基于51單片機(jī)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

1、. . . . 摘 要 21世紀(jì)是信息化時(shí)代，電子產(chǎn)品如雨后春筍般迅猛發(fā)展，電子測(cè)量設(shè)備也逐漸豐富起來(lái)。模擬產(chǎn)品逐漸被數(shù)字化產(chǎn)品取代，并且使用變得越來(lái)越方便。雖然現(xiàn)今市面上有很多環(huán)境測(cè)試儀，但針對(duì)人們學(xué)習(xí)生活需要的環(huán)境測(cè)試儀卻很少，因此設(shè)計(jì)出一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的環(huán)境測(cè)試儀是很有意義的。 本環(huán)境測(cè)試儀由溫度采集電路，濕度采集電路，光強(qiáng)度采集電路，多路開關(guān)電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，LCD動(dòng)態(tài)顯示電路，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路與處理器單片機(jī)組成，基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號(hào)，和A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，設(shè)計(jì)了以8051基本系統(tǒng)為核心的一套檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)由信號(hào)采集、信號(hào)分析和

2、信號(hào)處理三個(gè)部分組成的。 （一） 信號(hào)采集 由AD590、HM1500、GL5537與多路開關(guān)CD4051組成； （二） 信號(hào)分析 由A/D轉(zhuǎn)換器MC14433、ADC0804、單片機(jī)8051基本系統(tǒng)組成； （三） 信號(hào)處理 由LCD12864顯示等組成通過(guò)硬件的焊接、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試和程序的編寫和修改，作品最終很好地實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)任務(wù)和要求。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)8051；AD轉(zhuǎn)換；采集； 12864顯示 目 錄1. 課題的任務(wù)與要求1.1 任務(wù).3 1.2 任務(wù)目標(biāo).3 1.3 課題要求.32. 系統(tǒng)概述2.1 方案的比較和論證.42.1.1 溫度傳感器的選擇.4 2.1.2 濕度傳感器的選擇.5 2.

3、 1. 3 光電傳感器的選擇.62.1.4信號(hào)采集通道的選擇.73.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 3.1.1溫度采集電路設(shè)計(jì).8 3.1.2濕度采集電路設(shè)計(jì).10 3.1.3 光電采集電路設(shè)計(jì).12 3.1.4多路開關(guān)電路設(shè)計(jì).13 3.2.1 AD轉(zhuǎn)換.13 3.2.2 單片機(jī)MCS-51 .14 3.3 顯示.184. 程序與設(shè)計(jì).195. 參考文獻(xiàn).24第一部分 課題的任務(wù)和要求1.1任務(wù):設(shè)計(jì)出一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的環(huán)境測(cè)試儀。1.2任務(wù)目標(biāo)1、鞏固所學(xué)的知識(shí)，學(xué)會(huì)通過(guò)各種途徑查找資料；2、理論知識(shí)聯(lián)系實(shí)際，解決實(shí)際問題；3、通過(guò)實(shí)物制作，掌握相關(guān)芯片的功能，鍛煉動(dòng)手能力與分析思考能力。1.3課題要求本設(shè)計(jì)

4、利用MCS-51系列單片機(jī)，配合傳感器，設(shè)計(jì)出一款人性化環(huán)境測(cè)試儀，可以檢測(cè)周圍環(huán)境的溫度、濕度和光線強(qiáng)弱，通過(guò)LCD以簡(jiǎn)單直觀的方式顯示出來(lái)。溫度、濕度和光線強(qiáng)弱依次輪流顯示（每5秒左右刷新一次）或同時(shí)顯示，測(cè)量的誤差不超過(guò)1%。第二部分 系統(tǒng)概述2.1方案的比較和論證當(dāng)將單片機(jī)用作測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)總要有被測(cè)信號(hào)懂得輸入通道，由計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)而言，如何準(zhǔn)確獲得被測(cè)信號(hào)是其核心任務(wù)；而對(duì)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)講，對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試和對(duì)控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對(duì)原始被測(cè)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切

5、準(zhǔn)確的測(cè)量和控制都將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化測(cè)量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來(lái)檢測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)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. 1.1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(cè)溫元件。現(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(cè)量圍大、便于遠(yuǎn)距離測(cè)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(cè)中高精密測(cè)溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價(jià)格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場(chǎng)影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按IEC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫圍-20065

