一种基于LPC1768的温湿度控制器的制作方法

本实用新型涉及测试计量技术领域，尤其涉及一种温度和湿度采集精度高、温湿度范围控制精准、输出稳定、反应迅速的基于LPC1768的温湿度控制器。

背景技术：

从工业温湿度控制器的发展过程看，大致可分为三代：第一代温湿度控制器为定值开关控制模式，其基本方法是利用传感器检测系统中的湿度和湿度，当达到事先设定的温度和湿度值时，控制器会断开机械和电气开关，对加热源和加湿器进行通断控制。目前，这种控制器在对一些控制精度要求不高的场合仍有使用的价值。由于这类控制器无法克服温湿度变化过程的滞后性，致使系统参数波动较大，控制精度低，完全不适用于高精度的温湿度控制。第二代温湿度控制器是采用PID方式控制的设备，其开发环境包括单片机，PLC或者计算机软件这三种。采用高精度模数转换电路采集系统中的湿度和湿度，通过PID算法，进行控制调节，由于PID调节模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于第一代控制式。但是PID控制的品质的好坏，主要取决于比例值、积分值、微分值三个参数的整定，只要这三个参数整定的正确，其控制精度是令人满意的。但是，它的不足之处也恰在于此，一旦当三个参数改变，或者受控条件发生较大的变化，其控制品质就难以得到保证。为了克服PID调节方式的这一弱点，人们提出一系列自动调整参数的方法，即参数的自学习、自整定方法。这种基于具有自适应的PID算法研制的温控仪，就是目前的第三代温控仪表。

目前市场上恒温恒湿试验机所采用的控制器多以第二代控制器为主，少数标称的自整定控制器其控制效果并不能尽如人意。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。更有甚者，有些厂家的控制器会采用加大滤波系数的方式，显示虚假的控制结果。同时现有的控制器由于技术老化，更新换代速度慢，不重视人机交互体验，难以满足实际生产中客户多样的需求。

目前国内温湿度控制器相对国外温湿度控制器而言在性能方面还存在一定的差距，它们之间最大的差别主要还是在控制算法方面，具体表现为国内温湿度控制器在全量程内温度控制精度低，自适应性较差。这种不足的原因是多方面造成的，如针对不同的控制对象，由于控制算法的不足导致控制精度不稳定。

针对以上这些不足，目前需要一种新型的温湿度控制器，来解决控制精度低、适应性差、反应迟钝、人机交互体验性差等缺点，满足市场需求。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本实用新型的目的是提供一种基于LPC1768的温湿度控制器，其信号稳定，温度和湿度采集精度高、范围控制精准，输出稳定，且反应迅速，无卡顿延迟现象，用户体验上优于决大部分市面上在售的控制器，具有较高的温湿度控制精度和较佳的控制品质。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型提供了一种基于LPC1768的温湿度控制器，其包括采集单元、控制单元、输入输出单元，其中，

采集单元：用于采集环境中的温度和湿度；

控制单元：根据采集单元传输过来的实时运行状态，向输入输出单元发出动作指令；其包括人机交互显示单元、LPC1768控制器和通信接口单元，所述LPC1768控制器通过通信接口单元与人机交互显示单元连接；

输入输出单元：根据控制单元的执行指令操控执行机构工作；输入输出单元包括控制继电器、SSR以及伺服阀；

所述控制单元通过通信接口单元与采集单元和输入输出单元连接。

优选的方案，所述采集单元包括依序连接的干湿球温湿器、A/D转换器和STM32微控制器。

进一步优选的方案，所述干湿球温湿器包括第一PT100铂电阻、第一模拟电路、第二PT100铂电阻、第二模拟电路和开关电路；所述第一PT100铂电阻与第一模拟电路连接后与开关电路连接，所述第二PT100铂电阻与第二模拟电路连接后也与开关电路连接；所述第一PT100铂电阻的球部包有纱布且纱布一端浸入水槽中作为湿球，用于采集湿度；所述第二PT100铂电阻裸置于空气中作为干球，用于采集温度。

