基于89C51单片机的粮食水分温度综合检测仪毕业论文

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1、 . . . 目录摘要ABSTRACT第一章绪论311 研究背景312 温湿度综合检测系统4121 温度和湿度检测4122 温湿度检测的国外研究动态5123 温湿度检测技术的发展方向613 课题研究容和意义7第二章温湿度综合检测仪的整体设计72.1 系统方框图72.2 温湿度检测仪的整体设计过程8221 温湿度8222 数字式温度传感器DS18B209223 单片机AT89C5111224 共阴极显示驱动MAX72191223 软件语言的选取13第三章温湿度检测仪主要硬件电路设计1431 单片机主机系统电路14311 时钟电路15312 复位电路1532 1-Wire单总线技术1633 显示电

2、路18第四章温湿度检测仪软件设计214.1 系统软件设计21411 系统流程图21412 系统主程序2142 DS18B20温度数据采集22421 数据采集流程图22422 数据采集子程序2343 MAX7219驱动8位以下LED显示器:24431 MAX7219工作流程图244.3.2 MAX7219工作子程序24第五章系统的调试、可靠性和抗干扰技术2751 系统的调试2752 可靠性设计2753 抗干扰技术28531 硬件抗干扰28532 软件抗干扰2854本系统对干扰的预防29结束语30致词31参考文献32附录33第一章 绪论11 研究背景粮食储藏是国家为防备战争、灾荒与其它突发性事件而

3、采取的有效措施，因此，粮食的安全储藏具有重要意义。目前，我国地方与垦区的各种大型粮库都还存在着程度不同的粮食储存变质问题。根据国家粮食保护法规定，必须定期抽样检查粮库各点的粮食温度和湿度，以便与时采取相应的措施。但大部分粮库目前还是采取人工测量温度和湿度的方法，这不仅使粮库工作人员工作量增大，且工作效率低，尤其是大型粮库的温度和湿度检测任务如不能与时彻底完成，则有可能会造成粮食大面积变质。据有关资料统计，我国每年因粮食变质而损失的粮食达数亿斤，直接造成的经济损失是惊人的。影响粮食安全储藏的主要参数是粮食的温度和湿度，这两者之间又是互相关联的。粮食在正常储藏过程中，含水量一般在12%以下(为安全

4、状态)，不会产生温度突变，一旦粮库进水、结露等使粮食的含水量达到20%以上时，由于粮食受潮，胚芽萌发，新代加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧”和霉变，并可能形成连锁反应，从而造成不可挽回的损失。因此设计出一种经济实用的粮库温湿度综合检测系统是非常有必要的。12 温湿度综合检测系统121 温度和湿度检测2温度:其主要由热敏，数字式和光纤三种一、热敏电阻以温度变化导致阻值的变化为工作原理的热敏电阻，因其具有成本低、体积小、简单、可靠、响应速度快、容易使用等特点，在多项温度测量应用中受到广泛欢迎。热敏电阻的电阻温度系数较高，因此其自身发热较小，信号调节较为简单。热敏电阻的缺

5、点是互换性差，温度与输出阻值之间呈非线性关系。二、数字式温度传感器数字式温度传感器的种类也不少，但用于粮情测控系统的温度传感器主要是Dallas的DS18x20系列温度传感器，其温度检测围为一55一+125，检测精度为士0.5 C 。DS18x20采用1-WireTM接口，输出是数字。封装形式有PR-35和SSOP-16两种，粮情测控系统中采用的是PR-35封装。DS18x20采用9个位表示测温点的温度值，每个DS 18x20部都设置有一个单一的序列号，因此可以使多个DS18x20共存于同一根数据传输线上。三、光纤传感器光纤温度传感器是近几年发展的新技术，也是工业中用的最多的光纤传感器之一。目

6、前研究的光纤温度传感器主要有辐射式温度传感器、半导体吸收式温度传感器、光纤热色传感器等。光纤温度传感器的精度更高，但成本较贵。湿度:其主要类型由湿敏，集成两种一、湿敏元件 湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。 湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主要厂家有Humirel公司、Philip公司、Siemens

7、公司等。以Humirel公司生产的HS1100型湿敏电容为例，其测量围是(1%一9% ) RH，在55% 1ZH时的电容量为180pF(典型值)。湿敏元件的缺点是线性度与抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度与长期稳定性。二、集成湿度传感器 目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家与典型产品分别为Honeywe公司(HIH-3602, HIH-3605, HIH-3610型)，Humirel公司(HM1500, HM1520, HF3223, HTF3223型)，Sensiron公司(SHTI1,SHT15型)。这些产品可分成以下三种类型:1、

