畢業(yè)設計論文基于單片機的濕度測量控制儀設計

1、濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- i -摘 要本設計為一種以 at89c51 單片機和 hs1101 濕度傳感器為核心的濕度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時檢測濕度值顯示出來并可以進行控制。硬件電路主要包括 at89c51單片機最小系統(tǒng)，測濕電路、時鐘電路、數(shù)碼顯示電路、鍵盤處理電路以及控制電路等,本機選擇高精度的 hs1101 電容式濕度傳感器，當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，濕度傳感器的電容隨著濕度的變化而變化，然后將變化的電容通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為與之對應變化的頻率，頻率經(jīng)過光耦電路消除雜波后送入到單片機中，單片機對采集到的信號進行運算并通過查表得到相應的濕度值，之后通過單片機的外部接口電路顯示該濕度值。本機可以通

2、過鍵盤設定濕度值，中央控制系統(tǒng)將設定值與檢測值進行比較，檢測值低于設定值的話，控制系統(tǒng)就會通過繼電器接通電路進行加濕。與傳統(tǒng)的測試方法相比，本濕度控制系統(tǒng)具有可靠性高、精度高、性價比高等優(yōu)點。適合濕度的自動測量和控制，使設備和系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)、生活的高效、舒適。關鍵詞：單片機；濕度；自動控制；hs1101濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- ii -abstractin this paper the design is based on at89c51 mcu and hs1101 humidity sensor as the core of the humidity control s

3、ystem. the system can real-time detect the humidity values are displayed and can be controlled. the hardware circuit mainly includes at89c51 minimum system microcontroller, humidity measurement circuit, clock circuit, digital display circuit, keyboard circuit and control circuit etc., the selection

4、of hs1101 capacitive humidity sensor with high accuracy, when the environmental temperature changes, capacitive humidity sensor varies with humidity changes, then the change in capacitance through the corresponding conversion circuit for converting and changing frequency, frequency through the optoc

5、oupler circuits eliminate clutter into to the mcu, signal microcontroller acquisition of the operation and the look-up table to obtain the corresponding humidity, the humidity value is displayed through the external interface circuit of scm. the humidity value can be set through the keyboard, centra

6、l control system will set the value was compared with test value, the value is lower than the set value of detection, control system will be connected to the circuit by the relay. compared with the conventional testing method, the humidity control system has high reliability, high precision, high co

7、st-effective advantages. automatic measurement and control for the humidity, the equipment and the system run in the best condition, in order to ensure the production, efficient, comfortable life. key words： scm；humidity；automatic control；hs1101濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- iii -目 錄摘要. .iabstract.ii1 前言.11.1 國內(nèi)外研究.

8、11.2 研究目的及意義.11.3 設計內(nèi)容.22 硬件電路設計原理和結構.32.1 硬件電路總體設計.32.2 硬件電路單元設計原理和結構.32.2.1 單片機時鐘電路.32.2.2 單片機復位電路.42.2.3 數(shù)據(jù)采集單元.52.2.4 按鍵單元.92.2.5 數(shù)碼顯示單元.102.2.6 控制單元.122.3 整機電路.122.3.1 整機電路圖.132.3.2 整機電路 pcb 板圖.143 軟件系統(tǒng)設計.153.1 軟件系統(tǒng)整體設計.153.2 軟件系統(tǒng)子程序流程圖.163.2.1 數(shù)據(jù)采集子程序流程圖.163.2.2 按鍵處理子程序流程圖.173.2.3 數(shù)碼管顯示子程序流程圖.

9、173.2.4 控制子程序流程圖.184 誤差分析. .205 使用說明書. .21結論.22參考文獻.23致謝.24附錄. . . . .25濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 1 -1 前言1.1 國內(nèi)外研究濕度測量技術的發(fā)展已有 200 多年了，人們偶然發(fā)現(xiàn)了人的頭發(fā)隨空氣的濕度變化而變短的現(xiàn)象，并由此制成了毛發(fā)濕度計。但是人們對于濕度傳感器的認識，是從 1938 年美國科學家研制的氯化鋰濕敏元件開始的。濕度測量和控制技術控的發(fā)展大體經(jīng)歷了三個時期：分立式的濕度測量時代；模擬集成濕度傳感器時代；智能濕度傳感器時代。半導體濕敏元件和電阻濕度計，都屬于分立式的濕度測量元件，凡是使用這些元器件測量濕度

10、的方法，都稱為分立式的濕度測量技術。同時，隨著傳統(tǒng)的電容濕度計和電阻濕度計的出現(xiàn)，濕度測量技術得到了較大的發(fā)展。但是在此類測量濕度的方法中，元器件不能達到單獨完成測量濕度的功能，還需要配上各種儀表，才可以完成濕度測量和控制的功能。其主要缺點就是電路十分復雜、體積較大、測量不夠精確，使用起來不是很方便。所以，分立式濕度測量技術在科學技術快速發(fā)展的今天逐漸被淘汰。隨著集成電路技術的快速發(fā)展，采用硅半導體工藝制成的濕度傳感器也隨之出現(xiàn)，它將濕度傳感器的電路集中在一小塊硅片上、基本能夠單獨實現(xiàn)濕度的測量和模擬信號的輸出功能，它是最簡單的一種集成濕度傳感器。這種集成式的濕度傳感器在室內(nèi)濕度測量和控制系統(tǒng)

