温湿度控制器十篇
时间：2023-03-28 00:48:03
温湿度控制器篇1
李曙光刘逸凡张旭周瑞敏
（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467001）
【摘要】介绍了一种基于STM32F0xx的智能温湿度控制器的设计方法及功能实现；该控制器可实现控制柜内温湿度控制和控制柜内外温湿度显示。
关键词 STM32F0xx；温湿度控制；智能化；RS-485
Intelligent Temperature and Humidity Controller Design Based on STM32F0xx
LI Shu-guangLIU Yi-fanZHANG XuZHOU Rui-min
(Henan Pinggao Eletric Co.,Ltd., Pingdingshan Henan 467001, China）
【Abstract】Based on the STM32F0xx, the author introduces a kind of intelligent temperature and humidity controller design method and function implementation. The controller can realize temperature and humidity control inside power supply control cabinet and temperature and humidity auxiliary display outside the cabinet.
【Key words】STM32F0xx; Temperature and Humidity control; Intelligent; RS-485
0引言
在电力系统中，供电可靠性要求很高。汇控柜、开关柜等供配电设备工作环境的温度、湿度是影响设备安全可靠运行的重要因素。高温会加速电子元器件老化；低温、潮湿环境会使设备表面凝露，降低绝缘性能，增加了爬电、闪络等事故发生的可能性[1]。
本文介绍了一种基于STM32F0xx的智能温湿度控制器的硬件设计及软件实现方法，该控制器可实现控制柜内温湿度控制和控制柜外温湿度显示；结合RS-485总线技术和上位机软件，可实现控制器定值的远程设定、温湿度数据上传及远程控制，满足设备智能化及网络化的发展需求。
1硬件电路设计
本控制器以STM32F030F4为核心控制单元，系统外扩串行EEPROM为24C02，容量256字节，地址范围为0x0000~0x00FF，能够满足系统参数的实时存取；控制器包含两个4位数码管、5个状态指示LED、四个设置按键，具有手动启停功能；采用AM2301数字温湿度传感器，可同时实现对环境温度、湿度的控制；结合RS-485总线技术和上位机软件，可实现控制器定值的远程设定、温湿度数据上传及远程控制。
温湿度控制器硬件电路总体框架如图1所示：
1.1主控制器设计
图2所示为STM32F030F4电路，该MCU内核为ARM32-bitCortex-M0，工作电源电压2.4V~3.6V，最高工作温度85℃，最低工作温度-40℃，20个引脚，15个I/O输入输出端口，接口类型包含I2C、SPI、UART等，CPU最高频率48MHz，16K字节flash，4K字节RAM，5个16位定时器，1个12位ADC，16个A/D通道[2]。
1.2数字温湿度采集模块
AM2301湿敏电容数字温湿度模块是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，采用单总线接口，具有体积小，功耗低等优点。
由于AM2301采用单总线通信方式，接受指令和输出温湿度数据通过一根线完成，为了提高系统的抗干扰性，AM2301与MCU之间采用TLP118高速光耦合器隔离，如图3所示。其中V1、V2为肖特基二极管。
1.3数字温湿度显示模块
控制器采用TM1638驱动控制两排共阴极数码管，TM1638管脚功能如表1所示：
控制器具有上下两排4位共阴极数码管，上排数码管第一位显示温度正负、后3位显示温度值，下排数码管后3位显示湿度值，如果两路温湿度传感器均启用，则每隔3秒，切换温湿度测量通道，轮流显示。
控制器设置手动/自动按键、设置按键、减少按键、增加按键四个按键，分别对应芯片引脚K1,K2和KS1,KS2组成的键矩阵。键扫数据储存地址如图4所示。
装置共设置9个参数设置界面，显示界面与参数对应关系如表2所示。
按下设置按键即可进入参数设置界面，通过加、减键调整值的大小，调整好参数值再次按下设置键保存，若调整参数值后十秒内没有按下设置键，则不保存设定值并返回温湿度显示界面。
1.4温湿度控制策略
结合工程实际需求和应用，制定了一下温湿度控制策略。
启动排风：当系统获取的环境温度高于温度控制回路1启控值，启动排风。
停止排风：当系统获取的环境温度低于温度控制回路1启控值与温度控制回路1停控回差值之差时，停止排风。
启动加热：当系统获取的环境温度低于温度控制回路2启控值时，启动加热；当系统获得的环境湿度大于湿度控制回路2启控值且环境温度不高于温度控制回路1启控值，启动加热。
停止加热：当系统获得的环境温度大于温度控制回路2启控值与温度控制回路2停控回差值之和时，停止加热。
2软件设计方法
系统软件主函数主要是由软件抗干扰模块，系统初始化模块，主循环模块组成。图5 为主函数流程图。
3Modbus通信
结合RS-485总线技术和上位机软件，可实现温湿度采集数据及设备状态参数的远传，通信接口为2线制半双工RS-485接口，波特率为9.6Kbps，8位数据位，1位停止位，无校验位和无流控。
该装置支持ModbusRTU协议的04和06命令。04（0x04）为读输入寄存器功能码，使用该功能码能够从一个远程设备中读取1～125个连续输入寄存器。06（0x06）为写单个寄存器功能码，使用该功能码能够在一个远程设备中写单个保持寄存器。同时，ModbusRTU协议还支持差错码0x86、异常码01（功能码错误）、异常码02（输出地址错误）、异常码03（输出数据错误）和异常码04（从设备忙），采用CRC校验方式。
Modbus寄存器状态地址分配如表3所示。
表3Modbus寄存器状态地址分配表
4结束语
在实际应用中，通过温湿度传感器采集汇控柜、开关柜等供配电设备柜体内外的温湿度数据，经MCU处理后输出继电器控制信号，再通过继电器加热器和风扇启停。
实践表明，以此方法设计的智能温湿度控制器方便应用，抗电磁干扰性能强，结合RS-485总线技术和上位机软件可方便的实现柜体内温湿度控制及远程查看。
参考文献
［4］方严,王晓明.一种智能温湿度控制器的设计[J].器件与设备,2006.
［2］STM32F030技术手册[Z].瑞士意法半导体（ST）公司,2013,12.
温湿度控制器篇2
关键词：环境控制；加热；温度；相对湿度
中图分类号：S625.51 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20161131021
引言
温室内植物在生长过程中经过光合作用和蒸腾，温度和相对湿度会发生变化，影响植物健康生长。光合作用是植物将二氧化碳和水转换为有机物，并释放出氧气的生化过程。蒸腾作用是指土壤中的水分经由植物表面，以水蒸气状态散失到大气中的过程，植物通过根系吸水、体内输水和叶面气孔开放等过程，从土壤中代谢所需的营养和水分，来营养它们的叶子和其它器官。相对湿度，是指空气中的水分在凝结成液态之前，每单位体积最大含水量与同温度下饱和空气中所含水蒸气的质量之比。
植物只能在一定的温度和相对湿度范围内才能够茁壮成长，否则不能就健康生长，甚至出现病态。植物对温度和相对湿度的变化非常敏感，必须提供人工监测，在大多数温室内种植多叶植物和蔬菜，温度需要保持在18～22℃之间，相对湿度保持在75%～82%之间，才能保证植物健康生长。
在封闭的温室环境中，相对湿度增加，导致水份从土壤里的蒸腾变得很难控制。通常采用控制温室内的相对湿度的措施，把温室中潮湿的热空气定期释放出去，替换吸入温室外冷空气。此过程空气温度和相对湿度都会产生较大波动，所以温室的管控需要消耗很多的能量，费用支出也是比较昂贵的。
1 自动控制系统的组成
温室温湿度控制系统由空气循环系统、热交换系统和自动控制系统组成。技术关键就是控制温室温度和相对湿度，通过定期将温湿的空气排放到温室外面，并置换通过加热处理的室外冷空气，当温湿的空气排出时，温室温湿度控制系统引M适度加热的室外空气。该方法，对控制温室内温度和相对湿度的波动具有显著功效。
