党丽娜毕业论文终稿

1、南 阳 理 工 学 院本科生毕业设计（论文）学院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： 党丽娜 指导老师 ： 牛 军 完成日期 2012 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于单片机的工业加湿器系统硬件设计Hardware Design of Industrial Humidifier System Based on MCU总 计： 23 页表 格： 4 个插 图： 20 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于单片机的工业加湿器系统硬件设计Hardware Design of Industrial Humidifier System

2、 Based on MCU学 院（系）： 电子与电气工程 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 党丽娜 学 号： 104091120082 指 导 教 师（职称）：牛军（副教授）评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technolog基于单片机的工业加湿器系统硬件设计基于单片机的工业加湿器系统硬件设计电气工程及其自动化 党丽娜摘 要 本文是基于单片机的工业加湿器系统的硬件设计，该系统主要由数字主控单元、水箱、抽水泵、过滤器、加湿器、传感器、反渗透膜等单元构成。外部自来水经过过滤器、反渗透膜、水箱后进入超声波加湿器。数字主控单元主要

3、由按键显示模块、压力、湿度采集模块、输出控制等模块构成。在加湿器方面系统采用了国内外使用较多的超声波加湿器。该加湿器在工作时无机械驱动、无噪音干扰、无污染、故障率低、能耗低、雾化效率高、维护简便、可靠，既可以较大空间进行均匀加湿，也可对特殊空间进行局部温度补偿，具有较高的使用灵活性。由于系统工作环境可能较恶劣，系统的电源很容易收到干扰，为此本设计中使用专用的电源监测和复位芯片MAX708 进行12V 电源的监测，一旦监测到电源的波动可能导致系统复位时，系统首先进行水泵等关键设备的断电保护，同时对当前的状况进行记录并进行保存，以便供用户以后诊断系统故障。系统设计完成后，经过多次测试，表明该系统达

4、到了定时排水、自动抽水、高精度湿度控制等控制器的基本功能，同时该系统具有成本低、效率高、自动化程度高等特点，达到设计要求。关键词 单片机；智能；加湿器；传感器Hardware Design of Industrial Humidifier System Based on MCUElectrical Engineering and Automation Specialty DANG LinaAbstract：we began the research for industrial humidity control system. Our humidity control system is ma

5、inly composed of digital MCU, water tank, lift pump, filter, humidifier, sensors, reverse osmosis membrane etc. Tap-water from outside goes through the filter, reverse osmosis membrane, water tank, and then goes into the ultrasonic humidifier. The digital control unit consists mainly of key display

6、module, pressure and humidity acquisition module and the output control module, etc. The ultrasonic humidifier frequently used in foreign countries is adopted in the system. The sensor is in no need of mechanical drive and works without noise interference, and is pollution-free, with low failure rat

7、e, low energy consumption, high efficiency and convenient maintenance atomization, reliable. Also, it can be used in larger space to provide equality of humidity, and provide local temperature compensation for specific part of special space, so the sensor is very flexible. Because the working enviro

8、nment might be very severe, the power supply can be easily disturbed, so we use a special power monitoring and the reset chip MAX708 to detect the 12V power supply. Once the power fluctuations that can cause the system restoration are found ,the key equipments such as pump in the system will be firs

9、tly cut off for the electricity protection, and then the current situation will be recorded and saved for system fault diagnosis later. Through repeating tests, the system has achieved the basic functions of intelligent controller like timing drainage, automatic pumping and highly précis humidi

10、ty control, at the same time, the system is with low cost, high efficiency and high automation degree.Key words：Single-chip microcomputer；intelligent；humidifier；sensor目 录1 引言11.1 加湿器在生活与工业生产中的作用11.2 工业加湿器的发展现状与分类11.2.1 工业加湿器的发展11.2.2 工业加湿器的分类21.3 本文研究的主要内容22 系统的设计指标与总体方案22.1 系统设计指标32.2 系统总体方案53 系统硬件