11、中，外圍電路相對簡單，所以這種濕度的測控方法現(xiàn)在仍被廣泛應用。智能傳感器是未來測量技術發(fā)展的方向之一，智能傳感器是將微電子、計算機和自動控制等技術結合在一起構成的。未來的濕度控制儀也是以智能濕度傳感器為基礎進行開發(fā)的。可以成為未來智能化的濕度控制系統(tǒng)的一部分。目前，許多較大的外國公司都十分重視濕度傳感器的研制工作，例如，日本的figaro 公司、瑞典的某些公司等，都在傳感器的開發(fā)和完善方面投入了巨大精力。在九十年代末，先后出現(xiàn)了大量的集成式濕度測量套件，新技術的產(chǎn)生大大促進了傳感器的發(fā)展。 國內(nèi)許多公司也認識到了這一點，在傳感器的研發(fā)上不遺余力的努力前進。例如，通過傳統(tǒng)電子儀器研發(fā)的多種動態(tài)測

12、試系統(tǒng)、氣體傳感器智能測試系統(tǒng)等等，這都體現(xiàn)了我國在傳感器領域取得的進步。隨著科技的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的濕度控制技術在穩(wěn)定性和精確性等方面已經(jīng)無法滿足當前市場的需求，因此，需要開發(fā)出新的技術。1.2 研究目的及意義濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 2 -在現(xiàn)代社會中，人們的生產(chǎn)生活等各方面都對環(huán)境濕度提出了較高的的要求，比如我們常見的電子設備、工廠產(chǎn)品的加工環(huán)、生物制藥和食品生產(chǎn)等行業(yè)，這些行業(yè)生產(chǎn)品的過程都對環(huán)境濕度要求非常嚴格，經(jīng)常要對空氣的濕度進行測量和控制。對他們來說準確的濕度是至關重要的。在我們的日常生活中，濕度也影響著每一個人的健康，高濕環(huán)境容易使人增加散熱量、會破壞人體的熱蒸發(fā)機能，產(chǎn)生熱

13、疲勞?？諝鉂穸雀哂?70%rh 時為高氣濕，人將感到不適；空氣濕度低于 30%rh 時為低氣濕，人將會感到口鼻比較干燥；最令人感到舒適的濕度為 40%60%rh。綜上所述，無論是從人體健康的角度來看還是從元器件使用和保養(yǎng)的角度上看，濕度測控的意義和重要性都是非常重大的。1.3 設計內(nèi)容本設計是一個基于 at89c51 單片機的濕度控制儀的設計，采用數(shù)字化電路的設計方法，以單片機為核心配有傳感器和控制器等外設，通過內(nèi)部程序判斷濕度是否滿足要求并作出相應的控制。本機的核心是對濕度測量方式的設計，本機采用的濕度測量方法是選擇高精度的電容式濕度傳感器，當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，濕度傳感器的電容隨著濕度的變

14、化而變化，變化的電容通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為與之對應變化的電壓頻率。然后，頻率經(jīng)過消除雜波后送入到單片機中，單片機對輸入的頻率的信號進行運算得出頻率值并通過查表得到相應的濕度值。通過單片機的 i/o 口連接外部電路顯示出濕度值。本機可以通過鍵盤設定濕度值，中央控制系統(tǒng)將設定值與檢測值進行比較，檢測值低于設定值的話，控制系統(tǒng)就會通過繼電器接通電路進行加濕。本濕度控制儀的主要參數(shù)為控制方式：位式控制；測控范圍：1099% rh；顯示方式：2 位數(shù)碼顯示；測控精度：3%rh。濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 3 -2 硬件電路設計原理和結構2.1 硬件電路總體設計本機要實現(xiàn)的功能是：實時顯示目前環(huán)境空氣的濕度值

15、，并且用戶可以設定想要的濕度值，當環(huán)境濕度低于設定值時，系統(tǒng)會通過繼電器接通加濕電路對空氣加濕，否則，關閉加濕器。本方案以 at89c51 單片機系統(tǒng)作為核心電路加上外接設備，達到對濕度實時測量和控制的目的，本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元、按鍵單元、數(shù)碼顯示單元、控制單元組成。各單元能執(zhí)行單片機的指令，并能夠獨立完成各自的任務。單片機機負責指令的發(fā)送，同時對測量結果進行運算、顯示和對外接設備進行控制。系統(tǒng)總原理結構如圖 1 所示。單片機數(shù)據(jù)采集單元按鍵單元控制單元數(shù)碼顯示單元圖 2.1 系統(tǒng)總原理圖本設計由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理三個部分組成的。(1) 數(shù)據(jù)采集 由數(shù)據(jù)采集單元和按鍵單元組成；(

16、2) 數(shù)據(jù)分析 由 at89c51 單片機和時鐘電路，晶振電路組成；(3) 數(shù)據(jù)處理 由數(shù)碼顯示單元和控制單元組成。2.2 硬件電路單元設計原理和結構濕度控制系統(tǒng)通過傳感器采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送到單片機進行運算,然后與設定值進行比較進而實現(xiàn)加濕器的控制功能，按鍵用來對設定值進行設定，指示燈標志加濕器的工作狀態(tài)，顯示模塊用來顯示濕度值和設定值。濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 4 -2.2.1 單片機時鐘電路時鐘電路在單片機系統(tǒng)中是非常重要的，單片機的各個功能部件的運行都以時鐘頻率為基準。時鐘頻率的高低和單片機的速度快慢有直接的關系，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前，有兩種常用的時鐘電路方

