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一種智能溫濕度控制器的設計

2011年08月25日 10:15上海怡珠電氣有限公司點擊量：2836

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。供配電設備環(huán)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(chǎn)生凝露則有可能發(fā)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，zui多實現(xiàn)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(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)絡化發(fā)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(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*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，無須編程器；片上還集成了看門狗電路及MAX810復位電路。
 
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zui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(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(shù)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(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(tǒng)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(tài)，從EEPROM讀取工作參數(shù)，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(xiàn)的zui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(tài)
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(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（zui高）→顯示中斷→測量控制中斷（zui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計，與其他網(wǎng)絡儀表組網(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（斷開或導通），再將觸點信號連接到溫濕度調節(jié)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(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指標如下：
 

技術參數(shù)
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(shù)量
每組溫濕度對應2路觸點
容量
250V/
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。
 
控制器中還可設置溫濕度控制的回滯量，即調節(jié)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(huán)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(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zui常用的溫濕度調節(jié)設備，下面是由經(jīng)驗總結的環(huán)境空間大小與加熱器功率選擇的關系，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)絡化發(fā)展的要求。
 
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(xiàn)zui大三路溫濕度的采集、控制，并具有編程參數(shù)設置和RS485（MODBUS-RTU）通訊功能。經(jīng)實踐驗證，參照此方法設計的WHD系列產(chǎn)品在實際應用中易于用戶使用，控溫及控濕*。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備中使用。
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