11、设计53.1 数字主控单元53.1.1 单片机介绍53.1.2 系统应用的工作模式83.1.3 复位电路83.2 按键单元93.3 数字时钟显示单元93.3.1 液晶显示93.3.2 数字时钟显示123.4 湿度检测123.4.1 湿度传感器和采集方法123.4.2 压力传感器检测153.4.3 浮子、水位感应片检测单元163.5 超声波加湿器173.5.1 超声波加湿器控制原理173.5.2 超声波加湿器的特点173.5.3 系统中的超声波加湿器183.6 电源系统193.7 输出控制单元19结束语21参考文献22致谢23231 引言湿度是影响环境质量的重要因素，空气中相对湿度的大小会对环境

12、中的人和物产生相应的影响。研究发现，湿度是衡量空气洁净度的重要指标之一，从而也成为影响产品质量以及人们生活质量的主要因素。随着日益发展的芯片技术领域，医药制药行业，生物工程的深入，对环境的要求也更加严格。湿度对人们的生活环境、工作环境以及工业生产都具有非常重要的意义，因此，加湿成为环境控制的必然要求。1.1 加湿器在生活与工业生产中的作用为了保证生活环境的舒适度，控制湿度是必须的，而控制环境湿度的设备就是加湿器。在干燥的环境中，湿气会由人的鼻子、眼睛、嘴巴与皮肤散失。湿气由皮肤离开时，会有冷却皮肤的效果，造成舒适度降低。在室温21的干燥环境中，人员会因散发湿气而觉得寒冷。此时，若增加湿度会使人

13、觉得温暖。一般人要消除冷的感觉，常会将温度加个23，加温所耗费的能量要比加湿器来得大。这也就是为什么冬季工作场所的温度常设在19、相对湿度设在60%，可以同时满足舒适度与节能的双重要求。适当的湿度还可以防止产生静电。干燥的环境容易产生静电。相对湿度35%以下时，物体上会产生静电，并会经过任何接触它的物体将静电释放至大地，人体也包括在内。走过尼龙地毯时、穿人造质料的鞋子可以在干空气中产生35000伏特的静电。在某些要求较高的环境，如计算机房、电子加工车间和集成电路生产车间等，静电放电会损坏元器件，造成设备失效；面粉加工厂、燃气制造厂、油库以及易燃性粉尘浓度较高的生产环境，要保持一定的空气湿度以控

14、制在出现高浓度氧气和其他易爆气体混合物时不产生静电，避免引起爆炸；加工各种细小粉状物质时，稍微增大水分可减少静电，使流动均匀而不结块1。提高5%的相对湿度即可使静电释放减至1500 伏特。若相对湿度提高至35%以上，所有的物体表面都会有一层湿气，它能捕集漂浮在空气中的带电尘粒，可使静电随时传导至大地而不发生人员与物品伤害。1.2 工业加湿器的发展现状与分类1.2.1 工业加湿器的发展工业加湿器产品在我国有二十几年左右的发展历史，最初是由国外传入的舶来品。国外加湿器产品的研制从50年代开始兴起，其产品种类不断增多，加湿性能逐步提高。50多年来，加湿器在国外得到了长足的发展，特别是日本，非常重视加

15、湿器的研究和开发，加湿器的市场也非常活跃。在我国，八十年代中期，随着气调保鲜业逐步兴起，加湿器亦成为食品气调储藏的关键设备。近年来,随着人们对生活环境与质量的要求不断提高，促成了多种适用于办公和家庭环境的加湿机的研制开发，在工业生产、粮食等物料仓储过程中乃至人们的日常生活中，对湿度控制的要求也正在引起专家们愈来愈大的关注。正是中国经济的快速发展，催生了工业加湿器产品市场的不断壮大。国内企业也越来越多地进入这一行业，并且早已打破由外资品牌一统天下的局面，进入国内外品牌共存的局面。这二十多年来，我国加湿技术发展很快，国家的湿度基准从无到有，湿度传感器从七十年代的几个品种发展到现在的几十个品种。加湿

16、器的发展也经历了淋水式和离心式加湿器，干蒸汽加湿器、超声波加湿器。但早期在产品性能、寿命等方面与国外还有很大的差距2。1.2.2 工业加湿器的分类至今，加湿器己有不下几十种类型。可以满足各类不同领域，不同消费水平的用户的不同需求。由于其各自的优势特点，使彼此间不能完全替代。工业加湿器既可以作为中央空调的配套产品，也可以单独使用。目前根据应用场合及工作原理，现阶段工业加湿器主要有以下类型：高压喷雾式加湿器，湿膜加湿器，干蒸汽加湿器，离心式加湿器，超声波加湿器，电热蒸汽加湿器等等3。1.3 本文研究的主要内容本研究针对传统工业加湿器的缺点，借鉴单片机自动控制在其他领域发展的成果，以微控制系统作为主

