室内温湿度自动调节系统

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1、毕业设计说明书室内温湿度自动调节系统 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 2012年 6 月清华大学2012届毕业设计说明书室内温湿度自动调节系统摘 要随着微型计算机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，室内的温度和湿度自动监测控制方面的研究有了明显的进展。美国、日本的室内监测设施近20年来发展很快，他们结合本国条件做出了具有创新特色的成就，其中室内环境调控技术均有较高水平，但其监控设备价格昂贵。我国近年引进了多达16个国家和地区的室内环境控制系统，对吸收国外先进经验、 推动室内温度湿度自动检测产生了积极的作用，但多因能耗过大，造价高，品种未能配套，未能达到很好的

2、效果。中国的室内环境综合控制系统必须走适合中国国情的发展道路，在引进、消化、 吸收国内外先进技术和科学管理的基础上， 进行总结提高、集成创新、超前示范，既开发适宜我国经济发展水平，又能满足不同气候条件，接近或达到世界先进水平的智能化室内监测系统。在专用品种、综合配套技术、贮运营销上，应该研制具有中国知识产权的产品和技术。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制室内环境。控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。先编制出室内最优环境条件的管理程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，电子计算机根据程序表确认、修正各室内的参数，并给终端控制系统指令。终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根

3、据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现室内的环境调节。该种系统可以达到自动控制降温、除湿、通风。根据需要，通过键盘将信息输入中央管理室，根据情况可随时调节室内温度。本文利用8051单片机设计了一个温室的温湿度自动控制系统，对实时温湿度进行采样显示，并通过判断其是否越限对其采取相应的措施使其降到或升到合适的范围。在本系统中采用温度优先模式，循环处理。关键词：89C51，LCD1602液晶显示，ADC0804 Indoor temperature and humidity systemAbstractAlong with the microcomputer and sens

4、or technology rapid development, automatic detection field changed, indoor temperature and humidity automatic monitoring control have significant progress. The United States, Japans indoor monitoring facilities in the recent 20 years development soon, they in light of their own conditions made innov

5、ative features achievements, including indoor environment control technology are a higher level, but its monitoring equipment is expensive. Recently in China imports up to 16 countries and areas of the indoor environment control system, to absorbing foreign advanced experience, push the indoor tempe

6、rature humidity automatic detection has a positive effect, but due to excessive energy consumption, cost is high, variety failed to form a complete set, failed to achieve good results. Chinas indoor environment comprehensive control system must go suitable for Chinas national conditions development

7、path, in the introduction, digestion, absorption domestic and international advanced technology and scientific management on the basis of summing up by, integrated innovation and leading demonstration, is suitable for Chinas economic development level of development, and can satisfy the different cl

8、imatic conditions, close to or reached the advanced world level of intelligent indoor monitoring system. In the special varieties, comprehensive matching technology, storage and transportation marketing, should with Chinese intellectual property developed products and technology.Along with the devel

9、opment of modern science and technology, and the computer has been used to control indoor environment. By the central control system control devices, terminal control equipment, sensor etc. First compiled for the optimal indoor environment condition of the management process table, stored in electro

10、nic computer memory device, electronic computer according to table verification, correction of indoor the parameters, and to a terminal control system instructions. Terminal control equipment to the central control device testing information transmission, according to the central control device inst

11、ructions output control signal, make electrical machinery equipment executive action, realize the indoor environment regulation. The system can achieve automatic control temperature, moisture, and ventilation. According to the need, through the keyboard will be the central management information inp

12、ut room, according to situation may at any time regulate the temperature of a room.This article uses 8,051 design of single chip microcomputer control system of temperature and humidity of a greenhouse, to sample the real-time warm humidity display, and which by determining if it is out of bounds to

13、 take appropriate measures to make it down to or up to an appropriate range. Temperature priority modes are used in this system, recycling.Key Words: 89C51, LCD1602 liquid crystal display, ADC0804中北大学2012届毕业设计说明书第 II 页 共 II页清华大学2012届毕业设计说明书目 录1 绪论11.1引言11.2 研究背景、目标和意义11.2.1 课题研究的背景11.2.2 温湿度自动调节系统发展

