恒温恒湿培养箱控制系统设计.doc

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1、前言11 控制系统硬件设计21.1 硬件总体设计21.2 温度检测31.3 湿度检测51.4 单片机模块设计71.4.1 ATmega128单片机简介71.4.2 ATmega128单片机复位电路101.4.3 ATmega128单片机时钟电路设计111.5 驱动控制电路121.5.1 执行部件141.6 显示模块151.7 矩阵键盘电路152 系统软件设计172.1 总体设计172.2 采样部分软件设计182.2.1 SHT15传感器测量的启动传输182.2.2 SHT15传感器的测量202.2.3 SHT15传感器的应答与测量数据的读取213 结论23致谢24参考文献25附录A26附录B2

2、7附录C33前言随着近几年生命科学技术的飞速发展，涌现出大量的新式实验室设备(包括多功能、智能进口实验仪器)，而很多实验室依然使用的一些传统仪器设备，已经不能满足高效的实验需求，大量传统的仪器设备现己没有厂家生产和维修。目前供应商鱼龙混杂，有些厂家会过高地宣传自己产品的性能指标，有时仅仅给出短期指标，或最优指标，或没有经过长期验证就给出了很好的测量不确定度(表征测量结果的可信赖程度)，致使其置信水平较低，所以只有优良的可靠性能使仪器设备在市场竞争中立于不败之地。体外培养技术己成为众多科研工作的手段和基础，并被多种学科所利用，而体外培养需要一个尽量接近活体的生存环境，培养箱便应运而生，其原理是应

3、用人工的方法在培养箱内造成微生物和细胞、细菌生长繁殖的人工环境，如控制一定的温度、湿度、气体浓度等。如今无论实验室的规模大小或级别高低，恒温恒湿系列的培养箱已成为实验室的必需设备之一。其中温湿度是最基本的环境指标，能够快速达到稳定精确目标值的培养箱，受到操作人员的青睐，而自动控制系统的性能指标主要也是稳、快、准，所以控制系统是培养箱的核心，其控制水平的高低直接关系培养箱性能的优劣。培养箱内部气流循环控制流程为：培养箱上电后，循环风机就开始运行，循环风机使箱体内的气流不停的流动，使箱体中的气流最终达到相同的温度和湿度。系统通过温、湿度传感器测得温、湿度信号，通过AVR单片机将获得的温湿度数值与已

4、设定的数值范围对比，超出范围单片机会发出控制信号进行调控。为配合硬件模块进行系统控制，软件部分运用PID控制将获得的温、湿度信号进行处理，提高系统的动态特性。1 控制系统硬件设计1.1 硬件总体设计本设计硬件部分主要分为五大模块，有温湿度检测模块、单片机模块、温湿度控制模块、显示模块和键盘模块。单片机通过温湿度传感器采集温湿度信号，将采集来的信号与预设的温湿度范围进行比较，然后控制加热管、压缩机、雾化器或风机工作，从而达到控制温湿度恒定的目的。系统中运用风循环使培养箱内的温湿度分布均匀。测得的数值以及温湿度范围设定的显示都可以通过LCM128643实现，温湿度范围设定通过3*3的矩阵式键盘电路

5、进行设定。系统的硬件结构框图如图1-1所示：图 1-1硬件结构框图Figure 1-1 hardware structure diagram1.2 温度检测温度检测电路由温度传感器、小信号放大及A/D转换三部分组成。目前广泛使用的温度传感器主要有有热电传感器，本设计中运用将温度变化转换为电阻变化的热电阻传感器。本设计任务为设计恒温恒湿培养箱控制系统，根据恒温恒湿培养箱设计要求测量范围为060，测量的分辨率为0.1，温度波动度为0.5。综合价格以及后续的电路，决定采用线性度相对较好的PT100作为本设计的温度传感器，该传感器的测温范围从-200+650。具体在0100的分度表见附录A所示。铂电阻