17、体部分为了研制一款工作时无机械驱动、无噪音干扰、无污染，故障率低、能耗低、雾化效率高、维护简便、可靠的工业加湿系统。本课题研究主要涉及以下方面：（1）通过对控制部分应实现的功能及要求确定总体设计方案；（2）系统硬件电路的设计。2 系统的设计指标与总体方案由于本系统的加湿器要求无噪音干扰、雾化效率高、无污染，为此超声波加湿器成为首选，然而超声波加湿器对水质的要求较高，为此本系统选择了用自来水过滤为超声波加湿器供水的方案。如图1给出了自来水过滤过程图。自来水进入系统后，经过过滤器和反渗透膜后进入水箱。过滤器和反渗透膜需要定期排出废水。水箱向超声波加湿器导入水质较高的水。图1 自来水过滤流程2.1

18、系统设计指标结合自来水过滤流程和本系统中实际应用的需求，提出系统需要实现的具体功能如下：（1）调节湿度范围：5%99%RH（应用范围更广）。（2）控制精度：±3%RH。（3）仪器智能化要求。l 总电源的安全控制水箱水位降低到水位感应片位置时，水位处于危险状态，加湿机应自动切断总控制电源，水位上升后，自动恢复供电和正常运转。l 进水停止自来水停止供水时，为防止水泵空转致使烧坏电机，停水时应立即切断总电源，并报警。恢复供水时又自动供电工作。l 自动定时排水由于加湿机的制水部分有2路排水管需要定时自动排水，管子上分别有电磁阀控制，通常情况应处于关闭状态。每天定时打开电磁阀排水，排完废水后自

19、动关闭。l LCD显示部分要求能够显示时间和湿度数值，控制按键能够设定、调节湿度和时间、能够设定阀的排水频率和排水时间。并且要求工作指示灯、电源指示灯、控制系统故障指示灯、以及水位高度、制水和停止制水的状态。根据上面的设计需求，设计出本系统的总体结构如图2所示。由图可知为控制电磁阀A、B主要用于控制定时排水，电磁阀C可以控制从水泵到过滤器的水路。继电器A和B分别用于控制超声波电源和水泵电源。系统用到的传感器主要有湿度传感器、浮子、水位感应片和压力传感器。图2 系统的总体平面结构图湿度传感器用于实时监测环境湿度。压力传感器用于检测自来水供水状态，浮子和水位感应片检测水箱水位情况。在本系统中主控制

20、器是整个系统的核心，其主要完成外部信息的采集和处理。主控制器设计方案如图3所示。图3 主控制器设计方案图2.2 系统总体方案根据设计需求的主控制器部分，设计出如图3所示的主控制器硬件结构。主控单元主要由一个MCU构成6，其主要功能是完成外界信息的采集，进行运算处理后，控制外面的设备进行正常工作。按键和LCD显示模块提供了人机交互的通道。时钟模块为主控提供时钟，主控单元利用该时钟进行程序运行和定时设置7。外界信息采集的传感器主要有湿度传感器8，压力传感器，浮子信号和水位感应片，其中湿度传感器进行实时的湿度信息采集，为主控单元对加湿器的控制提供了反馈信息。压力传感器用来实现对自来水的通断进行检测。

21、当传感器检测到外部自来水停水时必须关闭抽水泵控制继电器。浮子信号是指放在水箱中的两个固定高度的浮子通断信号。可以通过这个信号检测到目前水箱中的水位。水位感应片主要是用于水箱中的水位最低限感应，当水位感应片输出信号有效时，表明加湿器中的水位已经很低，这时必须系统切断电源，保护加湿器。电源模块主要是通过变压器把外部接入的220V市电转化为系统中各个模块需要的电压。在给水泵、超声波加湿器的供电里，为了在系统出现报警情况时切断电源，必须采用继电器进行控制9。3 系统硬件设计3.1 数字主控单元3.1.1 单片机介绍单片机芯片选用美国SST公司推出SST89E564系列单片机，它采用8051兼容MCU核

