哈工大自动控制元件课程设计报告

1、自动控制元件课程设计报告工厂空气调节及净化装置班级:组员:一、项目背景在现代印刷厂在生产过程中，湿度、粉尘以及一些有害或易燃气体都对印刷 厂的生产及员工的身体健康有着很大影响。其中，湿度不当可能造成的结果有：1:产生静电。纸张易产生静电。工作人员常有电击感，并伴有静电打手现象，尤其在秋冬干燥季节经常出现。静电的强度与环境湿度有着密不可分的关系， 湿度越低静电越活跃。随着湿度增加而逐渐减弱。2:纸张伸缩变形。由于纸张的品种不同，其膨胀收缩率不同。如果纸张与 环境不能达到湿度平衡就会造成以下情况： 纸张吸收水分而膨胀、失去水分而收 缩。印完的纸张伸缩不一，给下道加工工序带来很多麻烦。3:纸张起皱。

2、纸张起皱的原因是由于其出现“荷叶边”或“紧边”等现象， 使纸张不能平坦舒展，印刷时出现褶皱。此现象会使印刷器出现大量废品。由于印刷厂大量纸张中含有纸粉并且空气中含有灰尘，在干燥的室内到处飞扬，对印刷品的质量有着严重的影响。印刷厂的原料及在纸张的印刷过程中会产生一些有害易燃气体，如甲苯等， 会对员工的身体健康造成危害。因此，需要将湿度控制在一定范围内，并将粉尘及有害易燃气体浓度保持在 一定标准以下。二、设计目标1、湿度控制：将厂房湿度控制在 50%65的范围内，当湿度超过规定值时，通 过风机与除湿装置配合，将湿度降低；当湿度低于规定值时，用离心式加湿装置 与风机配合组成加湿设备，将湿度升高。将湿

3、度信号通过传感器进行信号的采集 并转换成电信号，再通过单片机进行数据的分析，并驱动执行元件（风机和离心 机等）进行湿度调节。2、粉尘及有害气体控制：通过粉尘及甲苯气体传感器，测量室内空气中粉尘和 甲苯的含量，反馈给单片机，与设置的标准值进行比较，再由单片机输出控制信 号，驱动风机运行，将含有粉尘及有害气体的空气过滤后排到室外。三、总体方案设计1、系统的性能指标和技术要求1、湿度检测精度：一 3%RH湿度保持范围：50%RH-65%RH2、粉尘浓度允许上限：8mg/m33、甲苯气体浓度允许上限：0.2 g/m34、风机的风量：5000m3/h5、尽量满足节能和经济性要求2、系统的总体结构本系统主

4、要由以下部分组成：测量元件，执行元件，功率放大元件，主控电 路，调节装置，信号转换装置。系统湿度调节部分的流程图：键盘输入当前湿度湿度传感器 系统粉尘及甲苯浓度调节流程图:传感器四、主要元器件的选择及设计1、测量元件的选择湿度传感器的选择湿度传感器产品的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿 敏元件。由湿度引起湿度传感器物理或化学变化的种类，可将湿度传感器分为电容式、电阻式和湿涨式。电容式是其高分子材料吸湿后引起介电常数发生变化； 电阻式是其高分子材料吸湿后引起电阻率发生变化；湿涨式是其高分子材料吸湿 后引起体积

5、发生变化。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。 湿敏电 容一般是用高分子薄膜电容制成的，在高分子膜上各蒸镀一电极膜片，上方的电 极为多孔性以吸收水份，高分子膜吸收水份之后，其介电系数将改变，致使感湿 组件之电容量改变来达到测量湿度的目的。常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化， 使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。 湿敏电容的主要优点 是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实 现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。但电阻对温度比较敏感， 因而限制了器件

