单片机开关柜温度检测.doc

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基于单片机的开关柜温湿度检测系统
开题报告
一．研究的背景和意义
开关柜〔又称成套开关或成套配电装置〕是以断路器为主的电气设备，是指生产厂家根据电气一次主接线图的要求，将有关的上下压电器〔包括控制电器、保护电器、测量电器〕以及母线、载流导体、绝缘子等装配在封闭的或敞开的金属柜体，作为电力系统中承受和分配电能的装置。它由柜体和断路器两大局部组成，具有架空进出线、电缆进出线、母线联络等功能。柜体由壳体、电器元件〔包括绝缘件〕、各种机构、二次端子及连线组成。开关柜防护要求“五防〞：防止误分误合断路器、防止带电分合隔离开关、防止带点合接开关、防止带接地分合断路器、防止误入带电间隔。
开关柜有一定的正常使用条件，如环境温度，环境湿度，海拔高度，地震烈度等。一般情况下，环境的温度和湿度是我们必须要考虑的条件。开关柜的环境温度要求周围空气温度不超过40℃(上限)，一般地区为-5℃(下限)，严寒地区可以为-15℃，环境的温度过高，金属的导电率会减低，电阻增加，外表氧化作用加剧。过高的温度也会使得柜的绝缘件的寿命大大缩短，绝缘强度下降。反之，环境温度过低，在绝缘件中会产生力，最终会导致绝缘件的破坏。环境湿度日平均值不大于95%，月平均值不大于90%。湿度过高会导致开关柜在作业过程中发生故障。因此对其进展温度和湿度的检测是至关重要的。

二．研究容
1、温湿度检测系统的设计
2、温度和湿度的测量方法、误差分析及改良方法
3、该系统与其他仪器的配套使用

三．拟解决的关键问题
1、温湿度检测系统各局部芯片的选择方案
2、温湿度检测系统的电路设计及调试
3、温度测量的准确性及其优化方法
四．研究方案
温湿度传感器是检测温湿度的器件。温度传感器可以分为数字式温度传感器、逻辑输出温度传感器、模拟式温度传感器。湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要分为电阻式和电容式两大类。此外，随着科技的开展，国外还生产出了集成湿度传感器，主要分为一下三类：线性电压式集成湿度传感器、线性频率输出集成湿度传感器、单片智能化温湿度传感器等。目前温湿度检测系统已经被应用于各个方面的：空调系统、电力系统、医疗、工农业生产、气象、国防、科研、航天等领域。
常用温湿度传感器的非线性输出及一致性较差，使得温湿度的测量方法和手段相对较复杂，且给电路的调试带来很大的困难。传统的温湿度测量多采用模拟小信号传感器，不仅信号调理电路复杂，且温湿度值的标定过程也极其复杂，并需要使用昂贵的标定仪器设备。近几年，随着人们对温湿度检测这一领域的研究逐渐深入，出现了一些比拟好的温湿度检测系统的方案。
方案一：
本温湿度测控系统是由数据采集和处理系统和报警系统组成，由温度传感器、湿度传感器、模拟量输入通道、A/D 转换、显示器与报警电路等组成。通过对信号的采集、分析、处理，然后输出信号来使执行部件进展动作。测控系统的主要技术参数如下: 温度检测围0～50℃，测量精度±0.5℃;湿度检测围0%～100%RH，检测精度±2.5%RH。
该系统能完成数据采集和处理、显示、串行通信、输出控制信号等多种功能。其主要硬件包括温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101、AT89C51单片机、数据采集电路、LED显示器、A/D转换器ADC0809等。其原理构造图如图1。

图1 原理构造图
数字温度传感器 DS18B20能测量是温度围为－55～125℃，测温分辨率可达0.0625℃。选用温度传感器 DS18B20 对外界温度进展检测，具有以下特点: 适应电压围宽，在使用中不需要任何外围元件，可实现高精度测温，检测速度快，测量结果直接以数字温度信号输出，具有极强的抗干扰纠错能力、传输距离长、分辨率强等。
湿度传感器采用电容式集成湿度传感器 HS1101来检测湿度。HS1101是一种在高分子薄膜上形成的电容，其电容随所测空气的相对湿度增大而增大，具有极好的线性输出，在相对湿度为0%～100% RH 的围，电容的容量由163 pF 变化到 202 pF，其误差不超过±2%RH; 湿度量程为1%～99% RH，工作温度围为－40～100℃; 湿度输出受温度影响极小( 温度系数仅为 0．04 pF/℃) ; 常温下使用无需温度补偿，无需校准，适用于线性电压输出和频率输出两种电路。
但是该电路器件多，电路复杂，输出信号为电信号，需要进展A/D转换，增加了设计的难度和本钱。
随着传感器越来越朝着小型化、数字化、智能化、集成化方向开展，如今出现了一种将温度检测、湿度检测、信号变换、A/D 转换和加热器等功能集成到一起的芯片。也就是方案二。
方案二：
本系统以单片机AT89C52为微处理器对 SHT10和 NRF905器件进展控制，温湿度传感器作为测量检测器件对环境温度湿度等因子进展数据采集，无线传输模块NRF905对采集到的数据进展无线传输，传输的数据以指示灯 LCD显示，从而更好的控制环境温湿度。系统的总体构造框图如下列图2所示：

