恒温恒湿控制系统的设计与实现

学号： 11

本科毕业设计

（自然科学）

题 目： 恒温恒湿控制系统的设计与实现（偏硬）

院（系、部）： 河北科技师范学院机电科学与工程系

学 生 姓 名： 李浩儒 指 导 教 师： 刘士光 职 称 教授

2012年 5 月 29 日

河北科技师范学院教务处制

资料目录

1. 学术声明……………………………………………………………… 2. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）………………………… 3. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）任务书……………… 4. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）开题报告…………… 5. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）中期检查表………… 6. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）答辩记录表………… 7. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）成绩评定汇总表…… 8 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）工作总结…………… 9

其他反映研究成果的资料（如公开发表的论文复印件、效益证明等）……………………………………………………………

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河北科技师范学院

本科毕业设计

恒温恒湿箱控制系统的设计与实现（偏硬）

院（系、部）名 称 ： 河北科技师范学院

专 业 名 称： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 李浩儒

学 生 学 号： 11 指 导 教 师： 刘士光

2012年 5 月 19 日 河北科技师范学院教务处制

学 术 声 明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。

本人签名： 日期：

指导教师签名： 日期：

摘 要

本文利用AT89C52单片机设计一个温室的温湿度控制系统，对给定的温湿度进行控制并实时显示，其中温湿度信号各有四路，系统采用一定的算法对信号处理以确定采取某种控制手段。系统硬件主要由电源电路、温度采集电路、湿度采集电路、键盘、显示电路、输出控制电路及其他辅助电路组成。使用温度传感变送器获得温度的感应电压，经处理后送给单片机。单片机将给定的温度与测量温度的相比较，得出偏差量，然后根据模糊控制算法得出控制量。执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任，采用PWM控制方法，改变同一个周期中电子开关的闭合时间。从而调节高温电磁阀开关的导通时间，达到蒸汽控制目的。通过键盘输入控制信息，并能将控制箱内的实时信息通过LED显示出来，实现人机对话。

关键词： 单片机；信号采集；温湿度控制；LED显示；

Abstract

This text uses the type AT89C52 one-chip computer to control the temperature and humidity, real-time control temperature and constant temperature permanent wet case control system of the humidity. \" the constant temperature, permanent wet control cabinet\" are gathered the temperature , humidity which test the case by No. two sensor , give to 8051 microprocessor dealing with by, lowering the temperature , humidification , dehumidifying , alarm ,etc. continue the electric device respectively. According to need , is it control information is and can real-time information of control cabinet through LED show come out to input through keyboard, realize man-machine dialogue.

Keywords: one-chip computer；signal gathering；temperature and humidity control；LED monitor

目 录

摘 要 ..................................................... 错误!未定义书签。 Abstract .................................................. 错误!未定义书签。 1 绪论 .................................................... 错误!未定义书签。

论文研究背景与意义 ................................... 错误!未定义书签。 主要研究内容 ......................................... 错误!未定义书签。 2 系统总体设计 ............................................ 错误!未定义书签。

方案设计 .............................................. 错误!未定义书签。 控制系统测控设定 ...................................... 错误!未定义书签。 控制系统组成 .......................................... 错误!未定义书签。 3.硬件设计 ................................................ 错误!未定义书签。

单片机的选择 .......................................... 错误!未定义书签。 AT89C52系列单片机介绍 ............................... 错误!未定义书签。

AT89C52基本特征 ................................. 错误!未定义书签。 AT89C52单片机内部组成结构 ....................... 错误!未定义书签。 AT89C52的引脚功能 ............................... 错误!未定义书签。 AT89C52的储存器 ................................. 错误!未定义书签。 传感器的选型及其性能特征 .............................. 错误!未定义书签。

温度传感器 DS18B20 ............................... 错误!未定义书签。 湿度传感器 HIH3610 ............................... 错误!未定义书签。 单片机外围电路设计 ................................... 错误!未定义书签。

单片机最小电路 ................................... 错误!未定义书签。 温度传感器电路 ................................... 错误!未定义书签。 湿度传感器电路 ................................... 错误!未定义书签。 A/D转换电路 ..................................... 错误!未定义书签。 LED显示电路 ..................................... 错误!未定义书签。 执行机构电路 ..................................... 错误!未定义书签。 键盘输入与报警 .................................... 错误!未定义书签。

4 软件设计 ................................................ 错误!未定义书签。 结论 ...................................................... 错误!未定义书签。 参考文献 .................................................. 错误!未定义书签。

致谢 ...................................................... 错误!未定义书签。

1 绪论

论文研究背景与意义

恒温恒湿箱也称恒温恒湿试验机、恒温恒湿实验箱、恒温机，可用于检测材料在各种环境下性能的设备及试验各种材料耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、通讯、仪表、车辆、塑胶制品、金属、食品、化学、建材、医疗、航天等制品检测质量之用。随着我国工业产品研制的需要，近几年来，我国从国外引进了大批试验系统，为我国工业产品的研制和定型发挥了重要作用，但由于其本身的复杂性，使得试验箱在运行中出现了许多问题，而且出现了问题不能及时解决，大大延长了试验周期，影响了产品的研制工作。随着现代农业的发展，恒温恒湿箱的应用越来越广泛（比如菌种的培养、幼苗的培育以及设施仪器仪表的校准等），并要求其性价比更高，使用寿命更长，使用费用更少（省电），响应速度更快。而采用单片机来对温度和湿度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。基于此，本课题围绕恒温恒湿箱系统的设计与实现进行研究。

主要研究内容

恒温恒湿的控制系统主要有以下几个方面：加热系统、制冷系统、除湿系统、 加湿系统、电气控制系统。具体的要根据恒温恒湿的温度范围、湿度范围去设计.以单片机为控制器，结合温度传感变送器、LED显示器等，组成一个恒温恒湿控制系统。使用温度传感变送器获得温度的感应电压，经处理后送给单片机。单片机将给定的温度与测量温度的相比较，得出偏差量，然后根据模糊控制算法得出控制量。执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任，采用PWM控制方法，改变同一个周期中电子开关的闭合时间。从而调节高温电磁阀开关的导通时间，达到蒸汽控制目的。

2 系统总体设计

方案设计

恒温恒湿控制系统，主要要完成对温度、湿度的采集、显示以及设定等工作，从而实现对温湿度的控制，以达到恒温恒湿的目的。传统采用铂电阻充当测温器件的方案，虽然其中段测量线性度好，精度较高，但是测量电路的设计难度高 ，且测量电路系统庞大，难于调试 ，而且成本相对较高。鉴于上述原因，本系统采用DS18B20充当测温器件。外部温度信号经 DS18B20将输入的模拟信号转换成8位的数字信号， 通过并口传送到单片机系统。单片机系统将接收的数字信号译码处理，通过LED将温度显示出来，同时单片机系统还将完成键盘扫描 、按键温度设定、超温报警等程序的处理 ，将处理的温度信号与系统设定温度值比较，形成可以控制制冷、制热与停止工作三种工作状态，从而实现温度的智能化。湿度传感器选用HIH3610型传感器，将湿度信号由传感器进行采集，经单片机将其与设定湿度进行比较，进而控制加湿、干燥，达到恒湿控制。

控制系统测控设定

1. 能够实时采集与显示环境温度、湿度等参数。

2. 能够根据要求变化通过键盘输入改变对参数的设置，以满足不同的要求达到最佳效果；

3. 声音报警功能；

4. 根据检测到的信号，实时控制执行机构的开启与关断。

控制系统组成

本设计是以AT89C52单片机为核心的自动控制系统，硬件系统由键盘输入电路、LED显示电路、传感器、A/D转换、隔离开关和执行电路、报警电路等组成。

硬件系统原理框图如图所示：

湿度传感器 温度传感器 键盘输入 单片机 A/D转换 隔离开关 LED显示 报警 加热器 制冷器 加湿器 干燥器 图 测控系统硬件组成原理框图

传感器一般输出的为模拟量，需要通过A/D转换，转换为单片机能够接收的数字信号，若模拟信号太弱，还需经过运算放大器放大信号。键盘输入的是系统参数的上、下限极限值，若检测到的信号值出现不在此极限区间的情况，单片机就会驱动蜂鸣器产生报警，此时就需要执行机构控制室内环境相应的改变，使得环境参数重新回到设定的理想区间。

