梁文家

（長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

環(huán)境條件中的濕度是許多工農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、機(jī)房等場(chǎng)合的重要參數(shù)[1-2]，特別是工業(yè)中精密儀器、半導(dǎo)體器材，博物館保存的文物等都會(huì)因?yàn)檫^高的濕度使性能降低或者損壞[3]，因此研制能控制并保持恒定濕度的控制柜，對(duì)于這些貴重器物的保存就顯得格外重要[4]。

1 恒定濕度監(jiān)控柜硬件電路設(shè)計(jì)

文中所研究的恒定濕度監(jiān)控柜是首先由用戶設(shè)定要求的濕度值，通過濕度傳感器檢測(cè)柜內(nèi)濕度，當(dāng)濕度高于設(shè)定值時(shí)，控制除濕執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作進(jìn)行除濕，直至濕度合適并保持。控制柜的實(shí)時(shí)濕度通過一個(gè)數(shù)碼管顯示可供用戶隨時(shí)查看，其歷史數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在一個(gè)Flash芯片中，并定時(shí)將該數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，可供用戶存檔和分析。

恒定濕度監(jiān)控柜采用化學(xué)除濕方式，即利用分子篩來吸取控制柜空氣中水分，使得柜內(nèi)空氣濕度降低，達(dá)到物品儲(chǔ)存濕度條件。當(dāng)分子篩吸收水分達(dá)到飽和時(shí)，柜內(nèi)濕度將不再降低，此時(shí)，需將分子篩轉(zhuǎn)向柜子外部，并對(duì)其加熱，使得分子篩吸收的水分蒸發(fā)，水分蒸發(fā)后的分子篩可再次轉(zhuǎn)向柜內(nèi)，被重復(fù)使用以降低柜內(nèi)的濕度。恒定濕度監(jiān)控柜硬件電路結(jié)構(gòu)分為強(qiáng)電和弱電兩部分，如圖1所示。

1.1 恒定濕度監(jiān)控柜弱電電路設(shè)計(jì)

圖1 恒定濕度監(jiān)控柜硬件電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Constant humidity monitoring and controlling cabinet hardware structure

恒定濕度監(jiān)控柜弱電部分包括MCU模塊、顯示模塊、Flash存儲(chǔ)模塊、用戶設(shè)置按鍵模塊、濕度檢測(cè)傳感器模塊、時(shí)鐘模塊組成和網(wǎng)絡(luò)上傳模塊。

1.1.1 MCU模塊

MCU模塊的主芯片采用的是宏晶科技的STC89C51型單片機(jī)芯片，該芯片具有4K的Flash存儲(chǔ)器、512字節(jié)RAM、四個(gè)8位并行端口、ISP接口、IAP接口和2K的EEPROM，是一款低功耗，低價(jià)高可靠性的一款單片機(jī)。

1.1.2 濕度檢測(cè)模塊

濕度檢測(cè)模塊采用的是一款基于CMOSensTM技術(shù)的新型濕度傳感器，它將濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成在一起，濕度值輸出分辨率為14位[5]。

1.1.3 Flash存儲(chǔ)器

Flash存儲(chǔ)器采用SST的SST25VF0168芯片，該芯片是NAND型SPI串行接口的16 Mbits非易失性閃速存儲(chǔ)器，具有速度快、成本低、密度大的特點(diǎn)，它能以字節(jié)為單位進(jìn)行讀/寫操作，而擦除操作以塊為單位，每一塊的擦除能達(dá)到10萬(wàn)次左右。

1.1.4 數(shù)碼顯示模塊

數(shù)碼顯示模塊由MAX7219驅(qū)動(dòng)4個(gè)數(shù)碼管組成。MAX7219是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個(gè)獨(dú)立的LED。其上包括一個(gè)片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動(dòng)器，而且還有一個(gè)8×8的靜態(tài)RAM用來存儲(chǔ)每一個(gè)數(shù)據(jù)。 只有一個(gè)外部寄存器用來設(shè)置各個(gè)LED的段電流。

1.1.5 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊采用DS1302，DALLAS公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡(jiǎn)單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電路提供秒/分/時(shí)/日，日期/月/年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整。DS1302與單片機(jī)之間能簡(jiǎn)單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到三個(gè)口線——RES復(fù)位、I/O數(shù)據(jù)線和SCLK串行時(shí)鐘的讀/寫數(shù)據(jù)以一個(gè)字節(jié)或多達(dá)31個(gè)字節(jié)的字符組方式通信。

1.1.6 按鍵輸入模塊

按鍵輸入模塊用于用戶設(shè)定控制柜的濕度控制值，時(shí)鐘等各模塊的初始設(shè)置等功能，本控制柜共設(shè)置4個(gè)功能輸入按鍵。

1.1.7 網(wǎng)絡(luò)上傳模塊

網(wǎng)絡(luò)上傳模塊選用Conextop公司的NePort網(wǎng)絡(luò)串口轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)。其體積約為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RJ45插座，擁有10M/100M的以太網(wǎng)接口，并可同時(shí)傳送TCP/UDP包給多個(gè)數(shù)據(jù)接收設(shè)備，提供1～2個(gè)高速串口，波特率可達(dá)921600bps[6]。MCU通過標(biāo)準(zhǔn)串口同NePort連接，NePort通過路由器與中央服務(wù)器相連。每隔10秒鐘上傳濕度測(cè)量信息并實(shí)時(shí)上傳分子篩動(dòng)作信息。

1.2 恒定濕度監(jiān)控柜強(qiáng)電電路設(shè)計(jì)

