一种温湿度与火盗警自动监控系统控制器的设计与实现

    傅　恪　彭楚武　袁小坊　李正中　资　刚　刘亚键　张绍朋

     温、湿度值是档案保存中需要随时进行控制的两个参数。合适的库房温度与湿度对延长档案的保存时间、提高档案的保存质量有着至关重要的作用。但目前全国绝大多数档案馆还是采用手动开/关空调机、风机、加/去湿机等设备的办法来控制库房温湿度，很难达到最佳控制效果，同时也无法进行温湿度数据的自动记录与管理。由湖南大学电气工程系与长沙华鹏传感技术研究所联合研制成功的温湿度自动监控系统除了能取代人工完成以上功能外，且能对库房的火盗警进行监视及报警。该系统已投入实际中运用。本文主要介绍系统中温湿度控制器(下位机)部分的原理与设计。

1　系统结构
　　本系统是一个二级计算机测控系统。N台下位机承担各个库房的温湿度实时检测与控制以及火盗警监视报警任务。上位机位于中央控制室，负责对N台下位机的工作进行管理，完成实时数据收集、显示统计、打印报表以及对下位机的工作状态及温湿度给定值的设置等工作。位于保安人员值班室的值班机平时作为电子表运行。当火/盗警发生时，值班机能以声、光报警形式指示报警的库房号和性质。且当上位机关机时，值班机能自动上升为主机代替上位机接管通讯系统向控制器发出火盗警查询控制字。
　　系统整体结构框图如图1所示。


2　控制器硬件构成及功能
　　“温湿度控制器”以8031单片机为核心，配以本机地址设定电路、采样电路、数码管及LED显示电路、通信接口电路、声音报警电路、硬件看门狗电路、晶闸管输出电路、按钮输入电路、电源电路及数据和程序存储器组成。
　　其中，晶闸管输出电路如图2所示。当需要启动加湿机、去湿机、空调机或风机时，8031从P1.4～P1.7口分别送出低电平，经光电耦合后通过晶闸管驱动各设备。

图2　晶闸管输出电路

     声音报警电路如图3所示。声音报警电路通过一块声音报警芯片9561产生报警信号，经三极管放大接喇叭产生声音报警。此报警芯片可产生两种不同的报警声：当控制器检测到库房有盗警时，Talert信号为低电平，报警芯片电源接通发出警车报警声；当控制器检测到库房火警时，Talert、Falert信号皆为低电平。Talert信号接通报警芯片电源，Falert信号接通芯片报警声音选择端(Sel)，此时报警芯片发出消防车报警声。

图3　声音报警电路

       控制器作为本系统的下位机，主要完成以下几部分功能：
　　．在自动运行方式下，控制器根据温湿度采样值与温湿度设定值来控制风机、空调、加湿机、去湿机设备的启停。温度控制精度为±1°C，湿度控制精度为±2%RH；
　　．当有火盗警报警时，控制器用数码管闪动与声音报警两种方式进行报警；
　　．响应按钮输入，相应地修改控制器温湿度设定值、启停风机或重新热启动控制器；
　　．当因外部干扰导致控制器的程序“飞掉”发生混乱时，看门狗电路自动复位重新热启动控制器，响应时间≤1.6s；
　　．与上位机实时通信，接受上位机送来的各类控制字和温湿度给定值，并按要求回送库房温湿度值、设备运行状态及火盗警情况等。
　　当通信系统出现故障时，本控制器亦可脱离上位机单独运行完成对所在库房的温湿度自动控制及火盗警报警功能。

3　控制器软件设计
　　控制器软件设计采用模块化结构，主要由主程序、通信中断服务程序、100ms定时器中断服务程序、显示子程序、设定键处理子程序、采样子程序、数字滤波子程序构成。
　　主程序完成的功能主要有：冷/热启动系统初始化、火盗警查询及报警、温湿度采样及显示、设备的启停控制等。主程序流程图如图4所示。