6、0，百度電阻比W（100）=1.3850時(shí)，R0為100和10，其允許的測(cè)量誤差A(yù)級(jí)為±（0.15+0.002 |t|），B級(jí)為±（0.3+0.005 |t|）。銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價(jià)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(cè)溫。 方案二：采用AD590，它的測(cè)溫圍在-55+150之間，而且精度高。M檔在測(cè)溫圍非線形誤差為±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(huì)損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無(wú)需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便，借口也很簡(jiǎn)單。作為電流輸出

7、型傳感器的一個(gè)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(cè)量信號(hào)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(jì)系統(tǒng)對(duì)于溫度傳感器的選擇。2. 1.2 濕度傳感器的選擇測(cè)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)的吸水量與周圍空氣的濕度。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(cè)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(cè)量濕度圍為0

8、100%RH，工作溫度圍為050，阻抗在75%RH（25）時(shí)為1M。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶圍檢測(cè)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圍使用時(shí)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(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)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(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)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

9、流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過(guò)程等。相對(duì)濕度在1%-100%RH圍；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時(shí)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與測(cè)量濕度圍的要求，但其只限于一定圍使用時(shí)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(jì)系統(tǒng)中對(duì)溫度-3050的要求，因此，我們選擇方案二來(lái)作為本設(shè)計(jì)的濕度傳感器。2.1.3溫度傳感器的選用方案一：采用光敏電阻、二極管和555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩電路，利用多諧振蕩電路的兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)輸出由此產(chǎn)生矩形波脈沖信號(hào)。而光敏電阻阻值會(huì)隨著光照強(qiáng)度的變化而發(fā)生

10、變化，進(jìn)而使得多諧振蕩電路的周期變化，其輸出波形頻率也隨之改變。將其輸出模擬信號(hào)波形輸入到一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)字式頻率計(jì)通過(guò)兩位數(shù)碼管顯示出來(lái)，數(shù)字式頻率計(jì)主要由時(shí)基電路、閘門電路計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼顯示電路和邏輯控制電路組成。 本方案采用性能穩(wěn)定且便宜的光敏電阻作為光照傳感器，通過(guò)光敏電阻值變化影響多諧振蕩電路的周期而檢測(cè)光強(qiáng)，性能較穩(wěn)定一些，靈敏度也較高，但是電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所用元器件種類較多，實(shí)現(xiàn)和調(diào)試工作會(huì)比較困難，造價(jià)也較高，雖然能滿足穩(wěn)定性和靈敏度的要求，但不宜采用。方案二：采用三路光敏電阻支路并聯(lián)檢測(cè)光照強(qiáng)度，通過(guò)每一路可以得到一個(gè)模擬采樣電壓，將這三路電壓通過(guò)CD4051單8通道數(shù)字控

11、制模擬電子開關(guān)循環(huán)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)通過(guò)通信模塊輸送給MCS-51單片機(jī)，通過(guò)比較后得出最大值，將最大值輸出并利用LCD顯示出來(lái)。對(duì)于光強(qiáng)的方位，則通過(guò)控制LCD的顯示出來(lái)。至此，可以將光照的強(qiáng)度以與光照的方位通過(guò)LCD顯示出來(lái)，完成了本設(shè)計(jì)選題的任務(wù)與要求。 本方案采用性能穩(wěn)定且便宜的光敏電阻作為光照傳感器，MCS-51單片機(jī)作為主控制器。性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，不易受外界環(huán)境溫度等因素影響，靈敏度也較高，但是由于光照傳感器采用光敏電阻且為三條支路并聯(lián)采集模擬電壓信號(hào)，會(huì)存在一定的誤差?？傮w上來(lái)說(shuō)，本方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所用元器件供給充足、成本造

12、價(jià)低、性能穩(wěn)定且誤差圍也在設(shè)計(jì)選題的要求之，能在簡(jiǎn)單低成本的基礎(chǔ)上很好的完成設(shè)計(jì)選題的任務(wù)，故實(shí)驗(yàn)中采用本方案。2. 1.4信號(hào)采集通道的選擇在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，溫度輸入信號(hào)為8路的模擬信號(hào)，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。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(cè)量的餓要求選擇不同性能檔次的器件。總體成本可以作得較低。（2） 硬件復(fù)雜，故障率高。（3） 軟件簡(jiǎn)單，各通道可以獨(dú)立編程。方案二、采用多路分時(shí)的模擬量輸入通道。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為：（1） 對(duì)ADC、S/H要求高。（2） 處理速度慢。（3） 硬件簡(jiǎn)單，成本低。（4） 軟件比較復(fù)雜。綜合比較方案