3.硬件设计

硬件元器件的选择，必须考虑到功能的实现、器件的适时性、价格和通用性等几个方面。在电路的设计中，在实现所要求功能的基础上，尽量使电路简单。

单片机的选择

计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。单片机（微控制器）就是在这种情况下诞生的。微控制器，亦称单片机或者单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(1/0) 等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用。

单片机目前己被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域。市场上比较流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机，Motorola公司的M6800系列单片机，Intel公司的MCS96系列单片机,Microchip公司的PIC系列单片机等。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、I/O能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择也提供了很大的余地。本设计选用AT89C52单片机，它是一种低功耗、低价格，高性能8位微处理器。

AT89C52系列单片机介绍

AT89C52 是美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS 8 位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51 指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器（CPU）和Flash 存储单元，功能强大的AT89C52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。 AT89C52基本特征

AT89C52系列单片机主要性能参数如下： ·与MCS-51产品指令和引脚完全兼容 ·8k字节可重擦写Flash闪速存储器 ·1000次擦写周期 ·全静态操作：0Hz-24MHz ·三级加密程序存储器 ·256字节内部RAM ·32个可编程I/O口线 ·3个16位定时/计数器 ·8个中断源

·可编程串行UART通道 ·低功耗空闲和掉电模式。 AT89C52 提供以下标准功能：

8k字节Flash 闪速存储器，256字节内部RAM，32 个I/O 口线，3 个16 位定时/计数器，一个6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52 可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

AT89C52单片机内部组成结构

AT89C52单片机的内部结构如图所示：

图 AT89C52 内部结构 AT89C52的引脚功能

引脚功能说明如图： ·Vcc：电源电压 ·GND：地

·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash 编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

图 AT89C52单片机封装图

·P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是， 和 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（T2）和输入（T2EX），参见表。

表 引脚和的第二功能

引脚号 功能特性 T2(定时\\计数器2外部计数脉冲输入),时钟输出 T2EX（定时\\计数器2捕获\\重装载触发和方向控制 Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8位地址。

·P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。

在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR 指令）时，P2口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX @RI 指令）时，P2口输出P2 锁存器的内容。

Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

·P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL 逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表所示：

表 引脚P3口的第二功能

端口引脚号 第二功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） /INTO（外中断0） /INT1（外中断1） T0（定时/计数器0） T1（定时/计数器1） /WR（外部数据存储器写选通） /RD（外部数据存储器读选通） 此外，P3 口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 ·RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

·ALE/PROG： 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。

·PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

·EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。

·XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 ·XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 AT89C52的储存器

·中断寄存器：

AT89C52有6个中断源，2个中断优先级，IE寄存器控制各中断位，IP寄存器中6个中断源的每一个可定为2个优先级。

·数据存储器：

AT89C52有256个字节的内部RAM，80H-FFH高128个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。当一条指令访问7FH 以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128 字节RAM还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。

例如，下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器0A0H（即P2 口）地址单元。 MOV 0A0H，#data

间接寻址指令访问高128 字节RAM，例如，下面的间接寻址指令中，R0 的内容为0A0H，则访问数据字节地址为0A0H，而不是P2口（0A0H）。

MOV @R0，#data ·定时器0和定时器1：

AT89C52的定时器0和定时器1的工作方式与AT89C51的相同。 ·定时器2：

定时器2 是一个16 位定时/计数器。它既可当定时器使用，也可作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON的C/T2 位选择。定时器2 有三种工作方式：捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式，工作方式由T2CON 的控制位来选择。

·波特率发生器：

当T2CON中的TCLK 和RCLK 置位时，定时/计数器2 作为波特率发生器使用。如果定时/计数器2 作为发送器或接收器，其发送和接收的波特率可以是不同的，定时器1 用于其它功能。若RCLK 和TCLK 置位，则定时器2工作于波特率发生器方式。

波特率发生器的方式与自动重装载方式相仿，在此方式下，TH2 翻转使定时器2 的寄存器用RCAP2H 和RCAP2L 中的16位数值重新装载，该数值由软件设置。

·中断：

AT89C52 共有6 个中断向量：两个外中断（INT0 和INT1），3 个定时器中断（定时器0、1、2）和串行口中断。这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE 的置位或清0 来控制每一个中断的允许或禁止。IE 也有一个总禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。定时器2 的中断是由T2CON 中的TF2 和EXF2 逻辑或产生的，当转向中断服务程序时，这些标志位不能被硬件清除，事实上，服务程序需确定是TF2 或EXF2 产生中断，而由软件清除中断标志位。定时器0 和定时器1 的标志位TF0 和TF1 在定时器溢出那个机器周期的S5P2 状态置位，而会在下一个机器周期才查询到该中断标志。然而，定时器2 的标志位TF2 在定时器溢出的那个机器周期的S2P2 状态置位，并在同一个机器周期内查询到该标志。

堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高128 位数据RAM 亦可作为堆栈区使用。

·AT89C52的直流参数有一定的温度适用范围，见表：

表 T=-40℃～+85℃ 和 Vcc=±20%下的直流参数

符号 VL 参数 条件 最小值 最大值 单位 输入低电压 (Except EA) VL1 VH 输入低电压 输入高电压 (Except XTAL1,RST) + VCC+ V VH1 输入高电压 (XTAL,RST) VCC+ V VOL 输出低电压(P1,2,3) I= V VOL1输出低电压(P0,ALE/PSEN) I=32mA V VOH VOH1输出高电压 输出高电压 I=-25uA I=-300uA V V IIL 逻辑0输入电流（P1，2，3） V= -50 uA ITL

逻辑1到0转V=2V -650 u 换电流A (P1,2,3) RST 复位下拉电阻 引脚电容 CIO ICC 50 300 K 1MHz, pF 消耗电流 Active Mode,12MHz 25 mA ·Flash存储器的编程：AT89C52单片机内部有8k字节的Flash PEROM，这个Flash存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM编程器兼容。AT89C52单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息，见表。

表 顶面标记及签名字节

顶面标记 Vpp=12V AT89C52 Xxxx yyww Vpp=5V AT89C52 xxxx-5 yyww

签名字节 (030H)=1EH (031H)=52H (032H)=FFH (030H)=1EH (031H)=52H (032H)=05H AT89C52的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的PEROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除

图 AT89C52编程电路

·程程序序校验：如果加密位LB1、LB2没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据，采用如图的电路。加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。

·编程方法：

1．在地址线上加上要编程单元的地址信号。 2．在数据线上加上要写入的数据字节。 3．激活相应的控制信号。

4．在高电压编程方式时，将EA/Vpp端加上+12V编程电压。

5．每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为。重复1—5步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。

·Ready/Busy：字节编程的进度可通过“RDY/BSY输出信号监测，编程期间，ALE变为高电平“H”后，（RDY/BSY）端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态）。编程完

成后，变为高电平表示准备就绪状态。

·芯片擦除：利用控制信号的正确组合并保持ALE/PROG引脚10mS的低电平脉冲宽度即可将PEROM阵列（4k字节）和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1”，这步骤需再编程之前进行。

传感器的选型及其性能特征

用于测温的传感器种类繁多，但大多是模拟传感器，在以往组建温度采集系统时，由于经传感器输出的是模拟信号，系统必须接入A/D转换器，由此增加了构件系统的复杂性且成本较高。

温度的检测方法，一般采用热电偶、热敏电阻以及集成温度传感器等测温元件。热电偶的工作原理: 两种不同成份的导体两端经焊接，形成回路，直接测温端叫工作端 ，接线端叫冷端，也称参比端。当工作端和参比端之间存在温差时，就会在回路中产生热电动势，接上显示仪表，仪表上就会指示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。热敏电阻的工作原理:热敏电阻的阻值随温度的升高而成非线性急剧变化，一般具有负的温度系数，其阻值随温度升高而急剧减小，只有少数具有正的温度系数。 温度传感器 DS18B20

