恒温恒湿试验箱控制系统毕业设计说明书 电气毕业论文.doc
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1、 2012届毕业生毕业设计说明书 题 目: 恒温恒湿试验箱控制系统的设计 院系名称: 电气工程学院 专业班级: 电气 F0802 学生姓名: 宋海华 学 号: 200848720201 指导教师: 王伟生 教师职称: 讲师 2012 年 5 月 30 日19摘 要随着我国现代农业的发展和工业产品研制的需要, 恒温恒湿试验箱的应用越来越广, 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。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
2、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。而产生这些现象的原因是对综合试验的工作原理不了解。为此,本文对试验箱的基本工作原理作出了一些简要阐述。恒温恒湿试验箱是利用一定的方式将箱内的温度和湿度调节到给定值,并在该条件下进行实验,达到实验反应要求。即能同时施加温度、湿度应力的试验箱。简而言之是指温度和湿度都能控制在指定范围内的试验箱。恒温恒湿试验箱主要用于检测材料在各种环境下的性能的设备,并可试验各种材料耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、通讯、仪表、车辆、食品、化学、建材、医疗、航天等制品检测质量之用。关键词: 恒温恒湿 试验箱 单片机控制系统 限温报警系统Tit
3、le The Design of Constant Temperature and Humidity Chamber Control System AbstractWith the development of Chinas modern agriculture and the need of industrial products developed, the applications of the constant temperature and humidity box become more widely. production, scientific research and its
4、 increasingly high requirements. higher cost-effective,longer life,less costs (saving) and faster response are required. In recent years,our country has imported a large number of test systems from abroad, which has played an important role in the development of Chinas industrial products and stereo
5、types,However, due to its own complexity, making the chamber a lot of problems in the operation,and problems can not be solved promptly, which greatly prolong the test cycle, affecting the product manufacture work. The reason of these phenomena is do not understand the working theory of the comprehe
6、nsive test. So, we made some brief description of the basic working theory of the chamber.The constant temperature and humidity box is a box which can adjust the temperature and humidity inside to the setpoint in a certain way,the experiments and the response requirements of the experimental under t
7、his condition,which can imposed temperature and humidity stress to the chamber at the same time. In short,it is a box which can put the temperature and humidity within a specified range.The constant temperature and humidity chamber is the device that mainly used for the detection performance of mate
8、rials in various environments,which Can experiment various materials performance of heat, cold, resistance to dry and moisture . useing for the testing quality of electronic, electrical, communications, instrumentation, vehicles, food, chemical, building materials, medical, aerospace and other produ
9、cts.Keywords Constant Temperature and Humidity Single Chip Control System Limit Temperature Alarm System目 次1 绪论11.1 文献综述11.2 课题的主要内容11.3 课题的研究方案12 设计的理论基础32.1单片机的发展概况32.2 AT89C51单片机系列介绍32.3 DS18B20数字温度传感器42.4 KSC-6V湿度传感器42.5 RS-232总线接口芯片 MAX23253 硬件电路设计63.1 主控模块设计63.2 硬件系统电路连接设计84 PID控制算法114.1 PID控制
10、的发展114.2 PID控制理论114.3 PID控制算法125 软件设计145.1 软件设计综述145.2 软件流程图14结论19致谢20参考文献211 绪论1.1 文献综述1.1.1 国内恒温恒湿试验箱的状况对温湿试验箱的研究主要集中于制冷和加热方式选择、控制精度与测试监控、设备的结构等方面,对温湿箱非稳态温变过程传热特性方面的研究不多,很少研究热力系统的耦合。对于湿度,现在多已采用温湿度独立调节方式,这样可避免温湿度调节中的互相干扰,现在着重对加/除湿精度控制、选择加湿方式的研究。对不同加湿方式之加湿能力和加湿效率的比较,分析对温湿试验箱的影响。1.1.2 未来的恒温恒湿试验箱发展方向1