6、在较大温度范围内的应用。国外生产湿敏电容的主厂家有 Humirel公司、Philips 公司、Siemens公司 等。目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Hon eywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610 型），Humirel 公司（HM15O0 HM1520 HF3223 HTF3223型），Sensiron 公司（SHT11 SHT15型）。这些产品可分成以 下三种类型：（1）线性电压输出式集成湿度传感器；典型产品有HIH3605/3610、 HM1500/1520其主要特点是采用恒压供电，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

7、信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。 线性频率输出集成湿度传感器；典型产品为HF3223型。它采用模块式结 构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%R!时的输出频率为8750Hz（型值）， 当上对湿度从10%变化到95%寸，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz,这种传 感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点（3）频率/温度输出式集成湿度传感器；典型产品为 HTF3223型。它除具有 HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（ NTC热敏电 阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从 NTC端引出， 配上二次仪表

8、即可测量出温度值。综合考虑系统的精度、线性度及测量元件工作范围的要求，初步确定了以下 几种方案：方案1:采用HOS-201湿敏传感器。HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感 器，它的工作电压为交流 1V以下，频率为50HZ-1KHZ测量湿度范围为0 100%RH工作温度范围为050C,阻抗在75%R（25C）时为1MQ。这种传感 器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断 规定值以上或以下的湿度电平。然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有 良好的线性度，难以有效地利用其线性特性。方案2:采用CHR-01湿敏电阻。CHR-01湿敏电阻适用于阻抗型高分子湿度 传感

9、器，它的工作电压为交流1V,频率为50Hz2kHz测量湿度范围为20%90%RH 测量精度土 5%工作温度范围为0+85C，最高使用温度120C，阻抗在60%RH（25C）时为30 （2140.5） KQ。采用555时基或RC振荡电路，将湿度传感器 等效为阻抗值，测量振荡频率输出，振荡频率在1k Hz左右。方案3:采用HM150C湿度传感器。线性电压输出式集成湿度传感器HM1500采用湿敏电容HS1101设计制造，其湿度测量范围为 5%99% （相对湿度）；相 对湿度精度为3%;工作温度为-30+60C；工作湿度范围为0100% （相对湿 度）；供电电压为5V（最大电压DC16V）可输出DC电

10、压为14 V ;响应时间为 5s o方案4:采用HS1100/HS1101湿度传感器。HS1100/HS1101电容传感器，在 电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速，专门设计的固态聚合物 结构，有顶端接触（HS1100和侧面接触（HS1101两种封装产品，适用于线性 电压输出和频率输出两种电路。测量范围是（1%99%RH在55%R时的电容量 为180pF （典型值）。相对湿度在 1%-100%RH范围内，电容量的变化范围是 163pF202pFO温度系数为0.04pF/C,湿度滞后量为土 1.5%,误差不大于土

11、2%RH 响应时间小于5S。可见其精度和灵敏度是较高的。综合比较几种方案，方案1虽然满足精度及测量湿度范围的要求， 但其只限 于一定范围内使用时具有良好的线性， 其工作电压为交流1V以下，实现较困难， 而且工作的温度范围较窄，方案 2、3测量精度不符合设计系统要求，且价格较 高，也不符合经济性要求。因此，我们选择方案4作为本设计的湿度传感器。HS110湿度传感器是法国Humirel公司推出的电容式相对湿度传感器，它的 测量范围是0%- 100%RH电容量由162PF变到200PF,其误差不大于土 2%RH响 应时间小于5S;湿度系数为0.34PF/C ;年漂移量0.5%RH年，长期稳定。该传感

12、 器广泛应用于办公室、家庭、汽车驾驶室和工业控制系统等，对空气湿度进行监 测。与其它湿度传感器相比，它还有以下显著的优点：无须校验的完全互换性长期饱和状态，瞬间脱湿适应自动装配过程，包括波峰、焊接、回流焊等具有高可靠性和长期稳定性特有的固态聚合物结构响应时间快适用于现行电压输出和线形频率输出两种电路HS110湿度传感器在电路构成上等效于一个电容器件，采用侧面开放式封 装，只有两个引脚，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大，但不允许直流方式供电。下图为HS110湿敏电容的湿度电容响应曲线，可见使用该传感器可以保证系 统的线性度。湿敏元件的抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环

