一種智能溫濕度控制器的設(shè)計
方 嚴 吳建明
（上海安科瑞電氣有限公司 上海嘉定 201801）
摘 要：介紹了一種智能溫濕度控制器的設(shè)計方法及應(yīng)用，最多實現(xiàn)三路溫濕度的測量與控制；結(jié)合RS485總線技術(shù)及上位機軟件，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息遠傳，滿足低壓配電智能化及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需求。
關(guān)鍵字：SHT11，STC89C58RD+，溫濕度控制，RS485
Design method and the application of intelligent controller based on STC89C58RD+&SHT11 for temperature and humidity
Fang Yan，Wu Jianming
(Shanghai Acrel Co.,Ltd Jiading Shanghai 201801)
Abstract :to ensure the electric equipment running in proper temperature and humidity condition is very important. The article brings forward a design method and the application of intelligent controller for temperature and humidity, which measures and controls temperature and humidity of up to three points. In addition, this design method also consists of the functions of parameter setting and RS485 communications interface.
Keywords :temperature and humidity control SHT11 STC89C58RD+ RS485
0 引言
隨著電力系統(tǒng)規(guī)模越來越大、電壓等級越來越高，供電可靠性也要求更加嚴格。供配電設(shè)備環(huán)境的溫度、濕度是影響設(shè)備運行的重要因素。溫度過高會加速儀器設(shè)備元器件老化，縮短其使用壽命，甚至直接導(dǎo)致設(shè)備損壞；低溫、潮濕，設(shè)備表面產(chǎn)生凝露則有可能發(fā)生爬電、閃絡(luò)等事故。
基于以上考慮，在中高壓開關(guān)柜、箱變、端子箱等供配電設(shè)備中進行溫度、濕度控制是十分必要的。本文將介紹一種WHD型智能溫濕度控制器的設(shè)計方法，最多實現(xiàn)三路溫度、濕度的測量與控制；結(jié)合RS485總線技術(shù)及上位機軟件，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息遠傳，滿足低壓配電智能化及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需求。
1 硬件電路設(shè)計
1.1 硬件設(shè)計的總體思路
硬件系統(tǒng)以單片機為核心，按功能可劃分為：電源供電、溫濕度測量、控制輸出、人機對話以及通訊五個部分，如圖1所示。
電源供電電路將AC220V或其他類型輔助電源轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)工作所需的直流電源。單片機將傳感器測得的溫濕度值進行比較、處理，確定輸出控制部分繼電器的工作狀態(tài)，并顯示和發(fā)送溫濕度數(shù)值及輸出控制部分的工作狀態(tài)信息。人機對話部分具有按鍵信息錄入功能，用戶可根據(jù)實際情況，通過按鍵編程設(shè)置系統(tǒng)的工作參數(shù)。
1.2 硬件的具體電路及原理
核心器件單片機選用STC公司的STC89C58RD+型單片機，它是一款兼容51內(nèi)核的增強型8位機，片上資源豐富，抗干擾能力突出。STC89C58RD+（D版本）支持6時鐘/機器周期，內(nèi)含32K字節(jié)用戶程序空間，片上集成1280字節(jié)RAM，16K字節(jié)EEPROM空間；支持ISP/IAP功能，無須專用編程器；片上還集成了看門狗電路及MAX810專用復(fù)位電路。
