一种智能温湿度控制器的设计

0　 引言
　　随着电力系统规模越来越大、电压等级越来越高，供电可靠性也要求更加严格。供配电设备环境的温度、湿度是影响设备运行的重要因素。温度过高会加速仪器设备元器件老化，缩短其使用寿命，甚至直接导致设备损坏；低温、潮湿，设备表面产生凝露则有可能发生爬电、闪络等事故。
　　基于以上考虑，在中高压开关柜、箱变、端子箱等供配电设备中进行温度、湿度控制是十分必要的。本文将介绍一种WHD型智能温湿度控制器的设计方法，最多实现三路温度、湿度的测量与控制；结合RS485总线技术及上位机软件，可实现数据及状态信息远传，满足低压配电智能化及网络化发展的需求。
1　 硬件电路设计
1.1   硬件设计的总体思路
　　硬件系统以单片机为核心，按功能可划分为：电源供电、温湿度测量、控制输出、人机对话以及通讯五个部分，如图1所示。
　　电源供电电路将AC220V或其他类型辅助电源转化为系统工作所需的直流电源。单片机将传感器测得的温湿度值进行比较、处理，确定输出控制部分继电器的工作状态，并显示和发送温湿度数值及输出控制部分的工作状态信息。人机对话部分具有按键信息录入功能，用户可根据实际情况，通过按键编程设置系统的工作参数。

1.2   硬件的具体电路及原理
　　核心器件单片机选用STC公司的STC89C58RD+型单片机，它是一款兼容51内核的增强型8位机，片上资源丰富，抗干扰能力突出。STC89C58RD+（D版本）支持6时钟/机器周期，内含32K字节用户程序空间，片上集成1280字节RAM，16K字节EEPROM空间；支持ISP/IAP功能，无须专用编程器；片上还集成了看门狗电路及MAX810专用复位电路。
　　温湿度的测量选用SENSIRION公司开发的数字式温湿度一体传感器芯片SHT11。该传感器可同时测温度、湿度，并提供全程标定的数据输出，所以使用该传感器既可以降低硬件成本，又方便了整机测试。其技术参数如下表所示：
　　温度参数：　　     

参数	条件	典型	单位
分辨率		0.01	℃
精度	0～60	±1	℃
量程范围		-40～120	℃

　　湿度参数：　

参数	条件	典型	单位
分辨率		0.03	％RH
精度	20％～80％	±3	％RH
量程范围		0～100	％RH

　　该传感器与CPU之间的通讯采用二线制方式，即DATA（数据）线和CLK（同步时钟脉冲）线。测量三路温度、湿度时，CPU与传感器的连接电路如图2所示。CPU通用I/O口中的P1.0和P1.1，P1.2和P1.3，P1.4和P1.5分别与三路温湿度传感器SHT11连接，其中P1.0、P1.2、P1.4分别作为各路通讯的DATA（数据）线，P1.1、P1.3、P1.5分别作为各路通讯的CLK（同步时钟）线，DATA线需外加10KΩ的上拉电阻将信号提高至高电平（详情请参考SHT11数据手册）。实际使用时，传感器与控制器之间（即图中虚线部分）以屏蔽线连接，经验证，CPU与传感器之间的最大通讯距离为10米。如果使用74HC245或其他芯片提高I/O口的驱动能力，可增加通讯距离，但会降低系统的抗干扰性能，因此不予采纳。

　　系统采用LED数码管显示温度、湿度值，界面简洁明了。三路传感器测得的温度、湿度值以循环方式依次显示，显示部分共有7位数码管，其中4位用于显示温度值（显示范围：-40.0～100.0），并在编程状态下显示菜单及参数，2位用于显示湿度值（显示范围：0～99），1位用于显示当前显示或操作对应的传感器的编号（1～3）。数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路由集成电路74HC595及74HC164构成。74HC595是一款带有输出门锁功能的8位串行输入、并行输出（或串行输出）的移位寄存器，用于数码管的段驱动；74HC164的串行输入、并行输出功能用于扫描显示每一位数码管，如图3所示。
　　系统采用继电器或可控硅作为控制输出，电源部分采用开关电源方案，通讯部分采用RS485接口，具体电路设计请参考相关书籍，此处不予赘述。