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

技术性能：

①独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

②测温范围 －55℃～+125℃，固有测温分辨率℃。

③支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

④工作电源: 3~5V/DC

⑤在使用中不需要任何外围元件

⑥测量结果以9~12位数字量方式串行传送 ⑦不锈钢保护管直径 Φ6

⑧适用于DN15~25, DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温

⑨标准安装螺纹 M10X1, , G1/2”任选

⑩PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。 DS18B20的外形及管脚排列如图：

图外形及管脚排列

DS18B20引脚定义：

(1)DQ为数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地；

(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

湿度传感器 HIH3610

本系统的湿度传感器选用Honeywell公司的集成湿度传感器HIH3610，该传感器内部集成了信号处理功能电路，可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务．输出电压为：

V out=V supply[0.0062(sensor%RH)+0.16] （）

在本系统中V supply固定为+5V，则其输出电压值正比于湿度测量值，因此可由测试现场的温度值决定。送LM258，在此处LM258起电压跟随作用，以与采集现场隔离和提高带负载能力。然后信号送A／D转换器ADC0804经转换后送单片机I/O口。

在该设计中温度的极限参数为：-5O℃≤T≤7O℃； 湿度的极限参数为l％≤H≤99％；

温度的显示分度为0．1℃；湿度的显示分度为0．5％；

芯片特点：

●低成本，大批量OEM设计 ●精度2%，激光修正互换性至5% ●线性电压输出对应%RH ●低功耗设计：200μA驱动电流 ●快速反应：15秒

●稳定性好、低漂移、抗化学腐蚀性能 ●HIH-3610有许多性能指标，能性能指标见表

RH精度（1） RH互换性 RH线性 RH迟滞 RH重复性 RH反应时间 1/e@25℃ RH稳定性 供电电源 供电电压 消耗电源 输出电压 =5VDC 驱动限制 温度补偿 效应@0%RH 效应@100%RH 湿度范围 工作

±2%RH，0-100%RH非凝结，25℃，供电电压=5VDC ±5%RH，0-60%RH；±8%@90%RH ±%RH典型值 ±%RH满量程(最大值) ±%RH 5秒，慢流动 的空气中 ±1%RH(典型值)，在50%RH环境，（5年时间内） 4到，传感器在5VDC下标定 @5VDC Vout=Vsupply[(Sensor RH)+],典型值@25℃ (所附的工厂标定数据提供类似的、每个传感器单独标定的数据到输出@25℃典型值 对称的拉/推：50μA典型值，20μA最小值，100μA最大值 开启<秒 真实RH=(Sensor RH)/（），T为华氏度 真实RH=(Sensor RH)/（），T为摄氏度 ±%RH/℃（可忽略） %RH/℃（一般小于1%RH典型，固定环境，15℃以上） 0到100%RH，非凝结(1) 供电电压@25℃） 储存 温度范围 工作 储存 操作 0到90%RH，非凝结 -40～+85℃ -51～+125℃ 对静电干扰敏感，二级管最大保护至15KV 2、当供电电压处于>5V时，上限可提高 3、传感器对光敏感，为得到最好的测量结果，应避免传感器接收亮光。 表 HIH-3610性能指标

注： 1、长时间处于>90%RH时，将引起±3%RH的漂移

单片机外围电路设计

在本系统中单片机的外围电路较多，可分为以下几部分：单片机最小电路、温湿度传感器电路、A/D转换电路、执行机构电路、LED显示电路、键盘输入及报警电路等。

单片机最小电路

如图、图所示，时钟电路和复位电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。单片机最小系统是在以51单片机为基础上扩展，使其能更方便地运用于测试系统中，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被测试的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，称为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。

图 振荡电路

单片机复位是使CPU 和系统中的其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并在这个状态开始工作，例如复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以我们必须弄清单片机复位的条件、复位电路和复位后状态。单片机复位的条件是：必须使RST 引脚加上持续两个机器周期（24 个振荡周期）的高电平。例如，若时钟频率为12MHz，每机器周期为1μs，则只需2μs 以上时间的高电平，在RST 引脚出现高电平后的第二个机器周期执

行复位。本设计中采用的复位电路，该电路是采用上电和按键都有效地复位电路，此电路能实现开机和单片机在运行时的复位，开机复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作，开机瞬间单片机的RESET 引脚获得高电平，随着电容的充电RESET 的高电平将逐渐下降，RESET 引脚的高电平只要能保持足够的时间，单片机就可以进行复位操作。除上电复位外，若要在单片机运行期间实现复位，只需按图中的RESET 键实现手动复位。复位电路如图 所示:

图 复位电路

温度传感器电路

如图所示为DS18B20与单片机的连接电路。

图 温度传感器电路

湿度传感器电路

图为湿度信号采集图，在此处LM258起电压跟随作用，以与采集现场隔离和提高带负载能力。图中电容103即10000皮法。

图 湿度传感器电路

A/D转换电路

ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片。分辨率8位，转换时间100μs，输入电压范围为0~5V，增加某些外部电路后，输入模拟电压可为 5V。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上，无须附加逻辑接口电路。其电路图如图.

图 A/D转换电路

LED显示电路

本系统采用74HC573锁存器控制6个数码管用动态扫描方式显示温度与湿度值。如图。

图 LED显示电路 执行机构电路

恒温恒湿控制系统包括:

①加热系统 ②降温系统 ③加湿系统 ④降湿系统

由于其电路图相似，仅示加热系统的电路，电路图分别如图：

图 加热系统电路

如图所示，U2为光耦合双向可控硅驱动器，也属于光耦合器的一种，用来驱高温电磁阀并且起到隔离作用。R23为出发限电阻，R25为BCR门极电阻，为防止误触发，提高抗干扰能力，当单片机引脚输出负脉冲信号时Q1导通，从而U2导通，触发高温电磁阀导通，接通交流负载。高温电磁阀工作方式：常闭：当线圈通电时，电磁铁芯吸合，卸

压孔打开，主活塞由介质压力推动，打开主阀口，介质流通。当线圈断电时，主阀口关闭，介质截止。常开：当线圈通电时，电磁铁芯吸合，卸压孔关闭，主活塞由介质压力推动，关闭主阀口，介质截止。当线圈断电时，主阀口打开，介质流通。

键盘输入与报警

单片机的按键输入一般可分为简单的独立式按键输入及行列式键盘输入两种。独立式键盘输入适合于按键输入不多的情况，具有占用口线较少、软件编写简单容易等特点。

通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为5ms～20ms；按键稳定

闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决定的，一般为零点几秒至数秒不等。

本设计中输入按键只有5个，一个为“输入使能键”，一个为“模式设定键”，一个为“左移键”，另两个为“加法键”、“减法键”。欲输入设定值时，按一下“输入使能键”， 程序进入设定状态，再按“模式设定键”，可选择不同的参数，即可以选择输入温度值、湿度值、CO2浓度值；按下“左移键”可以选择各值的各个位数进行输入；再按下“加法键”或“减法键”，即可输入对应位的值；点按一下“左移键”，输入输入另一位……这样可完成各个环境参数的设定。完成输入后，再按一下“输入使能键”，程序即退出设定状态，进入工作运行。报警采用单片机外接一个三极管驱动蜂鸣器来实现。

图 键盘输入电路

图 报警电路

系统电路总图（执行机构仅显示加热系统）：

4 软件设计

为使系统容易维护，扩充，软件系统设计采用模块化设计。主程序是整个测控系统中最重要的程序，各个子程序都在主程序的协调指挥下运行，是一个顺序执行的无限循环程序，可以被任何优先级的中断请求所打断。各个环境参数的测试和控制指令的判断都在各个测控子程序中进行，主程序的主要功能是实现系统的初始化、实现系统自检、响应中断请求进而调用数据处理子程序。主流程图见图。