溫濕度的測量選用SENSIRION公司開發(fā)的數(shù)字式溫濕度一體傳感器芯片SHT11。該傳感器可同時測溫度、濕度，并提供全程標定的數(shù)據(jù)輸出，所以使用該傳感器既可以降低硬件成本，又方便了整機測試。其技術(shù)參數(shù)如下表所示：
溫度參數(shù)：
|
參數(shù) |
條件 |
典型 |
單位 |
|
分辨率 |
|
0.01 |
℃ |
|
精度 |
0～60 |
±1 |
℃ |
|
量程范圍 |
|
-40～120 |
℃ |
濕度參數(shù)：
|
參數(shù) |
條件 |
典型 |
單位 |
|
分辨率 |
|
0.03 |
％RH |
|
精度 |
20％～80％ |
±3 |
％RH |
|
量程范圍 |
|
0～100 |
％RH |
該傳感器與CPU之間的通訊采用二線制方式，即DATA（數(shù)據(jù)）線和CLK（同步時鐘脈沖）線。測量三路溫度、濕度時，CPU與傳感器的連接電路如圖2所示。CPU通用I/O口中的P1.0和P1.1，P1.2和P1.3，P1.4和P1.5分別與三路溫濕度傳感器SHT11連接，其中P1.0、P1.2、P1.4分別作為各路通訊的DATA（數(shù)據(jù)）線，P1.1、P1.3、P1.5分別作為各路通訊的CLK（同步時鐘）線，DATA線需外加10KΩ的上拉電阻將信號提高至高電平（詳情請參考SHT11數(shù)據(jù)手冊）。實際使用時，傳感器與控制器之間（即圖中虛線部分）以屏蔽線連接，經(jīng)驗證，CPU與傳感器之間的最大通訊距離為10米。如果使用74HC245或其他芯片提高I/O口的驅(qū)動能力，可增加通訊距離，但會降低系統(tǒng)的抗干擾性能，因此不予采納。
系統(tǒng)采用LED數(shù)碼管顯示溫度、濕度值，界面簡潔明了。三路傳感器測得的溫度、濕度值以循環(huán)方式依次顯示，顯示部分共有7位數(shù)碼管，其中4位用于顯示溫度值（顯示范圍：-40.0～100.0），并在編程狀態(tài)下顯示菜單及參數(shù)，2位用于顯示濕度值（顯示范圍：0～99），1位用于顯示當前顯示或操作對應(yīng)的傳感器的編號（1～3）。數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式，其驅(qū)動電路由集成電路74HC595及74HC164構(gòu)成。74HC595是一款帶有輸出門鎖功能的8位串行輸入、并行輸出（或串行輸出）的移位寄存器，用于數(shù)碼管的段驅(qū)動；74HC164的串行輸入、并行輸出功能用于掃描顯示每一位數(shù)碼管，如圖3所示。
系統(tǒng)采用繼電器或可控硅作為控制輸出，電源部分采用開關(guān)電源方案，通訊部分采用RS485接口，具體電路設(shè)計請參考相關(guān)書籍，此處不予贅述。
2 軟件設(shè)計方法
系統(tǒng)軟件設(shè)計包括以下四個部分：主程序、測量控制模塊、顯示模塊及通訊模塊。
主程序完成上電或復(fù)位初始化，復(fù)位看門狗，查詢按鍵信息等功能，程序設(shè)計流程如圖4所示。
程序初始化包括配置CPU的SFR，設(shè)置I/O口初始狀態(tài)，從EEPROM讀取工作參數(shù)，設(shè)置看門狗定時器的復(fù)位時間等。需要注意的是，一般只在主程序中喂狗，看門狗的復(fù)位時間時要設(shè)置的比測量程序中可能出現(xiàn)的最長等待時間還要長。以下給出主程序的部分C語言源代碼。
void Main ()
{
WDT_CONTR = 0x00;//關(guān)閉看門狗
InitialEeprom();//讀EEPROM
InitialIO();//初始化I/O狀態(tài)
InitialSFR();//設(shè)置SFR
InitialSHT11();//初始化傳感器
InitialComm ();//初始化通訊口
WDT_CONTR = 0x35;//喂狗1.25秒
while(1)
{
WDT_CONTR = 0x35;
KeyScan();//按鍵查詢
KeyProcess();//按鍵信息處理
}
}
通訊收發(fā)處理、顯示和溫濕度測量控制均以中斷方式實現(xiàn)，優(yōu)先級順序為：串口通訊中斷（最高）→顯示中斷→測量控制中斷（最低）。
系統(tǒng)通訊采用標準MODBUS-RTU規(guī)約，便于上位機管理軟件設(shè)計，與其他網(wǎng)絡(luò)儀表組網(wǎng)使用，實現(xiàn)對供配電系統(tǒng)的完整監(jiān)測。
