模块化智能温湿度控制器的设计与实现

赵印明　凌　光　王　江　王　琳

(国网浙江省电力公司　绍兴供电公司，浙江　绍兴312000)



模块化智能温湿度控制器的设计与实现

赵印明凌光王江王琳

(国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江绍兴312000)

摘要：针对传统温湿度控制器更换中存在浪费及可能触电的问题，设计了基于分列模块的智能温湿度控制器,该装置分为电源、温湿度检测、加热除湿控制、分析控制和显示面板等5个模块，采用标准化插件式设计,在装置发生故障时，可以通过不停电更换某个插件的方式排除故障.

关键词：温湿度控制器；分列模块；标准化

温湿度控制器是广泛应用于变电站内的重要测量控制装置，用于监测和调节高压开关柜、端子箱、汇控柜等箱体内部的温湿度，使电气设备工作于适宜的温湿度条件下，从而减少高温、潮湿对设备造成的不良影响，提高设备运行的可靠性.

目前使用的温湿度控制器均采用集成封装式结构，控制器损坏时只能够整体更换.而长期运行经验表明，控制器中电源部分损坏的几率最高，其次是面板显示部分，而其他部分损坏几率很低.因此，整体更换在设备和经济方面会造成很大的浪费.另一方面，目前的温湿度控制器电源均由外部220V交流电通过接线端子直接接入，在更换时必须停电处理，不仅大大降低了工作效率，而且有触电危险.

为解决上述问题，本文设计了一种基于分列模块的智能温湿度控制器，把温湿度控制器分解成5个模块：电源模块、分析控制电路、显示面板、加热除湿控制模块、温湿度检测模块[1].各个模块分别做成标准化可插拔插件，共同插接于一块底板上.发生故障时，只需更换相应的模块即可.本文给出了分列式控制器的设计方案，并通过制作样机进行测试，论证了其可行性.

1功能和原理

温湿度控制是一种闭环控制，由温湿度传感器检测温湿度的值，将检测值与设定值相比较，根据两者差异驱动加热器和风扇，把现场温湿度控制在设定值附近[2].因此，温湿度控制器应包含传感器、中央控制器、信号转换接口电路以及给上述模块供电的电源.本设计方案将温湿度控制器的各部分设计成独立可插拔的标准化功能模块，实现在其出现状况的情况下，快速更换插件即可解除故障的目的.

如图1所示，该设计主要由电源模块、分析控制电路、显示面板、加热除湿控制、温湿度检测模块组成.环境温湿度信息经传感器转化成电信号输入控制器中，该电信号一方面经控制器处理输出至显示面板上显示，另一方面经加热控制回路进行逻辑判断决定是否输出信号使加热器和风扇工作.电源

电路将直流110V电压转换成12V、5V及3.3V的电压，作为各个模块的工作电源.

2软件设计

本设计主程序主要实现以下功能：(1)测量所处环境温湿度并在面板上显示；(2)当温度低于设定值或湿度高于设定值时，加热器工作；(3)当温度高于设定值时，风扇启动，直至温湿度恢复到设定的阈值范围内，加热器或风扇停止工作.主程序框图如图2所示.

本设计的主控制板部分选用型号STM8S105K4T6C的单片机，STM8系列单片机具有16MHzRC振荡器，用于驱动内部看门狗和自动唤醒单元(AWU)的内部低功耗38kHzRC振荡器，以及上电/掉电保护电路，可降低外接元件数量，从而降低系统总成本.此外，还具有丰富的外围接口、定时器以及硬件调试接口(SWIM)，方便对系统进行调试[3].

3硬件设计

3.1　电源模块

在电气控制系统中电源的设计非常重要，只有电源设计得合理，电路的干扰才会较小，系统的稳定性才会增加[4].如图3所示，在此电源模块设计中，需要3组不同的电源：(1)功率放大器的工作电压为12V；(2)湿度传感器、液晶显示器、反相器、运算放大器的工作电压为5V；(3)D/A转换器、时钟、温度传感器的工作电压为3.3V.

本系统采用110V直流电供电，采用DC/DC降压模块，将110V直流电转换成12V直流电；采用1205的隔离模块，将12V直流电源转换成5V直流电，并实现高压110V与5V电源的隔离；采用LM1117芯片，将5V直流电源转换成3.3V直流电，对单片机、显示器以及SHT11检测芯片供电.LM1117芯片封装体积较小，有效节约了电源板的面积.

