E题恒温恒湿安全小屋设计报告一

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    摘要:
    本系统采用Arduino Mega 2560作为中央主控;通过DSI8B20 温度传感器和DHT22温湿度传感器分别对温度和湿度进行监测，将温度和湿度传感器测量到的数值传给单片机，然后通过12864液晶进行显示，并通过键盘和按键进行外部输入，对温度和湿度进行设定。单片机将设定温度与小屋内温度进行比较然后根据比较的结果来判断是通过加热管加热，还是通过制冷片降温，最终实现温度的恒定:恒湿部分与恒温控制原理类似。同时单片机还能具有温度曲线控制功能。

    关键词:恒温;恒湿: DS18B20; DHT22: Arduino;

    1引言
    1.1任务设计一个由市电供电的恒温恒湿小屋。

    1.2要求1.2.1基本要求具有在2分钟内将小屋内温度升至高于当前室温10'C以上的屋内加热功能:具有在3分钟内将小屋内温度降至低于当前室温10'C以上的屋内降温功能:小屋空间内各处温度偏差小于1C:温度突变时，系统能立即报警。并能快速调节并能使温度恒定。

    1.2.2发挥部分具有温度曲线控制功能:具有湿度控制功能:当湿度变化时，维持温度恒定在士1C以内。

    2方案论证
    2.1供电模块的方案选择:
    方案一:采用将220v降到24V的变压器。但还需要加上整流、滤波电路，考虑到单片机的供电，还需要用Buck电路将输出电压降到5v给单片机供电。制冷片需要12v的直流电供电，因此还需要一个 Buck电路将整流、滤波电路的输出降到12v,模块多，电流相互影响较大，同时当Buck电路接入的输出太多时电流就会变得很小，带负载能力不够

    方案二:采用输出为直流12v，30A的开关电源，可以直接把市电降到12v直流电直接给制冷片供电，也能够满足多个制冷设各的功率要求，同时可利用Buck电路模块将开关电源的输出12v降到5v供单片机使用。

    综合上述，方案二既能满足制冷片的供电需求，又能为单片机的供电提供了方便，故选择方案二作为本系统所采用的方案。

    2.2加热方案的选择:
    方案一:采用600w电炉丝进行加热，通过继电器控制加热丝的加热情况当温度达到设定值时继电器断开，但是电炉丝，容易烧斷，功率太大而且余热比较高，精度不好控制。

    方案二:采用小太阳300w加热管，固态继电器控制加热管工作，使用类似pwm的方式，通过控制继电器的开断事假比来控制加热器的加热效率，调节更加精确。缺点在于加热管工作时会发出强光，比较刺眼。

    综上所述:由于方案二更好控制且能满足设计需求，故选择方案二作为本系统所采用的方案。

    2.3降温方案的选择:
    方案一:采用两个小功率的制冷片12706。由于制冷片散冷的效果不好，所以在制冷片上加了风扇使冷气更容易散出，但是远不能达到题目所要求的3分钟内降到室温10C以下的要求。基干冷气下沉的考虑，将制冷设备放置在小属顶部。旧县降温的效果依然不好。

    方案二:采用水冷散热的制冷设备，用冷水带走制冷片产生的大量热量，以提高制冷效率。同时改用功率较大的12710制冷片，提高制冷效率将制冷片放置在小屋顶部，冷气下沉，使之分布更加均匀，制冷效果基本能达到设计要求。

    综上所述:由于方案二制冷的效果更好，故选择方案二作为本系统所采用的方案。

    2.4温度湿度检测模块的方案选择:
    方案一:采采用DHT11温湿度传感器。由于DHT11温湿度传感器既能够测量温度，也能够测量湿度，这样程序就更加简洁，使用也更加方便。但是DHTII的湿度测量精度为土5%RH，温度 测量精度为土2C，由于本设计要求温度波动小于1C,因此DHTII的测量精度不够，误差较大，不能很好地满足本设计的需求。

    方案二:采用DS18B20传感器测量温度和DHT22传感器测量湿度。DS18B20是常用的温度传感器，具有抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20 的测量精度为0.5乙，，所以在进仃温度比较时，系统能够很快反应开控温，误差较小，保持但温的效果也较好。DHT22 传感器测量湿度的误差在2%，能满足控制要求，更精确的控制小屋的湿度。

    综上所述:由于DSI8B20和DHT22的测量精度更高，在本设计中对控温以及控湿所起到的效果更好，故选择方案二作为本系统所采用的方案。

    2.5键盘模块的方案选择:
    方案一:采用独立按键,独立按键之间相互不干扰，设计程序时更加简单。但由于本设计需要的触发开关太多，同时考虑到发挥部分需要输入指定的温度曲线，这样所需的独立按键更多，占用的IO口资源也更多。同时采用独立按键不够直观方便，设定温湿度值时也容易出错。

    方案二:采用矩阵键盘。矩阵键盘能够减少10口的占用，且每-一个键都对应了-一个数字，在输入温湿度时通过数字按键设定温湿度值，输入变量时不易出错，使用古便。直观且更人性化。同时矩阵占用单片机的vO更小，极士地节的了单片机的vO资源。