3 產(chǎn)品應(yīng)用
在電力供配電環(huán)境中進行溫濕度控制，一般采取如圖5所示的方案。
通過溫濕度傳感器采集開關(guān)柜或箱式變電站中的溫度、濕度信息，經(jīng)控制器處理后輸出繼電器觸點信號（斷開或?qū)ǎ賹⒂|點信號連接到溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備（一般使用加熱器或風扇）的電源回路中，用于控制其工作或停止，以實現(xiàn)對溫濕度的智能化控制。
WHD型智能溫濕度控制器通用技術(shù)指標如下：
|
技術(shù)參數(shù) |
指標 |
|
控制對象 |
1～3路溫濕度 |
|
功能 |
升溫 |
設(shè)置范圍：-10℃～10℃ |
|
降溫 |
設(shè)置范圍：30℃～45℃ |
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除濕 |
設(shè)置范圍：75％～90％ |
|
輸出
觸點 |
數(shù)量 |
每組溫濕度對應(yīng)2路觸點 |
|
容量 |
250V/5A |
|
通訊 |
接口 |
RS485 |
|
協(xié)議 |
標準MODBUS-RTU |
|
波特率 |
1200、2400、4800、9600、19200 |
|
輔助電源 |
AC/DC220V，允許85～270V |
此類溫濕度控制器可控制一路、二路或三路溫濕度，每一路溫濕度傳感器對應(yīng)一組（二個）繼電器輸出觸點，其中一個觸點用于控制加熱器，實現(xiàn)升溫或除濕控制，另一觸點用于控制風扇，實現(xiàn)排風控制。當傳感器或加熱器發(fā)生故障時，控制器會發(fā)出報警信號。
控制器中還可設(shè)置溫濕度控制的回滯量，即調(diào)節(jié)設(shè)備的啟動條件與停止條件之差。如圖6所示，以加熱升溫為例，當環(huán)境溫度降低到預(yù)先設(shè)置“加熱啟動溫度”以下時，控制器輸出觸點導(dǎo)通信號，加熱器工作，環(huán)境溫度逐漸上升；當環(huán)境溫度上升至“加熱停止溫度”以上時，控制器輸出觸點斷開信號，加熱器停止加熱。根據(jù)經(jīng)驗，回滯量一般設(shè)置在4～10（℃或RH％）范圍內(nèi)較合適。
鋁合金加熱器是電力供配電系統(tǒng)中最常用的溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備，下面是由經(jīng)驗總結(jié)的環(huán)境空間大小與加熱器功率選擇的關(guān)系，供讀者參考。
|
環(huán)境空間大小（m3） |
加熱器功率（W） |
|
≤0.5 |
50～75 |
|
0.5～1 |
100～150 |
|
1～1.5 |
200左右 |
|
1.5～2 |
250左右 |
|
2以上 |
300或更大 |
WHD型智能溫濕度控制器可將測量的溫濕度值及控制系統(tǒng)中的各種狀態(tài)信息通過RS485通訊接口向上位機遠傳，由上位機管理軟件實現(xiàn)遙測、遙控，滿足了智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的要求。
4 結(jié)束語
本文介紹了一種智能溫濕度控制器的設(shè)計方法及應(yīng)用，可實現(xiàn)最大三路溫濕度的采集、控制，并具有編程參數(shù)設(shè)置和RS485（MODBUS-RTU）通訊功能。經(jīng)實踐驗證，參照此方法設(shè)計的WHD系列產(chǎn)品在實際應(yīng)用中易于用戶使用，控溫及控濕效果顯著。同時，該產(chǎn)品的抗電磁干擾性能突出，例如，5kHz和100kHz頻段抗脈沖群干擾可達到三級，適合在電磁環(huán)境相對惡劣的電氣設(shè)備中使用。
文章來源于：《電工技術(shù)》2006年第10期。
參考文獻
[1] 數(shù)字溫濕度傳感器SHT1X/SHT7X應(yīng)用指南，瑞士SENSIRION公司，2005
[2] STC89C51RC/RD+系列單片機使用指南，宏晶科技，2006
[3] 戴佳，戴衛(wèi)恒 51單片機C語言應(yīng)用程序設(shè)計，2006
作者簡介：方嚴（1982-），學士，主要研究方向為供配電的智能溫濕度控制。
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