8、线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有HIH3605/3610, HM1500/ 1520。其主要特点是采用恒压供电，置放大电路，能输出与相对湿度成比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。2、线性频率输出式集成湿度传感器典型产品为HF3223型，它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55% RH时的输入频率为8750Hz(典型值)，当相对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。其中传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。3、频率/温度输出式集成湿度传感器典型产品为HTF3223型。它除具有HF32

9、23的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数(NTC)热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，纪上二次仪表即可测量出温度值。122 温湿度检测的国外研究动态粮情温湿度检测属监控系统畴，近年来，由于传感器技术、计算机技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展，使监控系统广泛应用于工农业生产等领域，因此，粮情温湿度检测技术的研究在软、硬件等方面都有了一定的进展。早期粮情监测主要采用温度计测量法，它是将温度计放入特制的插杆中，根据经验插在粮堆的多个测温点，管理人员定期拔出读数，确定粮温的高、低，决定是否倒粮。这种方法对储粮有一定的作用，但由于温度

10、计精度、人工读数的人为因素等原因，温度检测不仅速度慢，而且精度低，抽样不彻底，局部粮温过高不易被与时发现，导致因局部粮食发霉变质引起大面积坏粮的情况时有发生。从1978年开始，随着科技的发展，采用电阻式温度传感器、采样器、模数转换器、警报器等组成的储粮监测系统出现，它可对各粮库的各个测温点进行巡回检测，检测速度、精度大大提高，降低了劳动强度，但由于电阻传感器的灵敏度低，致使检测精度、系统可靠性还不够理想。至1990年，粮情检测系统有了很大的改善和提高，系统在布线上采用矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路，在传感器方面应用了半导体、热电偶等器件;在线路传输上采用了串行传输方式，从而减少了传输

11、线根数;采用单板机进行数据处理，并采用各种手段提高数据传输与检测速度，通过软硬件技术的结合，检测精度和可靠性较以前有很大提高。但温度传感器的线性度差，系统的检测精度仍不理想，无法大面积推广。近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，粮情检测的准确性、稳定性要求越来越高。寻找最佳配置和最好的性价比成为粮情监测研究的热点。国外在粮情温湿度监控技术上，己经达到了很成熟的地步，高科技数字式传感器广泛应用于粮情温湿度检测系统。这种传感器采用了半导体集成电路与微控制器最新技术，在一个管芯上集成了半导体温度检测芯片、数据信号转换芯片、计算机接口芯片，存储芯片等，除完成温度检测功能外，还可完成预置围

12、温度、报警、多路转换、温度补偿等功能。由于数字温度传感器直接传出数字量，从而解决了温度信号长距离传输问题与传输过程中因干扰和衰减而导致的精度降低等问题。目前，国出现了丰富的数字传感器配套产品，如远程控制模块、中继器、接插器、分线器等，技术也比较成熟。123 温湿度检测技术的发展方向1、向高精度发展随着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。目前能生产万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量也远远不能满足要求。2、向高可靠性、宽温度围发展：传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研

13、制高可靠性、宽温度围的传感器将是永久性的方向。提高温度围历来是大课题，大部分传感器其工作围都在-2070，在军用系统中要求工作温度在-4085围，而汽车锅炉等场合要求传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料（如瓷）的传感器将很有前途。3、向微型化发展：各种控制仪器设备的功能越来越大，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料与加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。4、向微功耗与无源化发展

14、：传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器与无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有1.5µA，而工作电压只需25V。5、向智能化数字化发展：随着现代化的发展，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010mV），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。13 课题研究容和意义本文设计的是基于89C51型号单片机为核心，运用干湿球测湿计原

15、理,间接检测温度，湿度并显示的方案。系统主要由单片机89C51电路，时钟电路，复位电路，集成温度传感器DS18B20,显示电路组成;软件选择汇编语言编程。其主要具有以下功能：通过干湿球测计原理检测,经过单片机处理，通过输出控制电路，间接得到温度，湿度，并在显示电路的LED上分别显示。通过对系统大量的调试试验，系统检测，运行良好。另外，在输出控制电路这块上，通过对硬件，软件的结合，还可以很容易地实现温湿度控制，报警功能。总之，该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有广阔的开发前景。第二章 温湿度综合检测仪的整体设计2.1系统方框图被测物体传感器组单片机电 源时钟，复位显示驱 动显示图21 系统

16、方框图本设计的主要系统组成：两片数字温度传感器DS18B20，5V直流电源，单片机AT89C51，集成驱动MAX7219，八个数码管LED。2.2 温湿度检测仪的整体设计过程221 温湿度温度和湿度检测，通常粮食温湿度检测系统主要选用热敏电阻、数字式温度传感器、光纤温度传感器作为温度传感器，也有的选用其它温度传感器，例如PN结型温度传感器。在第一章1.2.1温度和湿度检测已有讲述，此处省略。在实际应用中，相比较与日常生活中用的较多，技术也比较成熟的温度检测技术方面，湿度检测确是很复杂的。在温度不变的情况下，空气绝对湿度愈大，相对湿度就愈高，绝对湿度愈小，相对湿度就愈低；在空气中水蒸气含量不变的