热交换系统通过选择“通风”模式或“维护”模式进行操作。空气循环系统和热量交换系统包括2个阶段，第一阶段热空气流出时使用制冷剂，制冷系统产生的热量通过热交换机用于第二阶段加热温室外面进入温室的冷空气。通过大功率的散热器和排气风机系统中相对较长的空气管道，排气热交换器选择性地驱动温暖潮湿的空气从温室内排出温室外，或把外面的空气引入温室中。换热器包括可控制温室外面冷空气通过高效的散热器入口和较长的空气管道进入热换热系统，自动控制系统控制整个系统的正常工作。
在通风操作模式下，温室温湿度控制系统控制驱动温室内湿热空气通过排气散热器排到温室外面，并驱动进气风扇系统将温室外面空气吸入温室，通过散热器交替排放温室内气体和吸入空气。通风时，散热器制冷液体吸收被排放的热空气热量，通过通风散热器到进气散热器，制冷系统传输这部分被提取的热量并用于进气散热器循环加热进气风扇系统吸入温室的冷空气。也就是说，排气热交换器冷却通风空气温度的幅度可等于外部空气的温度，进气散热器加热空气可达到温室所需的温度范围。
在维护操作模式下，温室温湿度控制系统控制温室运行在植物健康生长所需的范围内。通过相对缓慢而稳定地将大量室外空气加热，加热后的热空气进入温室。温室温湿度控制系统控制进气和排气风扇系统来引入外部空气进入温室并加热到所需的温室温度。外部空气进入的速度决定了温室内的气压，保证温室内气压略大于大气压力。随之而来的就是温室内空气泄漏，空气泄漏的速度等于空气流入温室的速度。制冷系统产生的热能同时被用于加热流入的温室外面空气。
进入维护模式时，需要通过开关来控制通风的持续时间和频率。温室温湿度控制系统控制温室的温度和相对湿度。
温室温湿度控制系统包括2组换热器，每组换热器包括散热器和驱使空气流动进行散热的风扇系统；第一组换热器为制冷剂循环系统，制冷剂在2组换热器之间循环流动；加热器可加热制冷剂；控制器在通风模式下，加热器加热制冷剂，第一和第二风扇系统驱动从外面流入的空气，通过散热器获得制冷剂的热量。维护模式使用第一风扇系统，空气从内部流向温室外面，通过散热器时，制冷系统储存了散出的热量；通风系统使用第二个风扇系统，驱动温室外面的空气流入温室，并在通过进气散热器，获取储存在制冷系统中的热量。当然也可以选择第三换热器控制温室内的热空气，它包括散热器，接收第二风扇系统通过加热制冷剂得到的空气，再通过散热器加热，然后流入温室里面。该装置的流量控制是可控制的。可选则在通风模式下，控制器控制流体阀门，连接第一制冷系统和第二制冷系统。
在维护模式下，控制器控制第三热交换器，极大地避免吸收温室内的热量。控制器能够控制温室内的热空气，当内部空气温度下降到低于预定的最低温度时，第三热交换器可加热温室内空气。控制器还可控制风扇系统，第一换热器和第二换热器将大量的成正比的空气按照平均流量吸入温室内。可选流量在2500m3/h至3000m3/h。或3000m3/h 至3500m3/h，或等于约3000 m3/h。
在温室中如果相对湿度大于预定的最低相对湿度，那么控制器将控制设备运行在通风模式下。控制器可以按固定时间切换通风模式和维护模式的间隔。在通风操作模式下，重复频率可为1Hz/h。也可以使用控制器来操作，控制2种模式的开始和结束时间。
2 控制系统工作原理
温湿度控制器篇3
关键词：温湿度控制 单片机 SHTll
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0079-01
随着产品科技水平的不断提高，工作环境中对温湿度控制的需求越来越多。通常情况下，人们在普遍应用湿度计、温度计来实现对温湿度进行检测，应用人工加湿、加热等手段来实现对温湿度进行控制[1]。这种温湿度的检测设备及控制手段具有较低的实效性和精确性。在对温湿度检测及控制具有较高要求的行业中，缺乏先进设备及技术的温湿度检测和控制系统极易造成各种事故，对产品质量造成严重影响。因此，对基于单片机AT89S51温湿度控制仪进行深入探讨具有重要意义和价值。
1 温湿度控制系统的组成部件分析
单片机AT89S51的温湿度控制仪主要有硬件、软件两大部分组成。在硬件上，AT89S51为其核心部分，同时结合LED显示器、键盘、继电器等多种元件共同组成一个完整的控制系统硬件。在整个控制系统中，单片机是其运行的核心部件。在控制系统的硬件电路主要有继电器接口电路、上电复位电路、时钟电路、LED显示电路、键盘接口电路、595引脚电路多种部分组成。
2 硬件电路设计分析
2.1 时钟电路及键盘接口电路
单片机的运行过程实质上就是一个不断执行相应的指令的过程。系统中的CPU在对每条指令进行执行时，均需要进行相应的 操作数、操作码等获取，然后才能进行指令的执行工作[2]。CPU执行指令相关操作流程均受CPU时钟脉冲的控制，此类脉冲则均是由CPU定时控制器提供。所以，在温湿度控制仪中，存在于控制系统中的时钟电路发生作用主要是利用存在于MCS-51单片机芯片内部的一个放大器，对时钟振荡电路的增高值进行相应额放大。放大器、输出端分别为XTALl、XTAL2。将相应的定时元件分别接在在XTALl、XTAL2的引脚上，存在于内部中的振荡电路随即可以产生相应的自激振荡，因此，这个系统主要应用的是以内部的方式产生相应的时钟。
在键盘接口电路中，按键的连接方式主要分为矩阵式键盘、独立式按键两种。单片机AT89S51的温湿度控制仪普遍应用的是独立式非编码4×4键盘。这种键盘其按键均是单独应用一条数据输入线的。当其中一个按键处于闭合状态时，其相应的I/O线也会自动向低电平转变。由此可见，可通过对键盘上电平显示的高低来对按键是否被按的情况进行有效检测，并可将相应的数值进行读取，键盘的输入就相当于系统中温度及湿度的控制或报警阀值。
2.2 LED显示接口电路及继电器接口电路
在单片机AT89S51的温湿度控制仪中，显示子程序的数值显示应用的是动态扫描法。在继电器接口电路中，当实际温湿度低于或者高于所设定的相应数值时，需要应用继电器来对其进行有效的控制。
3 温湿度控制仪器件选型
3.1 系统微控制器的选用
AT89S51是产于美国的CMOS八位单片机，该种单片机具有高性能、低功耗的特点。在单片机中含有Flash只读程序存储器，该种存储器可进行系统编辑[3]。单片机中的相应器件均使用密度高、易失性低的存储技术进行生产，8051标准指令系统和引脚均可在系统中具有良好的兼容性。AT89S51单片机具有强大动能。其功能主要表现在以下几个方面：①晶片内设有时钟振荡器，其工作频率可高达12MI-Iz；②其控制能力相当于八位单芯片；③具有128B的内部数据存储器；④具有4KB的内部程式存储器；⑤具有两组16位的定时器，定时器均具有独立性；⑥系统中双向输入输出线的条数为32条，每条输入输出线均可独立进行I/O控制；⑦单芯片可提供相应的位逻辑运算指令。除了上述这些功能外，AT系列单片机还具有广泛的应用范围。在各领域的应用中均会应用到上述功能。
3.2 数据检测模块相关部件的选用
基于单片机AT89S51的温湿度控制仪在温湿度数据检测模块器件为SHTl1型智能化温湿度传感器。该种温湿度传感器对湿度的测量具有较高准确性，且可同时对温度和露点进行有效测量。相对湿度的测量在0%～100%的范围内，精度高度4%～2%RH，分辨率高达0.03%RH。所测量相应温度为―40～+123.8 ℃的范围时，其分辨率为0.01 ℃，对露点进行测量时的精度
4 温湿控制系统的软件设计
系统软件设计主要包含主程序、键盘设置、温湿度处理部件、继电器控制、数码管显示等几大部分。系统设计的整体思路为系统中的主程序主要运行温湿测量、温湿度处理、键盘查询、控制继电器等操作。当定时器的显示数值为0时，对运作现场进行有效保护，同时实施相应的数码管动态扫描，并实现对现场进行恢复，将中断进行有效返回，主程序继续保持正常的运行状态[4]。
5 结语
进行较长时间的试验及测试工作后，基于单片机AT89S51的温湿度控制仪对温度、湿度的控制具有越来越高的精确性。目前，应用该种仪器，可将温度误差控制在±0.1 ℃的范围内。同时，基于单片机AT89S51的温湿度控制仪子在运作过程中无需应用到上位机的控制信号，其具有成本低廉、简单实用、低耗能、高效率等诸多优点，大大提高了温湿度控制的效果。
参考文献
[1] 王兴宇，袁伟青.基于AT89S51单片机控制的新型温室温度采集监测系统[J].农机化研究，2012，9（26）：506-507.
[2] 易顺明，赵海兰，袁然.基于单片机的大棚温湿度控制系统设计[J].现代电子技术，2012，4（33）：418-419.
