基于單片機(jī)濕度測量電路設(shè)計(jì)研究畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、基于單片機(jī)濕度測量電路設(shè)計(jì)研究摘要：在工業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境溫濕度進(jìn)行測量和控制，準(zhǔn)確測量溫濕度對于生物制藥、食品加工、造紙等行業(yè)更是至關(guān)重要。但是相比而言，測量濕度要比測量溫度更加復(fù)雜，這是因?yàn)闇囟仁莻€(gè)獨(dú)立的被測量，而濕度卻受到大氣壓和溫度的影響。而且在社會(huì)信息科學(xué)的發(fā)展過程中，控制理論和電子技術(shù)也在不斷更新，基于微控制器的高度智能化測控技術(shù)逐步成為現(xiàn)實(shí)。其中以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器因其體積小、成本低、功能強(qiáng)、簡便易行而得到了廣泛的應(yīng)用。濕度測控由于其重要性的日益突出，技術(shù)也越來越成熟。本文主要討論基于單片機(jī)的濕度元件檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。 本系統(tǒng)以濕度

2、傳感器 HS1101作為測量的器件，所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過8腳時(shí)基集成電路NE555振蕩電路處理后，通過ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器件接入到AT89S51單片機(jī)，以單片機(jī)為核心對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)、處理和報(bào)警。本文在設(shè)計(jì)過程中首先，討論并選擇系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案；其次，對傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇；再次，對單片機(jī)及其跟PC機(jī)進(jìn)行通信的接口進(jìn)行電路及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面為主做了系統(tǒng)的研究。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還處于理論階段，是在論證了各種方案和搜集了各種的資料后提出的一種切實(shí)可行的室內(nèi)濕度監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)完全滿足一般小室內(nèi)環(huán)境的濕度測控系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)濕度狀況的全面、實(shí)時(shí)和長期的監(jiān)測，也

3、實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)濕度檢測的自動(dòng)化智能化。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，濕度，傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，A/D轉(zhuǎn)換器。In industrial production, weather, environmental protection, scientific research, national defense, aerospace and other departments, often need to environmental temperature and humidity measurement and control, accurate measurement of temperature and hum

4、idity for pharmaceutical, food processing, paper and other industries is crucial.But in contrast, measurement of humidity than the measured temperature is more complex, this is because the temperature is an independent being measured, and the humidity is subjected to atmospheric pressure and tempera

5、ture effects. But also in the social information science development, control theory and electronic technology also is being updated ceaselessly, microcontroller based highly intelligent control technology is gradually becoming a reality.The single chip microcomputer as the core digital controller b

6、ecause of its small volume, low cost, strong function, convenient and widely used.Humidity control because of its importance is outstanding day by day, more and more mature technology.This paper mainly discusses the humidity based on single element detection system design and research. The system is

7、 based on the HUMIREL humidity sensor HS1101 as the measuring device, the obtained data after 8 feet a time-base integrated circuit NE555 treated by ADC0809 oscillating circuit, analog to digital converter access to AT89S51 single-chip, single-chip microcomputer as the core for data recording, stora

8、ge, processing and alarm.In this paper, in the design process, first of all, discuss and choose the system's overall design; secondly, the sensor, A/D converter and single chip microcomputer design and selection; again, to communicate with MCU and PC interface circuit and the software system des

9、ign and other aspects mainly done the system research. The design of this system is still in the stage of theory is demonstrated, in a variety of programs and collect all sorts of information presented after a feasible interior humidity monitoring system.The system fully meet the general small labor

10、atory humidity measurement and control system requirements, the indoor humidity condition comprehensive, real-time and long-term monitoring, also make the indoor humidity detection by intelligent automation.Key words: SCM, humidity, sensor, analog to digital converter, A/D converter. 目錄第一章 前言 4 1.1

11、概述 5 1.2 實(shí)驗(yàn)室濕度測控的意義 5 1.3 實(shí)驗(yàn)室濕度測控的現(xiàn)狀與發(fā)展 6 1.3.1 傳統(tǒng)的分立式濕度測量 6 1.3.2 模擬集成濕度傳感器測量 6 1.3.3 智能濕度傳感器測量 6 1.4 本課題的設(shè)計(jì)方案 7第二章 濕度測量電路設(shè)計(jì) 8 2.1 傳感器的認(rèn)識(shí) 8 2.1.1 傳感器的靜態(tài)特性 8 2.1.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 9 2.2 濕度傳感器的選擇 10 2.2.1 濕度及其表示方法 10 2.2.2 濕度傳感器HS1101 10 2.3 濕度測量電路 12 2.3.1 NE555時(shí)基電路 12 2.3.2 基于555振蕩電路的濕度測量電路設(shè)計(jì) 13第三章 核心電路的設(shè)

