糧食干燥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PAGE長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文摘要我國(guó)是產(chǎn)糧大國(guó)，水分是糧食存儲(chǔ)的關(guān)鍵的參數(shù)，因此糧食的烘干成為一個(gè)非常重要的問(wèn)題。本文主要研究基于89C51單片機(jī)作為模糊推理機(jī),系統(tǒng)采用模糊控制算法，解決了因溫度變化緩慢引起系統(tǒng)超調(diào)問(wèn)題。首先塔式烘干機(jī)將進(jìn)糧的閥門打開(kāi)，當(dāng)料位傳感器檢測(cè)到糧食達(dá)到指定的位置時(shí)，閥門將被關(guān)閉。此時(shí)加熱風(fēng)機(jī)進(jìn)行對(duì)流加熱，溫度和濕度傳感器采集信號(hào)，顯示屏上實(shí)時(shí)顯示糧食的溫濕度。當(dāng)糧食達(dá)到所需要的溫濕度時(shí)，出糧口的閥門打開(kāi),糧食運(yùn)送到外面進(jìn)行緩蘇，最后糧食送入糧倉(cāng)儲(chǔ)藏?？偠灾?，塔式烘干機(jī)對(duì)溫、濕度信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)顯示糧食的溫度和濕度，實(shí)現(xiàn)烘干系統(tǒng)及人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，使其滿足實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的需要。在整個(gè)烘干過(guò)程中，熱風(fēng)對(duì)流穿透糧層，完成熱交換后經(jīng)排風(fēng)口排出。整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、操作方便、安全。關(guān)鍵詞：模糊控制單片機(jī)烘干機(jī)溫度傳感器TitleThedryeroffoodAbstractBecauseofourcountryisamajorgrain-producingandthewateristhekeytofoodstorageparameters,sothegraindryinghasbecomeaveryimportantproblem.Thesystemisbasedonthesingle-chipcomputer,89C51,asafuzzyinferenceengine,whichadoptfuzzy-controlalgorithm.Firstly,thetowerdryeropenthevalve，acertainlocationthefoodreached,whichfoundbythemateriallevelsensor,thevalvewillbeclosed.Atthispoint,theheatingfanisstartedtoheatthefoodconvectively，andthetemperatureandhumiditysensorsstarttowork，thetemperatureandhumidityoffoodwillbeshownonthescreenatthesametime。Whenthegrainmeettherequiredtemperatureandhumidity，itpayoutofthevalveopeningtotheoutsidefooddeliveriesforreliefSu.Finally，therainisdeliveredintothebarntostore.Inaword,thetowerdryercollectthetemperatureandhumiditysignal，showthetemperatureandhumiditywhilerealtime,achievingtherequirementofthedesignindryingsystemandthedesignofman-machineinterface.Throughoutthedryingprocess,theheatingwindflowfromtoptobottomofthegrain,whentheheatexchangehasbeencompletedexitfromexhaustvents.Theentiresystemhasahighdegreeofautomation，easyandsafetyoperation.Keywords:Fuzzy-controlsingle-chipcomputerdryertemperaturesensor長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文目錄摘要 ITitleThedryeroffood II第一章緒論 11.1課題來(lái)源及意義 11.2糧食烘干機(jī)發(fā)展概況 11.3熱風(fēng)塔式糧食烘干機(jī)的原理及工藝 21.3.1烘干原理 21.3.2主要結(jié)構(gòu) 21.3.3工藝特點(diǎn) 21.3.4工藝流程 31.3.5工藝要求 31.4熱風(fēng)塔式糧食烘干機(jī)的模糊控制系統(tǒng)組成 31.5模糊控制用于熱風(fēng)塔式糧食烘干機(jī)的原因 4第二章方案論證 52.1總體方案的論證 52.1.1單回路控制系統(tǒng) 