11、、利用计算机仿真技术,与PC机结合,做仿真实验。提高试验速度,降低试验成本。2、多功能化、智能化,更加安全、精确。虽然现在温湿箱只能模拟两种参数,但是将来将重点发展复合式的多功能智能化试验箱。1.2 课题的主要内容本系统通过DS18B20温度传感器、KSC-6V湿度传感器对试验箱内温度、湿度进行检测,并将温度、湿度数据送入AT89C51单片机,与预设的温度、湿度数值进行对比,通过PID控制算法,控制继电器的通断,从而控制加热器、排风机、加湿器、除湿器的工作,从而使恒温恒湿试验箱工作于预设的温度、湿度。温湿度控制算法精确控制加热、加湿,以温湿度误差最小为优化目标。作为工业控制的主要被控参数的温度
12、、湿度,已被广泛采用,如在工业控制中的各种反应炉、加热器等。过去多采用常规的模拟调节器对温湿度进行控制,本课题采用了AT89C51单片机对温湿度实现自动控制。使用单片机对温湿度进行自动控制,难就难在测量的温湿度值和单片机输出的温湿度值误差太大,导致无法输出,利用ATMEL单片机核心程序对其进行编码,实现温湿度在一段范围内的变化,实验成功控制语言的代码,并进行烧片,烧片成功后,运行实验,若能看到实验的结果,则实验完成。1.3 课题的研究方案温度、湿度是工业生产过程中重要的被控参数之一,当今计算机控制技术在这方面的应用,已使温湿度控制系统达到自动化、智能化,要比以前仅仅使用电子线路的控制效果好太多
13、,可控性更加精确。温度是一个非线性的对象,具有大惯性的特点,在低温段惯性较大,在高温段惯性较小。该温控对象的传递函数形式如下所示: (1.1)图1.1方案框图AT89C51单片机可以通过数码管来显示恒温恒湿试验箱内温度、湿度的实际数值,并可用键盘输入设定值。2 设计的理论基础2.1单片机的发展概况1976年Intel公司首先推出了可以称为单片机的MCS-48系列单片微型计算机。它以体积小、功能全、价格低等特点,赢得了非常广泛的应用,同时一些与单片机有关的其他公司都争相推出各自的单片机。1978年下半年Motorola公司推出M6800系列单片机,Zilog公司相继推出Z8单片机系列。1987年
14、Intel公司又宣布了比8096性能高两倍的CMOS型80C196单片机,1988年推出带EPROM的87C196单片机。纵观这短短的20年,已经经历了4次更新换代,单片机正朝着集成化、多功能、多选择、高速度、低功耗、扩大存储容量和加强I/O功能及结构兼容的方向发展。新一代的80C51系列单片机除了上述的结构特性外,其最主要的技特点是向外部接口电路扩展,实现微控制器(microcontroller)完善的控制功能。2.2 AT89C51单片机系列介绍2.2.1 AT89C51系列的特性和基本组成 本系统采用ATMEL公司生产的AT89系列单片机中的AT89C51。AT89C51是一个低电压,高
15、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),片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C51单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合,AT89C51的主要特点有:(l)内部程序存储器为电擦除可编程只读存储器EEPROM,容量8KB,内部数据存储器容量256字节,最大寻址空间64KB;(2)AT89C51有40个引脚;三个16位定时/计数器;(3)可利用两根I/O口线作为全双工的串行口,有四种工作方式,可通过编程设定;(4)工作电压2.56.0V;(5)AT89C51有40个引脚;(
16、6)1000次擦写周期。2.3 数字温度传感器 DS18B202.3.1 DS18B20简介DS18B20温度传感器,具有微型化、非易失性、上下触发门限、低功耗等优点。DS18B20采用的是3脚TO-92封装,形如三极管,测温范围为-55+125,在-1085范围内,精度为0.5。可自行设置温度报警上限值TH、下限值TL。当DS18B20检测到温度值后,自动转换为数字量,然后保存到存储器中,与预设的TH或TL比较,如果测量值超过设定的范围时,立即发出报警信号。2.3.3 DS18B20的工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同,只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同,且温
17、度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20测温原理如图所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测
18、温过程中的非线性,其输出用于修正计数器1的预置值。2.4 湿度传感器2.4.1 湿度和湿度的表示方法湿度指的是空气中所含的水蒸气的多少,经常采用相对湿度、绝对湿度、露点表示。绝对湿度指的是在一定的温度和压力条件下,单位体积空气中所含水蒸气的质量,用符号AH表示。 (2.1)式中 -绝对湿度,单位为;-空气中水蒸气质量g;V-空气的体积 相对湿度指的是被检测气体中的水蒸气的气压()占该气体在相同温度条件下饱和水蒸气的气压()的百分比。用符号RH表示。 (2.2)露点指的是在压力一定的情况下,将含水蒸气的空气冷却,当降到一定温度时,空气中的水蒸气达到饱和状态,开始从气态变为液态时称此温度为结露的温
19、度,此时的温度称为露点,用表示。湿度传感器选用KSC-6V湿度传感器,其振荡器采用CMOS电路,具有线路简单、工作可靠、制作成本低、抗干扰能力强、静态功耗低、振荡电路转换特性好、双振荡器在同一芯片上特性相同等优点。湿敏传感器KSC-6V湿敏探头的电容随湿度的变化而变化,引起振荡电路输出方波的脉冲宽度发生相应的变化,经过处理之后输出电流信号。KSC-6V的电压湿度特性大致成线性关系,输出灵敏度约为。2.4.2 KSC-6V的工作原理KSC-6V湿度传感器的工作原理主要是物理吸附和化学吸附。感湿层为微型孔状结构,极易吸附它周围空气中的水分子。由于水是导电物质,当感湿层中水分子含量增多时,就会引起电
20、极间电导率的上升。湿度传感器的感湿层还具有电解质特性,其正离子吸附空气中水分子的羟基(),在外加电压的作用下,产生载流子移动。这种现象的变化是可逆的,即当空气中水蒸气含量减少时,感湿层又会释放羟基,引起电导率降低。为了不使感湿层因极化而降低感湿灵敏度,使用时应采取交流驱动或脉冲驱动。2.5 RS-232总线接口芯片 MAX2322.5.1 RS-232接口RS-232接口是个人计算机上的通讯接口之一,主要作用是实现电平间的转换,现在RS-232接口也经常叫做DB9,所以,在本设计中我们采用的是DB9。3 硬件电路设计恒温恒湿试验箱控制系统硬件部分大致可分为:AT89C51单片机、DS18b20
21、温度传感器、KSC-6V湿度传感器、数码管温度、湿度显示电路、限温报警系统、继电器控温系统、继电器控湿系统等。硬件总体结构如图3.1所示:继电器1继电器2AT89C51CPU湿度传感器通信接口RS-232加热器限温报警系统温度传感器排风机除湿器继电器4加湿器继电器3PC机温度显示器湿度显示器图3.1控制系统原理图由上述结构框图可知,以AT89C51单片机为核心的温湿度控制系统,恒温恒湿试验箱的温湿度由DS18B20温度传感器和KSC-6V湿度传感器检测。其一,可将恒温恒湿试验箱的温湿度通过显示器显示出来。其二,可将设定的温湿度值与该温湿度值比较,若实测温度低于设定温度,继电器1动作,加热器开始
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