12、計(jì) 14 3.1 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器 14 3.1.1 ADC0809應(yīng)用簡介 14 3.1.2 測濕電路與單片機(jī)連接 15 3.1.3 濕度誤差補(bǔ)償插值法子程序 16 3.2 單片機(jī)電路的設(shè)計(jì) 17 3.2.1 MCS-51單片機(jī) 17 3.2.2 AT89S51單片機(jī) 17 3.2.3 時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路 18 3.3 總體電路系統(tǒng) 19 3.3.1 LED報(bào)警設(shè)計(jì) 19 3.3.2 系統(tǒng)總設(shè)計(jì) 20 3.4 電路PCB版圖設(shè)計(jì) 22第四章 單片機(jī)與PC間的串行通訊 25 4.1 RS-232-C接口 25 4.2 單片機(jī)和PC通信連接 25 4.3 簡單軟件設(shè)計(jì) 27 4.3.

13、1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 27 4.3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì) 28第五章 結(jié) 論 29 附錄29參考文獻(xiàn) 30致謝 31第1章 ：前言1.1緒論：濕度，被定義為表示大氣干燥程度的物理量。即在一定的溫度下在一定的體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥;水汽越多，則空氣越潮濕。濕度測量技術(shù)的發(fā)展已有200多年的歷史，人們早就發(fā)現(xiàn)了人的頭發(fā)隨大氣濕度變化而伸長或縮短的現(xiàn)象，因而制成了毛發(fā)濕度計(jì)。但是人們對于濕度傳感器中的濕敏元件的認(rèn)識(shí)，是從1938年美國F.W.Dunnore研制成功浸涂式氯化鋰濕敏元件才開始的。無論是在科研、實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)、糧食儲(chǔ)備、軍火儲(chǔ)備還是植物生長、大學(xué)校園里面的室內(nèi)環(huán)境元器件的保養(yǎng)，濕

14、度的測量、傳輸和控制都跟其有著密不分的關(guān)系。環(huán)境的濕度有人們的視野里出現(xiàn)，并其重要性逐漸提高，使?jié)穸鹊臏y控具有與環(huán)境溫度的測控有著相同的重要意義。為了確保實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)過程中得到很好的質(zhì)量保證，為了確保室內(nèi)環(huán)境的元器件能夠很好延續(xù)使用生命周期，濕度測量的提出已經(jīng)引起了工作者的注意。在現(xiàn)代社會(huì)信息科技的不斷迅速發(fā)展中，計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸和濕敏元件的高速更新，使得濕度的測量正朝著自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。在室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控中，濕度測量的出現(xiàn)使得元器件的保養(yǎng)達(dá)到更好、使用周期更長、性能保持更好。所以室內(nèi)環(huán)境濕度測控有著廣闊和應(yīng)用發(fā)展空間。現(xiàn)在技術(shù)中，對濕度的測量有方法多種多樣，也較為容易實(shí)現(xiàn)。但精度和反應(yīng)度卻是

15、各種方法中的瓶頸，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是從精度上和高反應(yīng)度上進(jìn)行測控、選器件、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，盡可能使做出來的系統(tǒng)可以更好更精確更實(shí)時(shí)地檢測到室內(nèi)濕度的變化，并及時(shí)讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終顯示在個(gè)人電腦終端，使得工作者能夠在最短的時(shí)間內(nèi)對環(huán)境不斷發(fā)生變化的濕度有著實(shí)時(shí)的了解，并可以針對不同的狀況做出不同的反應(yīng)。1.2室內(nèi)環(huán)境濕度測控的意義每個(gè)室內(nèi)環(huán)境都有著自己的微小氣候，在其中濕度有著非常重要的影響力。高濕容易使人體散熱量增加、容易使人體喪失熱蒸發(fā)機(jī)能，導(dǎo)致熱疲勞。室內(nèi)環(huán)境濕度高于70%為高氣濕，人將感到不適；低于30%為低氣濕，人感到口鼻干燥；最舒適的濕度為 40%60%1。在室內(nèi)環(huán)境所使用的各種儀器設(shè)

