庫房溫濕度控制

摘要在工業(yè)生產(chǎn)中，許多產(chǎn)品的儲(chǔ)存都是在具體的環(huán)境中進(jìn)行的，存儲(chǔ)環(huán)境的優(yōu)劣直接影響著存放產(chǎn)品的質(zhì)量以及壽命，同時(shí)良好的庫房環(huán)境還能對外界影響產(chǎn)品存放的因素進(jìn)行抑制，因此庫房的環(huán)境對產(chǎn)品的存放具有重要的意義。在庫房環(huán)境的因素中，最重要的兩個(gè)因素就是庫房的溫度和濕度，適宜的濕度和溫度不但不會(huì)對產(chǎn)品的存放造成傷害，還能夠有效地延緩產(chǎn)品材料的老化等。基于以上的原因，在產(chǎn)品的存放過程中必須要對庫房的溫度和濕度進(jìn)行有效的監(jiān)控，并且需要根據(jù)監(jiān)控得到的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)整，以此來達(dá)到最佳的產(chǎn)品存儲(chǔ)環(huán)境。本文以某檔案資料室的庫房環(huán)境為研究對象，設(shè)計(jì)出了一種基于單片機(jī)的庫房恒溫恒濕測控系統(tǒng)。整個(gè)設(shè)計(jì)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化測控技術(shù)、傳感器技術(shù)以及通信技術(shù)相結(jié)合，以AT89C51作為主控制器，通過選擇合適的溫濕度傳感器組成了一套智能的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，與此同時(shí)，設(shè)計(jì)還針對庫房環(huán)境中出現(xiàn)的溫濕度偏差，設(shè)計(jì)了溫濕度糾正系統(tǒng)，通過選取一定的設(shè)備來對因外界影響和環(huán)境的變化而造成了庫房溫濕度偏差。整個(gè)系統(tǒng)大致可以分為四個(gè)部分，分別是環(huán)境溫濕度檢測模塊、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊以及偏差調(diào)整模塊。環(huán)境溫濕度檢測模塊主要通過選取合適的傳感器來對庫房環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行檢測，檢測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的處理之后發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過對這些環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析得到當(dāng)前環(huán)境與設(shè)置值的偏差，最終根據(jù)偏差通過控制相應(yīng)的電機(jī)設(shè)備來對當(dāng)前環(huán)境的溫濕度進(jìn)行調(diào)整。在整個(gè)系統(tǒng)的工作中，測控系統(tǒng)測得的溫濕度參數(shù)通過液晶顯示屏顯示出來供用戶參考。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全能夠?qū)旆康臏貪穸冗M(jìn)行監(jiān)控并對過程中出現(xiàn)的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞：庫房；溫濕度；傳感器；單片機(jī)AbstractInindustrialproduction,productsarestoragedinaspecificenvironment,thestorageenvironmentwilldirectlyaffecttheproductqualityandtheservicelife,atthesametime,anappropriateenvironmentcanrestainfactorsthatcaninfluencetheproductsfromtheoutside,thereforethewarehouseenvironmenthasanimportantsignificanceforthestorageofproducts.Twoofthemostimportantfactorsinwarehouseenvironmentaretemperatureandhumidity,anappropriateenvironmentwillcausenoharmtothestorageofproducts,butalsocaneffectivelydelaytheagingofmaterials.Basedontheabovereasons,efficientmonitoringmustbetakenintemperatureandhumiditycontrolinwarehouse,andshouldbeadjustedaccordingtothemonitoringoftemperatureandhumidity,soastoachievethebestproductstorageenvironment.AtemperatureandhumiditymonitoringsystembasedonMCUisdesignedinarchivesroom.Computertechnology,digitalcontroltechnology,sensortechnologyandcommunicationtechnologyarecombinedinthewholedesign,AT89C51asthemaincontroller,byselectingthesuitabletemperatureandhumiditysensor,temperatureandhumiditymonitoringsystemisdesigned,atthesametime,systemfortemperatureandhumiditydeviationinwarehouseenvironmentisdesigned,throughtheselectionofcertainequipmentduetothechangesintheexternalandenvironmentaleffectscausedbythetemperatureandhumiditydeviationThewholesystemcanbedividedintofourparts,respectivelyistheenvironmentaltemperatureandhumiditydetectionmodule,controlmodule,displaymoduleandthedeviationadjustingmodule.Environmentaltemperatureandhumiditydetectionmodulemainlybyselectingappropriatesensorstodetectthewarehouseenvironmenttemperatureandhumidity.ThedataistransferedtoMCUafterprocessing,errorisprocessedinMCUcomparedwiththesettingvalue,finallyaccordingtothedeviationbycontrollingthemotorequipmentcorrespondingtothetemperatureandhumidityoftheenvironmentadjustment.Inthewholesystem,temperatureandhumidityparametersmeasuredinthesystemisdisplayedin1602.Thesimulationresultsshowthat,thesystemcanmonitortemperatureandhumidityinthestorehouseandadjustthedeviationappearedintheprocess.Keywords：Warehouse；temperatureandhumidity；Sensor；MCU第1章緒論--1緒論1.1選題背景及研究意義檔案是由承受檔案內(nèi)容的載體材料和反映檔案內(nèi)容的記錄材料組成的，隨著科學(xué)的發(fā)展和數(shù)字化技術(shù)的普及，數(shù)字檔案館正在興起，但是就目前而言，檔案的記錄仍然以紙質(zhì)材料為主，這種情況在當(dāng)前以及后續(xù)一段很長的時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變。目前，絕大多數(shù)檔案館都以紙質(zhì)檔案為主。紙質(zhì)檔案已經(jīng)成為人類文化遺產(chǎn)的重要?dú)v史見證，屬于可重復(fù)利用但是非再生的歷史性文化遺產(chǎn)。基于紙質(zhì)檔案的重要性，如何保存人類歷史上浩如煙海的紙質(zhì)檔案一直是人類歷史上最嚴(yán)峻的問題之一。相關(guān)研究表明，紙質(zhì)檔案的存放主要受到存放環(huán)境溫度與濕度的綜合作用與影響。根據(jù)《檔案保護(hù)拘束教程》記載，國外學(xué)者得出了溫度與濕度綜合作用對于紙張的影響，并得出了如下的結(jié)論：設(shè)定環(huán)境溫度30攝氏度，相對濕度在50%以下紙張的壽命為1，那么，紙張的壽命與所處環(huán)境的溫度與濕度呈線性變化。溫度每升高10攝氏度，紙張的壽命降低5倍；溫度每降低10攝氏度，紙張的壽命提高5倍，同樣的，當(dāng)溫度一定時(shí)，相對濕度每提高20%，紙張壽命降低2倍；相對濕度每降低20%，紙張壽命提高2倍。溫度、相對濕度與紙張壽命的關(guān)系如表1.1所示。