畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于ARM倉庫溫濕度的監(jiān)測系統(tǒng).doc

畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計論論文文 基于基于 ARM 倉庫溫濕度的監(jiān)測系統(tǒng)倉庫溫濕度的監(jiān)測系統(tǒng) 姓姓 名名: 班班 級級: 學(xué)學(xué) 號號: 指導(dǎo)老師指導(dǎo)老師: I 摘摘 要要 倉庫溫濕度檢測系統(tǒng)主要介紹對 8031 的設(shè)計和使用，AD590 溫度傳感器和 HS1100HS1101 的濕度傳感器的選擇和特點(diǎn)，通過單片機(jī)對溫濕度傳感器的控制 和檢測，對溫度濕度的檢測和控制。在研究過程和方法上運(yùn)用了模塊與結(jié)構(gòu)結(jié)合 的程序設(shè)計技術(shù)提高了效率節(jié)省了空間。在工作方式上采用了全隔離工作方式， 提高了抗干擾性，使工作狀態(tài)更加穩(wěn)定，更加可靠，使用方便。本系統(tǒng)根據(jù)用戶 實際要求來配制，檢測系統(tǒng)內(nèi)部使用了單片機(jī)，大大降低了濕度檢測成本，檢測 警報系統(tǒng)性價比高，操作簡單，可以幫助用戶管理溫室，解決了溫濕度的測量問 題。本系統(tǒng)在倉庫管理，生產(chǎn)制造，日常生活中被廣泛應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：單片機(jī) 溫度 濕度 檢測 II Abstract Storage temperature and humidity detection system focuses on the design and use of 8031, AD590 temperature sensor and humidity sensor HS1100/HS1101 selection and characteristics, temperature and humidity sensor through the single-chip control and detection, detection and control of temperature and humidity. In the research process and methods and structure of the module on the use of a combination of programming techniques to improve the efficiency of saving space. In the work with a full isolation on the work to improve the noise immunity and the working conditions more stable, more reliable, easy to use. The system according to user requirements to the actual preparation, detection system which uses the chip, greatly reducing the cost of humidity detection, alarm and detection system cost, simple operation, can help users manage the greenhouse, to solve the temperature and humidity measurements. The system in the warehouse management, manufacturing, are widely used in daily life. Keywords: Microcontroller Temperature Humidity Detection III 目目 錄錄 摘摘 要要I AbstractII 目目 錄錄 III 1 緒論緒論1 1.1 選題背景1 2 方案的比較和論證方案的比較和論證2 2.1 溫度傳感器的選擇2 2.2 濕度傳感器的選擇3 2.3 信號采集通道的選擇4 3 系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)總體設(shè)計6 3.1 信號采集6 3.1.1 溫度傳感器6 3.1.2 濕度傳感器11 3.1.3 多路開關(guān)15 3.2 信號分析與處理16 3.2.1 A/D 轉(zhuǎn)換16 3.2.2 單片機(jī) 803120 3.2.3 存儲器的設(shè)計28 3.2.4 數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護(hù)30 3.2.5 系統(tǒng)時鐘的設(shè)計30 3.3 顯示與報警的設(shè)計31 3.3.1 顯示電路31 3.3.2 報警電路32 4 軟件設(shè)計軟件設(shè)計34 總總 結(jié)結(jié)40 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)41 1 1 緒論緒論 1.1 選題背景選題背景 防潮、防霉、防腐、防爆是倉庫日常工作的重要內(nèi)容，是衡量倉庫管理質(zhì)量 的重要指標(biāo)。它直接影響到儲備物資的使用壽命和工作可靠性。為保證日常工作 的順利進(jìn)行，首要問題是加強(qiáng)倉庫內(nèi)溫度與濕度的監(jiān)測工作。但傳統(tǒng)的方法是用 與濕度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工進(jìn)行 檢測，對不符合溫度和濕度要求的庫房進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作。這種人工 測試方法費(fèi)時費(fèi)力、效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大。因此我們 需要一種造價低廉、使用方便且測量準(zhǔn)確的溫濕度測量儀。 設(shè)計過程及工藝要求 為了不影響倉庫的日常工作本系統(tǒng)實現(xiàn)三個基本功能：檢測溫度，濕度和過 限報警。