13、一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于模擬量輸入的要求，比較其框圖，方案二更具備硬件簡(jiǎn)單的突出優(yōu)點(diǎn)，所以選擇方案二作為信號(hào)的輸入通道。圖2-1多路并行模擬量輸入通道圖2-2多路分時(shí)的模擬量輸入通道第三部分系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號(hào)，和A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設(shè)計(jì)了以8051基本系統(tǒng)為核心的一套檢測(cè)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(cè)、濕度檢測(cè)、鍵盤與顯示、報(bào)警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。單片機(jī)LCD顯示AD590溫度傳感器MC1443CD405HS1100濕度傳感器CD4051光敏電阻ADC0804CD40

14、15圖3-1 系統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計(jì)由信號(hào)采集、信號(hào)分析和信號(hào)處理三個(gè)部分組成的。 （一） 信號(hào)采集 由AD590、HS1100與多路開關(guān)CD4051組成； （二） 信號(hào)分析 由A/D轉(zhuǎn)換器MC14433、單片機(jī)MCS-51（8051）基本系統(tǒng)組成； （三） 信號(hào)處理 由串行口LCD顯示。31 信號(hào)采集3.1.1溫度傳感器集成溫度傳感器AD590 是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源。一 主要特性AD590是電流型溫度傳感器，通過(guò)對(duì)電流的測(cè)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(cè)量電路，其電路外形如圖3-2

15、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(hào)如圖3-2所示。 1、流過(guò)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：IT/T=1A /K式中：IT流過(guò)器件（AD590）的電流，單位A。T熱力學(xué)溫度，單位K。 2、 AD590的測(cè)溫圍-55- +150。 3、 AD590的電源電壓圍為4V-30V。電源電壓可在4V-6V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(huì)損壞。 4、輸出電阻為710M。 5、精度高。AD590共有I、J、K、L

16、、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150圍，非線形誤差±0.3。2 AD590的工作原理在被測(cè)溫度一定時(shí)，AD590相當(dāng)于一個(gè)恒流源，把它和530V的直流電源相連，并在輸出端串接一個(gè)1k的恒值電阻，那么，此電阻上流過(guò)的電流將和被測(cè)溫度成正比，此時(shí)電阻兩端將會(huì)有1mVK的電壓信號(hào)。二 基本應(yīng)用電路圖3-8是AD590用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^(guò)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(shí)，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(duì)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)

17、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。圖3-5 AD590應(yīng)用電路三 攝氏溫度測(cè)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(shí)調(diào)整R2，使輸出V0=0，然后在100時(shí)調(diào)整R4使V0=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0時(shí)，V0=0mV，100時(shí)V0=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。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。3.1.2 濕度傳感器測(cè)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

18、變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量與周圍空氣的濕度。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(cè)量的。下面 介紹HS1100/HS1101濕度傳感器與其應(yīng)用。一、特點(diǎn)不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)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(dòng)插件和自動(dòng)裝配過(guò)程等。圖3-7a為濕敏電容工作的溫、濕度圍。圖3-7b為濕度-電容響應(yīng)曲線。圖3-7a、濕敏電容工作的溫、濕度圍 圖3-7b、濕度-電容響應(yīng)曲線。相

19、對(duì)濕度在1%-100%RH圍；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5S；溫度系數(shù)為0.04 pF/?？梢娋仁禽^高的。二、濕度測(cè)量電路HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)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?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，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(hào)經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；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(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集頻率輸出的555測(cè)量振蕩電路

20、如圖3-7所示。集成定時(shí)器555芯片外接電阻R4、R2與濕敏電容C，構(gòu)成了對(duì)C的充電回路。7端通過(guò)芯片部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì)C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片比較器，便成為一個(gè)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(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下：首先電源Vs通過(guò)R4、R2 向C充電，經(jīng)t充電時(shí)間后，Uc達(dá)到芯片比較器的高觸發(fā)電平，約0.67Vs，此時(shí)輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過(guò)R2放電，經(jīng)t放電時(shí)間后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33Vs此時(shí)輸出，此時(shí)輸出引腳3端又