图 系统主流程如图

系统软件设计

软件控制系统的设计采用模块化设计，包括系统初始化、键盘显示管理、信号采样、

温度（湿度）调控、故障保护等。 控制系统软件具有以下特点：

（1）由实时室温/湿值、箱温/湿值、设定值及动态温/湿升速率作为基本参数，建立相应的温/湿控制数学模型，通过相应的算法，确定动态调整温/湿参数以及控制方式，实现温/湿控制的智能化。

（2） 对温度、湿度采样数据进行软件数字滤波,提高采样数据的可靠性。

（3）由软件实施动态故障实时自我诊断,并把故障识别定位到传感器、继电器等关键器件。

智能PID算法

人脑的发达程度应当是人类相对于地球上的其它生命之所以如此优越的生活的一个最本质的原因。同样，对于一个控制系统，其控制算法的好坏对于整个系统控制性能的好坏也将起着至关重要的作用。对于此次恒温、恒湿控制箱的温度在10度一140度之间按任意给定曲线跟随，其控制精度均在正负0. 2度之间，抖坡函数和阶跃函数的拐点处无尖峰，也即无超调。同时，无欠调。因此采用智能PID控制。此次设计，湿度控制相对于温度控制精度不是很高，但是，湿度和温度一起拉制难免受温度影响，尤其在高

温高湿的控制条件下。因此，要严格遵守相关的国家标准，从每个环节着手，尽量减小误差。 PID控制

在大多数情况下，为了控制系统的静态和动态性能满足工程上的要求，往往在系统中加进一些校正装置，以改善系统的特性，满足工程的要求。这种措施称为校正。为此目的加入的装置称为校正装置。在控制系统中，进行校正的方式有很多，串联校正采用的比较普遍。它的作用通常是对系统中的误差信号进行比例、积分、微分等运算，形成适用的控制信号，以获得满意的控制性能.校正装置所进行的运算叫做系统的控制规律，其中，用以实现比例、积分、微分控制规律(即PID算法)的校正装置称为比例积分微分控制器.

PID各控制环节的作用

比例环节的作用是改变比例环节的系数即增大系统开环比例系数以提高系统的静态精度，降低系统的惰性，加快响应速度。但比例系数太大，会对系统的稳定性造成影响。

积分环节的作用是可以消除静态残差。在静态下，积分拉制器的输入信号e (t)虽然为零，但它的输出信号u (t)仍可以维持在某一非零值。靠该u tt)控制信号的控制作用，使该系统的静态输出量y (t)保持与输入量X (t)相等。这一点是比例控制器做不到的。因为对于比例控制器，不等于零的拉制信号要求有不等于零的误差信号。也就是说，在静态必须靠一定的误差来维持输出与输入之间的比例关系然而，系统中加入积分单元，可以改变系统的闭环特征多项式，从而可能使一个稳定的系统变为一个不稳定的系统。同时，积分作用往往导致系统响r迟缓。

微分环节可以改善系统的动态特性。当动态过程接近于达到静态时，误差信号变化不大或是变化缓慢，微分作用也就微不足道。所以，微分作用不能单独使用，它总是与比例作用结合起来使用。以比例加微分控制器为例来说明微分环节的作用。

该控制器的传递函数：

Gc (s) =Kp* (1+Td*s)

如果它的输入信号是e (t) ,输出信号是u (t)，则有：

u (t) =Kp*e (t)+Kp*Td*e (t)′

可见它所产生的控制作用不仅反映误差信号而且还反映误差信号的变化率。 总之，PID调解就是调整比例、积分和微分各环节参数(Kp, Ti,Td)，使系统相互制

约的快速性，稳定性，动态特性和静态精度满足主要方面，兼顾其它方面，达到最优的控制效果。其参数的选择，通常通过凑试法，实验法或由试验得来的经验公式来确定，是一个比较复杂的过程。 PID控制算式的数字化

在模拟调节系统中，PID控制算法的模拟表达式为:

（）

式中:

y (t)一一调节器的输出信号; e (t)一一调节器的偏差信号

Kp 一一调节器的比例系数; Ti 一一调节器的积分时间; Td 一一调节器的微分时间;

etdtejtTej （）

0i0i0nnnde(t)ene(n1)e(n)e(n1) （） dttT 将式（）和式（）带入式（），则可得到离散的PID表达式：

TYnkp{enTieji0nTd[enen1]} （） Tn 一一采样序号，n=0, 1, 2... e (n)一一第n次采样时的偏差; △t=T一一采样周期;

e (n-1)一一第n-1次采样时的偏差.

通常把(2. 4)式称为位置控制算式。由式(2. 4)可以看出，要想计算Y（n），不仅需要本次与上次的偏差信号e (n)和e (n-1)，而且还要在积分项把历次的偏差信号e(j)进行相加。这样，不仅使得计算繁琐，且为了保留e (j)还需要占用很大的内存。因此，进行如下改动:

根据推理，可写出第(n-1)次的PID的输出表达式:

（）

用式（—）可得到：

YnYn1Kp[enen1]KienKd[en2en1en2]2.6 式中：

KiKpTT;KdKpd. TiT由式可知，要计算第n次输出值Y (n)，只需知丫(n-1) . e (n) .e (n-1) , e (n-2)即可，与式(2. 4)相比，计算要简单得多。在很多控制系统中，由于执行机构是采用步进电机或多圈电位器进行控制的，因此，此时给一个增量信号即可。式(2. 6)还可以表示为下式:

YnKp[enen1]KienKd[en2en1en2]2.7

式(2. 7)表示第n次输出的增量△Y (n) ,等于第n次与第n-1次调节器的差值，即在第n-1次的基础之上增加(减少)的量。式(2. 7)叫做PID的增量控制式。 智能PID控制

控制论的三个最为基本而又重要的概念:信.息、反馈和控制。今天，随着科学技术的进步，信.息已经变得越来越重要了。显然，控制系统中的信息也不单纯的仅仅是一种信号数值的大小，而且包括知识、经验等在内的多种信息;反馈的概念已经不再理解为单一的负反馈模式，根据控制的需要，可以暂时不加负反馈以开环形式运行，也可以

根据特殊需要加正反馈等;控制也已经不是单纯地执行某一单一控制规律，而是根据动态过程需要采取多种策略组合，以进行更有效的控制。从信息、反馈和控制的内涵发生的变化可以看出，信.6,已经广义化了，反馈模式已推广了，控制方式已多样化了，他们变化的本质特征在于智能化。从这个意义上讲，可以把具有智能信息处理、智能反馈和智能拉制决策的控制方式，称为智能控制。从智能拉制论的观点去解决复杂不确定性系统的拉制问题而设计的系统，就称为智能控制系统。

仿人智能控制算法，从控制结构和控制行为两方面模仿了人的一些特点和功能，其中包括人的在线特性辫识、特性记忆以及直觉推理逻辑等。具体说来，主要根据控制器的输入信号(即系统误差)的大小、方向及其变化趋势作出相应的决策，以选择适当的拉制模式进行控制。这种智能控制算法的最主要优点是，它既不需要事先知道也不需要在线辫识被控制对象的精确模型，就能实现既快速又高精度的控制，且具有极强的鲁棒性.

此次设计的控制算法可以归纳如表2-1所示。表中e=r-y为系统误差，r为给定值,y为被调量。离散化之后用e (n)表示e的当前值，e (n-1) ,e (n-2)表示前1 , 2个周期的e值，△e (n) =e (n卜e (n-1) ,De (n-1) =e (n-1)一。(n-2)表示当前和前1个周期e对时间的差分。表中其它符号说明如下: e (mn)一一e的第n个极值;

M1, M2一一设定的误差界限，Ml>M2; Kp一一比例增益;

K1一一增益放大系数，K1>1; K2一一抑制系数，0n一一自然数，表示控制周期的序号; P (n)一一输出量P为第n次需要保持的值; P (n-1)一一n至前一个周期输出量P的保持值;

此系统具有大范围渐近稳定性，系统参数容易确定。本次设计的具体参数如下: M1=10; M2=;Kp=; K1=; K2=

结论

以上为毕业期间所设计的恒温恒湿控制系统，可以满足设计的基本要求。采用AT89C52单片机、DS18B20温度传感器、HIH3610湿度传感器、LED显示模块等器件设计控制系统，实现温湿度采集、LED显示、温湿度自动调节功能。因为本人水平有限，此设计存在一定的不足。如执行机构的研究不够详细，在此文中只做了简要说明，有待具体设计。由于使用的是单片机作为核心的控制元件，配合其它器件，使本恒温恒湿控制系统具有功能强、性能可靠、电路简单、成本低的特点，加上经过优化的程序，使其有很高的智能化水平。

参考文献

[1] 胡汉才.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社 [2] 张洪润等.传感器应用电路220例.北京航空航天大学出版社 [3] 刘士光等.恒温恒湿箱测控系统的设计.