表1.1溫濕度值與紙張壽命對應(yīng)表由表1.1可知，檔案館在庫房的管理工作中可以根據(jù)環(huán)境的溫度與濕度兩個(gè)方面來進(jìn)行，其主要任務(wù)為防潮、防腐、防爆、保持溫度度等。而這些指標(biāo)也是衡量一個(gè)庫房是否合理的重要標(biāo)準(zhǔn)。其環(huán)境參數(shù)是否合理直接影響到庫房內(nèi)工作設(shè)備的狀態(tài)以及儲(chǔ)備物資的使用壽命與可靠性。在這些因素中最主要的就是要控制環(huán)境的溫濕度，使其處在標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，因此對于庫房內(nèi)溫濕度的監(jiān)控就顯得十分有必要。在傳統(tǒng)的庫房溫濕度監(jiān)控中，主要利用干濕度計(jì)、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測量計(jì)或溫濕度試紙等測量器材。這些器材在進(jìn)行溫濕度檢測之后還需要人工對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這種溫濕度的監(jiān)控方案不但耗費(fèi)了大量的人力、物力等資源，而且由于這些測量儀表的精度以及靈敏度有限，并不能實(shí)現(xiàn)對庫房溫濕度的精確測控，除此之外這些傳統(tǒng)的溫濕度測控儀器的可靠性有限，很容易發(fā)生儀器損壞的現(xiàn)象，一旦儀器損壞，那么測得的溫濕度參數(shù)就無法作為參考或者錯(cuò)誤地引導(dǎo)管理員，那么整個(gè)庫房內(nèi)的儀器設(shè)備、存儲(chǔ)資料的壽命都會(huì)加速老化，從而造成不可估量的損失?；谝陨系脑?，溫濕度監(jiān)控在日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)中具有極其重要的地位，而在倉庫、食品、醫(yī)藥、圖書館、檔案館等場所對溫濕度的要求都非常嚴(yán)格，因此有效并且精確的溫濕度測控對于這些領(lǐng)域具有極其重要的意義。1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀由于溫濕度測控對于工業(yè)、軍事、農(nóng)業(yè)等行業(yè)都有著重要的影響，因此溫濕度控制被運(yùn)用于科研、軍事、農(nóng)業(yè)等各行各業(yè)。而各種關(guān)于溫濕度的測控系統(tǒng)也早早地被各界學(xué)者所研究。在絕大多數(shù)溫濕度測控場所中，溫濕度的控制都采用PID控制策略。其中的原因一方面是由于PID控制方式產(chǎn)生較早，各界學(xué)者對其研究成果相對成熟，除此之外，采用PID控制策略能夠滿足大部分的溫濕度測控場所，因此，在傳統(tǒng)的溫濕度測控系統(tǒng)以及設(shè)備中，基于PID的溫濕度控制方式已經(jīng)成為首要選擇。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫濕度的測控要求也與日俱增，不管是測量反應(yīng)時(shí)間、測量精度、測量數(shù)據(jù)的傳輸與以往的測量系統(tǒng)相比都有著較大的提高，因此新的控制策略也逐漸地加入到測控系統(tǒng)當(dāng)中，其中具有典型代表的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，最近興起的還有去偽控制等新興控制策略。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，溫濕度測控也由原本的個(gè)體測量系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在基于主機(jī)-終端模式的現(xiàn)代化測控方式?；谥鳈C(jī)-終端模式的測控方式與工業(yè)中分布式監(jiān)控方式相類似，即系統(tǒng)中始終有一個(gè)主機(jī)擔(dān)任整個(gè)測控系統(tǒng)的管理，各個(gè)單體測控模塊在采集到環(huán)境變量之后，通過一定的數(shù)據(jù)傳輸總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，最終由計(jì)算機(jī)對總線中所有的測控模塊測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理、存儲(chǔ)等操作。這種測控模式相對于傳統(tǒng)的單體環(huán)境參數(shù)測量系統(tǒng)具有布線靈活、易于拓展等特點(diǎn)，除此之外，由于用戶可以直接在計(jì)算機(jī)中對各個(gè)測控模塊的運(yùn)行情況進(jìn)行觀察，因此該系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的靈活性，同時(shí)使得系統(tǒng)易于拓展，用戶只需要將需要的測控系統(tǒng)連接在總線中，計(jì)算機(jī)就可以根據(jù)地址信號來對新加入的測控，模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。目前分布式溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)也是主要的發(fā)展方向，這是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號處理技術(shù)、通訊等技術(shù)相互滲透發(fā)展而成的。隨著今年以太網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于以太網(wǎng)通信技術(shù)的環(huán)境測控系統(tǒng)也正在興起，該種測控方式以工業(yè)以太網(wǎng)為載體，包括高速以太網(wǎng)和以太網(wǎng)交換機(jī)；高速以太網(wǎng)極大地減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t；工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)把控制網(wǎng)絡(luò)分成若干個(gè)相互獨(dú)立的沖突區(qū)域，這樣做可以使得各個(gè)沖突區(qū)域不會(huì)因?yàn)榫€路的競爭而發(fā)生碰撞，從而保證了信號傳輸?shù)乃俣扰c可靠性。因此，高速的工業(yè)以太網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)將會(huì)成為工業(yè)技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)重大技術(shù)趨勢。1.3論文的主要工作及章節(jié)安排本系統(tǒng)以某檔案室的溫濕度測控為目標(biāo)，通過選擇合適的溫濕度傳感器來搭建溫濕度檢測模塊，該模塊測得環(huán)境的溫濕度之后，將數(shù)據(jù)傳輸至主控制器，主控制器根據(jù)接收到的溫濕度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行判斷，若現(xiàn)場檢測得到的溫濕度參數(shù)處于系統(tǒng)的要求之內(nèi)，則返回溫濕度檢測模塊繼續(xù)下一個(gè)周期的檢測，若檢測到當(dāng)前環(huán)境中的溫濕度超出預(yù)設(shè)值，則根據(jù)事先設(shè)定好的控制方式來啟動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備對環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到現(xiàn)場環(huán)境中的溫濕度達(dá)到環(huán)境設(shè)定的指標(biāo)。與此同時(shí)，在主控制器接收到當(dāng)前環(huán)境中的溫濕度信號之后還需要將數(shù)據(jù)經(jīng)過總線傳輸至上位機(jī)，通過上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)等操作。設(shè)計(jì)全文總共分為七個(gè)章節(jié)，主要安排如下。第一章：主要介紹選題的背景及研究意義，并且對國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀做了簡要的介紹；第二章：對系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明并設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的硬件部分；第三章：對系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)；第四章：系統(tǒng)的仿真與調(diào)試；第五章：對設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，并對下一步的研究提出目標(biāo)和任務(wù)。最后則是致謝與參考文獻(xiàn)。1.4本章小結(jié)本章主要介紹了課題的來源以及本課題的研究意義，同時(shí)就國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀作了簡要的介紹。在本章節(jié)的最后還對本課題的安排進(jìn)行了簡要的說明，指明了課題研究的目標(biāo)與內(nèi)容。