13、境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。 所以需要定期校准和更换。粉尘传感器的选择：该系统选择GCG50C型粉尘浓度传感器。GCG500粉尘浓度传感器采用光散射原理直接测量总粉尘浓度,测定数据就地显示，同时输出与安全监测监控系统相适应的频率、电流信号（二种信号任选一种）,供监测系统处理。适用于煤矿及其它有爆炸危险性的作业环境中现场连续监 测其大气中的总粉尘浓度。既可与安全监测系统联网，也可单独接电源使用。测量原理：当光照射在空气中悬浮的粒子上时， 产生光散射。在光学系统和 粉尘性质一定的条件下，散射光强度与粉尘浓度成比例。光散射法测定空气中的 粉尘浓度是通过测量散射光强度，经过转换求得

14、粉尘质量浓度的方法。它的主要特点有：额定工作电流小，整机额定工作电流w120mA最大工作电流w 180mA距分站最远距离可达1500m输入电压范围宽：可适用于煤矿井下各种分站，仪器在输入电压 12 V24VDC （本安电源）的范围内均能正常工作；测量精度高：采用分段式控制算法，根据不同的浓度大小自动采用不同的比例系数计算，同时增加了温度补偿功能，提高了测量的精度；具有自动校准零点功能：仪器自动校准零点漂移，并可在 1100天的范围 内任意设置校准的时刻；具有软启动模式的功能：仪器采用了电机软启动技术，大大减小了仪器抽气泵启动时对供电电源的冲击，最大启动电流w 130mA可用CCGZ-1000型

15、直读式测尘仪在工作现场直接标定，方便、快捷；量程可调：测量量程可根据需要设定为 0mg/m3500mg/m3或0mg/m31000mg/m3测量周期可选择：可测量瞬时粉尘浓度或平均粉尘浓度，平均粉尘浓度的测量时间可在1s3600s范围内任意选择。它的主要参数有：总粉尘浓度测量范围：0 mg/m3500 mg/m3或0 mg/m31000 mg/m3;测量误差：w 15%;输出信号：200Hz1000Hz 1mA- 5mA工作电压：12V24VDC （本安电源）;最大传输距离：1500m防爆型式：Exib I矿用本安型；甲苯气体传感器的选择：甲苯的物理及化学性质主要有：极微溶于水，对皮肤、粘膜有

16、刺激性，对中3枢神经系统有麻醉作用。爆炸极限1.2%7.0%人吸入71.4g/m，短时致死；人33吸入3g/m X 18小时，急性中毒；人吸入 0.20.3g/m X8小时，中毒症状 出现。半导体气体传感器是利用半导体气敏元件作为敏感元件的气体传感器， 是最 常见的气体传感器，广泛应用于家庭和工厂的可燃气体泄露检测装置。对于半导 体气体传感器，按照半导体与气体的相互作用是在其表面还是在其内部， 可分为 表面控制型和体控制型两种；按照半导体变化的物理性质，又可分为 -电压特性 的变化以及MO场效应的阈值电压变化等特性而制成的气体传感器。由于这类传 感器的制造工艺成熟，便于器件集成化，因而其性能稳

17、定价格便宜。利用特定材 料还可以使传感器对某些气体特别敏感。本系统选择型号为2M009的半导体气体传感器，它的特点有：对甲苯气体有 很高的灵敏度；具有良好的重复性和长期的稳定性。2M009型甲苯气体传感器用于工业对甲苯气体的检测。可应用于感应甲苯气体浓度产品，例如：工业型甲苯检测仪，实验室用甲苯气体检测报警仪等检测甲 苯气体潜在危害的场所或需要甲苯气体浓度数值的产品。该传感器的主要参数如下:项目技术指标检测气体r甲苯气体回路电压5-24V取样电阻0.5-20K Q加热电压5 0.1V加热功率约 750mW灵敏度R0(air)/RS(100ppmC6H5CH3) 5响应时间Tres v 10秒恢