温湿度控制器篇4
关键词：温室大棚 温度控制 湿度控制
中图分类号：TP342.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）08-0120-01
随着社会市场经济不断的发展，农业呈产业化、规模化发展，反季节蔬菜的需求量也在不断的增长，温室大棚数量也就随之不断增多。温室大棚为反季节蔬菜保障合适的生长环境，在反季节蔬菜的成长中温湿度控制是非常重要技术指标。如何实现合适的温湿度环境，是实现产业化的重要环节。而原来传统的生产方式就是在温室大棚内悬挂温度计，根据人工检测的数值来进行手工操作来调节温室大棚温度，而湿度就是依据人工经验来判断是否需要浇灌，这种依靠人工来实现温室大棚温湿度控制的农作方式，已经不能满足现状农业产业化、规模化生产的需求。针对温室大棚的现状，特别参考农业经营者的经济状况和实际需求，根据不同蔬菜生长期间对温湿度的不同要求，存储在PLC的数据寄存器中，通过湿度、温度传感器对温室大棚进行温湿度，然后对检测进行模数转化与PLC参数比较，根据比较的结果进行相应的执行操作。
1 温度、湿度控制系统基本工作原理
适合作物生长需求的温度、湿度环境是对温室大棚实现智能化控制的关键。为了避免设计的复杂化，增加农业生产者的投资成本，本系统的核心原理是利用传感器，对温室大棚温度、湿度采集检测参数，并对参数进行模数转换，和PLC存储的参数进行比较，由PLC根据比较的结果对执行操作机构发出相应的指令，进行温度、湿度的控制，以达到控制温室大棚温湿度控制的智能化。温度传感器湿度传感器传感变送器模数转换器PLC输出继电器保温被遮阳网天窗侧窗水帘散热片通风机
2 温度、湿度控制系统硬件设计
本系统的核心部件主要有三本部分构成：PLC、温度、湿度数据采集系统、动作执行系统。采用PLC其在农业生产环境运行可靠，对于设计、调试、维修相对简单，更重要的是相对于高科技示范农业设备来说价格低廉，同时有保障了农场的生产需求，大大增强了系统的实用性。
2.1 温度控制系统的设计和实现
在温室大棚的温度控制中主要有保温、加温和降温三种方式，以保证温室大棚始终处于适合作物生长的温度范围，保证作物正常生长。
保温，主要用在夜间较冷的冬季，常常采用的设备就是保温被，对温室大棚进行覆盖，提高温室大棚的气密性进行保温。
加温，主要使用在较冷的冬季，当气温低于作物合适的生长温度时就抑制了作物的生长，为了提高提高作物的产量，保证作物正常的生长，现在大棚主要采用锅炉水暖加散热装置的方式进行加温。
降温，主要应用在光照好的时间段，一般采取的方式是自然通风加覆盖遮阳网，如果自然通风加遮阳网仍不能满足要求时，就要使用通风机辅助通风的方法。
该系统在工作期间，温度传感器对温室大棚的温度实时监测，进行数据信息的采集，当温室大棚的温度超出不利于作物生长适合的温度范围时，与我们设定的参数进行比较，针对具体情况进行判断后，对操作执行机构发出指令，进行相应的处理，及时调整温室大棚内温度以保障温室大棚内的温度始终维持在作物生长的温度段。其硬件主要有温度传感器、传感变送器、模数转换器、PLC、保温被、遮阳网、天窗等构成。
2.2 湿度控制系统的设计和实现
在温室大棚的湿度控制中主要有加湿和去湿两种，以保障温室大棚始终处于合适作物生长的湿度，减少病毒的发生，保证作物的正常生长。
加湿，在高科技示范园中加湿的方法很多，但经济成本一般较高，造成农业生产者的生产成本，现在在小型合作社中常采用的方法是水帘加湿。
去湿，现在去湿的方法基本有两大类，一类就是化学去湿的方法，另一类就是通风去湿的方法，比较经济成本，采用通风去湿的方法较多。
该系统在工作期间，湿度传感器对温室大棚的湿度实时检测，进行数据信息的采集，当温室大棚的湿度不利于作物生长时，采集的数据与我们设定的参数进行比较，针对采集的数据PLC进行判断后，对操作执行机构发出指令，进行相应的处理，及时调整温室大棚内的湿度以保障温室大棚的湿度。其硬件主要有湿度传感器、传感变送器、模数转换器、PLC、水帘、通风机等构成。
3 PLC软件的设计和实现
PLC用梯形图编辑主控程序，我们在GX D eveloper7.0环境下开发，我们采用最传统的梯形图电气符号控制图，简单化、直观化，利于以后的调整，维护。
在现实农业生产中，采用PLC温度、湿度控制系统中，采集数据准确，运行中可靠稳定，其设计和实现的结构清晰，安装简便，操作简单，经济成本低廉，适合中小型规模的生产，同时又能保障温室大棚的优质高产，在不是很发达现行中国农业生产具有较广阔的应用前景。
参考文献
[1]王传艳.PLC应用[M].高等教育出版社，2008.
温湿度控制器篇5
空调系统是现代化构筑物的必要基础设备，对室内空气及温度有着重要的调节作用。恒温恒湿空调系统是一种常见的空调类型，其能耗较大，不符合节能减排的要求。故此，本文具体分析了恒温恒湿空调系统制冷节能优化方案，以供参考和借鉴。
【关键词】恒温恒湿 空调 制冷 节能 优化
空调系y是调节室内温度和空气的重要基础设施，其中恒温恒湿空调的工作原理是采用全空气定风量的方式，降低新风和回风温度到设定的标准后将其中的水分去除，再加热至送风状态，进而完成整个处理过程，该过程需要消耗大量的能源。而电影资料库对空调系统有着较高的温湿度及其精度要求，因此，深入分析空调制冷节能优化具有积极的意义。
1 恒温恒湿空调系统架构及能耗分析
1.1 恒温恒湿空调系统的基本结构
加热器、加湿器及表冷器是组成恒温恒湿空调系统的重要部分，其中加热器为管式加热器，发挥着预加热、加热及在加热冷空气的作用；加湿器为电极式加湿器，加湿处理干空气；表冷器的主要作用是对空气减温降湿，在此过程中需要制冷剂来控制空气的湿度。
1.2 恒温恒湿空调系统的主要能耗分析
1.2.1 夏季室内负荷的温度控制
建筑物内的人体及照明设施，加上外来的太阳辐射作用是热量的主要来源，并且产热情况根据不同的房间结构也存在差异，综合考虑上述因素，利用能量守恒定律计算夏季室内的总负荷，设定合理的空调参数，使得室内的热量保持平衡。
1.2.2 不合理的空气处理系统产生的附加能耗
恒温恒湿空调针对不同的空气状况会采用相应的空气处理模式，若空气处理系统出现异常运行，便会产生一定的附加耗能，此附加耗能多发于夏季空调系统的运行过程中，这主要是因为夏季空调系统滞后性和不合理的策略选择，增大了空调除湿量，造成两种空气系统处理不当，主要表现在送风温湿度达到设定的要求后必须进行加热与加湿处理，另一方面是空调病态运行，空气处理系统不合理会直接影响空调系统的节能作用，因此必须采取有效的措施予以解决上述问题。
2 恒温恒湿空调节能优化设计
2.1 空调系统的控制部分
空调系统通过控制器显示室内空气的温湿度、空调机组的工作状态、并对各传感器反馈信号进行自动分析，之后对各机组各功能发出运作指令，进而对室内空气温湿度进行有效的控制。其主要包括主控制器、温湿度传感器、输入、输出单元、功能传感器系统、监控器、报警输出及远程监控系统。其中主控制器是整个空调自控系统的核心部分，主要功能是分析处理从各传感器中采集到的数据，之后将各项处理质量传输到相应的功能子系统中，保障自控系统的高效运行；温湿度传感器的主要功能就是实时采集室内空气的温湿度数据，并将这些数据传输至控制器；输入、输出单元，采集各传感器的数据上传到控制器，通过继电器输出，执行控制器的指令；功能传感器系统，该系统主要由压缩机排气压力传感器（高压保护）、吸气传感器（吸气压力过低保护）、气流传感器等部分组成；监控器是主控制器的备份单元，主要功能是对主控制器的运行状态进行实时监控，一旦主控器出现故障无法运行时可以替代其继续正常运行；报警输出及远程监控系统，专用于资料库的空调机组常处于无人值守的情况，为了确保空调机组的正常、安全、有序运行，利用空调智能监控用通讯接口进行远程监控，当空调机组出现故障或异常情况时给管理人员发出警报。
2.2 设备选型
恒温恒湿空调系统中主要的耗能设备包括空调机组以及新风机组。在优化设计恒温恒湿空调节能方案时要结合当地室外气象参数及电影资料库温湿度及精度要求，按照设计规范计算热（冷）负荷，选择适宜的主设备并配套设计附属设备及输配系统。
2.2.1 空调机组
在电影资料库吊顶上安装低噪音、超薄型的空调机组，在实验台上方约1m处安装专用温湿度控制器。根据仓库的实际面积设定空调机组各个技术参数指标。空调机组的冷却介质选用的是冷冻水，通过电动三通阀对冷冻水量进行调节，利用表冷器将可调节的冷量投入到气流中。另外，加热量和加湿量的调节通过检测与控制系统来实现。
2.2.2 新风机组
其工作原理与空调机组相似，主要功能是预处理进入到资料库的室外新鲜空气，降低新风对室内温湿度的影响。此外，新风机组应用在空气湿度偏高的地区，还能够将空气中多余的湿量除去，达到控制室内湿度的目的。
2.3 加湿系统
电影资料库房内设备工作产生的热量是其主要的热能来源，潜热的增加幅度偏小，室外空气中的含湿度在炎热的季节会明显增加，从而加大了水蒸汽分压力。由于资料库房内需要保持恒温，空气湿度会降低，水蒸汽分压力偏差，此时的库房内外存在水蒸汽分压力差，水蒸汽通过库房的各种缝隙及新风等渗透到库房中。所以应根据资料库房的密封性来决定库房内的除湿工作。但进入秋季后室外温度及相对湿度开始下降，导致水蒸汽分压力不断下降，当资料库外的温湿度低于室内温湿度时，室内的水蒸汽在压力差的作用下开始传递到室外，进而降低了库房内的相对湿度，因此需要设置专用空调加湿系统来补充库房内的水蒸汽，以保持库房内相对湿度的均衡。
3 结束语
本文分析了恒温恒湿空调系统中的耗能，并在此基础上设计了恒温恒湿空调系统的制冷节能优化方案，以提高空调的节能效果，减少恒温恒湿空调的能耗，另外本方案还需在运行实践中不断的完善。
参考文献
[1]胡伟宏.关于空调制冷系统的节能优化[J].科技视界，2014（23）：280+297.