17、式，一種是內(nèi)部的時鐘方式，一種是外部的時鐘方式。本機采用內(nèi)部時鐘方式，時鐘電路圖如圖2.2 所示。xtal2xtal112mhz30pf30pf圖 2.2 單片機時鐘電路圖在單片機內(nèi)部有一個用來構成振蕩器的反相放大器，該反相放大器的輸入端為xtal1 引腳，輸出端為 xtal2 引腳。這兩個引腳連接石英晶體振蕩器和電容，組成了一個自激振蕩器電路。電路中的電容 c1 和 c2 值選擇為 30pf。雖然對外接電容的大小沒有十分嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩器的頻率、起振的速度和時鐘電路的穩(wěn)定性。石英晶體的頻率越高，系統(tǒng)的時鐘頻率就會變得越高，單片機的運行速度也就會越快。2.2.2 單片機復位電

18、路在每一個單片機控制系統(tǒng)中都會有復位電路，復位電路的功能是強制單片機系統(tǒng)內(nèi)部各存儲器的值恢復到系統(tǒng)初始狀態(tài)的值，使系統(tǒng)重新從初始狀態(tài)開始工作。本復位電路如圖 2.3 所示。復位的原理是：復位電路中的電容在電源剛接通時，是沒有電的，接通電源后，5v 的電壓通過電阻對電容進行充電，電容的電壓由原來的 0v 慢慢的升到+4v 左右，其中的 rc 微分電路在上電的瞬間產(chǎn)生一個正脈沖，寬度不小于兩個機器周期，at89c51 單片機完成復位。正因為這樣，復位腳的電壓水平由低電位逐漸升到了高電位，引起單片機內(nèi)部電路的復位動作，之后，rst 端的電壓慢慢下降，降到一定電壓以下后，屬于低電平，單片機便開始正常工

19、作，這個過程就是是單片機的上電復位，也叫初始化。濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 5 -rest9p3.01011p3.112p3.2p0.7ea/vpale/progpsen32313029p1.01p1.123p1.24p1.3vccp0.0p0.1p0.240393837p1.45p1.567p1.68p1.7p0.3p0.4p0.5p0.636353433vcc18.2k10uf圖 2.3 單片機復位電路圖2.2.3 數(shù)據(jù)采集單元環(huán)境空氣數(shù)據(jù)測量中相對于其他參數(shù)，濕度是最難精確測量的參數(shù)之一。相對于溫度來講，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受許多的其他因素，比如大氣壓強、溫度等的影響。本設計中

20、選用了一種由獨特的工藝設計、價格較低廉、精度較高、線性輸出的 hs1101 型電容式濕度傳感器，能夠較好的完成對空氣濕度的測量工作。在本電路中將電容式濕度傳感器作為一個電容元件，其電容的值隨著空氣濕度的增大而逐漸增大。所以在本設計中需要將電容的變化量轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜃寙纹瑱C接收的電信號，因此，在本設計中提出了相對簡單的方案：基于 at89c51 單片機和 555 芯片的電容測量方案。該方案是根據(jù) 555 芯片的應用特點，將 hsll01 電容式濕度傳感器在電路中作為振蕩電容，在加上一些電阻組成多諧振蕩電路，輸出不同頻率的方波，從而完成濕度到頻率的轉(zhuǎn)換。再使用單片機測量輸出的頻率。hs1101 型濕度

21、傳感器采用固態(tài)聚合物的結構，具有可靠性較高、響應比較快和較好的穩(wěn)定性、并且具有不需校準的完全互換性等特點，電容隨著所測量的空氣濕度的增大而逐漸增大。hs1101 的實物照片如圖 2.4 所示。圖 2.4 hs1101 的物照圖濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 6 -hs1101 濕度傳感器的測量范圍為 0%-100%rh，電容的容量可由 160pf 增加到200pf，其中測量誤差小于2%rh，反應時間小于 5 秒，溫度系數(shù)為 0.04pf/?？梢娖渚仍谕惍a(chǎn)品中是比較高的。其電容狀態(tài)響應曲線如圖 2.5 所示。圖 2.5 hs1101 電容狀態(tài)響應曲線hs1101 的一些常用參數(shù)如表 2.1 所示

22、。表 2.1 hs1101 常用參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值單位符號工作溫度-40100儲存溫度-40125供電電壓1vac濕度范圍0100%rh焊接時間=26010s數(shù)據(jù)采集電路由電容式濕度傳感器、多諧振蕩器和光耦電路等組成，這里采用c/f 變換，電路如圖 2.6 所示。此電路由 555 非穩(wěn)態(tài)電路和光耦合電路構成，產(chǎn)生的頻率可直接送到單片機輸入口。電源電壓工作范圍是+3v+12v，主要使用一個 tlc555 定時器，定時器必須為 cmos，再加上 hs1101 電容和電阻 r2、r3、r4，r3 為輸出端的限流電阻，在電路中起短路保護的作用。濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 7 -r1 909ktlc55