更进一步优选的方案，所述控制单元的通信接口单元包括一路232接口，一路485接口，两路CAN总线，一路232/485可切换接口，一路以太网接口。

再进一步优选的方案，所述LPC1768控制器设有USBHOST接口和SD卡接口。

所述输入输出单元还包括光耦隔离器。

所述伺服阀采用L298作为驱动芯片。

通信接口单元采用隔离芯片ADUM1201对外部信号和LPC1768信号进行隔离。

所述控制单元的LPC1768控制器采用PID模糊控制自动选择相应的PID算法和参数进行控制。

输入输出单元采用EPM240T100C5控制芯片。

通过采用以上技术方案，本实用新型一种基于LPC1768的温湿度控制器与现有技术相比，其有益效果为：

1、本实用新型在温度和湿度采集方面采用恒流源测电阻法，使用24位A/D转换芯片，并采用专用的温度采集单元，使采集单元独立于控制单元流程之外，腾出了大量的资源去采集温度和湿度信号，从而对温度、湿度的数值采集更精确，从而保证得到更好的控制效果。

2、由于温度和湿度之间存在强耦合关系，任一物理量的变化都会对另一物理量造成极大的扰动，而本实用新型在控制过程中首先对其进行解耦，然后通过模糊PID算法，将控制过程模糊化，然后通过PID算法得出精确的动作机构输出量，从而获得了较高的温湿度控制精度和较佳的控制品质。

3、通过实际测试，本实用新型各种不同的控制条件下，温度范围可以稳定在±0.1℃，湿度范围可以稳定在±2%。系统运行平稳，稳定速度快，达到同类产品中优秀水准。

4、本实用新型开机速度快，只需要一到二秒的时间，系统就可以完成初始化操作。人机交互界面反应迅速，无卡顿延迟等现象，在用户体验上优于决大部分市面上在售的控制器。

5、经过实际测试和运用，本实用新型可以完整的实现已设计的功能，达到预想中的效果：同时采集多路温度和湿度信号时，信号稳定，采集精度高，其中温度精度可达±0.02℃，湿度精度可达±2%。

6、CPLD强大的逻辑电路处理能力，有效分担了LPC1768接口不足的压力，并使得输入输出模块响应迅速，有着更加稳定的输出。

7、本实用新型将系统的采集单元，控制单元以及输入输出单元分开设计，增强了系统的可扩展性，方便用户使用和安装。用户可以根据自己的需求，自由选择采集单元和输入输出单元的组合。对不同机型的适应性广，可以充分满足不同用户的需求。

8、本实用新型具有强大的扩展性和共用性，除了用作恒温恒湿试验机的控制器外，还可以用于快速温变，冷热冲击，盐雾机等各种类型的环境试验机。在以后的控制器开发中，减少了新项目的开发周期，降低了硬件成本和时间成本。

附图说明

图1为本实用新型一种基于LPC1768的温湿度控制器的结构框图；

图2为本实用新型的LPC1768控制器和通信接口单元的连接图；

图3为本实用新型一种基于LPC1768的温湿度控制器的工作流程示意图；

图4为ADUM1201电路原理图；

图5为B0505S电路原理图；

图6为AT24C256电路原理图；

图7为W25Q256电路原理图；

图8为光耦电路图；

图9为伺服阀驱动电路。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实例，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

温湿度控制器，第一个要解决的问题便是关于系统湿度的采集。湿度测量技术来由已久。湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理—化学理论分析和计算。随着电子技术的发展，近代测量技术也有了飞速的发展。湿度测量从原理上划分二、三十种之多。对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值(重量或体积)等等。常见的湿度测量方法有：动态法(双压法、双温法、分流法)，静态法(饱和盐法、硫酸法)，露点法，干湿球法和形形色色的电子式传感器法。这里双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之用，其测量精度可达±2%RH -±1.5%RH。静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡6~8小时。露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。但用现代光—电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。