14、现状和趋势11.2.3 研究意义31.3主要研究任务内容41.3.1 主要技术参数42 系统方案的设计和比较52.1 系统总体方案的选择52.2传感器的选择方案72.2.1温度传感器的选择72.2.2 湿度传感器的选择72.3 信号采集通道的选择82.4 其他硬件的选择103 系统硬件设计113.1 信号采集电路的设计113.1.1 温度信号采集113.1.2 湿度信号的采集133.1.3 多路开关CD4051163.2 信号分析与处理电路的设计183.2.1 A/D转换器的特点183.2.2 ADC0804 A/D转换器件简介183.3 中央控制模块213.3.1 AT89C51单片机简介2

15、13.3.2 时钟电路243.3.3 复位电路253.4 键盘识别模块253.4.1 键盘模块电路设计253.5 显示模块263.5.1 LCD1602简介263.5.2 LED简介273.5.3 LCD1602的显示操作273.5.4 LCD1602的电路设计313.6 动作执行模块323.6.1 温度控制模块323.6.2 报警模块324 软件系统设计334.1 系统初始化模块334.2 键盘显示模块344.3 采样转换模块354.4 温度控制模块364.4 湿度控制模块37结 论40附录A 系统电路图设计41附录B 程序设计45参考文献54致 谢56第 III 页 共页清华大学2012届

16、毕业设计说明书1 绪论1.1引言 人类的生存和社会活动与湿度密切相关。随着现代化的实现，很难找出一个与湿度无关的领域来。科技的迅速发展使对温湿度的要求逐渐提高。 食品行业：对于食品储存来说至关重要，温湿度的变化会带来食物变质，引发食品安全问题。 档案管理：纸制品对于温湿度极为敏感，不当的保存会严重降低档案保存年限。 温室大棚：植物的生长对于温湿度要求极为严格，不当的温湿度下，植物会停止生长、甚至死亡。 动物养殖：各种动物在不同的温度下会表现出不同的生长状态，高质高产的目标要依靠适宜的环境来保障。 药品储存：根据国家相关要求，药品保存必须按照相应的温湿度进行控制。 所以说对温湿度监控有着重要意义

17、。1.2 研究背景、目标和意义1.2.1 课题研究的背景改革开放以来，人们对生活质量的要求显著提高，对美丽的植被和花卉的需求量也急剧上升，这对以种植植被为生计的园林工人是一个机遇，同时也对传统的手工植被种植是一个挑战，而基于单片机的室内温湿度控制系统对解决这些问题有着非常重大的意义。种植植被一般都用温室栽培，为了充分的利用好温室栽培这一高效技术，就必须有一套科学的，先进的管理方法，用以对不同种类植被生长的各个时期所需的温度及湿度等进行实时的监控。温湿度控制对于单片机的应用具有一定的实际意义，它代表了一类自动控制的方法，而且其应用十分广泛。1.2.2 温湿度自动调节系统发展现状和趋势 从17世纪

18、初伽利略发明温度计，把玻璃管倒过来，把液体放在管内，把玻璃管封闭进行测量温度。在1659年法国人布利奥把玻璃泡的体积缩小，并把测温物质改为水银，这样的温度计已具备了现在温度计的雏形。以后荷兰人华伦海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水银作为测量物质，制造了更精确的温度计。瑞典人摄尔修斯于1742年改进了华伦海特温度计的刻度，他把水的沸点定为100度，把水的冰点定为0度。而真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，20世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器

19、和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。从此电子温度计随着传感器的发展越来越成熟。智能温度传感器(亦称数字温度传感器）在20世纪90年代中期问世。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE_）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现

20、测试功能，温度计也越来越智能化。而湿度计好像是里安纳度-一个在15世纪在意大利里出生的人-是第一个想出这一个仪器量度出空气中的水蒸气含量的人开始探索的。他将一干燥的棉花放在一个天砰的一侧上。然后他安置一个正是与棉花相同的重量的对象在天砰的另一侧。当干燥的棉花从空气吸收水蒸汽，它变得更重并且这个天砰的这侧开始降落。在两重量之间的不同是湿度的度量标准。 现在科学家使用一台称为psychrometer的仪器测量相对湿度。psychrometer由两个绑在一起的温度计造成。一个温度计的泡被用清水浸过的材料包着。开始量度相对湿度时，要把psychrometer旅转直至被包着的温度计维持一个稳定的温度,而