52.1.2復(fù)雜控制系統(tǒng) 52.1.3新型控制系統(tǒng) 62.1.4模糊控制系統(tǒng) 62.2傳感器的原理及主要技術(shù)參數(shù) 7傳感器的原理 7 82.3溫度傳感器 92.3.1溫度傳感器原理 92.3.2溫度傳感器的選擇 102.4濕度傳感器 102.4.1濕度傳感器原理 102.4.2濕度傳感器的選擇 112.5單片機(jī)選擇 172.5.1微機(jī)系統(tǒng)選擇論證 172.6控制電路 18第三章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 193.1AT89C51的介紹和特性 19 233.1.2并行口的結(jié)構(gòu) 233.1.3并行口的使用說(shuō)明 253.2溫度傳感器 253.2.1AD590簡(jiǎn)介 25 263.2.3溫度AD590管腳 283.3A/D轉(zhuǎn)換器及其與CPU的接口 303.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 303.3.2引腳排列及各引腳的功能 313.4濕度檢測(cè)電路 323.5顯示部分 323.5.18279的引腳說(shuō)明 323.5.28279的工作方式 333.5.38279的控制命令 343.5.48279數(shù)據(jù)的輸入輸出 353.6報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 363.7風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和加熱驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì) 373.7.1風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 373.7.2加熱驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 383.8系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 403.9復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 41第四章控制算法 424.1模糊控制的基本理論 424.2模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) 424.3糧食烘干過(guò)程的模糊控制算法實(shí)現(xiàn) 434.4模糊控制器的設(shè)計(jì) 434.5輸入量的模糊化 434.6控制輸出的模糊化 444.7模糊關(guān)系矩陣與決策 45第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 475.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn) 475.2糧食烘干系統(tǒng)的主程序 475.2.1主程序流程圖 475.3烘干計(jì)時(shí)中斷子程序流程圖 485.4PWM波形產(chǎn)生子程序流程圖 495.5溫度檢測(cè)及模糊控制子程序流程圖 49總結(jié) 50致謝 51參考文獻(xiàn) 52附錄A 53附錄B………………...……...65第一章緒論1.1課題來(lái)源及意義我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于糧食的合理烘干具有深刻意義。它關(guān)系到國(guó)家的發(fā)展和人民生活水平的提高。在目前的情況下，由于糧食烘干技術(shù)水平的落后，導(dǎo)致糧食的溫濕度檢測(cè)存在誤差，這已成為制約糧食烘干的重要不良因素。近年來(lái)，我國(guó)的糧食烘干機(jī)在技術(shù)上取得了很大的發(fā)展，特別在溫度和濕度控制等方面已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為糧食的合理貯藏做出了積極貢獻(xiàn)。但我們也應(yīng)清醒地看到存在的制約因素，一次性投資大，投資回收期較長(zhǎng)。為了解決這些問(wèn)題，確保貯糧安全，我們根據(jù)當(dāng)前測(cè)控水平，設(shè)計(jì)了一套方案，即熱風(fēng)塔式糧食烘干機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。1.2糧食烘干機(jī)發(fā)展概況國(guó)外糧食干燥機(jī)械的研究起步于上世紀(jì)40年代，到50～60年代基本實(shí)現(xiàn)了谷物干燥機(jī)械化，60～70年代谷物干燥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，70～80年代向高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、降低成本、電腦控制方向發(fā)展，同時(shí)不斷開(kāi)發(fā)新工藝、新機(jī)型、新能源，在烘干質(zhì)量上也得到重視。糧食干燥機(jī)在美國(guó)、日本、獨(dú)聯(lián)體等國(guó)家應(yīng)用比較普遍。在美國(guó)主要的機(jī)型有中、小型低溫干燥倉(cāng)及大、中型高溫干燥機(jī)，以柴油和液化氣為熱源，采用直接加熱干燥。