基于Bang-Bang控制的溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)
在一些倉儲管理、生產(chǎn)制造、氣象觀測、科學(xué)研究以及日常生活中，對溫濕度的要求普遍存在，如《檔案庫房技術(shù)管理暫行規(guī)定》中就明確指出：檔案庫房(含膠片庫、磁帶庫)的溫度應(yīng)控制在14～24℃，有設(shè)備的庫房日變化幅度不超過±2℃;相對濕度應(yīng)控制在45%～60%，有設(shè)備的庫房日變化幅度不超過±5%。本文利用新型的C8051F020單片機和I2C總線數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11設(shè)計了一套滿足此要求的自動化設(shè)備。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
基于C8051F020的檔案庫溫濕度控制器，主器件為8051F020，從器件為I2C總線數(shù)字溫濕度傳感器SHT11。
SHT11是瑞士Sennsirion公司生產(chǎn)的具有I2C總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對濕度和溫度傳感器。傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器一般都要設(shè)計信號調(diào)理電路并經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復(fù)性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。SHT11是瑞士Sennsirion公司推出的基于CMOSensTM技術(shù)(將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線全部集成在一個芯片上)的新型溫濕度傳感器，該傳感器的濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位。
C8051F020單片機是集成在1塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機，具有與MCS8051內(nèi)核及指令完全兼容的微控制器。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051機的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，內(nèi)部還具有JTAG和調(diào)試電路，通過JATG接口可以使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品上的單片機進(jìn)行非侵入、全速及在線系統(tǒng)調(diào)試。
由二者組成的溫濕度控制器的硬件連接如圖1所示。
圖1 C8051F020與SHT11的接線圖
利用I/O端口初始化程序啟動優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器把P0.0、P0.1引腳分別配置成SDA
(串行數(shù)據(jù))、SCL(串行時鐘)，然后分別接SHT11的DATA和SCK，在時鐘的控制下來完成對SHT11采集并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后的溫濕度數(shù)據(jù)的讀取，P0.2、P0.3被配置成基本輸入輸出，根據(jù)讀取的溫濕度值的高低來控制兩個繼電器，進(jìn)而達(dá)到控制溫濕度調(diào)節(jié)器的目的。在串行通信過程中主器件為8051F020，從器件為SHT11。
軟件設(shè)計
1 Bang-Bang控制
在檔案室溫濕度控制中，對溫濕度的要求不是一個定值，而是一個范圍。執(zhí)行機只有兩種狀態(tài)：on，運轉(zhuǎn);off，不運轉(zhuǎn)。對于這種執(zhí)行機，采用典型的數(shù)字控制算法為Bang-Bang控制算法。這樣需要兩個溫度設(shè)置點：THIGH和TLOW,兩個濕度設(shè)置點HHIGH和HLOW。溫度控制和濕度控制一樣，所以只介紹溫度的控制。如果溫度高于THIGH，則控制器關(guān)閉電源(繼電器釋放)，如果溫度低于TLOW，則控制器打開電源(繼電器吸合)。THIGH與TLOW之差稱為滯后。使用滯后延長了繼電器的使用壽命，因為它減少了繼電器開關(guān)次數(shù)。
2程序設(shè)計
該程序包括：
● 系統(tǒng)復(fù)位子程序(Reset_Init)：完成對內(nèi)部振蕩器的設(shè)置，對XBR0和XBR2的設(shè)置將SMB連到通用的I/O引腳;
● SMBus初始化子程序(SMBus_Init):配置并使能SMBus，設(shè)置SMBus時鐘速率，為第一次傳輸清除SM_BUSY標(biāo)志;
● A/D轉(zhuǎn)換和讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)得子程序(ADCRead);Bang-Bang控制算法子程序(Bang-Bang);
● 輸出控制子程序(OUTcontrol)。現(xiàn)把主要的啟動A/D轉(zhuǎn)換及讀取數(shù)據(jù)子程序給出。
ADCRead：
WRITE EQU 00H
//SMBus寫命令
READ EQU 01H
//SMBus寫命令
Chip-A EQU 00H
//SHT11從地址
MEAMURE_TEMP EQU 03H
//SHT11測量溫度命令
MEARURE_HUMI EQU 05H
//SHT11測量濕度命令
CLR RW
//寫從地址
MOV A,#CHIP_A
ORL A,#WRITE
MOV WRIT_ADC, A
SETB SM_BUSY
SETB STA
JB SM_BUSY, $
//寫溫度測量命令
CLR RW
MOV A,# MEAMURE_TEMP
ORL A,#WRITE
MOV WRIT_ADC, A
SETB SM_BUSY
SETB STA
JB SM_BUSY, $
//讀測得的溫度
SETB RW
MOV A, # CHIP_A
ORL A,#READ
MOV READ_ADC, A
SETB SM_BUSY
SETB STA
ACALL DELAY
MOV TEMPR, RECEIVE_BYTE
------------------
//寫濕度測量命令
------------------
//讀測得的濕度值
由于濕度測量和溫度測量程序相同，所以沒有給出，測量后的溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)分別放在TEMPR和HUMIR兩個寄存器中，然后經(jīng)過線性修正程序和棒棒算法程序后控制繼電器的動作。
結(jié)束語
本文設(shè)計溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主器件為8051F020，從器件為I2C總線數(shù)字溫濕度傳感器SHT11，接口電路用I/O端口初始化程序啟動優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器把引腳分別配置成串行數(shù)據(jù)及串行時鐘，并配置基本輸入輸出。軟件設(shè)計則采用Bang-Bang控制算法，需高低兩個溫度設(shè)置點，溫度高于高點則關(guān)閉電源，低于低點則打開電源。控制程序含系統(tǒng)復(fù)位、初始化、A/D轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、Bang-Bang控制算法及輸出控制子程序。
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