烟叶烤房温湿度控制系统的设计

摘要本论文介绍了由单片机控制的智能烟叶烤房温湿度控制系统。本设计利用温度传感器和湿度传感器对烟叶烤房温湿度进行测量，通过温度传感器和湿度传感器进行模拟信号采集，然后将采集到的模拟信号通过A/D转换为数字信号，将转换后的数字信号通过I/O口传送给单片机并对其进行处理，同时将结果实时显示在LED数码管显示器上。当温湿度出现异常时，系统会通过PID算法来调节温湿度进而达到设定值的标准，同时，会有声光报警电路提示工作人员，本系统还可以与单片机进行通信，可将温湿度的信息上传到网络上，可以进行更好的远程监控。本设计应用前景广阔，节约能源而且安全可靠，是发展专业化烘烤，建设现代烟草农业必不可少的基础设施。关键词：烟叶烤房温湿度PID控制单片机AbstractThispaperintroducesthesinglechipmicrocomputercontrolintelligenttobaccobarntemperatureandhumiditycontrolsystem,Thisdesignusingthetemperaturesensorandhumiditysensortotobaccobarntemperatureandhumiditymeasurements,Throughthetemperaturesensorandhumiditysensorforanalogsignalacquisition,ThenwillthecollectedanalogsignalsthroughtheA/Dconversionfordigitalsignals,WilltheconverteddigitalsignalthroughtheI/Ooraltransmissionandthesinglechipmicrocomputertodealwith,Atthesametimewillresultinthereal-timedisplayLEDdigitaldisplay.Whentheabnormaltemperatureandhumidity,ThesystemwillthroughthePIDalgorithmtoadjusttemperatureandhumidityandthenreachthestandardofvalue,inthemeantime,Therewillbesoundandlightalarmcircuittipstaff,Thesystemalsocancommunicatewithsinglechipmicrocomputer,Butwillthetemperatureandhumidityofinformationtotheweb,Canbetterremotemonitoring.Thisdesignbroadprospectofapplication,Tosaveenergyandsafeandreliable,Itisthespecializeddevelopmentandbuildingamodernagricultureessentialinfrastructuretobacco.Keywords: tobaccobarntemperatureandhumidityPIDcontrolmicrocontroller目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 I\o"CurrentDocument"Abstract II\o"CurrentDocument"第一章绪论 1\o"CurrentDocument"1.1课题研究目的和意义 1\o"CurrentDocument"1.2国内外研究现状 11.2.1国外的研究现状 11.2.2国内的研究现状 21.2.3对未来的展望 3\o"CurrentDocument"1.3本文的主要内容 4\o"CurrentDocument"第二章系统总体方案设计 5\o"CurrentDocument"2.1系统控制方案设计 5\o"CurrentDocument"2.2系统总体方案设计 52.2.1系统控制器的选择： 52.2.2温度传感器的选择 62.2.3湿度传感器的选择 72.2.4输入通道方案选择 82.2.5温湿度控制方案选择： 82.2.6外围设备的选择： 9\o"CurrentDocument"2.3系统总体框图 9\o"CurrentDocument"3.1控制单元电路设计 10\o"CurrentDocument"AT89C52的介绍 103.1.2晶振电路和复位电路设计 123.2信号检测电路设计 123.2.1温度传感器PT100介绍 123.2.2温度检测电路设计 13\o"CurrentDocument"3.2.3湿度传感器HS1101的介绍 14\o"CurrentDocument"3.3前向通道的电路设计 16\o"CurrentDocument"3.4控制电路设计 18\o"CurrentDocument"3.5外围设备接口电路设计 183.5.1通信模块的设计 18\o"CurrentDocument"LED显示的介绍 19\o"CurrentDocument"3.6电源模块的设计 22\o"CurrentDocument"第四章 系统软件设计 24\o"CurrentDocument"4.1总体设计思想 244.1.1系统工作过程 244.1.2程序设计方法选择 244.1.3程序设计语言的选择 