16、備中，空氣濕度對其影響是非常明顯的，無論是使用過程對精度的影響，還是在保養(yǎng)過程中使得容易老化，容易被侵蝕。綜上所述，無論是從人體健康的角度還是從元器件使用的角度上看，對室內(nèi)環(huán)境的濕度測控的意義都是非常重大的。 1.3室內(nèi)環(huán)境濕度測控的現(xiàn)狀與發(fā)展人們研究濕度測量的歷史也算是久遠(yuǎn)，對在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行濕度測控也更是隨著實(shí)驗(yàn)信息技術(shù)的發(fā)展而不斷更新?lián)Q代。室內(nèi)環(huán)境室內(nèi)濕度測控的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：傳統(tǒng)的分立式濕度測量；模擬集成濕度傳感器測量；智能濕度傳感器測量2。傳統(tǒng)的分立式濕度測量傳統(tǒng)的電阻濕度計(jì)、半導(dǎo)體濕敏元器件等，都屬于分立式濕度測量元件，使用這些元器件來進(jìn)行測量濕度的，統(tǒng)稱為分立式濕度測

17、量。20世紀(jì)50年代以來，隨著傳統(tǒng)的電阻、電容濕度計(jì)的出現(xiàn)，濕度測量走向了一個(gè)新的臺(tái)階。此類測量方法所使用的元件通常不能單獨(dú)完成測量任務(wù)，使用時(shí)還需要配上二次儀表，才能完成濕度測量及控制功能。其主要缺點(diǎn)是外圍電路比較復(fù)雜、測量精度比較低、分辨力不高，還有就是它們的體積比較大、使用起來不夠方便。所以，傳統(tǒng)的分立式濕度測量方法受到了現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，已經(jīng)逐漸被淘汰。到了20世紀(jì)90年代，這種室內(nèi)濕度測控已經(jīng)很難再找到了。模擬集成濕度傳感器測量在20世紀(jì)80年代中，采用硅半導(dǎo)體集成工藝的集成濕度傳感器問世，它是將濕度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成濕度測量及模擬信號(hào)輸出功能的專用IC，它屬于最簡

18、單的一種集成濕度傳感器。用這種模擬集成濕度傳感器來進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境室內(nèi)濕度測控，外圍電路是較為簡單，所以這種測量方法最為廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)也是基于這樣集成IC的傳感器HS1101來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。智能濕度傳感器測量智能濕度傳感器的未來測量發(fā)展的一個(gè)重要的方向，也是室內(nèi)濕度測控的必然發(fā)展，更是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測試技術(shù)的結(jié)晶。智能濕度測控器也是在智能濕度傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。智能濕度測控器適配各種微控制器，構(gòu)成智能化濕敏控制系統(tǒng)；它們還可以脫離微控制器單獨(dú)工作，自行構(gòu)成一個(gè)溫控儀，既可以工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，亦可選擇單次轉(zhuǎn)換模式。進(jìn)入21世紀(jì)的第一個(gè)年代，智能濕度測控技術(shù)正朝著高精度、多功能、

19、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器測量和網(wǎng)絡(luò)傳感器測控、研制單片測量系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。總之，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)、傳感器智能化技術(shù)、機(jī)械電子一體化技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的發(fā)展，室內(nèi)濕度測控已經(jīng)成為各個(gè)國家在保養(yǎng)電子元器件、實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)濕度等國際市場競爭力的前沿性研究領(lǐng)域。1.4本課題的設(shè)計(jì)方案本課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有三個(gè)原則：1、操作維護(hù)方便，為了利于系統(tǒng)的推廣，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分采用操作內(nèi)置或簡化的方法，以盡量減少對操作人員專用知識(shí)的要求，也便于進(jìn)行維修。2、可靠性，本系統(tǒng)所有的環(huán)節(jié)中，都應(yīng)該有著可靠性的思想，從選用可靠性高的元器件；供電電源采用抗干擾措施；進(jìn)行多向?yàn)V

20、波等作為出發(fā)點(diǎn)。3、性價(jià)比，本課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的核心是單片機(jī)，它本身有著多個(gè)優(yōu)勢，要使得系統(tǒng)能夠廣泛地應(yīng)用，在充分考慮可靠性的同時(shí)，盡可能降低成本，提高系統(tǒng)的性價(jià)比。本文將從以下幾個(gè)方面展開工作：一是確定測濕電路的設(shè)計(jì)方案；二是進(jìn)行單片機(jī)核心電路的設(shè)計(jì)；三是對單片機(jī)及通信接口進(jìn)行簡單的概述；四是對所有的工作進(jìn)行總結(jié)。本次課題的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的示意圖如圖1-1。濕敏元件HS1101振蕩電路NE555模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0809核心處理器MCU-51個(gè)人PC電腦終端系統(tǒng)示意圖2.1傳感器的認(rèn)識(shí)傳感器是能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件