[2]张杰琳.空调制冷系统的节能优化措施分析[J].科技展望，2015（18）：173.
[3]熊苏英.基于空调制冷系统设计的优化浅谈[J].科技传播，2015（23）：110-111.
温湿度控制器篇6
关键词：温室环境；模糊算法；PID控制器；自适应
DOIDOI：10.11907/rjdk.171197
中图分类号：TP319
文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）006-0100-04
0 引言
随着计算机和网络技术的快速发展，温室环境的控制正在向智能化、自动化的方向迈进，利用物联网技术对温室环境进行有效调控可以改善农业生态，提高农作物质量和产量。但温室环境是一个多变量、强耦合、大滞后且时变的被控对象[1]，且江浙地区四季气候变化明显，夏季炎热湿润，冬季寒冷干燥，昼夜温差及湿度差较大，常规控制方法难以取得理想效果，而现有控制系统控制模式固定，不能适应环境变化，因此建立一套适应性强、响应快、稳定性好的智能温室测控系统是现代精细农业的迫切需求。
目前，已有的控制方案中采用传统PID控制来实现，但PID参数恒定，无法适应非线性系统的控制需求。因此，本文将模糊理论与PID控制相结合，运用模糊推理对PID控制器的3个参数进行调整，提高了系统的自适应性和灵活性，改善了系统动态性能。
1 模糊PID控制器原理
1.1 模糊控制原理
在传统控制领域里，对系统的动态信息描述越精确，控制效果越好，然而对于复杂系统，由于变量太多，往往无法精确表示系统的动态信息，这时可以考虑使用模糊控制来解决。模糊控制是一种非线性控制方法，其不依赖于被控对象的精确数学模型，而是通过大量的实际操作数据及专家经验总结出控制规则，用自然语言描述控制策略，模拟人对事物的决策实现对系统的控制。温室环境复杂多变且干扰因子众多，常规方法难以取得理想的控制效果，所以使用模糊控制实现对温室环境的调控比较合适。
在模糊控制系统中，模糊控制器设计是其核心部分，控制器结构如图1所示，主要由4个部分构成：模糊化处理、规则库、模糊推理及解模糊[2]。
1.2 PID控制器原理
在工程实际中，PID控制因其简单、可靠性高及鲁棒性好等特点被广泛应用于工业及设施农业的过程控制中，并取得较理想的控制效果。所谓PID控制即：比例（P）-积分（I）-微分（D）控制[3]，结构图如图2所示，其控制算式如下：
u（t）=Kp[e（t）+1/Ki∫t0e（t）dt+Kd*de（t）/dt]（1）
式（1）中，Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分系数，e（t） = r（t） - c（t），r（t）为设定值，c（t）为实际测量值，e（t）为控制器的输入，它是设定值与实际测量值的偏差，u（t）为控制器输出。PID控制器中Kp、Ki和Kd的调节会对系统的动静态性能产生较大影响，3个参数的作用具体如下：（1）比例控制Kp：使系统反应灵敏，可以迅速调节系统误差；（2）积分控制Ki：系统在进入稳态后存在稳态误差，Ki用来消除稳态误差；（3）微分控制Kd：提前预测系统误差变化的趋势，使误差提前为零，Kd是一种超前调节。
2 温室测控系统分析与设计
2.1 叶菜温室环境因子分析
叶菜温室环境包含因子众多，包括环境温度、光照强度、空气湿度、CO2浓度、土壤水分和肥力等，这些环境因子在温室环境中相互联系、相互耦合，一同作用于温室这个小气候环境[4]。各个因子对叶菜生长的影响及调控如下：
2.1.1 温度
环境温度是影响叶菜干物质分配及叶片生长最重要的环境因子。若环境温度偏低会导致叶菜生长缓慢甚至停滞，长时间低温更容易引起低温危害。若温度偏高会导致呼吸消耗增加，叶菜植株积累的干物质减少，所富含的能量减少。对温室内温度的调控主要包括：升乜刂萍敖滴驴刂啤
（1）升温控制。当对温室进行升温控制时，首先关闭天窗及侧窗，然后开启内保温膜和内循环促进温室内空气的流通，之后开启暖气、空调等设备进行升温。
（2）降温控制。温室温度调控中常用的降温措施有：自然通风（侧窗和天窗等）、人工强制通风（排风机）、开启遮阳网（内遮阳和外遮阳）、湿帘冷风机降温等。
2.1.2 湿度
空气相对湿度对叶菜生长的蒸腾作用有较大影响。若空气湿度过高，叶菜根部呼吸困难，不仅影响正常生长发育，而且容易诱发病害；若空气湿度过低，土壤湿度也会随之降低，可能会导致作物缺水而出现萎蔫现象。对于叶菜而言，长期处于空气湿度较低的环境中生长时，容易导致叶菜的叶片小而厚，阻碍了叶菜的生长。对湿度的调控包括：加湿和除湿。温室内常用加湿方法有喷雾加湿和湿帘加湿；温室内除湿控制可以采用自然通风或强制通风，在温室内空气含量一定的情况下，也可采用加温除湿来降低温室内的空气湿度。
2.1.3 光照
光照是作物进行光合作用的能量来源，它影响到幼苗的素质、植株的生长和产量高低。光照太强会灼伤作物，光照不足时光合作用会减弱，对温室内光照的控制包括遮光和补光。
其中，遮光控制可以通过开启内外遮阳网来减弱温室内部的光照强度；补光控制在连续阴雨或者光照不足的情况下，为了促进作物生长，可以通过开启补光灯的方式增加温室内的光照强度。
2.1.4 CO2
CO2浓度是作物进行光合作用不可缺少的条件，它直接影响着有机物的合成。CO2浓度的控制可以通过通风换气或者CO2发生器。
此外，环境温湿度在一定条件下是相互耦合的，当温度上升时湿度呈下降趋势，温度下降时湿度呈上升趋势，同时空气湿度变化又会影响环境温度[5]，而光照变化也会对温湿度产生影响，如当光照增强时，温度会上升等，所以设计温室测控系统的输出需要考虑环境因素间的耦合作用。
2.2 模糊PID控制器设计
PID控制器在过程控制中被广泛应用，但其参数整定是控制器设计的核心内容。常规的PID控制器使用工程整定方式，参数设定后一般固定不变，对系统运行变化的适应能力、抗干扰能力不足，所以本文采用模糊控制对PID控制器的参数Kp、Ki和Kd进行在线整定[6]，使控制器能够及时响应系统环境的实时变化，使系统具有更强的灵活性。
温室测控系统是一个多变量间相互耦合且时变的复杂系统，理论上来说，如果一个模糊控制系统能够做到将所有影响温室内环境指标的因素作为控制器的输入，那么该控制器的输出一定非常准确，但事实上这样做是不现实的，因为将越多的环境变量作为输入，环境因子之间的相互耦合关系就越多，控制系统就越复杂，控制器的规则库就无法定义。从上文对温室环境的分析中可看出，在众多的环境因子中，温度和湿度两大因子对温室环境的影响最为明显，光照其次，其它如CO2等因素的控制相对单一，且耦合作用相对较小。因此，本系统在设计时综合考虑温室内光温湿的测量与调控，其它因子暂不考虑。
模糊PID控制器的结构图如图3所示，在设计系统的输出时，充分考虑湿度和光照的耦合作用进行综合调控。当环境因子的调控发送冲突时，以温度调控为先，湿度其次。
其中，r（t）为温度设定值，c（t）为温度实际测量值，u（t）为PID控制器的输出，为控制温湿度相关执行机构的变量[7]，控制器的输入为温度偏差e和偏差变化率ec，控制器可根据系统实际运行情况模糊推理出Kp、Ki和Kd的增量ΔKp、ΔKi和ΔKd。
根据温室测控系统的实际情况，将e、ec、ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊论域划分为5个等级：{NB、NS、ZO、PS、PB}，其含义分别为：{负大、负小、零、正小、正大}，论域范围为[-4， 4]。两个输入变量e、ec及3个输出变量ΔKp、ΔKi和ΔKd的隶属度函数均为三角形隶属度函数。控制规则采用“if A and B then C”的条件句式，依据模糊推理原则，总结出模糊控制规则表如表1所示。
控制器将系统运行时的温度偏差和偏差变化率进行模糊处理后得到e和ec的模糊度，通过查询模糊规则表得出ΔKp、ΔKi和ΔKd的模糊度，再对照模糊论域将3个参数的模糊度解模糊成具体数值，从而计算出新的Kp、Ki和Kd，最后将计算结果代入PID控制算式，计算出系统输出量，则该输出量即为控制温湿度相关执行机构的变量，由该变量推导出当前的控制组合。
2.3 系统总体结构
根据系统需求，本文所设计的叶菜温室测控系统总体结构图如图4所示。