25\o"CurrentDocument"4.2主程序设计 25\o"CurrentDocument"4.3数据采集及处理子程序设计 264.3.1定时器中断服务子程序设计 264.3.2数据采集子程序设计 264.3.2数字滤波子程序 27\o"CurrentDocument"4.4控制算法子程序设计 28\o"CurrentDocument"4.4.1PID控制算法的原理 284.4.2数字式PID控制算式及流程图 29\o"CurrentDocument"4.4.3PID参数整定的方法 30\o"CurrentDocument"第五章全文总结 31\o"CurrentDocument"致谢 32\o"CurrentDocument"参考文献 33附录部分程序清单 34附录硬件电路全图 35第_章绪论1.1课题研究目的和意义近年来，随着我国烟叶生产水平的不断提高，烟叶烘烤过程受到了越来越多的重视，成为生产优质烟叶的关键步骤，而传统的人工长期监守、利用千湿球采集数据的方式己产生越来越多的弊端，与现场化的烤房设施不相适应,而且烟叶烘烤作业中煤炭、生物质能源等燃烧释放的粉尘、碳氧化合物、硫化物和多环芳烃等给周围环境带来较大的污染。在能源短缺和环境污染的双重压力下，从节能、减排和经济性三个方面综合考虑，研究、开发、推广新型的密集烤房供热设备，不仅是烟叶烘烤清洁生产及节能减排的发展方向，也是烟叶烘烤清洁生产的必然选择。采用电子设备对烤房温湿度进行自动控制，减少人工于预，并且具有强制通风、热风循环，装烟量大、省工、省时、烤后烟叶质量优良等特点，已成为烤烟技术发展的一个必然趋势本。文介绍了"烤烟房温湿度自动控制系统"。在强时变、大时滞、非线性系统中的控制效果有着明显的优势。该温湿度自动控制系统采用单片机作为控制器，利用PID控制技术控制执行机构，实现各烘烤参数的自动调整和远程监控，达到提高烘烤质量和减轻劳动强度的目的，保证烤房内温湿度严格按照设定的生化控制曲线变化，从而提高烤房内温湿度控制精度及烤烟质量。具有达到设定温湿度的时间短、反应灵敏、抗干扰能力强等优点。烤房设备是发展专业化烘烤，建设现代烟草农业必不可少的基础设施。和烟草的其它生产过程相比，烘烤的劳动强度和技术难度都比较大，专业化进程也相对缓慢。目前我国的烤房建设压力很大，当前，现代烟草农业的试点工作已在全国各主要烟区全面展开。在此形势下，回顾我国烤房建设现状，查找存在的问题，明确今后的发展方向对专业化烘烤和现代烟草农业的发展非常重要。1.2国内外研究现状1.2.1国外的研究现状自1960年美国的Johnson等人报道了“烟叶密集烘烤”工艺后，美国、日本等国都相继进行了研究和应用，现在密集烘烤在国外已普遍使用。我国在20世纪60〜80年代曾进行了一些密集烤房的相关研究，研制出了燃煤或燃油的不同型号的密集烤房，但由于受我国烟草生产发展条件的限制，我国早期研制的这些密集烤房并没有得到实际的应用。80〜90年代，我国烤烟烤房的研究和应用主要集中在小型烤房和普通化标准烤房的改造方面。90年代后，我国从国外引进的“烤霸”等密集型烤房，由于并不适合我国的国情，也没有得到广泛的应用。进入21世纪后，随着我国烤烟规模化生产的发展，密集烤房的研究又一次形成热潮。现在，密集烤房已成为我国烤烟烘烤设备的发展方向。下面具体介绍近几年我国密集烤房相关研究的成果及应用现状，并探讨烤烟密集烘烤今后的研究方向，以期为我国烤烟密集烤房的进一步研究、应用和推广提供借鉴。1.2.2国内的研究现状近几年，我国几个主要产烟省在进行技术引进、消化和吸收的基础上，纷纷根据各地的生产实际，研究推出了一些成型的密集烤房。安徽省研制和推广了AH系列烤烟密集烤房。有3种规格：气流上升式砖混结构8mx2.7mx3棚、气流下降式砖混结构8mx2.7mx3棚、气流下降式可拆卸7.2mx2.72mx3棚，可满足0.5〜2hm2不同种植规模烟农生产需要。采用架空隧道式可移动蜂窝煤火炉，可选用三相、单相电机或柴油机作为动力，可采用自动排湿或手动排湿。云南省推出了QJ-I型、QJ-II型和QJ-II型密集烤房。QJ-I型烤房是安徽AH密集烤房的改进型。QJ-II型是引进沈阳海帝公司微电脑自控系统和供热装置，结合曲靖市规模化种植和专业化生产的实际设计而成的微电脑自控、砖木结构、气流上升式密集烤房，容量为2800〜3000kg鲜烟叶。采用微电脑编程控制进煤、升温、排湿、稳温、稳湿自控系统。QJ-II型是曲靖市烟草公司烟科所与沈阳海帝公司共同开发研制的智能化烤房，是在原来的标准化烤房基础上进行密集改造，热风循环，烘烤全自动化控制。可承担1.33hm2烤烟的烘烤任务。湖南省研制成了长浏二号烤烟密集烤房。贵州省依次推出了GZ-1型烤烟散叶堆积烤房及GZSM-06-02型气流下降式和GZSM-06-03型气流上升式两种定型散叶密集烤房。GZSM-06-02型和GZSM-06-03型烤房较GZ-1型在安装上更为简便，既能适应散叶装烟，也能适应挂竿装烟。密集烤房的加热炉从烧散煤的卧式炉发展到烧型煤的蜂窝煤炉，现在已发展到烧型煤的蜂窝煤炉和烧散煤的立式炉组合。生产实践中，各地根据当地的实际情况，研制或选用的炉子形式呈多样化趋势，如安徽省利辛县研制出了两个蜂窝煤炉组合的加热炉；山东省沂水县烟草公司又加以改造，将原蜂窝煤炉宽度缩小，增加一个立式炉组成加热炉，烘烤时以烧蜂窝煤炉为主，需要时再点燃立式炉加以辅助；有些地方的密集烤房采用的是烧蜂窝煤的隧道式一体炉。除了燃煤型密集烤房的研究应用外，我国在密集烤房对电能、生物质能源等其它能源的研究利用方面，也有一定进展。