纺织车间温湿度监控系统设计

纺织车间温湿度监控系统设计

张修建

山东协和学院 山东 济南 250109

摘要：全自动化“智慧车间”正逐步走向现实，其中温湿度监控系统应用越来越多，但纺织车间温湿度依然存在调控不精确、不及时和设备落后等现象。针对未来全自动化生产中的温湿度监控系统进行研究，论述基于单片机的温湿度全自动无线监控系统，介绍相关硬件电路、无线通信和程序以及具体实现方法。

关键词：温湿度控制 全自动 多路采集 无线传输

0 引言

温湿度监控系统是一种用于纺织品生产车间为提高产品质量的的自动调控系统，其对控制的温湿度具有较高灵敏度与精确度要求。随着近年来高科技技术和新兴产业相互结合的创新型发展，新一代空调的变频调速技术不断进步，纺织业已经凸现出一系列如手工生产效率低下，设备陈旧老化等问题。所以设计“智慧车间”体系中的温湿度监控系统具有非常意义，它能使纺织车间内空气的温度、湿度、流速和新鲜度等满足生产需求并维持需求条件，同时改善工作环境，尽量保证工作人员舒适工作，保障生产效率，提高产品质量。系统将多路采集、全自动化、无线通信和变频空调集成与一体，使生产状况可视化、生产操作简单化。

1 系统整体设计

本系统采用STC15F2K60S作为系统主控芯片，设计系统对应电路和编写系统代码，完成自动监控系统。系统分为硬件设计和软件部分设计，硬件设计主要为多路传感器采集设计和整体电路设计，软甲部分主要是WiFi模块的无线通信和手机APP的设计。

系统共分为多路温湿度传感器、液晶屏幕显示、预警报警、继电器输出、按键输入、WiFi模块无线通信和手机APP设计。

多路温湿度传感器，分时多点采集温湿度数据，分别对各部分传感器设置不同范围；液晶屏幕显示温湿度范围，报警和继电器工作状态，以及界面切换；继电器调控各个变频空调的工作频率；预警报警负责系统温湿度超限时警示作用；微型按键修改数值，操作系统；WiFi模块用于传递手机APP和单片机的控制命令与状态信息；手机APP连接WiFi监控系统。

图1 系统框图

2 系统硬件设计

系统硬件分为单片机电路、多路传感器采集电路、预警报警电路、输出控制电路、按键输入电路、串口电路设计和电源设计。

2.1电源设计

系统需5V电压供电，用变压器将电压降为10V，经过桥式整流电路将交流电转化为直流电，利用三端集成稳压器LM7805降为5V，如有需要再经过三极管降压。最后稳压器和电解电容等去除干扰，保证电压稳定地供应系统工作。

2.2输出电路设计

在弱电转强电过程中会产生一些干扰因素，为加强弱电的电气隔离，在继电器前一级增加光耦进行隔离，但光耦电流为30mA，不足以使继电器工作，因此在前一级加入三极管，放大输出电流。P2口引脚接到光耦输入侧发光二极管的阴极，接上驱动继电器的三极管，基极的电磁限流驱动电阻值选择4.7KΩ，光耦电源输入侧阳极上的电磁限流驱动电阻选择470Ω，继电器只在它的温湿度高于等于设定值时才进行开关动作。

2.3多路传感器采集电路

要求每个传感器电压保持在5V，温度精度为±0.5℃，湿度误差为±3.0%RH，选用SHT20温湿度传感器。

其类似I2C的双线通信，传感器数量很多，采用74HC138译码器和74HC573锁存器，将11引脚输出转化为最多8*8引脚，并将传感器的工作时间分散开。138译码器的三输入端连接控制8输出端，与低电平再经过74HC02或非门，连接到573锁存器，多个573锁存器的8输入端共同连接到单片机8个引脚，其8输出端连接4个SHT20传感器，这样就可锁存数据，达到单片机每次只读取4个传感器采集的温湿度。

3 系统软件设计

在本设计中，单片机的串口中断的波特率设为9600，在将ESP8266模块与单片机硬件连接之前，利用串口助手发送AT命令完成设置。配置WiFi模块信息，设置AP工作模式、WiFi名和密码。启动定时器和中断，进入死循环程序，调用温湿度采集函数，该函数向SHT20传感器发送复位和读写字节指令读取温湿度，再经过温湿度补偿函数近一步精确数值，调用发送数据函数向手机APP发送处理后的数据，再进入显示函数，将信息显示到LCD1602液晶屏幕上，如此反复循环。

图7 主程序流程图

由于传感器众多，因此多路采集温湿度时利用定时器的定时作用，将采集时间点分散开，前3秒一部分传感器采集，下个3秒一部分采集，直到全部采集完毕，往复循环采集温湿度数据。按键函数加入消抖和松手检测，设置变量，通过按键改变变量数值，利用变量数值的改变控制不同界面下按键的作用、显示内容、继电器的通断和向手机APP发送的显示数据。

4 总结

本系统采用STC15F2K60S2单片机，运行速度是单片机的10倍，具有非常好的扩展性；搭配了最新的空调的变频调速技术，节省了空调启动瞬间需要消耗大量的能源，这些能源是空调一直平稳工作消耗能源的3-5倍。

本系统最终实现了温湿度的自动监控功能，在系统源代码未完全优化的情况下，SHT20传感器的测量精度达到±0.5℃的温度误差和±2.8%RH的湿度误差，无线传输数据延时达到1s以内，按键控制响应速率在0.25s以下，界面切换显示在1.2s以内，超限预警报警响应时间在0.8s内。功能上，多点采集温湿度数据，自动调整变频空调工作频率，用手机连接WiFi，无线数据传输用手机连接WiFi，手机APP查看系统工作状态和操作系统，既给用户提供界面切换操作系统功能，又增添一键选择设置功能简化操作步骤。

本系统向“智慧车间”转型，系统源代码模块化，操作界面程序完整，WiFi模块易于建立混合工作模式，为万物互联、物可视化、全自动化的“智慧车间”提供温湿度监控系统，设计完全完成后巨大的市场需求和利润。

参考文献

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[2]马浩凯.基于单片机的温湿度监测系统[J].电子世界,2019(03):153-154.

[3]徐锦钢,鄢妍.SHT20温湿度传感器的工作原理探析[J].河南科技,2019(28):74-76.

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