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一种智能温湿度控制器的设计

更新时间: 2021-07-15

  随着电力系统规模越来越大、电压等级越来越高,供电可靠性也要求更加严格。供配电设备环境的温度、湿度是影响设备运行的重要因素。温度过高会加速仪器设备元器件老化,缩短其使用寿命,甚至直接导致设备损坏;低温、潮湿,设备表面产生凝露则有可能发生爬电、闪络等事故。

  基于以上考虑,在中高压开关柜、箱变、端子箱等供配电设备中进行温度、湿度控制是十分必要的。本文将介绍一种WHD型智能温湿度控制器的设计方法,最多实现三路温度、湿度的测量与控制;结合RS485总线技术及上位机软件,可实现数据及状态信息远传,满足低压配电智能化及网络化发展的需求。

  硬件系统以单片机为核心,按功能可划分为:电源供电、温湿度测量、控制输出、人机对话以及通讯五个部分,如图1所示。

  电源供电电路将AC220V或其他类型辅助电源转化为系统工作所需的直流电源。单片机将传感器测得的温湿度值进行比较、处理,确定输出控制部分继电器的工作状态,并显示和发送温湿度数值及输出控制部分的工作状态信息。人机对话部分具有按键信息录入功能,用户可根据实际情况,通过按键编程设置系统的工作参数。

  核心器件单片机选用STC公司的STC89C58RD+型单片机,它是一款兼容51内核的增强型8位机,片上资源丰富,抗干扰能力突出。STC89C58RD+(D版本)支持6时钟/机器周期,内含32K字节用户程序空间,片上集成1280字节RAM,16K字节EEPROM空间;支持ISP/IAP功能,无须专用编程器;片上还集成了看门狗电路及MAX810专用复位电路。

  温湿度的测量选用SENSIRION公司开发的数字式温湿度一体传感器芯片SHT11。该传感器可同时测温度、湿度,并提供全程标定的数据输出,所以使用该传感器既可以降低硬件成本,又方便了整机测试。其技术参数如下表所示:

  该传感器与CPU之间的通讯采用二线制方式,即DATA(数据)线和CLK(同步时钟脉冲)线。测量三路温度、湿度时,CPU与传感器的连接电路如图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分别与三路温湿度传感器SHT11连接,其中P1.0、P1.2、P1.4分别作为各路通讯的DATA(数据)线分别作为各路通讯的CLK(同步时钟)线K的上拉电阻将信号提高至高电平(详情请参考SHT11数据手册)。实际使用时,传感器与控制器之间(即图中虚线部分)以屏蔽线连接,经验证,CPU与传感器之间的最大通讯距离为10米。如果使用74HC245或其他芯片提高I/O口的驱动能力,可增加通讯距离,但会降低系统的抗干扰性能,因此不予采纳。

  系统采用LED数码管显示温度、湿度值,界面简洁明了。三路传感器测得的温度、湿度值以循环方式依次显示,显示部分共有7位数码管,其中4位用于显示温度值(显示范围:-40.0~100.0),并在编程状态下显示菜单及参数,2位用于显示湿度值(显示范围:0~99),1位用于显示当前显示或操作对应的传感器的编号(1~3)。数码管显示采用动态扫描方式,其驱动电路由集成电路74HC595及74HC164构成。74HC595是一款带有输出门锁功能的8位串行输入、并行输出(或串行输出)的移位寄存器,用于数码管的段驱动;74HC164的串行输入、并行输出功能用于扫描显示每一位数码管,如图3所示。

  系统采用继电器或可控硅作为控制输出,电源部分采用开关电源方案,通讯部分采用RS485接口,具体电路设计请参考相关书籍,此处不予赘述。

  系统软件设计包括以下四个部分:主程序、测量控制模块、显示模块及通讯模块。

  主程序完成上电或复位初始化,复位看门狗,查询按键信息等功能,程序设计流程如图4所示。

  程序初始化包括配置CPU的SFR,设置I/O口初始状态,从EEPROM读取工作参数,设置看门狗定时器的复位时间等。需要注意的是,一般只在主程序中喂狗,看门狗的复位时间时要设置的比测量程序中可能出现的最长等待时间还要长。以下给出主程序的部分C语言源代码。