聂荣邦进行了微电热式密集烤房的研究。微电热式密集烤房的热源由5组微电热D2R发热元件组成，均装有切换开关，可根据烘烤过程中升温或稳温需要，获得多种大小不同的供电电流强度。潘建斌等进行了热泵型烟叶自控密集烤房的应用研究，在加热室内，热泵运转将电能转化为热能，烤房全部以电能供热。甘肃省镇原县烟草专卖局技术人员研制出了太阳能辅助增温循环密集烤房，能够利用太阳能增温。王汉文等在AH密集烤房上进行了用玉米、稻壳秸秆压块作为燃料的试验，发现'秸秆压块”可以降低烤烟成本，不仅完全可以满足烤烟烘烤工艺要求，而且对于改善烟叶内在品质也有一定效果。目前，我国新建密集烤房装烟方式有烟夹持烟、烟竿绑烟和散叶烘烤。为节省编烟用工，密集烤房内可用烟夹持烟，烟夹为木制或用铝合金、角铁等金属制成，木制烟夹已处于废弃状态，铝合金制或角铁制烟夹使用较多。由于烟夹持烟带来的一些问题，现在国内密集烤房中使用最多的装烟方式还是烟竿绑烟，装烟密度比烟夹持烟要小。散叶烘烤是在烤房内配有装烟筐或装烟木栅等，烟叶顺序堆放在烟筐或木栅内等。黑龙江省2001-2002年的烘烤试验结果表明，散叶烘烤的烟叶质量高于普通烤房烤后烟叶质量。各地根据自己的实际情况，在三段式烘烤的基础上，摸索出了一些密集烘烤的经验。安徽省密集烤房的烘烤工艺特点是'一长两短”，即延长变黄期，缩短定色期和干筋期。山东临沂总结出的密集烘烤技术为“高温充分变黄慢烤，控温„二拖”慢定色，快速急火杀筋”，艮卜一高二慢一快”的烘烤技术：主要变黄温度为40〜42°C（相当于普通烤房的38〜40°C）；定色期要掌握好湿球温度（前期38〜39°C，后期39〜40C），注意及时排湿，慢定色；干筋期充分利用密集烤房升温快的特点，采用“急火杀筋”的烘烤技术。1.2.3对未来的展望为了更好地发挥密集烤房的优势，科学地应用和推广密集烤房，今后可从以下几方面进行深入研究。目前，密集烤房的使用成本仍然偏高。现在各地新建密集烤房，由于有较多的补贴，才能顺利进行；如果没有补贴，烟农不会建密集烤房。只有从建造材料、配套设备等方面进行研究，进一步降低建造成本和延长设备的使用寿命，才能降低密集烤房的使用成本，使密集烤房得到普遍的推广应用。研究煤炭是我国烤烟烘烤的最主要燃料，在能源紧张、燃料价格不断上升的形势下，研制利用太阳能、生物质能源的密集烤房将是一种发展趋势。在太阳能的利用研究上，可以加强太阳能与电能、煤炭等协同利用的研究，这样既可以充分利用太阳能，又能保证烟叶烘烤质量。在“生物质能源”利用研究方面，“秸秆压块”技术已有进展，但是要想真正将其推广到烤烟密集烤房中，还必须加强相关技术的研究。尽管密集烘烤和传统烘烤的原理是相同的，但由于密集烘烤强制热风循环、装烟密度大等特点，密集烘烤机理有其独特之处。目前我国关于密集烘烤的研究主要集中在烤房的建造、普通烤房的改建、配套设备的研究等方面，对密集烘烤机理的相关研究较少，且已报道的研究结果也有矛盾之处。因此，有必要对密集烘烤机理进行深入的科学研究，统一认识，才有利于制定科学的密集烘烤工艺。1.3本文的主要内容本文要设计一个现代化的智能烟叶烤房温湿度控制系统。具体技术指标要求如下：1通过温度和湿度传感器采集烟叶烤房内的温度和湿度值，并通过LED显示出来。2控制系统能够基于PID控制算法，结合预设定的温度和湿度范围值，自动控制热风循环电机、鼓风机、排湿机等启停，使烤房内的温度和湿度值稳定在设定范围内。3当烤房内的温度和湿度值超限，控制系统能够自动声光报警并自动启动相应的控制电机使系统尽快到正常工作状态。4通过单片机串行口能够与PC机进行通信。A/D5控制系统的温度范围为0〜100°C，测量精度土0.5^；湿度测量范围0〜100%，测量精度为±2%。论文主要从以下几个方面进行了设计：系统总体方案设计控制方法的选择，控制器的选择，信号传感器的选择，前向通道的选择，执行器的选择，外围设备的选择。硬件设计控制单元电路的设计，信号检测电路的设计，前向通道电路的设计，执行电路的设计。软件设计：主程序的设计，A/D转换程序的设计，PID控制算法的设计，数字滤波程序的设计，键盘显示电路的设计。第二章系统总体方案设计2.1系统控制方案设计自动控制系统有开环和闭环两种方式，特点如下：方案一：开环控制系统开环控制系统由控制器和被控对象组成，由输入端通过输入信号控制被控对象得输出物理量得变化。开环控制系统是最简单的一种控制系统。开环控制系统简单，但不能抑制系统外部或内部扰动的影响。方案二：闭环控制系统闭环控制系统是负反馈控制系统，闭环控制系统具有输入信号控制被控量的通道，同时具有由输出量信号反馈到输入端的反馈通道。负反馈控制系统是按输入信号与输出信号的偏差进行控制的。闭环控制系统不但能抑制扰动的影响，对系统的动态和稳态性能都可能大大提高。本文的控制系统图如2-1所示：系统控制图如图2-1所示：如图2-1系统控制图2.2系统总体方案设计根据系统控制图设计系统，具体的方案选择如下：2.2.1系统控制器的选择：常用的控制器有：PLC、单片机、工控机。方案一：选择PLC作为控制器PLC又称可编程序控制器，是在继电器控制系统基础上发展起来的，有很强的工业化色彩。它的特点主要有：可以完成基本的继电器逻辑电路控制系统，且具有体积小、控制量大、具有无触点开关等；故障率低，坚固耐用；故障查找容易，电路更改简单；功能强大丰富，可与上位机及触摸屏等进行联机通讯；使用简单，对操作人员要求低；编程简单，开发周期短，通用性好，生产成本较高。