系统层次结构从左至右可以分为3个部分：①传感器、风机等硬件设备；②嵌入式网关；③上层应用（云服务与温室管理平台）。其中，嵌入式网关为温室测控系统的核心部分，是连接上层软件和底层硬件的中枢[8]。网关通过RS485串口通信采集现场传感器、气象站的实时数据，控制风机、水泵等现场执行设备，对环境数据进行分析过滤之后，首先在本地嵌入式数据库sqlite中存储，之后将数据上传至云服务器存储到sqlserver中。用户也能够通过PC或手机登录温室管理平台进行实时环境数据查询、设备控制、现场实时视频查看及自动运行设定等。
3 系统功能模块设计
3.1 嵌入式模块硬件选择
叶菜温室环境复杂多变，干扰因子众多，尤其夏季很可能长期处于高温高湿的环境之中，而嵌入式网关作为温室测控系统的核心部分，必须选择工业级的产品保证其稳定性和可靠性。
本系统选择基于Linux内核的GT6502嵌入式工业计算机作为嵌入式核心控制模块。该模块CPU采用成熟的高性能工业处理器ARM926EJ，且为了保证能达到工业设备需要的稳定性，整板设计采用全工业布线，在材质上选用高品质的PCB板材，稳定的硬件设计能保证系统长时间正常运行。此外，模块具备多重电源保护，抗静电、过流、防反接等保护能有效保证在野外等恶劣环境下的可靠运行。
3.2 嵌入式模块软件设计
在叶菜温室测控系统中，嵌入式模块软件的主要功能是：①采集实时环境数据，分析过滤后存储；②实时响应用户的数据查询、设备控制等需求；③根据用户设置和当前环境数据进行自动调控温室环境。根据嵌入式模块软件的功能设计，其程序实现流程如图5所示。主线程负责子线程的创建与线程资源的回收，所创建的3个子线程分别为：监听线程、断线检测线程及自动控制线程。
（1）监听线程：接收用户设备控制、实时数据查询、配置信息查询等指令，作出响应后向用户反馈执行结果；
（2）断线检测：检测设备与云服务器的长连接，若检测到当前设备断线，则执行重连操作保证设备一直与服务器保持长连接；
（3）自动控制：收集实时环境数据，分析过滤后存储，并将当前环境数据输入到模糊PID控制器中，根据控制的输出进行温室环境调控。
3.3 服务器模块设计
基于高内聚低耦合的软件设计思想[9]，本系统将服务器模块按照功能分为通信服务器与数据服务器。通信服务器负责与嵌入式网关、温室管理平台的通信。当前服务器应用在农业示范基地，考虑到应用场景可能被拓展，用户数及设备数可能会增加，通信实现需能够响应弹性的用户数及并发需求，实现资源自动分配，所以通信服务器是基于Linux下的C++开发，选用多路I/O复用模型epoll实现通信并发，通过创建线程池的方式实现连接的负载均衡。数据服务器负责环境信息的存储和历史数据的查询，使用HTTP协议实现数据查询与响应。两个模块分开设计，独立开发，保证通信服务与数据服务互不影响，模块间的通信使用进程间通信现。
4 温室测控系统的效果验证与分析
为了验证系统实际运行效果，课题以江苏省农科院六合农业示范基地为试验对象进行测试，选取该示范基地中一个连栋生菜温室为实施地点。该生菜温室包含4个区域，每个区域包含2个光温湿三合一传感器，整个温室内共有8个三合一传感器，且具有侧窗、内外遮阳、环流风机、水泵等多种执行设备，温室内还接入了4个高清网络摄像机便于查看实时视频。温室外安装一个包含光、温、湿、风速、风向、雨量6种传感器的气象站，用于感知室外环境信息。本测试时间为2016年12月12日，选取温室内环境温湿度为测试对象，对9：00-16：00的温湿度调控状况进行测试。由于当前生菜处于莲座期，生长最佳的温度范围为18～22℃，湿度为70%～80%，因此设定温度值为20℃，湿度值为75%。将温湿度设定值输入系统之后启动系统的自动控制，由测试数据生成的变化曲线图如下：
如图6所示，温室内温度变化范围为17.5～22.3℃，湿度为73.2%～83.1%，由数据可见，系统运行正常并且能够根据设定值及时响应，保持温湿度在合理的范围内，达到了预期的控制效果。
5 结语
构建了基于模糊PID控制器的叶菜温室测控系统。通过对叶菜生长环境的研究，利用模糊推理对PID控制器的参数进行调整，提升了系统的动态性能，实现了叶菜温室环境的自动调控。试验表明，系统运行稳定、响应迅速，具有很强的鲁棒性。
参考文献：
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[7]候涛.基于改进多目标进化算法的温室环境PID控制的仿真研究[D].哈尔滨：东北林业大 学，2014.
温湿度控制器篇7
环境条件中的温湿度指标是许多工作场合的重要参数，不论是仓库管理、图书保存还是工业测量与计量检定，都需要符合操作规定的温湿度环境条件。而温湿度也是最不易保障的指标，针对这一情况，研制可靠且实用的温湿度控制器显得非常重要。本文介绍的温湿度实时控制装置可在0～50℃和20％～98％RH（相对湿度）的范围内任意设定温湿度值，其附加的通信接口可方便地实现与计算机的实时通信，而且便于功能的扩展，可保证温度、湿度满足设计指标。此外，该装置还可自动控制多个设备的多点时间控制电路，因而具有更广泛的应用前景。该装置可实现的功能如下：
在0～50℃和20％～98％RH间可任意设定温湿度控制点；
可以实时监测环境温湿度的变化情况，并记录、存储相关数据；
对环境温湿度的控制可满足设计指标；
具有多点定时设备控制电路，便于功能扩展；
设有语音提示功能，可方便地实现仪器操作和工作管理提示；
配有通信接口，可方便地与计算机进行通信；
温湿度控制的精度分别为：温度（0～50℃）±0．5℃；湿度（20％～98％RH）±2％～3％RH。
图1
1 硬件设计
该装置的硬件框图如图1所示。它主要由单片机PIC16C73及外部电路构成。PIC16C73是由美国Microchip公司生产的8位单片微机，采用Harvard结构，这种结构可使指令执行和取指操作重叠进行，因而具有很高的执行速度。它只有35条单字节指令，除了跳转指令是2周期指令外，其它指令都是单周期指令。这些特点使它较之于别的8位单片机节省了1／2的程序空间，并具有4?1的速度优势。PIC16C73在芯片内集成了一个8位算术逻辑单元和工作寄存器、4k程序存储器、192个数据寄存器、22个I／O口?、3个定时／计数器及2个捕捉／ 比较／PWM模块和2个串行口，其中A／D转换器具有5路模拟量输入端，同时还具有时钟、复位、看门狗定时器等。这5路模拟量输入通道共同复用一个采样／保持和A／D转换器。PIC16C73外接温湿度采样电路及电器驱动电路，因而可实现对温湿度的控制。该系统硬件主要包括本机地址设定电路、采样电路、键盘显示电路、看门狗电路、电器驱动电路、时间设置及定时驱动电路、RS－232通信等电路。下面以计量实验室温湿度的控制为例，对各主要电路加以介绍。
1．1 温度检测电路
温度检测电路选用Dallas公司生产的一线式数字温度传感器DS1820作为温度检测器件，该器件只有3个引脚（即电源VDD、地线GND、数据线DQ），且不需要外部元件，而是共用一条数据线进行通信，使用一根I／O线通信时，DS1820的电源电压是以寄生方式供电的，因此，只需将其VDD和GND端接地即可。该电路的检测温度范围为－55～＋125℃；精度为0．5℃；用9bit数字量来表示温度；每次将温度转换成数字量需200ms。笔者采用三块DS1820来实现对实验室环境温度的检测，之所以用三块，是为了更好地保持温度的恒定。使用时可分别将这三块DS1820放置在房间的不同位置。获得温度信息时，先由PIC16C73的RA2脚发送一个1ms的复位脉冲，以使DS1820复位后将向PIC16C73发送一个回应脉冲，PIC16C73接到回应脉冲后将发送读DS1820序列号的读ROM命令，以分别读取三个DS1820的序列号（每一块DS1820有唯一的序列号）；然后，PIC16C73再发出定位命令以选择在线的DS1820并进行温度转换。此时PIC16C73的RA1脚应输出一个保持2s以上的高电平信号来使SK214导通，从而提供DS1820在总线供电下进行温度转换时所需的1mA电流。当温度转换完成后，PIC16C73的RA2脚会发送DS1820的存储命令，从而完成温度信息数据的转换和读取。
1．2 湿度检测电路
湿度信号的获取采用电容式湿敏传感器作为湿度检测器件。环境湿度与传感器电容成线性关系，所以可方便地将湿度转换成PIC16C73可以接受的电信号，本例中采用EL7556来实现转换。EL7556由积分电路、基准电路、频率转换电路及频率—电压（F／V）转换电路等组成，积分电路及R1、R2、C1用于产生一定频率的脉冲信号并从5脚送至8脚。调节R2可对该脉冲信号频率进行调整，从而使湿度传感器的线性和灵敏度处于较好状态；基准电路和频率转换电路可将湿度传感器的电容变化转换成频率变化，再经频率—电压转换电路后从9脚输出与频率成线性的电压，然后经C3等滤波后送入PIC16C73的RA0端，再进行A／D转换以将其转换成数字信号。本例中的湿敏传感器为MXS型电容式湿敏传感器，湿度为76％RH时的电容值为500pF，电容相对变化率为＋1．7pF／％。当湿度为0％～100％RH时，9脚输出的相应信号频率为0～1000Hz，精度为2％，F／V电路输出的电压为0～5V。调整时，可先设定湿度为5％RH，然后调节R2，使9脚输出100mV电压即可。