17、情况下，温度愈高，相对湿度就愈小，温度愈低，相对湿度就愈高。湿度很久以前就与生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较为困难。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，涉与相当复杂的物理化学理论分析和计算11。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，干湿球法和电子式传感器法。 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以上。

18、 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。特别在室湿度和瓶湿度差值较大时，每次开启都需要平衡68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。 干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。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。普通

19、用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有57%RH,干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。 电子式湿度传感器法 ,电子式湿度传感器产品与湿度测量属于90年代兴起的行业, 近年来，国外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。 比较以上五种测湿方法,在通用性上,很显然,前三种是不适用的,现代湿度测量方案最主要的有两种：干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。下面对这两种方案进行比较：电子式湿度传感器

20、是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2一3RH。 在实际使用中，由于尘土、油污与有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在2%左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净与常温的场合使用。 电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加

21、水与更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球测湿方法更适合于在高温与恶劣环境的场合使用。 考虑到粮库的高温，高灰尘的使用场合；系统工作的稳定性，寿命；生产的成本价格，本系统选择干湿球测湿原理来设计温湿度综合检测仪。其具体操作方法：信息的采集放置两只数字化温度传感器DS18B20，一只置于被测物体所在空气中，测得的温度称为干球温度;另一只用纱布包裹，纱布下端垂于一个蒸馏水器皿中，测得的温度称为湿球温度。根据干湿度温度计测量原理，在得到温度（干球温度）的同时，只要计算出干球温度和湿球温度的差值，通过查温差相对湿度表就可得出湿度3。222 数字式

22、温度传感器DS18B2013本系统选择的温度传感器是：数字式温度传感器DS18B20。通常粮食温度的检测系统主要选用热敏电阻、数字式温度传感器、光纤温度传感器作为温度传感器，也有的选用其它温度传感器，例如PN结型温度传感器。 （1）热敏电阻作为温度敏感元件，热敏电阻主要优点是成本低，但需后续信号处理电路，而且可靠性相对较差，准确度和精度都较低。（2）光纤温度传感器的精度很高，但成本较贵，如果要求在多个点检测时，显然不实际。（3）PN结型温度传感器易受外界条件影响且精度低。（4）DS18B20数字温度计是美国DALLAS公司最新推出的1Wire总线数字式温度传感器，与传统的温度传感器不同，它能够

23、直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms和750ms将温度值转化9位和12位的数字量因而使用DS18B20可使系统结构简单，可靠性更高，芯片的耗电量很小，最可贵的是这些芯片在检测点己把被测信号数字化了，因此在单总线上传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。1-Wire单总线好处是：与CPU接口方便，可不必过多考虑前向通道中诸如信号放大、A/D转换，多路开关选择，零点漂移、传感器供电和干扰等因素，可以在满足系统要求的前提下最大限度的减少系统开发成本和技术难度。出厂时，DS18B20片ROM中都光刻了唯一的64

24、位序列号，所以可以在一根总线上挂接任意多个DS18B20，单片机根据不同的序列号作为地址寻址可以对不同的DS18B20进行监控，这样就可以很方便地构成单线多点温度测量系统。经过综合考虑，本文选择美国DALLAS的数字式温度传感器DS18B20.下面介绍DS18B20的基本情况：1、DS18B20的特点：（1）、只要求一个端口即可实现通信。（2）、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。（4）、测量温度围在55。C到125。C之间。（5）、数字温度计的分辨率可以从9位到12位选择（测温精度为0.5度）。（6）、部有温度上、下限告警设

25、置。2、DS18B20的引脚介绍：名称引脚功能描述GND地信号DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。 表21 DS18B20引脚3、DS18B20的操作其操作分四个部分：初始化，ROM操作命令，存储器操作命令，DS18B20读写操作。一.初始化总线上的所有操作前要初始化主机，先发复位信号，之后，从机发出在线信号，后者通知主机DS18B20在线，并等待接收命令二.ROM操作命令主机收到DS18B20在线信号后，就可以发送四个ROM操作命令中的一个，这些命令字均为8位的16进制数(最低位

26、在前)，现将这些命令说明如下 (1)读命令(33H) (2)选择定位命令(SSH) (3)跳过ROM序列号检测命令(CCH) (4)查询命令(FOH) (5)报警查询命令(ECH)三.存贮器操作命令(1)写入(4EH)(2)读出(BEH) (3)复制(48H) (4)开始转换(44H) (5)回调(B8H)(6)读电源标志(B4H) 四.DS18B20的读写操作(1)复位(2)写操作 (3)读操作 以上是DS18B20的操作过程。本文选择数字式温度传感器DS18B20完全满足，系统温度围：560；精度：0.5%的设计要求。223 单片机AT89C51根据系统要求选择单片机AT89C51。AT8