21、是指傳感器中能夠直接感受被測量的部分，轉(zhuǎn)換元件指傳感器中能將敏感元件輸出轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號(hào)部分。有些國家和有些科學(xué)領(lǐng)域，將傳感器稱為變換器、檢測器或探測器等。應(yīng)該說明，并不是所有的傳感器都能明顯分清敏感元件與轉(zhuǎn)換元件兩個(gè)部分，而是二者全為一體。例如半導(dǎo)體氣體、濕度傳感器等，它們一般都是將感受的被測量直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)3。傳感器的靜態(tài)特性所謂傳感器的靜態(tài)特性，是指在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下，傳感器輸出輸入之間的關(guān)系特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)有線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。1. 線性度傳感器的線性度用傳感器的輸出與輸入之間的線性程度表示。如果不考慮遲滯和蠕變效應(yīng)，一般可用下

22、面的多項(xiàng)式表示。 式中：y輸出量； x輸入物理量； 零位輸出； 傳感器線性靈敏度； 待定常數(shù)。在使用非線性特性的傳感器時(shí)，如果非線性項(xiàng)的方次不高，在輸入量變化范圍不大條件下，可以用切線或割線等直線來近似地代表實(shí)際曲線的一段。2. 靈敏度靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對輸入變化的比值，一般用來表示，即式中：輸出量的變化； 輸入量的變化。對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率。非線性傳感器的靈敏度為一變量。一般希望傳感器的靈敏度高，在滿量程范圍內(nèi)是恒定的，即傳感器的輸出輸入特性為直線。3. 遲滯在相同工作條件下做全量程范圍校準(zhǔn)時(shí)，下行程（輸入量由小到大）和反行程（輸入量由大到小）所得輸

23、出輸入特性曲線往往不重合。也就是說，對應(yīng)同一大小的輸入信號(hào)，傳感器正反行程的輸出信號(hào)大小不相等，此即遲滯現(xiàn)象。遲滯（或稱回程誤差）正是用來描述傳感器在正反行程期間特性曲線不重合程度的。遲滯的大小常用正反行程最大輸出差值對滿量程輸出的百分比來表示的4。4. 重復(fù)性重復(fù)性是指在相同工作條件下，輸入量按同一方向作全量程多次測試時(shí)，所得傳感器特性曲線不一致性的程度。多次重復(fù)測試的曲線重復(fù)性好，誤差也小。重復(fù)特性的好壞是與許多因素有關(guān)的，與產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象具有的原因。其它的特性還有分辨力，傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾值；零漂，傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化零漂，零漂

24、可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化時(shí)，其輸出與輸入的關(guān)系。很多傳感器要在動(dòng)態(tài)條件下檢測，被測量可能以各種形式隨時(shí)間變化。只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出量也將是時(shí)間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動(dòng)態(tài)特性來說明。為研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性，可建立其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)中的邏輯推理和運(yùn)算方法，分拆傳感器在動(dòng)態(tài)變化的輸入量作用下，輸出量如何隨時(shí)間改變。實(shí)際中，輸入信號(hào)隨時(shí)間的變化形式多種多樣，無法統(tǒng)一研究，所以通常只分析傳感器在標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)作用下的輸出。研究動(dòng)態(tài)特性可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。由于輸入信號(hào)的時(shí)候函數(shù)形式是多種

25、多樣的，在時(shí)域內(nèi)研究傳感器的響應(yīng)特性時(shí)，只能研究幾種特定的輸入時(shí)間函數(shù)如階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等的響應(yīng)特性。對于任意輸入所引起的響應(yīng)，可以利用兩個(gè)函數(shù)的卷積關(guān)系，即系統(tǒng)的響應(yīng)等于沖激響應(yīng)函數(shù)同激勵(lì)的卷積，即2.2濕度傳感器的選擇濕度及其表示方法在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周圍的大氣里總是含有或多或少的水汽。大氣中含有水汽的多少，表示大氣中的干、濕程度，用濕度來表示，也就是說，濕度表示大氣干濕程度的物理量。大氣濕度有兩種表示方法：絕對濕度與相對濕度。絕對濕度絕對濕度表示單位體積空氣里所含水汽的質(zhì)量，其表示為式中： 被測空氣的絕對（/，/）； 被測空氣中水汽的質(zhì)量（，）； V被測空