22、，8位CPU与高速Flash集成在同一块芯片上，具有1K的片内RAM和64+8K的EPROM，支持外部扩展程序存储器和数据存储器的地址范围均为64K，内置3个16位的定时计数器和一个全双工增强的UART，最多可以有8个中断源，并可以设定为4个优先级10。选用该芯片作为本系统的核心控制元件，不需再外扩展任何存储设备，且能高效率、快速运行计算。其主要特点如下：（1）引脚和指令系统与Intel公司的MCS-51系列单片机完全兼容；（2）1KB的片内数据RAM,双DPTR数据指针；（3）64KB+8KB的片内FLASH存储器，具有在应用中编程和在系统编程功能，不需要硬件编程器，可通过串行口实现用户代码

23、升级；（4）可通过编程选择6时钟或12时钟模式，缺省为标准12时钟模式；（5）看门狗定时器WDT，缺省时为关闭；（6）增强型UART，支持帧数据错误检测和自动地址识别，SPI串行接口；（7）9个中断源，终端级别可达4级，3个高点六驱动引脚，可直接驱动LED；（8）低电压检测，电压过低时自动复位，防止低电压时CPU误动作，提高可靠性；（9）低EMI模式，可禁止ALE输出时钟，超强抗干扰，可靠性更高。引脚说明如图4所示。图4 单片机引脚图(1)电源引脚Vcc和VssVDD(40脚)：电源端为5V；Vss(20脚)：接地端。(2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL2（18脚）：接外部晶体和微

24、调电容的一端；在8051片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。要检查8051/8031的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。XTAL1(19脚)：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。(3) 控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EARST/VPD(9脚)：RST是复位信号输入端，高电平有效。ALE/PROG：地址锁存允许信号端。当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fOSC的1/6

25、。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。PSEN：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引脚接EPROM的OE端。PSEN端有效，即允许读出EPROMROM中的指令码。EA/Vpp(ENABLE ADDRESS/VOLTAGE PULSE OF PROGRAMING，31脚)：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令，但当PC（程序计数器）的值超过0FFFH(对8751/8051为4K)时，将自动转去执行片外程序存

26、储器内的程序。当输入信号EA引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内ROM的8031或8032，需外扩EPROM，此时必须将EA引脚接地。此引脚的第二功能是Vpp是对8751片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压（一般12V21V）的输入端。(4) 输入/输出端口P0/P1/P2/P3P0口（P0.0P0.7，3932脚）：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。当P0口作为输入口使用时，应先向P0口锁存器（地址80H）写入全1，此时P0口的全

27、部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写1，这就是准双向口的含义。在CPU访问片外存储器时，P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。在此期间，P0口内部上拉电阻有效。P1口（P1.0P1.7，18脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。P1口每位能驱动4个LS型TTL负载。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存地址（90H）写入全1，此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。P2口（P2.0P2.7，2128脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。P2口每位能驱动4个LS型TTL负载。在访问片外EPROM/RAM时，它输出高8位地址。P3口（P3.

28、0P3.7，1017脚）：P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。P3口每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口与其它I/O端口有很大的区别，它的每个引脚都有第二功能。如表1所示。表1 P3口第二功能表P30IRXD:串行数据接收P31OTXD:串行数据发送P32IINT0#:外部中断0输入P33IINT1#:外部中断1输入P34IT0:定时/计数器0的外部计数输入P35IT1:定时/计数器1外部计数输入P36OWR#:外部数据存储器写选通P37ORD#:外部数据存储器读选通3.1.2 系统应用的工作模式本系统中采用12M晶振为系统提供时钟，采用Inter总线模式，使用SN74HC573

29、锁存器进行地址线的复用。由于系统中需要访问控制的地址较多，为此使用SN74HC138进行地址线的扩展，用于检测浮子、感应片等传感器的引脚通过排阻上拉到5V。单片机最小系统11如图5所示。图5 单片机最小系统图3.1.3 复位电路单片机的程序稳定性和运行及数据的安全性是设计者在不同的运行环境中所必须考虑的问题，而最易遇到的问题是受干扰而使CPU进入死循环，一般情况下设计者会使用软件陷阱和硬件看门狗来避免此类现象的出现，对于一般的运行环境还可以，但本系统是连续运行，而且环境恶劣，这时要使用硬件看门狗来重启CPU，使程序恢复正常运行。同时，如果电源电压波动较大或断电，系统还要求将当前有用的数据进行保