23、5cv524673thrdctrr2 576kr4 49.9kcx hs1001r3 1kvcc1vcc11k圖 2.6 頻率采集電路圖工作原理：在本電路中，以 5v 交流電作為濕度傳感器 hs1101 的工作電源。多諧振蕩器只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。當電源接通瞬間，電容 cx 來不及充電，電壓 uc 低于vcc/3，rs 觸發(fā)器狀態(tài)置 1 輸出電壓 v3 為高電平，放電管 t 截止，電源 vcc 通過r2 與 r4 給電容 cx 充電。隨著電容 cx 充電過程的進行，uc 逐漸增高，但只要滿足條件 vcc/3uc2vcc/3，輸出電壓 v3 就會一直保持高電平不變，此時稱為第一個暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。電容 cx

24、 上的電壓 uc 繼續(xù)增加，當 uc 大于 2vcc/3 時，rs 觸發(fā)器狀態(tài)立即置0，輸出電壓 v3 從原來的高電平狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，放電管 t 立即導通飽和，此時電容 cx 通過電阻 r2 和放電管 t 放電。隨著電容 cx 放電的進行，其電壓 uc逐漸下降，但只要滿足條件 vcc/3uc2vcc/3，輸出電壓 v3 就會保持低電平狀態(tài)，此狀態(tài)稱為第二暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。當 uc 繼續(xù)下降，當 uc 下降到小于 vcc/3 時，rs 觸發(fā)器狀態(tài)立即置 1，輸出電壓 v3 又由低電平跳變變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，放電管 t 截止，電容 cx 又開始進行充電，周而復始地重復上述過程，輸出端便得到穩(wěn)定的方波脈

25、沖。其工作波形如圖 2.7 所示。濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 8 -圖 2.7 多諧振蕩器波形圖整個振蕩周期 t 為兩個暫穩(wěn)態(tài)時間之和，t=t1+t2。求得電容 cx 的充電時間t1 和放電時間 t2 分別用公式表示為 （2.1）124()ln2xtrr c （2.2）22ln2xtr c因此，振蕩周期 （2.3）1242ln2(2)tttrr c （2.4）42x11ln22ftrrc式中，f 為輸出頻率。 （2.5）12422trdtrr式中，d 為占空比。為了便于計算應盡量使占空比為 50%，則應該調(diào)節(jié) r2 的阻值使其遠小于 r4 的阻值，但不要低于最小值。實際上，在生產(chǎn)應用中，測量精

26、確度除了與濕度傳感器有關外，還與電路其他元件的選擇相關。為了減小溫度對本電路的影響，電阻應與傳感器的溫度系數(shù)相似，r1 數(shù)值應取為 1精度，且最大溫漂不超過 100ppm。由于不同型號的 555 芯片內(nèi)部的溫度補償電路不相同，為了保證在 55rh 時電路的輸出頻率能夠達到濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 9 -6660hz。r1、r2 與 555 選擇應參照下表：表 2.2 器件參數(shù)選擇表555r1r2tlc555909kk576ts555100nf523k75551732k549klmc5551238k562k實驗室測量得方波頻率值與相對濕度數(shù)據(jù)的對照表如 2.3 所示。表 2.3 頻率輸出典型參

27、數(shù)表rh0102030405060708090100fr73517224710069766853672866006468633061866033rh：百分比相對濕度，fr：頻率 hz頻率和濕度轉(zhuǎn)換公式 （2.6）36283551.1038 1.9368 103.0114 103.4403 10hzhzffrhrhrh式中，f55 為 55%rh 時的方波頻率，取值 6660hz。然后，通過單片機的運算將頻率值轉(zhuǎn)換為所對應濕度的值，得到的值即為所測量的濕度值。2.2.4 按鍵單元本機采用的按鍵電路圖如圖 2.8 所示。vcc1k1k2k310k3濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 10 -圖 2.8 按

28、鍵電路圖按鍵可以比較方便的實現(xiàn)人對機器的控制。在本機中我們可以設計不同的按鍵實現(xiàn)對本加濕儀的控制。我們所使用的鍵盤是多個按鍵的組合，按鍵是一種常用開關，正常狀態(tài)下，按鍵的兩個觸點處于斷開狀態(tài)，按下就是讓開關閉合，將電路接通。通常鍵盤組要分為編碼和非編碼兩種鍵盤，在實際設計中，會有專用的譯碼芯片對按鍵進行識別，分辨編碼和非編碼鍵盤的方式就是看鍵盤能不能產(chǎn)生鍵編號或鍵值，在大多數(shù)的單片機組成的電路系統(tǒng)中，用的最多的按鍵是非編碼鍵盤。在一般的獨立鍵盤中，在按鍵沒有按下的時候，輸出的是高電平，當按鍵按下去的時候，輸出的低電平。本機系統(tǒng)電路中所采用的是獨立式非編碼鍵盤，主要是因為此種按鍵電路硬件設計比較

29、簡單。為了完成預定值,系統(tǒng)中設置了 3 個按鍵 k1、k2、k3 ，作為設置濕度按鍵。k1 為設置鍵，也就是切換鍵。k2 設置為加一鍵，用來使設定的濕度下限值增大,當設定值增大到 99 時再返回 0 開始增加。k3 設置為保存鍵，按下該鍵后，系統(tǒng)會將之前設置的濕度的下限值保存起來。操作方式為：當設置鍵 k1 被按下時,數(shù)碼管顯示設置濕度的下限，并且處于可調(diào)狀態(tài)，按 k2 鍵使該值加 1，當值符合要求后，按下 k3 鍵，系統(tǒng)將進入實時測控狀態(tài)，數(shù)碼管顯示當前的濕度值。2.2.5 數(shù)碼顯示單元顯示裝置采用七段數(shù)碼管，數(shù)碼管是電子設計中使用的十分普遍的一種顯示設備，每個數(shù)碼管均由 7 個發(fā)光二極管按