18、复时间Tree v 30秒预期寿命3-5年2、执行元件的选择风机选型：印刷厂的空气中含有较多易燃易爆气体，因此需选用防爆风机。按照气流运 动，风机可分为以下几类：离心风机气流进入旋转的叶片通道，在离心力作用下气体被压缩并沿着半径方向流 动。市场上一般离心风机多由联合设计组设计的“三化”风机，如4-72、4-73、5-47、5-48、9-19、9-26等系列产品。前向多翼风机系列模板主要是国外机型 为主，如科禄格（新加坡）、LAU牌（美国）和尼科达（意大利）；国内机型为11-62 和YDW-11/12等系列以及众多上述进口机型的仿制品。轴流风机气流轴向进入风机叶轮后，在旋转叶片的流道中沿着轴线方

19、向流动的风机。相对于离心风机，轴流风机具有流量大、体积小、压头低的特点，用于有灰尘和 腐蚀性气体场合时需注意。小型低压轴流风机由叶轮、机壳和集流器等部件组成， 通常安装在建筑物的墙壁或天花板上； 大型高压轴流风机由集流器、 叶轮、流线 体、机壳、扩散筒和传动部件组成。叶片均匀布置在轮毂上，数目一般为224。 叶片越多，风压越高；叶片安装角一般为1045,安装角越大，风量和风压越大。轴流式风机的主要零件大都用钢板焊接或铆接而成。市场品种主要有 T30、T35、T40 （工排）、CDZ SF、DZ降温风机（APB系 列）等。斜流式（混流式）风机在风机的叶轮中，气流的方向处于轴流式之间，近似沿锥流动

20、，故可称为斜 流式（混流式）风机。这种风机的压力系数比轴流式风机高，而流量系数比离心式风机高。市场上主流的混流风机产品系列主要有：SWF（ HWF-I ） , SJG （ HWFN）、HL3-2A、（ HWF-V。离心式风机适用于小流量、高压力的场所，而轴流式风机则常用于大流量、 低压力的情况。由于印刷厂的气体净化装置须实现较大范围内的换气，要求风机有较大的风量，但是风机和外界空气连通的管道长度较短且弯头不多，所以对风机的风压参数要求不高，综合以上考虑我们决定选择轴流式风机。防爆轴流风机具有以下特点：由防爆电机、叶片、风筒等组成。噪音低、能耗低，防爆性能可靠。主轴转速（或电机功率或风量）可根据

21、用户要求选配。 防爆通风机在结构上，要求转动件和想毗邻的静止件避免碰擦，以防产生火花。 叶轮采用铝合金、不锈钢或玻璃钢制造，当叶轮与进风口机壳等碰撞时不产生火 花。电机为防爆型。具体的风机型号我们选择 BT35-11防爆轴流风机。原因如下：该风机具有以 下特点：较之前的同类型产品BT30-11结构更合理；性能有较大提高，全压效力 为89.5%;噪声更低，噪声（比 A声级）降低3.6dB（A）。且本系列风机适用于 输送易燃易爆无腐蚀性气体，环境温度低于60C。广泛应用于一般工厂、仓库、 办公室、住宅内通风换气或强暖气散热，也可在较长的排气管道内间隔串联安装 以提高管道中的压力。该风机的叶轮由铝合

22、金加工而成，以防止在运转中引起火 花，电机采用隔爆型电机。风机的相关计算公式为：1、轴功率:卜魏卅川* %恫尽N= 1023600 x0.8x0.98N（轴功率）X K（电机贮备系数）=电机所需功率注:0.8是风机效率,是一个变数，0.98是一个机械效率也是一个变数（A型为D、F 型为 0.98,C、B型为 0.95) 2、风机全压：（未在标准情况下修正）P仁P2X式中:P仁工况全压（Pa）、P2=S计标准压力（或表中全压Pa）、B=当地大气压（mmHg） T2=X况介质温度C、T仁 表中或未修正的设计温度C、760mmHg在海拔0m,空气在20C情况下的大气压。3、比转速:nsnS=5.54