設(shè)備中一般具有：料位控制，溫度控制及出糧水分控制系統(tǒng)等。日本糧食干燥設(shè)備是從二戰(zhàn)后發(fā)展起來(lái)的，主要發(fā)展適于干燥水稻的中、小型設(shè)備。機(jī)型有：小型固定床式谷物干燥機(jī)，中、小型循環(huán)式谷物干燥機(jī)及大型谷物干燥機(jī)等。采用的熱源是柴油和煤油，少量采用稻殼為燃料。在各干燥設(shè)備中大都裝有較完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在獨(dú)聯(lián)體，大都形成了工廠化生產(chǎn)，有較完善的自控系統(tǒng)，其谷物干燥機(jī)型以大、中型居多，為高溫干燥方式。較普遍地應(yīng)用干、濕糧混合加熱干燥工藝（又稱分流循環(huán)干燥工藝），具有一次降水幅度大、節(jié)能和干燥質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。干燥中采用的熱源是柴油和煤油，為直接加熱干燥。

我國(guó)糧食干燥機(jī)械的發(fā)展是從解放初期仿制日本、蘇聯(lián)等國(guó)外的干燥機(jī)開(kāi)始的。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗用鋼材多、造價(jià)高，不適合當(dāng)時(shí)農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)和體制狀況，僅在大型農(nóng)場(chǎng)和糧庫(kù)有所應(yīng)用。70年代廣東省農(nóng)機(jī)所等科研單位開(kāi)始開(kāi)發(fā)研制適合我國(guó)的中、小型干燥機(jī)型。廣東省農(nóng)機(jī)所研制成功了采用直接加熱型堆放式干燥機(jī)；山東省農(nóng)機(jī)所研制出間接加熱型簡(jiǎn)易谷物干燥機(jī)等共10多個(gè)品種，它們大多適用于農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)連隊(duì)和農(nóng)村生產(chǎn)隊(duì)使用。80年代后，我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)體制開(kāi)始進(jìn)行改革，研制的干燥機(jī)械大多向多用化、小型化方向發(fā)展。1981年由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)機(jī)化所在東北組織了全國(guó)13種機(jī)型糧食干燥設(shè)備的生產(chǎn)對(duì)比試驗(yàn)，初步推薦了一批機(jī)型。在此期間，與干燥機(jī)械密切相關(guān)的干燥熱源的研究也取得了進(jìn)展，相繼研制成功了熱煤氣發(fā)生爐、低熱值汽化爐、稻殼煤氣發(fā)生爐、無(wú)管式熱風(fēng)爐、固體燃料煤氣發(fā)生爐、液化氣熱風(fēng)爐和太陽(yáng)能干燥裝置等。

90年代以來(lái)，隨著農(nóng)村改革的深入發(fā)展，我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力得到較快的發(fā)展，專業(yè)化、集約化的規(guī)模經(jīng)營(yíng)也有新的發(fā)展。特別是大型糧庫(kù)國(guó)有農(nóng)墾系統(tǒng)的種子和糧食生產(chǎn)基地，逐步裝備起成套的谷物干燥設(shè)備，并與倉(cāng)儲(chǔ)、加工等設(shè)施配套，成為我國(guó)糧食烘干機(jī)械的主要應(yīng)用代表。同時(shí)也出現(xiàn)了四川省三臺(tái)烘干機(jī)械廠、遼寧省鐵嶺精工機(jī)械廠、黑龍江紅興隆機(jī)械廠等干燥設(shè)備的專業(yè)化生產(chǎn)廠，涌現(xiàn)出了中國(guó)農(nóng)業(yè)工程研究設(shè)計(jì)院、四川省農(nóng)機(jī)研究院、黑龍江、遼寧的一些農(nóng)機(jī)研究部門以及大專院校等，為糧食干燥技術(shù)研究出了許多成果。1996年起，臺(tái)灣獨(dú)資企業(yè)上海三久機(jī)械有限公司生產(chǎn)的循環(huán)式低溫干燥機(jī)、日本獨(dú)資金子農(nóng)機(jī)（無(wú)錫）有限公司經(jīng)銷的種子專用干燥機(jī)和通用型干燥機(jī)等也進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)，并帶動(dòng)了南方水稻產(chǎn)區(qū)干燥機(jī)械化技術(shù)發(fā)展。雖然這些干燥機(jī)盡管價(jià)格偏高，但由于具有使用性能良好，可靠性、自動(dòng)化程度高，售后服務(wù)周到等特點(diǎn)，依然受到農(nóng)戶的歡迎，市場(chǎng)前景看好?？傊?，糧食干燥技術(shù)的發(fā)展，逐步使烘干機(jī)械走向成熟、完善，同時(shí)也使農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化加快了步伐，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展和科技進(jìn)步。