對技術(shù)的各項參數(shù)做了嚴(yán)格的控制！避免測試的溫度濕度誤差過大影響 到工作的效率。 一.基本功能 檢測溫度；溫度 顯示溫度；濕度 過限報警 二主要技術(shù)參數(shù) 溫度檢測范圍：-30-+50 測量精度： 0.5 濕度檢測范圍：10%100%RH 檢測精度： 1%RH 顯示方式： 溫度：四位顯示 濕度：四位顯示 報警方式： 三極管驅(qū)動的蜂鳴音報警 2 2 方案的比較和論證方案的比較和論證 當(dāng)將單片機(jī)用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號懂得輸入通道，由計算機(jī) 拾取必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言，如何準(zhǔn)確獲得被測信號是其核心任務(wù)； 而對測控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的 環(huán)節(jié)。 傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳 感器對原始被測信號進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測量和控制都將無 法實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和 控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn) 的高效率和高質(zhì)量。 2.1 溫度傳感器的選擇溫度傳感器的選擇 方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特 性制成的測溫元件?，F(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點(diǎn)為精度 高、測量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測量。 鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強(qiáng)，易提純，復(fù)制性好，工業(yè)性好， 電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測中高精密測溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價格 貴，溫度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按 IEC 標(biāo)準(zhǔn)測 溫范圍-200650，百度電阻比 W（100）=1.3850 時，R0 為 100 和 10，其 允許的測量誤差 A 級為（0.15+0.002 |t|） ，B 級為（0.3+0.005 |t|） 。 銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價格低，也易于提純和加工；但其電阻率小， 在腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于-50180測溫。 方案二：采用 AD590，它的測溫范圍在-55+150之間，而且精度高。 M 檔在測溫范圍內(nèi)非線形誤差為0.3。AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而 且，無需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便，借口也很簡單。作為電流輸出型 3 傳感器的一個特點(diǎn)是，和電壓輸出型相比，它有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。AD590 的測量信號可遠(yuǎn)傳百余米。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計 系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇。 2.2 濕度傳感器的選擇濕度傳感器的選擇 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分 后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。 電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、 電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測量的。 方案一：采用 HOS-201 濕敏傳感器。HOS-201 濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感 器，它的工作電壓為交流 1V 以下，頻率為 50HZ1KHZ，測量濕度范圍為 0100%RH，工作溫度范圍為 050，阻抗在 75%RH（25）時為 1M。這種 傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，因此，主要用于 判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時 具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。 方案二：采用 HS1100/HS1101 濕度傳感器。HS1100/HS1101 電容傳感器，在 電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不 需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計的固態(tài) 聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用 于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝 配過程等。 相對濕度在 1%-100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 16pF 變到 200pF，其誤差不大于 2%RH；響應(yīng)時間小于 5S；溫度系數(shù)為 0.04 pF/。