2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本章節(jié)的設(shè)計(jì)內(nèi)容是整個(gè)系統(tǒng)最重要的部分之一，首先需要對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明，在確定了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案之后提出系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)及功能，最后說明系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)大致分為兩個(gè)部分，分別為下位機(jī)和上位機(jī)。下位機(jī)主要由傳感器檢測模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示模塊、偏差執(zhí)行機(jī)構(gòu)和通信模塊。上位機(jī)主要是利用VB軟件的MSCOMM控件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的通信。整個(gè)系統(tǒng)的組成框圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的工作大致工作流程為：下位機(jī)中的溫濕度檢測模塊對當(dāng)前環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集模塊測得環(huán)境的溫濕度之后，將數(shù)據(jù)傳輸至主控制器，主控制器根據(jù)接收到的溫濕度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行判斷，若現(xiàn)場檢測得到的溫濕度參數(shù)處于系統(tǒng)的要求之內(nèi)，則返回溫濕度檢測模塊繼續(xù)下一個(gè)周期的檢測，若檢測到當(dāng)前環(huán)境中的溫濕度超出預(yù)設(shè)值，則根據(jù)事先設(shè)定好的控制方式來啟動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備對環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到現(xiàn)場環(huán)境中的溫濕度達(dá)到環(huán)境設(shè)定的指標(biāo)。在系統(tǒng)的整個(gè)工作過程中，上位機(jī)始終與下位機(jī)保持通信狀態(tài)，并且當(dāng)前系統(tǒng)中的溫濕度信號會(huì)顯示在上位機(jī)軟件中，用戶可以對檢測得到的信號進(jìn)行存儲(chǔ)、編輯等操作。2.2系統(tǒng)主要指標(biāo)整個(gè)系統(tǒng)的功能指標(biāo)主要由溫濕度傳感器、除濕器以及散熱風(fēng)機(jī)決定。溫濕度傳感器：采用集成溫濕度傳感器，其中溫度測量范圍為-55~+65℃，溫控精度為±0.5℃；濕度測量范圍為：0~99%RH，濕度測量精度為±3%RH；除濕機(jī)：采用工業(yè)冷凝除濕機(jī)；散熱風(fēng)機(jī)：采用220V交流市電供電的工業(yè)用散熱風(fēng)機(jī)；2.3系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）庫房現(xiàn)場所用的溫濕度檢測傳感器實(shí)行數(shù)字化輸出，不但使得外圍電路得到了最大程度上的簡化，而且由于外圍器件的減少，系統(tǒng)的可靠性得到了提高；（2）采用分布式測控系統(tǒng)，每個(gè)傳感器的通信總線上都可以連接多個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，符合現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場的布線要求；（3）采用兩線制的串行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，施工簡單，節(jié)省器材，施工成本降低；（4）上位機(jī)的設(shè)計(jì)使得用戶無需在庫房之內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)溫濕度的監(jiān)控；（5）上位機(jī)中實(shí)時(shí)顯示各個(gè)傳感器的工作情況，便于用戶對損壞的器件進(jìn)行檢修。2.4本章小結(jié)本章主要介紹了溫濕度測控系統(tǒng)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，并且就系統(tǒng)的要求說明了系統(tǒng)工作過程中各個(gè)模塊的參數(shù)和指標(biāo)，在章節(jié)的最后還介紹了系統(tǒng)的主要特征。在下一個(gè)章節(jié)中，將根據(jù)系統(tǒng)的工作指標(biāo)就系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的說明。3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)整個(gè)硬件部分的設(shè)計(jì)主要包括傳感器檢測模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、偏差執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)上電工作時(shí)，溫濕度檢測模塊對當(dāng)前環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集模塊測得環(huán)境的溫濕度之后，將數(shù)據(jù)傳輸至主控制器，主控制器根據(jù)接收到的溫濕度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行判斷，若現(xiàn)場檢測得到的溫濕度參數(shù)處于系統(tǒng)的要求之內(nèi)，則返回溫濕度檢測模塊繼續(xù)下一個(gè)周期的檢測，若檢測到當(dāng)前環(huán)境中的溫濕度超出預(yù)設(shè)值，則根據(jù)事先設(shè)定好的控制方式來啟動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備對環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到現(xiàn)場環(huán)境中的溫濕度達(dá)到環(huán)境設(shè)定的指標(biāo)。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。下面就這幾個(gè)部分進(jìn)行必要的介紹。圖3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖3.1溫濕度測量方法3.1.1溫度測量方法在溫度的測量中，主要有壓力式溫度計(jì)、熱電阻式溫度計(jì)、雙金屬式溫度計(jì)、熱電偶式溫度計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)、輻射高溫計(jì)以及紅外測溫儀等。壓力溫度計(jì)是最早用于工業(yè)生產(chǎn)過程測溫的方法之一，其結(jié)構(gòu)簡單，具有很好的機(jī)械強(qiáng)度，并且其在工作時(shí)不依賴外部電源、價(jià)格低廉，曾被廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)過程的測溫中，但由于其響應(yīng)時(shí)間長、儀器密封不變維修、受外界環(huán)境影響較大，逐漸退出溫度檢測行列。熱電阻式溫度計(jì)是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的阻值隨溫度變化而變化的特性進(jìn)行溫度測量的一種溫度計(jì)，它可以將溫度信號轉(zhuǎn)變成電阻的變化，最終由電阻的變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化，計(jì)算機(jī)通過對電信號變化的檢測就可以實(shí)現(xiàn)溫度的測量，由于其精度高，再現(xiàn)性好，被廣泛運(yùn)用于各種溫度檢測系統(tǒng)中。但是由于電阻溫度計(jì)在工作過程中需要用到電源并且機(jī)械強(qiáng)度較低，因此不能用在存有機(jī)械振動(dòng)的場合中。雙金屬式溫度計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格較低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于各種測溫場合，但由于其精度較低，因此只能用在精度要求較低的場合中。熱電偶在工業(yè)測溫中占有很大的比重，其可用于非接觸式測溫，具有體積小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是溫度輸出與熱點(diǎn)勢之間呈現(xiàn)飛線性關(guān)系，因此需要對熱點(diǎn)勢經(jīng)過線性處理之后才能使用。光學(xué)高溫計(jì)、輻射高溫計(jì)以及紅外測溫儀都輸出非接觸式測溫計(jì)。3.1.2濕度測量方法日常生活以及工業(yè)現(xiàn)場中所指的濕度通常為相對濕度，用RH%表示。即氣體中(通常為空氣中)所含水蒸氣量(水蒸氣壓〉與其空氣相同情況下飽和水蒸氣量(飽和水蒸氣壓)的百分比。對濕度的表示方法有絕對濕度、相對濕度、露點(diǎn)、濕氣與干氣的比值(重量或體積)等等。