通信机房温湿度检测及控制
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长春工业大学学士学位论文
1 目 录
第一章 概述 ............................................... 3
1.1、课题来源及意义 ........................................ 3
1.2、国内外机房温湿度控制的发展现状 ......................... 3
1.3、机房环境要求 .......................................... 5
1.4、论文的主要研究内容 .................................... 5
第二章 系统方案论证 ....................................... 8
2.1、中央控制单元的确定 .................................... 8
2.1.1、单片机方案 ............................................ 8
2.1.2、DSP方案 ............................................... 9
2.2、温湿度传感器的选择 .................................... 9
第三章 系统硬件设计 ...................................... 13
3.1、系统的工作过程 ....................................... 13
3.2、单片机最小系统 ....................................... 13
3.3、温度传感器 ........................................... 18
3.4、湿度传感器 ........................................... 19
3.5、A/D转换 .............................................. 21
3.6、显示、键盘接口电路 ................................... 23
3.7、串行通讯接口电路 ..................................... 26
3.8 控制执行电路的设计 .................................... 28
第四章 PID控制算法 ........................................ 31
4.1、PID控制算法 .......................................... 31
4.2、PID参数的整定 ........................................ 32
第五章 软件设计 ........................................... 34 长春工业大学学士学位论文
2 5.1、主程序流程图 ......................................... 34
5.3、湿度转换子程序图 ..................................... 36
5.4、PID算法流程图 ........................................ 37
结 束 语 .................................................. 38
致 谢 ................................................... 39
参考文献 .................................................. 40
附录二：程序 .............................................. 43 长春工业大学学士学位论文
3 第一章 概述
1.1、课题来源及意义
现代社会，在生产过程和科学实验中,温度、湿度、电流、电压、流量、流速等都是普遍而且重要的物理参数。其中温湿度的准确测量和有效控制是保证生产过程优质，高产，低耗和安全生产的重要条件。
由于电子技术、通信技术的高度发展及电子设备的普及，使得通信机房大量增加。而许多现代化的通信设备对环境、温湿度等都有特殊要求，并且通信设备都是24小时不间断运行，从而不可能腾出如此多的人力物力来对通信设备进行看护，造成很多电气设备无人值守。这就需要在其上级局进行集中控制。
本文是关于环境监测系统，是为适应对温湿度有特殊要求的通信设备而进行的设计。本设计的作用主要是改善通信机房的温湿度，防止因温湿度的变化而造成通信设备的故障，使通信设备保持在良好的运行状态，达到生产的不间断和安全运行。本文结合生产实际和科研工作，运用PID算法和单片机对温湿度进行控制，以求达到较好的控制效果。
1.2、国内外机房温湿度控制的发展现状
近年来，温湿度检测系统又有了很大改善和提高，系统在布线上采用了矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路；在传感器方面采用了半导体，热电偶等器件；在数据传输上采用了串行传输方式，从而节省了传输线，采用单板机进行数据处理，提高数据传输与检测速度 ，通过软硬件技术的结合，检测精度与可靠性较前期又有了很大提高。但温度传感器的线性度差，测量精度仍不理想。