1．3 定时及控制驱动电路
定时主要用于提前预热仪器设备和定时语音提醒等，该功能的实现由单片机来完成。时钟频率选用32．768kHz，该频率可使单片机工作在最小功耗状态并可简化分频、定时程序的编写。可选用看门狗电路来作为定时基准，看门狗每18ms复位一次可确保时钟的准确及语音电路的播放操作。
控制驱动电路用于保护仪器。各个电磁阀的导通要有一定的时间间隔，本例中为2分钟。推荐的工作方式为：6：00电磁阀1导通，接通稳压电源；6?02以后每间隔2分钟接通一个相应设备（应先启动感性及大功率设备）。这样，当8：00上班后即可保证有些需要预热1～2小时的仪器设备进入最佳工作状态，从而提高工作效率，保证计量检定的质量。电器驱动电路控制的设备主要包括空调机、风机、吸湿机、加湿机等，可分别采用过零型固态继电器来控制工作。为了便于扩展该装置的功能，系统应留有足够的扩展空间。因此，设计时可用PIC16C73的RA3口作控制口，另外可外扩两片PCF8574以作备用。该系统最多可控制16个设备以满足不同需要。继电器采用交流固态继电器，其内部采用光电隔离方式，可有效地避免电磁干扰。当单片机检测到温湿度信号超过设定值时，将从RA3口发出控制信号，并通过光耦产生大于5mA的触发电流使固态继电器启动相应的电器工作，从而实现对相应设备的控制。设计时应注意各个电器不要同时启动以免冲击电网，这部分工作可由软件延时完成。固态继电器可选择国产的H220D15。
图2
1．4 语音电路
语音电路用于完成多种语音提示。可选用台湾Winband公司生产的语音处理芯片W513000。该器件除了支持按键直接控制话筒和喇叭的随录随放功能和快速搜索放音模式外，还具有完善的CPU微处理器控制模式，并可用单片机控制它的所有功能。其主要提供的语音信息为：
（1）加湿器、吸湿器水箱的水满和缺水报警。这部分语音信号的触发由安装在水槽内的导电电极片完成；
（2）中午休息和下班信息的提示；
（3）预约工作的提示，如可提示预先设置的工作计划安排等信息。
语音的录制等操作可由键盘和PIC16C73完成。
1．5 通信和键盘显示电路
为了更好地实现与上位计算机之间的通信和系统功能的扩展，该装置设有RS－232接口电路，通信速率可由用户在1200／2400／4800／9600比特等4种中通过键盘按需选择。
该系统的键盘设有16个按键：0～9为10个数字键；A为设定功能选择键，B为设定完成确定键，C为显示选择键，D～F键则用于完成语音处理和通信等功能。对于温湿度的显示，则可采用4位LED动态分时完成。
2 软件设计
该系统软件可采用模块化设计方法，用汇编语言来实现。包括主程序、中断服务程序、温湿度检测程序、语音处理程序、定时驱动程序、显示子程序等。主程序以循环方式工作，主要完成中断初始化、键盘扫描、温湿度检测、语音处理及显示子程序的循环调用等功能。
2．1 主程序设计
主程序是控制和管理的核心，主要完成在系统上电后进行定时器和中断处理操作的初始化。初始化主要完成对温湿度的设定和检查除定时器T0外的所有中断禁止，同时断开各电器的电源。初始化完成后，系统将开始正常运行，并进行温湿度检测、键盘扫描及定时处理等操作，其软件流程如图2所示。
2．2 温湿度处理子程序
温度传感器选用DS1820，其软件的编写相对简单，DS1820输入单片机的信号为9位数字信号，它不需要进行转换。这里应注意的是，软件控制单片机向DS1820发送的复位脉冲一定要大于1ms，否则软件将无法正常运行。这主要与DS1820的写时间有关，在用软件进行写0之后和写1之前，必须有800μs的低脉冲，写1后再写1也是如此，否则将出现数据写错误。
由于PIC16C73内含A／D转换器，因此，参考电压可由软件设置为器件的正电源电压，同时由RA0引脚接入的模拟电压可经A／D转换成数字信号。系统中的A／D模块有3个寄存器分别为：A／D转换结果寄存器（ADRES）、A／D控制寄存器0（ADCON0）和A／D控制寄存器1（ADCON1）。其中A／D控制寄存器0用于控制A／D模块的工作，寄存器的上电复位值是00H，未用位在执行读操作时为0，不能执行写操作，其它位均可读写。A／D控制寄存器1则只用了0～2位，这3位是A／D转换口配置位，通过这些位可将模拟口配置成不同的工作方式，包括模拟量输入输出、数字量输入输出以及参考电压。
以RA0通道为例，其A／D转换程序如下：
BSF STATUS，RP0 ；选择页面1
CLRF ADCON1 ；配置A／D输入
BSF PIE1，ADIE ；使能A／D中断
BCF STATUS，RP0 ；选择页面0
MOVLW 0XC1 ；时钟、A／D接通
MOVWF ADCON0 ；
BCF PIR1，ADIF ；清除A／D中断标志
BCF INTCON，PEIE ；使能功能
BCF INTCON，GIE ；使能所有中断
温湿度控制器篇8
关键词：恒温恒湿；空调；高精度
恒温恒湿空调所在的空间对一般对空气温度、湿度和洁度的要求非常高，因此在空调系统的设计上，系统的完善性即显得尤为重要。本文根据国内外相关设计标准和规范，针对恒温恒湿空调的应用特点，讨论了恒温恒湿类空调系统在空气处理和自动控制方式的设计上应注意的几个问题。恒温恒湿空调在一些对空气的温度、湿度、洁度要求都比较高的厂房或者实验室中，通过集中空调系统，对空气进行降温、祛湿或加热后，在经过大回风量进行房间的高等级净化和正压控制，从而满足空间环境的各项需求。因此，恒温恒湿空调在电子、光学设备、医疗卫生、生物制药、检测及实验室等专业领域应用比较广泛。
1、系统对环境监测的高精度
恒温恒湿空调所在的环境对温度和湿度的要求十分严格，尤其是在实验室、医院等高精密环境中。与此同时，由于这类环境中热源、水源等分布十分复杂，导致环境中的温湿分布并不均衡。因此就需要空调自动控制系统对环境的温湿变化具有较高的敏感度，能够迅速的感知环境中的温湿变化，并极快的做出有效反映，保证环境中的温度和湿度。现在的恒温恒湿空调要求一般在温度精度达±2℃，湿度精度±5%，高精度空调可以温度精度达到±0.5℃，湿度精度达到±2%。
2、温湿控制中高效能比
在传统的恒温恒湿空调系统设计中，在温度和湿度的控制上，机组有风冷和水冷型两种，配备有多级电加热器和电极加湿罐及微电脑控制器。在冷却祛湿工况条件下，蒸发盘管使空气温度低于露点温度而去湿，通过加热器的再热控制室内温度保持在设定值。该类机组由于冷量的调节一般仅二档或三档，机组出口空气的露点温度不易稳定，对室内相对湿度的控制能力较低，一般宜用于相对湿度控制精度在±5%的试验室，目前大多采用了该种定型产品。简单来说就是冷却、加温、除湿的过程。虽然效果比较明显，但是很显然这个过程的当中的空调能耗会比较大，尤其在湿度比较高的环境下，既要保证除湿的效果，又要保证预设的温度，此时的耗能量将远远大于一般机房空调的耗能量。为了避免这种情况，再设计上可以将室外空气处理到机器露点再同室内回风混合，进入主空调箱干冷却送风，把送风温差控制在相应的规范范围内；直到环境内冷负荷减小至一定数值，再用冷却盘管的冷冻水流量或进水温度的改变来调节冷量，进一步减小送风温差。在这类空调工程设计中，应该对其能耗和节能问题给予特别重视，提倡弃用二次加热，以降低能耗。
3、自动控制中的备用程序设计
恒温恒湿空调广泛适用于各种高精密环境，这样的环境对空气的温度、湿度、洁净度、气流分布等各项指标有很高的要求，必须由每年365天、每天24小时安全可靠运行的专用机房精密空调设备来保障。因此在空调的设计中，对各种突发事件的应急程序也必不可少。这就需要机房空调可靠的零部件和优秀的控制系统。一般多是N+1备份，一台空调出了问题，其他空调就可以马上接管整个系统。例如佳力图的co-work系统，海洛斯的i-com系统都是做的比较好的。显热比是显冷量与总冷量的比值，空调的总冷量是显冷量和潜冷量之和，潜冷量是用来除湿的制冷数值，而显冷量则是用于环境降温的制冷数值。恒温恒湿空调所处的环境主要是显热，因此恒温恒湿空调的显热量比较高，一般在0.9以上。由于环境如果短时间内温度变化太快，将会造成系统服务器运算混乱，因此在设计中采用大风量，使出风温度不至于太低，并加大换气次数，这对空调和系统稳定都比较有利。