常見的濕度測量方法有：動(dòng)態(tài)法(雙壓法、雙溫法、分流法），靜態(tài)法(飽和鹽法、硫酸法)，露點(diǎn)法，干濕球法和電子式傳感器法。雙壓法、雙溫法是基于熱力學(xué)P、V、T平衡原理，平衡時(shí)間較長，分流法是基于絕對濕氣和絕對干空氣的精確混合。由于采用了現(xiàn)代測控手段，這些設(shè)備可以做得相當(dāng)精密，卻因設(shè)備復(fù)雜，昂貴，運(yùn)作費(fèi)時(shí)費(fèi)工，要作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量之用，其測量精度可達(dá)±2%RH以上。靜態(tài)法中的飽和鹽法，是濕度測量中最常見的方法，簡單易行。但飽和鹽法對液、氣兩相的平衡要求很嚴(yán)，對環(huán)境溫度的穩(wěn)定要求較高。用起來要求等很長時(shí)間去平衡，低濕點(diǎn)要求更長。特別在室內(nèi)濕度和瓶內(nèi)濕度差值較大時(shí)，每次開啟都需要平衡6~8小時(shí)。露點(diǎn)法是測量濕空氣達(dá)到飽和時(shí)的溫度，是熱力學(xué)的直接結(jié)果，準(zhǔn)確度高，測量范圍寬。計(jì)量用的精密露點(diǎn)儀準(zhǔn)確度可達(dá)±0.2℃甚至更高。但用現(xiàn)代光-電原理的冷鏡式露點(diǎn)儀價(jià)格昂貴，常和標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器配套使用。干濕球法，這是18世紀(jì)就發(fā)明的測濕方法。歷史悠久，使用最普遍。干濕球法是一種間接方法，它用干濕球方程換算出濕度值，而此方程是有條件的：即在濕球附近的風(fēng)速必需達(dá)到2.5m/s以上，普通用的干濕球溫度計(jì)將此條件簡化了，所以其準(zhǔn)確度只有5~7%RH。電子式濕度傳感器法電子式濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測量屬于90年代興起的行業(yè),近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為幵發(fā)新一代溫濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。3.2傳感器選型在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，傳感器主要分為溫度傳感器和濕度傳感器，因此需要對這兩種傳感器進(jìn)行選型。3.2.1溫度傳感器的選擇在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，總有三種溫度傳感器可供選擇，分別是熱電阻式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器和數(shù)字化溫度傳感器。方案1：熱電阻式溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體本身的電阻值隨溫度的升高而增大的特性制成的，在該種傳感器的測量中，溫度信號轉(zhuǎn)變成熱電勢的電信號，電信號最終經(jīng)過一定的處理傳送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)得到的數(shù)據(jù)可以對現(xiàn)場溫度進(jìn)行換算，最終得到現(xiàn)場所測量的溫度。其主要由鉑、銅、鎳等熱電阻，具有測量范圍廣、測量精度高、便于數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，鉑電阻是其中性能最好的一種，由于其金屬性較差，因此能夠在惡劣的環(huán)境中不被腐蝕，耐氧化能力極強(qiáng)，因此鉑電阻也被廣泛運(yùn)用于工業(yè)現(xiàn)場的溫度測量中。而銅、鎳電阻由于金屬活躍性強(qiáng)，因此容易受到酸等環(huán)境的腐蝕，并且容易氧化，主要在非腐蝕性的介質(zhì)中使用，在工業(yè)中用于-50~+180℃的測量，方案2：采用模擬集成溫度傳感器。在方案的備選中，使用美國ANALOGDEVICES公司推出的一款單片集成兩端溫度傳感器AD590。該種模擬集成溫度傳感器以電流輸出的方式傳遞溫度數(shù)據(jù)，其輸出電流與當(dāng)前環(huán)境的溫度成正比。其使用范圍為-55~+150℃，低成本的單芯片集成電路以及不需要外圍電路的特點(diǎn)，使得該芯片在溫度測量領(lǐng)域有很防范的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的模擬傳感器不同，其在使用過程中不需要進(jìn)行線性化處理、精密運(yùn)放、電阻測量以及冷端補(bǔ)償?shù)入娐罚脩粼谑褂玫倪^程中只需要對芯片輸出的電流進(jìn)行電壓變換，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器之后就可以將模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，從而被主控制器所接收、處理；除此之外，AD590在進(jìn)行長線傳輸時(shí)，對于電路上的壓降并不敏感，任何一種絕緣性能良好的雙絞線都可以用來進(jìn)行電流的傳輸，傳輸距離可以達(dá)到數(shù)百英尺。因此選擇該種模擬集成溫度傳感器作為備選方案具有很高的可能性。方案3：采用數(shù)字化溫度傳感器。在采用數(shù)字化溫度傳感器作為備選方案時(shí)，共有兩種器件可供選擇，分別是美國DALLAS公司推出的DS18B20以及瑞士SENSIRION公司推出的溫濕度傳感器SHT11。下面就這兩種器件分別進(jìn)行簡要的介紹并對芯片進(jìn)行選型。DS18B20是一種支持“一線制總線”接口的溫度傳感器，具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)以及易于配置微處理器等特點(diǎn)，可以直接將溫度信號裝換成數(shù)字信號以供主控制器使用。SHT11與DS18B20相類似，同屬于數(shù)字型溫度傳感器，與DS18B20相類似地使用一線制數(shù)據(jù)傳輸方式。除了性能上的細(xì)微差別之外，其與DS18B20最主要的區(qū)別就是除了能夠輸出溫度信號之外，還可以輸出檢測環(huán)境的濕度信號。通過對以上三種備選方案的分析可以知道，熱電阻式溫度傳感器雖然測量范圍廣，輸出精度高，但由于鉑電阻價(jià)格相對來說較高，并且在使用了該種溫度傳感器之后，后續(xù)還需要加上信號放大電路、濾波電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路等，這無疑為系統(tǒng)的成本加大了許多，因此綜合考慮，該種溫度傳感器并不適用于本系統(tǒng)的庫房溫濕度監(jiān)控當(dāng)中；第二種模擬集成溫度傳感器具有良好的線性輸出，測量范圍也比較廣，并且適合長距離傳輸，但由于其后續(xù)需要添加模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這樣做不但使得系統(tǒng)的成本得到了增加還由于元件的增加，降低了系統(tǒng)的可靠性。因此系統(tǒng)最終將傳感器的選型定位在數(shù)字型溫度傳感器中。3.2.2濕度傳感器的選擇在濕度傳感器的選型中同樣有很多傳感器可供用戶選擇，正常使用的有HOS-21濕敏傳感器、HS1101濕度傳感器以及SHT11數(shù)字濕度傳感器，由溫度傳感器的選型方案可知，數(shù)字式傳感器由于其接口少、能直接輸出數(shù)字信號、不需要外接信號處理電路等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該成為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要選擇，因此在綜合考慮以上的因素之后選用SHT11溫濕度傳感器來作為系統(tǒng)的傳感器選型。這是因?yàn)镾HT11不但能夠?qū)Νh(huán)境的溫度進(jìn)行測量，還能夠?qū)Νh(huán)境的濕度進(jìn)行檢測，這恰恰能夠滿足系統(tǒng)的要求，并且由于溫度與濕度的信號都以數(shù)字化的形式進(jìn)行輸出，不需要外接其他的信號處理以及A/D轉(zhuǎn)換模塊，因此設(shè)計(jì)最終選擇SHT11溫濕度傳感器來作為系統(tǒng)的溫濕度參數(shù)檢測。3.3傳感器檢測電路由上一章節(jié)的內(nèi)容可知，在系統(tǒng)傳感器的選型部分中選用SHT11溫濕度傳感器來對系統(tǒng)環(huán)境的溫濕度進(jìn)行檢測。下面就傳感器檢測電路做簡要的介紹。SHT11屬于Sensirion溫濕度傳感器家族中的貼片封裝器件，該種溫濕度傳感器將傳感元件與信號處理電路集成在同一塊微型電路板中，可以實(shí)現(xiàn)全標(biāo)定的數(shù)字化輸出，整片傳感器采用CMOS工藝進(jìn)行制造，因此產(chǎn)品具有極高的可靠性與穩(wěn)定性。該傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件用以進(jìn)行濕度檢測、一個(gè)能隙材料制成的測溫元件用以進(jìn)行溫度檢測，除此之外，芯片內(nèi)部還集成可一個(gè)14分辨率為14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串口通信電路，所有這些器件共同組成了一個(gè)高精度的溫濕度檢測傳感器。