精密电子设备的温湿度控制系统

1.引言

温湿度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计、湿度计来采集温度和湿度，通过人工操作加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。精密电子设备、服务器等网络核心设备，对温湿度的要求特别高，由于温度过高或过湿引起的元器件失效或死机瘫痪，对电子设备的可靠运行带来影响，给企事业的生产运行带来不可估量的损失。为了避免这些故障，需要在机房内安装控温、除湿设备，本方案采用了新型单片机对温湿度进行控制，特别适用于对温湿度控制要求较高的电子设备运行场所。

2.系统设计

2.1 工作原理

整个系统的核心采用由Atmel公司推出的低价位的20个引脚的低压、高性能8位微控制器AT89C2051，它含有2k字节可重编程闪速程序存储器，2.7-6v的操作范围，128字节RAM，两个16位定时/计数器，一个五向量两级中断，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器，六个中断源，直接LED驱动输出。15根I/O引脚线，其中P1口是一个8位双向I/O口，引脚P1.2-P1.7提供内部上拉电阻，P1.0与P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入和反相输入。当P1口引脚写入1时，其可用作输入端，而P3口中的P3.0-P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号，且它作为一通用I/O引脚而不可访问。P3.0-P3.5的其他功能与MCS-51系列单片机相同。由于AT89C2051引脚少、体积小、造价低，且通过在单块芯片上组合通用的CPU和闪速存储器，使它成为一种强劲的微型机算机，如图1所示。

温湿度控制系统是由温度检测电路、湿度检测电路、CPU监控电路、显示电路、A/D转换电路、排风与加热控制电路和单片微处理器等组成，其原理电路图如图1。

图1 工作原理

工作原理如下：当设备内部的温度低于设定值的下限或设备内部的湿度大于设定值的上限时，微处理器将使P1.3输出低电平，起动加热电路使电加热元件开始工作。加热或干燥设备内部；当设备内部温度大于低温加热设定上限时且湿度值小于过湿加热设定的下限时。P1.3输出高电平停止加热；当设备内部温度值超过排风降温设定上限时，微处理器使P1.4输出低电平，使排风扇控制电路工作，开始排风散热；当设备内部温度值小于排风降温设定下限时，微处理器使P1.4输出高电平，使排风扇控制电路停止工作。

2.2 温度检测电路

温度检测电路如图2所示，在此系统中，由LM358、R1、R3、R4组成比例运算，且输入信号从运算放大器的反相输入端引入；则它是一个反向比例运算放大电路。输入信号Ui经输入端电阻R1送到反相输入端；而同相输入端通过电阻R3接“地”。反馈电阻R4跨接在输出端和反相输入端之间。经过AD590的输入信号经LM358进行I/V转换后可得到电压输出，输出的电压Uout为100mV/℃，最后由A/D转换电路的通道2送给AT89C2051微处理器。图中R6、R5、R2用于相互配合调节温度测量的满刻度值。测温传感器AD590是集成温度传感器，整个测温范围内精度可达±0.5℃

图2 温度检测电路

图3 湿度检测电路

2.3 湿度检测电路

湿度检测电路由湿敏传感器、多谐振荡器和单稳态触发器等组成，采用C/V变换完成湿度检测，电路如图3所示。其中，IC1-a与R1、R2、C1组成多谐振荡器，在图3所示的参数下振荡频率约为50HHz，其输出脉冲触发单稳态触发器。单稳态触发器由IC1-b、R3以及HS1101组成。此输出脉冲经过R4、C3滤波后，经IC2(OP07)放大后输入到TLC0834的模拟电压输入通道1端。湿敏传感器采用电容式湿敏元件HS1101.图中，RP1用来调零，RP2用来调满刻度。

2.4 预定值设置键

为了设置预定的值，在系统中设置了3个按键，分别是功能键S1、加1键S2及减1键S3，用来设定温湿度的上下限。功能键是多功能键，按照按下的次数来区分功能键的多种功能。当功能键第一次被按下，数码管显示调整低温加热下限符号并显示低温加热下限的值，按加1减1键使该值符合要求后，再按一下功能键，则数码管显示调整低温加热上限符号并显示低温加热上限的值，按加1减1键使该值符合要求，这样依次类推，设定完最后一个参数后，再按一次功能键则完成参数设定进入监控状态。

2.5 监控电路

为了提高系统工作的可靠性，系统中增加了微处理器工作的监控电路。它用MAX813L实现，以防程序跑飞使系统失控。如果在1.6秒内微处理器AT89C2051不给MAX813L的看门狗输入端WDI触发信号，就说明程序已经紊乱跑飞或程序已进入了死循环，看门狗MAX813L将发出复位信号使系统重新复位重新运行。用于控制加热和排风电路中的电加热元件和排风扇控制用的接触器其触点容量选取时，应视控制对象的功率而定，至少在220V/10A以上。

3.结束语

通过对环境温湿度的数据的准确采集，精密控制，即节约了人力成本，又提高了设备运行的可靠性，特别是本系统采用了预定值设置键，对温湿度上下限可自行设置，方便灵活，是一种很好的机房温湿度控制解决方案。

[1]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1994,1.

[2]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998:282-283.