27、9C51是ATMEL公司生产的一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。 图22AT89C51引脚1、AT89C51的特点：（1）、与MCS-51 兼容（2）、K字节可编程闪烁存储器（3）、寿命：1000写/擦循环（4）、数据保留时间：10年（5）、全静态工作：0Hz-24Hz（6）、三级程序存储器锁定（7）、128*8位部RAM（8）、32可编程I/O线（9）、两个16位定时器/计数器（10）、5个中断源（11）、可编程串行通道（12）、低功耗的

28、闲置和掉电模式（13）、片振荡器和时钟电路2、AT89C51的引脚介绍：(略)3振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片振荡器。石晶振荡和瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态

29、逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断、系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。224 共阴极显示驱动MAX721923MAX7219是美国MAXIM公司推出的三线串行8位LED可编程共阴极显示驱动器。其片包含有一个BCD码到B码译码器.多路复用扫描电路.段和数字驱动器与存储每个数字的8X8固态RAM。它不需要如同在传统的显示电路中，每一个LED显示器需一个译码芯

30、片.而每一段又需要一个限流电阻，这使电路变得简单，节省了系统很多资源，从而降低了系统成本也减少了电路板空间的要求。 图23 MAX7219引脚引脚介绍：DIN 串行数据输入线DIG0-7 八位数字驱动线，它从显示器上吸入电流LOAD 装载数据输入线CLK 时钟输入端SEGA-G 七位驱动器和小数点线，它供给显示器源电流ISET 通过电阻接到V+以建立峰值段电流DOUT 串行数据输出线MAX7219是微处理器和共阴极七段八位LED显示、图条/柱图显示或64点阵显示接口的小型串行输入/输出芯片.片包括BCD译码器、多路扫描控制器、字和位驱动器8X8静态RAM外部只需要一个电阻设置所有LED显示器字

31、段电流MAX7219和微处理器只需三根导线连接，每位显示数字有一个地址由微处理器写入允许使用者选择每位是BCD译码或不译码，使用者还可选择停机模式、数字亮度控制、从1-8选择扫描位数和对所有LED显示器的测试模式。MAX7219和单片计算机连接有三条引线(D1N ,CLK,LOAD)，采用16位数据串行移位接收力一式即单片机将16位二进制数逐位发送到D1N端，在CLK上升沿到来前准备就绪，CLK的每个上升沿将一位数据移入MAX7219移位寄存器，当16位数据移入完，在LOAD引脚信号上升沿将16位数据装入MAX7219的相应位置，在MAX7219部硬件动态扫描显示控制电路作用下实现动态显示。2

32、3 软件语言的选取本系统以单片机为核心，采用汇编语言编程。在已经有众多高级语言和可视化集成开发环境工具的今天，汇编语言仍然是一门不可缺少的有效的程序设计语言。汇编语言是指用指令的助记符、符号地址、标号等符号书写程序的一种软件语言，它是计算机软件设计的重要工具，在系统软件开发、实时控制的和实时处理领域中有着不可替代的地位。用汇编语言编程可以充分发挥计算机硬件的功能，进行高质量的设计，开发出的软件具有存开销小、运算速度快的特点，而且它不独立于具体机器，是一种非常通用的低级程序设计语言，采用汇编语言编程，用户可以直接操作到单片机部的工作寄存器和片RAM单元，处理数据的过程非常具体。注：附录温差对应相

33、对湿度表。第三章 温湿度检测仪主要硬件电路设计31 单片机主机系统电路 图31 系统电路主机系统由单片机89C51,复位电路，时钟电路组成。311 时钟电路15单片机的时钟信号用来提供单片机片各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:部振荡和外部振荡。MCS-51单片机部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，如图31所示在其外接晶体振荡器(简称晶振)或瓷谐振器就构成了部振荡方式，片高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或瓷谐振器一起可构成

34、一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图3-2中外接晶体以与电容C2和C3构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30PF左右，晶振频率选12MHZ 图32 时钟电路 312 复位电路为了初始化单片机部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU与系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出(IJO )端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H SBUF

35、置为不定值，其余的寄存器全部清0，部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的容是不定的。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位方式。图3-3中RES2和C1组成上电复位电路，其值R取为1K，C取为1UF. 图33 复位电路32 1-Wire单总线技术22DS18B20是美国DALLAS公司生产的新型单总线数字温度传感器，即，1-Wire单总线，单总线顾名思义只有一根数据线，它可以将测量到的温度结果以串行数字信号输出。1-Wire单总线好处是：与CPU接口方便，可不必过多考虑前向通道中诸如信号放大、A/D转换，多路开关选择，零点漂移、传感器供电和干扰等因素，