可見精度是較高的。 綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但 其只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還 不具備在本設(shè)計系統(tǒng)中對溫度-3050的要求，因此，我們選擇方案二來作為本 設(shè)計的濕度傳感器。 4 2.3 信號采集通道的選擇信號采集通道的選擇 在本設(shè)計系統(tǒng)中，溫度輸入信號為 8 路的模擬信號，這就需要多通道結(jié)構(gòu)。 方案一、采用多路并行模擬量輸入通道（如圖 2-1） 。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為： （1） 可以根據(jù)各輸入量測量的要求選擇不同性能檔次的器件?？傮w成本可 以作得較低。 （2） 硬件復(fù)雜，故障率高。 （3） 軟件簡單，各通道可以獨(dú)立編程。 方案二、采用多路分時的模擬量輸入通道（如圖 2-2） 。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為： （1） 對 ADC、S/H 要求高。 （2） 處理速度慢。 （3） 硬件簡單，成本低。 （4） 軟件比較復(fù)雜。 綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計系統(tǒng)對于模擬量輸入的 要求，比較其框圖，如圖所示，方案二更具備硬件簡單的突出優(yōu)點(diǎn)，所以選擇方 案二作為信號的輸入通道。 信號調(diào)理 電路 采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器 接口 CPU 信號調(diào)理 電路 采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器接口 信號調(diào)理 電路 采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器接口 圖 2-1 多路并行模擬量輸入通道 5 圖 2-2 多路分時的模擬量輸入通道 6 3 系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)總體設(shè)計 本設(shè)計是基于單片機(jī)對數(shù)字信號的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生 模擬信號，和 A/D 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設(shè)計了以 8031 基本系統(tǒng)為核心 的一套檢測系統(tǒng)，其中包括 A/D 轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測、濕度檢測、 鍵盤及顯示、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計。 圖 3-1 系統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的。 （一）信號采集 由 AD590、HS1100 及多路開關(guān) CD4051 組成； （二）信號分析 由 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433、單片機(jī) 8031 基本系統(tǒng)組成； （三）信號處理 由串行口 LED 顯示器和報警系統(tǒng)等組成。 3.1 信號采集信號采集 3.1.1 溫度傳感器溫度傳感器 集成溫度傳感器 AD590 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源。 AD590溫度檢 測 MC14433A/ D轉(zhuǎn)換 CD4051多路 開關(guān) 串行口LED 顯示 單片機(jī) 報警電路 HS1100濕度 檢測 CD4051多路 開關(guān) 7 一主要特性 AD590 是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。根 據(jù)特性分擋，AD590 的后綴以 I，J，K，L，M 表示。AD590L，AD590M 一般用 于精密溫度測量電路，其電路外形如圖 3-2 所示，它采用金屬殼 3 腳封裝，其中 1 腳為電源正端 V；2 腳為電流輸出端 I0；3 腳為管殼，一般不用。集成溫度傳 感器的電路符號如圖 3-2 所示。 圖 a 圖 b 圖 3-2 圖 a 為 AD590 外形 圖 b 為電路符號 1、流過器件的電流（A）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)， 即： I T/T=1A /K 式中：IT 流過器件（AD590）的電流，單位 A。 T熱力學(xué)溫度，單位 K。 2、AD590 的測溫范圍-55- +150。 3、AD590 的電源電壓范圍為 4V-30V。電源電壓可在 4V-6V 范圍變化，電流 IT變化 1A，相當(dāng)于溫度變化 1K。AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓， 因而器件反接也不會損壞。 4、輸出電阻為 710M。 5、精度高。AD590 共有 I、J、K、L、M 五檔，其中 M 檔精度最高，在- 55+150范圍內(nèi)，非線形誤差0.3。 8 二AD590 的工作原理 在被測溫度一定時，AD590 相當(dāng)于一個恒流源，把它和 530V 的直流電源相 連，并在輸出端串接一個 1k 的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被 測溫度成正比，此時電阻兩端將會有 1mVK 的電壓信號。其基本電路如圖 3-3 所示。 圖 3-3 AD590 內(nèi)部核心電路 圖 3-3 是利用 UBE特性的集成 PN 結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中 T1、T2 起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流 I1 和 I2 相等；T3、T4 是感溫用的晶體管，兩個管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 T3 實質(zhì)上是由 n 個晶體 9 管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是 T4 的 n 倍。