箱式变电站的温湿度监控装置的设计本科学位论文

目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1 课题的背景和意义 (1)
1.2 课题基本任务及要求 (2)
1.3 本课题的主要工作 (2)
第2章硬件设计 (3)
2.1 总体方案设计 (3)
2.2 AT89C52单片机特点及功能 (4)
2.2.1 单片机应用系统设计方法 (7)
2.3 网络串行通讯总线标准及其接口串行通讯接口 (7)
2.3.1 RS-485总线标准接口 (8)
2.4 SHTxx系列数字式传感器 (9)
2.4.1 SHT11传感器的基本工作原理 (10)
2.4.2 SHT11的性能指标 (10)
2.4.3 SHT11的引脚和内部构成 (10)
2.4.4 SHT11 的典型应用电路 (12)
2.4.5 SHT11的数据测量和控制 (13)
2.5 硬件电路设计 (15)
2.5.1 硬件设计系统框图 (16)
2.5.2 单片机与SHT11传感器的接口设计 (16)
2.5.3 人机接口电路设计 (17)
2.5.3.1 键盘部分 (17)
2.5.3.2 LED显示电路 (18)
2.5.4 温湿度控制电路及报警电路设计 (20)
2.5.5 RS-485接口电路 (23)
第3章程序设计 (25)
3.1 主程序流程 (25)
3.2 测量程序流程图 (26)
3.3 单片机外围电路软件设计 (27)
3.3.1 LED显示系统软件设计 (27)
3.3.2 键盘控制流程 (28)
3.4 控制部分软件设计 (29)
结束语 (31)
参考文献 (32)
致谢 (33)
附录A：硬件系统电路图 (34)
附录B：程序清单 (35)
箱式变电站的温湿度监控装置的设计
摘要：介绍了一种基于单芯片数字式温湿度传感器的箱式变电站温湿度监控装置。

该装置利用AT89S52单片机对温湿度传感器输出的信号进行采集和处理，若温度或湿度值超限，则由单片机发出控制信号，通过固态继电器自动启动风扇散热或启动加热器和排气扇除湿，以防止电气设备过热和凝露的产生。

同时，装置还具有报警、LED显示和RS-485通信功能。

关键词：箱式变电站；温湿度传感器；凝露
Design on The Temperature and Humidity Monitoring Device for Prefabbicated Substations
Abstract：A temperature and humidity monitoring device for prefabbicated substations is introduced,which based on the single chip digital temperature and humidity sensor.By using microprocessor AT89S52,the device gathers and processes the signals from the emperature and humidity sensors.When the temperature or humidity is higher than preset value, by the solid satae relay (SSR) ,the microprocessor will turn the fan on for radiating heat,or turn heater and fan on for dehumidifing,preventing overheating and dewing of electrical equipment.Besides,the device also has LED show,giving alarm and RS-485 communication functions.
Keywords：prefabbicated substation；temperature and humidity sensor；dewing
第1章绪论
1.1 课题的背景和意义
在人类社会高度发达的今天，人们对信息的提取，处理，传输以及综合等要求愈来愈迫切，而作为信息提取的功能器件——传感器与人类的关系也愈加密切。

由于计算机技术突飞猛进的发展和微型计算机的兴起，国民经济中任何一个部门中重要提取的各种信息都有可能通过计算机进行正确及时地处理，如在仓储管理、工业生产制造、智能化建筑、科学研究及日常生活中需要对温度和湿度进行较为准确的测量和控制，温度和湿度传感器在这里就起着至关重要的作用。

市场上常见的温度，湿度传感器以电压输出为主要表现形式，温度湿度与所表现出来的电压信号呈非线性的关系，且因为材料本身的差异，不同的传感器其非线性曲线也各不相同，缺乏一个产品应具备的通用性和互换性。

实际中的应用的温湿度传感器要具备以下特点：
a）敏感材料的特性岁温湿度的变化有较大的变化，而且该变化易于测量；
b）材料对温湿度的变化有较好一一对应关系，即对除温湿度外其它物理量的变化不敏感。

c）性能误差及老化小，重复性好，尺寸小；
d）有较强的耐机械、化学及热作用等特点；
e）与被检测的温湿度范围和精度相适应。

随着科学技术的发展，传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0～10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。

传感器本身体积也是越小越好，传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。

集成化半导体传感器满足了以上要求，而且得到越来越广泛的应用。

自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器。

该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，发挥出强大的优势互补作用。

箱式变电站（预装式变电站）与传统土建变电站相比具有成套性强、体积小、占地少、能伸入负荷中心、提高供电质量、减少损耗、送电周期短、选址灵活、对环境适应
性强、安装方便、运行安全可靠及投资少、见效快等一系列优点，因而应用日益广泛。