2　 软件设计方法
　　系统软件设计包括以下四个部分：主程序、测量控制模块、显示模块及通讯模块。
　　主程序完成上电或复位初始化，复位看门狗，查询按键信息等功能，程序设计流程如图4所示。

　　程序初始化包括配置CPU的SFR，设置I/O口初始状态，从EEPROM读取工作参数，设置看门狗定时器的复位时间等。需要注意的是，一般只在主程序中喂狗，看门狗的复位时间时要设置的比测量程序中可能出现的最长等待时间还要长。以下给出主程序的部分C语言源代码。[page]
　　void  Main ()
　　{
　　WDT_CONTR = 0x00;//关闭看门狗
　　InitialEeprom();//读EEPROM
　　InitialIO();//初始化I/O状态
　　InitialSFR();//设置SFR
　　InitialSHT11();//初始化传感器
　　InitialComm ();//初始化通讯口
　　WDT_CONTR = 0x35;//喂狗1.25秒
　　while(1)
      　　{
     　　  WDT_CONTR = 0x35;
      　　 KeyScan();//按键查询
     　　  KeyProcess();//按键信息处理
    　　  }
　　}
　　通讯收发处理、显示和温湿度测量控制均以中断方式实现，优先级顺序为：串口通讯中断（最高）→显示中断→测量控制中断（最低）。 
　　系统通讯采用标准MODBUS-RTU规约，便于上位机管理软件设计，与其他网络仪表组网使用，实现对供配电系统的完整监测。

3　 产品应用
　　在电力供配电环境中进行温湿度控制，一般采取如图5所示的方案。

　　 通过温湿度传感器采集开关柜或箱式变电站中的温度、湿度信息，经控制器处理后输出继电器触点信号（断开或导通），再将触点信号连接到温湿度调节设备（一般使用加热器或风扇）的电源回路中，用于控制其工作或停止，以实现对温湿度的智能化控制。
　　WHD型智能温湿度控制器通用技术指标如下：

技术参数		指标
控制对象		1～3路温湿度
功能	升温	设置范围：-10℃～10℃
	降温	设置范围：30℃～45℃
	除湿	设置范围：75％～90％
输出 触点	数量	每组温湿度对应2路触点
	容量	250V/5A
通讯	接口	RS485
	协议	标准MODBUS-RTU
	波特率	1200、2400、4800、9600、19200
辅助电源		AC/DC220V，允许85～270V

　　此类温湿度控制器可控制一路、二路或三路温湿度，每一路温湿度传感器对应一组（二个）继电器输出触点，其中一个触点用于控制加热器，实现升温或除湿控制，另一触点用于控制风扇，实现排风控制。当传感器或加热器发生故障时，控制器会发出报警信号。
　　控制器中还可设置温湿度控制的回滞量，即调节设备的启动条件与停止条件之差。如图6所示，以加热升温为例，当环境温度降低到预先设置“加热启动温度”以下时，控制器输出触点导通信号，加热器工作，环境温度逐渐上升；当环境温度上升至“加热停止温度”以上时，控制器输出触点断开信号，加热器停止加热。根据经验，回滞量一般设置在4～10（℃或RH％）范围内较合适。

　　铝合金加热器是电力供配电系统中最常用的温湿度调节设备，下面是由经验总结的环境空间大小与加热器功率选择的关系，供读者参考。

环境空间大小（m3）	加热器功率（W）
≤0.5	50～75
0.5～1	100～150
1～1.5	200左右
1.5～2	250左右
2以上	300或更大

　　WHD型智能温湿度控制器可将测量的温湿度值及控制系统中的各种状态信息通过RS485通讯接口向上位机远传，由上位机管理软件实现遥测、遥控，满足了智能化、网络化发展的要求。

4 　结束语
　　本文介绍了一种智能温湿度控制器的设计方法及应用，可实现最大三路温湿度的采集、控制，并具有编程参数设置和RS485（MODBUS-RTU）通讯功能。经实践验证，参照此方法设计的WHD系列产品在实际应用中易于用户使用，控温及控湿效果显著。同时，该产品的抗电磁干扰性能突出，例如，5kHz和100kHz频段抗脉冲群干扰可达到三级，适合在电磁环境相对恶劣的电气设备中使用。