     通信中断服务程序又由接收中断服务子程序、接收处理子程序和发送子程序三部分构成。接收中断服务子程序用来将收到的通讯帧对应地存入接收缓冲区INBUF中。接收处理子程序首先对输入缓冲区INBUF的内容进行累加和校验。校验正确，则针对接收到的控制字作出相应处理：或将要发送的信息送入发送缓冲区OUTBUF中，或将接收到的信息存入相应的存储区供主程序使用；校验有误，则向主机回送“ERR”信息帧。发送子程序的功能是完成一帧数据的发送处理，用来：(1)将温湿度值或火盗警报警信号发送给上位机或值班机；(2)将通讯状态用“ACK”或“ERR”信号回送给主机表示通讯成功与否。
　　库房当前温湿度采样值显示由显示子程序负责完成。
　　控制器共使用了六个软件定时器，它们分别是：(1)0.5s基准定时器，以100ms为基准，初值为5，用于火/盗警报警或按下设定键时数码管以1s为频率闪动；(2)0.5s通信定时器，以100ms为基准，初值为5，用于监视通信时是否超时；(3)5s采样定时器，以0.5s为基准，初值为10，用于每5s采样温湿度值送显示缓冲区显示；(4)30s设定键延时定时器，以0.5s为基准，初值为60。当控制器按钮中的设定键按下后，此时控制器进入温/湿度设定值修改状态，显示温度值的数码显示管的十位以1Hz的频率开始闪动。如果30s内还没有其他键按下，则退出设定状态返回到温湿度显示状态；(5)3min定时器①，以5s为基准，初值为36，用于空调机启动时延时3min；(6)3min定时器(2)，以5秒为基准，初值为36，用于加湿机/去湿机启动时延时3min。
　　本系统已在长沙市档案馆安装使用，实际证明本系统具有操作简单、控制精度高、可靠性高、可扩充性好等优点。本系统还预留有采样端口，接上不同的传感器本系统可进一步推广到食品、烟草等行业中使用。

我们先从直流电压源驱动一个负载入手。由于实际的电压源，总是有内阻的（请参看输出阻抗一问），我们可以把一个实际电压源，等效成一个理想的电压源跟一个电阻r串联的模型。假设负载电阻为R，电源电动势为U，内阻为r，那么我们可以计算出流过电阻R的电流为：I=U/(R+r)，可以看出，负载电阻R越小，则输出电流越大。负载R上的电压为：Uo=IR=U×[1+(r/R)]，可以看出，负载电阻R越大，则输出电压Uo越高。再来计算一下电阻R消耗的功率为：

P=I²×R=[U/(R+r)]²×R=U²×R/(R²+2×R×r+r²)

                                  =U²×R/[(R-r)²+4×R×r]

                                   =U²/{[(R-r)²/R]+4×r}

对于一个给定的信号源，其内阻r是固定的，而负载电阻R则是由我们来选择的。注意式中[(R-r)²/R]，当R=r时，[(R-r)²/R]可取得最小值0，这时负载电阻R上可获得最大输出功率Pmax=U²/(4×r)。即，当负载电阻跟信号源内阻相等时，负载可获得最大输出功率，这就是我们常说的阻抗匹配之一。对于纯电阻电路，此结论同样适用于低频电路及高频电路。当交流电路中含有容性或感性阻抗时，结论有所改变，就是需要信号源与负载阻抗的的实部相等，虚部互为相反数，这叫做共厄匹配。在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信号的波长相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑（可以这么理解：因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。从以上分析我们可以得出结论：如果我们需要输出电流大，则选择小的负载R；如果我们需要输出电压大，则选择大的负载R；如果我们需要输出功率最大，则选择跟信号源内阻匹配的电阻R。有时阻抗不匹配还有另外一层意思，例如一些仪器输出端是在特定的负载条件下设计的，如果负载条件改变了，则可能达不到原来的性能，这时我们也会叫做阻抗失配。

在高频电路中，我们还必须考虑反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配（相等）时，在负载端就会产生反射。为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们不细说了，有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。