但是，现有的箱式变电站在安全可靠性方面还存在一些问题。

主要是由于箱式变电站一般运行在户外，其内电器设备容易受到外界环境的影响。

如高压室和低压室若发生凝露，则危及电器绝缘，甚而导致闪络；变压器室的温度若超过一定限度，则会影响出力。

因此，为了保护预装式变电站免受外界环境的影响，需装设一些保护装置，如除湿机、调温装置、强迫排气装置等。

总之，对高、低压室来说，主要防止凝露危害绝缘；对变压器室来说，主要监控温度，以免影响变压器的出力。

针对现有箱式变电站存在的上述问题，研制了一种采用单芯片温湿度传感器和微处理器的箱式变电站温湿度监控装置。

1.2 课题基本任务及要求
以单片机为核心，设计一个箱式变电站温湿控制系统。

温度和湿度可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度湿度变化时实现自动调整，以保持设定温度湿度基本不变。

设计的主要内容是完成温度湿度自动控制系统的软、硬件设计及调试。

包括：a 单片机的选择；b 总体方案的确定；c 各模块电路的设计；d 软件设计；e 各模块调试；
f 编写设计说明书等。

1.3 本课题的主要工作
库房的温湿度控制系统的研究是结合实际情况，制定相应的控制方案。

本控制系统是在AT89S51单片机的基础上，通过传感器（SHT11）采集温湿度数据，单片机来完成数据的处理，用PC机来进行实时监控，单片机自行调节控制过程研究的主要工作和内容如下：
(1)对数据采集和数据的处理，AT89S51单片机与传感器之间的变送电路设计，键盘和显示的输入输出电路，，驱动电路的实现以及单片机AT89S51和PC机之间的通讯设计和相应的软件编制。

(2)对控制系统进行仿真，以用来随时检测控制系统的控制效果。

第2章硬件设计
2.1 总体方案设计
我们根据课题的基本任务是一个利用单片机控制系统，实现对箱式变电站控制系统的温湿度控制，并且使温湿度在一定范围内可调。

我们可将我们将整个系统分成几个单元进行设计。

包括：敏感传感器单元，变送电路单元，键盘和显示电路单元，驱动电路单元，8位单片机处理单元及网络连接工控机单元组成。

我们对课题的设计从信号顺序来考虑，系统先从信号开始采集，先通过传感器采集到现场的温湿度信息，然后传送到单片机。

单片机将实现多种控制处理。

首先处理从键盘输入的数据和信号采集进来的数据，接下来将二者进行比较：如果采样值不超过键盘的输入值，系统将继续查询采样信号，如果采样值超过键盘输入值，单片机发出控制空调机及除湿机信号，信号通过驱动电路来实现对风扇和加热器的控制，在对信号采样和处理的过程，单片机还通过网络实时与上位机进行通信，这样更利于对变电站的控制，其总体设计思路如图2.1所示：
图2.1总体设计思路
2.2 AT89C52单片机特点及功能
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向I输入/输出（/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C52提供以下标准功能：8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两极中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I）。

P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（Iil）在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，其端口引脚见表3.1。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收回输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它
们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（Iil）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如框表所示；此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：复位输入，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

表2.1 P3口端口引脚
XTAK1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：振荡器反向放大器的输出端。

特殊功能寄存器：在AT89C52片内存储器中，80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器（SFE），SFR的地址空间映像如表2所示。

并非所有的地址都被定义，从80H—FFH 共128个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有被定义。

对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。

不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。

中断寄存器：AT89C52有6个中断源，2个中断优先级，IE寄存器控制各中断位，IP寄存器中6个中断源的每一个可定为2个优先级。

数据存储器：AT89C52有256个字节的内部RAM，80H-FFH高128个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的，但是物理上它们是分开的。

当一条指令访问7FH以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式则为访问特殊功能寄存器。

中断：AT89C52共有6个中断向量：两个外中断（INT0和INT1），3个定时器中断（定时器0、1、2）和串行中断。

所有这些中断如图2-3所示。

这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE的置位或清0来控制每一个中断允许或禁止。

IE也有一个总禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。

定时器2的中断是由T2CON中的TF2和EXF2逻辑或产生的，当转向中断服务程序时，这些标志位不能被硬件清除。

定时器0和定时器1的标志位TF0和TF1在定时
器溢出那个机器周期的S2P2状态置位，而会在下一个周期才查询到该中断标志。

时钟振荡器：AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，震荡电路参见图10。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈电路中构成并联振荡电路。