所以，在有大量开关量，比如按钮、开关、触点的使用场合中，在经常要更新或扩充功能的情况时，用PLC为最佳。方案二：选择工控机作为控制器工控机控制系统，是以微型计算机为主要载体，加上有关控制板卡或模块实现功能扩展，完成控制功能的控制系统。它的特点主要有：界面丰富友好，可视化强，易于操作。设计平台多，程序语言多，可移植性好，便于设计人员进行设计。可以实现联网、组态及远程控制与访问。相对成本较高，开发周期长，投资较大，使用者需要有一定的微机基础。所以，在要求有显示、记录、传输、监测、组态等功能时，工控机是必须的。方案三：选择单片机作为控制器单片机系统，是嵌入式控制系统的主要组成部分，单片机系统由不同的硬件和软件系统组成。它的主要特点有：控制功能更加强大，通过芯片级进行扩展，可以完成几乎所有现场控制功能；体积小，占用空间小，易于嵌入；实时性好，运行速度快；使用简单，一般可以通过按键来进行操作；生产成本低，通用性差，设计难度大，开发周期长；故障查找较难，可维护性差。所以，在定型后需大量生产的产品，功能相对单一，占用空间小，在控制系统体积要求较小或成本要求较低时，单片机应是优先选用的。综上所诉，根据本系统的高实时性、使用简单、功能相对单一等设计要求，本设计选择单片机AT89C52。2.2.2温度传感器的选择根据设计要求，需要检测温度，常用的传感器有热电偶、热电阻、温度集成电路（IC）。方案一：选择热电偶作为温度传感器热电偶温度传感器是最简单和最通用的温度传感器，使用热偶简单到只需连接两条线。虽然这种最便宜的传感器也是使用最普遍的温度传感器，但热偶并不适合高精度的应用。优点：自供电、简单坚固、便宜、众多外形结构形式、宽温度范围，缺点：非线性、低电压、需要参考结、最不稳定、最不灵敏。方案二：选择热电阻作为温度传感器热电阻温度传感器体积小是优点，它能很快稳定，不会造成热负载。也因此很不结实，大电流会造成自热。由于热敏电阻是一种电阻性器件，任何电流源都会在其上因功率而造成发热。功率等于电流平方与电阻的积。因此要使用小的电流源。如果热敏电阻暴露在高热中，将导致永久性的损坏。优点：高输出、快、两线欧姆测量，缺点：非线性、有限的温度范围、不结实、需要电流源、自热。方案三：选择温度集成电路(IC)作为温度传感器温度集成电路(IC)是一种数字温度传感器，它有非常线性的电压/电流一温度关系。有些IC传感器甚至有代表温度，并能被微处理器直接读出的数字输出形式。但除了输出与温度间有非常好的线性外，这些IC也有与热敏电阻及RTD同样的缺点。它们都是半导体器件，只有有限的温度范围。也存在同样的自热、不坚固和需要外电源的问题。总之，温度IC提供产生正比于温度的易读读数方法。它很便宜，但也受到配置和速度限制。综上所诉，根据本系统的高实时性稳定性、快速性、温度范围等设计要求，本设计选择热电阻PT100O2.2.3湿度传感器的选择方案一：选择电阻式作为湿度传感器电阻式湿度传感器是利用吸湿性能较好的物质吸附水汽后电阻发生变化而制得，但由于电阻受温度影响较大，固有的温度系数使其不能工作在很宽的温度范围内。方案二：选择电容式作为湿度传感器电容式湿度传感器是利用感湿材料吸水后介电常数发生变化而改变电容值。它与电阻型湿度计相比有显著的优势：灵敏度高，功耗低，温漂小，其优良的性能受到了科学家们的普遍关注。由于易于与CMOS工艺相结合，便于实现小型化、集成化，因此现在市面上出售的湿度计绝大部分都是电容型的。方案三：选择光电式作为湿度传感器光电式湿度传感器是利用光学材料在空气相对湿度发生变化后，材料媒介层理化性质会发生变化，从而引起波长、波导及反射系数等光学参数发生变化来进行湿度测量。由于光学湿度传感器具有体积小、响应快、抗电磁干扰、抗高温、动态范围大、灵敏度高等优点,使其在恶劣的环境中发挥天然优势。在极端环境测量领域,光电技术的应用解决了湿敏元件长期暴露在待测环境中，容易被污染及腐蚀，从而影响其测量精度及长期稳定性这一难题，促进了湿度传感器领域的非接触检测和无损检测，但是价格非常的昂贵。综上所诉，根据本系统的耐腐蚀，功耗低，温漂小，灵敏度高，价格合理，其优良的性能等设计要求，本设计选择电容式湿度传感器HS1101。2.2.4输入通道方案选择由于本系统温湿度传感器采集烟叶烤房内的温度和湿度值，传感器输出的是模拟信号，而单片机接收的是数字信号，所以温湿度传感器采集烟叶烤房内的温度和湿度的模拟信号必须要转换为数字信号，所以要有A/D转换器的加入。因为要采集温度和湿度两种信号，所以需要两个通道。控制系统的温度测量范围为0〜100°C，测量精度为土0.5°C，根据公式四七0<0.5，n>8，所以，A/D转换器位数为8；湿度测量范围为0〜100%，测2n量精度为±2%，根据公式10也<2，n>6,所以，A/D转换器位数为8,选择2nA/D转换器是ADC0809。2.2.5温湿度控制方案选择：执行器选择循环热风机:采用纯NiCr合金，不含铁质，避免因氧化而烧断，电热丝以悬挂式藏在陶瓷空洞内，热风可以均匀的从电热丝两侧通过，风量大，风阻小，电热丝温度较低，发热芯设计中采用较低表面功率密度，因此电热丝寿命长，内置超温保护装置，具有防干烧功能，可以长时间不间断使用。当温度达不到设定值，就启动循环热风机；当达到设定值温度是，就停止循环热风电机。排湿电机:在仓储行业中已广泛使用，它是利用致冷剂液体蒸发的吸热作用，通过蒸发器的湿空气温度迅速降到露点温度以下，使空气所含部分水蒸汽冷凝析出，降低空气中的含水量。使用去湿机对仓库的密封要求比较高，这种排湿电机对湿度的控制非常的准确，具有高度稳定性，该电机可在恶劣的环境中长时间运行。