例如，常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω，而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线，这在农村使用的电视天线架上比较常见，用来做八木天线的馈线。因为电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω，所以300Ω的馈线将与其不能匹配。实际中是如何解决这个问题的呢？不知道大家有没有留意到，电视机的附件中，有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器（一个塑料封装的，一端有一个圆形的插头的那个东东，大概有两个大拇指那么大的）。它里面其实就是一个传输线变压器，将300Ω的阻抗，变换成75Ω的，这样就可以匹配起来了。这里需要强调一点的是，特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念，它与传输线的长度无关，也不能通过使用欧姆表来测量。为了不产生反射，负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等，这就是传输线的阻抗匹配。如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢？如果不匹配，则会形成反射，能量传递不过去，降低效率；会在传输线上形成驻波（简单的理解，就是有些地方信号强，有些地方信号弱），导致传输线的有效功率容量降低；功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。

当阻抗不匹配时，有哪些办法让它匹配呢？第一，可以考虑使用变压器来做阻抗转换，就像上面所说的电视机中的那个例子那样。第二，可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法，这在调试射频电路时常使用。第三，可以考虑使用串联/并联电阻的办法。一些驱动器的阻抗比较低，可以串联一个合适的电阻来跟传输线匹配，例如高速信号线，有时会串联一个几十欧的电阻。而一些接收器的输入阻抗则比较高，可以使用并联电阻的方法，来跟传输线匹配，例如，485总线接收器，常在数据线终端并联120欧的匹配电阻。

    为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题，我来举两个例子：假设你在练习拳击——打沙包。如果是一个重量合适的、硬度合适的沙包，你打上去会感觉很舒服。但是，如果哪一天我把沙包做了手脚，例如，里面换成了铁沙，你还是用以前的力打上去，你的手可能就会受不了了——这就是负载过重的情况，会产生很大的反弹力。相反，如果我把里面换成了很轻很轻的东西，你一出拳，则可能会扑空，手也可能会受不了——这就是负载过轻的情况。另一个例子，不知道大家有没有过这样的经历：就是看不清楼梯时上/下楼梯，当你以为还有楼梯时，就会出现“负载不匹配”这样的感觉了。当然，也许这样的例子不太恰当，但我们可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况。

整流电路
二极管具有单向导电性，利用这一特性可以组成整流电路，将交流电变为脉动的直流电。在小功率直流电源中，经常采用单相半波、单相全波、单相桥式整流电路。
一、单相半波整流电路
   1、电路组成与工作原理
      电路中用变压器T将电网的正弦交流电压U1变成U2，设U2=√2U2sinωt;
    U2为变压器二次侧的交流电压有效值，在U2的正半周二极管D导通（正偏压），电流Id流过加到负载rl上，则负载电压等于变压器二次电压，即：ul=U2=√2U2sinωt(0<= ωt<=π）
在U2的负半周时，二极管反向偏压而截止，Id=0负载上没有电流流过，二极管承受一个反向电压，其值就是变压器的U2；因在交流电压的一个周期内只有正半周导通所以称为半波整流。
   2、负载上的直流电压与电流的估算
      直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。半波整流电路ul=0.45U2(大约数）；负载上的电流
      il=ul/rl=0.45*U2/RL;

二、单相全波整流电路
   1、变压器中心抽头的全波整流电路
        全波整流电路利用具有中心抽头的变压器与两个二极管配合，使D1、D2在正负半周轮流导通，而且二者流进rl的电流保持同一方向，从而使正、负半周在负载上均有输出电压。
   负载上的直流电压和电流的计算
    因正、负半周在负载上都有输出电压所以全波整流电路负载上的电压是半波的2倍；

    ul=2*(√2/π）*U2=0.9U2;   il=0.9*(U2/rl)
    但全波整流电路必须采用具有中心抽头的变压器且要对称的，每个线圈只有一半时间通过电流，变压器的利用率不高。
2、桥式整流电路
       为了克服全波整流的缺点现在多采用如图的桥式整流电路；
      整流过程：四个二极管两两轮流导通，正半周时电流由D1---RL---D3回到U2的负端，正半周时，电流由D2---RL---D4回到U2的正端；无论是正半周还是负半周流过RL的电流的方向是一致的，所以它的电压：ul=0.9U2; 电流IL=0.9*(U2/RL)