恒温恒湿，但无净化要求系统对空调机组的机外余压要求不高，主要克服送回风管道、阀门、散流器、初效过滤器等，常规的机组即可满足要求。但既有恒温恒湿要求，又有较高净化等级控制要求的系统对恒温恒湿空调机组的机外余压要求较高，一般系统总阻力在1100Pa～1400Pa之间。需要克服送回风管道、阀门、散流器、初效过滤器（初阻力50Pa，终阻力100Pa）、中效过滤器（初阻力150Pa，终阻力300Pa）、高效过滤器（初阻力250Pa，终阻力500Pa）等几处常规压力，一般的恒温恒湿空调无法满足其对机外余压的要求。根据不同的季节和室外的温度和湿度，焓变，设置在夏季、冬季、春季和秋季、过渡季，四种工作模式，合理配置了冷却器，锅炉，热水，空气清新器，加湿器，电加热（冷，热）源的供应，同时控制温度，湿度，最大限度地减少不必要的污染负荷，节约能源。最大限度地利用新风，以降低冷却器上的负载。如果室外温度是足够低，可以以室外空气作为冷源，利用温度经济循环控制，调节回风阀、排风阀和新风阀，以保证温度的设定值。在潜热负荷较大时，采用焓值经济循环控制代替温度经济循环控制，将判断室外气温改为判断焓值。在无人工作期间，冷却方式采用全新风冷却。采用动态露点温度控制，随室外温度的变化不断调整表冷器的换热量，尽可能降低冷机负荷，同时避免不必要的再热与加湿。冷水系统中还采用了带有半封闭隔腔的开式水箱减少冷机的频繁启停加卸载带来的能源消耗，使用合流三通阀提高了供水温度，减少不必要的冷却除湿，节约了冷量。冷却水系统采用变频技术，冷却塔风机可开停控制，有效跟踪冷机出力，降低水泵和风机能耗。
4、结束语
系统通过多级温湿度调节和高精度自控系统的使用，实现了房间温湿度的快速稳定精确调节。在项目的设计和调试及使用中综合利用多种节能策略与技术，降低了系统运行能耗。目前此系统已运行近一年时间。从用户反映情况来看，系统稳定可靠，运行节能，功能全面，操作方便快捷。房间温湿度控制精度高、稳定性好，系统噪声低，完全符合设计要求。
参考文献：
温湿度控制器篇9
关键词:温湿度;二氧化碳浓度;调节与控制;方案设计
中图分类号:S126 文献标识码:A 文章编号:1009-8631(2010)02-0200-02
引 言
随着国民经济的迅速增长,农业的研究和应用技术越来越受到重视,特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。因此,为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性,推动我国农业的发展,迫切需要一种价格适中,自动化程度高的农业设施多点测控系统。
1、温室大棚内重要参数的调节与控制
1.1 温度的调节与控制
目前,温室内温度的调节和控制包括加温、降温和保温三个方面。具体表现在:
(1)加温。加温有热风采暖系统、热水采暖系统、土壤加温三种形式。热风采暖系统由热风炉直接加热空气及蒸汽热交换空气两种,前者适用于塑料大棚,后者适用于有集中供暖设备的温室:热水采暖系统的稳定性好,温度分布均匀,北方温室大都采用此种方式;土壤加温有酿热物加温、电热加温和水暖加温。
(2)降温。降温最简单的途径是通风,但在温度过高,依靠自然通风不能满足作物的要求时,必须进行人工强制降温。降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法及强制通风法。遮光降温法一种是在室外与温室屋顶部相距40cm处张挂遮光幕,对温室降温很有效,另一种在室内挂遮光幕,但降温效果比挂在室外差;屋面流水降温法采用时须考虑安装成本,清除玻璃表面的水垢污染问题;蒸发冷却法使空气先经过水的蒸发冷却降温后再送入室内,达到降温目的。蒸发冷却法有湿帘――风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法。
(3)保温。保温包括减少贯流放热和通风换气量、增大保温比、增大地表热流量。减少贯流放热和通风换气量包括减少向温室内表表面的对流传热核辐射传热、减少覆盖材料自身的热传导散热、减少温室外表面向大气的对流和辐射传热、减少覆盖面的漏风而引起的换气传热;增大保温比是适当的减低温室的高度,缩小夜间保护设施的散热面积,有利于提高温室内昼夜的气温和地温;增大地表热流量可以采用增大保护设施的透光率,且经常保持覆盖材料干洁,及设置防寒沟,防止地中热量横向流出。
1.2 湿度的调节与控制
大棚内空气湿度的调节与控制,从环境调控的观点来说,空气湿度的调控,主要是防止作物沾湿和降低空气湿度两个直接目的。而防止作物沾湿主要是为了抑制病害。
除湿的方法有通风换气、加温除湿、覆盖地膜、适当地控制灌水量、使用除湿机、除湿型热交换通风装置。一般采用在不加温的温室里自然通风,达到降低温室内湿度的目的,其效果显著;在有条件的情况下,可采用强制通风,可由风机功率和通风时间计算出通风量,而且便于控制;其他的方法如覆盖地膜、热泵除湿等也能达到除湿的目的。
加湿的方法包括喷雾加湿、湿帘加湿、温室内顶部安装喷雾系统。喷雾加湿时可根据温室面积选择合适的喷雾器,此法效果明显,常与降温结合使用:湿帘加湿主要用来降温,同时也可达到增加室内湿度的目的;温室内顶部安装喷雾系统,降温的同时也可以加湿。
1.3 温度、湿度之间的耦舍
温度与湿度之间有一定的耦合关系,对一个因子的控制常会带来另一个因子的变化。在冬季温室环境控制中,默认为温度控制优先的原则,在温度条件满足后,再来满足湿度条件。如温度过低、湿度过大的情况下,以加温为主导,只有当温度上升到一定值后,才能通风降湿,另一方面,温度提高本身可以使相对湿度降低。在夏季降温加湿的过程中,采用以湿度优先的原则。当湿度过小时,开启蒸发降温加湿装置。而当温度过高需要启动蒸发降温执行机构时,必须先检测室内的相对湿度,只有湿度低于某一设定范围时。才能启动蒸发装置。
1.4 二氧化碳含量的调节与控制
大气中二氧化碳平均浓度一般为0.03%,变幅较小。在冬春设施蔬菜生产中,为了保温,设施经常处于密闭状态,缺少内外气体交换,二氧化碳浓度变幅较大,中午设施内由于光合作用,二氧化碳浓度下降,接近甚至低于补偿点,二氧化碳处于亏缺状态应当及时的补充二氧化碳。补充二氧化碳的方法很多,常用的主要有三种:
(1)燃烧法。通过二氧化碳发生器燃烧液化石油气、丙烷气、天然气、白煤油等产生二氧化碳。当前欧美国家的设施栽培以采用燃烧天然气增施二氧化碳较普遍,而日本较多地采用燃烧白煤油增施二氧化碳。
(2)化学反应法。即用酸和碳酸盐类发生化学反应产生二氧化碳。目前较多采用稀硫酸和碳酸氢铵,在简易的气肥发生装置内产生二氧化碳气体,通过管道将其施放于设施内。该法成本较低,二氧化碳浓度容易控制,目前在我国的设施栽培中运用较多。
(3)施用颗粒有机生物气肥法。将颗粒有机生物气肥按一定间距均匀施入植株行间,施人深度为3cm,保持穴位土壤有一定水分,使其相对湿度在80%左右,利用土壤微生物发酵产生二氧化碳。该法无需二氧化碳发生装置,使用较为简便。
2、系统总体方案的设计
2.1 总体方案设计
本文设计和研制上、下位机温室大棚测控系统,以满足不同的需求。其中,上位机采用PC机,下位机采用单片机。下位机控制器应能完成以下工作:脱离监控主机独立地进行数据采集与控制,通过人机接口(键盘和显示器)实现参数设定、显示和人工干预控制输出等功能(可以满足普通大棚的基本需要)。下位机控制器是以单片机为核心的,整个系统包括主模块、数据采集与处理模块、输出控制模块、键盘显示模块和数据通信模块等。数据采集与处理模块能够完成温室内温度、湿度和二氧化碳浓度的模拟量的采集和处理,结果送数据存储器或传输给监控服务器,由监控服务器存储和管理,输出控制模块主要负责温室执行机构的控制;通信模块则是基于RS-232总线,由双绞线进行远程的数据传输,实现单片机和上位机的通信。
本系统主要由温室内外环境自动测试系统,自动控制系统,人机对话接口和通讯接口四个部分组成。原理框图如图1所示。
(1)温室内外环境自动测试系统。主要测试温室外空气温度、湿度,温室内空气温度、湿度、CO,浓度等环境参数。
(2)温室内环境自动控制系统。根据环境自动测试系统得到的结果控制相应执行机构的执行,为作物提供良好的生长环境。
(3)人机对话接口。LED显示系统:显示温室内的空气温度、湿度和C02浓度等环境参数值。键盘:用以人工预置各适宜环境参数值。报警信号:当对加热器、排风扇、通风窗和喷水设备的控制失效时,以及某环境参数值超过限定界限时,发出声光报警信号。提醒农艺人员采取相应措施。