当湿度达不到设定值，就启动排湿电机；当湿度达到设定值就停止排湿电机。鼓风机：是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械。流轴向进入叶轮，并沿着轴线的方向流出。具有结构简单，稳固可靠、噪声小、功能选择范围广等特点。可用于冶金、化工、轻工、食品、医药及民用建筑等场所通风换气或加强散热之用.若将机壳去掉，亦可用做自由风扇，也可在较长的排气管道内间隔串联安装，以提高管道中的风压。驱动方案由于电机的驱动电压为380V，而单片机的最大输出电压为5V,所以不能直接把电机接到单片机上达到控制的目的，它们之间需要驱动电路，我们通过继电器用220V的电压开关来控制380V的电机的启停，然后我们再通过继电器用5V的电压开关来控制220V的电压开关，所以，间接地控制电机的启停。2.2.6外围设备的选择:为了增加系统人机对话功能，本系统需要显示、键盘和报警电路。1.显示器的选择根据本系统的设计，显示器有LED的8字数码管、LCD液晶、CRT阴极射线管显示器。LED的8字数码管是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式来显示信息，它的特点是亮度高、功耗小、微型化、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。且分为共阴极和共阳极，两者的不同点在于显示字符的编码不同。显示的方式分为动态显示和静态显示，动态的要比静态的节省IO口。根据系统的设计要求，本系统的显示器需要有功耗小、微型化、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定的特点，本设计选择LED的CRT是一种使用阴极射线管的显示器8字数码管显示器，采用动态显示的方式。2键盘的选择可以做键盘的有：独立式按键，矩阵式按键。独立式按键占用一条I/O线，当按键数量较多时，I/O口利用率不高，但程序编制简单。适用于所需按键较少的场合。矩阵式按键电路连接复杂，但提高了I/O口利用率，软件编程较复杂。适用于需使用大量按键的场合。根据系统的按键数量少、电路连接简单等设计要求，本设计选择独立式键盘。3报警模式的选择当温湿度超出正常的范围的时候，为了能够全方位的提醒工作人员，我们采用声报警与光报警相结合的模式，即声光报警。2.3系统总体框图综上所述，系统总体组成框图如图2-2所示：第三章系统硬件设计3.1控制单元电路设计根据系统总体方案设计，本系统采用单片机作为控制器，它的主要特点有：控制功能更加强大，通过芯片级进行扩展，可以完成几乎所有现场控制功能；体积小，占用空间小，易于嵌入；实时性好，运行速度快；使用简单，一般可以通过按键来进行操作；生产成本低。3.1.1AT89C52的介绍AT89C52系列单片机是ATMEL公司的8位单片机系列。该单片机片内含8kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器即可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89C52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。其引脚图如图3-1所示：图3-1AT89C52引脚图引脚特性:VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据地址的低八位。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3□:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2晶振电路和复位电路设计AT89C52单片机在实际应用中，时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种各样的微小操作的时间基准，在此基础上，控制器按照指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，这些信号用来控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。本系统在设计上对复位电路设计成上电复位。这样使用起来比较方便，当单片机进入死循环而死机的时候，不用再重起单片机电源。电路图如图3-2所示。图3-2AT89S51晶振和复位电路3.2信号检测电路设计3.2.1温度传感器PT100介绍PT100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0°C时阻值为100欧姆，在100°C时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的的阻值会随着温度上升它的阻值是成匀速增涨的。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即R=R1+a（t-t。）］ 公式（3-1）式中，Rt为温度t时的阻值；:柘为温度t。（通常to=0C）时对应电阻值；a为温度系数。 半导体热敏电阻的阻值和温度关系为R=AeB 公式（3-2）式中Rt为温度为t时的阻值；A、B取决于半导体材料的结构的常数。