30、照一定的排列順序構成，目前使用的數(shù)碼管中根據(jù)二極管的正負極的連接方式，分為共陰極數(shù)碼管、共陽極數(shù)碼管兩種，共陽極數(shù)碼管就是將那些二極管的陽極共同接到一塊形成同一個陽極的數(shù)碼管，共陽極數(shù)碼管在應用時將公共極接到電源端。共陰極數(shù)碼管就是指那些將二極管的陰極連接到一起的數(shù)碼管，從整體上看他們使用同一個陰極的數(shù)碼管，共陰極的數(shù)碼管在實際使用時要將陰極極接到地線上，不同的數(shù)碼管，使用時在程序設計上有一些的差別。數(shù)碼管顯示的內(nèi)容相對比較直觀，一位數(shù)碼管可以顯示從 0 到 9 中的任意一個數(shù)字，多個數(shù)碼管就可以顯示多個數(shù)字，在顯示位數(shù)比較少的設計電路中，在實際得到產(chǎn)品設計構成中程序的編寫和整體電路系統(tǒng)的設計

31、都比較簡單。本系統(tǒng)數(shù)碼顯示單元顯示設備主要是采用共陽極數(shù)的碼管，用來顯示濕度值。本設計采用 74ls164 驅(qū)動 4 位 led 顯示的動態(tài)掃描驅(qū)動方式。74ls164 串入并出的特點大大節(jié)省了單片機的 i/o，也使功耗降低。每一位數(shù)碼管都由一個 74ls164 芯片控制，后一位 74ls164 的串行數(shù)據(jù)輸入端與前一級 74ls164 的最后一個并行輸出端相連，這樣就可以控制兩個數(shù)碼管。濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 11 -本機使用的數(shù)碼顯示電路如圖 2.9 所示。2207 vcc1abcdvccefgvcc1abcdvccefga1b2vccqaqbqc14131211clr3qd10clk

32、4gnd5qeqfqgqh987674ls164vcc1clr3qd1074ls164a1b2vccqaqbqc14131211clk4gnd5qeqfqgqh98762207 vcc1圖 2.9 數(shù)碼顯示電路圖74ls164 是 8 位串入和并出的移位寄存器，其芯片引腳如圖 2.10 所示。圖 2.10 74ls164 芯片的外部引腳圖芯片引腳功能如下： a、b 的功能是：該引腳作為數(shù)據(jù)的串行輸入端輸入數(shù)據(jù)，其中每個輸入又可以當作其他輸入的有效輸入值。 clk 的功能是：時鐘信號，作為高電平時有效。 mr 的功能是：復位端，作為低電平時有效。 q0q7 的功能是：數(shù)據(jù)的并行輸出端。在實際的設

33、計應用構成中，大部分要將 a、b 端連在一起作為數(shù)據(jù)輸入的端口，濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 12 -clk 引腳一般情況下將作為時鐘端口使用。在進行數(shù)據(jù)串行輸入時，首先要將數(shù)據(jù)在 a、b 引腳端口準備好，應用時當 clk 端產(chǎn)生一個脈沖的上升沿則就會將一位數(shù)推送到 q0 位；與此同時，機器會準備好下一位數(shù)據(jù)，當 clk 引腳端再次產(chǎn)生脈沖的上升沿時，那么下一位數(shù)將會被推送到 q1 位，其他的數(shù)據(jù)的傳送同樣是這樣的方式按照順序從低位向高位緩慢移動。2.2.6 控制單元本機中，由單片機的 i/o 控輸出控制信號控制外部電路，單片機將采集到的數(shù)據(jù)進項運算，當機器測量到的濕度值低于我們設定的設定值時繼

34、電器就會發(fā)生動作，驅(qū)動固態(tài)繼電器的開關部分，接通主電路加濕器開始加濕。主動加濕的方法，加熱源不是用來加濕環(huán)境。因為加濕過程是獨立的溫度，所以它可以即使在低的溫度達到一個高的濕度水平，超聲波霧化器產(chǎn)生的濕度不會產(chǎn)生額外加熱的，適合加濕有限體積的環(huán)境如孵化器。術語霧化可以被定義為一種將液體變成霧氣的儀器，特別是在藥物治療使用時驅(qū)動電路與單片機的連接電路如圖 2.11 所示。vcc110k10kvcc22.5k圖 2.11 控制電路圖固態(tài)繼電器采用本設計選用的繼電器型號為：歐姆龍 g2rl-1a-cf-dc5，實物如圖 2.12 所示。圖 2.12 g2rl-1a-cf-dc5 實物圖g2rl-1a

35、-cf-dc5 繼電器屬性：觸點數(shù)量：1；操作線圈電壓：dc-5v；線圈電阻：62；額定負載：ac250v，10a；接點電流最大值：10a。濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 13 -2.3 整機電路本次的設計中我們采用了比較常用的 visio 作圖軟件，因為畫出來的圖比較干凈整潔，方便觀看，并且使用起來也很簡單。2.3.1 整機電路圖如圖 2.13 所示。濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 14 -r1 909ktlc555cv524673thrdctrr2 576kr4 49.9kcx hs1001r3 1kvcc1vcc11kp3.313p3.41415p3.516p3.6p2.7p2.6p2.5p2.