1.3熱風(fēng)塔式糧食烘干機(jī)的原理及工藝1.3.1烘干原理GGHT塔式烘干機(jī)，采用混流式烘干工藝，即利用熱風(fēng)對(duì)流的形式進(jìn)行烘干。在預(yù)熱段，糧食受熱升溫，糧食含水率變化小，干燥速度加快；烘干段，在混流熱風(fēng)的作用下，糧食內(nèi)部水分以氣態(tài)或液態(tài)形式沿毛細(xì)管轉(zhuǎn)移到糧食表面，再由表面蒸發(fā)到干燥介質(zhì)中去；緩蘇段，主要起到緩解糧食直接接觸干燥介質(zhì)、間歇干燥的作用，熱悶一段時(shí)間，平衡糧食內(nèi)外溫濕，消除水分梯度，使糧粒內(nèi)部水分逐漸外移，以免引起爆腰或裂紋；冷卻段，將糧食溫度降到安全溫度這時(shí)的糧食水分基本不變。1.3.2主要結(jié)構(gòu)GGHT塔式烘干機(jī)采用積木式結(jié)構(gòu)，主要由儲(chǔ)糧段、預(yù)熱段、烘干段、緩蘇段、冷卻段、排糧段、機(jī)架組成，配套部分包括熱風(fēng)爐、提升機(jī)、相關(guān)風(fēng)網(wǎng)等。預(yù)熱段、烘干段和冷卻段內(nèi)裝置有角狀盒，呈交替狀并排排列。工作時(shí)糧粒沿著角狀盒的間隙S形曲線向下流動(dòng)，在交替高、低溫氣流的作用下，糧食干燥質(zhì)量好，裂紋少。1.3.3工藝特點(diǎn)(1).采用混流式烘干工藝，對(duì)流熱風(fēng)烘干。從熱風(fēng)和糧食的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)看，相當(dāng)于順流、逆流交替作用。(2).配套設(shè)備熱風(fēng)爐提供的熱空氣，干凈無(wú)污染，確保了糧食的衛(wèi)生要求，保證糧食質(zhì)量。(3).配有自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)熱風(fēng)溫濕度、烘干終點(diǎn)水分實(shí)行自動(dòng)控制。1.3.4工藝流程經(jīng)清理后的糧食由提升機(jī)提升進(jìn)入儲(chǔ)糧段，再經(jīng)預(yù)熱段升溫、預(yù)熱、烘干、緩蘇，再烘干、緩蘇的烘干降水過(guò)程后，然后對(duì)糧食進(jìn)行冷卻降溫，最后進(jìn)入排糧段將糧食排出。預(yù)熱段熱風(fēng)來(lái)源于第二烘干段及冷卻段的熱風(fēng)循環(huán)，這樣可以節(jié)約熱能資源。烘干段與冷卻段分別由熱風(fēng)風(fēng)機(jī)與冷風(fēng)風(fēng)機(jī)打入熱風(fēng)與冷風(fēng)。溢流的糧食從儲(chǔ)糧段的溢流口經(jīng)回流管回流到提升機(jī)。在整個(gè)烘干過(guò)程中，糧食自上而下均勻流動(dòng)，熱風(fēng)對(duì)流穿透糧層，完成熱交換后經(jīng)排風(fēng)口排出。再加上自動(dòng)控制系統(tǒng)，整個(gè)工藝流程自動(dòng)化程度高、操作方便、安全可靠。1.3.5工藝要求熱空氣分布均勻，糧食受熱一致，烘干糧食循環(huán)速度快且干燥均勻，實(shí)時(shí)顯示糧食溫濕度，可調(diào)糧食溫濕度及干燥速度，溫度范圍在5～30℃。1.4熱風(fēng)塔式糧食烘干機(jī)的模糊控制系統(tǒng)組成本文應(yīng)用了在目前性價(jià)比較高的89C51單片機(jī)，來(lái)對(duì)熱風(fēng)塔式烘干機(jī)進(jìn)行微機(jī)控制。并且進(jìn)行了硬件、軟件設(shè)計(jì)。其中，硬件電路主要包括：溫度檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換、掉電檢測(cè)即保護(hù)功能、加熱器驅(qū)動(dòng)、聲光報(bào)警和鍵盤顯示等電路。溫度檢測(cè)部分：本系統(tǒng)采用AD公司生產(chǎn)的AD0808作為溫度傳感器，經(jīng)運(yùn)放后輸入到ADC中。因?yàn)楸疚闹械腁DC速度足夠快，且溫度變化較慢，所以不使用采樣保持器對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。濕度檢測(cè)部分：電容型濕度傳感器(濕敏電容)滿足廣闊的應(yīng)用范圍，優(yōu)良的線性應(yīng)用于高性能領(lǐng)域,基于獨(dú)特半導(dǎo)體制造工藝的電容感濕傳感器.特點(diǎn)：

高性價(jià)比、優(yōu)良的線性。高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性、可用于線性電壓或頻率輸出、快速反映時(shí)間、抗熱抗震。A/D轉(zhuǎn)換：89C51單片機(jī)內(nèi)部沒(méi)有ADC，所以必須外接一個(gè)ADC，使模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再將數(shù)據(jù)輸入到89C51單片機(jī)內(nèi)，供模糊控制器進(jìn)行時(shí)時(shí)檢測(cè)。聲光報(bào)警電路：本系統(tǒng)將聲音，燈光聯(lián)系在一起。若系統(tǒng)發(fā)生故障，聲光發(fā)生器便立即開(kāi)始運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警的功能。