26、氣的體積（）。相對濕度：相對濕度是氣體的絕對濕度（）與同一溫度下，水蒸汽已達(dá)到飽和的氣體的絕對濕度（）之比，常用%RH來表示。即式中：待測氣體的水汽分壓； 同一溫度下水蒸汽的飽和水汽壓3。 濕度傳感器HS1101濕度傳感器HS1101是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，這些相對濕度傳感器可以大批量生產(chǎn)。可以應(yīng)用于辦公室自動(dòng)化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，家電，工業(yè)控制系統(tǒng)等。它有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)：1、 全互換性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正2、 長時(shí)間飽和下快速脫濕3、 可以自動(dòng)化焊接，包括波峰或水浸4、 高可靠性與長時(shí)間穩(wěn)定性5、 專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)6、 可用于線性電壓或頻率輸出回路7、 快速反應(yīng)時(shí)間HS11

27、01的簡單物照圖如圖2-15。HS1101實(shí)物照相對濕度在0%100%RH范圍內(nèi)；電容量由162pF變到200pF,其誤差不大于2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5s；溫度系統(tǒng)為0.04pF/?？梢娖渚仁禽^高的。其濕度電容響應(yīng)曲線如圖2-2：20 40 60 80 100 相對濕度% 200 190 180 170 電容F：HS1101濕度電容響應(yīng)曲線HS1101的一些常用參數(shù)如：HS1101常用參數(shù)參數(shù)符號(hào)參數(shù)值單位工作溫度Ta-40100儲(chǔ)存溫度Tstg-40125供電電壓Vs10Vac濕度范圍RH0100%RH焊接時(shí)間=260t10S2.3濕度測量電路HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)

28、電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。涉及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)時(shí)，常用兩種方法:一是將HS1101置于運(yùn)放與阻容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HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。時(shí)基電路NE555是一個(gè)能產(chǎn)生精確定時(shí)脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200mA.。在多諧振蕩器工作方式時(shí)，其輸出的脈沖占空比由兩個(gè)外接電阻和一個(gè)外接電容確定；在單穩(wěn)態(tài)工作方式時(shí)，其延時(shí)時(shí)間由一個(gè)外接電阻和一個(gè)外接電容確定，它可以延時(shí)數(shù)微秒到數(shù)小

29、時(shí)。其工作電壓范圍為：4.5V16V。NE555的框圖如圖所示5。：NE555框圖基于555振蕩電路的濕度測量電路設(shè)計(jì)圖：測濕電路圖把HS1101和NE555同時(shí)接入電路中的電路設(shè)計(jì)原理圖如圖2-4所示。NE555電路功能的簡單概括為:當(dāng)6端和2端同時(shí)輸入為“1”時(shí),3端輸出為“0”；當(dāng)6端和2端同時(shí)輸入為“0”時(shí),3端輸出為“1”。在此電路中,555定時(shí)器正是根據(jù)這一功能用作多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出頻率信號(hào)的。當(dāng)電源接通時(shí),由于6和2端的輸入為“0”,則定時(shí)器3腳輸出為“1”；又由于C1 兩端電壓為0,故 通過R2 和R3 對C1充電,當(dāng)C1 兩端電壓達(dá)到2/3 時(shí),定時(shí)電路翻轉(zhuǎn),輸出變?yōu)椤?”。此

30、時(shí)555定時(shí)器內(nèi)部的放電BJT的基極電壓為“1”,放電BJT導(dǎo)通,從而使電容C1 通過R3 和內(nèi)部放電BJT 進(jìn)行放電,當(dāng)C1 兩端電壓降低到/3 時(shí),定時(shí)器又翻轉(zhuǎn),使輸出變?yōu)椤?”,內(nèi)部放電BJT 截止,VCC 又開始通過R2 和R3 對C1 充電,如此周而復(fù)始,形成振蕩。其工作循環(huán)中的充電時(shí)間為=0.7(R2+R3)C1；放電時(shí)間為 = 0.7R3*C1； 輸出脈沖占空比為q (R2+R3)/(R2+2R3),為了使輸出脈沖占空比接近50,R2應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R3。當(dāng)外界濕度變化時(shí),HS1101 兩端電容值發(fā)生改變,從而改變定時(shí)電路的輸出頻率。因此只要測出555的輸出頻率,并根據(jù)濕度與輸出頻率的