21、由低電平突降為高電平，如此翻來(lái)覆去，形成方波輸出。其中，充放電時(shí)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(guò)555測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)，表3-1給出了其中的一組典型測(cè)試值。表3-1、空氣濕度與電壓頻率的典型值3.1.3 光電采集(1) 用途: 根據(jù)光電控制的原理,隨著外界光線的變化,對(duì)產(chǎn)品的 工作狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制. (2) 性能: A環(huán)氧樹脂 B反應(yīng)速度快 C靈敏度高 D體積小 E可靠性好 F光譜特性好 (3) 型號(hào): GL5537-1 (4) 主材組成：CdS Cd

22、Se 環(huán)氧樹脂 瓷基片 鍍錫銅線 2 電氣特性 產(chǎn)品 型號(hào) Part no 亮電阻Light Resistance 10Lux (K) 2856k 暗電阻 Dark Resistance 最小值 (M) Y10 Gamma 最小值 最大功耗 Power Dissispstion 25(m W ) 最大電壓 Impressed Voltage DC (V ) 溫度 Tamp () 工作 Operation 存儲(chǔ) Storage GL5537-1 1 20-30 0 2 0.6 100 150 -30+70 -30+80 3.1.4多路開關(guān) 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為八路的濕度信號(hào)采集，故采用CD4051組成多

23、路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路，其硬件接口如圖3-8所示圖3-8八路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路硬件接口 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(gè)模擬量輸入通道和一個(gè)公共的模擬輸入端，并通過(guò)地址線上不同的地址信號(hào)把n個(gè)通道中任一通道輸入的模擬信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)有n線到一線的接通功能。反之，當(dāng)模擬信號(hào)有公共輸出端輸入時(shí) ，作為信號(hào)分離器，實(shí)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(jì)中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號(hào)采集中將有兩個(gè)模擬量被提取，這時(shí)選用多路開關(guān)就是很必要的。我選用的是CD4051多路開關(guān)，它是一種單片、COMS、8通道開關(guān)。該芯片由DTL/

24、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(gè)COMS模擬開關(guān)TG組成。CD4051的部原理框圖如圖3-9所示。圖3-9、CD4051的部原理框圖 CD4051作為8選1功能時(shí)，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。3.2 信號(hào)分析與處理3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換一A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)為了把溫度、濕度檢測(cè)電路測(cè)出的模擬信號(hào)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(cè)的多路溫度與濕度信號(hào)輸入，故選用多路選擇

25、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(shí)間比較長(zhǎng)，所以A/D轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對(duì)周期信號(hào)變化的干擾信號(hào)積分為零，抗干擾性能也比較好。目前，國(guó)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(cè)量?jī)x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(jiǎn)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(chǎng)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(guó)產(chǎn)品

26、5G14433完全一樣，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（最高位輸出容特殊，詳見表3-3）。圖3-10 MC14433A/D轉(zhuǎn)換器的部邏輯框圖MC14433與8051單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)由于MC14433的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)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(guò)并行I/O接口或擴(kuò)展I/O接口與其相連。對(duì)于8051單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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8051單片機(jī)P1口直接相連

27、的硬件接口，接口電路如圖3-13所示圖3-13 MC14433與8051單片機(jī)P1口直接相連的硬件接口3. 2. 2單片機(jī)MCS51為了設(shè)計(jì)此系統(tǒng)，我們采用了8051單片機(jī)作為控制芯片，在前向通道中是一個(gè)非電信號(hào)的電量采集過(guò)程。它由傳感器采集非電信號(hào)，從傳感器出來(lái)經(jīng)過(guò)功率放大過(guò)程，使信號(hào)放大，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的相應(yīng)端口。3. 2. 2.1 8051的引腳圖 3-15 8051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(shuō)明如下：VCC（40引腳）正常運(yùn)行時(shí)提供電源。VSS（20引腳）接地。XTAL1（19引腳）在單片機(jī)部，