滤波电路
    上面学习的整流电路,它们的输出电压都含有较大的脉动成分,只在一些特殊的场合使用,一般的直流电路都需要较理想的一条直线似的的直流电压,这就要平滑脉动的电压使其达到,这种措施就是滤波.
    滤波器一般由电感或电容以及电阻等元件组成.

(一)电容滤波
    利用电容两端电压不能突变只能充放电的特性来达到平滑脉冲的电压的目的.
    在正半周D导通时分两个电流:一是电流IL向负载供电,二是IC向电容充电;如忽略D的压降则在电容上的电压等于U2,当U2达到最大的峰值后开始下降,此时电容C上的电压UC也将由于放电而逐渐下降,当U2<UC时,二极管被反偏而截止,于是UC向负载供电且电压继续下降,直到下一个正半周U2>UC时二极管再导通,再次循环下去.
    但半波整流滤波的输出的电压还是带有锯齿装的成分现在多用桥式整流滤波电路;原理同上.
根据上面的分析可知,采用电容滤波后,有如下特点:
1、负载电压中的脉动的成分降低了许多；
2、负载电压的平均值有所提高。在RL一定时滤波电容越大，UL越大。设计时可估算：
     UL=1---1.1U2(半波);UL=1.2U2(全波桥式整流)
     滤波电容的确定: RL*C>=(3--5)T(半波整流时);RL*C>=(3--5)T/2(全波桥式整流时);T为交流电的周期.
    (220交流电的频率为50HZ;即T=1/50)

    热雷暴：是在天气温暖时，在几乎是静止的很热和均一的气团内发生的。雷云是因下层空气受热或上层空气受冷发生强烈的上下对流作用而志的，往往决定于局部的条件，例如地形、温度和湿度等。在大陆中，夏季常常有这样的雷暴，它出现在闷热、无风和晴朗的夏天的午后。而下层空气受热的作用在个别的高处和小山上又特别明显，因而这种地方出现的热雷暴也特别多。这些雷暴伴有强烈的暴雨，发展得很快，下得很急，往往还带有冰雹和无数的闪电，但雷暴的分布极不均匀。

    锋雷暴：是在两个大的气团移动时，在界面上，也就是在冷气团和暖气团相遇的锋面上发展起来的。这时冷空气总在暖空气下面，排挤暖而湿的空气，并把它抬升起来，于是那个地方的天气就急剧地变化。按照冷暖空气流动的情况，可以把锋分做两类：

    暖锋雷暴：当暖空气流动到原有冷空气区域时，暖空气沿着冷空气斜坡往上升，在上升过程中产生变冷凝结作用产生的雷暴。因为暖空气沿着冷空气的斜坡慢慢往上爬，作用并不剧烈，雷暴的强度一般不大。但这种雷暴分布的范围广，持续时间较长，雨量较多，常以暴雨形式出现，下雨时多半在夜间。

    冷锋雷暴：当强冷空气流像楔子一样侵入原来较轻而暖湿的气团时所形成的雷暴是，也叫做寒潮雷。由于冷空气往往来势很猛烈，它比前一种雷暴来得猛烈，是雷雨中最强烈的一种，常在短时间内成为特大暴雨，因而为害最烈。

    地形雷暴：由于地形关系，某些地区特别容易产生雷雨。例如在山岭地区，当暖空气经过山坡被强迫上升时，在山地迎风的一面空气沿山坡上升，到一定高度变冷而形成雷云；但到了山肪背风的那一面，空气沿山坡下沉，温度升高，雷雨消散或减弱。特别是在滨海的山岳地带，近海的一面山坡上便常易有雷雨发生，这是由于海风潮气特重的缘故。