T3 和 T4 的發(fā)射結(jié)電壓 UBE3和 UBE4經(jīng)反 極性串聯(lián)后加在電阻 R 上，所以 R 上端電壓為 UBE。因此，電流 I1 為： I1UBER（KTq） （lnn）R 對于 AD590，n8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度 T 成正比，將此電流引 至負(fù)載電阻 RL上便可得到與 T 成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸 出信號不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響。圖 3 中的電阻 R 是在硅板上形成的薄膜 電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準(zhǔn)溫度下可得到 1AK 的 I 值。 圖 3-4 AD590 內(nèi)部電路 圖 3-4 所示是 AD590 的內(nèi)部電路，圖中的 T1T4 相當(dāng)于圖 3-3 中的 T1、T2，而 T9，T11 相當(dāng)于圖 3-3 中的 T3、T4。R5、R6 是薄膜工藝制成的低溫 度系數(shù)電阻，供出廠前調(diào)整之用。T7、T8，T10 為對稱的 Wilson 電路，用來提高 阻抗。T5、T12 和 T10 為啟動電路，其中 T5 為恒定偏置二極管。 T6 可用來防止電源反接時損壞電路，同時也可使左右兩支路對稱。R1，R2 為發(fā)射極反饋電阻，可用于進(jìn)一步提高阻抗。T1T4 是為熱效應(yīng)而設(shè)計的連接防 10 式。而 C1 和 R4 則可用來防止寄生振蕩。該電路的設(shè)計使得 T9，T10，T11 三者 的發(fā)射極電流相等，并同為整個電路總電流 I 的 13。T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積 比為 8：1，T10 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積相等。 T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)電壓互相反極性串聯(lián)后加在電阻 R5 和 R6 上，因此可以寫 出： UBE（R62 R5）I3 R6 上只有 T9 的發(fā)射極電流，而 R5 上除了來自 T10 的發(fā)射極電流外，還有來 自 T11 的發(fā)射極電流，所以 R5 上的壓降是 R5 的 23。 根據(jù)上式不難看出，要想改變 UBE，可以在調(diào)整 R5 后再調(diào)整 R6，而增大 R5 的效果和減小 R6 是一樣的，其結(jié)果都會使 UBE減小，不過，改變 R5 對 UBE的 影響更為顯著，因為它前面的系數(shù)較大。實際上就是利用激光修正 R5 以進(jìn)行粗 調(diào)，修正 R6 以實現(xiàn)細(xì)調(diào)，最終使其在 250之下使總電流 I 達(dá)到 1AK。 三基本應(yīng)用電路 圖 3-8 是 AD590 用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因為流過 AD590 的電 流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻 R1和電位器 R2的電阻之和為 1k 時，輸出電壓 V0隨溫度的變化為 1mV/K。但由于 AD590 的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應(yīng) 對電路進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的方法為：把 AD590 放于冰水混合物中，調(diào)整電位器 R2， 使 V0=273.2+25=298.2（mV） 。但這樣調(diào)整只保證在 0或 25附近有較高的精度。 11 圖 3-5 AD590 應(yīng)用電路 四攝氏溫度測量電路 如圖 3-5 所示，電位器 R2用于調(diào)整零點(diǎn)，R4用于調(diào)整運(yùn)放 LF355 的增益。調(diào) 整方法如下：在 0時調(diào)整 R2，使輸出 V0=0，然后在 100時調(diào)整 R4使 V0=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至 0時，V0=0mV，100時 V0=100mV 為止。最 后在室溫下進(jìn)行校驗。例如，若室溫為 25，那么 V0應(yīng)為 25mV。冰水混合物是 0環(huán)境，沸水為 100環(huán)境。 五.多路檢測信號的實現(xiàn) 本設(shè)計系統(tǒng)為八路的溫度信號采集，而 MC14433 僅為一路輸入，故采用 CD4051 組成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖 3-6 所示 圖 3-6 八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口 12 3.1.2 濕度傳感器濕度傳感器 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分 后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。 電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、 電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測量的。下面 介紹 HS1100/HS1101 濕度 傳感器及其應(yīng)用。 