    综上所述:在本设计中，由于需要的键数比较多，所以采用矩阵键盘更加合理的，故选择方案二作为本系统所采用的方案。

    3硬件电路设计
    对题日讲行深入的分析与里者，可以将本系统分为以下几.个部分: Arduino 晶小系统，电源电路，温度和湿度传感器电路，显示电路，继电器控温电路，继电器控湿电路。系统框图如图I:



    3.1主控芯片
    本设计采用Arduino Mega 2560最小系统。Arduino Mega2560是采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量I0接口的设计。本设计中用到的1/0口较多，而Arduino丰富的I/0资源能够充分满足本设计的需要。处理器核心是ATmega2560，同时具有 54路数字输入/输出口(其中16路可作为PWM输出)，16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，-一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header 和一个复位按钮。与51单片机相比，Arduino 具有较多的10口,完全能够满足本设计的需要。而且它操作更加简单，相对其他开发板Arduino 及周边产品相对质廉价优，创作成本低，重要- - 点是:烧录代码不需要烧录器，直接用USB线就可以完成下载。同时，Arduino的硬件原理图、电路图、IDE 软件及核心库文件都是开源的，更加有利于我们作品的设计。

    3.2显示电路本设计
    采用LCD12864进行温湿度和曲线的显示。128X64是一-种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式的液晶。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8X4行16X16点阵的议子，也可完成图形显示，低电压低功耗是共又一特点。由该模块构成的液晶显示力案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也低于相同点阵的图形液晶模块。

    3.3继电器控制电路
    本设计中的加热电路，制冷电路，加湿电路，除湿电路都是由继电器控制的。本系统采用了继电器模块，用小电流去控制大电流运作,就像自动开关一一样能够自如的控制各个电路的工作。

    3.4红外测温传感器电路
    本设计采用MLX90614红外测温传感器，电路反应灵敏，能够立即监测到室温的    突变并作出反应。室温突变时，系统通过蜂鸣器报警，并伴有三色LED闪烁。

    3.5温温度传成器电路本设计采用DHT22温湿度传感器和DS18B20温度传感器，测量精度高，反应灵敏，湿度测量误差在2%，检测实时温湿度反馈给控制系统以控制温湿度。

    4软件程序设计
    4.1总体程序设计框图如图2:



4.2控温模块



    本模块主要通过按键返回函数，把通过矩阵键盘设定的温度返回给单片机，单片机再与实际温度值相比较，并且根据实际温度值与设定温度值的差值大小来调整加热的力度。差值越大，加热力度越大:差值越小，加热力度也随之减小。这样单片机能够精确的控制温度，避免加热过度，同时也减小了加热管余温对加热效果的影响。软件流程图如图3所示。

    4.3控湿模块
    本模块使用了DHT22温湿度传感器，只利用了DHT22的湿度部分。也是把检测到的通过矩阵键盘设定的湿度值传给单片机，单片机根据比较的不同结果执行不同的操作，原理与控温模块原理类似，在此就不做赘述。

4.4曲线模块



    本模块通过外部键盘输入传给单片设定的温度点及温度点数，通过数组存储，再通过LCD12864 -一显示。接着DS18B20读取实际的温度值。要是实际的温度值小于第一个设定的温度值，则控制加热管加热。反之，则控制制冷片制冷。不断重复此操作，直到把全部点都显示完。软件流程图如图4.

    5测试方案与测试结果
    5.1温度测试
    测试方式:在小屋当前室温条件下，让小屋先升10C，再降20C。记录下调节时间。保持环境温度和其他测量条件不变，利用标准的K型热电偶式数字温度计测温，与系统给出的温度比较。
    测试仪器: K型热电偶式数字温度计。.
    测试条件:环境温度为25C。
    测试结果:如表1所示。调节时间按温度进入设定温度士0.5C范围计算。



    5.2湿度测试
    测试方式:在小屋当前湿度条件下，让小屋湿度先升20%，再降20%。记录下调节时间。保持环境湿度和其他测量条件不变，利用湿度计测湿，与系统给出的湿度比较。
    测试仪器:湿度计测试条件:环境湿度为32%RH。
    测试结果:如表2所示。调节时间按湿度进入设定湿度士0.5%RH范围计算。



    5.3结果分析
通过测试数据分析可知，在室温条件下，小屋先升10度，再降20度，误差在士0.3度，并且可以保持10s 以上，小屋的稳定性较高。启动对流风扇时，能够快速实现小屋内温度的平衡小屋内各处温度偏差在士0.2摄氏度。并且能在两分钟以内使温度升高10摄氏度，三分钟内使温度降低至低于室温10摄氏度。

    小屋当前湿度条件下，让小屋湿度先升20%，再降20%。小屋的湿度误差在土2RH%,在调节湿度的时候温度也定保持稳定，湿度波动在士5%以内。调节较为精确。

    小屋的温度发生突变，小屋能立即报警，警示灯闪烁。小屋的降温系统快速启动调节，使温度恒定。

    从测试结果可以看出，系统能较好的实现所要求的指标。

    6其他
    本设计增加了定时功能，用矩阵键盘输入“*”键进入定时模式，输入需要设定的温度和时间，当到达设定的温度以后，小屋会稳定在这个温度，然后按照设定的时间关机。

附录一:测试实物图

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春风十里

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