随着现代农业的发展 ,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。笔者从硬、软件两个方面作了研究设计与调试 ,研制出新型恒温恒湿箱 ,以满足用户更高的要求。1 系统硬件设计
恒温恒湿箱测控系统的硬件框图如图 1所示。主要包括带有 20 k B闪存存储器 ( fla sh m em ory )和内存 256B RAM 的高性能 AT89C55 单片机芯片[1 ] 、 A /D转换器 IC L7135、传感器、输入设备 ( 键
| 盘 )、输出设备 (数码显示器 LED、监视器 CRT、微型 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 打印机 )、输出控制设备等。 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. 1 单片机接口的复用技术 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| AT 89C系列单片机共 4个接口 ( P0、 P1、 P2、 P3 )32位 ,本系统所需的接口如下: 4× 4键盘占 8位; A /D转换器 7135需 12位; 微型打印机 10位; 监视器 CRT(串口 ) 2位; 12位数码显示器 LED 需 20位 I / O 口 (用并行口 , 12位 , 8段 ); 输出控制位 4位; 2 个控制二选一转换开关 4066需 2位; 中断 2位; X25045需 4位 ,故共需 64位 I /O 口。如扩展 I /O 口 则将使系统变得既庞大、又杂复。本文使用单片机接口的复用技术 ,可以使系统大大简化。在复用技术中应遵循两条原则: 除了输出控制位之外 ,其它 I /O 口位都可以使用复用技术; 充分利用单片机接口各位 ,只有到单片机本身接口不够使用时才使用接口复用技术。 1. 1. 1 CRT 监视器与 LED显示器共用串口 如果不用接口复用技术 ,单片机与 PC机的通讯用了串口 ( 2位 ) , LED显示就只能用并口动态显示 ( 10+ 8= 18位 ) ,总共需 20位。本系统 LED 显示采用通过串入并出接口 74LS164实现静态显示。如图 1所示 ,只要用单片机的 1位作二选一开关 4066 的控制位 ,亦即只用单片机的 3位 ,就达到了使两种显示器共用串口的目的。 这样既节省了 I /O 口 ,也节省了为 LED动态显示 CPU 所花费的时间。 1. 1. 2 键盘与微型打印机共用 P0 口 键盘输入接口与微型打印机输出接口共用 P0 口 , 键盘再用到中断口 IN T0 , 微型打印机再用到 W R、 RD信号位即可使两者互不影响。 1. 1. 3 2045与 ICL 7135共用 P1 口 本系统所采用的 A /D 转换器如图 1所示的 ICL 7135是四位半双积分 A /D转换器。 它具有抗干扰性能好 ,转换精度高 (相当于 14位二进制数 ) , 自动校零 ,动态字位扫描 BCD码输出 ,单基准电压 , 价格低廉等特点。虽然它的转换速度较慢 ,但本系统所控的对象—— 温湿度变化都是缓慢的量 ,是足够的了[2 ]。 它占用 P1 口 8位 , P2 口 4位。 X25045芯片把 3种常用功能—— 看门口定时器、电压监视和 E2 PROM 组合在单个封装之内 ,这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。 其中 4096位串行 E2 PROM 是按 512× 8组织的 ,是提高系统可靠性及自动化标定与校准的硬件 基础[4 ]。 ICL7135与 X 25045是分时与 CPU 联系的 ,二 者复用 P1 接口。 前者虽然是连续工作 ,但取数却是程序控制。 X25045的工作有严格的时序 ,理论分析与工作实践都证明 , IC L7135的连续工作不会影响 X 25045的工作。 1. 2 信号处理通道设计 测控系统检测精度的高低在很大程度上取决于信号处理通道的设计质量。 1. 2. 1 传感器 本系统采用了稳定性、重复性和线性度都较好的铂电阻 Pt100温度传感器和 HS20型 (日本 )湿度传感器。高精度传感器是提高检测精度的重要保证。 1. 2. 2 通过采样参考值以消除系统漂移 通过多路模拟开关 ,两个传感器和参考电阻的信号处理共用一个多路开关 4051放大电路和 A / D 转换电路 ,通过对参考电阻的采样与处理 ,既简化了系统 ,又基本消除了系统的漂移 ,从而提高了检测精度。 2 系统软件设计 整个恒温恒湿箱控制系统是在应用程序的控制下执行的 ,应用程序由主程序、数据巡回采集及处理子程序、 PID 调节子程序、键盘中断服务程序、打印子程序及定时中断服务程序等组成。  2. 1 主程序主程序流程图
选用 本系统所采用的控制方法是 PID 控制方法 [3 ]。用现有的同类产品实现低温下恒温控制 ,需要将压缩机全速全功率运行 (因为压缩机不允许频繁起动 ) ,然后用加热器进行 PID调节保持恒温。这无疑 |
耗能多、噪声大、降低使用寿命。
本系统充分发挥单片机数控优势 ,采用 PID调频控制压缩机 [4 ]的制冷量从而达到恒温的目的 ,克服了现在同类产品的不足 , 提高了产品质量 , 有明显的节能效果。
本系统采用了积分分离的方法[4 ] , 以消除在开工、停工或大幅度提降时 , 因积分的作用 , 产生大超调量 , 而使系统不停震荡的现象 , 取得很好的控制效果。
| 其控制算 | 图 3 PID运算流程图 | ||
| 式为 | Fig | . 3 | PID o per atio n flo w char t |
| > XPD(比例微分 ) 运算 | |||
| ei = w - | yi ≥ XPID(比例积分微分 ) 运算 | ||
3 主要技术指标
由于采用了较好的硬、软件技术 ,实现了较高
的检测精度和较好的控制效果 ,本系统的主要技术
指标如下:
温度范围 - 30～ + 80℃; 温度波动度 ≤
± 0. 3℃; 温度检测精度≤± 0. 1℃; 温度控制精度≤
± 0. 4℃; 湿度范围 20% ～ 99% RH;湿度波动度≤
1% RH; 湿度检测精度≤ 3% RH; 湿度控制精度≤
4% RH。
且比同类产品节电 20% 左右。
4 结 语
新型恒温恒湿箱测控系统由于采用了 I /O 接口的复用技术 ,实现了设计真正意义上的嵌入式单片机测控系统 [5 ]的设计 ,这是提高性能价格比的途径。将调频技术应用于本系统的制冷压缩机 ,使得 PID控制方法用于制冷过程 ,使制冷控制动态品质大为改善。