36、可以在满足系统要求的前提下最大限度的减少系统开发成本和技术难度。出厂时，DS18B20片ROM中都光刻了唯一的64位序列号，所以可以在一根总线上挂接任意多个DS18B20，单片机根据不同的序列号作为地址寻址可以对不同的DS18B20进行监控，这样就可以很方便地构成单线多点温度测量系统。DS18B20的工作电压为+5V，可以通过DS18B20的电源引脚进行供电，也可以通过DS18B20的数据线进行寄生供电。DS18B20的测温围从一55到125 C ,测量精度可以达到0. 0625 C，DS18B20的温度转换结果的位数可以由软件编程确定，可以直接输出9至12位的数字信号，默认值为12位。DS1

37、8B20的部结构：DS18B20采用3引脚TO-92小体积封装，其部结构如图所示， 图34 DS18B20部结构主要由4部分组成:64位ROM序列码、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的供电方式：DS18B20有两种供电方式：寄生源供电和外部供电。本系统选择的是外部供电。当DQ或UDD引脚为高电平时，这个电路便“取”得电源。寄生电源的优点是双重的:远程温度监测无需木地电源:缺少正常电源条件下也可以读ROM。为了使DS18B20能完成准确的温度变换，当温度变换发生时，DQ线上必须提供足够的功率。 图35 DS18B20供电方式DS18B20工作在外部电源工

38、作方式，如图35所示。这种方法的优点是：在DQ线上不要求强的上拉，总线上主机不需要连接其它的外围器件便在温度变换期间使总线保持高电平，这样也允许在变换期间其它数据在单总线上传送。此外，在单总线上可以联多个DS18B20，而且如果它们全部采用外部电源工作方式，那么通过发出相应的命令便可以同时完成温度变换。 图36 测温电路测温如图36所示，其采用1Wire单总线技术，单片机和DS18B20之间只用了一根数据线相连，他们进行一次温度采集至多需要大约1秒钟的时间，在粮情监控系统中能够满足需要。33 显示电路微机化测控系统中常用的测量数据的显示器有发光二极管显示器(简称LED或数码管)和液晶显示器(简

39、称LCD)。这两种显示器都具有线路简单、耗电少、成本低、寿命长等优点，本系统输出结果选用8个LED显示。数码管有共阴共阳之分，本系统采用8段共阴型LED，其原理图如图3-7所示，每位数码管部有8个发光二极管，公共端由8个发光二极管的阴极并接而成，正常显示时公共端接低电平(GND)，各发光二极管是否点亮取决于a-dp各引脚上是否是高电平。图37LED共阴极接法多路LED显示器有静态显示和动态显示两种形式。静态显示就是各位同时显示。因此，各位LED数码管的位选端应连在一起固定接地(共阴极)，因系统中的串行口以作为串行通信用，所以每位数码管的每位段选线(a-dp)与一个8位并行口相连，每位可独立显示

40、，静态显示的特点是显示亮度大，数码管能够稳定地同时地显示各自的字型，但4位静态显示器就要求有4x8根I/O口线，占用I/O口资源较多，为了简化硬件线路、提高数码管的发光效率，所以在此选用动态显示方法。动态显示就是逐位分时轮流显示，为实现这种显示方式，各位LED数码管的段选端应并接在一起，由同一个8位I/O口或者锁存器/驱动器控制，而各位数码管的位选端分别由相应的I/O口线或锁存器控制。由于每个数码管的所有段选端都并接在一起，通过同一个I/O口控制，因此每一瞬间只能显示一样的字符，在此瞬间，用一个8位I/O口输出相应字符段选码，而另一个I/O口控制显示位送入选通电平(在此为共阴极，选通电平为低电

41、平)，为了正常显示，必须采用“分时动态扫描”的方法显示。即每次点亮一个LED显示器，延时一段时间再点亮下一个LED显示器周而复始，4个LED显示器轮流扫描动态显示。若每个LED显示器点亮1 - 2ms，由于人眼视觉余辉的暂留效应，看起来好像几个显示器同时显示，这就是分时轮流扫描产生的效果。因而可以在4个LED显示器上“同时”显示不同的字符，也不会有闪动的感觉。本系统硬件工作原理： 在单片机应用系统中，通常用数码显示器作为输出设备显示一些需要的信息和结果。在传统的显示驱动电路中，每一个LED显示器需要一个译码芯片.而每一段又需要一个限流电阻.在显示信息量较大时.使电路变得复杂也占用了系统很多资源