6、PT100具有性能稳定、抗氧化能力强和测量精度高等优点。由于本设计的温度检测要求精度高，所以PT100采用四线制的引线方式可完全消除引线的电阻影响。在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。由PT100构成信号的获取电路常用的方法有两种，一种是构成电桥电路，另一种是运用恒流源电路。由于电桥电路输出与阻值变化不成正比，数据处理起来非常麻烦，而恒流源电路由于恒流源的作用，使得电压输出与电阻成良好的线性关系，因此，本系统采用由三极管构成的恒流源电路来获取温度信号。图1-2 温度信号检测及调理电路Fig

7、ure 1-2 temperature signal detection and regulate circuit温度信号检测及调理电路如图1-2所示，采用恒流源给PT100供电的方式将温度变化变化为电压变化，再利用低温漂、高精度的四运放TLC2254组建的差分放大电路对小信号进行处理。A/D转换采用单片机内部的10位ADC，参考电压选择内部1.1V，其分辨率可通过采样和抽取的方法来提高。1.3 湿度检测温度检测电路的传感器采用瑞士Sensirion公司出品的数字式传感器SHT15，将传感器元件、放大器、A/D转换器、校准数据存储器、IIC总线集成在一起，所以无须另外的模拟电子电路，并可直接被

8、任何控制器访问。SHT15数字温湿度传感器是一款高度集成，提供全标定的数字输出的温湿度传感器芯片。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。它采用CMOSens技术专利，具有卓越的长期稳定性和极高的可靠性。SHT15数字温湿度传感器集成了一个用能隙材料制成的测温元件和一个电容性聚合体测湿敏感元件，这两个敏感元件分别将温度和湿度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大，然后进入一个14位的A/D转换器，最后经过二线串行数字接口输出数字信号，实现与串行接口电路以及14位的A/D转换器无缝连接。因此该产品具有抗干扰能力强、响应速度快、品质卓越、性价比高等优点。在标定的过程

9、中使用的校准系数以程序形式存储在OTP内存中。SHT15在出厂前，都会在恒湿或恒温环境中进行校准，校准系数存储在校准寄存器中，在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。此外，该芯片参照镜面冷凝式温度计，每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中做过标定。SHT15内部还集成了1个加热元件，加热元件接通后可以将SHT15的温度升高5左右，同时功耗也会有所增加。此功能主要是为了比较加热前后的温度和湿度值。可以综合验证两个传感器元件的性能。在高湿(95RH)环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。加热后SHT15温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。SHT1

10、5的外围系统利用两线制的串行接口与内部的电压调整，能够快速简单的集成。具有体积小和功耗低的优点，得到广泛的应用。SHT15湿度测量范围为0100%RH，湿度测量精度为2.0%RH，对本系统湿度检测的需求完全可以满足。数字式温湿度传感器SHT15采用表面贴片LCC或4针单排引脚封装。其内部结构图如图1-3所示：图1-3 SHT15内部结构图Figure 1-3 SHT15 internal structureSHT15的供电电压范围为2.45.5V。传感器上电后，为了越过“休眠”状态要等待1ms。等待期间任何指令无需发送。电源引脚VDD与地引脚GND之间连接一个100uF的电容，起去耦滤波的作用

11、。SHT15在电源损耗及读取传感器信号方面，它的串行接口都做了优化处理，但与IIC接口不兼容。由于接口包含了完全静态逻辑，因而最小SCK(串行时钟输入)频率不存在。DATA（串行数据）三态门用于读取信号数据。SCK用于SHT15与单片机之间的同步通讯。在SCK时钟下降沿之后DATA改变状态，之后仅在SCK时钟上升沿出现才有效。在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定，才能保证数据传输的准确。微处理器应在发送低电平信号时驱动DATA，因此需要连接上一个外部上拉电阻，来避免信号冲突。由于SHT15的接口使用的是瑞士盛世瑞恩公司自己定义的协议Sensibus，并不是标准的IIC总线的接口，所以单片