PT100的简单物照图如图3-3所示：图3-3PT100的简单物照图相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50〜300C左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200〜500C范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。3.2.2温度检测电路设计图3-4测温电路图R2、R3、R4和Pt100组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。电桥的一个桥臂采用可调电阻R3,通过调节R3可以调整输入到运放的差分电压信号大小，通常用于调整零点。放大电路采用LM358集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，前一级约为10倍，后一级约为3倍。温度在0~100度变化，当温度上升时，Pt100阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压Av对应升高。注意：虽然电桥部分已经经过TL431稳压，但是整个模块的电压VCC一定要稳定，否则随着VCC的波动，运放LM358的工作电压波动，输出电压Av随之波动，最后导致A/D转换的结果波动，测量结果上下跳变。3.2.3湿度传感器HS1101的介绍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。涉及如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号时，常用的方法是将HS1101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，可直接被计算机所采集。HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。它有以下几个显著的特点：1、 全互换性，在标准环境下不需校正2、 长时间饱和下快速脱湿3、 可以自动化焊接，包括波峰或水浸4、 高可靠性与长时间稳定性5、 专利的固态聚合物结构6、 可用于线性电压或频率输出回路7、 快速反应时间HS1101的简单物照图如图3-5所示：图3-5HS1101实物照相对湿度在0%〜100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF，其误差不

大于2%RH；响应时间小于5s；温度系统为0.04pF/°C。可见其精度是较高的。HS1101的一些常用参数如表3-1：表3-1HS1101常用参数参数符号参数值单位工作温度Ta-40〜100C储存温度Tstg-40〜125C供电电压Vs10Vac湿度范围RH0〜100%RH焊接时间@=260Ct10S3.2.4湿度测量电路设计II□II□图3-6测湿电路图把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图所示。NE555电路功能的简单概括为:当6端和2端同时输入为“1”时,3端输出为“0”；当6端和2端同时输入为“0”时,3端输出为“1”。在此电路中,555定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的。当电源接通时，由于6和2端的输入为“0”，则定时器3脚输出为“1”；又由于C1两端电压为0,故V通过R2和R3对C1充电，当C1两端电压达到2V/3时,定时电路翻转，输出变为“0”。此时555定时器内部的放电BJT的基CC极电压为“1”，放电BJT导通，从而使电容C1通过R3和内部放电BJT进行放电，当C1两端电压降低到匕/3时,定时器又翻转，使输出变为“1”，内部放电BJT截止,VCC又开始通过R2和R3对C1充电,如此周而复始,形成振荡。其工作循环中的充电时间为T.=0.7(R2+R3)C1；放电时间为。=0.7R3*C1；输出脉冲占空比为q=(R2+R3)/(R2+2R3),为了使输出脉冲占空比接近50%,R2应远远小于R3。当外界湿度变化时,HS1101两端电容值发生改变，从而改变定时电路的输出频率。因此只要测出555的输出频率，并根据湿度与输出频率的关系，即可求得环境的湿度。3.3前向通道的电路设计根据第二章总体设计，A/D转换器起着单片机与传感器之间的桥梁作用。ADC0809是一种CMOS单片型逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。主要特性如下：1） 8路8位A/D转换器，即分辨率8位。2） 具有转换起停控制端。3） 转换时间为100〃s4） 单个+5V电源供电5） 模拟输入电压范围0〜+5V,不需零点和满刻度校准。6） 工作温度范围为-40〜+85摄氏度7） 低功耗，约15mW。如图3-7ADC0809的引脚图外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。下面说明各引脚功能IN0〜IN7：8路模拟量输入端。2-1〜2-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START：A/D转换启动信号，输入，高电平有效。EOC：A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK:时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。