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(jī)和I2C總線數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11設(shè)計(jì)了一套滿足此要求的自動化設(shè)備。
 
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jì)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(gè)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(jī)是集成在1塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)，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(jī)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(jī)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(shí)鐘），然后分別接SHT11的DATA和SCK，在時(shí)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(gè)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(jì)

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(gè)定值，而是一個(gè)范圍。執(zhí)行機(jī)只有兩種狀態(tài)：on，運(yùn)轉(zhuǎn)；off，不運(yùn)轉(zhuǎn)。對于這種執(zhí)行機(jī)，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(gè)溫度設(shè)置點(diǎn)：THIGH和TLOW,兩個(gè)濕度設(shè)置點(diǎn)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?yàn)樗鼫p少了繼電器開關(guān)次數(shù)。

2程序設(shè)計(jì)

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(shí)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(gè)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(jì)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(shí)鐘，并配置基本輸入輸出。軟件設(shè)計(jì)則采用Bang-Bang控制算法，需高低兩個(gè)溫度設(shè)置點(diǎn)，溫度高于高點(diǎn)則關(guān)閉電源，低于低點(diǎn)則打開電源?？刂瞥绦蚝到y(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。