30、护。MAX708就是这种既有电源监控和数据保护又有看门狗作用的集成电路芯片12。MAX708是一种微处理器电源监控和看门狗芯片，可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号。复位信号可由VCC电压、手动复位输入或由独立的比较器触发，域值为1.25V。用于电源失效或低电源警告的独立比较器可用于监视第2个电源信号，为处理器提供电压跌落的预警功能。这一功能是为器件发出复位信号前的正常关机、向操作者发送警报或电源切换及数据保护而考虑的。本系统中PF引脚进行12V电源的监测，监测结果直接输出到单片机的中断引脚INT0，单片机一旦检测到电源有异常时，马上进行当前处理数据的保护。该复位芯片同时输出两路复位信号

31、，当复位按键按下时分别为单片机和实时时钟芯片提供复位13。图6 复位电路图3.2 按键单元如同计算机需要有显示器和键盘来进行人机交互一样，单片机系统通常也需要有输入和输出设备来进行人机交互。由于本系中需要控制的资源较多，为此单片机的引脚数目显得紧张。为此使用集成的按键扫描芯片SM1623进行按键的扩展。SM1623是一种带键盘扫描接口的LED驱动控制专用电路，内部集中由MCU数字接口、数据锁存器、LED高压驱动、键盘扫描等电路。本系统中用该芯片进行7个按键的扫描，扫描结果通过K1、K2、K3三个信号连接到单片机引脚。图7 扫描电路图3.3 数字时钟显示单元3.3.1 液晶显示作为人机交换的重要

32、途径。本系统中选用12232C液晶模块进行信息的显示。液晶结构如图8所示。图8 液晶结构图12232C是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器列驱动器及122×32全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示七个半(16×16点阵)汉字。接口管脚定义如表2所示。 表2 引脚结构管脚号管脚名称LEVER管脚功能描述1VDD+35V电源电压2VSS0V电源地3VLCD0+5Vor0-5VLCD外接驱动电压当VDD=+3V时，VLCD接0-5V4RESH/L复位电压5E1H/L读写使能信号（MASTER）6E2H/L读写使能信号（SLAVE）7A1H/L读写选择信号8A0H

33、/LD/I=“H”，表示DB7DB0为显示数据D/L=“L”，表示DB7DB0为显示指令数据9DB0H/L数据线10DB1H/L数据线11DB2H/L数据线12DB3H/L数据线13DB4H/L数据线14DB5H/L数据线15DB6H/L数据线16DB7H/L数据线17NC悬空18NC悬空控制电路需要对上下半片分别进行控制，控制电路如图9所示。 从原理图以及上面的图表可知，液晶内部的驱动分成了MASTER和SLAVE两部分共用数据等信号线。而区分是对哪一个部分进行操作是由管脚E1，E2来控制的。而在原理图中，是结合了来自CPU的RD，WR信号和来自74HC138译码器的CS_E1和CS_E2信

34、号来达到控制目的。当向地址0xA000H、0xA001H或者0xA002H地址读写时是对MASTER部分操作；当向地址0xB000H、0xB001H或者0xB002H地址读写时是对SLAVE部分操作。图9 显示控制电路图由于这个液晶的读写选择信号（第7个管脚）是由A1控制的，而数据线上传送的是数据还是指令是由第8个管脚控制的，这个管脚在原理图中连接A0，所以有以下的地址组合。地址对应操作的关系如表3所示。表3 地址操作表地址操作0xA000H向SLAVE部分写指令0xA001H向SLAVE部分写显示数据0xA002H向SLAVE部分读指令0xB000H向MASTER部分写指令0xB001H向M

35、ASTER部分写显示数据0xB002H从MASTER部分读指令3.3.2 数字时钟显示在本系统中需要定时排废水，并且需要在LCD上进行时间日期的显示和记录，为此一个精准的时钟参考显得非常重要。本系统选用DS18827作为时钟参考芯片。该芯片内建128字节RAM，可输出方波信号，自带晶体振荡电路和可充电电池，在没有外部供电的情况下也可以工作10年。可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年等信息。芯片内部还提供了约100个字节的RAM空间，其存储的数据也可以长期保持不变14。DS12887芯片能工作在两种总线时序，一是MOTOROLA模式，一是INTEL模式。这个模式的选择是由管脚M