一、特點(diǎn) 不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計 的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品， 適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自 動裝配過程等。 圖 3-7a 為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖 3-7b 為濕度-電容響應(yīng)曲線。 圖 3-7a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍 圖 3-7b、濕度-電容響應(yīng)曲線 13 相對濕度在 1%-100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 16pF 變到 200pF，其誤差不大于 2%RH；響應(yīng)時間小于 5S；溫度系數(shù)為 0.04 pF/?？梢娋仁禽^高的。 二、濕度測量電路 HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量 隨著所測空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)易于 接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)方與租蓉組成的橋式振蕩 電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 另一種是將該濕敏電容置于 555 振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的 電壓頻率信號，可直接被計算機(jī)所采集 頻率輸出的 555 測量振蕩電路如圖 3-7 所示。集成定時器 555 芯片外接電阻 R4、R2 與濕敏電容 C，構(gòu)成了對 C 的充電回路。7 端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地 短路又構(gòu)成了對 C 的放電回路，并將引腳 2、6 端相連引入到片內(nèi)比較器，便成 為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，R3 是防止輸出短路的保護(hù)電 阻，R1 用于平衡溫度系數(shù)。 圖 3-7、頻率輸出的 555 振蕩電路 該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源 Vs 通過 R4、R2 向 C 充電， 經(jīng) t 充電時間后，Uc 達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約 0.67Vs，此時輸出引 腳 3 端由高電平突降為低電平，然后通過 R2 放電，經(jīng) t 放電時間后，Uc 下降到 比較器的低觸發(fā)電平，約 0.33Vs 此時輸出，此時輸出引腳 3 端又由低電平突降 14 為高電平，如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時間為 t 充電=C（R4+R2）Ln2 t 放電=CR2 Ln2 因而，輸出的方波頻率為 f=1/(t 放電+t 充電)=1/ C（R4+R2）Ln2 可見，空氣濕度通過 555 測量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，表 3-1 給出 了其中的一組典型測試值。 15 表 3-1、空氣濕度與電壓頻率的典型值 三、多路檢測信號的實現(xiàn) 本設(shè)計系統(tǒng)為八路的濕度信號采集，故采用 CD4051 組成多路分時的模擬量 信號采集電路，其硬件接口如圖 3-8 所示 圖 3-8 八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口 16 3.1.3 多路開關(guān)多路開關(guān) 多路開關(guān)，有稱“多路模擬轉(zhuǎn)換器” 。多路開關(guān)通常有 n 個模擬量輸入通道 和一個公共的模擬輸入端，并通過地址線上不同的地址信號把 n 個通道中任一通 道輸入的模擬信號輸出，實現(xiàn)有 n 線到一線的接通功能。反之，當(dāng)模擬信號有公 共輸出端輸入時 ，作為信號分離器，實現(xiàn)了 1 線到 n 線的分離功能。因此，多 路開關(guān)通常是一種具有雙向能力的器件。 在本設(shè)計中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號采集中將有兩個模擬 量被提取，這時選用多路開關(guān)就是很必要的。 本文選用的是 CD4051 多路開關(guān)，它是一種單片、COMS、8 通道開關(guān)。該芯片 由 DTL/TTL-COMS 電平轉(zhuǎn)換器，帶有禁止端的 8 選 1 譯碼器輸入，分別加上控制 的 8 個 COMS 模擬開關(guān) TG 組成。CD4051 的內(nèi)部原理框圖如圖 3-9 所示。 圖 3-9、CD4051 的內(nèi)部原理框圖 圖中功能如下： 通道線 IN/OUT（4、2、5、1、12、15、14、13）：該組引腳作為輸入時，可 實現(xiàn) 8 選 1 功能，作為輸出時，可實現(xiàn) 1 分 8 功能。 17 XCOM（3）：該引腳作為輸出時，則為公共輸出端；作為輸入時，則為輸入 端。 A、B、C（11、10、9）：地址引腳 INH（6）：禁止輸入引腳。若 INH 為高電平，則為禁止各通道和輸出端 OUT/IN 接至；若 INH 為低電平，則允許各通道按表 3-2 關(guān)系和輸出段 OUT/IN 接 通。VDD（16）和 VSS（8）：VDD為正電源輸入端，極限值為 17V；VSS為負(fù)電源輸 入端，極限值為-17V。 VGG（7） ；電平轉(zhuǎn)換器電源，通常接+5V 或-5V。 CD4051 作為 8 選 1 功能時，若 A、B、C 均為邏輯“0” （INH=0） ，則地址碼 00013 經(jīng)譯碼后使輸出端 OUT/IN 和通道 0 接通。