42、。MAX7219芯片是美国MAXIM公司出品的新型紧凑型、可编程共阴极显示驱动器.可以用来把微处理机接口连接到多达八位数字的七段数字LED显示器.与传统的驱动LED相比.节省了很多芯片资源。片包含有一个BCD码到B码译码器.多路复用扫描电路.段和数字驱动器与存储每个数字的8X8固态RAM:而且只需一个外部电阻来设置所有LED的段电流.从而降低了系统成本减少了电路板空间的要求。串行数据格式见下表23：D15 D14 D13 D12D11 D10 D9 D8D7D6D5D4D3D2D1D0X X X X 地址高 数据 低 表31 串行数据格式 图38 显示电路可以看出此芯片无需片选信号.它具有一个

43、3线串行接口，可以方便地直接与单片机的串行接口相接。单片机的数据端RXD自接连接于M A X7219的串行数据输入端DIN。单片机的同步移位脉冲端TXD与串行时钟端CLK直接相连。CLK的最高频率为10M Hz。由寄存器地址和操作命令组成的十六位数据包发送到DIN端，在每一个CLK的上升沿锁存到芯片部的移位寄存器中，在LOAD的上升沿数据的最后十六位被锁存到数据或控制寄存器中。串行数据接收到的第一位为最高位(D15),而单片机串行数据输出的第一位是最低位（D0）。在本论文中，AT89C51的串行口是一个可编程的全双下串行通信接口，通过软件编程可以设置4种工作方式，对应于显示电路单片机的串行接口

44、，设定为工作方式0。作为同步移位寄存器使用。由于在串行通讯时两者数据格式的不统一，所以需要建立数据缓冲区。存放数据的变码(例如OC H变为60H存储)在FRAM为起始地址的单元中存放着控制指令变码。以FADR为起始地址的单元中存放着对应指令的控制寄存器地址变码。单片机AT89C51部寄存器R2作为输出计数器初始化程序FIRMAX将MAX7219设置为正常下作方式,亮度最大.非译码方式和扫描界线为8个.注：附录里有完整的系统电路图第四章 温湿度检测仪软件设计4.1 系统软件设计411 系统流程图开 始初始化单片机初始化传感器发跳过ROM命令温度转换转换结束？初始化传感器发匹配ROM命令读匹配温度

45、温度送缓冲区按顺序将温度送显示检查完毕？结 束 图41 系统流程图412 系统主程序温度值读取显示程序，其工作过程：单片机首先发出跳过ROM命令以对所有传感器进行操作，随后发出温度转换命令，传感器开始进行温度转换。山于传感器有惟一的序号，所以在温度值读取时，可通过匹配ROM命令，逐一读取各测温点的温度值，当采集结束，送值显示。程序结构框架如下19：ORG 0000H ;单片机存分配申明MAIN:LCALL GET_TEMPER;调用读温度子程序LCALL DISPLAY;调用数码管显示子程序;调用显示子程序实现延时一段时间,等待AD转换结束,12位的话750微秒;显示子程序End42 DS18

46、B20温度数据采集421 数据采集流程图开 始发DS18B20复位命令发匹配ROM命令CRC 完成CRC校验正确移入温度暂存器结 束图42 数据采集流程图422 数据采集子程序DS18B20的一线工作协议流程是，初始化ROM操作指令，存储器操作指令，数据传输。其工作时序包括:初始化时序、写时序和读时序。每个工作时序都有相应的要求，这在DS18B20接口程序设计时必须给予足够的重视。(1)DS18B20的初始化 DS18B20初始化的实质是使DS18B20复位，主要是通过判断存在脉冲的形式来实现的。首先，主机发复位脉冲，即宽度围为480ust960us的负脉冲，拉高1590us以延是等待，然后通

47、过输入/输出线读存在脉冲，为低则为说明存在，复位成功;否则说明不存在，复位失败，必须对DS18B20重新初始化。; 这是DS18B20复位初始化子程序INIT_1820:SETB P2.2NOPCLR P2.2(2)字节写DS18B20程序 字节写的时序是拉低输入输出线至少15us己作为起始信号，按从低位到高位的顺序取出预写入字节的1位数据，写输入/输出线，延时等待I5us后将输入/输出线拉高，作为停止信号，以等待下一个的写入。字节写DS18B20的程序设计必须严格按照要求的时序才可以。;写DS18B20的子程序(有具体的时序要求)WRITE_1820:MOV R2,#8;一共8位数据CLR

48、CWR1:CLR P3.6MOV R3,#6DJNZ R3,$RRC AMOV P3.6,CMOV R3,#23DJNZ R3,$SETB P3.6NOPDJNZ R2,WR1SETB P3.6RET(3)字读DS18B20程序字读DS18B20的程序设计和字节写DS18B20程序类似，16位数据同样也是从低位到高位被逐一读出并存储的。而且由于读出温度值是补码形式，在使用前必须进行补码转换。; 读DS18B20的程序,从DS18B20中读出两个字节的温度数据READ_18200:MOV R4,#2 ; 将温度高位和低位从DS18B20中读出MOV R1,#29H ; 低位存入29H(TEMPE