31、關(guān)系,即可求得環(huán)境的濕度6。第三章：核心電路的設(shè)計(jì)3.1 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器在單片機(jī)應(yīng)用中，特別是在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，常常需要把外界連續(xù)變化的物理量（如濕度、濕度、壓力、流量），變成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行加工處理。反之，也需要將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)為連續(xù)變化的模擬量，用心控制調(diào)節(jié)一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制。這種由模擬量變?yōu)閿?shù)字量，或由數(shù)字量轉(zhuǎn)為模擬量的轉(zhuǎn)換，通常叫做模/數(shù)，或數(shù)/模轉(zhuǎn)換。用以實(shí)現(xiàn)這類轉(zhuǎn)換的器件，叫做模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器或數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器7。 應(yīng)用簡介ADC0809具有8路模擬量輸入，可在程序控制下對任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，輸出8位二進(jìn)制數(shù)字量。其主要性能有：

32、逐次比較型；CMOS工藝制造；單電源供電；無需外部進(jìn)行零點(diǎn)和滿量度調(diào)整；可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容；易與各種微控制器接口；具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)；分辨率為8位；功耗為15mW；轉(zhuǎn)換時(shí)間（）為128；轉(zhuǎn)換精度為8。ADC0809的引腳圖如圖所示。：ADC0809引腳圖測濕電路與單片機(jī)連接NE555的輸出端跟ADC0809的IN0通道相接，則ADC0809芯片的地址選通為ADDR0,ADDR1,ADDR2都接地。ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘由單片機(jī)的ALE提供。ADC0809的典型轉(zhuǎn)換頻率為640kHz，ALE信號(hào)頻率與晶振頻率有關(guān)，如果晶振頻率取12MHz，則ALE的頻率為2MHz，所以A

33、DC0809的時(shí)鐘端CLK與單片機(jī)的ALE端相接時(shí)，要考慮分頻。8051通過地址線P2.0和讀寫控制線、來控制模擬輸入通常地址鎖存、啟動(dòng)和輸出允許。測濕電路與單片機(jī)的連接圖如圖3-2所示。測濕電路與單片機(jī)連接圖 濕度誤差補(bǔ)償插值法子程序從NE555時(shí)基電路中輸出的是一個(gè)模擬信號(hào)，ADC0809的作用就是要把這個(gè)單片機(jī)不能識(shí)別的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以讀取的數(shù)字信號(hào)。這時(shí)所用到的計(jì)算機(jī)思想就是插值法9。即當(dāng)ADC0809的輸入與輸出特性為非線性時(shí)，可以用一個(gè)單調(diào)非線性函數(shù)來表示。將x的值分成幾個(gè)小段區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的端點(diǎn)都對就一個(gè)輸出，把這些、編成表格存儲(chǔ)起來。實(shí)際的測量值一定會(huì)落在某個(gè)區(qū)間內(nèi)，即&

34、lt;<。插值法的思想就是用一段簡單的曲線近似代替這段區(qū)間的實(shí)際曲線，然后用近似曲線公式計(jì)算出。是對ADC0809的操作流程圖。開始初始化ADC0809（1）發(fā)送ADC0809（1）地址啟動(dòng)ADC0809（1）發(fā)送讀A/D命令讀A/D發(fā)送ADC0809（2）地址啟動(dòng)ADC0809（2）發(fā)送讀A/D命令讀A/D：ADC0809操作流程圖 3.2單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)3.2.1 MCS-51單片機(jī)所謂的單片機(jī)就是把中央處理器CPU、存儲(chǔ)器ROM/RAM、輸入輸出接口電路以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等部件制作在一塊集成電路芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)單片微型計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)把各種功能部件集成在一塊芯片上

35、，因此它的結(jié)構(gòu)緊湊、超小型化、可靠性高、價(jià)格低廉、易于開發(fā)應(yīng)用。MCS-51單片機(jī)包括8031、8051、8751等很多型號(hào)，其代表型號(hào)為8051。單片機(jī)本課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的核心采用的是AT89S51單片機(jī)，它是一個(gè)低功耗、高性能的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有4kBytesISP的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元。它具有以下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）

36、口，5個(gè)中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)有時(shí)鐘振蕩器。HMOS制造工藝的MCS-51單片機(jī)都采用40引腳的雙列直插（DIP）方式，CHMOS制造工藝的80C31/80C51除采用DIP封裝方式外，還采用PLCC方形的封裝方式。圖3-4是AT89S51的PDIP封裝引腳圖10。AT89S51的PDIP封裝其中，有主電源引腳，外接晶體引腳XTAL1和XTAL2，控制引腳、ALE/、，輸入輸出接口P0P3。 時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路AT89S51單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)是單片機(jī)內(nèi)部各種各樣的微小操作的