其它情況下，輸出端 OUT/IN 輸 出端 OUT/IN 和各通道的接通關(guān)系如下 表 3-2 輸入狀態(tài)輸入狀態(tài) INHCBA 接通 通道 INHCBA 接通 通道 0000001015 0001101106 0010201117 001131xxx 均不顯示 01004 3.2 信號分析信號分析與處理與處理 3.2.1 A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 一A/D 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn) 為了把溫度、濕度檢測電路測出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送 CPU 處理，本系 統(tǒng)選用了雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433，它精度高，分辨率達(dá) 1/1999。由于 MC14433 只有一路輸入，而本系統(tǒng)檢測的多路溫度與濕度信號輸入，故選用多路 18 選擇電子開關(guān)，可輸入多路模擬量。 MC14433 A/D 轉(zhuǎn)換器 由于雙積分方法二次積分時間比較長，所以 A/D 轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做 得比較高；對周期信號變化的干擾信號積分為零，抗干擾性能也比較好。 目前，國內(nèi)外雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器集成電路芯片很多，大部分是用于數(shù)字測量 儀器上。常用的有 3.5 位雙積分 A/D 裝換器 MC14433 和 4.5 位雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7135 二MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器件簡介 MC14433 是三位半雙積分型的 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有精度高，抗干擾性能好的優(yōu) 點(diǎn)，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率低，約 110 次/秒。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場合，例如， 在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛采用。MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器與國內(nèi)產(chǎn)品 5G14433 完 全相同，可以互換。 MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器的被轉(zhuǎn)換電壓量程為 199.9mV 或 1.999V。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù) 以 BCD 碼的形式分四次送出（最高位輸出內(nèi)容特殊，詳見表 3-3） 。 圖 3-10 MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部邏輯框圖 19 圖 3-11 MC14433 引腳圖 MC14433 的框圖（圖 3-10）和引腳（圖 3-11）功能說明 各引腳的功能如下： 電源及共地端 VDD： 主工作電源+5V。 VEE: 模擬部分的負(fù)電源端，接-5V。 VAG： 模擬地端。 VSS： 數(shù)字地端。 VR： 基準(zhǔn)電壓。 外界電阻及電容端 RI： 積分電阻輸入端，VX=2V 時，R1=470；VX=200Mv 時，R1=27K。 C1： 積分電容輸入端。C1 一般為 0.1F。 C01、C02： 外界補(bǔ)償電容端，電容取值約 0.1F。 R1/C1： R1 與 C1 的公共端。 CLKI、CLKO ： 外界振蕩器時鐘調(diào)節(jié)電阻 Rc，Rc 一般取 470 K 左右。 轉(zhuǎn)換啟動/結(jié)束信號端 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，正脈沖有效。 DU： 啟動新的轉(zhuǎn)換，若 DU 與 EOC 相連，每當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動啟動 新的轉(zhuǎn)換。 過量程信號輸出端 20 /OR ： 當(dāng)|Vx|VR，過量程/OR 輸出低電平。 位選通控制線 DS4-DS1： 選擇個、十、百、千位，正脈沖有效。 DS1 對應(yīng)千位，DS4 對應(yīng)個位。每個選通脈沖寬度為 18 個時鐘周期，兩個 相應(yīng)脈沖之間間隔為 2 個時鐘周期。 圖 3-12 MC14433 選通脈沖時序圖 BCD 碼輸出線 Q0-Q3： BCD 碼輸出線。其中 Q0 為最低位，Q3 為最高位。當(dāng) DS2、DS3 和 DS4 選通期間，輸出三位完整的 BCD 碼數(shù)，但在 DS1 選通期間，輸出端 Q0- -Q3 除了表示個位的 0 或 1 外，還表示了轉(zhuǎn)化值的正負(fù)極性和欠量程還是過量 程其含意見表 3-3 表 3-3、DS1 選通時 Q3Q0 表示的結(jié)果 由表可知 Q3 表示 1/2 位，Q3=“0”對應(yīng) 1，反之對應(yīng) 0。 21 Q2 表示極性，Q2=“1”為正極性，反之為負(fù)極性。 Q0=“1”表示超量程：當(dāng) Q3=“0”時，表示過量程；當(dāng) Q3=“1” 時，表示欠量程； 一MC14433 與 8031 單片機(jī)的接口設(shè)計 由于 MC14433 的 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果是動態(tài)分時輸出的 BCD 碼，Q0Q3HE DS1DS4 都不是總線式的。因此，MCS-51 單片機(jī)只能通過并行 I/O 接口或擴(kuò)展 I/O 接口與其相連。對于 8031 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)來說，MC14433 可以直接和其 P1 口或擴(kuò)展 I/O 口 8155/8255 相連。