图3　电源模块电路图

3．2　主控制板电路

主控制板部分选用的STM8S105K4T6C单片机，它具有在线调试功能及2路温湿度测量信号的输入接口，利用单片机的I/O接口将读回的数据与设定的阈值进行比较,超出阈值则输出加热器控制信号进行加热，或输出风机控制信号使风机启动.同时实时将测量的数据与工作状态参数输出至显示器显示.其电路如图4所示.

3．3　整体接线图

图5为温湿度控制器装置的内部接线图，图中显示了各个模块与装置底板之间的接线状况.

4调试试验

为了检验设计的合理性和可靠性，将按照本文设计所制作的温湿度控制器放置在一定的环境条件下进行试验，通过改变设定的温湿度阈值范围，检验其能否准确显示温湿度值，且加热继电器及风机继电器能否可靠动作.实验结果见表1.

实验结果表明，所设计的基于分列模块的智能温湿度控制器能够实现以下功能：

(1)检测箱体内的温度和湿度值，并且在显示屏上准确显示；

图4　主控制板电路图

图5　装置内部整体接线图

表1实验数据

预定温度下限/℃预定温度上限/℃预定湿度上限/%实际测量温度/℃实际测量湿度/%加热继电器是否动作风机继电器是否动作10309032.578.5否是10407032.877.9是否40609032.678.2是否10408532.778.1否否

(2)当箱体内温度高于设定温度的上限值时加热器不动作，风机继电器动作；当控制温度低于设定的下限值时，风机继电器不动作，加热继电器动作，直至温度恢复至设定值以内，继电器返回；

(3)当箱体内湿度高于设定湿度的上限值时，加热继电器动作，起到加热除湿的作用；当控制箱湿度下降至低于设定的上限值时，加热继电器断电，停止加热.

此外，对该控制器的电源模块、温湿度检测输入模块、加热除湿控制模块、主控制板等进行了多次热插拔试验，结果表明，装置能够实现带电更换插件的功能，实现了设计要求.

5结束语

本文采用模块化设计，将传统的温湿度控制器转变为几个独立且通过背板相连接的功能模块，除了实现基本的温湿度检测、显示和控制的功能外，最大的优点是能够在出现故障的情况下，可通过带电更换损坏模块的方式迅速消除故障，既节约了时间成本，提高了检修效率，又避免了装置整体更换造成的浪费.同时避免了人与110V直流电源的直接接触，消除了低压触电的风险.

此外，本装置采用的插件式的结构还可以方便地进行扩展，可以增加半导体冷凝片来除湿；增加无线通信模块，实现对温湿度的无线控制等.

参考文献:

[1]陈晓楠，张慧.基于单片机的温湿度控制系统的设计[J].电子制作，2014(6):22-24.

[2]李丽，汤学博，刘嘉文，贺慧勇.电力设备温湿度控制器的设计[J].制造业自动化，2013：34(20):146-149.

[3]陈国照.STM8系列单片机的开发与应用[J].甘肃冶金，2011(2):77-78.

[4]方玉鑫.基于单片机的温湿度控制系统的研究与应用[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2012.

(责任编辑邓颖)

Design and Implementation of Intelligence Temperature

and Humidity Controller Based on Disaggregated Modules

Zhao YinmingLing GuangWang JiangWang Lin

(State Grid Shaoxing Power Supply Company, Shaoxing, Zhejiang 312000)

Abstract：An intelligence temperature and humidity controller based on disaggregated modules is designed in order to solve the problems of waste and possible electric shock of traditional temperature and humidity controllers. The device is divided into five modules covering the power providing module, temperature and humidity testing module, heating and dehumidification control module, and analysis and control panel displaying module. When the device fails, a standardized plug-in design can eliminate the fault by replacing a plug-in with no power cut.

Key words：intelligence; temperature and humidity controller; disaggregated module; standardization

中图分类号：TP273

文献标志码：A

文章编号：1008-293X(2015)10-0075-04

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2015.10.16

*收稿日期：2015-10-13

作者简介：赵印明(1991-)，男，山东济宁人，助理工程师，主要从事变电站运行维护工作