该文介绍了新型恒温恒湿箱测控系统的硬、软件设计方法。现有恒温恒湿箱为取得低温恒温效果 , 需将压缩机全速全功率运行 , 然后通过调节加热器来调整温度平衡 , 这样既耗能多又不便于控制。针对这一缺点 , 本设备中的空气压缩机采用调频技术 , 从而实现了制冷量的 PID (比例积分微分 ) 调节 ;通过使用单片机接口电路的复用技术 , 使整个硬件系统更简单、可靠 , 通过 X2 5 0 45芯片的使用 , 使系统实现了自动化标定与校准。

随着现代农业的发展, 恒温恒湿箱的应用越来越广, 生产、科研对它的要求也越来越高。要求它的性能价格比更高, 使用寿命更长, 使用费用更少 (省电) , 响应速度更快。笔者从硬、软件两个方面作了研究设计与调试, 研制出新型恒温恒湿箱, 以满足用户更高的要求。

1系统硬件设计

恒温恒湿箱测控系统的硬件框图如图1所示。主要包括带有20 kB闪存存储器 (flash memory) 和内存256B RAM的高性能AT89C55单片机芯片[1]、A/D转换器ICL7135、传感器、输入设备 (键盘) 、输出设备 (数码显示器LED、监视器CRT、微型打印机) 、输出控制设备等。

1.1单片机接口的复用技术

AT89C系列单片机共4个接口 (P0、P1、P2、P3) 32位, 本系统所需的接口如下:4×4键盘占8位;A/D转换器7135需12位;微型打印机10位;监视器CRT (串口) 2位;12位数码显示器LED需20位I/O口 (用并行口, 12位, 8段) ;输出控制位4位;2个控制二选一转换开关4066需2位;中断2位;X25045需4位, 故共需64位I/O口。如扩展I/O口则将使系统变得既庞大、又杂复。本文使用单片机接口的复用技术, 可以使系统大大简化。在复用技术中应遵循两条原则:除了输出控制位之外, 其它I/O口位都可以使用复用技术;充分利用单片机接口各位, 只有到单片机本身接口不够使用时才使用接口复用技术。

1.1.1 CRT监视器与LED显示器共用串口

如果不用接口复用技术, 单片机与PC机的通讯用了串口 (2位) , LED显示就只能用并口动态显示 (10+8=18位) , 总共需20位。本系统LED显示采用通过串入并出接口74LS164实现静态显示。如图1所示, 只要用单片机的1位作二选一开关4066的控制位, 亦即只用单片机的3位, 就达到了使两种显示器共用串口的目的。这样既节省了I/O口, 也节省了为LED动态显示CPU所花费的时间。

1.1.2 键盘与微型打印机共用P0口

键盘输入接口与微型打印机输出接口共用P0口, 键盘再用到中断口INT0, 微型打印机再用到WR、RD信号位即可使两者互不影响。

1.1.3 2045与ICL 7135共用P1口

本系统所采用的A/D转换器如图1所示的ICL 7135是四位半双积分A/D转换器。它具有抗干扰性能好, 转换精度高 (相当于14位二进制数) , 自动校零, 动态字位扫描BCD码输出, 单基准电压, 价格低廉等特点。虽然它的转换速度较慢, 但本系统所控的对象——温湿度变化都是缓慢的量, 是足够的了[2]。它占用P1口8位, P2口4位。

X25045芯片把3种常用功能——看门口定时器、电压监视和E2PROM组合在单个封装之内, 这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。其中4096位串行E2PROM是按512×8组织的, 是提高系统可靠性及自动化标定与校准的硬件基础[4]。

ICL7135与X25045是分时与CPU联系的, 二者复用P1接口。前者虽然是连续工作, 但取数却是程序控制。X25045的工作有严格的时序, 理论分析与工作实践都证明, ICL7135的连续工作不会影响X25045的工作。

1.2信号处理通道设计

测控系统检测精度的高低在很大程度上取决于信号处理通道的设计质量。

1.2.1 传感器

本系统采用了稳定性、重复性和线性度都较好的铂电阻Pt100温度传感器和HS20型 (日本) 湿度传感器。高精度传感器是提高检测精度的重要保证。

1.2.2 通过采样参考值以消除系统漂移

通过多路模拟开关, 两个传感器和参考电阻的信号处理共用一个多路开关4051放大电路和A/D转换电路, 通过对参考电阻的采样与处理, 既简化了系统, 又基本消除了系统的漂移, 从而提高了检测精度。