37、時(shí)間基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，控制器按照指令的功能產(chǎn)生一系列在時(shí)間上有一定次序的信號(hào)，這些信號(hào)用來控制相關(guān)的邏輯電路工作，實(shí)現(xiàn)指令的功能。復(fù)位對單片機(jī)來說，是程序還沒開始執(zhí)行，是在做準(zhǔn)備工作。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上對復(fù)位電路設(shè)計(jì)成上電復(fù)位加手動(dòng)復(fù)位。這樣使用起來比較方便，就算是在程序“跑飛”時(shí)，也可以手動(dòng)復(fù)位，不用再重起單片機(jī)電源。其Protel DXP電路圖如圖 11。AT89S51復(fù)位與晶振電路 3.3總體電路系統(tǒng) 報(bào)警設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，在ST89S51單片機(jī)的P1.0口外接一個(gè)LED二極管作為對濕度測控的報(bào)警輸出。當(dāng)濕敏元件HS1101對室內(nèi)的濕度檢測時(shí)，達(dá)到某個(gè)值，就會(huì)在P1.0端口輸出高電平，使得LED

38、發(fā)亮，以及時(shí)通知工作人員進(jìn)行相關(guān)的操作。其電路原理圖如圖所示。：系統(tǒng)報(bào)警電路 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)的HS1101傳感器濕度測控系統(tǒng)，主要由幾個(gè)部分組成：傳感器數(shù)據(jù)采集電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，LED報(bào)警電路，單片機(jī)主板電路等。其程序流程圖如圖所示。開始初始化讀濕度濕度轉(zhuǎn)換濕度比較圖系統(tǒng)總流程圖從流程圖可以知道，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中包括了幾個(gè)子程序：讀濕度子程序，濕度轉(zhuǎn)換子程序，計(jì)算濕度子程序，比較子程序。本系統(tǒng)的部原理圖如圖4-8所示下面對本次設(shè)計(jì)的總電路進(jìn)行說明。首先，AT89S51單片機(jī)具有許多特點(diǎn)，其功能強(qiáng)大、I/O接口多，但其內(nèi)部的數(shù)據(jù)暫存存儲(chǔ)器的空間其實(shí)是比較小的，當(dāng)用于多位的外圍外接芯

39、片時(shí)，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部RAM使用不足的狀況。所以，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到目前只是計(jì)劃應(yīng)用于較小的機(jī)房中，監(jiān)測點(diǎn)不多，因此本文沒有對片內(nèi)RAM進(jìn)行擴(kuò)展或是改換單片機(jī)的型號(hào)。在實(shí)際編程中實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能應(yīng)該沒有太大的障礙。AT89S51具有4個(gè)I/O接口，它們分別是P0口、P1口、P2口和P3口。本文進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)只是用到了其中的部分接口，與本系統(tǒng)的其它部分進(jìn)行連接，分別實(shí)現(xiàn)了不同的功能。例如：P1.0口通過電阻用于LED的外接；P2.0和P0所有接口接ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器等等。8051的接口通過非門與ADC0809的EOC接口相接，通過兩個(gè)或非門跟ADC0809的START、ALE和OE相連，這樣就可

40、以使得8051可以通過讀寫控制線來控制輸入通道地址的鎖存、啟動(dòng)和輸出允許。NE555電路中的參數(shù)選擇為：R11K、R2499K、R3576K、R4909K。其中R1與555的頻率輸出引腳相連，起輸出短路保護(hù)作用，防止輸出電流過大。R4是用作555定時(shí)器內(nèi)部溫度補(bǔ)償?shù)?，其?yīng)該具有1%的精度。由于這里采用的是Texas Instruments生產(chǎn)的NE555，所以根據(jù)微調(diào)R4和R3取值分別為909K和576K。：系統(tǒng)總原理圖 3.4電路PCB版圖設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)所用到的電路圖，是在Protel DXP 2004軟件中進(jìn)行畫圖的，Protel DXP 2004是目前新一代完整的板級設(shè)計(jì)工具，它是Altiu

41、m公司2004年的最新產(chǎn)品。本原理圖在Protel中進(jìn)行編譯后，然后確定元件的封裝沒有問題，再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)表的制作。本設(shè)計(jì)的PCB版圖是直接從生成的網(wǎng)絡(luò)表直接載入的，載入元件封裝后，再進(jìn)行元件的布局。元件的布局一般從以下幾個(gè)方面考慮：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. 重量太大的元件要有支架固定。3. 易發(fā)熱元件要遠(yuǎn)離熱敏元件。4. 對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容、微動(dòng)開關(guān)等可調(diào)元件的布局要考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。5. 預(yù)留出電路板的安裝孔和支架的安裝孔。6. 信號(hào)遵循從左邊進(jìn)入、從右邊輸出，從上邊輸入、從下邊輸出。本設(shè)計(jì)所用的PCB版圖如圖3-9所示：圖：系統(tǒng)PCB版