     此外，在我国南部还常出现所谓旱天雷，也叫干雷暴。这种雷暴发生时只落下几滴雨，甚至没有雨，却伴随着强烈的台风，大气的带电作用已达到极端状态，所以干雷暴的破坏力特别强大。

雷电过电压入侵电器设备的形式

     雷电过电压入侵电器设备的形式有两种：直接雷和感应雷。
     雷电直接击中线路并经过微电子设备入地的雷击过程称为直击雷；由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压、过电流形成的雷击称为感应雷。感应雷可由静电感应产生，也可由电磁感应产生，形成感应雷电压的机率很高，对建筑物内的低压电子设备威胁巨大。

     入侵计算机系统的雷电过电压过电流主要有以下三个途径。
     （1）由市电网电源供电线路入侵
电源由电力线路输入室内前可能遭受直击雷和感应雷；直击雷击中高压电力线路，经过变压器耦合到220/380伏低压，入侵计算机供电设备；另外低压线路也可能被直击雷击中感应出雷电过电压。在220/380伏电源线上出现的雷电过电压平均可达10000伏，对计算机网络系统可造成毁灭性打击。
     （2）由计算机通信线路入侵
由计算机通信线路入侵分为三种情况。一、当地面突出物遭直击雷打击时，强雷电压将邻近土壤击穿，雷电流直接入侵到电缆外皮，进而击穿外皮，使高压入侵线路。二、雷云对地面放电时，在线路上感应出上千伏的过电压，击坏与线路相连的微电子设备，并通过设备连线侵入到其他通信线路。这种入侵沿通信线路传播，涉及面广，危害范围大。三、若某一线路被雷电击中时，与其相邻并平行铺设的其他线路会感应出过电压冲击，危害相应的连接设备。
     （3）地电位反击电压通过接地体入侵
     雷电击中避雷针时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地，在接地体附近产生放射型的电位分布，会在靠近的其他电子设备接地体产生高压地电位反击，入侵电压可高达数万伏。
     建筑物的避雷针及引下系统的作用是替代建筑物承受雷击，以保护建筑物的结构安全。在避雷针引入强大的雷电流通过引下线入地时，在附近空间产生强大的电磁场变化，会在相邻的导线（包括电源线和信号线）上感应出雷电过电压，因此建筑物避雷系统不但不能保微电子设备，反而经常引入雷电流。

     微电子设备所应用大规模集成电路都是采用亚微米工艺生产，耐压能力和抗电磁干扰的能力很弱，经不起过电压大电流的冲击。对耐压影响最大的是沟道长度及栅氧化层的厚度。沟道长度一般在0.25~0.18mm，栅氧化层的最薄厚度小于0.1mm，因此这些新器件在冲击电压作用下十分易损,通常在100伏以下，因此必须建立多方面、多层次的微电子设备防雷系统。