12、机与SHT15的通信不能直接使用单片机自带的IIC总线接口,而是使用AVR单片机PB6引脚模拟数据引脚，用PB4引脚来模拟时钟引脚。SHT15连接到单片机的硬件示意图如图1-4所示。图1-4 SHT15与单片机的连接Figure 1-4 The connection of SHT15 and MCU1.4 单片机模块设计1.4.1 ATmega128单片机简介AVR单片机由Atmel公司设计生产，已形成系列产品。其中Atmega，AT90和ATtiny系列分别对应高、中、低档产品，具有处理速度快、片内资源丰富、保密性好、可重复擦写、在系统编程ISP (In-System Programming

13、)、工作电压范围宽、功耗低、支持JTAG仿真以及与C语言的完美配合等特点。通过对各款单片机的功能和价格比较，根据系统的要求，选用高性能的8位单片机ATmega128。ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，广泛用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。ATmega128具有如下特点：内嵌128KB的Flash程序存储器，擦写方便，便于产品的调试、开发、生产、更新；具有独立锁定位、可选择的启动代码区；内嵌4KB的EPROM和4KB的RAM，并且可外扩多达64KB的优化外部存储器空间；具有PWM功能的定时器/计数器(T/C)；具有片

14、内振荡器的可编程看门狗定时器；上电复位以及可编程的掉电检测；SPI串行端口；与IEEE 1149.1规范兼容的JTAG测试接口(此接口同时还可用于片上调试)；低电压供电、宽工作电压范围达2.75.5V；抗干扰能力强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计的工作量和硬件的使用量；工作温度范围符合工业级要求，达到-55+125。基于ATmega128的诸多特点，因此这里选用ATmega128单片机作为恒温恒湿培养箱的核心控制器。ATmega128单片机引脚配置及说明ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间， ATmega128

15、的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega128单片机引脚图如图1-5所示：图1-5 ATmega128单片机引脚图Figure 1-5 The pins figure of ATmega128VCC 数字电路的电源。GND 地。端口A(PA7PA0) 端口A为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口A为三态。端口B(PB7PB0) 端口B为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具

16、有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口B为三态。端口C(PC7PC0) 端口C为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口C为三态。端口D(PD7PD0) 端口D为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口D为三态。端口E(PE7

17、PE0) 端口E为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口E为三态。端口F(PF7PF0) 端口F为ADC的模拟输入引脚。如果不作为ADC的模拟输入，端口F可以作为8位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口F为三态。如果使能了JTAG接口，则复位发生时引脚PF7(TDI)、PF5(TMS) 和PF4(TCK)的上

18、拉电阻使能。端口F也可以作为JTAG接口。在ATmega103兼容模式下，端口F只能作为输入引脚。端口G(PG4PG0) 端口G为5位双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口G为三态。端口G也可以用做其他不同的特殊功能。在ATmega103 兼容模式下，端口G只能作为外部存储器的所存信号以及32 kHz振荡器的输入，并且在复位时这些引脚初始化为PG0 = 1，PG1 = 1以及PG2 = 0。PG3 和PG4 是振荡器引脚。RESET 复位输入引脚。超过最

19、小门限时间的低电平将引起系统复位。低于此时间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1 反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。XTAL2 反向振荡器放大器的输出。AVCC AVCC为端口F以及ADC转换器的电源，需要与VCC相连接，即使没有使用ADC也应该如此。使用ADC 时应该通过一个低通滤波器与VCC 连接。AREF AREF 为ADC 的模拟基准输入引脚。PEN PEN是SPI串行下载的使能引脚。在上电复位时保持PEN为低电平将使器件进入SPI串行下载模式。在正常工作过程中PEN 引脚没有其他功能。1.4.2 ATmega128单片机复位电路ATmega128 有5个复位源：1）上电复位：当