21、这温度一定比干的那个温度计低。实际的空气温度被干燥的那个温度计量度。在两温度之间的不同被叫为wet-bulbdepression是来自物质的水的蒸发的结果。科学家记录低干的温度计的温度和wet-bulbdepression,然后制成一个图表,来计算相对湿度。这个也是干湿球湿度计的工作原理。跟电子温度计一样湿度计随着湿度传感器的发展趋于成熟。现在常用的温度传感器AD590，DS18B20湿度传感器HMxx系列，HS1xx系列，随着温湿度计的发展温室监控系统也越来越成熟，更好的为人们服务。1.2.3 研究意义 室内温湿度自动调节系统可温室可运用于温室作用是用来改变植物的生长环境 ,避免外有效界四季

22、变化和恶劣气候对作物生长的不利影响 ,为植物生长创造适宜的良好条件。温室一般以采光和覆盖材料作为主要结构材料 ,它可以在冬季或其他不适宜植物露地生长的季节栽培植物 ,从而达到对农作物调节产期、促进生长发育、防治病虫害及提高产量的目的。温室环境指的是作物在地面上的生长空间 ,它是由光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等因素构成的。温室控制主要是控制温室内的温度、湿度、通风与光照。虽然有些温室也安装有各种加热、加湿、通风和降温的设备 ,但其主要操作大多仍是由人工来完成的当温室面积较大或数量较多时 ,操作人员的劳动强度很大 ,而且也无法达到对温湿度的准确控制。采用本文介绍的温湿度自动调节系统可有效实现室内

23、温湿度的自动测量和调节 ,大大降低了操作人员的劳动强度，采用喷灌系统作为改变温室湿度环境的方法节约了水资源。室内温湿度自动调节系统也可应用于车间，车间温湿度自动控制系统应用十分广泛,而传统的温度与湿度的监测方法是用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的车间进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法存在很多缺点:（1）费时费力、效率低；（2）测量的温度和湿度误差大、随机性大；与传统的人工测试方法相比，温湿度自动调节系统具有可靠性高、高效率、高精度等优点，特别适合应与车间温湿度的测量和自动控制，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证了

24、生产的高效率、高质量。近年来由于微电子技术的发展和进步，使得具有完备功能的超大集成电路的价格日趋便宜，同样也促使温湿度自动控制系统制造成本大大降低。对于采用温湿度自动控制系统来控制车间的温湿度，无论从经济上，还是工作可靠性、效率、工作寿命上来说，都是十分经济合算的，也是可行的优选。1.2.4 研究目标及内容设计基于8051单片机的温湿度自动调节系统，8051单片机是常用于控制的芯片，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温湿度控制系统的实例也很多。使用8051单片机能够实现温湿度全程的自动控制，而且8051单片机易于学习、掌握，性价比高。 使用8051型单

25、片机设计温湿度控制系统，可以及时、精确的反映温室内的温度以及湿度的变化。完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度上下限范围内保持恒温等多种控制方式，在湿度控制方面也是如此。将此系统应用到温室当中无疑为植被的生长提供了更加适宜的环境。1.3主要研究任务内容本系统所要完成的任务是： 人性化的设计。界限温度值及湿度值能够由用户根据不同需求由键盘输入并通过显示器显示。 能够实时、准确的显示采样温度值与湿度值。 通过采集温度及湿度值，准确的判断设定值与当前值之间的差异，及时的启动报警装置进行报警，同时采取相应的措施调整当前值。如：在检测出当前值高于设定的上限值时，系统会自动执行相应的降温措施，直至

26、温度降到合适温度。 根据在不同时间段内对温湿度的不同要求，用户可随机更改温度及湿度值，以满足用户不同的需求。1.3.1 主要技术参数 温度检测范围 ： -30-100 测量精度 ： 0.5 湿度检测范围 ： 1%-100%RH检测精度 ： 1%RH2 系统方案的设计和比较本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，以单片机为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、温度检测、湿度检测、显示、系统软件等部分的设计。多路开关A/D转换多路开关湿度检测显示电路报警电路单片机温度检测图2.1 系统总体框图 本设计由信号采集、信号分析