28、它是一個(gè)反向放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片的震蕩器，可以提供單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，該引腳也是可以接外部的晶振的一個(gè)引腳，如采用外部振蕩器時(shí)，對(duì)于8051而言此引腳應(yīng)該接地。XTAL2（18引腳）在部，接至上述振蕩器的反向輸入端，當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)， 對(duì)MCS51系列該引腳接收外部震蕩信號(hào)，即把該信號(hào)直接接到部時(shí)鐘的輸入端。RST/VPD（9引腳）在振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)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8051正常工作。在掉電時(shí)，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(shí)，而VPD在其規(guī)定的電壓圍時(shí)，VPD就向部

29、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器提供備用電源。ALE/PROG（30引腳）當(dāng)8051訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)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(chǔ)器的時(shí)候，ALE仍有兩個(gè)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(chǔ)器的是候，在兩個(gè)周期中，ALE只出現(xiàn)一次，ALE斷可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS TTL負(fù)載，對(duì)于有片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)訪問外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，在讀取外部指令期間， PSEN非有兩次在每個(gè)周期有效，在此期間，每當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，兩個(gè)有效的PSEN非將

30、不再出現(xiàn)，同樣這個(gè)引腳可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。/VPP（31引腳）當(dāng)保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問部存儲(chǔ)器，當(dāng)PC值超過(guò)0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外存儲(chǔ)器。當(dāng)保持低電平時(shí)，則只訪問外部程序存儲(chǔ)器，對(duì)8031而言，此腳必須接地。P0，P1，P2，P3：8051有四個(gè)并行口，在這四個(gè)并行口中，可以在任何一個(gè)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(gè)I/O口部都有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，各成為SFR中的一個(gè)，因此CPU數(shù)據(jù)從并行I/O口輸出時(shí)可以得到鎖存，數(shù)據(jù)輸入時(shí)可以得到緩沖，但他們?cè)诠δ芎陀猛旧系牟町惡艽?，P0和P2口部均有個(gè)受控制器控制的二選一選擇電路，故它

31、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(gè)都是準(zhǔn)雙向口。8051有一個(gè)全雙工串行口，這個(gè)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(lái)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(shí)進(jìn)行。8051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，電源與波特率選擇寄存器PCON和串行緩沖寄存器SBUF，他們都屬于SFR，PCON和

32、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. 2工作方式它的工作方式可以分做復(fù)位，掉電和低功耗方式等。一、 復(fù)位方式當(dāng)MCS-5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST(全稱RESET)出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。 根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。常用的上電復(fù)位電路如圖 (3-15a)中左圖所示。圖中電容C1和電阻R1對(duì)電源十5V來(lái)說(shuō)構(gòu)成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時(shí)間，由于

33、單片機(jī)的等效電阻的作用，不用圖中電阻R1，也能達(dá)到上電復(fù)位的操作功能，如圖 (3-15a)中所示。上電或開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位，并且在單片機(jī)運(yùn)行期間，用開關(guān)操作也能使單片機(jī)復(fù)位。常用的上電或開關(guān)復(fù)位電路如圖 (3-15b)所示。上電后，由于電容C3的充電和反相門的作用，使RST持續(xù)一段時(shí)間的高電平。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行當(dāng)中時(shí)，按下復(fù)位鍵K后松開，也能使RST為一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電或開關(guān)復(fù)位的操作。 根據(jù)實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)，下面給出這兩種復(fù)位電路的電容、電阻參考值。 圖(3-16a)中：Cl10-30uF，R11kO 圖(3-16b)中：C：1uF，RllkO，R210kO3. 2. 3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的掉電保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)的RAM數(shù)據(jù)是非常容易丟失的，特別是一些珍貴的科研數(shù)據(jù)，一旦丟失后果不堪設(shè)想，因此掉電保護(hù)是必須要做的，一旦電源發(fā)生掉電現(xiàn)象，在掉電的瞬間系統(tǒng)能自動(dòng)保護(hù)RAM中的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)電源恢復(fù)正常供電后能恢復(fù)到掉電前的工作狀態(tài)。3. 2. 4系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路是用來(lái)產(chǎn)生8031單片機(jī)工作時(shí)所必須的時(shí)鐘信號(hào)，8031本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為保證工作方式的實(shí)現(xiàn)，8031在唯一的時(shí)鐘信號(hào)的控制下嚴(yán)格的按時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作 ，時(shí)鐘的頻率影響單片機(jī)的速度和穩(wěn)定性。