与国内相比，以美国日本等科技发达国家在温湿度监控技术已经发展到了成熟的地步，高科技数字式温度产感器广泛应用于机房温湿度监测系统。该传感器采用了半导体集成电路誉为控制器的最新技术，在一个管芯上集成了半导体温度测量芯片，数据信号转换芯片，计算机接口芯片，存储器芯片等多个功能模块。除了完成温湿度检测功能外，一些数字温度传感器还可以同时完成预知温湿度范围报警，多路A/D 转换，温度补偿等功能。由于数字温湿度传感器直接输出数字量从而解决了温湿度信号的长距离传输问题及传输过程中因干扰和衰减导致的精度降低问题。
由Analog Device 公司生产的AD7418 数字式温度传感器，集成了A/D 转换器，参考电源，采样保持器，多路开关及温度监控报警电路。温度敏感器件采用带隙式半长春工业大学学士学位论文
4 导体温度传感器（Bandgap Temperature Sensor）,具有较好的稳定性和精度。该器件可以在片内将温度传感器的模拟量通过A/D 转换器转换成数字量。片内具有可预置的温度报警寄存器，可以通过外部程序控制来设定报警的上限温度和下限温度，当传感器温度超出该温度范围时，OTI引脚输出报警信号通知控制系统或直接用于控制。
National Semiconducor 公司生产的LM74数字式温度传感器，集成了带隙式温度传感器，Delta-Sigma型数模转换器，并具有SPI/Microwrite兼容总线接口。在传感器通电工作后，自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，可以在任意时刻读出传感器的温度值。LM74具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过10uA，功率消耗低。LM74的数模转换器为12位外加符号位，因此在其有效工作范围内可以达到0.0625摄氏度的分辨率。由于采用了SPI/microwrite 兼容总线接口，可以将多个传感器挂接在总线上，通过片选信号对特定器件进行读写操作。
由美国Dallas Semiconductor公司推出的单线数字化测温集成电路——数字温度传感器DS1820，采用单线接口式，可通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式，测温范围-55~125摄氏度，温度转换值以九位数字方式串行输出。微控制器与DS1820仅需一条线，每一DS1820在出厂时已给出了唯一序号，因此，在同一条单总线上可挂接任意多个DS1820 . DS1820的序号值存放在内部ROM中。传感器内部还有两个八位的用于存放温度数据的RAM，1号 存放温度数据的正负符号，0号存放温度值的补码，采用塑封的DS1820易于封装在测温电缆中。
与外国同类产品相比较，国内的温湿度检测系统还有很大差距，系统采用的温湿度传感器的测量精度和灵敏度，温湿度传感器测得的环境温度模拟量信号转换成数字量信号时产生的误差，信号在长距离传输过程中因干扰和信号衰减导致的精度降低。不可否认，国内电子元器件的制造技术水平和国外电子元器件的过高价格制约了环境检测系统向更高精度的发展。
单片微型计算机是随着超大规模集成电路的技术的发展而诞生的。由于它具有体积小，功能强，性价比高等优点，所以广泛应用于电子仪表，家用电器，节能装置，军事装置，机器人，工业控制等诸多领域，使产品小型化，智能化，既提高了产品的功能和质量又降低了成本，简化了设计。本文主要涉及AT-89C51单片机在温湿度控制中的应用。应用单片机实现PID控制算法和PID参数的整定。 长春工业大学学士学位论文
5 PID 控制是最早发展起来的控制策略之一, 由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点, 被广泛应用于工业过程控制。当用计算机实现后, 数字 PID 控制器更显示出参数调整灵活、算法变化多样、简单方便的优点。随着生产的发展, 对控制的要求也越来越高, 随之发展出许多以计算机为基础的新型控制算法, 如自适应 PID
控制、模糊 PID 控制、智能 PID 控制等等。
1.3、机房环境要求
根据YD 5003－94《电信专用房屋设计规范》的有关规定。
第10条：机房室内温湿度应符合设计环境指标要求，并且配备温湿度计、温度、湿度告警设备。其中机房温度湿度要求：
1. 机房温度： 21±3℃，相对湿度：40%～60%
2. 温度、湿度的测量点为空调回风口处。
其主要控制参数如下：
温度传感器工作指标：
温度：0oC--60oC 精度：2oC
制冷加热指标：
当温度降至5oC时，启动加热器；加热至10oC时停止加热。
当温度升至25oC时，启动制冷机；制冷至15oC时停止制冷。
湿度传感器工作指标：
相对湿度：40%～60% 精度：2%
干燥增湿指标：
当湿度降至20%时，启动增湿器；加热至30%时停止增湿。
当湿度升至80%时，启动干燥机；干燥至30%时停止干燥。
1.4、论文的主要研究内容
本论文主要是完成一种低成本、低价格、功能齐全、及温湿度测量、显示、控制于一体的单片机温湿度控制系统的理论设计。该设计主要包括硬件电路和主要的控制算法。
研究的关键问题是：通信机房温湿度的精确测量；双向可控硅控制的温湿度控