20、电源电压低于上电复位门限时， MCU复位。2）外部复位：当引脚 RESET上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时MCU复位。3）看门狗复位：当看门狗使能并且看门狗定时器超时时复位发生。4）掉电检测复位：当掉电检测复位功能使能，切电源电压低于掉电检测复位门限时MCU即复位。5） JTAG AVR复位：当复位寄存器为1 时MCU即复位。本设计中单片机复位电路如图1-6所示：图1-6 单片机复位电路Figure 1-6 microcontroller reset circuitMAX809是一种单一功能的微处理器复位芯片用于监控微控制器和其他逻辑系统的电源电压它可以在上电掉电和节电情况下向微控制器提供

21、复位信号当电源电压低于预设的门槛电压时器件会发出复位信号直到在一段时间内电源电压又恢复到高于门槛电压为止。MAX809管脚配置如图1-7所示：图1-7 MAX809管脚图Figure 1-7 MAX809 tube feet figureMAX809的管脚说明如表1-1所示：表1-1 MAX809的管脚说明Table 1-1 the tube that MAX809 feet管脚符号描述1GND器件的地2低电平有效复位信号3Vcc电源电压输入MAX809有低电平有效的复位输出，可用于监控5V、3.3V、3V电源，复位延时时间最小为140ms，抗电源的瞬态干扰，低至1.1V 电源时仍能产生有效的

22、复位信号，采用小型的三管脚SOT-23 封装，无需外部配件，可适用于-40 +105的温度范围。MAX809与单片机连接的简化结构图如图1-8所示：图1-8 MAX809与单片机连接图Figure 1-8 The connection of MAX809 and MCU1.4.3 ATmega128单片机时钟电路设计本设计中采用外部晶振做单片机的时钟源，XTAL1和XTAL2分别用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出。通过此振荡电路向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。时钟电路如图1-9所示：图1-9 振荡电路Figure 1-9 oscillating circuit时钟

23、电路振荡频率f=晶振频率；时钟电路振荡周期=1/f；单片机机器周期T=f12。需要注意的是，在单片机中，晶振电路的设计一定要和单片机靠近，路线尽量短。晶振电路的地一定要和同一时钟的芯片的地共地。在晶振频率的选择上，在满足系统需要的前提下尽可能地选用低频率的晶振，这样可以降低系统功耗，不是选用的频率越高越好。1.5 驱动控制电路为了将输入与输出端进行电气隔离，在本设计中选用光电双向可控硅驱动器MOC3061和双向可控硅BTA16组成驱动控制电路，实现将一种频率的交流电（AC220V）变成另一种频率的交流电。驱动控制电路结构框图如图1-10所示：图1-10 驱动控制电路结构框图Figure 1-1

24、0 drive control circuit structure diagram将强电电路与单片机弱电电路隔离通过光电双向可控硅驱动器MOC3061实现，它是一种新型的光电耦合器件，可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。用该器件触发晶闸管，具有结构简单、成本低、触发可靠等优点。MOC3061由输入、输出两部分组成，其内部结构如图1-11所示：图1-11 MOC3061内部结构图Figure 1-11 MOC3061 internal structure1、2脚为输入端，输入级是一个砷化镓红外发光二极管（LED），该二极管在515mA正向电流作用下，发出足够的红外光，触发输出部分。3

25、、5脚为空脚，4、6脚为输出端，输出级为具有过零检测的光控双向可控硅。当红外发光二极管发射红外光时，光控双向可控硅触发导通。各控制对象的通断控制采用BTA16可控硅，无触点开关快速接通、切断电路。可控硅具有功率大、体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。所以单片机的输出控制信号通过控制双向可控硅的通断，从而改变电热管和雾化器的输入功率，达到控温和控湿的目的，其抗干扰能力强，动作可靠，电路简单，克服了移相触发方式产生的大量高次谐波对电网产生的干扰。图1-12 控制驱动电路原理图Figure 1-12 control drive circuit principle diagram控制驱动电路具体