36、42827262517p2.32419p2.12218p2.22320p2.021p3.7at89c51vcc110k10kvcc22.5k10k3rest9p3.01011p3.112p3.2p0.7ea/vpale/progpsen32313029p1.01p1.123p1.24p1.3vccp0.0p0.1p0.240393837p1.45p1.567p1.68p1.7p0.3p0.4p0.5p0.636353433vcc18.2k10ufvcc1k1k2k32207 vcc1abcdvccefgvcc1abcdvccefga1b2vccqaqbqc14131211clr3qd10clk

37、4gnd5qeqfqgqh987674ls164vcc1clr3qd1074ls164a1b2vccqaqbqc14131211clk4gnd5qeqfqgqh98762207 vcc1gnd30pf12mhz30pfxtal2xtal1圖 2.13 整機電路圖2.3.2 整機電路 pcb 板圖pcb 電路板設計使用 proteus 設計軟件，proteus 軟件是英國的一家公司開發(fā)的濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 15 -eda 工具軟件。本機的設計中各元件的布局一般遵循以下幾個方面：1. 高頻元件之間的連線要短，易受干擾的元件不能離得太近；2. 重量太大的元件要用支架固定；3. 易發(fā)熱的元器件

38、要遠離熱敏元件；4. 電路中的可調(diào)元件在設計時要考慮到整機的結構；5. 預留出電路板的裝支架的安裝孔。本設計中的 pcb 板圖，如圖 2.16 所示。圖 2.16 pcb 版圖3 軟件系統(tǒng)設計濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 16 -3.1 軟件系統(tǒng)整體設計在任何一個單片機的系統(tǒng)中，硬件與軟件都是一體的。由根據(jù)硬件電路的不同，射線的功能也不同，所以需要每次都要編寫出相應的軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件程序的設計是根據(jù)硬件電路圖的連接狀況和要實現(xiàn)的的功能設計的。本機軟件系統(tǒng)設計采用了總分的結構，由主程序按照一定的順序調(diào)用子程序的設計方法，這樣的程序結構的好處就是便于程序的編寫和維護。本機的軟件系統(tǒng)程序主要是以下幾

39、個部分：主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、按鍵處理子程序、數(shù)碼顯示子程序和繼電器控制子程序。本機主程序流程如圖 3.1 所示。開始初始化按鍵處理子程序數(shù)據(jù)采集子程序數(shù)碼顯示子程序繼電器控制子程序圖 3.1 主程序流程圖3.2 軟件系統(tǒng)子程序流程圖整個程序的設計思路是：主程序以“查詢鍵盤采集濕度數(shù)據(jù)顯示濕度濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 17 -值繼電器控制”的順序循環(huán)調(diào)用子程序。主程序的主要功能是負責調(diào)用子程序，通過對各個子程序的調(diào)用來實現(xiàn)整個軟件系統(tǒng)。3.2.1 數(shù)據(jù)采集子程序流程圖當主程序進行到數(shù)據(jù)采集的時候就會發(fā)出調(diào)用本程序的指令，在本程序中主要是對輸入的方波頻率進行計數(shù)，通過單片機內(nèi)部的定時器和計數(shù)

40、器，定時一秒鐘的時間，查看在一秒鐘有多少個上升脈沖，并將其進行查表得出相應的濕度值。本子程序流程圖如圖 3.2 所示。yn開始將定時器、計數(shù)器初始化定時器是否到1秒？停止定時器和計數(shù)器讀出計數(shù)器的值運算得出濕度值返回圖 3.2 數(shù)據(jù)采集流程圖3.2.2 按鍵處理子程序流程圖當主程序發(fā)出調(diào)用本程序的指令時，計算機就會跳轉(zhuǎn)到本子程序執(zhí)行，首先饑濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 18 -檢測是否有按鍵按下，然后，通過程序辨別是不是設置鍵，如果是，則進行數(shù)據(jù)的處理，通過加一鍵對濕度的設定值進行修改。得到目標值后再按下保存鍵，保存數(shù)據(jù)。鍵盤掃描流程圖如圖 3.3 所示。開始按鍵處理設置鍵是否按下?返回保存鍵是

41、否按下？nyny圖 3.3 按鍵處理流程圖3.2.3 數(shù)碼顯示子程序流程圖當系統(tǒng)需要輸出當前濕度值時，主程序就會發(fā)出調(diào)用顯示子程序，程序首先會根據(jù)要顯示的數(shù)字，從數(shù)據(jù)表中取得對應的段碼，然后將段碼通過 i/o 口輸出，最終數(shù)碼管將濕度值顯示出來。如圖 3.4 所示。濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 19 -開始返回斷碼輸出結束？取段碼輸出段碼取段碼結束？nyyn圖 3.4 數(shù)碼顯示流程圖3.2.4 控制子程序流程圖當主程序發(fā)出調(diào)用控制子程序的指令時，程序會按照設計的流程運行。首先，取當前值和設定值，然后進行減法運算，單片機對結果進行判斷，若當前值低于設定值時，單片機就會輸出高電平，繼電器將加濕電路導

