E题恒温恒湿安全小屋设计报告三

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摘要：
本系统采用Arduino Mega2560作为中央主控，通过I/0口外接的DS18B20温度传感器和DHT22温湿度传感器，对题中要求的温度和湿度进行监测。通过串口屏实现温湿度及温度曲线显示功能。通过三个继电器分别控制加热管、半导体制冷片和超声波雾化器工作，实现加热、降温、加湿、降湿功能。增加四个风扇实现对流功能。通过PID算法分别控制三个继电器工作达到恒温恒湿要求。

关键词：Arduino；温湿度传感器：恒温恒湿：PID算法

一、引言
1.1简述
本设计要求制作一个具有恒温恒湿功能的安全小屋。通过加热管、半导体制冷片、超声波雾化装置和半导体制冷片工作，分别实现小屋升温、降温、升湿和除湿功能。开启对流风扇使整个小屋温度均匀，结合PID算法保持小屋温湿度恒定，所有温湿度数值均通过DS18B20和DHT22传感器在可触摸的串口屏上显示，并能通过触摸键盘完成温度曲线绘制和显示功能。

1.2整体设计思路
本系统的整体设计思路如下：在长宽高均为250mm的亚克力板小屋内，采用DS18B20传感器和DHT22传感器对温度和湿度进行监测，串口屏完成温湿度数值显示功能；启动屋内加热功能时打开对应的继电器使加热管工作，PID算法控制继电器启停使温度保持稳定；启动屋内降温功能时打开半导体制冷片，控制过程与加热过程相同；开启对流风扇使小屋内空气对流，控制小屋内各处温度偏差小于1℃；当温度发生突变时温度传感器检测温度异常并通过LED灯实现报警功能；触摸串口屏上的键盘输入温度曲线，单片机每隔一段时间采样温度传感器数值并实时传输到串口屏上，实现同一界面同时显示设定温度曲线和变化温度曲线功能。启动超声波雾化装置和半导体制冷片实现加湿和除湿功能，在加湿和降湿的同时轮流打开加热管和半导体制冷片维持温度恒定。

二、方案设计
2.1整体方案比较
方案一：主控芯片采用Arduino，温度传感器采用DS18B20，湿度传感器采用DHT22，直流风扇进行对流，显示部分使用串口屏。单片机采集温湿度数值发送到串口屏上显示；通过串口屏可设置目标温湿度，升温时打开1号继电器启动加热管工作；降温和除湿时打开2号继电器启动半导体制冷片工作；加湿时打开3号继电器启动超声波雾化装置工作；串口屏可显示设定温度曲线和实时温度曲线。Arduino是开源电子原型制作平台，代码量小，开发容易。DS18B20和DHT22具有精度高、响应快的特点，串口屏配合上位机软件进行图形化界面开发，上手轻松，操作简单。
方案二：主控芯片采用STC89C51，温度传感器采用DS18B20，湿度传感器采用DHT11，直流风扇对流，显示部分使用LCD12864。升温、降温/除湿、加湿时分别启动对应继电器控制加热管、半导体制冷片、超声波雾化装置工作。51单片机价格便宜，功耗较低，但/0口外接传感器时编写代码为复杂，程序代码量大，易出现问题。DHT1l温湿度传感器价格便宜，但精度较低，响应速率慢。LCD12864功耗低、体积小、重量轻，但编写代码相对复杂。
综上所述，采用方案一作为本系统整体设计方案。

本系统整体设计方案一如图1所示：



2.2部分方案比较
2.2.1加热模块方案
方案一：采用12V直流供电的PTC加热片作为本系统的加热模块。PTC加热片具有恒温发热、无明火、安全节能、受电源电压影响极小的特点。但开启电源后升温时间较长，切断电源后加热片表面余热较大，控制温度较难。
方案二：采用220V交流供电的加热管作为本系统的加热模块，加热管功率大、升温快，管身采用陶瓷制作，断电后表面余热较小，散热较快，控制温度相对容易。
综上所述，采用方案二作为加热模块方案。

2.2.2制冷和降湿方案
方案一：采用风冷方式对半导体制冷片热端进行散热，通过空气中的水蒸气在冷端金属片表面液化达到降湿的目的。风冷方式具有成本低的特点，适合于家庭使用，但散热该里一般，毛法满足木系统三分钟下路10℃的要求冷端液化被率不高，也无法达到良好的除湿效果。
方案二：采用水冷方式对半导体制冷片热端进行散热，利用水把热量带走，水的比热容大，散热效果良好。冷端金属片表面很容易液化，会发生结霜现象，达到优秀的除湿效果。
综上所述，采用方案二作为制冷和降湿方案。