36、OT来控制的，当MOT为高时表示使用MOTOROLA总线时序；当MOT为低时表示使用INTEL总线时序。本系统的单片工作在INTEL模式，为此MOT管脚必须接到地。由于数字时钟的RD管脚在INTEL模式下为RD信号，为此直接与单片机的外部地址读信号RD相连。DS12887的片选信号是由138译码器产生的CS_12887。从74HC138的原理图可以看出，这个片选信号对应的地址是0xD000H（只要保证高四位是1101），因此无论向DS12887读操作还是写操作，都必须对在地址上加上AD0AD7的偏移地址来进行操作。实际电路如图10所示。图10 实际电路图 3.4 湿度检测 3.4.1 湿度传感

37、器和采集方法根据其检测方法的不同，湿度传感器可分为两大类：水分子亲和力型与非水分子亲和力型。其中，以高分子湿敏元件作为敏感元件构成的湿度传感器是当今国内外湿敏元件领域研究的热点之一15，并且为实践证明是一种极有发展前途的湿度测量方式。HM1500湿度传感器的特点线性电压输出式集成湿度传感器HM1500是HUMIREL公司的典型产品,采用获得专利的湿敏电容HS1101设计制造,带防护棒式封装。HM1500的外型结构如图11所示。其主要特点如下：湿度测量范围为5%99%(相对湿度)；相对湿度精度为±3%；工作温度为-3060；工作湿度范围为0100%(相对湿度)；供电电压为5V(最大电压

38、DC16V)；输出为DC1V4V;响应时间为5s；外径约11mm；长度约58mm。HM1500湿度传感器主要应用于加热、通风和空气调节(HAVC)系统、环境监控、洁净空间、蔬菜大棚、粮食仓贮等的湿度检测与控制。HM1500湿度传感器的工作原理：HM1500采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快、重复性好、抗污染能力强。图11 HM1500的外型结构图HM1500的测湿元件选用湿敏电容HS1101，在一个有机玻璃或玻璃片上首先用扩散法制作两个电极，然后涂上有机膜作为介质，形成一个电容器件。当外界相对湿度变化时，感湿膜能吸附和释放水汽分子，引起其介电常数

39、发生变化,从而使元件电容量改变。利用电容量与相对湿度的函数关系即可测量湿度16。图12是HM1500所反映的湿度与其输出电压间的典型函数关系，运用最小二乘法可以求出其输出电压U0与相对湿度HR之间的关系，如式（1）所示。U0=1.1711 +0.02377·HR （1）温度不但影响有机膜湿敏电容的迟滞特性，对显示值也会直接造成影响，从而引起误差。温度误差可以通过电路或软件采取补偿措施。图12 HM1500所反映的湿度与其输出电压间的典型函数关系图目前，湿敏电容传感器的温度补偿可以采用软件补偿方式，即通过在各温度条件下的特性曲线测试及多元非线性拟合，求出温度校准方程。HM1500的温度

40、补偿公式如式（2）所示。U =U0×10-3(39.1-0.056Ta)-38.5 (2)公式(2)可直接用于软件补偿,而公式(1)是采用电路补偿得到的输出电压与相对湿度的关系。单片机只能接收数字量，但在控制系统中，许多输入量都是非数字信号，在整个测控系统的设计方案中，湿度、压力等用的传感器都是模拟传感器，输出的都是模拟量。A/D转换模块的作用就是把模拟量变换成单片机能接收的数字量。A/D变换过程主要包括：采样、量化及编码。采样是使模拟信号在时间上离散化，量化及编码是把采样后的值按比例变换成相应的二进制数码。如8位A/D转换器，采集到0V电压则变成00000000V数字信号，采集到5