49、R_L),高位存入28H(TEMPER_H)RE00:MOV R2,#8;数据一共有8位RE01:CLR CRET43 MAX7219驱动8位以下LED显示器:431 MAX7219工作流程图显示部分采用3线串行显示方式，由MAX7219芯片控制8个数码管显示。基于MAX7219的8位数码管显示程序包含以下几个部分:对MAX7219初始化字写MAX7219程序显示子程序 图43 MAX7219工作流程图 MAX7219在驱动8位以下LED显示器时，它的D1N,CLK,LOAD端分别接单片机P0-P3口中的任意三条口线，注意在三条线上对地应接几十至几百PF电容。在P0口作为D1N, CLK, L

50、OAD信号线时还应接lOK左右的上拉电阻。在显示器与微处理器连接线较长时还应考虑干扰的影响。4.3.2 MAX7219工作子程序相应的程序设计如下:；MAX7219的初始化，对MAX7219的初始化，实际上就是对MAX7219的扫描限制寄存器(扫描数码管的个数)、亮度寄存器、译码模式寄存器与工作寄存器进行正确的设置。在进行程序前，必须清楚一点，就是MAX7219采用16位数据包的形式，也就是说对MAX7219写入时是以16位数作为一个整体来进行的，也即两个字节，高字节为寄存器地址或显示RAM地址，低字节为命令或数据。地址字节的高4位为无关位，通常取1。MAX7219初始化程序：MAXO: MO

51、V A,#OBH;选择显示位数 MOV R2,#07H; LED为8位(可根据显不位数确定)LCALL YWMOV A,#09H;选择模式MOV R2,#0FFH;BCD译码方式LCALL YWMOV A,#0CHMOV R2,#01H;选择正常工作LCALL YWRET；显示子程序，显示子程序的作用是将非压缩的BCD码形式的显示代码写入对应的数码管.显示RAM寄存器，常用的0-9和A-F的显示代码对应为04H-09H和OAH-0FH。如要在对应的位上显示小数点，只要将对应的显示代码的最高位置1即可。例如要显示“0.”，其显示代码为80H。显示程序:DISP: MOV R0, #40H;显示缓

52、冲首地址 MOV R1，#01H；MAX7219RAMO地址 MOV R3, #08HLOOP1:MOV A,R0INC R0;修改缓冲区地址INC R1；修改MAX7219RAM地址DJNZ R3, LOOP1RETYW: LCALL SEND;移入MAX7219 16位数据SETBP1.1;装载数据RETSFND:MOV R4, #08H;移入8位数据LOOP2:CLRP1.2DJNZ R4, LOOP2RET注：附录了数字传感器DS18B20程序第五章 系统的调试、可靠性和抗干扰技术51 系统的调试（1）信息的采集，放置两只数字化温度传感器DS18B20，一只置于被测物体所在空气中，测得

53、的温度称为干球温度;另一只用纱布包裹，纱布下端垂于一个蒸馏水器皿中，测得的温度称为湿球温度。根据干湿度温度计测量原理，在得到温度（干球温度）的同时，只要计算出干球温度和湿球温度的差值就可测出湿度。在这里，要注意适当通风，使得湿球所得温度值更接近真实值。 （2）共阴极驱动中，串行数据接收到的第一位为最高位(D15),而单片机串行数据输出的第一位却是最低位（D0）。这一点在接线，调试时应该注意。（3）显示，共用了八个LED数码管，拟前三个显示干球温度（即，粮食温度）；接着三位，显示湿球温度；最后，两位，显示两者的取整差值，对照附录里的温差对应相对湿度表，得到相对湿度（即，粮食相对湿度）。（4）本论

54、文只是提供一种温湿度检测方法，只用了两只DS18B20温度传感器，在实际应用中，由于采用的是1WIRE单总线技术，单总线顾名思义只有一根数据线，所以可以在一根总线上挂接任意多个DS18B20，这样就可以很方便地构成单线多点温度测量系统，结果取平均值，提高精度值。52 可靠性设计17可靠性是描述系统长期稳定、正常运行能力的一个通用概念，也是产品质量在时间方面的特征表示。通常的定义是指产品或系统在规定条件下和规定时间，完成规定功能的能力。描述可靠性的定量指标常用可靠性、失效率、平均无故障时间这些特征量。可靠性最集中反映了某种产品或设备的质量指标。产品运行的关键。由于系统的可靠性贯穿于产品的设计、制

