E题恒温恒湿安全小屋设计报告二

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    摘要.
    为满足安全屋的设计要求，经过多种方案比较论证最终确定，本次比赛中的整体设计以Arduino Mega2560为控制核心、Arduino开源软硬件平台为基础，配合温度传感器DS18B20、温湿度传感器DHT21作为检测系统、以半导体制冷片TEC1-12708、电炉丝、超声波雾化装置等分别作为制冷加热、增湿减湿功能器件，再加上显示器、键盘输入电路等人机交互设备。利用温度、湿度传感器，安装在由亚克力板构成标准立体空间内检测安全屋内的实时温湿度情况，通过软件设计控制电炉丝加热、半导体制冷片降温、超声波雾化加湿以及风扇对流等，来实现限时升温、限时降温、维持恒温、按照制定曲线升温降温以及对安全屋内增湿减湿、恒温度下湿度控制的基本和发挥的设计要求。

    关键词:恒温恒湿: Arduino Mega2560; DS18B20; DHT21:

    1引言本题要求设计一个透明板构成的长宽高均为25cm恒温恒湿安全屋，控制使小屋具有加热和降温功能，在对流装置作用下屋内各处温度偏差小于1C，在温度突变时
    能够发出警报同时快速调节，在发挥部分，能够具有温度曲线控制功能，以及增加湿度控制功能，并且湿度控制时，维持温度恒定在士1C以内。

    2方案设计与论证2.1系统总体设计:
    针对要求本系统将采用亚克力板作为结构用材，需要设计测温模块检测温度，设计加热模块、制冷模块来改变环境温度，要有键盘作为输入、显示屏作为输出的人机交互模块来曲线控制:设计湿度监测模块检测湿度以及加湿模块来改变湿度状况，还有小风扇对流通风装置等等。系统总体框架如图1所示:



    2.2主控制器
方案一:采用C51单片机作为主控器，完成数据处理，键盘扫描，显示部分、加热增湿的控制等。51 单片机较为普及，性价比高，还有中断和定时器等资源，但51单片机没有AD转换，需要外接AD芯片来转换采集到的电压信号，使得电路的硬件、软件变得复杂，本题中检测传感器使用较多，使用51需要复杂的AD转换电路，而且编程代码量大，较为复杂。

方案二:采用开源软硬件平台的Arduino Mega2560为核心的开发板，接口丰富，同时兼有模拟信号1/0接口和数字信号1/0接口，无需附加的AD转换电路，使得控制芯片可以直接读取和处理数字和模拟信号，硬件连接十分方便，而且基于Arduino    IDE的C语言开发环境下，Arduino编程语言简单易学，大大降低了编程难度和代码量，旧县由干封装了大量底局代码，在编程时调试，排错较为困难综上所述，由于题目要求功能复杂控制器需要的外部接口较多，而且为了简化软件编程和硬件连接，本系统最终选择方案二。

2.3加热模块
方案一:采用300w加热电炉丝最为简单使用，加热电炉丝连接220V市电即可开始工作，本系统中使用简单的继电器就可以控制电炉丝的工作与否，并且电炉丝在小屋内加热效果明显，直接对箱内空气进行加热，升温快，但是加热不均匀，加热控制精度低。

方案二: PTC加热器采用PTC陶瓷发热组件与铝条组成，它可以自动恒温加热，无需温度控制系统，可靠性高使用寿命长，但是使用功率- -般较高 (至少500w以上),相比于电炉丝装配较为麻烦。

我们分别做实验发现选择电炉丝的加热效果已经远远足够完成要求。

2.4制冷模块
方案一:半导体制冷片，体积小，制冷能力强，不需要外加制冷剂，单个制冷片相较其他制冷器件功率较小，有较好的制冷效果，通过连接继电器可以很简单地对其进行工作控制，便于组成温度自动控制系统，但是制冷片在使用时必须做好散热，外加大风扇、大散热片，而且制冷片是通过散热片对空气进行间接吸热制冷，因此对空气的制冷效率低:

方案二:水冷系统的制冷效果较好，制冷效率高，但是设备复杂安装难度高，使用困难:

综上考虑，本小型系统空间内还是选择半导体制冷片为宜。

2.5加湿模块
方案一: USB迷你加湿器瓶盖，简易便携，体积小，可以使用USB接口直接供电，功率小能耗低，使用起来也十分方便，直接将其插入装有水的普通小水杯中供电便可以启动加湿:但是加湿能力稍有不足: .