本控制器采用的是干湿球法测湿度，这是18世纪就实用新型的测湿方法。历史悠久，使用最普遍。干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。本公司所生产的环境实验箱，通过专用风机的控制，以及风道的设计，可以轻松达到这个平时看上去十分苛刻的条件。使干湿球测湿度法的精确度达到电子湿度传感器，并且不会像电子湿度传感器那样随着使用时间的延长，精度会有明显的下降。

本实用新型一种基于LPC1768的温湿度控制器，其包括采集单元、控制单元和输入输出单元，其结构框图如图1所示，

采集单元通过485接口和控制单元连接，由于485通信总线的特性，控制单元可以同时采集多路采集单元的温湿度数据。在一些大型的环境试验箱如步入式恒温恒湿机中，由于实验箱体积较大，循环风有死角，实验对象的摆放不均等因素，导致实验箱内温度和湿度并非是完全均匀的。经常有客户提出要测量实验箱内部各个角落的温湿度数据，以便更加全面的观测被测对象所经受的实验过程。在本方案中，由于采集单元和控制单元采用分离式设计，用485通信总线进行连接，使得控制器可以测量的温湿度数据可以近乎无限扩展。

控制单元核心是一块LPC1768单片机。LPC1768 是NXP 公司推出的基于ARM Cortex-M3 内核的微控制器LPC17XX 系列中的一员。LPC17XX 系列Cortex-M3 微处理器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。LPC1700 系列微控制器的操作频率可达100MHz。ARM Cortex-M3 CPU 具有3 级流水线和哈佛结构。LPC17XX 系列微控制器的外设组件包含高达512KB 的flash 存储器、64KB 的数据存储器、以太网MAC、USB 主机/从机/OTG 接口、8 通道DMA 控制器、4 个UART、2 条CAN 通道、2 个SSP 控制器、SPI 接口、3 个IIC 接口、2 输入和2 输出的IIS 接口、8 通道的12 位ADC、10位DAC、电机控制PWM、正交编码器接口、4 个通用定时器、6 输出的通用PWM、带有独立电池供电的超低功耗RTC 和多达70 个的通用IO 管脚。基于LPC1768强大的运算能力，丰富的外部接口和片上资源，本实用新型使用LPC1768作为控制中枢。

控制单元提供了丰富的外部接口，包括一路232接口，1路485接口，2路CAN总线，1路232/485可切换接口，一路以太网接口，支持USBHOST功能，支持SD卡存储。如图2所示，为控制单元的LPC1768控制器与通信接口单元的连接示意图，丰富的接口可以满足各种类型恒温恒湿试验机的需求，可以提供给客户更加丰富的选择。通信接口单元采用全隔离式独立电源供电安全设计，使用隔离芯片ADUM1201进行外部信号和CPU信号的隔离。ADUM1201是基于ADI（Analog device, inc）公司的iCoupler磁耦隔离技术的双通道数字隔离器，其电路原理图如图4所示。采用了高速CMOS工艺和芯片级的变压器技术，在性能、功耗、体积等各方面都有光电隔离器件无法比拟的优势。

ADUM1201隔离器在一个器件中提供两个独立的隔离通道。两侧工作电压为2.7V~5.5V，支持低电压工作并能实现电平转换。另外，ADUM1201具有很低的脉宽失真（<3ns）。与其他光电隔离的解决方案不同的是，ADUM1201还具有直流校正功能，有一个刷新电路保证即使不存在输入跳变的情况下输出状态也能与输入状态相匹配，这对于上电状态和具有低数据速率的输入波形或恒定的直流输入情况下是很重要的。