VCC：电源，单一+5V。GND：地。ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。单片机与ADC0809的接口电路图如图3-8ADC0809与单片机的接口电路3.4控制电路设计控制电路图如下:图3-9控制电路图3.5外围设备接口电路设计3.5.1通信模块的设计MAX232是由德州仪器公司推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口RS232电平是-10V+10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0+5V,所以，单片机和PC机是不能直接通信的，而MAX232就是用来进行电平转换的，该器件包含2个驱动器2个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。并且该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-vTTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。MAX232的主要特性如下：单5V电源工作。LinBiCMOSTM工艺技术。两个驱动器和两个接收器。±30V输入电平。5） 低电源电流：典型值是8mA。6） 符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28。7） ESD保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000V。如图3-10MAX232的管脚图单片机与PC机通信模块电路图如图3-11MAX232的连接电路3.5.2LED显示的介绍HD7279A是一片具串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可以连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。主要特性如下：.串行接口，无需外围元件可直接驱动LED。.各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性。.(循环)左移/(循环)右移指令。.具有段寻址指令，方便控制独立LED。.64键键盘控制器，内含去抖动电路。如图3-12HD7279的管脚图引脚说明：VDD:正电源VSS:地CS:片选CLK:时钟输入端DATA:串行数据输入/输出端CLK0:振荡输出端KEY:按键有效输出端RES:复位端SG-SA:段g一段a驱动输出DP:小数点驱动输出DIG0-7:数位0-7驱动输出RC:RC振荡器连接端

单片机与HD7279的连接电路图如下:如图3-13显示电路图3.5.3声光报警电路单片机的普通I/O口在上电的时候处于高电平，所以，在上电的时候LED处于关闭状态，NPN三极管Q1处于关闭状态，LED不会发光，蜂鸣器不会发出声音；如果I/O口处于低电平，LED处于导通状态，NPN三极管Q1也处于导通状态，LED会发光，蜂鸣器会发出声音，从而达到报警的目的。所以，在我们软件编程的时候，如果温湿度超出了正常的范围，我们只需将I/O口复位即可，这就完成了声光报警电路的设计。如图3-14声光报警电路3.5.4独立键盘单片机的普通I/O口在上电的时候处于高电平，如果我们将S1按下，I/O口将于地线连接，I/O口将处于低电平，我们在软件编程的时候，写一个时时刻刻在检查I/O口的状态的程序，如果I/O口变低，我们就进行相应的操作，这就完成了键盘的设计。□*||| Q—o "Il"Il如图3-15独立键盘电路3.6电源模块的设计根据本文的设计要求，要对集成芯片供电，所以需要+5V、±12V电源。如图3-16+5V、土12V的电源电路图第四章系统软件设计4.1总体设计思想4.1.1系统工作过程本设计利用温度传感器和湿度传感器对烟叶烤房温湿度进行测量，通过温度传感器和湿度传感器进行模拟信号采集，然后将采集到的模拟信号通过A/D转换为数字信号，将转换后的数字信号通过I/O口传送给单片机并对其进行处理，同时将结果实时显示在LED数码管显示器上。当温湿度出现异常时（即与设定值不符），系统会在最短的时间内通过PID算法来调节温湿度进而达到设定值的标准，同时，会有声光报警电路提示工作人员，可以使工作人员针对不同的状况做出不同的反应。同时，本系统还可以与单片机进行通信，可将温湿度的信息上传到网络上，可以进行更好的远程监控。4.1.2程序设计方法选择通常应用程序设计的方法有：模块化设计和结构化设计。结构化设计方法：先考虑问题大的方面，在确定了主要方向后，再由表及里深入到问题具体的细节，由易到难，逐层解决问题，使得整个程序设计过程由模糊到清晰，由概括到具体。结构化方法强调功能抽象和模块化，采取了分块处理问题的方法，可以把一个比较复杂的问题分解为若十个容易处理解决的部分，使得编写程序时清晰明了。但是，不断分解出的结论和需要处理的信息越来越多、越来越复杂，它要求系统分析员具有一种“俯视全局”的能力，能够透过问题的表象直接把握到问题本质，这对工作人员是一种考验。模块化设计方法：模块化程序设计就是将一个复杂的大问题，分解为一个个独立的简单的小问题（即模块），分别解决简单的小问题，进而解决复杂的大问题。模块相对独立，功能单一；编写相对简单，可以独立编写调试；可集体开发，缩短开发周期。