23、X nX注:p 气体密度(Kg/m3 ；公式:P1=P2X 1.2/ p、p =1.2 X (273+T2)/(273+20)20C =1.2、50C =1.089、80C =0.996、100C =0.943、150C =0.813、200C =0.743、250C =0.672、280C =0.636、300C =0.614、350C =0.564。4、压力系数：压力系数好P书=压力系数、P= 全压(Pa)、p =气体密度(Kg/m3)、U=叶轮外缘园周速度 (m/s)。5、风机最大扭矩：550X电机功率十转速= .Nm(般是大型电机，或用户需要的)&风机的动载荷系数：2900 转是 0.

24、5、1450 转是 0.25、960 转是 0.175、580 转是 0.08757、调节门的扭矩：Tmix=(2 2.5) X 10 6X Q3/2X P=.N.m8、选用的电机功率 N=( Q/3600) *P/ (1000* n ) *K其中风量Q单位为m3/h,全压P单位为Pa,功率N单位为kW n风机全压 效率(按风机相关标准，全压效率不得低于 0.7,实际估算效率可取小些，也可以 取0.6,小风机取小值，大风机取大值)，K为电机容量系数，其中轴流风机取 1.05-1.1，小功率取大值，大功率取小值。可根据工厂的具体情况进行相关参数的计算。BT35-11防爆轴流风机部分型号的详细参数

25、:机号转速rpm叶片角 度风量m/h风压Pa配用电机A声级Db(A)型号功率kw3.552900356542373YSF-80220.7582145035326593YSF-63140.186842900359336474YF90S-21.1851450354687119YSF-71140.25704.51450356658150YSF-71240.377351450359133185YSF-80240.757696035610481YSF-80260.37685.614503512812232YF90S-41.179960358471101YSF-80260.3771根据以上参数，我们综合比

26、较了它们的优劣，风量初步定为不少于35000m小，对风压无特殊要求，且使噪音尽量小，电机有较高的转速，并在满足 设计条件的前提下尽量节省电能，我们选择了 BT35-11-4.5型号的风机。它是 BT35风机系列中的4.5号的风机，这是机械工业部规定的标准型号的风机。“ BT”表示用途“防爆风机”；“35”表示风机轮毂比（根部直径与顶部直径之比）为0.351T中前一个“ 1”在离心风机上表示“单吸入”，在轴流风机中没有意义，后面的“ T表示第一次设计；“NC4.5 ”表示4.5号风机（叶轮直 径为0.45米）。防爆轴流风机外形及安装尺寸：机号D1D2D3D4M1M2M3M4HLN-d14-d23

27、.553603904154202302752903302603308- 104- 1244054354604652502953303702903508- 104- 124.54604905155252052503804203303108- 104- 1255105405805852402904104503503608- 104- 145.647060063064027032545049039040010- 104- 14可由上表确定风机的尺寸，从而选择合适的机座。3、变频器的选型在风机中，随叶轮的转动，空气在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速 度n的2次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的

28、2次方减小。这种负载所需 的功率与速度的3次方成正比。当所需风量减小时，利用变频器通过调速的方式 来调节风量，可以大幅度地节约电能。由于高速时所需功率随转速增长过快， 与 速度的三次方成正比，所以通常不应使风机、泵类负载超工频运行。选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据， 电机的额定功率 只能作为参考。另外，变频器的输出含有丰富的高次谐波， 会使电动机的功率因 数和效率变坏。用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较， 电动机的电流 会增加10%而温升会增加20%左右。所以在选择电动机和变频器时，应适当留有 余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。变频器没有防爆构造，所以要驱动