[4] 郁有文等.传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版社 [5] 周杏鹏.传感与检测技术.清华大学出版社

[6] 刘士光 赵淑荣 阎忠文.单片机温湿度自控系统的设计与研究. [7] 包长春等.恒温恒湿箱测控系统的设计. [8] 苏震.现代传感技术.电子工业出版社.

[9] 康华光.电子技术基础-模拟部分（第四版）高等教育出版社. [10] 康华光.电子技术基础-数字部分（第四版）高等教育出版社.

[11] Ernest . Measurement Systems: Application and Design McGraw-HILL BOOK COMPANY. [12] 曹继松.测试电路 上海交通大学出版社 .

[13] AT89C52:8-Bit Microcontrollor With 4K Bytes Manufacturing Company.

致谢

在本次设计中，我要感谢我的导师刘士光老师。他的指导和关怀也让我学习和研究的兴趣越发浓厚。从论文的开题、研究现有资料直至系统电路图的确定和论文初稿的审阅修改，老师都给了很多指导，让我对设计课题渐渐深入地了解、认识，并最终完成了设计任务。同时，刘老师严谨态度和负责任的精神深深地感染了我，将使我终身受益。谨向刘老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！

同时，我还要感谢郭屹杰、赵云龙等同学，在与他们交流的过程中，我获得了相当大的启发，共同解决了设计上的疑惑，我也要感谢他们长期以来在生活和学习上对我的关心和帮助。

感谢在百忙之中评阅本论文的老师，感谢你们提出了宝贵意见使得本论文得以完善。

再次向所有关心支持帮助过我的老师和同学们表示衷心感谢！

河北科技师范学院

本科毕业设计任务书

恒温恒湿箱控制系统的设计与实现（偏硬）

院（系、部）名 称 ： 河北科技师范学院

专 业 名 称： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 李浩儒 学 生 学 号： 11 指 导 教 师： 刘士光

2011 年 10 月 16 日

河北科技师范学院教务处制

一、主要研究内容 以单片机为控制器，结合温度传感变送器、LED显示器等，组成一个恒温恒湿控制系统。使用温度传感变送器获得温度的感应电压，经处理后送给单片机。单片机将给定的温度与测量温度的相比较，得出偏差量，然后根据模糊控制算法得出控制量。 二、基本要求 执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任，采用PWM控制方法，改变同一个周期中电子开关的闭合时间。从而调节高温电磁阀开关的导通时间，达到蒸汽控制目的。恒温恒湿的控制系统主要有以下几个方面：加热系统、制冷系统、除湿系统、 加湿系统、电气控制系统。具体的要根据恒温恒湿的温度范围、湿度范围去设计的。重点放在硬件系统设计上。 三、工作进度 调查研究，收集资料，选毕业设计题目，接收毕业设计任务书，撰写毕业设计计划书 熟悉课题，查阅资料，撰写文献综述与外文翻译 总体设计，方案论证 部件、零件设计阶段 编写设计说明书 答辩 四、参考文献 [1]胡汉才.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社 [2]张洪润等.传感器应用电路220例.北京航空航天大学出版社 [3]刘士光等.恒温恒湿箱测控系统的设计. [4]郁有文等.传感器原理及工程应用.西安电子科技大学出版社 [5]周杏鹏.传感与检测技术.清华大学出版社 [6]刘士光 赵淑荣 阎忠文.单片机温湿度自控系统的设计与研究. [7]包长春等.恒温恒湿箱测控系统的设计. [8]苏震.现代传感技术.电子工业出版社. 指导教师签名： 教研室主任审查签名：

河北科技师范学院

本科毕业设计开题报告

恒温恒湿箱控制系统的设计与实现（偏硬）

院（系、部）名 称 ： 河北科技师范学院 专 业 名 称： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 李浩儒

学 生 学 号： 11 指 导 教 师： 刘士光

2011 年 12 月 21 日 河北科技师范学院教务处制

一、 课题来源 指导老师自选课题 二、主要依据 恒温恒湿箱也称恒温恒湿试验机、恒温恒湿实验箱、恒温机，可用于检测材料在各种环境下性能的设备及试验各种材料耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、通讯、仪表、车辆、塑胶制品、金属、食品、化学、建材、医疗、航天等制品检测质量之用。随着我国工业产品研制的需要，近几年来，我国从国外引进了大批试验系统，为我国工业产品的研制和定型发挥了重要作用，但由于其本身的复杂性，使得试验箱在运行中出现了许多问题，而且出现了问题不能及时解决，大大延长了试验周期，影响了产品的研制工作。随着现代农业的发展，恒温恒湿箱的应用越来越广泛（比如菌种的培养、幼苗的培育以及设施仪器仪表的校准等），并要求其性价比更高，使用寿命更长，使用费用更少（省电），响应速度更快。而采用单片机来对温度和湿度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。基于此，本课题围绕恒温恒湿箱系统的设计与实现进行研究。 三、研究内容 恒温恒湿的控制系统主要有以下几个方面：加热系统、制冷系统、除湿系统、 加湿系统、电气控制系统。具体的要根据恒温恒湿的温度范围、湿度范围去设计.以单片机为控制器，结合温度传感变送器、LED显示器等，组成一个恒温恒湿控制系统。使用温度传感变送器获得温度的感应电压，经处理后送给单片机。单片机将给定的温度与测量温度的相比较，得出偏差量，然后根据模糊控制算法得出控制量。执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任，采用PWM控制方法，改变同一个周期中电子开关的闭合时间。从而调节高温电磁阀开关的导通时间，达到蒸汽控制目的。

四、研究计划及预期成果 研究计划： 调查研究，收集资料，选毕业设计题目，接收毕业设计任务书，撰写毕业设计计划书 熟悉课题，查阅资料，撰写文献综述与外文翻译 总体设计，方案论证 部件、零件设计阶段 编写设计说明书 预期成果： 形成设计说明书 五、特色或创新之处 执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任，采用PWM控制方法，环节简单，响应时间短，提高控制性能。 六、已具备的条件和尚需解决的问题 已具备的条件： 查阅课题相关的资料，已经形成一定思路 有待解决的问题： 控制系统整体结构设计，硬件图的设计 七、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 八、系审查意见： 签字盖章： 年 月 日 河北科技师范学院

本科毕业论文（设计）中期检查表

题 目 学生姓名 指导教师 李浩儒 学 号 刘士光 恒温恒湿箱控制系统的设计与实现 11 专 业 职 称 电气工程及其自动化 教授

主要研究内容及进展尚须完成的任务 主要研究内容： 以单片机为控制器，结合温度传感变送器、LED显示器等，组成一个恒温恒湿控制系统。使用温度传感变送器获得温度的感应电压，经处理后送给单片机。单片机将给定的温度与测量温度的相比较，得出偏差量，然后根据模糊控制算法得出控制量。 课题进展情况： 已完成（1）开题报告（2）文献综述（3）外文翻译（4）确定设计方案，完成总体设计 1.完善设计方案并完成设计说明书。 2.完成相应的图纸 3.整理资料，准备答辩。 4.答辩后完善资料，按要求提交所有文档 问题： 1.就业与毕业设计冲突，不能全力以赴的投入毕业设计。 存在的主要问2.文献查找欠便利，图书资料涉及范围欠广泛。 题及解解决措施： 决措施 1.正确处理就业与毕业设计时间的冲突，抓紧时间集中精力，保质保量完成任务。 2.加强网络与图书馆建设，更便于文献调研。 同意 指导教师审查意见 指导教师签名： 2012年 4 月 16 日 院（系、 部）审签字盖章： 查意见 年 月 日