顯示及鍵盤電路：本系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)外接鍵盤顯示擴(kuò)展芯片8279驅(qū)動(dòng)8位八段數(shù)碼管顯示及4×4鍵盤。鍵盤平時(shí)顯示時(shí)間和輪流顯示溫度，必要時(shí)可通過(guò)鍵盤上的功能鍵手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，更改時(shí)間日期或控制參數(shù)等。加熱器電路：本系統(tǒng)加熱采用大功率的電熱絲與風(fēng)機(jī)加熱，鑒于直流電機(jī)的功率限制和生產(chǎn)工藝要求。采用兩路送熱風(fēng)的方式烘干。由于本系統(tǒng)采對(duì)電加熱部分采用了微機(jī)控制系統(tǒng)，故具有較高的控制操作性、提高了生產(chǎn)效率、改善了工作環(huán)境，并且會(huì)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，因而會(huì)在各種糧食烘干中得到更為廣泛的應(yīng)用。并且，隨著“51系列單片機(jī)”的快速發(fā)展，研究利用51系列單片機(jī)會(huì)更加具有實(shí)踐意義，也可以說(shuō)是有著更為廣泛的應(yīng)用前景。1.5模糊控制用于熱風(fēng)塔式糧食烘干機(jī)的原因所謂模糊控制既不是指被控對(duì)象是模糊的，也不是指控制器是不確定的，它是指在表示知識(shí)、概念上的模糊性。雖然模糊控制算法是通過(guò)模糊語(yǔ)言描述的，它所完成的任務(wù)卻是一項(xiàng)完全確定的工作。模糊控制理論是控制領(lǐng)域中的非常有發(fā)展前途的一個(gè)分支，這是由于模糊控制具有許多傳統(tǒng)控制無(wú)法與之比擬的優(yōu)點(diǎn)。其中主要是：（1）.使用語(yǔ)言方法，可不需要掌握過(guò)程的精確數(shù)學(xué)模型，而語(yǔ)言方法卻是一種很方便的近似。對(duì)于具有一定操作經(jīng)驗(yàn)，而非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握。操作人員易于通過(guò)人的自然語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系，這些模糊條件語(yǔ)句很容易加入到過(guò)程的控制環(huán)節(jié)上。（2）.采用模糊控制，過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)PID控制，并對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。通常塔式熱風(fēng)烘干機(jī)為PID控制算法，對(duì)于不同的糧食需要調(diào)節(jié)的控制參數(shù)不一樣，而且對(duì)于溫度控制，往往為相對(duì)緩慢的變化，如果采用PID算法，超調(diào)量很難控制且整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算和調(diào)節(jié)的工作量非常巨大。鑒于模糊控制的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，模糊邏輯可以使電子計(jì)算機(jī)模擬人的直覺(jué)，并依據(jù)不確切的信息作出決定，這是下一代工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)。模糊邏輯使用是主觀的，面向語(yǔ)言的知識(shí)，例如操作人員的專門知識(shí)，而不是復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，它基本上是以規(guī)劃為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)，工作起來(lái)速度非?？?，而且模擬人的判斷力效率非常高。因此，在熱風(fēng)塔式烘干中應(yīng)用模糊控制具有充分的理論依據(jù)。第二章方案論證現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程控制是不可缺少的重要組成部分，為了克服外界擾動(dòng)，穩(wěn)定生產(chǎn)，使其工況最優(yōu)化，提高產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)量；為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益；為了安全生產(chǎn)，改善勞動(dòng)條件，保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等，需在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)溫度，壓力，流量，液位，濕度等等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，要達(dá)到上述目的，根據(jù)自動(dòng)控制理論過(guò)程控制系統(tǒng)首先必須是穩(wěn)定的，這是一個(gè)最基本的要求，除了滿足絕對(duì)穩(wěn)定性外，系統(tǒng)還必須具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕量；其次系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)衰減振蕩過(guò)程，但過(guò)渡過(guò)時(shí)間要短余差要小等。