盐浴炉的温湿度控制系统设计

关键词：温湿度传感器；显示器；单片机

1 绪论

1.1 课题研究的背景

工农业生产中对温湿度有严格的把控。同时人们在生活中对温湿度也有相应的标准，适宜的温湿度对生产以及生活都有非常重要的作用。农业生产中，对温度和湿度及时进行监测，能够达到提高品质的目的[1]。生活中，人们的舒适感和情绪变化也和自然环境中的温湿度变化有关系，不管生活还是生产，合理地对温度和湿度进行监管和调控是非常重要的。

盐浴炉的工作原理是利用熔融盐液当作加热介质，并把工件浸入盐液内，利用高温环境进行加热。由于盐浴炉内温度很高，一般在150～1300℃之间[2-3]，所以对其温度进行监测的传感器必须满足条件。当前有3种传感器能达到要求，一是具有热电效应的铂铑10——铂传感器，其测量范围宽、精度高，但成本太高[4]。二是利用非接触型温度传感器，但其成本也高。第三种是根据传感器材料颜色的变化来判断温度，但由于检测温度不连续，也不适于盐浴炉中。所以针对以上传感器的缺点，本论文采用DHT11传感器来监测温湿度，在测量效果上与铂传感器相似，但价格却低很多。

1.2 课题研究的意义

随着人们对温湿度认识的提高以及温湿度产品的出现，让人们在这方面能进行更多的人为控制和干预[5]。生活处处和温湿度有关，比如：人类生存的大气环境以及工厂前线的工业生产和大型机械化的农业生产，都和温湿度密切相关。最早的温湿度检测方式是轮换值班，手动对环境状况进行测量并记录。这样不仅会造成人力资源浪费，而且由于人的间断性观察会造成数据的丢失。此外，如果人为观察并不能做到准时、准确、稳定地记录数据，长此以往会造成巨大的隐患。故本次设计对于类似课题的研究还具有普遍意义。

1.3 课题研究的主要内容

对于控制系统来说，传感器的使用决定着这套系统的指向性，选择合适的数据进行采集可以对实验现象分析得更到位。所以本实验选择温度和湿度传感器进行数据的采集，以此来反映整个监控系统的工作状态。

1） 温度传感器

温度传感器的主要组成：温度传感器、信号处理器、模拟/数字转换器、存储器和接口电路[6]。生活中最常接触的应用是家用的冰箱、洗衣机、空调等，这些家用电器使用的都是成本低、可靠、稳定性久的温度传感器，从而达到最高的性价比。还有在医疗设备上，因为要求测量跨度在正常人体可达到的温度范围之间，所以精度一般小于0.1℃[7]。除了这些应用，在工业、太空探索和感测应用等方面，传感器也有较多使用。

2） 湿度传感器

湿度传感器主要是由于环境中的水分附着在湿敏元件上时，导致电阻发生改变，以此原理制成湿度传感器。湿度传感器在农业生产当中有较多的用途，例如：生产农产品的现代化人工大棚、农产品的良种培育以及保存农产品的地下菜窖等。不仅如此，对于手术室的环境监测，生产药品的环境监测等都需要用到湿度传感器。除了这些还有布匹的生产、书籍报刊的印刷、烟草的制造、啤酒的发酵和文物的保管等都需要对湿度进行严格的把控。不同精度和湿度范围的湿度传感器价格相差特别大，所以选择时一定要根据系统的要求进行选型。

2 系统总体方案设计

2.1 功能要求

该系统整体的工作原理是温湿度传感器采集环境中的温湿度信息，经过模数转换后发给单片机。单片机经过智能处理后传给液晶屏。液晶屏显示出采集的温湿度数据。最后编写程序，设置温湿度的范围，超过范围的温湿度在显示时会出现错误；同时蜂鸣器会发出响声提醒。

2.2 设计思路

电路中显示模块用的是1602型号液晶屏，中央处理器用的是STC89C52型号的单片机，温湿度采集部分模块用的是DHT11温湿度传感器，报警模块用蜂鸣器[8]。通过软件编写程序，来决定整个系统模块的功能。由温湿度传感器来获得环境中的温湿度信息，DHT11自带模拟到数字的转换，将获得的模拟信号转变为数字信号，传给单片机。单片机通过智能处理，将数据传给直接与它相连的液晶显示屏[9]。如果获得转换后的数字信号不在设定好的温湿度范围之内，液晶屏显示错误，此时蜂鸣器也会发出滴滴的响声来报警。这就是实现系统总体要求的设计思路。这样一个一个模块地做下去，最后将各个模块逐个连接起来，该论文的任务就顺利完成。