过电压过电流的防护必须全面

     自18世纪弗兰克林著名的风筝实验以来，人们致力于雷电及其防护的研究实践已有200年的历史，对一般建筑物及电力系统输变电设备的防雷保护已经取得了很大成绩，积累了丰富的经验。但是如前所述，随着微电子、计算机技术的迅猛发展和普及应用，微电子面临雷电等冲击电磁干扰和过电压损害的威胁和损失也愈来愈严重。现在的问题是:
     一方面在技术上，用一般建筑物一般电气设备的防雷装置防雷经验，已不能完全解决微电子设备的防雷问题。我国过电压保护设计技术规程（SDJ-79）、微波通信设计技术规定（GB6-U01）等，虽对微波通信的防雷措施作了各方面的规定，但由于微电子设备对雷电等冲击干扰十分敏感，耐压水平很低，这些对半导体分立元件电子设备行之有效的保护措施，却还不足于将其危害限制到足够小的程度。钢筋混凝土高层建筑物，虽然对直击雷防护有了很大的进步，但是从设计到施工大都没有很好考虑防护雷击等冲击电磁干扰问题。现有的钢筋混凝土建筑，不仅对建筑物外雷击的电磁屏蔽效能很差，对雷直击建筑物时从建筑钢筋分流入地的雷电流，在建筑物内形成的冲击电磁干扰危害如何防护也还缺乏有效的具体对策，因而很难满足建筑物内微电子设备应用日益广泛，特别是智能大厦的防护要求。
     另一方面，人们的习惯观念也亟须更新。当今雷害往往与高科技的普及应用同步，其危害远不能以雷击物的直接经济损失来估量。许多人包括一些高科技人员的观念还停留在弗兰克林时代，以为有了避雷针何所惧！殊不知正如前面所叙闪电由避雷针引入大地，大楼、人员和普通设备安然无恙，但雷电流在四周产生的巨大脉冲电磁场，却使具有极为灵敏的微电子设备损坏，令业务受到严重影响。许多人不了解埋地电缆也会出现感应过电压，例如通过避雷针的雷电入地电流为5kA时，在其附近5～10m处的无屏蔽电缆将会感应5～7.5kV的高压；实践表明不少屏蔽良好的微电子设备在雷雨季节也发生故障，就是因为即使屏蔽系数达到90%，雷电感应过电压仍有10 V数量级，超过计算机接口元器件所能承受的冲击耐压10V数量级。雷电及其是否成灾是一种随机性很强的小概率事件，决不可存在侥幸心理。如果缺乏必要的防护措施，灾害迟早总会发生，而应防范于未然。在防护上的必要投入不可吝啬。人们总习惯于拿被保护物价值的大小与投入作比较，来左右自已的决策。殊不知一次灾害造成不可估量的社会影响和间接经济损失，比设备损坏的直接损失要严重得多。

     微电子的抗冲击电磁干扰和过电压防护是一项系统工程，必须贯彻整体防护思想，综合运用分流（泄流）、均压、屏蔽、接地和保护（箝位）等各项技术，构成一个完整的防护体系，才能取得明显的效果。
     分流（泄流）：指的是对于可能的直击雷要靠接闪器经引下线和接地装置，或通过导电连接和接地良好的金属构架，将雷电流分流散流入地，而不流过被保护设备和部件；雷电流通过的部分阻抗要低流散要好，以降低电位，避免引起对被保护物的反击。
     均压：是指对于同一楼层同一部位的不同的电缆外皮、设备外壳、金属构架（构件）、管道进行电气搭接，以均衡电位。所谓屏蔽指的是采用屏蔽电缆，利用各种人工的屏蔽箱盒、法拉第屏蔽笼、钢筋结构等和各种可以利用的自然屏蔽体来阻挡、衰减施加在微电子上的电磁干扰和过电压能量。
     接地:是指将所有金属构架（构件）、管道、电缆金属屏蔽层、穿线铁管连在一起，与屏蔽笼及总接地网就近连接；电气、电子设备的防雷接地、工作接地、保护接地采用共地方式；计算机的逻辑接地采用绝缘电缆引外接地，为防反击再与主接地网暂态共地连接。
     箝位保护：在过电压可能侵入的所有端口，包括电源、电信、网络等终端设备装设必要的雷电浪涌保护装置；在计算机等电子系统引出的信号线、电源线上装设多级保护，包括粗保护和细保护，将侵入电子系统的冲击过电压箝制到允许的程度。

     以上的分流（泄流）、均压、屏蔽、接地等都属于外部防雷范畴，对从市电网、通信线路、长距离输送的架空导线中产生的感应过电压是无能为力的，因此箝位保护就显得尤其重要。综合分流、均压、屏蔽、接地、箝位保护各项技术的整体防护原则，是适用于建筑防雷、电力系统和各种电子设施的通用防护模式。而对一个特定的微电子，例如大型计算机系统、电站综合自动化系统、微波通信站、调度通信大楼、石油化工仪表微机监测系统或现代高层建筑智能大厦等的防护，还需根据微电子设备的特点和防护对象的实际情况灵活应用，采取具体措施，构成一个完整的防护体系，才能收到预期的效果。