一種智能溫濕度控制器的設計
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計方法及應用，最多實現三路溫濕度的測量與控制；結合RS485總線技術及上位機軟件，可實現數據及狀態信息遠傳，滿足低壓配電智能化及網絡化發展的需求。
關鍵字：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
隨著電力系統規模越來越大、電壓等級越來越高，供電可靠性也要求更加嚴格。供配電設備環境的溫度、濕度是影響設備運行的重要因素。溫度過高會加速儀器設備元器件老化，縮短其使用壽命，甚至直接導致設備損壞；低溫、潮濕，設備表面產生凝露則有可能發生爬電、閃絡等事故。
基于以上考慮，在中高壓開關柜、箱變、端子箱等供配電設備中進行溫度、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計方法，最多實現三路溫度、濕度的測量與控制；結合RS485總線技術及上位機軟件，可實現數據及狀態信息遠傳，滿足低壓配電智能化及網絡化發展的需求。
1 硬件電路設計
1.1 硬件設計的總體思路
硬件系統以單片機為核心，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化為系統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，并顯示和發送溫濕度數值及輸出控制部分的工作狀態信息。人機對話部分具有按鍵信息錄入功能，用戶可根據實際情況，通過按鍵編程設置系統的工作參數。
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，內含32K字節用戶程序空間，片上集成1280字節RAM，16K字節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專用復位電路。
溫濕度的測量選用SENSIRION公司開發的數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據輸出，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。其技術參數如下表所示：
溫度參數：
|
參數 |
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：
|
參數 |
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（數據）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（數據）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數據手冊）。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口的驅動能力，可增加通訊距離，但會降低系統的抗干擾性能，因此不予采納。
系統采用LED數碼管顯示溫度、濕度值，界面簡潔明了。三路傳感器測得的溫度、濕度值以循環方式依次顯示，顯示部分共有7位數碼管，其中4位用于顯示溫度值（顯示范圍：-40.0～100.0），并在編程狀態下顯示菜單及參數，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的傳感器的編號（1～3）。數碼管顯示采用動態掃描方式，其驅動電路由集成電路74HC595及74HC164構成。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，用于數碼管的段驅動；74HC164的串行輸入、并行輸出功能用于掃描顯示每一位數碼管，如圖3所示。
系統采用繼電器或可控硅作為控制輸出，電源部分采用開關電源方案，通訊部分采用RS485接口，具體電路設計請參考相關書籍，此處不予贅述。
2 軟件設計方法
系統軟件設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位初始化，復位看門狗，查詢按鍵信息等功能，程序設計流程如圖4所示。
程序初始化包括配置CPU的SFR，設置I/O口初始狀態，從EEPROM讀取工作參數，設置看門狗定時器的復位時間等。需要注意的是，一般只在主程序中喂狗，看門狗的復位時間時要設置的比測量程序中可能出現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;//關閉看門狗
InitialEeprom();//讀EEPROM
InitialIO();//初始化I/O狀態
InitialSFR();//設置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
}
}
通訊收發處理、顯示和溫濕度測量控制均以中斷方式實現，優先級順序為：串口通訊中斷（最高）→顯示中斷→測量控制中斷（最低）。
系統通訊采用標準MODBUS-RTU規約，便于上位機管理軟件設計，與其他網絡儀表組網使用，實現對供配電系統的完整監測。
3 產品應用
在電力供配電環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柜或箱式變電站中的溫度、濕度信息，經控制器處理后輸出繼電器觸點信號（斷開或導通），再將觸點信號連接到溫濕度調節設備（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，以實現對溫濕度的智能化控制。
WHD型智能溫濕度控制器通用技術指標如下：
|
技術參數 |
指標 |
|
控制對象 |
1～3路溫濕度 |
|
功能 |
升溫 |
設置范圍：-10℃～10℃ |
|
降溫 |
設置范圍：30℃～45℃ |
|
除濕 |
設置范圍：75％～90％ |
|
輸出
觸點 |
數量 |
每組溫濕度對應2路觸點 |
|
容量 |
250V/5A |
|
通訊 |
接口 |
RS485 |
|
協議 |
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，實現升溫或除濕控制，另一觸點用于控制風扇，實現排風控制。當傳感器或加熱器發生故障時，控制器會發出報警信號。
控制器中還可設置溫濕度控制的回滯量，即調節設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，當環境溫度降低到預先設置“加熱啟動溫度”以下時，控制器輸出觸點導通信號，加熱器工作，環境溫度逐漸上升；當環境溫度上升至“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。根據經驗，回滯量一般設置在4～10（℃或RH％）范圍內較合適。
鋁合金加熱器是電力供配電系統中最常用的溫濕度調節設備，下面是由經驗總結的環境空間大小與加熱器功率選擇的關系，供讀者參考。
|
環境空間大小（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中的各種狀態信息通過RS485通訊接口向上位機遠傳，由上位機管理軟件實現遙測、遙控，滿足了智能化、網絡化發展的要求。
4 結束語
本文介紹了一種智能溫濕度控制器的設計方法及應用，可實現最大三路溫濕度的采集、控制，并具有編程參數設置和RS485（MODBUS-RTU）通訊功能。經實踐驗證，參照此方法設計的WHD系列產品在實際應用中易于用戶使用，控溫及控濕效果顯著。同時，該產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，適合在電磁環境相對惡劣的電氣設備中使用。
文章來源于：《電工技術》2006年第10期。
中國電子商務服務聯盟成員單位 瓊ICP備