2.3 总体设计框图

由以上设计方案，制定系统的布局，具体如图1 所示。

位于框图右上方的是DHT11温湿度传感器，经过串口连接与中心的STC89C51直接相连。位于框图右中间的是1602液晶屏，也是串口与主控模块相连[10]。位于框图右下方的报警模块是一个蜂鸣器。在完成设计系统时，先在网上购买型号为DHT11的温湿度传感器，型号为1602的液晶显示屏幕，型号为STC89C51 的单片机，最后买个蜂鸣器。将它们通过接口和焊接的方式连接成一个整体，再通过编写程序一步一步地实现设计要求，慢慢地来修正错误，不断地改善系统即可。

3 系统硬件设计

3.1 概述

此次系统主要由LCD液晶显示模块、主控模块、传感器模块及报警模块这四大模块构成。核心模块是STC89C52芯片主控模块，将其他模块直接与主控模块的接口相连即可构成整个系统[11]。该系统的报警部分是为了防止温湿度超标设置的警示，一旦超过阈值，便可以提示工作人员做进一步的处理。LCD液晶显示模块是用来显示单片机处理后的数据。

3.2 主控模块设计

3.2.1 STC89C52芯片的简介

现阶段常用的微处理器如51系列、STC系列都有不错的性能，它们功能强大且使用简单，尤其是编程的过程中，没有复杂的头文件以及语法，这让很多做控制的公司都对此青睐。本论文所采用的是STC系列单片机，原理图如图2所示。它的标准功能：一个6 向量2级中断结构，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，8k字节Flash，32 位I/O口线，256字节RAM，看门狗定时器[12]。其次，在烧录程序的过程中，系统非常稳定，基本不会出现下载失败以及程序丢失等问题。

3.2.2 主控模块电路原理图

单片机主程序模块读取DHT11传感器采集到的信号，分析并处理数据信号，接着传到1602液晶显示模块，最后连接蜂鸣器[13]。其电路如图3所示：

3.3 DHT11传感器模块设计

3.3.1 DHT11传感器简介

温湿度的监控是该套装置的一项重要内容，因为监控环境比较复杂，这里对温湿度传感器的选型至关重要。本文选择的温湿度传感器是DHT11数字温度传感器，这是将温度和湿度融合起来的一款传感器，而且信号传输方面采用的是数字信号传输，这样受周围环境的影响就大大降低。因此，它能确保产品拥有可靠性高和稳定性久的特点，传感器与一个高性能8 位单片机相连接，它包括一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件[14]。所有DHT11传感器都会进行校准，其湿度校验极为精确。如图4为典型应用电路。

DATA用于DHT11与微处理器间的通信和同步， 数据格式为单总线。每次通信时间接近4ms，数据分为整数部分和小数部分。电气特性：VDD=5V，T =25℃，除非特殊标注。通信过程如图5所示。

3.3.2 DHT11传感器模块电路设计

选择好了温湿度传感器后，需要将该传感器接入电路，因为在微处理器的选择上，选用了结构简单并且性能强大的STC系列单片机，该单片机可以直接将自己的引脚接口用来收发数据。又因为测量范围电路小于20米，所以要在电源与传感器的Pin2口之间连接一个5K的上拉电阻。传感器的电源端口Pin1接单片机的VDD端，传感器的Pin3悬浮放置，Pin4接单片机的GND端。

3.4 1602液晶显示模块设计

3.4.1 1602液晶显示模块电路原理图

液晶显示是用电压来控制显示。接通电流，图形即刻显示在屏幕上。液晶显示器的特点：厚度薄、轻松实现全彩色显示、可直接驱动大规模集成电路。目前已经在数字仪表、计算机、工业生产等众多领域广泛应用。

3.5 报警模块

3.5.1 蜂鸣器介绍

报警模块在整个监控系统中作为监控的最后一道防线，一旦被突破，后果是灾难性的。所以在对报警模块的设计过程中，工作稳定一定是最重要的。常用的报警装置是蜂鸣器，它是依靠直流电压给其供电的一体化结构设备。从分类上来看主要分为压电式和电磁式，工作原理图如图7。

4 系统软件设计

对本次设计所需硬件有了更深刻的认识，将整个设计模块化，最后将各个模块有机地结合起来，构成总系统。流程图如图8所示：

5 系统分析与调试

因为对盐浴炉的温湿度控制实验条件较为复杂，所以本文采用protel99se软件进行仿真，仿真图如图9。从该图中显示出温湿度的变化可以清晰地反映到显示器上，同时设置的报警蜂鸣器也在关键时刻起到作用。