方案二:超声波雾化装置加湿能力强，效果明显，而且可以直接市电供电，但是功率大，能托较商，装配使用稍微有点麻烦，综上，出于加湿效果优先的考虑，还是使用超声波雾化装置为宜。

2.6测温模块
方案一: DS18B20数字式温度传感器，集成芯片，接口简单，采用单总线接口方式可实现微处理器与多个传感器双向通讯，与单片机相同的5V供电，精确度可至小数点后两位，反应十分灵敏。但功能单-一，而且是接触式测温，传感器的测量值十分不稳定。

方案二: DHT11是数字信号输出的温湿度复合传感器，，简易快捷，体积小，，连接方便。但是在实际测试中精度较低，误差也比较大，灵敏度低。

综上考虑测量精度和灵敏度要求，选择将DSI8B20应用于设计之中。另外同时配合使用红外测温专门进行温度突变报警检测。

2.7湿度检测
方案一: DHT11是数字信号输出的温湿度复合传感器，简易快捷，体积小，连接方便。但是在实际测试中精度较低，误差也比较大，灵敏度低。

方案二: DHT21是已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，精度较高、低功耗，电路连接简单，但是价格相对高，体积也比DHT11大得多。

因为DHT11的精度和性能在实际测试中较差，因此本系统选择测量准确的DHT21作为湿度测量模块。

3设计实现
3.1硬件结构
本系统采用Arduino最小系统板连接OLED显示屏、薄膜键盘、小型风扇以及其他外围模块。由于硬件连接十分简单，不需要特别自制复杂PCB电路板。。本系统采用以Mea2560为核心的MCu.工作申压为标准5V.具有名达54个数字信号1/0输入输出口(其中15个支持PWM输出)，16个模拟信号I/0输入输出口，Arduino的最小系统板电路原理图请见附录一。



    温度和湿度传感器电路连接如图2和图3所示。当DS18B20外部供电只需将其数据线与单片机的一位双向端口相连十分，在单总线上可以连接多个温度传感器。DHT21连接只需要将DHT21的第二个引脚接MCU的数字引脚即可。另外我们还给超声波雾化器用废弃的塑料瓶自制外壳，通过调节手动可以改变出雾量大小，简单方便实用。

    本系统所用的传感器、加热制冷增湿等元件基本上都是直接或者通过继电器的控制间接与MCU的1/0相连接，无需复杂的转接电路可以直接被MCU控制。但是我们注意到继电器上限承载电流最大只能达到10A,但是制冷片工作电流已经达到8A,制冷片配备的散热风扇都是工作电流达到2. 5A,因此必须把散热风扇和制冷片分开成为一一个模块单独用继电器控制。这样，主控板只需用六个继电器控制两个制冷片、一个加热电炉丝、-一个加湿器、散热风扇、对流风扇六个模块。

3.2安全屋结构设计
本系统安全屋由六块标准的长宽均为25cm的透明亚克力板拼合而成，我们根据需要对其进行裁剪改装结构实现题目的功能。题目实现的电路本身不复杂，但是对整体小屋的结构要求很高，可以说结构的好坏直接决定了能否充分利用器材来最好地完成题目的要求。

经过验证，我们把加热用的电炉丝放置在小屋正中间，用塑料架架起来悬空，电炉丝下方支架一个小型风扇，这样可以加快散热促进小屋内均匀升温。利用热空气上浮的原理，将加热的空气向上扩散。