(4)通讯接口。用来实现与PC机的通讯,将存储的测试数据
传送给PC机,可以方便的实现集中式管理。
2.2 方案设计
大棚蔬菜栽培,主要以冬、春两季为主。温度条件是促进蔬菜生长发育的动力。大棚内的温度变化规律是:昼夜温差大;晴天温差大于阴天,且棚温回升快;阴天棚温增温效果不明显。大棚内的蔬菜花卉在不同的季节所需要的具体的温度、湿度和二氧化碳的浓度是不同的,而且具体的不同的农作物所需要的温、湿度和二氧化碳的浓度也是不同的。本设计主要选取某一特定的农作物为研究对象,根据其需要,而供应不同范围的参数。
通过以上对大棚蔬菜中的参量及其相互关系的分析研究,笔者对系统总体方案进行设计,采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机、AD公司生产的AD590集成温度传感器、电容式湿度传感器HSll01,美国生产的红外CO2传感器6004。单片机通过ICL7135A/D转换器把从传感器输出的模拟信号转换成数字信号。而对湿度传感器HSll01的信号处理完之后的信号为脉冲信号,针对湿度的变化,脉冲的宽度会发生变化,所以可以直接把HSIIOI处理完之后的信号送到单片机的外部中断口0(INTO),来实现脉冲信号宽度的测量。显示部分由比较廉价的LED数码管对温度、湿度、二氧化碳浓度进行分时显示。
本设计采用的是声光报警,声光报警主要是控制蜂鸣器的发声频率和控制指示灯,使其在指定的区域一亮一灭,从而达到报警的目的。由于本系统所控制的温度、湿度以及二氧化碳浓度都是大惯量环节,大棚容量大,而控制精度要求相对不高,所以用常规的乒乓控制方法即可满足控制要求。具体的控制过程是:湿度低于某一值即打开滴灌电磁阀进行喷水,当湿度在期望值的范围内即关闭电磁阀;当温度高于期望的上限或湿度高于期望值上限时,单片机控制风扇进行排风;当温度低于期望值下限时,单片机驱动加热器进行加热;当二氧化碳的浓度低于要求的下限时,单片机控制二氧化碳容器排放适量的二氧化碳;当二氧化碳的浓度高于指定的上限时,单片机控制电磁阀打开天窗或者侧窗。这里采用光电隔离器主要是排除外界的干扰。具体的系统框图如图z所示:
3、小 结
本文综述了温室大棚内温湿度、二氧化碳浓度常用的调节与控制方法,并针对温室大棚的环境,提出了温度、湿度和二氧化碳浓度测控系统的方案设计,为温室大棚内温度、湿度,以及二氧化碳浓度测控系统详细设计做前期准备工作。
参考文献:
[1]张福漫设施园艺学[M],北京:中国农业大学出版社,2000:35-70
温湿度控制器篇10
【关键词】智能家居 传感器 应用
随着科技的不断进步，智能家居已经成为人们追求的品质生活。在智能家居的控制中，需要保证合适的温度、湿度以及光线等条件，而传感器则是重要的感知元件。通过传感器，可以将物理信号转化成为电信号，最终通过计算机系统来实现智能家居的控制。因此，结合高中物理所学的传感器知识，分析传感器在智能家居中的应用具有重要的意义。
1 传感器的原理及应用模式
1.1 传感器的原理
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，包括温度、声音、湿度和光线等。传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。通过将物理信息转化成为人们熟知的电信号来进行信息的传输处理，通过传感器，可以实现对信息的传输、处理、存储和控制等操作。
1.2 传感器的应用模式
传感器在输出的过程中，电信号相对较为微弱，无法实现对物理条件的控制，因而在传感器的运用中，需要调节电信号，使其可以抵抗外界因素的干扰。在测量过程中，通过驱动继电器来完成操作，可以通过计算机来处理数据和指令。其应用模式主要是在传感器放大后，通过执行机构、显示机构以及计算机系统的并行处理来实现对环境的监控。
2 传感器技术在智能家居中的应用
2.1 温度传感器的应用
温度传感器在智能家居中可以保证室温的恒定，是智能家居中必不可少的组成部分，在运用中，温度传感器可以根据季节的变化或者用户的需求来调整温度。在温度的测量中，通过温度传感器可以采集温度信息，在现代智能家居中，通常选择DS18B20温度传感器，其具有稳定性及性能强大的特点，在运用中，可以将数字信号转化成为电信号，通过计算机系统的控制，将温度的信息传递给计算机系统，继而通过中央控制体系传输给空调，实现智能家居的温度控制。
2.2 湿度传感器的应用
在智能家居的控制中，对湿度的控制可以提升用户的生活质量，为用户提供良好的生活环境。在智能家居的湿度控制中，主要是通过湿度传感器来实现对湿度的控制。在现阶段的湿度传感器选择中，主要采用808H5V5集成湿度传感器，其可以显示空气湿度的具体变化，在集成系统内部，存在湿度传感器以及放大电路，可以将湿度信息转化成为电压信号传递给计算机系统，系统通过人为的湿度需求，将调整方案输送给烘干或者加湿器，从而提升智能家居的环境。可见，在智能家居中，通过湿度传感器，可以实现对湿度的控制，从而避免家居的损坏或者对人体的皮肤造成损伤。
2.3 温湿传感器的应用
在智能家居的控制中，温度计湿度的控制均为环境控制的重要指标，但是仅仅对单一指标进行控制，将会浪费较多的资源，且会延长计算时间，需要通过计算机的合成来进行分析。因而需要探究新型的传感器应用方式。温湿传感器可以实现对温度和湿度的同时调节，符合智能家居的理念，且具有体积小和功耗低等特点。在目前的智能家居设计中，通常采用STH10温湿传感器来控制室内的温度和湿度，STH10芯片可以同时采集温度和湿度信息，在独立系统中对两种物理变量进行分开计算，并且转化成为电信号传输到相应的控制终端，实现智能家居的控制目的。
2.4 气体浓度传感器的应用
气体浓度传感器是智能家居的重要检测手段，在居家生活中，可燃气体以及污染气体是影响人们健康及生命的因素，在智能家居中，通过气体浓度传感器，可以实现对危险气体的分析，继而可以采取针对性的控制策略。在现代智能家居中，主要是通过TG S109气体浓度传感器进行监测，在监测的过程中，用户仅仅需要将检测气体的合理指标输入到计算机系统中，系统在采集相关信息后，即可对两种气体进行对比分析，一旦气体浓度超过范围，将会发出警报并且及时通过油烟机来清除气体。在智能家居中，通过气体浓度传感器的应用，可以实现对换气扇以及油烟机的调控，从而提升智能家居的享受效果。
2.5 图像传感器的应用
在智能家居中，图像传感器同样是重要的应用元件之一。主要是由于在现代建设中，需要通过监控设备来实现内部的监控以及住宅周边的监控，在传统的监控手段中，主要是通过摄像头来进行监控，而无法将信息传递给用户，一旦监控系统被破坏，将会导致用户承担较大的损失。而在智能家居系统中，通过PC端的监控，可以将信息发送给用户的手机或者电脑，实现远程监控，在在智能监控中，利用图像传感器，可以进行光电转换，其主要是由CCD和CMOS传感器组成，通过其可以制作数字摄像机，实现对智能家居的全面控制。
2.6 光电传感器的应用
在传统的生活方式中，人们在运用水源、电源以及光源等情况时，均需要手动设置开关来完成，而在智能家居中，通过光电传感器，可以实现对智能家居的全面控制。利用光阻可以设计自动照明灯，通过红外线感应系统，可以实现对居家的便利化照明，不需要人为进行控制。另外，在光电传感器的运用中，通过红外线传感器可以实现对水龙头、温度计湿度等多种条件的控制，这样可以节约相应的资源，且会提升用户的享受。
3 结语
在高中学习的现阶段，对传感器知识进行学习，而在现实生活中，智能家居同样对传感器进行运用，将两者结合起来，可以提升学习成效。本文主要结合高中知识，探究智能家居中传感器的运用，其主要包括光电传感器、温度传感器、湿度传感器、图像传感器以及气体浓度传感器。希望通过本文探讨，高中生可以提升对物理知识的重视，积极联系生活来提升学习质量和兴趣。
参考文献
[1]钱晖.多传感器融合技术在智能机器人系统中的应用[J].上海电气技术，2010（02）：44-48.
[2]杨栋，张建强，曹鹏，等.智能家居中体感技术的应用和前景[J].电视技术，2014（11）：65-69.
[3]张金良.GPRS和ZigBee技术在智能家居中的应用研究[J].信息与电脑（理论版），2015（10）：92-93.
作者简介
刘亦恒（1999-），男，河南省郑州市人。现就读于郑州一中1702班，对电子信息、通讯工程等有浓厚兴趣，多次到相关专业实验室参观学习，并参加有关交流考察活动。