強(qiáng)電電路主要用于驅(qū)動(dòng)除濕執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)和加熱機(jī)構(gòu)。

強(qiáng)電電路是由雙向可控硅光耦MOC3023和雙向可控硅BTA06組成的驅(qū)動(dòng)電路以及控制柜的電源模塊組成，控制柜電源采用220 V交流供電，同時(shí)為控制柜的強(qiáng)電結(jié)構(gòu)供電，同時(shí)采用變壓、整流、穩(wěn)壓生成5 V直流電，為控制柜的弱電結(jié)構(gòu)供電。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由MCU發(fā)出的控制信號(hào)AO和HO分別控制分子篩的轉(zhuǎn)動(dòng)和加熱。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

2 恒定濕度監(jiān)控柜濕度控制算法

恒定濕度監(jiān)控柜的主流程如圖3所示，濕度控制柜在用戶設(shè)定濕度值H0的基礎(chǔ)上，定時(shí)檢測(cè)柜內(nèi)濕度，當(dāng)柜內(nèi)檢測(cè)濕度H1大于設(shè)定值H0時(shí)，驅(qū)動(dòng)分子篩轉(zhuǎn)到柜內(nèi)，對(duì)柜內(nèi)空氣進(jìn)行除濕操作，當(dāng)柜內(nèi)濕度仍未達(dá)到設(shè)定值，而濕度卻不再減少是，表明分子篩已經(jīng)飽和，此時(shí)，必須將分子篩轉(zhuǎn)到柜外，并啟動(dòng)對(duì)分子篩的加熱，以去除其吸收的水分，去除后，再將分子篩轉(zhuǎn)入柜內(nèi)，繼續(xù)除濕，直至濕度達(dá)標(biāo)，即H1=H0。

圖2 分子篩轉(zhuǎn)動(dòng)和加熱驅(qū)動(dòng)硬件電路Fig.2 Zeolite rotating and heating organ driven hardware structure

圖3 恒定濕度監(jiān)控柜濕度控制算法主流程Fig.3 Constant humidity monitoring and controlling cabinet arithmetic main flow

恒定濕度監(jiān)控柜算法還將控制柜的動(dòng)作及每次檢測(cè)的濕度值和檢測(cè)時(shí)間實(shí)時(shí)存入到Flash中，每10 s將這些數(shù)據(jù)通過Neport接口發(fā)送到上位機(jī)，供用戶實(shí)時(shí)查看和分析。

3 恒定濕度監(jiān)控柜濕度控制結(jié)果

將恒定濕度監(jiān)控柜放在室內(nèi)，室內(nèi)濕度為50%R.H.，設(shè)定控制柜濕度為20%%R.H.，經(jīng)過30 h的測(cè)試，MCU將控制和濕度檢測(cè)結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)上傳模塊上傳到上位機(jī)中，上位機(jī)顯示結(jié)果如圖4所示。

圖4 恒定濕度監(jiān)控柜濕度控制結(jié)果Fig.4 Constant humidity monitoring and controlling cabinet results

由圖4可見，分子篩在控制柜剛開始工作時(shí)，處于極干燥狀態(tài)，迅速吸取柜內(nèi)空氣中的水分，柜內(nèi)空氣濕度迅速降低，工作到近3個(gè)小時(shí)時(shí)，分子篩接近飽和吸濕能力下降，濕度下降變慢，直至沒有降低，MCU驅(qū)動(dòng)分子篩轉(zhuǎn)向柜外，通過加熱將分子篩中的水分蒸發(fā)，此時(shí)，由于柜子內(nèi)部不可能完全與柜外空氣隔絕，所以柜內(nèi)空氣濕度開始緩慢增大，分子篩水分蒸發(fā)后，驅(qū)動(dòng)裝置將分子篩轉(zhuǎn)入柜內(nèi)，繼續(xù)吸收柜內(nèi)空氣水分，柜內(nèi)空氣濕度進(jìn)一步降低，到410分鐘時(shí)，分子篩再一次轉(zhuǎn)出柜內(nèi)，進(jìn)行加熱蒸發(fā)水分，后轉(zhuǎn)入柜內(nèi)，大約到540分鐘時(shí)，柜內(nèi)濕度達(dá)標(biāo)，并一直保持。

4 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種基于STC89C51的恒定濕度監(jiān)控柜，該控制柜通過濕度傳感器定時(shí)檢測(cè)柜內(nèi)濕度，并根據(jù)檢測(cè)情況控制分子篩的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有效實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)的濕度控制和保持。用戶可以通過柜上數(shù)碼顯示模塊實(shí)時(shí)查看柜內(nèi)濕度，還可以通過網(wǎng)絡(luò)上傳模塊上傳至上位機(jī)的數(shù)據(jù)來存儲(chǔ)和分析一定時(shí)間內(nèi)的柜內(nèi)濕度。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，該基于STC89C51的恒定濕度監(jiān)控柜能夠很好的降低柜內(nèi)濕度，并保持用戶設(shè)定的濕度要求。

[1]姚傳安.無(wú)線溫濕度測(cè)量傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007，15（2）:165-166.YAO Chuan-an.Design of wireless sensor network for monitoringtemperatureandhumidity[J].ComputerMeasurement&Control，2007，15（2）:165-166.

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[3]田建君.倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)通風(fēng)及溫、濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電子產(chǎn)品世界，2004（4）:70-71.TIAN Jian-jun.The system of automatic ventilating and temperature monitoring in warehouse [J]. Electronic Engineering&Product World，2004（4）:70-71.

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