下面是 MC14433 與 8031 單片機(jī) P1 口直接相連 的硬件接口，接口電路如圖 3-13 所示 圖 3-13 MC14433 與 8031 單片機(jī) P1 口直接相連的硬件接口 3.2.2 單片機(jī)單片機(jī) 8031 為了設(shè)計此系統(tǒng)，我們采用了 8031 單片機(jī)作為控制芯片，在前向通道中是 一個非電信號的電量采集過程。它由傳感器采集非電信號，從傳感器出來經(jīng)過功 率放大過程，使信號放大，再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為計算機(jī)能識別的數(shù)字信號，再 送入計算機(jī)系統(tǒng)的相應(yīng)端口。 由于 8031 中無片內(nèi) ROM，且數(shù)據(jù)存儲器也不能滿足要求， ，經(jīng)擴(kuò)展 2762 和 22 6264 來達(dá)到存儲器的要求，其結(jié)果通過顯示器來進(jìn)行顯示輸出。 3.2.2.1 8031 的片內(nèi)結(jié)構(gòu)的片內(nèi)結(jié)構(gòu) 8031 是有 8 個部件組成，即 CPU，時鐘電路，數(shù)據(jù)存儲器，并行口 （P0P3）串行口，定時計數(shù)器和中斷系統(tǒng)，它們均由單一總線連接并被集成在 一塊半導(dǎo)體芯片上，即組成了單片微型計算機(jī)， 8031 就是 MCS-51 系列單片機(jī)中的一種。 圖 3-14 8031 基本組成 CPU 中央處理器： 中央處理器是 8031 的核心，它的功能是產(chǎn)生控制信號，把數(shù)據(jù)從存儲器或 輸入口送到 CPU 或 CPU 數(shù)據(jù)寫入存儲器或送到輸出端口。還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯 和算術(shù)的運(yùn)算。 時鐘電路： 8031 內(nèi)部有一個頻率最大為 12MHZ 的時鐘電路，它為單片機(jī)產(chǎn)生時鐘序列， 需要外接石英晶體做振蕩器和微調(diào)電容。 內(nèi)存： 內(nèi)部存儲器可分做程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，但在 8031 中無片內(nèi)程序存儲 器 。 定時/計數(shù)器： 8031 有兩個 16 位的定時/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設(shè)置成定時的 23 方式和計數(shù)的方式，但只能用其中的一個功能，以定時或計數(shù)結(jié)果對計算機(jī)進(jìn)行 控制。 并行 I/O 口： MCS-51 有四個 8 位的并行 I/O 口，P0，P1，P2，P3，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出。 串行口： 它有一個全雙工的串行口，它可以實現(xiàn)計算機(jī)間或單片機(jī)同其它外設(shè)之間的 通信，該并行口功能較強(qiáng)，可以做為全雙工異步通訊的收發(fā)器也可以作為同步移 位器用。 中斷控制系統(tǒng)： 8031 有五個中斷源，既外部中斷兩個，定時計數(shù)中斷兩個，串行中斷一個， 全部的中斷分為高和低的兩個輸出級。 3.2.2.2 8031 的引腳的引腳圖圖 圖 3-15 8031 引腳圖 8031 的制作工藝為 HMOS，采用 40 管腳雙列直插 DIP 封裝，引腳說明如下： VCC（40 引腳）正常運(yùn)行時提供電源。 24 VSS（20 引腳）接地。 XTAL1（19 引腳）在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反向放大器的輸入端，該放大器 構(gòu)成了片內(nèi)的震蕩器，可以提供單片機(jī)的時鐘信號，該引腳也是可以接外部的晶 振的一個引腳，如采用外部振蕩器時，對于 8031 而言此引腳應(yīng)該接地。 XTAL2（18 引腳）在內(nèi)部，接至上述振蕩器的反向輸入端，當(dāng)采用外部振蕩 器時， 對 MCS51 系列該引腳接收外部震蕩信號，即把該信號直接接到內(nèi)部時鐘 的輸入端。 RST/VPD（9 引腳）在振蕩器運(yùn)行時，在此引腳加上兩個機(jī)器周期的電平將單 片機(jī)復(fù)位，復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平保持不高于 0.5V 的低電平以保證 8031 正常工 作。在掉電時，此引腳接備用電源 VDD，以保持 RAM 數(shù)據(jù)不丟失，當(dāng) BVCC 低于規(guī) 定的值時，而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時，VPD 就向內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器提供備用 電源。 ALE/PROG（30 引腳）當(dāng) 8031 訪問外部存儲器時，包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存 儲器，ALE9 地址鎖存允許 0 輸入的脈沖的下沿用于鎖存 16 位地址的低 8 位，在 不訪問外部存儲器的時候，ALE 仍有兩個周期的正脈沖輸出，其頻率為振蕩器的 頻率的 1/6，在訪問外存儲器的是候，在兩個周期中，ALE 只出現(xiàn)一次，ALE 斷可 驅(qū)動 8 個 LS TTL 負(fù)載，對于有片內(nèi) EPROM 的而言，在 EPROM 編程期間，此腳用 于輸入編程脈沖 PROG。 （29 引腳）此腳輸出為 單片機(jī)內(nèi)訪問外部程序存儲器的讀選通信號， 在讀取外部指令期間， PSEN 非有兩次在每個周期有效，在此期間，每當(dāng)訪問外 部存儲器時，兩個有效的 PSEN 非將不再出現(xiàn)，同樣這個引腳可驅(qū)動 8 個 LSTTL 負(fù)載。 /VPP（31 引腳）當(dāng)保持高電平時，單片機(jī)訪問內(nèi)部存儲器，當(dāng) PC 值 超過 0FFFH 時，將自動轉(zhuǎn)向片外存儲器。當(dāng)保持低電平時，則只訪問外部程序 存儲器，對 8031 而言，此腳必須接地。 