42、通，開始加濕。否則，單片機輸出低電平，加濕電路關斷。流程如圖 3.5 所示。濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 20 -yn開始將濕度值與設定值對比濕度值設定值？輸出高電平，繼電器閉合返回輸出低電平，繼電器斷開圖 3.5 繼電器控制流程圖4 誤差分析濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 21 -任何設計都有不完美的地方，本設計中也是有不足的地方，從外部來看是由于本機只采用了一個傳感器，所以會導致所測量的結果只代表某一小空間的環(huán)境濕度值，對大的環(huán)境濕度的測量會不太精確，這是由于本機的設計目的是對小空間進行濕度測控決定的，在此不做討論。從本機內(nèi)部來分析，測量誤差主要產(chǎn)生在三個方面，首先，是濕度傳感器本身的測量精度，

43、本機采用 hs1101 型電容式濕度傳感器，該傳感器的相對濕度值在 0%到 100%rh 范圍內(nèi)變化，傳感器的反應時間不大于5s，溫漂為每攝氏度變化 0.04pf，在同類產(chǎn)品中精度處于比較高的水平其誤差 1 不大于2%rh 可表示為 1=2%。第二，是頻率測量方面產(chǎn)生的誤差，本機采用 12m時鐘頻率和 16 位計數(shù)器，其主要測量方法是測量脈沖數(shù)量，主要是由于計數(shù)器只能進行整數(shù)計數(shù)而導致的誤差 2 不大于1%可表示為 2=1%。第三，是由于計算中，四舍五入產(chǎn)生的誤差 3，不大于0.5%，即 3=0.5%?？梢哉J為此三個誤差互不相關，則儀器的總誤差可用公式計算 （4.1）222123+=2可得=1

44、.62%，即本儀器總誤差為 1.62%，滿足設計要求。5 使用說明書本機設計為濕度測量控制儀，主要由基于 at89c51 單片機的控制系統(tǒng)和主動超濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 22 -聲波加濕器構成。在本機中，主要結構包括：單片機最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集部分、按鍵部分、顯示部分和控制部分構成。操作步驟：第一步，接通電源，并向水箱中加入適量的純凈水。本機使用220v，50hz 的交流電。第二步，通過鍵盤設定濕度值。濕度設定方式為先按下設置鍵，進入設置狀態(tài)，按下加一鍵，數(shù)碼管顯示從 00 開始加一，多次加一，直至加到預定的值。然后按下保存鍵。之后，加濕儀會檢測當前濕度值顯示出來，并在單片機內(nèi)部與設定值進行

45、對比，若當前濕度值低于設定值，加濕器就會噴出水霧對空氣進行加濕。直至達到設定的濕度值。第三步，不用時，請拔出電源，定時對水箱進行清理，保證霧化器正常工作。結 論經(jīng)過三個多月的努力，濕度控制儀的設計已經(jīng)基本完成。通過這次畢業(yè)設計，我掌握了一些實際的設計產(chǎn)品的基本方法和步驟：首先要，明確自己的設計是什么，第二，是要對市場現(xiàn)有的同類產(chǎn)品有一定的了解，看看別人是怎么做的有什么需要濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 23 -改進的，第三，是初步提出自己的設計方案。第四，是要對整個設計方案進行全面的論證并最終確立自己的設計方案，第五，就是進行硬件系統(tǒng)的設計，包括各種元件的選擇，和控制電路的設計，并繪制出整個系統(tǒng)的

46、總體電路圖。我們還需要進行軟件的編程設計，在本設計中選擇了主程序和子程序的結構模式，需要畫出主程序流程圖和各個子程序的基本流程圖，先要弄清楚各個子程序的功能，最后才可以對整個軟件系統(tǒng)進行編程。到此，這個濕度控制儀的設計基本完成。本文還設計了以 tlc555 芯片為核心的振蕩電路，該電路產(chǎn)生的方波的變化與電路中的電容的變化有線性關系，所以本設計通過檢測頻率的變化來測量電容值。而該電容型傳感器得到電容值與空氣濕度呈線性關系，所以本設計根據(jù)檢測的頻率來計算相對濕度。由于本人經(jīng)驗不足所以本機也存在許多不足之處，首先，是濕度傳感器受溫度的影響，說明書中的測量精度為在 25 攝氏度時的結果，在實際應用中會

47、有不同的溫度，雖然電路中采取了溫度補償措施，但測量結果仍然可能會不精確。其次，是在頻率測量和濕度轉(zhuǎn)換單元也可能會因為計算函數(shù)等人為原因?qū)е陆Y果出現(xiàn)一定的誤差，但是，總的來說，能滿足 3%的精度要求。并且，本機結構簡單，價格便宜，加上經(jīng)過優(yōu)化的程序，使得本機具有很高的智能化水平，在相同的價格上相對其他產(chǎn)品控制精度較高，在相同的精度水平上價格相對比較便宜，所以總的來講在市場上比較有競爭力。參 考 文 獻1 夏方林. 一種基于單片機 at89c51 的溫濕度控制儀的設計j. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 1999:32-342 陳貴銀. 單片機原理及接口技術m. 北京: 電子工業(yè)出版社, 20113 林海