对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡器的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐使用电容使用30pF土10pF,而如果使用陶瓷谐振器建议选择40pF土10pF.用户也可以采用外部时钟。

采用外部时钟的电路如图所示。

这中情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟的占空比没有特殊的要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术的要求。

Flash存储器的编程：AT89C52单片机内部有8K字节的Flash EPROM,这个Flash 存储器阵列出厂时已处于擦除状态（即所有的存储单元的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程。

编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。

低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高压编程模式可与通用EPROM编程器兼容。

AT89C52的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的EPROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。

编程方法：
AT89C52编程方法如下：
（1）在地址线上加上要编程单元的地址信号。

（2）在数据线上加上要写入的数据字节。

（3）激活相应的控制信号。

（4）在高电压编程方式时，将EA/Vpp端加上+12V编程电压。

（5）没对Flash存储阵列写入一个字节或没写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。

每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。

重复1—5步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。

数据查询：AT89C52单片机用DATA Palling 表示一个写周期结束为特征，在一个写周期中，需要最后写入的一个字节，则读出的数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高位的反码。

写周期完成后，所输出的数据是有效的数据，即可进入下一个字节的写
周期，写周期开始后，Data Palling 能随时有效。

READY/BUSY：字节编程的进度可通过“RDY/BSY”输出信号监测，编程期间，ALE 变为高电平“H”后，P3.4(RDY/BSY)端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态）。

编程完成后，P3.4变为高电平表示准备就绪状态。

程序校验：如果加密位LB1、LB2没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据读回原编写的数据。

加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。

2.2.1 单片机应用系统设计方法
总体设计中确立的功能特性要求，确定单片机的型号，所需外围扩展芯片、存储器、I/O电路、驱动电路、可能还有A/D和D/A转换电路以及其它模拟电路，设计出应用系统的电路原理图。

图2.2 单片机应用系统的开发
2.3 网络串行通讯总线标准及其接口串行通讯接口
异步串行通讯接口有四类：
(1)RS-232C(RS-232A,RS-232B)
(2)RS-485,RS-449,RS-423和RS-422
(3)20mA电流环
(4)USB通用接口
在实现计算机与计算机、计算机与外设间的串行通信时，通常采用标准通信接口，所谓标准接口，即使明确定义若干信号线，使接口电路标准化、通用化。

采用标准接口后，能很方便地把各种计算机、外部设备、测量仪器有机地连接起来，构成一个测量、控制系统。

RS-232C是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的、在异步串行通讯中应用最广的标准总线，它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定，适合于短距离或带调制解调器的通讯场合。

为了提高数据传输率和通讯距离，EIA又公布了RS-449.RS-422.RS-423和RS-485串行总线接口标准。

20mA电流环是一种非标准的串行接口电路，但由于它具有简单、对电气噪声不敏感的优点，因而在串行通讯中也得到广泛使用。

为保证高可靠性的通讯要求，在选择接口标准时，需要注意以下两点：通讯速度和通讯距离
通常的标准串行接口的电气特性，都有满足可靠传输时的最大通讯熟读和传送距离指标，但这两个指标之间具有相关性，适当地降低通讯速度，可以提高通讯距离，反之亦然。

例如，采用RS-232C标准进行单向数据传输时，最大数据传输速率为20K bit/s,最大传送距离为15M，改用RS-485标准时，最大传输速率可达10M bit/s，最大传送距离为300M，适当降低数据传输速率，传送距离可达到1200M。

抗干扰能力
通常选择的标准接口，在保证不能超过其使用范围时都有一定的抗干扰能力，以保证可靠的信号传输。

但在一些工业测控系统中，通讯环境往往十分恶劣，因此在通讯介质选择、接口标准时要充分注意其抗干扰能力，并采取必要的抗干扰措施。

例如在长距离传输时，使用RS-485标注，能有效地抑制共模信号干扰；使用20mA电流环技术，能大大降低对噪声的敏感程度。

在高噪声污染环境中，通过使用光纤介质减少噪声干扰，通过光电隔离提高通讯系统的安全性能是一些行之有效的办法。

2.3.1 RS-485总线标准接口
1977年，EIA制定了新的通信标准RS-449，它定义了在RS-232C通信中没有的10种电路功能，可以支持较高的传输频率，以及较远的传输距离，提供平衡电路改进接口的电器特性。

其中规定了用37脚连接器，RS-423/422是RS-499标准的子集。

RS-485则是RS-422的一个变形。

RS-485标准是一种多发送器的电路标准，他扩展了RS-422A的性能，文本给出了RS-449应用中对电缆、驱动器和接收器的要求。

规定了双端电气接口的形式，其标准是双端传送信号，把电压差转变成逻辑电平，实现路端的信息接受。

采用RS-232C标准进
行单项数据传输时，最大数据传输速率为20Kbit/S，最大传送距离为15M，改用RS-422标准时，最大传输速率可达10Mbit/s，最大传送距离300M，如果降低数据传送速率，可传送距离可达到1200M。