图2 总体构造框图
温湿度传感器SHT11将温度检测、湿度检测、信号变换、A/D 转换等功能集成到一个芯片上， 其部构造如图3所示。 该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进展放大，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。

图3 传感器部构造图
SHT10具有以下特点：相对湿度和温度的测量兼有露点输出；全部校准，数字输出；接口简单〔2-wire〕,响应速度快；超低功耗，自动休眠；出色的长期稳定性；超小体积〔外表贴装〕；测湿精度±45%RH，测温精度±0.5℃〔25℃〕。
最终方案：
本次设计是以AT89S52根本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温湿度检测、显示电路、报警电路、系统软件等局部的设计。系统总体框图如图4所示。

图4 系统总体框图
方案一、二选用的AT89C51单片机，其片4KROM是Flash工艺的，使用专用的编程器自己就可以随时对单片机进展电擦除和改写，片有128字节的RAM。而AT89S52含有在系统可编程的Flash存储器，片有8K闪存，RAM的容量也较AT89C51大，为256字节。显然这种单片机优点更多，开发时间也大为缩短。因此，在本次设计中选用了ATMEL公司的AT89S52单片机。
与其他设计相比，本设计主要的不同之处在于温湿度的检测方面，此次设计运用了HU-10S温湿度模块。HU-10S温湿度模块的作用是将湿度传感器的非线性电阻信号转换为线性电压信号输出，其主要特点有线性输出、稳定性好、可靠性好、操作简便等。HU-10S温湿度模块典型应用领域有加湿机和抽湿机、空气调节器、湿度记录仪和控制器、自动环境控制、其他相关湿度检测和控制等。
HU-10S温湿度模块的根本参数如下：工作电压围：直流电压5.0±0.1 V；输出电压围：直流电压1.0±3.0 V；工作电流(最大值)2mA；测试精度(在25℃，60%RH时)±5% RH；储存环境湿度围：0-95%RH；储存环境温度围：-20℃至70℃；年漂移率小于±1.5%等。
HU-10S能将湿度传感器的非线性电阻信号转换为线性电压信号输出，而输出的电压与湿度之间有较好的线性关系，如图5所示。因此可通过测量电压信号来获取当下的湿度值，同时温度的变化会引起该模块中热敏电阻阻值的变化，利用一下公式R=(Vcc-Vt)R1/Vt(Vt: 温度信号电压; R1=10kΩ; R: 热敏电阻阻值)，可得到准确的热敏电阻阻值，进而得到准确的温度值。HU-10S的管脚图如图6.

图5 HU-10S 在 25 ℃温度下典型响应曲线

图6 HU-10S的管脚图
运用A/D转换器，将从HU-10S输出的温度和湿度信号转换成数字信号，送入AT89C51单片机进展处理，再通过液晶屏显示出来。当所测得的温湿度超出了预定的正常围时，通过报警电路能将信号传递给相关的仪器或工作人员，进展相关的操作。

五、实施方案
2月21日至3月16日
1、文献阅读〔中外文资料，书籍，文献〕；
2、外文资料翻译〔各2000字以上〕；
3、完成开题报告和文献综述；
4、进展开题辩论。
3月16日至5月7日
1、 毕业设计方案实施；
2、 毕业设计中期检查。
5月8日至5月28日
1、 完成整体设计，进展系统联调；
2、 修改完善作品，完成毕业设计。
5月28日以后
1、撰写论文；
2、准备辩论。

六、主要的参考文献
[1] SHT1x/SHT7x Humidity &Temperature Sensor Datasheet[Z]. Sensirion. 2005.
[2] SHT1x/SHT7x Application Note Sample Code[Z].Sensirion. 2005.
[3]Anton K，Schindler，Kevin J Folliard． Heat of Hydration Models for Cementitious Materials［J］ACI Materials Journal，( January － February) 2005: 24－33．
[4]De Schutter G，Taerwe L． Fictitious degree of hydration method for the basic creep of early age concrete［J］． Materials and Structures，2000( 33) : 370－380
[5]显英，荣雨.基于数字温湿度传感器SHT11的温湿度测控系统[J]. 自动化仪表， 2006(1):59-61.
[6]邹晓勇，清静.由干湿球温度计算相对湿度的简捷法[J]无机盐工业 1998.(9):20-21
[7]爱荣，单片机在温湿度测量中的应用，水利电力机械，2001.(3)
[8]马祖长,怡宁.温湿度检测的无线传感器网络[J].传感器技术,2003,22(12):57259.
[9]琳娜，武发． 传感检测技术及应用［M］． : 中国计量，1999．
[10] 显英，荣雨.基于数字温湿度传感器SHT11的温湿度测控系统[J]. 自动化仪表，2006(1):59-61.
[11]夏益民，周卓斌基于ATmega16L单片机的温度控制系统电子设计工程,2021，17(12)：71～73

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