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本科毕业论文（设计）答辩记录表

题 目 学生姓名 答辩主持人 答辩记录人 答辩过程及内容： 组长签名： 成员签名：

学号 答辩组成员 地点 专业 时间 年 月 日 河北科技师范学院

本科毕业论文（设计）成绩评定汇总表

指导教师评分表 工作态度（10） 出勤与 工作量 （10） 调研论证或 论文（设计）实验（设计） 质量 （30） （30） 创新 （10） 完成情况 （10） 总成绩 指导教师评语： 是否同意参加答辩: 指导教师签字： 评阅人评分表 选题质量（20） 能力水平（40） 创新（10） 论文（设计）质量（30） 总成绩 评阅人评语： 是否同意参加答辩: 评阅人签字： 答辩小组评分表

论文（设计）（30） 创新（10） 陈述（30） 答辩（30） 总成绩 答辩小组评语： 答辩小组成员 签字： 院（系、部）答辩委员会意见： 综合成绩：

院（系、部）答辩委员会主任签字： 院（系、部）盖章 年 月 日

河北科技师范学院

本科毕业设计工作总结

恒温恒湿箱控制系统的设计与实现（偏硬）

院（系、部）名 称 ： 河北科技师范学院 专 业 名 称： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 李浩儒 学 生 学 号： 11 指 导 教 师： 刘士光

2012 年 5 月 28 日 河北科技师范学院教务处制

一、计划的实施情况及工作的详细进程 调查研究，收集资料，选毕业设计题目，接收毕业设计任务书，撰写毕业设计计划书 熟悉课题，查阅资料，撰写文献综述与外文翻译 总体设计，方案论证 部件、零件设计阶段 编写设计说明书 二、研究结果及意义 以上为毕业期间所设计的恒温恒湿控制系统，可以满足设计的基本要求。使用单片机作为核心的控制元件，配合其它器件，使本恒温恒湿控制系统具有功能强、性能可靠、电路简单、成本低的特点，加上经过优化的程序，使其有很高的智能化水平。 三、主要收获及体会 虽然这个设计做的比较简单，很多东西都考虑的不是很细，也有一些特别情况没有做，但是用了很多精力用来完成这个论文，鉴于个人水平和时间的关系所以并没有把自己当初设想的所有情况都考虑进去，这两个月的毕业论文让我学会的很多，觉得自己学的太少还有很多需要认真学习，学无止境，所以要更努力。 四、存在问题及努力方向 执行机构的研究不够详细，在此文中只做了简要说明，有待具体设计。 五、指导教师评价意见 指导教师签名： 年 月 日

河北科技师范学院

本科毕业设计文献综述

恒温恒湿箱的现状及发展

院（系、部）名 称 ： 河北科技师范学院 专 业 名 称： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 李浩儒 学 生 学 号： 11 指 导 教 师： 刘士光

2012 年 3 月 17 日 河北科技师范学院教务处制

文献综述：

摘要：

介绍了恒温恒湿箱系统组成与工作原理，回顾了恒温恒湿箱的发展历程，列举了当前恒温恒湿箱所具有的各种规格与参数，将国内外对温湿试验箱的制冷、控制等方面的研究做了介绍，并给出了恒温恒湿箱的今后发展展望。 关键词：组成；发展水平；展望

1 引言

随着我国工业产品研制的需要，近几年来，我国从国外引进了大批试验系统，为我国工业产品的研制和定型发挥了重要作用，但由于其本身的复杂性，使得试验箱在运行中出现了许多问题，而且出现了问题不能及时解决，大大延长了试验周期，影响了产品的研制工作。随着现代农业的发展，恒温恒湿箱的应用越来越广泛（比如菌种的培养、幼苗的培育以及设施仪器仪表的校准等），并要求其性价比更高，使用寿命更长，使用费用更少（省电），响应速度更快。而采用单片机来对温度和湿度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

2 恒温恒湿箱系统组成

在各种环境试验测试中以见，且以使用中、小型试验箱居多。温温湿度试验较为常湿试验箱由制冷系统、加热系统、控制系统、湿度系统、空气循环系统和传感器系统等组成。如下图。

1. 传感器系统：试验箱的传感器主要是温度和湿度传感器。温度传感器应用较多的是铂电阻和热电偶。

2.控制系统：是试验箱的核心，它决定了试验箱的升降温速率及精度等重要指标。现有试验箱的控制器大都采用PID控制方法。

3. 制冷系统：是试验箱的关键部分之一，一般采用蒸汽压缩式制冷。根据试验箱工作温度范围不同，可分为单级制冷、双级制冷和复叠式制冷。它们主要由压缩机、冷凝器、节流机构和蒸发器组成。它由2 部分组成，分别为高温部分和低温部分，每一部分都是一个相对独立的制冷系统。高温部分和低温部分是用蒸发冷凝器联系起来的，它既是高

温部分的蒸发器，也是低温部分的冷凝器。

4.加热系统：它主要由电阻丝组成。如果要求升温速率较大，则加热丝功率也比较大，而且在试验箱的底板也设有加器。加热系统的加热量可由控制系统来决定。

5.湿度系统：分为加湿和除湿2 个子系统。加湿方式一般采用蒸气加湿法，即将常压蒸气直接注人试验空间加湿。这种方法加湿能力强，速度快，加湿控制灵敏，尤其在降温时容易实现强制加湿。除湿有2 种方式：冷却除湿和干燥器除湿。冷却除湿是将空气冷却到露点温度以下，使大于饱和含湿量的水气凝结析出，这样就降低了湿度。干燥器除湿是利用气泵将试验箱内的空气抽出并送入干燥器进行干燥，干燥完后又送入试验箱内，如此反复循环进行除湿。现在大部分试验箱采用前一种除湿方法，后一种除湿方法用于有特殊要求的场合，且费用较贵。

3.恒温恒湿箱发展水平

最早期的环境试验是在天然环境条件下进行的。这种试验虽然直观、可靠、无需特殊的试验设备，但受到地区性环境条件的限制，试验时间长、重现性差。为了及时、准确地验证产品的环境适应性和可靠性，各国纷纷投人人力和财力，研制和生产能模拟天然环境条件的试验设备。1921 年德国西门子公司研制出世界上第一台湿热试验箱，1929 年世界上首家环境试验设备厂商在德国开业。尔后英、美、日等国也先后开始研制和生产环境试验设备。

进入到以高科技领先的九十年代, 低温、超低温的实验与冻藏对许多行业和部门来说已成为必不可少的方法和手段, 特别是工作温度在一40 ℃ 至一120 ℃ 这一低温领域, 应用范围正日趋扩大。例如:精密工业制品、工程材料和电子元件的低温试验; 冶金产品的调质;航空航天工业的环境实验设备; 医疗、制药等部门保存脏器和生物样品; 化学产品的生产和冻藏等。但是由于技术卜等诸多原因能提供此类低温设备的单位在全国来讲还寥寥无几, 无法满足社会的需要。为此, 我们近年来开发研制了一40 ℃ 、一60 ℃ 、一80 ℃ 系列低温箱产品以及低温恒温液槽等其它特殊实验设备, 有的已形成批量生产能力。在研制工作中, 我们对低温制冷装置在制冷压缩机的匹配、各种热交换器的设计、系统流程设计以及小型装置中制冷剂注入量的最佳配比等方面, 进行了了系列试验和研究工作, 积累了不少技术数据和经验。目前国外的环境试验设备已有l000 多个品种，可以覆盖各种试验方法与标准，而我国的环境试验设备因起步较晚，总体技术水平与国外相比还有一定的差距：高档产品少；中、低档产品多；单参数的环境试验设备多；多功能现代化的大型精密试验设备少。对于大多数试验标准，没有箱内升/降温曲线的具体规定，一般只规定升/降温时间或平均温变速率。升/降温时间是反映试验箱升/降温能力的重要指标，时间越短，能力就越强，这可使试验准备时间缩短，但其所需加热/制冷系统的容量、设备投资都要增大。因此，对试验设备来说，对升/降温过程的传热特性研究是一个很重要的研究方向，这将有利于试验设备加热/制冷系统的合理匹配。从近年来发表的文献来看，对试验箱的研究主要集中于设备的结构、制冷和加热方式选择、控制精度与测试监控等方面[4-15]，对试验箱非稳态温变过程传热特性方面的研究不多，而把试验箱热力系统作为一个耦合整体进行研究的则更少。文献[8]中给出了环境试验装置冷负荷的计算方法，着重介绍了环境试验室（箱）稳态传热时的冷负荷计算，粗略提出了降温过程的冷负荷计算方法。文献认为降温过程冷负荷粗略计算