27、和信号处理三个部分组成的： 信号采集：由温度传感器、湿度传感器及多路开关组成； 信号分析：由A/D转换器、单片机基本系统组成； 信号处理：由串行口LED显示器和报警系统等组成。2.1 系统总体方案的选择 方案1：基于MCS-51系列单片机嵌入式系统的温湿度检测控制系统 该系统由温度传感器、湿度传感器、AT89C51、加热设备、加湿设备几部分组成。结构原理框图如图2.2所示。通过温度传感器和湿度传感器测量温室内的温湿度经过AD转换送入89C51进行处理，测量结果通过显示电路进行显示。现 场传感器传感器特 定 接 口输 入 / 输 出电 源处理单元键盘显示电路A/D转换图2.2 系统结构原理图 方

28、案2：基于MSP430F1232单片机的温湿度检测系统设计 本方案采用分别设计温度和湿度采样电路如图2.3所示，将集成温度传感器采集得到的电流信号和湿度传感器采集到的电压信号转换为给定范围内的电压信号。然后由MSP430F1232单片机的AD采样端口将该电压信号读入，如果温度小于门限值或者湿度大于门限值就给出报警信号，门限值可以通过按键进行设定。传感器传感器信号调理电路MSP430F1232EPROM键盘和LED显示正常或告警指示电路通讯模块图2.3 系统总体结构图方案一AT89C51是Intel公司于80年代初推出的8位嵌入式微控制器（内部数据总线为8位，外部数据总线为8位），它与MCS-4

29、8系统中的其它芯片相比，具有性能高、功能全、售价低廉、使用方便（48PINDIP）等优点。89C51在工业应用方面有许多明显的特点，它具有灵活方便的8位总线外围支持器扩展功能，而在数据处理方面又有8位微机的快速功能。由于大的高度集成化已把许多常用的输入检测输出控制通道都制作在同一块硅片上，大大地灵活了外部连线，增强了系统的稳定性并且速度快（时钟12MHz），非常适合于工业环境下安装使用。与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,方案2温湿度检测电路比较繁琐实现起来比较困难，并且MSP430F1232系列单片机成本比较高，实现比较困难。综合比较

30、方案1系统工作稳定，性能良好，基本符合设计要求。2.2传感器的选择方案2.2.1温度传感器的选择方案1：采用热电阻温度传感器。热电阻传感器的电阻与温度之间具有优异的线性和稳定性。这类传感器主要用于要求高精度、经久耐用和长斯稳定性的工业环境中。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻，铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。 方案2：采用AD590温度传感器，它的测温范围在-55+150之间，而且精度高。M档在测温范围内非线形误差为0.3。AD590

31、可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏，使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力，AD590的测量信号可远传百余米。综合比较方案1与方案2，方案2更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。2.2.2 湿度传感器的选择方案1：采用HOS-201湿敏传感器。HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ1KHZ，测量湿度范围为0100%RH，工作温度范围为050，阻抗在75%RH（25）时为1M。这种传感器原

32、是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。方案2：采用HM1500湿度传感器。线性电压输出式集成湿度传感器HM1500采用获得专利的湿敏电容HS1101设计制造，其湿度测量范围为599(相对湿度)；相对湿度精度为3；工作温度为-30+60；工作湿度范围为0100(相对湿度)；供电电压为5V(最大电压DC16V)；可输出DC电压为14 V；响应时间为5s，适用于工业级场合。方案3：采用HS1100/HS1101湿度传感器。HS1100/HS1101电容传感器，在电路构

33、成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速，专门设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在1%-100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于2%RH；响应时间小于5s；温度系数为0.04 pF/，可见精度是较高的。综合比较方案一，方案二和方案三，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，其工作电压为交流1V以下，实现叫困难，而且

34、还不能在系统要求的温度条件下工作，方案二测量精度不符合设计系统要求。因此，我们选择方案三来作为本设计的湿度传感器。2.3 信号采集通道的选择 在本设计系统中，温度输入信号为多路的模拟信号，这就需要多通道结构。方案1、采用多路并行模拟量输入通道这种结构的模拟量通道特点为：(1) 可以根据各输入量测量的要求选择不同性能档次的器件。(2) 硬件复杂，故障率高。(3) 软件简单，各通道可以独立编程。方案2、采用多路分时的模拟量输入通道这种结构的模拟量通道特点为：(1) 对信号保持和A/D转换器要求较高。(2) 处理速度慢。(3) 硬件简单，成本低。(4) 软件比较复杂。综合比较方案一与方案二，方案二更