41、V电压，则变换成11111111V数字信号，其他在05V之间的模拟量都可转换成00HFFH之间的数字量。通过对数字量的运算比较的结果，再实现对模拟量的测量及控制。A/D转换芯片，发展很快，种类繁多，性能各异，但按其变换原理可分成逐次逼近式、双积分式、并行式、跟踪比较式等等。其中逐次逼近式精度、速度及价格都适中，即性能价格比最优，应用最广泛；并行式速度快，但价格高；而双积分式精度高，抗干扰能力强，价格低，但速度偏低。根据智能温室环境测控系统的设计要求及系统运行的特点，选择逐次逼近式A/D转换器ADC0809较为合适。该芯片输入有8个模拟电压输入通道，分辨力为8bit，不可调误差为±1L

42、SB。芯片引脚功能如下：IN0IN1：为八路模拟信号输入端。ADDAADDC：为输入地址端，接三位地址线。ALE：为地址锁存允许端。该端信号正跳变时，锁存输入地址信号，选通相应的模拟信号进行A/D转换。START：为启动信号端。启动信号上升沿是内部寄存器清零，下降沿开始转换。EOC：转换结束信号输出端。电路启动转换开始后，在08个时间周期内，EOC为低电平，当转换结束时变为高电平。OE：输出选通端，当它为高电平时允许输出寄存器中的数据送到数据总线上。CLK：时钟信号端。REF（）、REF（）：参考电压输入端。D0D7：数字信号输出端。实际电路中使用两个D触发器对单片机产生的ALE信号进行4分频

43、后，作为ADC的转换时钟。实际湿度检测电路如图13所示。 图13 湿度检测电路图3.4.2 压力传感器检测压力传感器选择STY-1压力传感器如图14所示。图14 STY-1压力传感器图压力传感器采用进口高精度压力芯片及大规模集成电路组合而成。技术指标如表4所示： 表4 压力传感器各项技术指标参数单位技术指标灵敏度mV/V1.0-1.5非线性<%F·S0.3-0.05滞后<%F·S0.3-0.05重复性<%F·S0.3-0.05蠕变<%F·S/30min0.05零点输出<%F·S±1零点温度系数<%F

44、·S/10±0.03灵敏度温度系数<%F·S/10±0.03工作温度系数-20+70输入电阻350-4k输出电阻350-4k安全过载<%F·S150% F·S绝缘电阻M>5000M（50VDC）推荐激励电压V推荐电压12VDC本系统选用0-5V输出信号类型的压力传感器17。采集电路使用湿度采集ADC的通道1。3.4.3 浮子、水位感应片检测单元浮子、水位感应片检测单元主要完成对水箱水位的检测。如图15所示A8、A9、A10直接与单片机引脚相连。如果读入的相应管脚的值为低，则对应的传感器为有效状态。图15 浮子、水位感

45、应片检测单元硬件原理3.5 超声波加湿器3.5.1 超声波加湿器控制原理超声波雾化器利用电子高频震荡（振荡频率为1.7MHz或2.4MHz，超过人的听觉范围，该电子振荡对人体及动物绝无伤害），通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生自然飘逸的水雾，不需加热或添加任何化学试剂,与加热雾化方式比较，能源节省了90%18。另外在雾化过程中将释放大量的负离子,其与空气中漂浮的烟雾、粉尘等产生静电式反应，使其沉淀，同时还能有效去除甲醛、一氧化碳、细菌等有害物质，使空气得到淨化，减少疾病的发生。超声波加湿器是以超声波转能的方法产生高频震动使水面产生雾化，在雾化过程中产生水雾不断向周围蒸发使空气

46、中保持一定的湿度。超声波雾化器基本原理图如图16所示。首先由变压器经过整流桥产生48V左右的直流电压。由VT、L2、C1、L1、C3、C2、R1及RP1组成高频振荡器，采用电感三点式振荡电路，电路的振荡频率是超声波压电换能振子B的固有频率。RP1可以调节震荡幅度，控制加湿强度。VD5可以吸收反向电压从而起到保护三极管的作用。L2和C1组成的谐振电路不决定振荡器的频率，而是决定振荡幅度，它的谐振频率比电路的振荡频率约低，L1和C3谐振频率大于电路的振荡频率，采用两个谐振回路是为了使电路的振荡频率合成，使振荡频率在大功率下保证稳定工作19。图16 超声波加湿器电路原理图3.5.2 超声波加湿器的特