为了达到较好的制冷效果，我们选用了两个功率较大的制冷片套件，一开始分别安装在小屋的上面，利用冷空气下沉的原理制冷，但是发现制冷效果不均匀，于是我们改为在小屋侧面安装，配合中心由下向上吹的对流风扇，在小屋内形成-一个整体的环流结构，充方促进丁小屋内整体温度的下降，小屋宝气环流示息图如下:



    经过实践，本系统用三点测温是比较合适的，取最下角以及其空间对角线的最上角极端以及正中间中心位置的温度，在这三个点分别测温，采集的数据取平均。在对流控温的环节，我们发现只靠小屋下方一个单独的大对流风扇无法满足三个传感器温度伯差在1以内的更求，干是在小凤内部侧面再加装了一-个团扇，促讲尿内温庭更均匀。和温度相似，取最下角以及其空间对角线的最上角两个小屋的极端以及空间正中心位置湿度，测得的值取平均。

另外，在小屋的侧面边缘，均留有小细孔，可以引出传感器、电炉丝、小型风扇等的电线。整体的恒温恒湿安全小屋的CAD设计图以及结构实物图详情请见附录。

3.3软件程序设计
在软件部分，我们采用任务结构化的模式，通过OLED显示，使用薄膜键盘进行任务的选择进入不同的任务，控制器就会执行程序并且在程序中不断循环直到检测到完成了题目的要求后才会退出循环，继续选择其他的任务执行。

Arduino编程的一大优点就是它封装了大量常用的算法以及函数成为Arduino本身的库函数，其中也包括了常用的PID算法。



4测试方法与测试结果
4.1屋里加热功能测试
初始状态，屋内温度为室温35C，开始进行加热到45'C,加热数据如表1。我们可以看到在加热开始后30s内显示温度很快就升到了设定温度，而且与K型热电偶测得的实际温度误差较小，而且达到稳定后波动误差在0. 5'C以内。



4.2温度曲线控制测试
测试中设定了十个点构成如图6的虚线所示的温度曲线，实线表示实际测试过程中的温度曲线，可以看出来曲线的基本趋势是很稳合的，特别是在恒温阶段，误差也非常小，但是在降温阶段制冷效果不能像设定的曲线一样理想，而且DS18B20降温时滞后性比较大，因此曲线拟合度降低。



其他测试结果如屋内制冷测试、增加对流装置测试、报警测试、屋内加湿测试、屋内降湿测试详情请参看附录。

4.3测试小结
由结果我们分析，本系统在加热、制冷的控温效果上还是比较理想的，增加了对流装置后，即使是屋内对角线极端点测试的温度差异也明显减小，屋内热量分布较均匀:正是有了温度控制的基础，在湿度控制方面，我们在常温下的湿度控制还是比较理想，基本可以做得到恒温加湿20%并在此基础降湿20%，，误差可以控制在5%以内甚至更低，但是对于相对室内湿度降湿20%情况就差许多，因为我们小屋本身的密闭结构导致屋内湿气无法排出，降湿效果有限，而且由于温湿度强耦合性，如果是设定非室温下的湿度控制，效果可能更加不理想。

5总结与讨论
经过四天三夜的努力，我们小组尽心尽力制作出了这个作品，基本完成了题目设计中的要求，但由于能力和时间限制的原因，作品还有很多不完善之处，很多问题我们还没有能够完全解决。例如，我们设计的作品虽然无需复杂的电路板，但由于传感器、被控制器件众多，我们的接线繁乱复杂，这给我们调试安装带来极**烦:尽管我们多次修改了小屋结构，但是依旧不够完美，特别是在除湿环节，由于为了增强对温度的控制力追求空间密闭性，我们很难做到将空气水分排除小屋内，因此我们的降湿能力有限，而且多次修改也让小屋有一-些破损。但是，经历了这次比赛，我们小组的成员都一致认为自己有了很大收获。。比赛不仅仅锻炼了我们的动手实践能力，也让我们学会将课本上的知识应用到实践中去，更重要的是，通过这次比赛，我们树立创新团队协作的意识，每个人发挥自己的聪明才智，思考解决实际问题，这次经历将在我们的大学成长之路上起到了巨大的作用。

春风十里

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