29、本系统的防爆风机，应将变频器设置在危 险场所之外。这势必导致电缆长度增加，变频器在长电缆运行时，应采取措施抑 制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一、两 档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。根据工厂的实际需要，配置的风机数量也不同，所以有可能用一个变频器控 制多个风机。当变频器用于控制并联的几台电机时，要考虑变频器到电动机的电缆的长度总和在变频器的容许范围内。 如果超过规定值，要放大一档或两档来选 择变频器。另外在此种情况下，变频器的控制方式只能为V/F控制方式，并且变 频器无法实现电动机的过流、过载保护，此时需在每台电动机侧加熔断器来实现 保护。本系统选用西门

30、子的MM42变频器。风机类负载的特点是对速度精度要求不 高，单体传动，对加减速时间没有要求，从经济性的角度考虑，选择MM42变频器。而且还考虑到西门子变频器的过载能力强，一般允许1.6倍短时过载，MM4系列变频器允许的存储温度为-40+70度，满足需要。拖动风机的三相异步电机YSF-7124勺相关参数如下：功率（KW： 0.37 ;电 流（A）: 1.08 ;转速（r/min ）: 1400;效率（% : 69.5 ;功率因数（cos）: 0.72 ; 堵转转矩与额定转矩比：2.4 ;堵转电流与额定电流比：6;最大转矩与额定转矩 比：2.4 ;额定电压：380V。MM42系列变频器主要特征为：

31、380V-480V 10%三相，交流，0.37kW-11kVV 过载能力为150%额定负载电流，持续时间60秒。根据电机的功率参数，本系统选择型号为6SE6420-2UD21-5AA的变频器，该 变频器的功率为1.5KW，可以拖动至少4台功率为0.37KW的电机。4、功率放大元件的选型功率放大元件选用PWM功率放大器。线性功率放大器最大的缺点是效率低。 原因是晶体管工作在放大区，晶体管的电压和电流都较大，本身消耗较多电能。 这些电能转化为热能，在功率大时，易烧坏晶体管。与线性放大器相比，PWM功率放大器的优点是效率高，晶体管损耗小，输出功率大。脉宽调制功率放大器（PWM通常工作在开、关状态，而

32、且其功耗低、效率高、频带宽、线性好。在电机控制系统中，干摩擦是影响系统性能的一个主要因素，它一方面会造成系统静态误差，另一方面，在系统低速运行时还会引起跳动。在采用PWM控制时，电机一般处于微振状态，这样就起到了“动力润滑”的作用， 从而减小了摩擦力矩 以及静、动摩擦力矩之差，因此，该微振是避免产生低速跳动的重要途径，有利 于提高整个系统的动态性能和低速运行时的平稳性。具体型号选择SA03SA03是由美国APEX公司生产的高性能脉宽调制功率放 大器。由功率放大器开关动作而产生的噪音和电磁干扰可通过电流闭环反馈得到 改善。由于SA03具有电流保护和限制功能，因此更适宜采用电流环。因为这样 可以保

33、护器件；更重要的是，可以充分利用器件的性能来提高整个系统的效率， 以使系统以最大的加速度启动，并以最大加速度制动，从而提高系统的快速性和 动态性能。5、主控元件的选择本系统选用单片机作为主控元件。用单片机构成的控制器集成度高、体积小, 能进行各种复杂的计算，灵活方便地实现较复杂的控制。将湿度传感器、粉尘传 感器和甲苯气体传感器检测到的数据输入给单片机， 单片机将三组数据分别与设 定值进行对比，分别得到需要的风机转速信号，选择合适的转速信号，经D/A转换器转换后输出给变频器。五、具体的结构设计本设计以STC89S52单片机作为主控元件。将传感器采集来的湿度和粉尘及 气体浓度信息通过液晶屏显示出来