在溫度以及濕度的標(biāo)定方面，芯片出廠之前就已經(jīng)在及其精確的溫室腔室中進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定的數(shù)據(jù)被固化存儲(chǔ)在OTP內(nèi)存中，用以對內(nèi)部的信號進(jìn)行校準(zhǔn)。因此與熱電阻等傳感器組成的溫濕度檢測系統(tǒng)不同，由SHT11組成的溫濕度測量系統(tǒng)完全不需要進(jìn)行后期的校驗(yàn)，因?yàn)閷τ跇?biāo)準(zhǔn)溫度以及濕度的校驗(yàn)已經(jīng)由程序固化在存儲(chǔ)器重，這也為系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行以及長期運(yùn)行的可靠性提供了保證。此外，由于芯片的體積微小，極低的功耗，使得該芯片成為溫濕度檢測系統(tǒng)構(gòu)成的首選。芯片的外部結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2SHT11外部結(jié)構(gòu)由圖3.2可知，芯片總共由8個(gè)引腳構(gòu)成，其中Pin1~Pin4為芯片的主要引腳，Pin5~Pin8為NC引腳，在芯片與微控制器進(jìn)行連接時(shí)，這4個(gè)NC引腳必須留空，禁止外接任何器件。關(guān)于芯片引腳的說民如表3.1所示。表3.1SHT11引腳說明引腳號名稱引腳描述1GND電源接地端2DATA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端，雙向3SCK串行時(shí)鐘輸入端，單向輸入4VDD電源正極5~8NC必須留空在使用SHT11進(jìn)行溫濕度系統(tǒng)檢測時(shí)，對于電源VDD，其輸入電壓范圍為2.1~5.5V，官方數(shù)據(jù)手冊推薦供電電壓為3.3V，因此在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要使用芯片來對+5V的供電電源進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換，最終得到3.3V的電壓以供SHT11使用。在電源連接時(shí)需要注意的是，在GND端與VDD端需要加上一個(gè)100nF的電容來對電源進(jìn)行去耦濾波。SHT11與微控制器進(jìn)行連接通信時(shí)的接線圖如圖3.3所示。圖3.3SHT11與微控制器接口示意圖在SHT11與單片機(jī)通信的過程中，主要依靠SCK來控制微處理器與SHT11之間通訊的同步，而DATA則用于讀取當(dāng)前傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)MCU向傳感器發(fā)送命令時(shí)，需要注意的是只有在SCK由低電平變?yōu)楦唠娖?，并且在?shù)據(jù)傳送過程中，SCK引腳的電平禁止改變，應(yīng)當(dāng)始終保持為高電平。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩c可靠性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，DATA的有效時(shí)間應(yīng)該在SCK上升沿之前與下降沿之后分別延長至TSU與THO。其時(shí)序關(guān)系如圖3.4所示。圖3.4數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序圖3.4單片機(jī)最小系統(tǒng)在主控制器選擇上，設(shè)計(jì)選用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)來作為系統(tǒng)的主控芯片。AT89C51是一款8位的高性能單片機(jī)，其片內(nèi)含有4KB的可反復(fù)擦寫只讀存儲(chǔ)器（PEROM）以及128Byte的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)寄存器（RAM），該系列器件采用高密度、非易失性的存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，可以完美兼容標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)。由于該芯片采用高性能的CMOS技術(shù)生產(chǎn)，因此該芯片在使用過程中具有良好的低功耗以、穩(wěn)定性與可靠性。其主要性能參數(shù)如下所示。（1）單片機(jī)與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；（2）內(nèi)部集成4K字節(jié)的可擦寫Flash高速存儲(chǔ)器；（3）128×8字節(jié)的內(nèi)部RAM；（4）32個(gè)可編程I/O口；（5）2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；（6）片內(nèi)含有6個(gè)中斷源；（7）可編程的串行UART通道。為了滿足不同用戶的需求，AT89C51設(shè)計(jì)了多種封裝形式以供用戶進(jìn)行選擇，其封裝形式主要有PDIP、PQFP、TQFP以及PLCC等，用戶可以根據(jù)制版的需要選用合適的封裝形式。在設(shè)計(jì)中為了方便制作電路板，選擇PDIP的封裝形式。其引腳圖如圖3.5所示。圖3.5PDIP封裝引腳圖由圖3.5可知，整個(gè)AT89C51共有40個(gè)引腳，這40個(gè)引腳總共可以分為3類，分別是電源和時(shí)鐘引腳、編程控制引腳以及I/O引腳。下面就對這3類引腳進(jìn)行簡要的說明。（1）電源及時(shí)鐘類引腳電源引腳共有2個(gè)，分別是VCC（Pin40）以及GND（Pin20），其中VCC為單片機(jī)供電電源的正極，官方手冊中推薦使用+5V的單極性電源來為單片機(jī)進(jìn)行供電，GND引腳為供電電源的負(fù)極，只需接地即可。AT89C51的時(shí)鐘引腳有兩個(gè)，分別為XTAL1（Pin19）以及XTAL2（Pin18），XTAL1為振蕩電路的輸入端，XTAL2為片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051的時(shí)鐘有兩種方式，一是片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩方式，在這種方式下需要在這兩個(gè)引腳外接石英晶體和振蕩電容，振蕩電容值一般取為10pF~30pF；另一種則為外部時(shí)鐘方式，及將XTAL1接地，外部時(shí)鐘從XTAL2腳輸入。在設(shè)計(jì)中使用片外石英晶體振蕩的方式來對單片機(jī)提供時(shí)鐘信號，其接線方式如圖3.6所示。使用片外的晶體振蕩，不但可靠性高而且接線簡單，具有較高的使用價(jià)值。圖3.6單片機(jī)晶振電路（2）編程控制引腳共有4個(gè)，其各自引腳號以及引腳描述如表3.1所示。表3.18051編程引腳描述引腳號引腳說明引腳描述9RST復(fù)位引腳29/PSEN程序存儲(chǔ)器允許輸出控制端30ALE/PROG編程引腳31EA/VPP外部ROM擴(kuò)展引腳由于在設(shè)計(jì)中只使用到了RST引腳，因此只對RST引腳進(jìn)行說明，而對于另外的3個(gè)引腳則不進(jìn)行詳細(xì)的說明。當(dāng)連續(xù)輸入兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)RST引腳復(fù)位有效，單片機(jī)復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器歸零，并且單片機(jī)的程序指針指向第一條程序，等待執(zhí)行。在設(shè)計(jì)中使用上拉電平的方式來對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。其復(fù)位電路如圖3.7所示。圖3.7單片機(jī)復(fù)位引腳電路由圖3.7可知，當(dāng)開關(guān)按鈕按下時(shí)，RST引腳經(jīng)過電阻R7連接到系統(tǒng)+5V的電源，只要該時(shí)間維持在2個(gè)機(jī)器周期以上，那么單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)了復(fù)位的操作。3.5顯示電路的設(shè)計(jì)在顯示部分電路的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)選用1602液晶顯示屏來作為庫房環(huán)境中溫度與濕度的顯示。如圖3.8所示，它是一種用5×7點(diǎn)陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為1行16個(gè)字、2行16個(gè)字、2行20個(gè)字等，最常用的為2行16個(gè)字，液晶模塊內(nèi)帶標(biāo)準(zhǔn)字庫，內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM）已經(jīng)存儲(chǔ)了192個(gè)5×7點(diǎn)陣字符，32個(gè)5×10點(diǎn)陣字符。另外還有字符生成RAM（CGRAM）512字節(jié)，供用戶自定義字符。如表1所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等。采用此液晶足以實(shí)現(xiàn)對此設(shè)計(jì)的顯示功能。其信號接口說明如表3.2所示。