可由2 部分组成：室内一侧的壁板、试验台架、室内空气及蒸发器等热容量应全部计入，其冷负荷为总热容量乘以温降除以所要求的降温时间；隔热材料的冷负荷，为隔热材料质量乘以比热并乘以室内外温差的平均值再除以所要求的降温时间。文献[16-17]对环境试验室围护结构在降温过程中的传热特性进行了非稳态传热数值计算，指出采用文献[8]中的计算方法误差很大，必须采用非稳态传热的计算方法计算围护结构在降温过程中的放热量。文献[18]给出了环境试验装置降温过程的冷负荷计算，并在一些假设的基础上初步给出了降温时间的分析解，虽然其假设存在不合理的地方，但其思路值得借鉴。文献[19]提出表征箱体隔热性能的传热系数和表征蓄热性能的蓄热系数是箱内空气升温、降温的主要因素，通过对试验箱建立非稳态热平衡方程得到了在箱内无任何物件的情况下加热升温和自然降温过程的温—时解析式，并且利用实验数据确定出了传热系数和蓄热系数。不过文献没有考虑试验时物件、试验台架、蒸发器等热容量对温变的影响，因此，得出的结论有很大的局限性。至于湿度方面研究，由于目前大多数是采用了温度、湿度各自独立调节的控制方式，这样可以避免温、湿度调节过程中互相干扰的现象，因此研究主要集中于加湿方式的选择和加/除湿控制精度等方面。文献[20]着重对各种加湿方式的加湿能力与效率相比较，并分析了对试验箱内温度的影响。文献[21-27]从自动控制角度来研究对湿度的调节，其共同特点是利用PID 控制算法将采样值与设定值相减，得到控制偏差e，e 的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量u 去对湿度进行控制。

4 发展展望

随着现代工业农业的发展，恒温恒湿箱的应用越来越广，生产、科研对它的要求也越来越高。要求它的性能价格比更高，使用寿命更长，使用费用更少( 省电) ，响应速度更快。目前国内恒温恒湿箱制冷加温降湿加湿同时进行, 造成不必要的能量抵消, 并且易造成温湿度的波动, 控制精度的降低。制冷机组不受自控连续运转, 使室内相对湿度与温度造成人为下降, 至使耗电量极大,通过改变连续冷却与降湿的控制方法, 研制一种能高精度地控制冷却、降湿、加温、加湿的传感器, 以此提高恒温恒湿的控制精度, 降低能殊消耗, 使科研、测试、计量等环境达到ISO标准或GB标准的试验大气。

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河北科技师范学院

本科毕业设计外文翻译

S12X型温度传感器

院（系、部）名 称 ： 河北科技师范学院 专 业 名 称： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 李浩儒 学 生 学 号： 11 指 导 教 师： 刘士光

2012 年 3 月 17 日 河北科技师范学院教务处制

外文翻译：

S12X 型温度传感器

----S12X传感器应用注意

许多S12X设备都设有温度监测回路。这篇应用文章大致描述了应用传感器的注意事项。 第一部分：介绍温度传感器回路 第二部分：描述温度监控 第三部分：描述使用高温断路 第四部分：总体散热有关注意

1温度传感器的介绍

温度传感器集成于MC9S12XE，MC9S12XF和MC9SXS系列稳压器。在可以监控温度的设备上，在VREG设定中有详细设定。集成的温度传感器并不是应用于高精度感应，而是在许多应用中用以监控温度。 1.1 目的

此文档的目的：

提供S12X温度传感器的特性及不足的综述 解释如何在应用环境中使用S12X温度传感器 总结热影响与温度传感器使用

1.2 综述

温度传感器监控设备的结点温度，其会受环境影响。节点温度与环境的讨论后文第四部分会讨论。

温度传感器有以下特征：

用于温度监控的线性随温度变化而变化的电压与模数转化模块界面 包含迟滞与失调调整的高温断路

电路提供了一个在操作范围内跨进程和电源电压的dV/dT，但是，不能调整的绝对电压的精度可能是某些应用不能接受的。为了克服此不准确性，需要带有软件编程的通过调整寄存器的失调调整。

在设备内线性的随温度变化的电压与模数转换特殊输入通道相连接。如果需要温度传感器通道图，请参阅VREG设定。

S12X设备都提供了不同的温度额定值（见下表）

温度额定值（S12XE，S12XF，S12XS系列）

分类 C：结点温度 环境温度 V：结点温度 环境温度 M：结点温度 环境温度

高温断路功能只能在M级别的设备上使用，因为断路装置在温度这个级别可能低于140摄氏度。但是，这不能限制在C或V级别上通过ATD使用温度传感器监控温度。 1.2.1 操作模式

温度传感器可以开启源图模式 温度传感器在系统终止模式下会关闭 1.3 温度传感器操作理论

一个从VREG带隙温度相关输出，用于偏置电阻堆栈。由此产生的电压（VHT）通过一个缓冲放大器连接到ATD。梯形电阻的两个分路器对比，从固定电压带隙基准源（VBG）产生高温中断功能的断言和解除报警信号，从而保证迟滞。该电路提供合理的dV / dt的准确性 -然而，微调绝对电压可能对于许多应用程序是不可接受的。为了克服这一误差，底部的梯形电阻节点被迫到的VBG允许微调偏移传感器的可编程部分。设备的操作范围中产生的电压范围不超过伏，因而与配置为 V范围内的ATD兼容。但是，这是首

最低 -40 -40 标准 - 27 最高 110 85 单位 摄氏度 -40 -40 - 27 130 105 摄氏度 -40 -40 - 27 150 125 摄氏度 选小于准确5伏ATD范围。 1.4 温度与电压关系

dV/dT 的斜率与工作电压范围交叉，所以结点温度可以由校准电压确定。 斜率对设备进程的依赖较小，数据为：

dV/dT(min) = mV/°C dV/dT(max) = mV/°C (~ mV/°C ± 4%)

微调提供一个恒定的偏移，但不应影响斜率，可以用于设置HTI的水平。

2 温度监控

在电压校准后，通过ATD指定通道可以对温度进行监测，因为dV/dT的斜率是线性的，所以节点电压可以由通过已知温度校准后的电压确定。执行最低和最高温度校准更精确的斜率系数，独立的设备加工。 2.1.1 温度传感器控制寄存器

区域 7,6 保留 5 VSEL 4 VAE 3 HTEN 如果该位置被设置，温度传感器就开启 描述 这些保留位被用于测试目的，只有在特殊模式写入。为了正确的温度传感器操作，这些必须保持空白 作为VREG的选择温度传感器或带隙电压源（VBG） ATD通道输入源。 如果该位被设置由VSEL选定的电压连接到ATD的通道

2 HTDS 1 HTIE 0 HTIF 高温中断标记 高温中断开启 高温中断探测 为了开启温度传感器，HTEN必须由软件设定。为了把电压发送到ATD，设置VAE，清空VSEL。 2.1.2 高温微调寄存器

VREGHTTR寄存器允许为VREG温度传感器偏移调整HTI的温度。 HTOEN使修剪功能和HTTR决定微调水平。内容从快闪记忆体的信息排在复位位置微调寄存器加载阶段。这有利于工厂规划的调整值。目前加载的价值在复位阶是0x0F。 dv / dt是不是在这个寄存器的值的影响。