26、实现的原理图如图1-12所示，由于雾化器与电热管的驱动电路相同，图中只画了其中一路。当单片机发出低电平控制信号时，三极管Q1截止，A点为高电平，光耦截止，于是B点为低电平，Q2截止，C、D点均为高电平，流经双向可控硅BTA 16控制极G的电流几乎为零，双向可控硅截止，电热管/压缩机与220VAC断开。当单片机发出高电平控制信号，Q1导通，光耦导通，Q2导通，BTA 16导通，电热管/压缩机接入220VAC，于是开始工作。图中TVS为压敏电阻，它是一种限压型保护器件。压敏电阻具有非线性特性，当两极间出现过电压时，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对稳定的电压值，实现对后级电路的保护。1.5.1 执行

27、部件电热管执行加热操作，交流220V供电，通过可控硅控制其通断，即可控制输出功率。额定功率500W，可控硅常开时达到额定功率，长时间工作于额定功率输出会减少电热管的寿命。压缩机执行制冷操作，选用钱江制冷集团出品的型号为QD128G的全封闭制冷压缩机。它是在吸收了国内外先进技术基础上改进提高的，其结构为连杆活塞式，具有振动小、噪声低、寿命长、效率高等优点。汽缸容积12.8 cm，制冷量350W，输入功率280W，性能系数1.25w/w，电流2A，制冷剂R12，电源220V(165-242)V/50Hz注油量310cm，电机类型RSIR，冷却方式为风冷，净重11.2Kg。图1-13 雾化器工作原理

28、图Figure 1-13 mist maker work principle diagram雾化器执行加湿操作，采用一分体式超声波雾化器，即超声雾化头与电源及电路部分完全分离；便携式，体积小、即插即用、设有自保功能；高可靠，可全天候工作。超声波技术是世界上一种比较成熟的技术，已被广泛应用于各领域。超声波雾化器采用超声波高频震荡，将水雾化为1-5微米的超微粒子，通过风动装置，将水雾扩散到空气中。工作原理如图1-13所示。雾化头外壳是铜质材料的铸件，铜壳表面镀铬抛光，其外形尺寸为442mm15mm，铜壳内封装有换能器(镍或钛高频压电片)和功率管BGl，换能器紧贴BG1管以利工作时在溶液中散热。铸件

29、铜壳为可拆卸式，只需旋转壳面上的定位口即可更换压电片。此外两根水位控制触针紧固于铜壳内，并按一定距离排列，再垂直伸出壳外一定高度，以便控制雾化溶液的最低水位。雾化器电源和工作电路单独装在一个工程塑料壳内，该装置的输入接通电源后，输出使雾化头供电工作。1.6 显示模块显示器是人与机器沟通的重要界面，早期以显像管（ CRT/Cathode Ray Tube ）显示器为主，但随着科技不断进步，各种显示技术如雨后春笋般诞生，近来由于液晶显示模块具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，在近年来价格不断下跌的吸引下，逐渐取代 CRT 之主流地位，显示器明日之星架势十足。液

30、晶显示器不仅具有显示质量高、可视面积达、应用范围广、功率消耗小、显示信息量大等优点，近年来随着科技的发展，液晶显示模块的价格也有了大幅度的下降，所以在各种显示系统设计中取代数码管显示成为了性价比更高的选择。所以在本设计中也选择北京青云创新公司的液晶显示模块LCM128643作为数据的显示单元。其主要功能特点有：1）LCM128643显示内容12864点阵，点大小0.400.56mm2，点间距0.04mm；2）显示类型：STN黄绿模式，6:00视角，正向显示；STN蓝模式，6:00视角，负向显示；FSTN黑白模式，6:00视角，正向显示；3） LED背光；4）工作电压：5V，不含背光工作电流：8

