智能温湿度控制器硬件总体方案注：（参考大部分电器生产厂家温湿度控制器与干式变压器温度控制器比较，发现两者使用的范围和环境完全不同，一般的温湿度控制器温度测量及控制范围都0ºC -50ºC之间，而干变式温度控制器温度的测量范围0ºC -200ºC，而控制温度在100ºC以上，控制器的长期工作温度在85ºC以上，而在这总情况下一般的湿度传感器已经超出正常工作温度范围，所以在干式变压器中并不适用。

这里湿度部分主要是为以后温湿度控制器设计而准备，可以设计电路部分，但保留为以后做准备，这里设计方案主要用于干式变压器温度控制器）。

1、智能温湿度控制器硬件组成智能温湿度控制器需要采集温度和湿度两个部分，这里我们以各3路来说明，即3路温度采集，3路湿度采集，通过内部分析计算，来显示各路的温度、湿度数值，另外还需要配置一定的输出接口。

如RS485、开关量输出（主要用于输出报警、跳闸、风机、故障）等。

以组成温湿度监测系统。

1.1硬件组成原理根据温湿度控制器功能，选择“A/D转换芯片+微处理器（带捕捉功能）”来实现（注：对于现在大多数AD采样功能都是内置的，捕捉功能是在湿度传感器中使用的，一般的湿度传感器都是电容式的，通过555振荡电路将其转换为频率信号，再通过CCP功能检测频率）。

如图1-1所示为系统硬件原理图。

图1-1 智能温湿度控制器硬件组成原理图1.2 硬件模块划分根据硬件原理图，把硬件划分成模拟采样微处理部分、操作显示、模拟采样、开关量输出、电源、通信等几个部分。

为了便于硬件的模块化开发，把各个模块设计为独立的硬件模块，而通过组装各个模块，来组成所需要的硬件系统。

控制器设计成3个印制板来制作，将电源、通信和开关两输出设计在同一块板子上，模拟采样和微处理部分设计在同一块板子上，在有就是将操作和显示部分设计成一块板子，如图1-2所示为系统硬件模块组成。

图1-2 智能温湿度控制器硬件模块组成框图2、微处理器模块微处理器模块是整个控制器的控制和处理的核心部分，主要用来对输入的电压和频率信号进行处理，以采集和换算温度和湿度数值（以下针对温度详细介绍），根据变压器用温度控制仪的标准（JB/7631-2005），控制器的测量精度要达到0.5级，这就对A/D采样精度要求比较严格了。

在具体实现上，大致有两中方案如下。

第一种：可以用A/D转换芯片（外置）+微处理芯片的方法实现，这样微处理器可以选用没有A/D功能的芯片，例如51系列（如AT89C52）。

其优点有芯片价格低、资料熟悉较快。

缺点是程序仿真难（前期设计稍加困难，开发周期相对延长）、资源较少（大部分需要外扩，既增加程序设计的复杂度又增加硬件附加成本）。

如图2-1所示为A/D转换外置框图图2-1 外置A/D转换处理器模块组成框图第二种：可以用集层度较高，性能优越的芯片，要求内置12位A/D、16K FLASH、1K RAM、I/0口30个以上、3个计数器或捕获功能（湿度用）等。

这样的芯片在市场上也比较多，选择余地也比较大，主要考虑的是对芯片的熟悉程度、设备条件（仿真器）、代理商服务及支持等。

我公司对PIC芯片比较熟悉，操作设备比较充裕，代理商支持较好，是首选芯片，这里我们可以选PIC24HJ16GP304。

如图2-2所示为内置A/D处理器组成框图。

图2-2 内置A/D转换处理器模块组成框图注：以下方案中省略湿度检测部分3、操作显示模块操作与显示模块是用户与系统（即控制器）交互窗口，一般包括键盘、显示等功能，这里的显示主要是用LED数码管去实现（主要原因为成本低、环境适应性强）。

它主要与微处理器和电源板相连接。

也就是说操作显示板实际上是作为系统的公共地板的，通过它来把微处理器/模拟板和电源/数字接口板相连接。

3.1 操作键盘在该控制器中设置3个键，即巡回/最大键、风机手动键、设置键，来实现对该控制器的操作控制功能（如显示方式、参数查看及设置等）。

由于按键数量少，故可以给每个按键分配一个微处理器的I/O口。

3.2 信息显示采用LED数码管和指示灯进行信息的显示。

根据变压器用温度控制仪的标准（JB/7631-2005），要用到5个数码管，一个显示相位，4个显示温度值，需要13个I/O口(6个片选、8个数据)。

指示灯有6个用来指示跳闸、超温、故障、风机等，需要6个I/0口。

如图3-1所示为数码管接口图。

3-1 数码管显示接口框图数码管可以公用同一组数据接口，每个数码管需要8跟数据线，即需要8个I/O口，要区别当前显示的哪个I/O口，可以通过片选信号CS1-CS5来控制，每个数码管需要一个片选信号，这样相当于需要5个I/O来进行片选，这样对5个数码管要求这种工作方式，至少需要13个I/O口来控制。