不同的模块可以由不同的人员开发，最终能够合成完整的程序；开发出的模块，可在不同的应用程序中多次使用，减少重复劳动，提高开发效率；测试、更新以模块为单位进行而不会影响其他模块。根据系统的工作过程，本设计采用模块化设计方法，主要包括：主程序模块、数据采集及处理子程序模块、控制算法子程序模块及键盘显示和报警程序模块。4.1.3程序设计语言的选择常用的编程语言有：机器语言、汇编语言和高级语言。（1） 机器语言：是用0和1的序列表示的，程序员直接使用的是机器指令，无需翻译，从纸带打孔输入即可执行得到结果。它是一种面向机器的语言，只适用于过于简单的程序，现如今已经很少有人用了。（2） 汇编语言：因为是针对特定机器的机器指令的助记符，所以汇编语言是无法独立于机器（特定的CPU体系结构）的。但汇编语言也是要经过翻译成机器指令才能执行的，编程复杂，出现错误时难发现，但是，毕竟是面向机器的语言，机器运行汇编语言时会更加快速、流畅。（3） 高级语言：高级语言是从人类的逻辑思维角度出发的计算机语言，一条高级语言的语句往往需要若干条机器指令来完成。高级语言独立于机器的特性是靠编译器为不同机器生成不同的目标代码（或机器指令）来实现的。以C语言为例，简洁紧凑、灵活方便；程序层次清晰，便于使用、维护以及调试；C语法限制不太严格，程序设计自由度大，尤其是是它的可移植性，使编程变得更加容易。本系统采用C语言编写程序。4.2主程序设计主程序主要实现：系统初始化、中断初始化、定时器初始化以及键盘显示子程序的调用等功能。主程序流程图如图4-1所示：4.3数据采集及处理子程序设计4.3.1定时器中断服务子程序设计本系统采用定时采样，采样周期为10s。利用单片机的定时器，设置定时器T1为50ms，定时时间到进入中断程序，计数单元+1，直到加到200，说明定时时间到，然后进行数据采集，流程图如图4-2所示。T1定时中断服务保护现场R7=R7+13N二R7=200?二二 ---I--Y调数据采集子程序调数字滤波子程序 ―I*调报警子程序调控制算法 ] *恢复现场,中断返回图4-2定时器中断服务子程序流程图4.3.2数据采集子程序设计本系统采用去极值求平均值的滤波方法，因此需要采集10个数据。另外，还需要检测2路模拟信号，定时器中断服务子程序流程图如图4-2所示

4-3数据采集子程序流程图4.3.2数字滤波子程序为了提高系统数据采集的可靠性，本系统采用去极值平均值滤波的方法进行数据处理。极值平均值滤波：将被测参数连续采样N次，然后把采样值按大小顺序排列，去掉极值，再求剩余采样值的平均值作为本次的采样值。中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。且变量变化比较缓慢时采用去极值平均值滤波的效果好。去极值平均值滤波的流程图如图4-4所示。

4-4数字滤波子程序流程图4.4控制算法子程序设计为了能够快速准确的调节温湿度，本系统选用数字PID控制算法。4.4.1PID控制算法的原理PID制器是一种基于“过去”，“现在”和“未来”信息估计的简单算法。如图4-5PID控制系统原理框图PID控制系统原理框图如图2.1所示，系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据设定值、"••和实际输出值•构成控制偏差e(l)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u(O,对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描述为：u(t1Ke(t-I—「e(t)4tT^^T0 ddt

式中：TOC\o"1-5"\h\ze(t)=y(t)-y(t),K为比例系数，T为积分时间常数，T为微分时间常数。sp p i d4.4.2数字式PID控制算式及流程图数字式PID控制算式的差分方程公式(4-2)u(n)=K\e(n)+—^e(i)+L\e(n)-e(n-1)]公式(4-2)\o"CurrentDocument"P〔 "T 〕 0=u(n)+u(n)+u(n)+uPID 0式中u(n主ke(n) 称为比例项T土u(n)=KpTUe(i) 称为积分项Ii=0u(n)=K^r\e(n)-e(n-1)] 称为微分项数字式PID控制的流程图所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量错误！未找到引用源。。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。如图4-6如图4-6增量式PID流程图4.4.3PID参数整定的方法控制器参数整定：指决定调节器的比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td和采样周期Ts的具体数值。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。临界比例法的特点是不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例系数，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例系数称为临界比例系数Ku，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期Tu。临界比例度法步骤：1