35、为适合于本设计系统对于模拟量输入的要求，比较其框图，方案二更具备硬件简单的突出优点，所以选择方案二作为信号的输入通道。.信号调理电路采样保持器A/D转换器接口信号调理电路采样保持器A/D转换器接口信号调理电路采样保持器A/D转换器接口 CPU图 2.4 多路并行模拟量输入通道.信号调理电路信号调理电路信号调理电路 多路切换器信号保持器A/D转换器接口CPU图2.5 多路分时的模拟量输入通道2.4 其他硬件的选择 温室温湿度控制系统是由89C51单片机作为中央控制装置，模数转换器AD0804，温度传感器AD590和湿度传感器HS1100，风扇，加热设备，加湿设备，排潮设备，键盘显示芯片等共同组成

36、的，其功能和原理如下：89C51作为中央控制装置，负责中心运算和控制，协调系统各个模块的工作。温度传感器AD590作为温度测量装置，负责系统温度的测量。它的测温范围是在 -55+150之间，而且精度高。M档在测温范围内非线形误差为0.3。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。湿度传感器HS1100作为湿度测量装置，负责系统对环境湿度的测量。模数转换器ADC0804：即由模拟信号转换为数字信号

37、。它共有8个模数转换通道。模数的转换共有2种方法。一种是利用INT0中断，当一次转换结束后，ADC0804使INT0产生中断，通知系统转换完毕；另一种使用延时方法，开始转换后系统延时100微秒等待转换完成。本方案采用延时转换的方法。键盘显示芯片：用8729识别键盘，负责用户的输入及相关数据的LED显示。例如选择系统的工作模式，用户输入温度及湿度的界限数据，显示实时的温度及湿度值等等。风扇：负责系统的降温工作。加热设备：负责系统的加热工作。喷雾设备：负责系统的加湿工作。排潮设备：负责系统的去湿工作。报警模块：负责系统的报警功能。如果当前的温湿度超过用户设定的界限值时系统将自动报警，音效模块发出报

38、警声，通知用户采取相应的措施。3 系统硬件设计3.1 信号采集电路的设计3.1.1 温度信号采集1、温度温度传感器AD590简介AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图3-4所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图3.1所示。图3.1 AD590外形及电路符号 流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：其输出电流与开氏温度成正比，开氏温度为

39、0度时输出为0A，开氏温度上升1度电流增加1uA。I T/T=1A /K (3.1)式中：IT-流过器件（AD590）的电流，单位A。T-热力学温度，单位K。其中开氏温度有称为绝对温度，开氏温度与摄氏温度的关系为：开氏温度等于摄氏温度加上273，换言之摄氏温度每上升1度AD590的输出电流就增加1uA。AD590的测温范围-55- +150。AD590的电源电压范围为4V-30V。电源电压可在4V-6V范围变化，电流IT变化1A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。输出电阻为710M。精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M

40、档精度最高，在-55+150范围内，非线形误差0.3。2、 温度测量电路如图3.2所示，最简单的AD590接口时串联一个10K的电阻在接地，即产生10*（273.2+T）mV的电压（T是摄氏温度），这个电压先经过一个运算放大器所组成的缓冲器，以避免负载效应；实际上我们会以一个9.1K电阻器串接一个10K精密可调式电阻器，以进行调整VA电压，当0oC时，VA=10*273.2mV=2.732V，100oC时，VA=10*373.2mV=3.732V，不是很人性化，如果将VA减去2.732，则0oC时，VA=0V；100oC时，VA=1V，每增加1oCVA增加 0.01V，这样比较容易接受。在此利

41、用一个运算放大器进行减法功能，如图3.3所示。常用室内加热元件图3.2 简单测温电路图3.3 使用测温电路 如图3.3所示，以数字电表测量VB，调整VR半固定电阻，让VB为1.366V，则VC= -VA+2VB =（VA- 2.732） （3.2）3、 温度多路检测信号的实现本设计系统为八路的温度信号采集，为了减少单片机管脚需求，故采用CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图3.4所示：图3.4八路分时的温度模拟量信号采集电路硬件接口3.1.2 湿度信号的采集1、 湿度传感器的主要特性HS1100/HS1101电容传感器具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速的特

42、点，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。其测量的范围相对湿度在1%-100%RH内，电容量由16pF变到200pF，其误差不大于2%RH，响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/。可见精度是较高的。2. 湿度测量电路HS1100/HS1101电容传感器在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之