31、.0mA（典型值）；5）工作温度：-2070，储存温度：-3080；6）控制器KS0107，芯片封装COB。1.7 矩阵键盘电路键盘是人机交互系统必不可少的模块之一，本设计中的键盘采用3*3矩阵式接法，共九个键，能完成系统的启停、温湿度设定、现实和切换等功能。相比于编码式键盘，非编码式键盘的硬件电路较为简单，如图1-14所示：图1-14 键盘电路Figure 1-14 keyboard circuit矩阵式连接的非编码式键盘又称为行列式键盘。用I/O接口线组成行、列结构，行、列线不相通，而是通过一个按键设置在行、列交叉点上来连通。当有键按下时，单片机通过扫描I/O接口线的状态来识别按键是否闭合

32、。对矩阵式连接的非编码键盘进行扫描可采用两种方法：定时扫描法和中断扫描法。定时扫描法就是单片机每隔一定时间就对键盘扫描一遍。但是这种扫描方法会占用单片机的大量时间。因为无论有没有键入操作，单片机都要在一定的时间内对键盘进行扫描，这对于单片机控制系统来说是很不利的。为了进一步节省CPU的时间，本设计采用中断扫描法，即当键入操作发生时，向CPU申请中断。CPU响应中断后，即转到相应的中断服务程序，对键盘进行扫描，以便判别键盘上闭合键的键值，并作相应处理。2 系统软件设计恒温恒湿培养箱智能控制系统是典型的单片机应用系统，一个性能良好的控制系统不仅要有合理的硬件结构，而且需要完善的软件与硬件密切配合、

33、协调一致，才能构成一个功能完善、工作可靠的单片机应用系统。硬件设计和软件设计不能截然分开，软件设计是在了解硬件电路工作原理、参数指标等的基础上，设计实施方案并编写程序的过程。软件设计包括监控程序和各种应用程序。软件设计分总体设计和模块设计两个阶段来完成。软件系统流程图如图2-1所示：图2-1 软件系统流程图Figure 2-1 software system flow chart2.1 总体设计对控制系统的功能分析是为软件编程做一个总体规划。在本控制系统的软件设计部分，需要完成的任务主要包括：1)模拟量测量：主要包括恒温恒湿箱体的温度测量和湿度测量，单片机将获取的模拟量转换为能识别的数字量，即

34、A/D转换。定时/计数器2(T2)作为采样时钟。为消除脉冲信号对测量的干扰，采用滑动滤波方式消除异常值，提高测量精度。2)参数显示：在箱体面板上，由液晶实现各参数指标的显示。系统初始化时显示主界面，运行过程中实时显示温度、湿度、运行时间和运行状态。当有按键动作时，液晶显示界面切换至设置界面。下载数据时，显示存储设备状态、下载状态和下载结果。3)控制信号产生：单片机输出控制信号控制风扇和压缩机的起停、电热管的通断，实现对箱体温湿度的控制。在一个控制周期中，为提高执行部件工作时间的精确度，输出的控制信号采用脉宽调制信号(PWM)，使用定时/计数器1 (T1)定时。4)控制算法：对采样并处理的温湿度

35、数据，单片机在一个控制周期中，通过控制算法计算输出的控制量。这一过程需要实现的计算量大，运用PID控制。5)声光报警：当温湿度超过设定的高低限或运行完成时，单片机发出控制信号，使能蜂鸣器和发光二极管。6)按键处理：采样中断方式监控键盘，实现开关机，控制的起停，温湿度目标值和运行时间的设定，消除运行完成的报警等功能。使用定时/计数器0(TO)定时按键的按下时间，提高系统可靠性。软件设计应遵循模块化原则，不仅增加程序的可读性，还使复杂的问题简单化，提高了系统的可靠性和可维护性。模块划分应遵守的原则有：1)降低模块接口的复杂性；2)力求单入口单出口；3)模块调用的个数最好不要超过五个；4)模块的作用