47、点超声波加湿器采用先进的集成机芯全封闭密封技术，具有较强的耐腐蚀性。同其它类型加湿设备相比，超声波工业用加湿器具有下列特点：（1）加湿效率高（接近100%），加湿强度大，产生的雾粒小而均匀，单位时间内可迅速达到要求的相对湿度，节约水源。（2）单位加湿量的能耗指标低，超声波加湿器的耗能量只有0.05kW/(kg.h)，仅相当于其它加湿方式的1/151/10，日运行费用低。（3）体积小，可根据现场条件单独自成系统，既适合新建厂房的配套安装，又可在不破坏原有设备的基础上，对旧厂房进行改造升级。（4）加湿均匀，可迅速及大面积地解决工业生产中的实际问题，例如纺织生产中的飞花、断头、静电、毛糙不平和纤维脆

48、弱等问题。（5）雾化组件采用集成式雾化机芯，全密封式结构设计达到了防水的目的，并且使雾化片更换、维护可在现场立即解决，完全杜绝了早期超声波加湿系统易损坏、寿命短和维修频繁等问题。（6）集成雾化机芯自带过水保护装置，可有效地保证雾化机芯在水位过低时自动停止工作，无需另配设备，节约了成本。（7）控制方式灵活、方便，有三种控制方式可供选择：开关控制、时序控制和湿度自动控制。在选取时可根据现场环境和人员安排进行灵活的选择、搭配。（8）设备采用不锈钢箱体，外观美观大方，耐腐蚀，寿命长。（9）设备同时具有固定支架式和可移动式两种安装方式，并可通过管道连接安装在远离加湿场所的区域，既方便了设备安装，又提高了

49、空间的使用效率。（10）设备整体设计经过反复试验及检测，结构紧凑，搭配合理，无大功率电机，不是由纯粹的机械能驱动加湿，所以工作时无噪音，对液体的雾化效果高。超声波加湿器结构紧凑、安装方便、控制灵敏、高效节电，与电极（热）式加湿器相比，可节省电能70%85%左右。3.5.3 系统中的超声波加湿器考虑到本系统中加湿器实际应用环境和空间面积，本系统选用北京瀚宁空气技术有限公司的RC-6.0-B型工业超声波加湿器如图17所示，该加湿器集成式雾化组件，并配有无水保护装置，所产生的雾粒直径只有3-10m，颗粒均匀，能长时间悬浮于空气当中。加湿器雾化工作时无机械驱动、无噪音干扰、无污染，雾化效率高、故障率低

50、。图17 工业超声波加湿器图该加湿器有参数如下：控制方式：开关控制制雾量：6kg。电源：220V/50 HZ。功率：600W。换风量：175m3/h。在控制方式上本系统采用大功率继电器用单片口线数字控制。3.6 电源系统系统的电源的稳定性直接影响到这个系统的性能20。由于在系统中有电机，继电器，电磁阀等感性负载，为此这些负载在启动和开关的瞬间将产生尖峰脉冲对系统电源造成污染，这些都必须在电源设计中得到考虑21。本设计中系统电源主要有5V、24V，如图18所示。220V的交流电通过变压器变压后产生24V和12V交流电压。通过整流桥后产生DC26.4V和DC13.2V的直流电压。DC26.4V通过

51、大电容稳压后经过三个1N4148二极管降到DC24.3V左右。在通过型滤波和RC滤波后进入到后级系统中。DC13.2V的电压直接通过LM7805线性稳压器产生DC5V电源，通过型滤波和RC滤波后进入到后面的数字控制部分。在系统中使用了AGND（模拟地线）和DGND（数字地线）来进行不同电源地线的隔离，这对数字控制部分噪声的控制起到了极大的作用22。图18 电源系统单元原理图3.7 输出控制单元输出控制单元主要包括电磁阀的控制和电磁继电器控制，电磁继电器控制主要是对超声波加湿器和增压泵进行控制。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定

52、的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合23。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点释放，这样的吸合、释放，达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。本系统选用的继电器是松乐公司的SMIH继电器。控制端电压为5V，被控端为220V，5A，满足超声波加湿器和增压泵功率要求。其控制如图19所示。二极管起到吸收电感负载产生的反向电动势。三极管增加了驱动电流。图19 电磁继电器控制单元电路原理图电磁阀控制的控制主要是定时排除废水，其主要原理是通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