43、成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集18。频率输出的555测量振荡电路如图3.5所示。集成定时器555芯片外接电阻、与湿敏电容C，构成了对湿敏电容C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对湿敏电容C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，是防止输出短路的保护电阻，用于平衡温度系数。图3.5 频率输出的555振荡电路 该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源Vcc通过、向湿敏电容C充电，经充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过放电，经放电时间后，Uc下降到比较器

44、的低触发电平，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。其中，充放电时间为 =C(+)ln2 (3.3) =Cln2 (3.4)因而，输出的方波频率为f=1/( +)=1/C(+2)ln2 (3.5)可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表3.1给出了其中的一组典型测试值。湿度频率频率湿度%RH%RHHZHZ010203040507351722471006976685367286600646863306168603360708090100表3.1空气湿度与电压频率的典型值3 、湿度多路检测信号的实现本设计系统为八路的湿度信号采集，故采用CD40

45、51组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图3.6所示：图3.6 八路分时的模拟量信号采集电路硬件接口3.1.3 多路开关CD4051多路开关，又称“多路模拟转换器”。多路开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输出端，并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出，实现有n线到一线的接通功能。反之，当模拟信号有公共输出端输入时 ，作为信号分离器，实现了1线到n线的分离功能。因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件。在本设计中，由于采用了温湿度双量控制，所以在信号采集中将有两个模拟量被提取，这时选用多路开关就是很必要的。设计中选用的是CD4051多路开关，它是

46、一种单片、CMOS、8通道开关。该芯片由DTL/TTL- CMOS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关组成。CD4051的内部原理框图如图3.7所示。图3.7 CD4051的内部原理框图图中功能如下：通道线IN/OUT（4、2、5、1、12、15、14、13）：该组引脚作为输入时，可实现8选1功能，作为输出时，可实现1分8功能。XCOM（3）：该引脚作为输出时，则为公共输出端；作为输入时，则为输入端。A、B、C（11、10、9）：地址引脚INH（6）：禁止输入引脚。若INH为高电平，则为禁止各通道和输出端OUT/IN接至；若INH为低电平，则允许各通道按

47、表3-2关系和输出段OUT/IN接通。VDD（16）和VSS（8）：VDD为正电源输入端，极限值为17V；VSS为负电源输入端，极限值为-17V。VGG（7）；电平转换器电源，通常接+5V或-5V。CD4051作为8选1功能时，若A、B、C均为逻辑“0”（INH=0），则地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。其它情况下，输出端OUT/IN输出端OUT/IN和各通道的接通关系如下： 表 3.2 输入输出状态对照输入状态接通通道输入状态接通通道INHCBA2INHCBA00000010150001101106001001117001131XXX均不显示010043.2 信号分析

48、与处理电路的设计3.2.1 A/D转换器的特点为了把温度、湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处理，本系统选用了连续渐进式A/D转换器AD0804。 3.2.2 ADC0804 A/D转换器件简介 ADC0804的管脚图如下所示： 图3.6 ADC0804管脚图 它的主要电气特性如下： 工作电压：5V，即VCC5V。 模拟输入电压范围：05V，即0Vin5V。 分辨率：8位，即分辨率为1/28=1/256，转换值介于0255之间。 转换时间：100us（fCK640kHz时）。 转换误差：1LSB。 参考电压：2.5V，即Vref2.5V。 1.ADC0804的转换原理 ADC080

49、4是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式A/D转换器”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位寻找起）。第一次寻找结果：10000000 （若假设值输入值，则寻找位假设位1）第二次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位假设位1）第三次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位该假设位0）第四次寻找结果：11010000 （若假设值输入

50、值，则寻找位假设位1）第五次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位该假设位0）第六次寻找结果：11010100 （若假设值输入值，则寻找位假设位1）第七次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位假设位1）第八次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位该假设位0）这样使用二分法的寻找方式，8位的A/D转换器只要8次寻找，12位的A/D转换器只要12次寻找，就能完成转换的动作，其中的输入值代表图1的模拟输入电压Vin。2.分辨率与内部转换频率的计算对8位ADC0804而言，它的输出准位共有28256种，即它的分辨率是1/256，假设输入信号Vin为05V