36、范围就处在本模块的控制范围内。单片机上电复位后，先对系统进行自检和初始化，系统初始化包括对1/O口、RAM(变量)、堆栈、定时器、中断、显示、ADC等模块的初始化。初始化完成后，进入主程序，主程序是个循环体，执行调度功能。具体功能模块以子程序形式存储，由主程序调用，相互独立性强。2.2 采样部分软件设计2.2.1 SHT15传感器测量的启动传输SHT15传感器测量的“启动传输”是指进行温湿度测量前，用一组时序对其初始化。SHT15传感器完成上电初始化工作后，处于接收总线信号的状态，当单片机将初始化时序发送到Sensibus上后，SHT15传感器接收到这组时序，进入到改变工作参数或等待接收测量等

37、命令的状态，为测量工作做准备。“启动传输”的时序图如图2-2所示，可概括为：当SCK时钟由低电平翻转为高电平时DATA翻转为低电平，紧接着SCK再翻转为低电平，最后SCK时钟恢复高电平时DATA翻转为高电平。图2-2 SHT15时序图Figure 2-2 SHT15 sequence chart对SHT15传感器的SCK(串行时钟输入)和DATA(串行数据)两个端口的时序，本系统用PB4和PB6引脚来模拟实现，软件是基于AVR标准的C库函数进行编写的，其代码如下：#include void stransstart(void) /传感器启动传输波形DDRC|=0x60;PORTC|= 0x40;

38、Delay_us(400);PORTC&=Ox20;Delay_us(400);PORTC|=0x20;Delay_us(400);PORTC&=Ox40;Delay_us(400);PORTC&=0x20;Delay_us(400);PORTC|=0x20;Delay us(400);PORTC|=0x40;Delay_us(400);PORTC&=Ox20;Delay_us(400);上面程序中，DDRC作用是通过写对应的值到指定的端口B配置寄存器里，这里是将端口B的第4, 6脚配置成输出。PORTC作用是置位或清零端口B引脚位。AVR指令集对通用引脚以字节的方式进行读写，不支持直接的位操

39、作，所以要自己利用库函数实现位操作。上程序中将一个字节的第4或第6位置1,使PB4或PB6引脚输出高电平。函数Delay_us(400)是自己编程实现的一个延时函数，实现延时5ms的动能。2.2.2 SHT15传感器的测量单片机向Sensibus总线上发送“启动传输”命令，SHT15传感器接收后，立即进入到改变工作参数或等待接收测量等命令的状态。这时根据测量的需要，单片机可以发送命令到Sensibus，可以是设置SHT15传感器工作参数的命令，也可以是测温度和测湿度的命令。发送的命令必须是包含三个地址位(目前只支持“000)和五个命令位的8位数据。SHT15已正确接收到命令后，将DATA位置低

40、电平于第8个SCK时钟的下降沿之后，再将DATA.恢复高电。单片机实现发送一个字节命令的程序如下：char sht15we writees byte(unsigned char value)/写8位数据到总线DDRC|=0x60;unsigned char i, error=0;for(i=0x80; i0; i/=2) if(i&value)PORTC|=0x40;Delay_us(400);elsePORTC&=0x40;delay_us(400);PORTC|= 0x20;Delay_us(400);PORTC&=0x20;delay_us(400);上程序中DDRC|=0x60语句的作

41、用和前面启动传输函数中的相同。下面for循环的作用是单片机从高到低的依次发送8位数据到Sensibus总线上。协议中约定总线改变数据之前时钟信号必须置低，所以在每次循环中先发送一位1到总线上，进入准备状态，发送下一位数据前将时钟信号翻转为低电平。2.2.3 SHT15传感器的应答与测量数据的读取单片机发送测量命令后，要等待测量结束。对应8/12/14bit的测量，等待过程分别需要大约11/55/210ms。确切的等待时间与内部晶振速度有关，误差不大于15%。SHT15测量结束后，将DATA位置低电平。单片机必须等待接收到这个“数据备妥”的应答信号后，才触发SCK时钟。本系统使用while循环实