34、， 并进行综合分析，如果采集的信息超出了预 设范围，则单片机为变频器输送控制指令，再由变频器控制风机以一定功率运行。STC89S52液晶显示模块变频器离心机等湿度测量电路设计将HS110的勺电容量的变化量准确地转变为单片机易接受的信号的方法，常用的有两种：一种是将HS110置于运放与电容组成的桥式振荡电路中， 所产生的正 弦波电压信号经整流、直流放大，再由 A/D转换为数字信号，供单片机处理；另 一种是将HS110置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频 率信号，供单片机直接采集和处理。本系统将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比 的电压频率信号，可直

35、接被计算机所采集。集成定时器555芯片外接电阻R4、R2 与湿敏电容C,构成了对湿敏电容C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地 短路又构成了对湿敏电容 C勺放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器， 便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。多谐振荡器只有两个暂稳态。振 荡周期为两个暂稳态的持续时间。另外，R3是防止输出短路的保护电阻，R!用于平衡温度系数。10KR12TRIGDIS6US31Kz G THRR2555该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下： 首先电源Vcc通过R4、R2向湿敏 电容C充电，经充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，此时输出引 脚3端由高电平突降为低

36、电平，然后通过 R2放电，经放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，从而形成方波 输出。其中，充放电时间为：T充电=(R2&)CInVCC JRR4)Cln 2( 1)VCC 一VT +T放电二 R2C In 0_二 R2C In 20-Vr_(2)因此，振荡周期为：T 二T充电 T放电二（R4 2R2）CI n2（ 3）因而，输出的方波频率为：f =1/（T充 电 T放电）=1/（ R4 2R2）CI n2（ 4）可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号。通过周期求出频率，根据频率的变化得到湿敏电容的变化， 对照电容值和湿 度值对

37、换表，就可以由湿敏电容的电容值得到湿度值。菽311、空气湿度与电压频率的典型值湿度频率湿度频率%RHHZ%RHHZ073516066001072247064682071008063303069769061684068531006033506728湿度调节装置:当湿度低于设定值时，单片机通过继电器控制离心机运转。采用离心式的加 湿方式，其优点是加湿速度快，喷射的是超微粒子（510微米），不会产生水滴 湿地的现象，加湿量范围大，可以实现自动控制。当湿度超过设定值时，单片机通过继电器控制除湿设备， 先使空气冷凝，空 气中的水汽液化，通过管道排出，剩余的干燥空气再通过加热装置恢复原温度， 送回室内。六

38、、系统的流程分析七、系统的硬件选型清单硬件名称型号兀件种类元件数量湿度传感器HS1101测量元件1粉尘传感器GCG500测量元件1甲苯气体传感器2M009测量元件1防爆轴流风机BT35-11-4.5执行元件1变频器6SE6420-2UD21-5AA控制信号调节元件1离心机执行元件1除湿装置执行元件1单片机STC89S52主控兀件1PW功率放大器SA03功率放大元件1D/A转换器AD7524信号转换兀件1八、结论本设计采用湿度、粉尘和甲苯气体传感器，用于厂房的空气各参数的测量， 分析了测量的工作原理及过程，并提出了空气检测和调节系统整体的设计方案。 本系统选择的传感器在精度、线性度及灵敏度上都能

39、达到测量要求，工作范围宽， 并且克服了传统的工厂需要靠管理人员手工检查、测量和计算各个参数值，且用 人工方法进行控制的缺点，提高了空气检测速度和检测精度，同时也提高了控制 速度和控制精度。能够有效的减少工厂气体爆炸等事故，同时也节省了大量人力 和物力，减轻了工厂管理的工作强度，提高了管理效率，使工厂管理得到了安全 可靠的保障。1、系统优缺点分析优势与特色：1、该系统有较好的可扩展性。比如，传感器的测量结果不仅能在本地显示， 而且可以利用单片机的串行口和 RS-485总线通信协议将采集的数据传送到主控 机，以进行进一步的存档、处理。主控机负责控制指令的发送，以控制分布在厂房不同位置的风机的运行情