表3.21602接口說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地5R/W讀寫選擇2VDD電源正極6E使能端口3VO對比度調(diào)節(jié)7~14D0~D7數(shù)據(jù)口4RS數(shù)據(jù)/命令選擇口15~16BKA、BLK背光電源正負(fù)極用戶只需要根據(jù)表3.2中所示的接口與單片機(jī)對應(yīng)的接口相連就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，需要注意的是當(dāng)D0~D7口與單片機(jī)的I/O相連時(shí)需要加上一個(gè)10KΩ的電位器接地來調(diào)節(jié)液晶顯示對比度。圖3.81602液晶顯示器3.7本章小結(jié)本章主要介紹了溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并就各個(gè)模塊進(jìn)行了必須的介紹。在選定了參數(shù)檢測的傳感器之后，對傳感器的檢測值進(jìn)行顯示，顯示設(shè)備采用1602液晶顯示器。在下個(gè)章節(jié)的內(nèi)容中將對系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在一個(gè)系統(tǒng)中，其軟件部分是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的保障，因此一個(gè)合理的軟件設(shè)計(jì)對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，軟件部分主要針對單片機(jī)來設(shè)計(jì)，分別是數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計(jì)、顯示模塊的設(shè)計(jì)。下面就針對這兩部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的介紹。4.1軟件系統(tǒng)開發(fā)工具及主流程圖4.1.1軟件開發(fā)工具KeiluVision4是美國Keilsoftware公司推出的一款C語言發(fā)開系統(tǒng)，利用KeiluVision4可以對包括8051系列單片機(jī)在內(nèi)的諸多型號的單片機(jī)進(jìn)行軟件開發(fā)。KeiluVision4提供了豐富的庫函數(shù)以及功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，現(xiàn)已成為全球使用最多的單片機(jī)開發(fā)軟件。合理的設(shè)計(jì)使得KeiluVision4生成目標(biāo)代碼的效率極高，在開發(fā)大型的基于模塊化方式的軟件時(shí)更能夠體現(xiàn)出該軟件的優(yōu)勢。C51工具包中的C51forWindows和forDos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對目標(biāo)文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進(jìn)行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。KeiluVision4的開發(fā)界面如圖4.1所示。圖4.1KeiluVision4開發(fā)界面4.1.2系統(tǒng)軟件總體流程圖當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)上電工作后，下位機(jī)中的溫濕度檢測模塊對當(dāng)前環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集模塊測得環(huán)境的溫濕度之后，將數(shù)據(jù)傳輸至主控制器，主控制器根據(jù)接收到的溫濕度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值進(jìn)行判斷，若現(xiàn)場檢測得到的溫濕度參數(shù)處于系統(tǒng)的要求之內(nèi)，則返回溫濕度檢測模塊繼續(xù)下一個(gè)周期的檢測，若檢測到當(dāng)前環(huán)境中的溫濕度超出預(yù)設(shè)值，則根據(jù)事先設(shè)定好的控制方式來啟動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備對環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到現(xiàn)場環(huán)境中的溫濕度達(dá)到環(huán)境設(shè)定的指標(biāo)。在系統(tǒng)的整個(gè)工作過程中，上位機(jī)始終與下位機(jī)保持通信狀態(tài)，并且當(dāng)前系統(tǒng)中的溫濕度信號會(huì)顯示在上位機(jī)軟件中，用戶可以對檢測得到的信號進(jìn)行存儲(chǔ)、編輯等操作。根究系統(tǒng)的工作過程可以得到系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖4.2所示。圖4.2系統(tǒng)軟件主流程圖在確定了系統(tǒng)的主流程圖之后，下面將分別對各個(gè)子程序進(jìn)行介紹。4.2溫濕度采集模塊的軟件設(shè)計(jì)SHT11在對溫濕度進(jìn)行測量時(shí)，首先啟動(dòng)傳感器，在這部分中只要按照官方手冊的要求對傳感器進(jìn)行供電即可實(shí)現(xiàn)，接著是對傳感器進(jìn)行初始化的操作，在對傳感器進(jìn)行初始化時(shí)，在SCK時(shí)鐘為高電平器件，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變化為低電平，隨后是在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。其初始化時(shí)序如圖4.3所示。圖4.3SHT11初始化電平操作當(dāng)初始化結(jié)束之后，傳感器就可以對當(dāng)前環(huán)境中溫濕度進(jìn)行測量，溫濕度測量的啟示由單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制命令來實(shí)現(xiàn)。該命令共有8位，其中高3位為地址位，后5位為命令位。在地址位中，由于官方規(guī)定其值為“000”，因此用戶只需要對剩余的5個(gè)命令位進(jìn)行相應(yīng)的選擇即可實(shí)現(xiàn)溫濕度的測量。這5個(gè)命令位的定義如表4.1所示。表4.1SHT11命令集命令代碼預(yù)留0000x溫度測量00011濕度測量00101讀狀態(tài)寄存器00111寫狀態(tài)寄存器00110預(yù)留0101x~1110x軟復(fù)位（狀態(tài)寄存器恢復(fù)為默認(rèn)）11110根據(jù)表4.1命令集中的規(guī)定，若要對當(dāng)前溫度進(jìn)行測量，則發(fā)送溫度測量命令“00000101”即可，相應(yīng)地，若要實(shí)現(xiàn)濕度的測量，發(fā)布“00000011”即可。在控制命令發(fā)送之后就要等待傳感器測量結(jié)束，這個(gè)時(shí)間大約在20/80/320ms之間，分別對應(yīng)8/12/14位的測量精度。等待測量結(jié)束之后，SHT11自動(dòng)將DATA上的電平拉低并進(jìn)入空閑模式。在這里需要注意的是，當(dāng)測量過程結(jié)束之后，用戶必須要將測量結(jié)果讀出并送至存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)，否則傳感器將一直檢測數(shù)據(jù)信號是否讀出，無法進(jìn)行下一個(gè)周期的檢測。測量結(jié)束之后就需要傳輸測量數(shù)據(jù)，整個(gè)測量數(shù)據(jù)由2字節(jié)的測量信息與1字節(jié)的CRC校驗(yàn)組成，校驗(yàn)位不是必須，用戶可以自由選擇。當(dāng)收到CRC確認(rèn)位之后表示通訊結(jié)束，如果沒有選擇CRC校驗(yàn)，則以檢測到LSB為通訊結(jié)束標(biāo)志位。測量和通信結(jié)束后，SHT11自動(dòng)進(jìn)入休眠模式。用戶可以對SHT11的狀態(tài)寄存器發(fā)送指令來實(shí)現(xiàn)一些高級功能，譬如電量不足提示或者分辨率的選擇等，由于在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中沒有用到這些功能，因而在此不作贅述。根據(jù)以上對SHT11的介紹可以得到溫濕度測量模塊的軟件流程圖如圖4.4所示。圖4.4溫濕度測量軟件流程圖4.3顯示模塊軟件的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中需要對當(dāng)前環(huán)境中的溫度和濕度信息進(jìn)行顯示。系統(tǒng)使用液晶來對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，在綜合考慮市場上主流的液晶顯示屏后選用1602來對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。圖4.51602顯示子程序流程圖從上面的介紹可以看出，1602采用并行的數(shù)據(jù)顯示方式，用戶可以自行設(shè)定數(shù)據(jù)顯示的方式與位置。其基本操作時(shí)序如表4.1所示。