P0，P1，P2，P3：8031 有四個并行口，在這四個并行口中，可以在任何一個 輸出數(shù)據(jù)，又可以從它們那得到數(shù)據(jù)，故它們都是雙向的，每一個 I/O 口內(nèi)部都 25 有一個 8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和一個 8 位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，各成為 SFR 中的一個， 因此 CPU 數(shù)據(jù)從并行 I/O 口輸出時可以得到鎖存，數(shù)據(jù)輸入時可以得到緩沖，但 他們在功能和用途上的差異很大，P0 和 P2 口內(nèi)部均有個受控制器控制的二選一 選擇電路，故它們除可以用做通用 I/O 口以外還具有特殊的功能，P0 口通常用做 通用 I/O 口為 CPU 傳送數(shù)據(jù)，P2 口除了可以用做通用口以外，還具有第一功能， 除 P0 口以外其余三個都是準(zhǔn)雙向口。 8031 有一個全雙工串行口，這個串行口既可以在程序下把 CPU 的 8 位并行數(shù) 據(jù)變成串行數(shù)據(jù)一位一位的從發(fā)送數(shù)據(jù)線發(fā)送出去，也可以把串行數(shù)據(jù)接受進(jìn)來 變成并行數(shù)據(jù)給 CPU，而且這種串行發(fā)送和接收可以單獨(dú)進(jìn)行也可以同時進(jìn)行。 8031 的 串行發(fā)送和接收利用了 P3 口的第二功能，利用 P3.1 做串行數(shù)據(jù)接 收線，串行接口的電路結(jié)構(gòu)還包括了串行口控制寄存器 SCON，電源及波特率選擇 寄存器 PCON 和串行緩沖寄存器 SBUF，他們都屬于 SFR，PCON 和 SCON 用于設(shè)置串 行口工作方式和確定數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，SBUF 用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)起到緩沖的作 用。 3.2.2.3 8031 程序存儲器程序存儲器 MCS-51 系列單片機(jī)的內(nèi)部 ROM 是不同的，8051 有 4K 的 ROM，而 8751 則是 4K 光可擦寫 EPROM，而我們所采用的 8031 則沒有片內(nèi)的 ROM，但是無論那種型號 的芯片都可以在片外擴(kuò)展多達(dá) 64K 的片外程序存儲器，外部程序存儲器擴(kuò)展的大 小以滿足系統(tǒng)要求即可，或有特殊要求或為了以后升級方便采用大容量的片外程 序存儲器。當(dāng)外接程序存儲器的時候，單片機(jī)通過 P2 口和 P0 口輸出 16 位的地 址，即可尋址的外部程序存儲器單元的地址，使用 ALE 作為低 8 位地址鎖存器信 號，再由 P0 口讀回指令的代碼，用 PSEN 非作為外部程序存儲器的選通信號。 單片機(jī)有一個程序計數(shù)器 PC，它始終存著 CPU 要讀取的機(jī)器碼的所在地址， 單片機(jī)工作時，PC 自動加一，此時程序開始順序執(zhí)行，因為單片機(jī)程序 訪問空 間是 64K，故需要 16 條地址線，當(dāng)接“0”則 8031 在片外程序存儲器中讀取 指令，此時片外程序存儲器從 0000H 開始編址，因為 8031 無片內(nèi)程序存儲器， 26 故在此系統(tǒng)中必須接地使 CPU 到外部 ROM 中去尋址。 在程序存儲器中有六個單元有特定的含義： 0000H 單元：單片機(jī)復(fù)位后，PC=0000H 即從此處開始執(zhí)行指令。 0003H 單元：外部中斷 0 入口地址。 000BH 單元：定時器 0 溢出中斷入口地址。 0013H 單元：外部中斷 1 入口地址。 001BH 單元：定時器溢出中斷入口地址。 0023H 單元：串行口中斷入口地址。 使用時常在這些入口外安放一條絕對跳轉(zhuǎn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到擁護(hù)安排的中 斷處理程序的起始地址，或從 0000H 外執(zhí)行一跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到用戶設(shè)計的初始 程序入口。 3.2.2.4 8031 數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器用于存放運(yùn)算中間的結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存、緩沖、標(biāo)志位、待測程序 等功能。 片內(nèi)的 128B 的 RAM 地址為 00H7FH，供用戶做 RAM 用，但是在這中間的前 32 單元，00H1FH 即引用地址尋址做用戶 RAM 用，常常做工作寄存器區(qū)，分做 四組，每組由 8 個單元組成通用寄存器 R0R7，任何時候都由其中一組作為當(dāng)前 工作寄存器，通過 RS0，RS1 的內(nèi)容來決定選擇哪一個工作寄存器。 低 128 字節(jié)中的 20H2FH 共 16 字節(jié)可用位尋址方式訪問各位，共 128 個位 地址，30H7FH 共 80 個單元為用戶 RAM 區(qū)，作堆?；驍?shù)據(jù)緩沖用，片內(nèi) RAM 不 夠用時，須擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲器。此時單片機(jī)通過 P2 口和 P0 口選出 6 位地址， 使用 ALE 作低 8 位的鎖存信號，再由 P0 口寫入或讀出數(shù)據(jù)。寫時用，讀時用 做外部數(shù)據(jù)存儲器的選通信號 3.2.2.5 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 SFR 8031 有 21 個專用寄存器，他們是用來管理 CPU 和 I/O 口以及內(nèi)部邏輯部件 的，在指令中專用寄存器是以存儲單元方式被讀寫的，專用寄存器雖有名稱，但 27 尋址時都做專用寄存器用，它們的地址是與片內(nèi) RAM 的地址相連的。下面就專用 寄存器作以簡單的介紹： 累加器 A：在絕大多數(shù)情況下它參與運(yùn)算的一方并存放運(yùn)算的結(jié)果。 寄存器 B：進(jìn)行乘除運(yùn)算時，寄存器 B 有特定的用途，在乘時存放一個乘數(shù) 以及積的最高位，A 中存放另一個乘數(shù)以及積的低位。除法時，B 中存放除數(shù)及 余數(shù)，而在