在工程上這些要求往往是互相矛盾的。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，分清主次，以保證滿足最重要的質(zhì)量指標(biāo)要求。2.1總體方案的論證2.1.1單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)是指只有一個(gè)測(cè)量變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)調(diào)節(jié)閥連同被控過(guò)程，對(duì)一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行控制的反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)圖2-1單回路控制系統(tǒng)框圖由于單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，易于調(diào)整合投運(yùn)，有能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制要求，因此應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于擾動(dòng)變化相對(duì)緩慢，或系統(tǒng)純時(shí)延較小的系統(tǒng)中。2.1.2復(fù)雜控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)解決了工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的大量的參數(shù)定位控制問(wèn)題。它是過(guò)程控制中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、最基本、應(yīng)用最廣泛的一種形式。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對(duì)于某些比較復(fù)雜的過(guò)程或者生產(chǎn)工藝、經(jīng)濟(jì)效益、安全運(yùn)行、環(huán)境保護(hù)等要求更高的場(chǎng)合，單問(wèn)路控制系統(tǒng)往往滿足不了上述要求。為了提高控制品質(zhì)，在單回路控制方案的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)應(yīng)用諸如串級(jí)、前饋，大延時(shí)控制等一類的較復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。2.1.3新型控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)和常用復(fù)雜控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，它們?cè)诔Ｒ?guī)儀表時(shí)代得到了廣泛的應(yīng)用，解決了生產(chǎn)過(guò)程中大部分的控制問(wèn)題。但仍有許多控制問(wèn)題是常規(guī)控制系統(tǒng)無(wú)法有效解決，甚至無(wú)法解決的。因此，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，以狀態(tài)空間法為理論基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論將傳統(tǒng)的單輸入單輸出系統(tǒng)發(fā)展到多輸入多輸出系統(tǒng)領(lǐng)域，對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用；與此同時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展，特別是微處理器芯片的發(fā)明，使得集散控制(DCS)和可編程邏輯控制器(PLC)等計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)迅速成為控制裝置的主流。由于廣泛采用了計(jì)算機(jī)控制，在常規(guī)儀表中難以實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算算法等難題得到了有效的解決，因此，各類新型控制系統(tǒng)紛紛從理論研究進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。隨著生產(chǎn)的迅速發(fā)展，過(guò)程工業(yè)逐漸趨于大型化和精細(xì)化，生產(chǎn)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性也在不斷地增加，這就對(duì)自動(dòng)控制提出了更高的要求。而當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的是簡(jiǎn)單控制和常見(jiàn)的復(fù)雜控制系統(tǒng)，對(duì)于一些過(guò)程特性復(fù)雜的系統(tǒng)若只采用簡(jiǎn)單的PID控制往往達(dá)不到滿意的控制效果，因而對(duì)于新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制算法的需要也就變得尤為迫切。