表4.11602基本操作時(shí)序操作對應(yīng)指令讀狀態(tài)RS=L，R/W=H,E=H讀數(shù)據(jù)RS=H，R/W=H,E=H寫指令RS=L，R/W=L,D0~D7=指令碼，E=高脈沖寫數(shù)據(jù)RS=H，R/W=L,D0~D7=數(shù)據(jù)，E=H高脈沖從表4.1可以得出1602顯示數(shù)據(jù)的流程圖如4.3所示。當(dāng)1602接通電源之后，首先需要對1602進(jìn)行初始化操作，這其中包括1602使能口的關(guān)閉、顯示方式的設(shè)定、光標(biāo)是否顯示等。其初始化子程序如下所示。voidint(){ lcden=0;//關(guān)閉LCD使能 write_com(0x38);//設(shè)置16×2顯示，5×7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口write_com(0x0c);//設(shè)置開顯示，不顯示光標(biāo)write_com(0x06);//寫一個(gè)字符后地址指針加1write_com(0x01);//顯示清0，數(shù)據(jù)指針清0}4.4本章小結(jié)在本章的內(nèi)容中，主要在硬件電路的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，整個(gè)軟件系統(tǒng)大致分為三個(gè)部分，分別為SHT11數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊、MCU控制模塊以及1602顯示模塊，其中SHT11的數(shù)據(jù)檢測模塊是重點(diǎn)，設(shè)計(jì)過程中必須根據(jù)官方提供的技術(shù)手冊來進(jìn)行準(zhǔn)確的時(shí)序控制以及命令的控制。在下個(gè)章節(jié)的內(nèi)容榮將就整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與調(diào)試。5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5系統(tǒng)仿真與調(diào)試在整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分與軟件部分完成之后，并不代表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。硬件與軟件設(shè)計(jì)結(jié)束之后還需要對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，這就需要設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)結(jié)束之后對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真與調(diào)試。通常仿真與調(diào)試部分在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占了絕大多數(shù)的時(shí)間與精力，由此可以看出仿真與系統(tǒng)調(diào)試的重要性。在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的調(diào)試主要分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。其中硬件部分的調(diào)試主要包括電源模塊的調(diào)試與單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試。軟件調(diào)試主要是驗(yàn)證系統(tǒng)輸出值是否與設(shè)計(jì)要求相吻合，1602顯示的內(nèi)容是否符合預(yù)期的要求等。5.1硬件部分調(diào)試在整個(gè)系統(tǒng)中，需要的供電器件主要分為兩類，一是溫濕度傳感器SHT11，其供電電壓為+3.3V，另一類則為以單片機(jī)AT89C51為核心的單片機(jī)外圍電路，這其中包括報(bào)警模塊、顯示模塊，其供電電壓為+5V，因此整個(gè)保護(hù)器的供電電壓等級大致分為+3.3V以及5V。系統(tǒng)利用220VAC市電經(jīng)過電源芯片的轉(zhuǎn)換之后得到+3.3VV以及+5V的電壓。其設(shè)計(jì)的原理圖如圖5.1所示。圖5.1系統(tǒng)電源的仿真設(shè)計(jì)使用美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具M(jìn)ultisim來對電路進(jìn)行驗(yàn)證，NIMultisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借NIMultisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與NILabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測量。使用Multisim12對系統(tǒng)的電源模塊簡歷仿真，其仿真界面如圖5.2所示。圖5.2Multisim電源仿真圖在仿真中使用兩個(gè)萬用表分別來測量+5V的輸出電壓與+3.3V的輸出電壓，其中XMM1測量的是+5V電壓，XMM2則是用來對+3.3V電壓進(jìn)行測量，仿真運(yùn)行效果如圖5.3所示。圖5.3電源部分仿真效果圖由圖5.3可知，所設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)+5V輸出電壓為+5.01V，偏差為+0.2%；+3.3V的輸出電壓為3.325V，誤差為+0.75%，并且由示波器輸出的波形可以知道，兩個(gè)等級電源的輸出具有良好的穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)的電源完全能夠滿足系統(tǒng)的要求。5.2軟件部分的調(diào)試在該部分的調(diào)試中，由于時(shí)間有限，沒能制作出實(shí)物PCB板來對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，只是利用了Proteus仿真軟件來對系統(tǒng)的一部分功能進(jìn)行仿真。使用KeiluVeision對程序進(jìn)行編譯，生成HEX文件之后，就可以將HEX文件下載到單片機(jī)中利用Proteus軟件進(jìn)行調(diào)試。Protues軟件是英國Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC、DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年還增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯。由于在Proteus庫中含有SHT11器件，因此可以直接用來進(jìn)行系統(tǒng)的仿真。系統(tǒng)仿真界面如圖5.4所示。圖5.4溫濕度測量系統(tǒng)仿真界面值得注意的是，在設(shè)計(jì)中使用直流電機(jī)來模擬實(shí)際應(yīng)用中偏差執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即除濕器或散熱風(fēng)扇。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值的時(shí)候，電機(jī)工作來模擬執(zhí)行器的啟動(dòng)。單片機(jī)程序加載完畢就可以對程序進(jìn)行仿真調(diào)試，程序運(yùn)行之后可以從1602中直觀地得到當(dāng)前環(huán)境中的溫度以及濕度的信息。其顯示結(jié)果如圖5.5所示。圖5.5系統(tǒng)仿真結(jié)果由圖5.5可以看出，當(dāng)前系統(tǒng)環(huán)境的濕度為84.6%，超過了預(yù)設(shè)值，因此電機(jī)啟動(dòng)來對環(huán)境進(jìn)行除濕。至此可以看出，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全可以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。5.3調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決方案系統(tǒng)的調(diào)試過程并不是一帆風(fēng)順的，在調(diào)試的過程中發(fā)生了一些錯(cuò)誤，但是在老師的指導(dǎo)下最終找出問題并糾正了設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤及不合理的地方。設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題及解決方案主要有以下幾個(gè)方面。（1）在對電源模塊進(jìn)行仿真的過程當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)調(diào)試的輸出值始終不能滿足設(shè)計(jì)的要求，在排查了原理上的錯(cuò)誤之后發(fā)現(xiàn)原來是沒有對變壓器線圈的匝數(shù)進(jìn)行設(shè)定，最后設(shè)定了線圈的匝數(shù)之后得到了預(yù)期的結(jié)果；（2）在使用Protues進(jìn)行軟件的仿真時(shí)，發(fā)現(xiàn)1602出現(xiàn)了亂碼的現(xiàn)象。