55、造、检验、安装、调试、使用和维护等的整个过程。因此进行这个系统的可靠性的研究是十分必要的。为提高系统的可靠性，整个系统设计时主要采取了以下两方面的措施。 一，元器件级的可靠性措施。元器件是组成系统的基本单元，其特性好坏与稳定性直接影响整个系统的性能与可靠性。因此，在可靠性设计中，首要的工作是精选元器件，使其在长期稳定性，精度等级方面满足要求。二，部件与系统级的可靠性措施。元器件的可靠性主要取决于元器件的制造商，部件与系统的可靠性则取决于整个系统在设计，制造，检验等环节所采取的措施。53 抗干扰技术为了提高系统的可靠性，元器件的选择是根本，系统设计是手段，合理安装调试是基础、外部环境是保证，这是

56、可靠性设计遵循的基本原则，并贯穿于系统设计、安装、调试、运行的全过程。为了实现这些准则，必须采取相应的硬件或软件方面的措施，这是可靠性设计的根本任务。所以，在整个系统的设计时主要采取以下两方面的措施。531 硬件抗干扰任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件:首先要具备干扰源，也就是产生有害电磁场的装置或设备:其次是要具有传播干扰的途径，通常认为有两种方式:传导祸合方式和辐射藕合方式，其中传导祸合方式又可分为电阻性祸合、电容性祸合和电感性祸合;第三是要有易受干扰的敏感设备。因此，针对电磁干扰的三要素，所采用的硬件抗抑制措施:(1)抑制干扰源 电路板上每个IC芯片的电源与地之间要并接一个0.0

57、1uF0.1uF高频电容，以减小IC芯片对电源的影响;采用DC-DC电源隔离，以提高其抗干扰性;关键部件并联瞬态二极管，以释放尖脉冲的干扰:布线时避免90度折线，以减少高频噪声发射。(2)切断干扰的传播途径 许多单片机对电源噪声很敏感，因此电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半;绘制线路板，将电源部分与主板(含单片机、A/D, D/A等)、显示板分开，加大电源部分与主要元器件之间的距离;用地线把数字电路与模拟电路隔离开，数字地与模拟地也要分离，最后接于电源地。(3)提高敏感器件的抗干扰性能 布线时尽量减少回路环面积，以降低感应噪声:电源线和地线要尽量粗，以降低藕合噪声:对于单片机闲置的UO

58、口，不要悬空，要接地或接电源;其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源;使用电源监控与看门狗电路，如“MAX7219.等:在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路;IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座等措施。532 软件抗干扰(1)软件容错性是软件性能的一项重要指标，主要是防止由于操作者的误操作或其它原因使系统发生异常退出或死机情况，避免给操作者造成不便，甚至丢失数据。在本系统中的下位机软件中，在某些容易形成死循环的地方，例如在对DS18B20进行初始化时，不是采用等待电平条件满足后再继续下一步操作，而是根据初始化时序，主动读取电平状态，满足条件则往下执

59、行，否则放弃本次操作，重新再发信号进行初始化，如果多次重复初始化还没成功，则放弃并返回错误提示信息。在上位机软件中，如果操作者要进行某一步操作的前提条件不满足，则系统将会弹出信息框进行提示，并且直到条件满足时才执行操作。 (2)软件抗干扰措施。对于干扰引起的数据的采集的突变的抗干扰设计，采用数字滤波的方式。54 本系统对干扰的预防(1) 在元器件级的可靠性措施上，本系统选用的大都是经过时间考验的元器件，选用有可靠性保证的元器件或者己被长期实践使用证明的优质元器件例如;DS18B20，X7219等。(2) 本系统多用集成元器件，使得在总的元件数目上尽可能的少，在满足性能要求的前提下减少元器件的数

60、量和种类，尽量减少了由于元件带来的干扰。(3) 为防止单片机“死机”，使用了复位电路，复位后可使CPU与系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。(4) 软件抗干扰是对硬件抗干扰的补充，本系统在编写程序时，也用到了一些技术来抗干扰，例如：指令冗余技术，指令冗余是指在程序中关键的地方人为地插入一些单字节指令(NOP )或将有效单字节指令重复书写。当CPU受到干扰后往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。一般的做法是在十几条正常的指令后填充2至3个NOP空指令，尤其是在一些跳转和子程序调用指令的前面，则对于程序的正确流向会起到一定的保护作用。结束语本系统根据目前粮食储备的发展趋势和国实际的应用特点和要求，采用了干湿球测湿原理设计的温湿度综合检测仪，实现对粮食温湿度的检测和显示。 本设计针对传统温度测量一般采用铂电阻或热电偶等测温元件，而湿度的测量则采用电容式湿敏元件，这种测量方法信号采集回路繁复、布线复杂，每一元件都需要信号电缆，同时铂电阻、热电偶信号十分微弱，信号传输过程中很容易受周围杂波信号的干扰的问题，设计了以单片机AT89C51为核心部件，采用直接输出数字量的DS18B20则传感器所测的湿度信号与振荡电路