指示灯工作原理相对简单，这里不在详细介绍。

每个指示等占用一个I/O口，这里需要6个。

从上面的描述可以知道显示部分需要19 个I/O 才能完成显示。

键盘需要3个，这样总共占用22个I/0口。

4、模拟部分4.1 传感器特性常用的温度传感器有热敏电阻、热电偶、铂电阻，其中热敏电阻用于检测温度范围一般较窄，通常被使用在120ºC以下场所，这里不适用。

而热电偶所虽然可以在较高温度场所中使用，但其由于温度产生的电动势是极微弱的电压。

在工业计测仪上，无论是直接运算或传送这些微小信号，都无法对噪声或信号有良好的对策，所以其使用是极为不便的。

总体比较下来铂电阻具有最稳定的电阻变化。

按IEC751国际标准，温度系数TCR=0.003851，Pt100（R0=100Ω）、Pt1000（R=1000Ω）为统一设计型铂电阻。

TCR=(R100-R)/ (R×100) 其中表1以Pt100为例其电阻值由下两式算出。

-200<t<0 ℃: Rt =R[1+At+Bt2+C(t-100)t3]0<t<850 ℃: Rt =R（1+At+Bt2）Rt在t℃时的电阻值R在0℃时的电阻值4.2 传感器接线方式4.2.1两线制传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值，由于导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高，用于测量精度要求不高的场合，并且导线的长度不宜过长。

如图4-1所示。

i4-1 两线制配线的桥式电路4.2.2三线制要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，如图4-2所示。

当桥路平衡时，通过计算可知，Rt=R1R3/R2+R1r/R2-r,当R1=R2时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，但是必须为全等臂电桥，否则不可能完全消除导线电阻的影响，但分析可见，采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。

4-2三线制配线的桥式电路4.3温度的检测及放大器的选择通过计算或查表可得Pt100在0ºC时候阻值为100Ω，在200ºC时候阻值为175.84Ω。

若R1=R2=4K， R3=100Ω，电桥两端电压为4V，则两桥臂之间的电压变化范围为0mV-70mV，即0.35mV/ºC。

若A/D采样基准为1.5V，则放大器最大允许增益为21倍，这里可以选择15倍。

放大器选择上可以选择用OP07，其失调电压漂移在0.6uV/ºC以下。

可以大大减少温度对测量精度的影响。

5、开关量输出部分该部分主要用于根据温度的测量值来控制风机的运动、超温报警、故障指示、跳闸线圈等，这里开关量输出分为有源触点和无源触点两种，如风机的控制用的就是有源触点，而报警、指示等都是外接电源，两者的电路上略有差异。

无论是有源还是无源触点都采用继电器输出方式，即每路开关量输出设置一个继电器，这样可以实现内外系统的隔离，由于微处理器I/O口输出的信号驱动能力有限，故大都需要增加驱动处理。

可以采用三极管来作为继电器的驱动，根据温度控制器的需求，这里预置一路有源输出，和三路无源输出。

大致可以满足绝大多数情况的需要，故需要4个I/O口。

6、通信模块部分现在大都现场总线都用MODBUS通信协议，可以为控制器配置一个RS485接口，用于实现与现场总线的互联。

选择具有隔离特性的ADM2483来实现。

7、电源模块部分该温度控制器，需要工作电源有+5V、+3.3V、-5V、+12V、+2.5V、-2.5V。

其中3.3V（由+5V产生）用于处理器工作电源，+12V用于给继电器供电，继电器功耗相对较高，所以需要输出功率大点。

+5V、-5V给放大器做正负电源外，+2.5V、-2.5V给桥电路做电源用（可以由跟随器和反向放大器产生）。

另外还要单独给出一路+5V,给RS485供电。

这样大致需要4路电源，分别为+12V（4W），+5V（2W），-5V（0.5W）、+5V（0.5W）。

三路电源可以有两种方式产生。

A、直接用变压器产生，B、用开关电源生产。

两者从成本上考虑，变压器相对要偏贵一些。

但是从电源纹波，噪声等干扰信号考虑，变压器会好很多，而桥电路中信号本来就是mV级信号，若开关电源稳定性不好，会极大的影响测量精度。

两者权衡需要慎重。

附录A.温度控制器资源分析及主要器件选择该控制器主要器件就是微处理器，通过以上的分析，控制器需要用到大量I/O 口（至少28个），并且对A/D精度要求相对较高，若选种价格低廉的51系列单片机（AT89C52），除了A/D需要外扩，I/O口也需要外阔，这样会增加不少的外围器件，其总体成本不一定会比集层度高的芯片便宜，而且增加电路和程序设计的复杂度。

所以这里选用PIC24HJ16GP304作为主要处理芯片。

其内部资源如图A-1所示。

A-1 PIC24HJ16GP304内部资源该款芯片单价2.3美元（折人民币20元以内），除了没有EEPROM外（可以外扩），另外全部符合要求，放大器可以用需要其失调电压尽量小，可以选用OP-07，其失调电压漂移在0.6uV/ºC。