区域 7 HTOEN 3-0 HTTR[3:0] 数位 HTTR[3] HTTR[2] HTTR[1] HTTR[0] 微调效果 降低HTI的有效温度比HTTR2多两步 降低HTI的有效温度比HTTR1多两步 降低HTI的有效温度比HTTR0多两步 降低HTI的有效温度 高温微调开启 描述 高温偏置开启

2.1.3 ATD的设定

ATD0用于含有多个ATD模块的设备

为了获得多个计数/°C间的决议，通过配置ATDCTL1ATD必须配置为12位模式的转换，转换ATDCTL5的电压，必须配置选择正确的通道。为在MC9S12XE的MC9S12XF，和MC9S12XS系列，配置ATDCTL5=0x41既选择通道[17]转换和使用单从该通道的转换序列。 使用0x40的ATDCTL3值，由8个转换序列。它使用这个配置平均读数，以尽量减少噪音的影响，或过滤掉任何外围的转换是可能的结果。 2.2 校准

应用的温度范围Tmax和Tmin确定dV / dT的斜率和VMIN值。要正确执行校准，Vmin和Vmax值必须Tmin已知温度检测和最高温度，分别为。然后的dV / dt的斜率可以计算和存储在一起Vmin的NVM中。标定必须在低噪音环境和使用扶贫运动中所述的配置第节，“配置ATD”，以降低噪音的效果。该设备必须允许时间来稳定在校准温度，以确保达到正确的温度校准。要交代环境和交界处的温度，功耗之间的差异在可以测量和校准公式计算真正的结温。

如果不可以做到每台设备上，衡量一个单一的设备上使用低功耗配置可能就足够了。如果温度传感器是用来监视交界处的温度（例如，避免过度然后校准温度，减少活动），必须进行设备功耗低

为减少结点到环境的温度差。校准的目的， 禁用输出驱动器是明智的，其中可能的，并没有外围活动的一部分运行在较低的总线频率。如果是被用来计算环境温度的温度传感器，它建议温度测量始终采取一致的设备活动。在这种情况下，校准必须进行定义设备的活动，在温度测量中的应用。VDDA供电电压的dV / dt的斜率依赖是可以忽略不计的VDDA范围在至 V。在一个单一温度校准，与上述同样的考虑，也有可能，即温度，然后估计从指定的dV / dT（节，“温度电压关系“）。在这种情况下的精度更糟糕的是，因为指定的斜率包括生产过程变化，Tmax和Tmin校准时被淘汰 2.3 温度监测准确性 影响准确性的方面 2.3.1 过程

运用上面有提到的校准方法会消除设备不准确性。

dV/dT斜率的线性

表征表明线性微不足道的变化 2.3.3 电源电压

VDDA上的dV / dt的斜率依赖是微不足道的，但有绝对电压偏移的存在。对于VDDA变化的±10％的应用，电源电压依赖的偏移是相当于少小于1°C。应用程序对于VDDA大范围，可能存在的错误，相当于高达2°C。这是可以校准偏移量，以减少总的错误，如第节中所述。

2.3.4 随着时间转移带隙电流

表征结果表明存在可以忽略不计的线性变化 2.3.5 ATD误差

典型的dV / dt的斜率是毫伏/°C。为了获得多个ATD计数/℃，ATD的必须配置为12位的转换，这相当于 mV/计数的至ATD参考电压。一般在12位转换模式的扶贫运动的绝对误差为±7计数和积分非线性±5。温度监测方面的一个校准值，因此偏移量可以被忽略，可用于计算的误差和积分非线性。 ±5计数转换为± mV时，这相当于±°C。为了限制噪音和增加ATD精度的影响，使用序列转换和平均的结果，如在第节中所述。 ATD精度是有限由ATD参考电压的精度。这可以有一个非常大的温度监测精度的影响，如下面的示例所示。假设一个完美的ATD电压参考，与4％的dV / dT固有误差，精度温度传感器：

(4% × target temperature range) + °C (ATD integral non-linearity)

+ 1 °C (supply voltage dependency)

因此，总的误差可能为±26°C间有超过75％，在电压的变化。校准使用的带隙基准偏移的ATD，可以限制在电压效果。带隙参考电压是在相同的温度传感器ATD通道访问。要选择带隙作为ATD通道的输入电压，设置VSEL位，VREGHTCR[5]。通过执行ATD转换使用不同的价值观的电压，电压的变化，可以校准。由于带隙在整个指定的温度范围内的电压变化是只有5毫伏，ATD可以转换可以用来估计的电压。 2.3.6 节点与环境温度的不同

如果应用程序正在监视硅温度，例如限制功耗从电压计算的温度主要是通节中列出的误差。如果应用程序正在监视环境温度，那么最大的因素误差结到环境的温度差，还讨论

了在第4节，“一般热的考虑。“这可占在一定程度上，如果应用程序可以估算电源耗散时的温度检测点。一个差的会计方法是始终一致的配置与测量温度，并使用相同的配置在校准过程中。在这方面的配置是指内部活动，供电电压和输出驱动器加载。 设备温度梯度

这个温度将会是区域的最高输出温度。

3 高温断路的使用

设置

VREGHTCL寄存器（见节，“温度传感器控制寄存器VREGHTCL”）包括中断使能位（HTIE），中断标志（HTIF），和一个状态位（HTDS）。当HTIE集，中断请求每个设置的HTIF位的时间，发生双方就确定和无效置的HTDS位。 HTDS位设置，当温度超过断言级（THTIA）和清除当温度低于的拉高水平（THTID）下降。在HTIF标志设置是否已经改变了HTDS状态。后HTIF设置，它只能通过写1位的位置，或复位清零。VREGHTTR寄存器（见节，“高温修整寄存器VREGHTTR”），允许为VREG温度传感器偏移微调。它适用于一个恒定的偏移电压。这允许将转移到THTI（T）从THTI（U）HTI的温度，使HTI的可以调整一个特定的温度

相同的偏移适用于维护和解除报警水平。保证设计和固有在THTIA和THTID电气规范。从闪光灯的资料行的位置，微调寄存器的内容装载到0x0F内存在复位阶段。此信息行地址是不是在应用程序中访问。因此，要调整，VREGHTTR必须配置的应用软件。每个积极的修剪步骤通对应于5℃减少HTI的水平。因此，它有可能调整至高于140°C低于110°C。

HTI的校准与应用

在一个给定的温度下，VHT方面提供电压的变化通常是小于5毫伏以上VDDA工作电压范围。轻微的，正偏移可以占在校准过程中，如果必要的。如果该设备是在应用程序中使用的可能VDDA供电电压范围广，设备可在最高和最低的电源电压校准。但是，在这种情况下，应用程序必须允许VDDA供电电压测量，以确定是否需要调整，由于电源电压的变化。这需要一个VRH的参考VDDA供电分开，在大多数应用，是不是一般可用。HTI的功能通常用于表明附近最大工作结温温度。这允许应用程序功能以降低功耗和反应防止超过最高温度。降低功耗的有效途径是由关掉端口驱动低阻抗负载，降低总线频率使

用PLL。由于温度的变化是缓慢的，相对处理例程，在许多应用中，这将是足以作为替代使用中断HTIF。

4 一般散热注意事项

温度感应器件的结点温度，环境温度不同。差异取决于设备的活动，使高活性和高输出驱动器负载电流造成较大环境和结温之间的差。 功耗和热特性

功耗和热特性有密切的关系。它必须确保最大 工作结点温度过高。以结点温度（TJ）均可以得到：

TJ = TA + (PD × ΘJA) TJ = Junction Temperature, [°C] TA = Ambient Temperature, [°C] PD = Total Chip Power Dissipation, [W] ΘJA = Package Thermal Resistance, [°C/W]

可以计算出总功耗：

PD = PINT + PIO

Pint 是芯片内部电压：

PINT = IDDR × VDDR + IDDA × VDDA

原文出处：Freescale Semiconductor Application note Document Number：AN3624