48、軍, 滕召勝, 楊圣潔. 數(shù)字溫度傳感器自適應動態(tài)補償方法j. 儀器儀表學報, 2009：138-142濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 24 -4 張勃, 屈保中. 電容式濕度傳感器設計j. 傳感器技術 2004(9),57-585 李剛民. 單片機原理及實用技術m. 北京高等教育出版社 2005, 18-276 周國雄, 賴旭芝, 曹衛(wèi)華等. 焦爐集氣管壓力智能解耦控制系統(tǒng)的應用j. 中南大學學報, 2006(3):56-587 朱濱峰, 徐桂云, 李俊敏. 單片機在溫濕度測量系統(tǒng)中的應用j. 儀器儀表標準化與計量, 2006(5):44-468 朱亞東, 師帥兵, 胡磊. 谷物濕度測量系統(tǒng)的設

49、計j. 農(nóng)機化研究, 2009(4) : 87-899 王福瑞. 單片機微機測控系統(tǒng)設計大全m. 北京：北京航空航天大學出版社,199810 金偉正. 單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應用j. 儀表技術與傳感器, 2000(7):42-4311humirel.relative humidity sensor hs1101/hs1101 z. humirel. 200212hnatek. eugene r a users handbook of d/a and d/a converters. new york:wiley, 197613南建輝, 熊鳴, 王軍茹. mcs-51 單片機原理及應用實例,

50、北京:清華大學出版社, 200314 公茂法. 單片機人機接口實例集m. 北京: 北京航空航天大學出版社, 199815 沙占友, 孟志永. 單片機外圍電路設計m. 北京: 電子工業(yè)出版社, 200616 孫肖子. 實用電子電路手冊m. 北京: 高等教育出版社, 1991致 謝經(jīng)過一個月的堅持不懈的努力，本次畢業(yè)設計終于基本完成了，我作為一個本科生并且從未參加過實際的生產(chǎn)過程所以缺少經(jīng)驗，在設計過程中有許多考慮不到的地方，如果單獨自己來做的話，想要完成這個設計是難以想象的。此次畢業(yè)設計，我是在劉希民老師的精心指導和全力支持下完成的。本系統(tǒng)的濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 25 -設計的順利完成要多

51、謝劉老師的幫助和支持，劉老師他為人隨和熱情，治學嚴謹細心。在閑聊時他像知心朋友一樣鼓勵你，在畢業(yè)設計中他會以“專業(yè)標準”嚴格要求你， 。劉老師那一絲不茍的工作態(tài)度和認真負責的精神永遠是我學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。通過這次畢業(yè)設計雖然過程很困難，但同時也使我受益匪淺。我要以最真摯的感情來感謝本畢業(yè)設計的劉希民導師，是您用辛勤的勞動、無私的奉獻和淵博的知識換來了我的畢業(yè)設計。同時感謝各位同學對我的幫助，如果沒有你們的真誠的支持和幫助，我的本次畢業(yè)設計就不會得以順利完成。在最后，還要感謝所有教過我的老師們，感謝他們幫我打下了堅實的基礎知識。附 錄單片機程序shiduh equ 20

52、h ;變量指向 20h，保存 th1 的值shidul equ 21h ; 變量指向 21h，保存 tl1 的值濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 26 -cnt equ 30h ;1 秒定時器shumag equ 33h ;數(shù)碼管個位的存放位置shumas equ 34h ;數(shù)碼管十位的存放位置sheding equ 35h ;鍵盤設定值存放位置cunshi equ 36h ;濕度值存放位置k1 bit p2.5 ;設定按鈕k2 bit p2.4 ;上調(diào)按鈕k3 bit p2.3 ;保存按鈕cs bit p2.0 ;控制出口 org 0000hjmp mainorg 0bh ;t0 中斷向量jmp

53、int0main: mov sp,#60h ;初始化mov sheding,#32h ;由于是由用戶輸入的，初始化為 50start:lcall jpcl ;調(diào)用鍵盤處理程序lcall sjcj ;調(diào)用濕度檢測程序lcall smxs ;調(diào)用數(shù)碼顯示程序lcall kzcx ;調(diào)用控制程序 jmp start ;循環(huán)；-鍵盤處理子程序-jpcl: ;鍵盤處理程序lcall delay ;鍵盤防抖jnb k1,sd ;若 k1 按下，則進入設定jmp out ;跳轉(zhuǎn)sd: lcall delay ;jnb k2,jy ;若 k2 按下則進入加一jy:inc sheding ;設定值加一jnb k

54、3,out ;若 k3 按下則跳出濟南大學泉城學院畢業(yè)設計- 27 -jmp sd ;返回設定out:ret ;返回delay:mov r6, #10 ;延時 5 毫秒d1: mov r7, #248djnz r7, $djnz r6，d1ret；-濕度采集子程序-sjcj: mov tmod, #51h ;t0 做定時器，模式 1 t1 做計數(shù)器，模式 1mov th0, #high ；(65536-50000) t0 計數(shù)初始值 3cb0hmov tl0, #low ；(65536-50000) mov th1, #00h ;t1 計數(shù)初始值 00hmov tl1, #00h mov ie, #8h ; t0 中斷使能setb tr0 ;啟動 t0setb tr1 ;啟動 t1int0: ;t0 中斷服務子程序mov th0, #high (65536-50000)mov tl0, #low (65536-50000) inc cnt ; cnt 加 1 mov a, cnt ; a =cntcjne a, #20, retune ; 是否計滿 1 秒mov cnt, #0