51、电压范围，则它最小输出电压是5V/2560.01953V，这代表ADC0804所能转换的最小电压值。表3.3列出的是812位A/D转换器的分辨率和最小电压转换值。表3.3 A/D转换器的分辨率和最小电压值位数目分辨率最小电压转换值81/2560.01953V101/10240.00488V121/40960.00122V 至于内部的转换频率fCK，是由图3.6的CLKR（19脚）、CLK IN（4脚）所连接的R（）、C(150PF)来决定。图3.7 ADC0804与CPLD&FPGA、8051单片机等典型连接图频率计算方式是：fCK1/(1.1RC) （3.6） 若以图2的R10K、C150P

52、F为例，则内部的转换频率是：fCK1/（1.110 K150PF）606KHz （3.7） 更换不同的R、C值，会有不同的转换频率，而且频率愈高代表速度愈快。但是需要注意R、C的组合，务必使频率范围是在100KHz1460KHz之间。3.ADC0804的控制方法要求ADC0804进行模拟/数字的转换，其实可以直接由下面的时序图及图2信号的流向来配合了解。图3.8 ADC0804控制信号时序图 以图3.8信号流向而言，控制ADC0804动作的信号应该只有CS、WR、RD。其中INTR由高电位转为低电位后，代表ADC0804完成这次的模拟/数字转换，而DB0DB7代表是转换后的数字资料。 图3.8

53、的动作大概可分成4个步骤区间S0、S1、S2、S3，每个步骤区间的动作方式如下：l 步骤S0：CS0、WR0、RD1（由CPLD发出信号要求ADC0804开始进行模拟/数字信号的转换）。l 步骤S1：CS1、WR1、RD1（ADC0804进行转换动作，转换完毕后INTR将高电位降至低电位，而转换时间100us）。l 步骤S2：CS0、WR1、RD0（由CPLD发出信号以读取ADC0804的转换资料）。l 步骤S3：CS1、WR1、RD1（由CPLD读取DB0DB7上的数字转换资料）。 由上述步骤说明，可以归纳出所要设计的CPLD动作功能有：l 负责在每个步骤送出所需的CS、WR、RD控制信号。

54、l 在步骤S1时，监控INTR信号是否由低电位变高电位，如此以便了解ADC0804的转换动作结束与否。l 在步骤S3，读取转换的数字资料DB0DB7。3.3 中央控制模块3.3.1 AT89C51单片机简介AT89C51是Intel公司于80年代初推出的8位嵌入式微控制器（内部数据总线为8位，外部数据总线为8位），它与MCS-96系统中的其它芯片相比，具有性能高、功能全、售价低廉、使用方便（48PINDIP）等优点。89C51在工业应用方面有许多明显的特点，它具有灵活方便的8位总线外围支持器扩展功能，而在数据处理方面又有8位微机的快速功能。由于大的高度集成化已把许多常用的输入检测输出控制通道都

55、制作在同一块硅片上，大大地灵活了外部连线，增强了系统的稳定性并且速度快（时钟12MHz），非常适合于工业环境下安装使用。因此本系统CPU选用89C51芯片。89C51单片机引脚采用40双列直插式封装结构。89C51系统CPU中的主要组件有：高速寄存器阵列、特殊功能寄存器（SFR）、寄存器控制器和算术逻辑单元（RALU）。它与外部通讯是通过特殊功能寄存器SFR或存储器，控制器进行的。8051系统的CPU的主要特色是体积小，重量轻，抗干扰能力强，售价低，使用方便。此外，通过SFR还可以直接控制I/O、A/D、PWM、串行口等部件的有效运行。CPU内部的一个控制单元和两条总线寄存器阵列和EALU连接

56、起来。这两条总线是：16位地址总线（A-BUS）和8位数据总线（D-BUS）。数据总线仅在RALU与寄存器阵列或SFR之间传送数据，地址总线用作上述数据传送的地址总线或用作与寄存器控制器连接的多路复用地址/数据总线。CPU对片内RAM访问是直接访问和通过寄存器R0,R1间接访问的。89C51工作时所需的时钟可通过其XTALL输入引脚由外部输入，也可采用芯片内部的振荡器。其工作频率为612MHz。在本系统中采用11.0592MHz频率。图3.9 AT89C51管脚图1 AT89C51单片机的管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8

57、TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口

58、被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉电阻为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由

59、于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下:P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用

60、于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 2