40、况，再尽量节省能源的前提下达到最佳调节效果。2、采用了测量精度较高的测量元件，使整个系统在控制上都具有较高的精 度，避免了各参数超过允许值而执行元件不工作的风险。3、选用了具有较大风量的风机，加快了换气速度，缩短了系统的响应时间， 提高了控制系统的灵敏度。4、将湿度调节，粉尘及有害易燃气体净化的功能通过一套系统来实现，由 单片机循环检测每个传感器的测量值， 综合分析每个参数与设定值的差异， 从而 决定控制变频器的输出信号的大小，大大减少了元件的使用量，节约了成本。5、选用了适合风机负载的变频器，在很大程度上节约了能源，符合系统的 经济性要求，且在变频器的选型上，选择了四倍于风机功率的变频器，

41、主要是考 虑到不同的工厂厂房规格不同，可能需要增加风机数量，同时也提高了变频器的 过载能力。待改进的地方：1、本系统由于采用了单片机来控制变频器， 单片机输出的的数字信号经D/A转换后，输出的模拟信号作为变频器的控制信号输入， 使输出模拟信号只能是一 些非连续的固定值，不能实现电机的无级调速。可以通过提高D/A转换器的分辨率和减小转换误差来改进。2、单片机需通过算法实现对各个传感器输入的参数与设定值进行综合分析， 对单片机的运算速度要求较高。可以选用运算速度更快的单片机系列。2、设计过程中的心得体会本系统最初的设计是室内空气温湿度的调节， 但考虑到温度调节已有非常成 熟的测量及调节装置，且工厂

42、对于温度范围的要求相对宽松，可以用空调来控制 温度。空调虽然也有除湿功能，但空调机的主要功能是制冷和制热，带独立 除湿功能的空调机可以除湿，但除湿量小、除湿慢，只能在局部小面积范 围内除湿，更重要的是当空凋机除湿时增加了几倍的负荷运行，不但耗电 量大，还使压缩机受损，缩短机器的寿命。因此，空调机不宜代替除湿机 使用。所以本系统将功能设计转向了空气湿度调节及粉尘、有害易燃气体的净 化。关于如何控制风机运转，我们最初考虑只用变频器来控制风机， 这样整个回 路中传递的信号均为模拟信号，可以实现风机的无级调速，但是变频器不能同时 处理多路信号，且不能对多路信号进行比较分析，所以最终我们还是决定用主控

43、元件作为整个系统各元件的控制中心。在主控元件的选择上，我们有两种选择，单片机和PLC虽然PLC勺运算速度 快一些，且成本更低，但是考虑到单片机更优越的的控制性， 适合于智能化的系 统，我们决定选用单片机作为主控元件。这次课设，我们查阅了大量的资料，从最初的对于系统所需的各种传感器和执行元件都不太了解，到最终基本掌握了各元件的工作原理，分类及常用的型号， 还有使用这些元件时的注意事项。在查资料的过程中我们发现，关于传感器和各 类电机的品种、参数、用途及性能等等数不胜数，在选型和具体的使用中都有很 多问题需要注意，仅仅是变频器的资料我们就查了很久。由于我们经验有限，这次课设无论从元件选型上还是整体

44、结构设计上都存在着不少的不足之处。虽然还要学习的东西非常多，我们才刚刚起步，但我们会不断地积累经验，提高分析问 题和解决冋题的能力。3、分工情况九、参考文献1、太田浩一，寺岛雅俊，小林正一；温湿度调节装置及温湿度调节方法；奥利安机械股份有限公司，2011-03-232、 薛梅，董华；湿度调节及加湿模式的探讨；制冷与空调，2004-08-303、 范斌，郭燕强，胡秋山；新风全热换气除湿机；博拉贝尔（无锡）空调设备有限公司，2010-09-014、田国政，孙继平，朱建铭，贾天水；光散射粉尘传感器的尘染补偿方法及光强分布的研究；煤炭学报，1997-12-255、张宇；气体传感器在监测化工空气污染中的应用；内蒙古石油化工，2