從20世紀(jì)70 年代以來(lái)，廣大的科學(xué)工作者、工程技術(shù)人員不斷探索新的理論與方法，除了加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的建模、系統(tǒng)辯識(shí)、自適應(yīng)控制、魯律控制(RobustControl)等的研究外，他們開(kāi)始打破傳統(tǒng)控制思想的束縛，試圖面向工業(yè)過(guò)程的特點(diǎn)，尋找各種對(duì)模型要求低、在線計(jì)算方便、控制綜合效果好的基于模型的控制算法，并逐步形成了以現(xiàn)代控制理論和人工智能為理論基礎(chǔ)的多種新型控制系統(tǒng)。新型控制系統(tǒng)主要可以分為三大類。一是面向復(fù)雜特性系統(tǒng)的幾種解決方案，如被控變量和主要擾動(dòng)不可測(cè)量時(shí)的推理控制，過(guò)程間有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)時(shí)所采用的解禍控制以及過(guò)程有較大時(shí)滯時(shí)的時(shí)滯補(bǔ)償控制等；二是以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的多變量控制系統(tǒng)，它包括了自適應(yīng)控制和預(yù)測(cè)控制等；第三是介紹近年來(lái)倍受關(guān)注的幾類智能控制系統(tǒng)。這些控制算法在復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程控制中都得到了成功的應(yīng)用，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。2.1.4模糊控制系統(tǒng)在上面所介紹的過(guò)程控制各種方案中，都必須建立被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。由于被控過(guò)程的多樣性、復(fù)雜性、時(shí)變與非線性等因素，要建立精確的數(shù)學(xué)模型目前仍是困難的。在有些計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)中，由于模型本身不精確，其控制效果亦不理想。但是有些人(如1974年英國(guó)E.H.Mamdani)根據(jù)1965年由美國(guó)自動(dòng)控制理論專家L．A．Zadeh首次提出的模糊集合(FUzzySets)理論用Fuzzy控制語(yǔ)句組成Fuzzy控制器，用于鍋爐和蒸汽機(jī)的自動(dòng)控制在實(shí)驗(yàn)室獲得了成功。隨著模糊數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，模糊控制在各個(gè)領(lǐng)域(如自控、信息檢測(cè)、醫(yī)學(xué)等)中，得到了愈來(lái)愈多的成功應(yīng)用和發(fā)展。模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。通常對(duì)十一類缺乏精確數(shù)學(xué)模型的被控過(guò)程，采用模糊集合的理論，總結(jié)人們對(duì)系統(tǒng)的操作和控制經(jīng)驗(yàn)，用模糊條件語(yǔ)句寫出控制規(guī)律，再用算法語(yǔ)言來(lái)編寫程序，按此程序?qū)ιa(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。模糊控制與常規(guī)的控制方案相比主要特點(diǎn)有：(1).模糊控制只要求掌握現(xiàn)場(chǎng)操作人員或有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)或操作數(shù)據(jù)，不需要建立過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，所以適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控過(guò)程，或其結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定等場(chǎng)合。(2).模糊控制是一種語(yǔ)言變量控制器，其控制規(guī)則只用語(yǔ)言變量的形式定性地表達(dá)，不用傳遞函數(shù)與狀態(tài)方程，只要對(duì)人們的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，進(jìn)而從中提煉出規(guī)則，直接給出語(yǔ)言變量，再應(yīng)用推理方法進(jìn)行觀察與控制。(3).系統(tǒng)的適應(yīng)性強(qiáng)，尤其適用于時(shí)變、非線性、延時(shí)系統(tǒng)的控制。(4).從不同的觀點(diǎn)出發(fā)可以設(shè)計(jì)不同的目標(biāo)函數(shù)，其語(yǔ)言控制規(guī)則分別是獨(dú)立的，但是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可得到總體的協(xié)調(diào)控制。