通信接口单元采用独立的DC电源供电，使用DC-DC芯片B0505S。B0505S电路原理图如图5所示，B0505S具有产品体积小，纹波极低，适应温度广（工作温度范围能够由-40℃到 85℃），电磁兼容性好，可持续短路保护，温度特性好等优点。B0505S可隔离电压3KVDC，使用时无需外加元件，采用内部贴片设计，符合国际标准引脚方式，符合ROHS要求。

控制单元具有丰富的存储设备。其中EEPROM使用AT24C256作为常用数据的保存芯片， AT24C256是ATMEL公司256kbit串行电可擦的可编程只读存储器，其电路原理图如图6所示，8引脚双排直插式封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2线总线上并接4片该IC，特别适用于具有高容量数据储存要求的数据采集系统。AT24C256反复擦写次数可达1000，000次，非常适合存储一些需要频繁读取和擦除的数据。

W25Q256作为片上大容量存储器件，主要用于存储大量的实验数据，W25Q256电路原理图如图7所示。W25Q256是为系统提供一个最小的空间、引脚和功耗的存储器解决方案的串行Flash存储器。比普通的串行Flash存储器更灵活，性能更优越。基于双倍/四倍的SPI，它们能够可以立即完成提供数据给RAM，包括存储声音、文本和数据。芯片支持的工作电压2.7V到3.6V，正常工作时电流小于5mA，掉电时低于1uA。所有芯片提供标准的封装。W25Q256由每页256字节，每页的256字节用一次页编程指令即可完成。每次擦除16页（扇区）、128页（32KB块）、256页（64KB块）和全片擦除。

W25Q80/16/32支持标准串行外围接口（SPI），和高速的双倍/四倍输出，双倍/四倍用的引脚：串行时钟、片选端、串行数据I/O0(DI)、I/O1(DO)、I/O2(WP)和I/O3(HOLD)。SPI最高支持80MHz，当用快读双倍/四倍指令时，相当于双倍输出时最高速率160MHz，四倍输出时最高速率320MHz。这个传输速率比得上8位和16位的并行Flash存储器。

输入输出单元采用EPM240T100C5为控制核心，此芯片由Altera公司开发，属于该公司MAXII系列的CPLD产品。 Altera推出的MAX II器件系列是一款革命性的CPLD产品。它基于突破性的CPLD架构，提供业界所有CPLD系列中单个I/O管脚最低成本和最小功耗。这些器件采用新的查表(LUT)体系，采用TSMC的0.18µm嵌入Flash工艺，使其裸片尺寸仅为同样工艺器件的1/4。 MAX II系列和上一代MAX产品相比，成本降低了一半，功耗只有其1/10，同时保持MAX系列原有的瞬态启动、单芯片、非易失性和易用性。新的系列器件容量翻了两番，性能是上一代MAX CPLD的两倍多，使消费类、通信、工业和计算机产品的设计者能够采用MAX II系列器件代替昂贵和不够灵活的小型ASIC和ASSP。 EPM240T100C5是该系列入门级产品，芯片上有240个逻辑单元，等效宏单元是192个，资源比较丰富，内有8Kbit Flash的存储空间，足够控制输入输出模块全部功能。

输入输出单元采用光耦隔离器，外部输入与内部电路完全隔离，其原理图如图8所示。当外部有电压输入时，光耦内置的发光二极管被点亮，PN结导通，输出端电压被拉为低电平。当外部没有电压输入时，PN结截止，输出端输出高电平。光耦隔离器带有指示功能，当有外部电压输入时，发光二极管会被点亮，用来指示相应的输入端。

伺服阀采用L298作为驱动芯片，其驱动电路如图9所示，L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标准TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC和步进电机）。L298提供两个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用L298器件。L298低位晶体管的发射器连接到一起，而其对应的外部端口则可用来连接一个外部感应电阻。L298还提供一个额外的电压输入，所以其逻辑电路可以工作在更低的电压下。L298工作电压高达46V，总DC电流达4A，足以满足任意型号的伺服阀驱动使用。