同时RS-485标准还允许双绞线上一个发送器驱动32个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接受器或收发器。

RS-485电路允许公用电话线通信，电路结构是在平衡连接电缆两端加有终端电阻，在平衡电缆上挂发送器、收发器和组合收发器。

RS-485通信协议有其自身的特点：
（1）RS-485总线标准采用一对平衡差分信号线传输信号，工作于半双工方式。

由于用一对信号线在同一时间内只允许一个驱动器工作，因此在RS-485总线系统中的驱动器均通过使能端进行控制，使系统在同一时刻只有一个发送器。

（2）RS-485总线采用差分信号传输，能有效地抑制远距离传输中的噪声干扰。

传输距离最多可达1.2KM，传输速度也较快，可高达10Mbit/s，通常连线距离在1KM时，可达到112.5Kbit/s。

RS-485可以实现多个负载的功能。

用一对线就可连接多达32个传送或接收的不同设备。

2.4 SHTxx系列数字式传感器
在当今这个自动化与控制时代，湿度、温度传感器在工农业生产、智能化建筑、国防、气象、环保、生物制药、食品加工等纷繁复杂的测量和控制技术领域获得了越来越广泛的应用。

人们除对传感器的普通性能（如精确度、长期漂移特性等）感兴趣外，还把目光聚集到其在不同环境下的耐久性、元件尺寸、数字化、简单和快速的系统综合特性上。

采用CMOSens®（Ce-mo-Sens）专利技术（CMOS和传感器技术的融合），瑞士Sensirion公司研制成功了SHT11型智能化湿度／温度传感器，其外形尺寸仅为7.5(mm)×5(mm)×2.5(mm)，体积与火柴头相近。

出厂前，每只传感器都在极为精确的湿度室中做过精密校准，校准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。

它不仅能准确测量相对湿度，还能测量温度和露点。

SHT11 是瑞士Sensirion 公司推出的基于CMOSens 技术的新型温湿度传感器。

它是一种全新的基于智能传感器设计理念的新型传感器, 该传感器将温度、湿度传感器、信号调理、数字变换、串行数字通信接口、数字校准全部集成到一个高集成度、体积极小的芯片当中, 利用它可以同时测量目标对象的温度和湿度, 并实现数字式输出。

在现代工业中, 利用微控制器进行数据通讯的工业控制越来越广泛。

特别是由于传输距离、现场状况等诸多可能出现的因素的影响, 微控制器与传感器之间的通讯数据常会发生无法预测的错误。

为了防止错误所带来的影响, 在数据的接收端必须进行差错校验。

本文基于温湿度内漏检测系统而编写的传感器SHT11 和微控制器之间的串行通讯系统,介绍
了一种软件差错校验方案—循环冗余校验法,克服了传统差错检验法对数据行或列的偶数个错误不敏感、漏判概率高等缺点, 使校验过程既简单实用又成本低廉。

内部结构主要包括了相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位A/D转换器、校准存储器（E2PROM）、随机存取存储器（RAM）、状态寄存器、循环冗余校验码（CRC）寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路。

工作原理：该传感器的测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度或温度的信号，然后经过放大，分别送至A/D转换器进行模／数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度或温度的数据送至微控器。

2.4.1 SHT11传感器的基本工作原理
SHT11的基本工作原理是单片机向SHT11发出命令，SHT11利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至其内部的A/D转换器进行模/数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至单片机处理。

单片机处理数据后进行数字显示并作相应的控制。

2.4.2 SHT11的性能指标
（1）温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片上（CMOSens技术）；
（2）全校准相对湿度及温度值输出；
（3）工业标准I2C总线数字输出接口；
（4）具有露点值计算输出功能；
（5）免外围元件；
（6）卓越的长期稳定性；
（7）湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，可编程降至12位和8位；
（8）可靠的CRC数据传输校验功能；
（9）片内装载的校准系数，保证100%的互换性。

（10）电源电压：2.4V～5.5V;
（11）电流消耗:测量0.55mA，平均0.28mA，睡眠0.3mA。

2.4.3 SHT11的引脚和内部构成
SHT11传感器是一款由多个传感器模块组成的单片全校准数字输出相对湿度和温度传感器。