2.2.3屏幕显示及绘制曲线方案
方案一：采用LCD12864作为本系统的屏幕显示模块。12864可显示汉字、图片，接口方式简单灵活，操作简单。结合本系统键入温度曲线的设置，需要外接按键电路，结构和操作均复杂化。只能显示黑白像素点，当设置曲线和实际曲线重合时无法有效分辨。
方案二：采用可触摸式彩色串口屏作为本系统的屏幕显示模块。串口屏与单片机接口线只有两条信号线，大大节约单片机的I/O口。配合上位机软件进行图形化界面开发，屏幕界面可自由设置，曲线设置和绘制均能在配套的开发软件中烧录。
综上所述，采用方案二作为制冷和降湿方案。

2.3整体电路设计
九个温度测试点的DS18B20温度传感器采用单总线方式连接到单片机一个l0口上，大大节约了单片机IO口资源。三个DHT22温湿度传感器和4个继电器分别连接到其他七个/O口上，整体电路简单明了。

2.4程序设计方案
单片机采集温湿度数据不断与设置值比较，结合PID算法进行动态调节，达到恒温恒湿的要求。温度控制和湿度控制具体过程如附录一中附图1、附图2所示。

三、设计实现
3.1加热方案实现
本系统加热模块原先采用的是4片l2V加热片一起工作，进行升温操作时，温度迅速升高，导致温度“过冲”现象，提前开启制冷装置对余温进行抑制，实际温度在设定点上下持续剧烈振荡，无法达到稳定的状态。结合加热效率高、数量少、余热小等特点，选择单根220V加热管作为本系统加热模块进行测试。加热管管身表面采用陶瓷制作，具有耐高温、热惯性小的特点，断开电源后加热管立刻停止工作，表面余热迅速冷却，控制温度恒定的要求上较之前方案有很大改善，对比前后测试结果最终选定220V加热管作为本系统的加热模块。

3.2降温方案实现
本系统将原有的风冷散热更改为水冷散热，在原有的基础上降温效果有很大提高，在规定时间内达系统要求的百分之九十以上，后期将结合其他制冷方式争取达到更好的制冷效果。

3.3屏幕显示方案实现
本系统使用可触摸式彩色串口屏进行图形界面开发，操作界面可根据个人喜好自由设置，串口屏拥有自己的烧录程序。配合对应的指令集可自由设置图形模块，曲线绘制及显示均能通过串口屏软件实现功能。

3.4对流方案实现
本系统采用四个直流风扇进行对流，对流风扇分布在系统的四个侧面，采用交替中下层式分布，开启对流风扇后温差逐渐减小并趋于定值逐渐稳定。

四、测试
4.1测试方案
4.1.1硬件测试
本系统可分为温度传感器模块、湿度传感器模块、显示模块、加热模块、制冷模块、加湿模块、降湿模块、对流模块这几个部分组成。对各模块先对其独立的功能进行测试，然后再一起测试整体功能。经过测试，该系统各部分功能均正常。

4.1.2软硬件联合调试
本系统软件算法部分相对重要，主要针对控温控湿部分进行算法控制。在现有的硬件条件基础上结合算法修改参数进行测试。经过反复调试，本系统各部分功能基本达到题目指标，数据采集与显示一切正常。

4.2测试条件和仪器



4.3测试结果分析4.3.1测试数据
关闭对流装置，对小屋中心点进行先升温2min再降温3min测试，测试结果如下表：
1.先升温冉降温测试



打开对流装置，测试点探入电烙铁，对小屋内各个测试点进行恒温测试，参考温度取九个温度传感器平均值，测试结果如下表：
2.恒温测试



打开对流装置并关闭加热和制冷模块，同时对小屋内各个测试点进行先升湿2min再降湿2min测试，测试结果如下表：
3.先升湿再降湿测试



4.3.2测试分析与结论
通过以上数据分析，本设计除降温效果和去除温湿度耦合要求难以完全达到指标外，其他结果均符合系统设计要求。


五、结论
本设计基本完成了系统设计的各项参数指标，达到了2min上升10℃以上并保持恒定的要求，当有烙铁探入测试口时LED报警，通过超声波雾化装置完成加湿要求，半导体制冷片通过液化完成降湿。整个比赛期间，在小屋的硬件结构搭建上花费了大量的时间，亚克力板各面孔洞的位置设计都经过了精细地考究，但还是出现了不少问题。例如打孔过小，模块难以插入，只能用锉刀修正。打孔过少走线很难穿出，也只能通过人为打孔的方式进行弥补。创新点方面，本设计利用DS18B20温度传感器单总线特性，将所有的温度传感器数据口连接到单片机同一个I/O口上，大大节约了/O口资源。由于硬件条件自身限制，在降温效果方面两台水冷散热的半导体制冷片只能在3min下降9℃，难以满足最低的降温要求。在后续设计中考虑采用多种制冷方式相结合的方法达到题目要求的指标。

六、参考文献
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[7]凯姆·卡尔文，秦勒·卡尔文，庞明珠.Arduino与电子制作[J].电子制作，2012，08：68-73.

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