本实用新型工作原理如图3所示：开机后，控制单元将需要使用的内存区域清零，将输入输出单元的输出继电器全部关闭，SSR继电器置位。对伺服阀进行初始化操作，由于伺服阀采用步进驱动原理，属于开环控制，在运行过程中，并不能准确控制伺服阀的开度。因此需要在开机的时候进行初始化，初始化时，先将伺服阀开度设为最大，然后将伺服阀关闭，最后再将伺服阀开度置为10%，以免压缩机启动时，高压端不通，导致压力过大，损坏压缩机。初始化通信接口，设置通信引脚和波特率。初始化SD卡和USB。

在完成初始化后，开始循环读取温度和湿度信息。温度和湿度信息由采集单元采集，并通过控制单元的主机查询的方式获得。控制单元首先向采集单元发出读取温湿度命令，采集单元在收到读取命令后，向控制单元发送最新的温湿度值。控制单元将接收的温湿度值用于控制，并在人机交互显示单元的触摸屏显示。

在温湿度控制系统中，由于温度和湿度是一对互相扰动的物理量，这给普通的PID控制带来极大的困难。本实用新型采用PID模糊控制。

在本实用新型中，根据温度和湿度范围不同，将系统划分为高温、常温、低温、超低温，以及高湿、常湿、低湿等状态。根据状态不同，PID模糊控制自动选择相应的PID算法和参数。由PID算法，得到动作机构动作的精确控制量。本实用新型动作机构由加热器，加湿器和压缩机组成，控制输出量也分为加热器开度，加湿器开度以机伺服阀开度三个部分。其中加热器动作和加湿器动作均由固态继电器（SSR）来完成。压缩机的输出量由伺服阀来完成，通过控制伺服阀的开度，控制压缩机制冷剂进入实验箱的速度，从而实现对降温和降湿动作的精确控制。

为了得到精确的控制结果，首先要得到精确的温度和湿度数据。温度和湿度的数据由采集单元完成。其中对于湿度的采集使用干湿球测湿度器。干湿球测湿度器是用两支PT100铂电阻，其中一支在球部用白纱布包好，将纱布另一端浸在水槽里，即由毛细作用使纱布经常保持潮湿，此即湿球。另一未用纱布包而露置于空气中的温度计，谓之干球（干球即表示气温的温度）。采集单元的温度采集由24位A/D转换芯片ADS1252，将采集到的干湿球测湿度器的干球和湿球电阻值，通过查表法得到干球和湿球的温度值；同时用以下公式计算得到相对湿度:

其中U：相对湿度%；etw：湿球温度下的饱和水汽压；et：干球温度下的饱和水汽压；A：常数； P：大气压力；△t：干湿球温差。

人机交互显示单元选用由北京迪文公司研发的DGUS屏作为人机交互界面。与传统的LCM通过时序或指令控制显示不同，DGUS屏采用直接变量驱动显示方式，所有的显示和操作都是基于预先设置好的变量配置文件来工作的。使用DGUS来进行开发，可帮助用户快速开发全图形触摸屏人机界面，触摸屏输入法、弹出菜单、滑块拖动、增量调节等触摸屏交互方式和变量图标、艺术字、曲线显示、时间变量等变量显示可借助PC轻松完成，可以减少工程师大量的编程工作。

通信接口单元通过串口和DGUS屏进行连接，当通信接口单元收到DGUS屏发来的命令后，会对命令进行分析解读。然后根据命令不同，载入相应的驱动程序，完成翻页，显示，存入，读取等操作。

通信接口单元包括2个RS232接口，1个RS485接口，2个CAN总线，一个以太网接口。其中以太网接口采用TCP通信协议，相对于UDP通信协议，TCP协议虽然在传输效率方面，略显不足，但是在传输的可靠性方面，TCP协议具有很大的优势。

上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好地使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。