42、现，代码如下：while(!(PORTC&=0x40);如果Sensibus上的数据为高电平，表明SHT15还没有完成测量工作，则单片机继续等待应答信号变为低电平。如果Sensibus上的数据由高电平变为低电平，表明测量完成且数据备妥，单片机开始从Sensibus总线上读取测量数据。SHT15可以传递14位或12位有效位的测量数据，都是先传递高8位。单片机确认接收一个字节完成后，下拉DATA为低电平，SHT15接到应答信号ACK后，接着传递低8位字节，再次接到单片机的应答信号ACK后，传递8位CRC检验码字节。单片机读取的所有数据右值有效，从最高有效位开始。通讯结束用CRC检验码的确认位表示。

43、如果不用CRC校验码，在测量值最低有效位后，单片机通过发送保持ACK高电平来表示中止通讯。SHT15在通讯和测量结束后自动转入休眠模式。单片机对Sensibus上数据的读取可以归结为数据按字节的循环读取和每次读完后应答信号的正确给出两部分，本系统中实现测量数据读取的程序如下：char s_read_byte(unsigned char ack) /从总线读8位数据DDRC|=0x60;unsigned char i, val=0;PORTC|=0x40;DDRC&=Ox60;for(i=0x80; i0; i/=2)PORTC|=0x20;Delay_us(400);if(PORTC&0x40

44、)val=(val|i);PORTC&=0x20;delay_us(400);DDRC|=0x60;if(ack)PORTC&=0x40;delay_us(400);elsePORTC|= 0x40;Delay_us(400);PORTC|=0x20;delay_us(400);PORTC&=0x20;Delay_us(400);PORTC|=0x40;delay_us(400);return val;因为既从Sensibus上读数据又向Sensibus上写数据，程序中要反复根据是进行写操作还是读操作来改变数据线即PB6的数据方向。当单片机进行写操作时要变PB6为输出，进行读操作的时候要变PB

45、6为输入，如果设置不对会出现读写数据错误或异常，这点在具体实现时非常重要。for循环实现了单片机从Sensibus总线上从高到低的依次读取8位数据，然后为了单片机正确给出8位数据读取后的应答信号需要根据ack进行判断。3 结论本课题开发与研究的是恒温恒湿培养箱智能控制系统，核心任务是恒温恒湿箱体的温湿度控制系统的设计。在对恒温恒湿控制系统的国内外发展现状及需求的调研的基础上，分析培养箱自身特有的控制特性，如生物培养对温度超调敏感，控制过程具有不对称性，滞后时间与温度有关，湿度的波动影响温度恒定，系统易受干扰等。恒温恒湿培养箱对温度的要求均比较高，既要无超调，又要稳态精度高，实际运行又受湿度波动

46、的影响，所以对温度的控制运用PID控制的方式，充分利用了PID控制的稳态优势。实际工作中对湿度的超调和波动不太敏感，所以基本的模糊控制方法就可完全满足需求。在硬件设计中，首先设计控制系统的整体架构，然后对温度控制系统和湿度控制系统的各模块分别进行器件选型及电路设计，主要由五个模块组成：有温湿度检测模块、单片机模块、温湿度控制模块、显示模块和键盘模块。其功能主要包括按键、显示、声光报警、恒温控制、恒湿控制。市电为控制系统的主要供电方式。在软件设计中，本设计列出了恒温恒湿培养箱控制系统的程序流程图 ，并对检测到的温、湿度信号进行处理，运用PID控制改善系统在调节过程中的动态特性。本课题设计的恒温恒湿智能控制系统已基本完成，但还有一些不足之处：在封闭箱体内，温湿度耦合是一个很复杂的问题，如果恒温系统和恒湿系统的精度要求均很高，那么温湿度耦合是首先要解决的重要课题。控制过程中经常会出现超调、系统动态特性差等问题。致谢本论文是在王炎副教授的悉心指导下完成的，本课题能够顺利完成与老师的指导、鼓励及悉心纠正是分不开的。王老师教会我的不只是专业方面的理论知识还有灵活创新的精神，严谨治学的态度，尤其是王老师忘我的工作精神给我树立起一