后來經(jīng)過一步步的調(diào)試之后才發(fā)現(xiàn)在調(diào)用顯示程序時(shí)，沒有事先對1602進(jìn)行初始化，在顯示程序中加入初始化程序之后得到了正確的結(jié)果；（3）在仿真初始，Protues總是提示P0口出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，雖然不影響結(jié)果的輸出，但是在真正制版的時(shí)候肯定會(huì)對電路產(chǎn)生影響。后來經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)，再將數(shù)據(jù)送入1602進(jìn)行顯示的時(shí)候沒有對1602的忙碌狀態(tài)進(jìn)行判斷，后來在設(shè)計(jì)中加入忙碌狀態(tài)的判別之后，系統(tǒng)工作正常，再?zèng)]有提示過數(shù)據(jù)口出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤。5.4本章小結(jié)本章主要從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了仿真，其中硬件的仿真主要包括供電電源的性能檢測，軟件仿真主要包括單片機(jī)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)顯示模塊的仿真。本章還列舉了一些調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題，并給出了解決方案。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束之后，得出系統(tǒng)可以滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。結(jié)論設(shè)計(jì)以某檔案室的溫濕度環(huán)境控制為研究對象，在認(rèn)真分析溫濕度對檔案室紙張的影響之后，提出了一種基于單片機(jī)的溫濕度測控系統(tǒng)。在整個(gè)設(shè)計(jì)中主要工作如下所示。（1）通過查閱相關(guān)資料以及國家標(biāo)準(zhǔn)，明確了環(huán)境溫濕度對于檔案室資料的影響，并以此為出發(fā)點(diǎn)提出了以溫濕度控制為主要目標(biāo)的庫房溫濕度測控系統(tǒng)；（2）針對前一部分中提出的問題，提出了利用溫濕度傳感器來采集環(huán)境溫濕度，利用單片機(jī)來控制整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。（3）通過對市面上主流的溫濕度傳感器進(jìn)行分析與選型，最終確定以SHT11溫濕度傳感器來作為現(xiàn)場環(huán)境中的溫濕度采集；（4）設(shè)計(jì)了以SHT11為溫濕度采集裝置，AT89C51為系統(tǒng)主控芯片，1602為顯示設(shè)備的硬件電路；（5）針對所設(shè)計(jì)的硬件電路，以KeiluVersion為開發(fā)工具，Proteus為仿真工具，Multisim為電源仿真工具，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件與仿真調(diào)試，通過仿真與調(diào)試得出了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全能夠滿足溫濕度測控的要求。雖然通過仿真表明整個(gè)設(shè)計(jì)完全能夠滿足溫濕度測控的要求，但是在整個(gè)系統(tǒng)中仍然有一些問題與改進(jìn)需要在后續(xù)的學(xué)習(xí)中得到改善。（1）所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)只含有一個(gè)溫濕度傳感器，在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中應(yīng)該在同一個(gè)環(huán)境中放置多個(gè)溫濕度傳感器從而實(shí)現(xiàn)分布式測量系統(tǒng)，更符合現(xiàn)代測控技術(shù)的發(fā)展要求；（2）在偏差執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制上該設(shè)計(jì)沒有引入算法，在實(shí)際的應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)引入算法的控制，譬如PID算法、模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等，通過算法的引進(jìn)可以大大提高執(zhí)行器的效率（3）在以后的工作與學(xué)習(xí)中可以對人機(jī)交互界面盡心更完善的開發(fā)，譬如引進(jìn)現(xiàn)場總線來對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，或者利用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ_發(fā)出手機(jī)APP，這樣無論在什么地方，工作人員都能夠?qū)旆恐械臏貪穸拳h(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。參考文獻(xiàn)[1]江澤民.能源發(fā)展趨勢及主要節(jié)能措施[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào).1989,23(3):1-2.[2]樊東黎.世界能源和未來[J].金屬熱處理.2011,36(10):119-120.[3]Crompton,P.,Wu,Y.EnergyconsumptioninChinapasttrendsandfuturedirections[J].EnergyEconomics.2005,(27):195–208.[4]Liu,Yang,Joseph,C.Lam,Tsang,C.L.EnergyperformanceofbuildingenvelopesindifferentclimatezonesinChina[J].AppliedEnergy.2008,(85):800–817.[5]張曉麗，楊永.論建筑節(jié)能中環(huán)境保護(hù)[J].黑龍江科技信息.2007,22,312-312[6]NationalBureauofStatisticsofChina,2009.ChinaStatisticYearbook-2008,firstChinaStatisticPress,Beijing.[7]中華人民共和國中央人民政府.國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知。2011./zwgk/2011-09/07/content_1941731.htm[8]NoamLior.Sustainableenergydevelopment:Thepresent(2009)situationandpossiblepathstothefuture[J].Energy.2010,(35):3976-3994.[9]刁乃仁，方肇洪.地源熱泵—建筑節(jié)能新技術(shù)[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào).2004，23（3）：18-23.[10]呂悅，楊立平等.國內(nèi)地源熱泵應(yīng)用情況調(diào)查報(bào)告[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì).2005,(6):5-10.[11]徐偉.《中國地源熱泵發(fā)展研究報(bào)告》(摘選)——國際國內(nèi)地源熱泵技術(shù)發(fā)展[J].建設(shè)科技.2010,(18):14-18.[12]范逸之，陳立元《Visual 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21.1項(xiàng)目名稱 21.2項(xiàng)目建設(shè)單位 31.3項(xiàng)目性質(zhì) 31.4項(xiàng)目產(chǎn)生背景 31.5建設(shè)地點(diǎn) 41.6工期 51.7項(xiàng)目內(nèi)容與規(guī)模 51.8項(xiàng)目主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 52.編制原則及依據(jù) 62.1編制原則 62.2編制范圍 72.3編制依據(jù) 83.項(xiàng)目現(xiàn)狀與必要性分析 93.1項(xiàng)目所在地社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展概況 93.2項(xiàng)目現(xiàn)狀 143.3項(xiàng)目建設(shè)必要性分析 154.項(xiàng)目選址及合理性分析 174.1項(xiàng)目選址 174.2選址合理性分析 185.項(xiàng)目建設(shè)方案 195.1建設(shè)依據(jù) 195.2設(shè)計(jì)規(guī)范要求 205.3建設(shè)內(nèi)容 245.4建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 245.5建筑電氣設(shè)計(jì) 265.6弱電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 276.投資估算與資金籌措 296.1編制依據(jù)