoorairhumidityistoolow,thecontrolsystemstartsthesteamengineautomatically,increasethevaporoftheair,inordertoachievethegoalofincreasinghumidity,makestheairhumiditykeepatidealstate;Theinitialvalueofthehumiditythatthekeyboardissetupandadjusted.Keywordshumiditycontrol；sensor；singlechip；automationcontrol商丘师范学院学士学位毕业设计10引言人类的生活与社会活动与湿度密切相关，在现实生活中很难找到一个与湿度无关的领域[1]。对湿度控制系统进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的迅速发展，湿度控制的研究取得了巨大成果，形成了一批商品化的湿度调节器，但从国内生产的湿度控制器的现状来看,我国的总体发展水平仍然不高,同欧美和日本等一些发达国家之间仍然有着很大的差距[2]。随着科学技术的不断发展以及人们生活水平的不断提高，人们对湿度控制系统的要求也是愈来愈高，因此，高精度、智能化、人性化的湿度控制系统就成为了未来国内外的必然发展趋势。1系统方案的设计1.1系统总体设计该系统是由湿度传感器、AT89C51、显示设备、加湿设备等几部分组成。系统的结构原理框图如图1所示。湿度传感器采集的湿度信号经过A/D转换之后传入单片机80C51处理，再由LED显示器显示出来，与设定值比较系统做出动作。图1系统结构图该系统的性能如下：（1）自动检测室内空气中的湿度。（2）当室内空气实时湿度太高时，控制系统就自动启动抽风机，排出室内空气中多余的水蒸气，从而降低室内湿度；当室内空气实时湿度过低时，系统就会自动启动加湿，增加室内空气中的水蒸气，从而增加室内湿度，这样就实现室内空气湿度保持在理想的状态。（3）数码管显示当前的湿度值。（4）键盘可以设置及调整湿度的预定值。1.2系统的设计原理湿度检测电路将环境中的实时湿度信号通过A/D转换后，送到处理器单片机AT89C51中，然后处理器通过软件运行，将实时湿度信号由LED显示出来（相对湿度值），并且判断当前湿度值是否是在预定的范围之内[3]。如果不在预定的湿度范围内，系统就会自动的进行湿度的调节：当实时湿度高于预定值上限的时候，启动减湿控制电路即吹风机开始工作，排风除湿；当实时湿度低于湿度预定的下限时，加湿部分即蒸汽机控制电路工作，开始增加湿度。系统的硬件结构图如下：湿度检测吹风机蒸汽机湿度传感器AT89C51功率驱动功率驱动LED显示电源按键输入商丘师范学院学士学位毕业设计2123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:5-May-2015SheetofFile:D:\Protel99SE\Library\Sch\AlteraMemory.ddbDrawnBy:-5V+5VGNDJJ数码显示吹风机控制蒸汽机控制湿度检测电路74LS157手动复位V-VREFAGNDINLOINHID5D1R/HCLKORURPOLB14BSEL1B4A1A1Y4YTextTextTextTextP1.0P0.0P1.6P1.5P1.4P2.3P2.0PESETP3.4XLAT1XLAT2P2.7P2.6P2.5P2.4P3.13.0P3.6P3.5P0.6D8+5V+5VS1S2S3S489C51图2系统硬件结构图2湿度信号的采集2.1湿度测量的名词术语湿度：湿度表示空气中的水蒸气的含量。湿度又分为绝对湿度与相对湿度两种。绝对湿度：绝对湿度又称为水蒸气密度，用水蒸气的质量与总容积的比值来表示16.2736.217abvTpvmd（1）其中,dv是表示绝对湿度,即每立方米干燥空气与水蒸气的混合物中含有水分的多少；p是水蒸气压强(单位是Pa)；Ｔab是干燥空气的温度值（单位是℃）．相对湿度：相对湿度指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。相对湿度的英文缩写为RH(RelativeHumidity)，公式：%100)()(21TPTpRH（2）式中，p1(T)是温度为Ｔ时的水蒸气压强，p2(T)代表在温度Ｔ下饱和压强[4]。MRRESTWDOWDI商丘师范学院学士学位毕业设计32.2湿度检测元件湿敏元件：湿敏元件是最简单的湿度传感器，湿敏元件主要有电阻式和电容式两大类[5]。1.湿敏电阻湿敏电阻是利用湿敏元件吸收水分后，湿敏元件的电阻率和电阻值发生变化这一特性来可以测量湿度的。湿敏电阻的种类有很多，现在主要使用的有半导体陶瓷湿敏元件、有机高分子膜湿敏元件、氯化锂湿敏元件等。湿敏电阻主要的优点是是灵敏度高，其主要的缺点是线行度和产品的一致性较差。2.湿敏电容湿敏电容一般是利用高分子薄膜电容制成的，利用的是当环境湿度发生变化时，电容的介电常数就会发生变化，其电容也随之发生变化的原理来测量湿度的。湿敏电容的主要优点是产品互换性好、响应速度快、灵敏度高、湿度的滞后量小、便于制造，但其精度一般比湿敏电阻要低一些。除了电阻式和电容式湿敏元件之外，还有声表面波湿敏元件、光强型湿敏元件、重量型湿敏元件、电解质离子型湿敏元件等。湿敏元件的线性度和抗污染性差：在检测环境的湿度变化时，湿敏元件要长期直接与空气接触，所以容易受到污染从而影响其稳定性和测量精度[6]。综合考虑，湿敏电阻是最常见，价格也是最低的一种湿度传感器，所以，本系统采用的是湿敏电阻。3信号分析与处理电路的设计3.1相对湿度检测电路的原理及结构图（1）相对湿度检测电路框图如图3所示，主要包括：精密对称方波发生器、湿敏电阻、对数放大器（兼做半波整流）、湿度校正电路及滤波器、输出放大器、断点补偿电路、+15V稳压电源等。该检测电路工作原理如下：①直流电流会使湿敏电阻产生电化学迁移现象损坏电阻，因此采用这里利用具有稳幅作用的对称方波发生器作为信号源，其输出的信号中不包含直流分量。②为解决湿敏电阻非线性问题，由晶体管和运算放大器构成对数放大器，将湿敏电阻的指数特性曲线进行线性化。③湿敏校正电路对电路进行校正，滤波器产生一个直流电压代表相对湿度，输出电压范围是0～10V，所对应的相对变化范围是（0～100%）RH。④输出信号送至A/D转换器，将模拟量转换为BCD码送至微处理器进行处理。⑤利用断点放大器对40