42、圖系統(tǒng)的PCB版圖所用的是二層布線，用的是Protel自帶的自動(dòng)布線工具。用Protel軟件里面的3D效果圖工具可以得到下面的圖：系統(tǒng)3D效果圖本設(shè)計(jì)的電路中所用到的元件的實(shí)物照片如下所示：晶振 集成與非門 ADC0809 NE555 AT89S51 HS1101 ：系統(tǒng)所用元件的實(shí)物圖 第四章：單片機(jī)與PC間的串行通訊 4.1RS-232-C接口計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間或計(jì)算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。其中串行通訊基于它本身的使用線路少、成本低等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。RS-2323-C接口是目前最為常用的一種串行通訊接口。它是1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）聯(lián)合

43、貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)采用25個(gè)引腳的連接器其電氣特性是：邏輯“1”，-5-15V；邏輯“0”，+5+15V。噪聲容限為2V。其物理特性有：傳輸線采用屏蔽雙絞線，傳輸電纜的長度最大為50英尺。RS-232-C接口也有其不足的地方，主要有：接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片；傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20Kbps；接口的共地傳輸模式容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性比較弱；傳輸距離有限等。 4.2單片機(jī)和PC通信連接PC機(jī)作為上位機(jī)，它是對單片機(jī)進(jìn)行各種各樣的管理和控制的。本系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)和編程過程中，對A

44、T89S51和PC機(jī)的通信采用了單電源電平轉(zhuǎn)換器ICL232。對于AT89S51的發(fā)送和接收，其間的通訊協(xié)議如下10：1. 通訊波特率為4800b/s，晶振為12MHz，其中T1為方式2,可以計(jì)算得到TH1為F3H和SMOD為1。2. 系統(tǒng)采用串行口方式3,字符格式為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位（低位在前）、1位停止們和TB8=0。3. 發(fā)送或接收數(shù)據(jù)塊起始地址存放單元為41H和40H，其中41H為數(shù)據(jù)塊起始地址高字節(jié)存放單元，40H為數(shù)據(jù)塊起始地址低字節(jié)存放單元；數(shù)據(jù)塊長度存放單元為32H和31H，其中32H為數(shù)據(jù)塊長度高字節(jié)存放單元，31H為數(shù)據(jù)塊長度低字節(jié)存放單元。4. 8051串行口以中斷方

45、式進(jìn)行發(fā)送和接收，發(fā)送時(shí)先發(fā)數(shù)據(jù)塊起始地址低字節(jié)和高字節(jié)，然后發(fā)送數(shù)據(jù)塊長度的低字節(jié)和高字節(jié)，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)長度高字節(jié)和低字節(jié)由主程序在發(fā)送前先調(diào)入R2和R3中。其發(fā)送和接收子程序的流程圖如圖所示。標(biāo)記寄存器R2初始化定時(shí)器T1為方式2設(shè)定T1初值啟動(dòng)T1工作串行口為方式3開中斷等待串行口中斷標(biāo)記寄存器R2初始化定時(shí)器T1為方式2設(shè)定T1初值啟動(dòng)T1工作串行口為方式3，允許接收并開中斷等待串行口中斷（a）發(fā)送子程序流程圖 （b）接收子程序流程圖 ：RS232發(fā)送與接收流程圖本系統(tǒng)在Keil uVision2中使用匯編程序來對發(fā)送和接收子程序?qū)懗龊唵蔚某绦蚯鍐巍０l(fā)送子程序的清單：ORG 10

46、00HMOV R0,#03HORL PCON,#80H ;設(shè)定SMOD1MOV TMOD,#20H ;設(shè)定T1為方式2MOV TH1,#0F3H ;設(shè)定T1值MOV TL1,#0F3HSETB TR1 ;啟動(dòng)T1工作MOV SCON,#0E0H ;串行口方式3,禁止接收MOV IE,#90H ;開串行口中斷MOV SBUF,#77 ;數(shù)據(jù)塊始址送發(fā)送緩沖器WAIT1: JB ES,WAIT1 ;等待串行口中斷RET接收子程序的清單：MOV R0,#03H MOV TMOD,#20H ;設(shè)定T1為方式2MOV TH1,#0F3H ;設(shè)定T1初值MOV TL1,#0F3H SETB TR1MOV SCON,#0FOH ;啟動(dòng)T1工作MO