圖2—2所示為模糊控制系統(tǒng)原理框圖。它由模糊控制器(實(shí)際上是單片機(jī))，I/0接口裝置（包含A/D、D/A轉(zhuǎn)換及電瓶轉(zhuǎn)換電路）、廣義被控過(guò)程和傳感器。圖2-2模糊控制系統(tǒng)原理框圖綜上所述，由于糧食烘干機(jī)采集溫濕度時(shí)間較長(zhǎng)，這樣系統(tǒng)存在超調(diào)，而且參數(shù)時(shí)實(shí)改變，精確的數(shù)學(xué)模型也不好確定等等，基于以上種種原因本系統(tǒng)采用模糊控制系統(tǒng)。2.2傳感器的原理及主要技術(shù)參數(shù)傳感器的原理（1）.極限參數(shù)最高工作溫;是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的條件下,長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許的上限溫度。一般規(guī)定PN結(jié)溫度傳感器的最高工作溫度為200℃。（2）.線性度PN結(jié)溫度傳感器的線性度是描述傳感器的輸出電壓值隨溫度變化的直線程度。PN結(jié)溫度傳感器在－50℃～200℃范圍內(nèi)，典型線性程度數(shù)值為0.5%。（3）.靈敏度PN結(jié)溫度傳感器的靈敏度是指在規(guī)定的條件下,環(huán)境溫度每變化1℃時(shí),其輸出電壓的變化值,用ST表示,單位是mv/℃。它的典型數(shù)值為2.10mv/℃。（4）.標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的條件下，在特定的溫度場(chǎng)合所測(cè)得的輸出電壓值通常傳感器生產(chǎn)廠家給出最低Tmin,最高工作溫度Tmax，中間溫度1/2(Tmax+Tmin)下的電壓可以使用廠家應(yīng)用,如在0～100℃的溫度區(qū)內(nèi),通常有Ｖ0℃=680.0mv；Ｖ50℃=575.0mv;Ｖ100℃=470.0mv。有時(shí)只給出理想擬合直線上的一點(diǎn)溫度――電壓對(duì)應(yīng)數(shù)值。然后根據(jù)靈敏度就可以計(jì)算出任一溫度點(diǎn)的電壓值，其誤差不超過(guò)線性度所規(guī)定的范圍。標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓的數(shù)值大小，主要取決于所選擇的硅材料的電阻率（電阻率越低，輸出電壓越大）和材料的少數(shù)載流子壽命（壽命越短，輸出電壓越高）。（5）.互換偏差互換偏差是指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的條件下,對(duì)于同一確定的理想擬合直線,每一支傳感器的V-T曲線與該直線的最小偏差,這個(gè)電壓偏差通常按-2.10mv/℃折合成溫度來(lái)表示?；Q偏差是指描述傳感器之間的互換程度的一個(gè)重要指標(biāo)，根據(jù)使用的精度不同，一般規(guī)定四個(gè)互換檔次，A檔的互換偏差不大于±1.5℃;B檔不大于±1.0℃,C檔不大于±0.5℃,D檔不大于±0.3℃。互換偏差主要取決于材料的電阻率的均勻一致性好壞，制造器件的工藝水平及工藝水平控制的一致性，重復(fù)性好壞。（6）.時(shí)間常數(shù)PN結(jié)溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)，是描述傳感器的動(dòng)態(tài)特性的一個(gè)參數(shù)，它的定義應(yīng)該適用熱敏電阻器關(guān)于時(shí)間常數(shù)的定義，即傳感器在零功率測(cè)試條件下（自熱忽略或自熱很?。?dāng)環(huán)境溫度發(fā)生突變時(shí)，傳感器芯片所感受到的溫度變化量為從起始到最終的變量的63.2%所需的時(shí)間。它反映了傳感器對(duì)溫度的敏感程度，也就是對(duì)快速變化的溫度信號(hào)的敏感程度，即響應(yīng)快慢，特別是對(duì)于測(cè)量脈沖溫度，脈動(dòng)流速及精密控溫等應(yīng)用場(chǎng)合，該參數(shù)的大小尤為重要，由于傳感器的形狀結(jié)構(gòu)，材料，封裝方式的不同，它的時(shí)間常數(shù)相差很大，從零點(diǎn)幾秒到幾分不等。（7）.穩(wěn)定度PN結(jié)溫度傳感器的穩(wěn)定度是描述傳感器在各種使用條件下保持原有特性的能力的參數(shù)，它定義為輸出電壓的年變化率或折合成溫度值后所對(duì)應(yīng)的溫度的年變化率。通過(guò)幾年的應(yīng)用與考核，傳感器的穩(wěn)定度不大于0.05℃而且呈波動(dòng)狀態(tài)。（8）.耗散功率耗散功率是指?jìng)鞲衅髟跍y(cè)試的條件下，PN結(jié)所消耗的功率，它的計(jì)算視溫度點(diǎn)而異。在某溫度T0,傳感器輸出電壓為VT0，設(shè)傳感器通以恒定電流I0則耗散功率為ＰT0=VT0,例如在0℃時(shí)，給傳感器通以100μA恒定電流，其輸出電壓為ＶT0=680.00mV,則傳感器在0℃時(shí)的耗散功率為，功率損耗，主要以自然的方式出現(xiàn)，所以這個(gè)參數(shù)描述了傳感器產(chǎn)生自然的程度，很顯然，傳感器產(chǎn)生較大的自熱后對(duì)于測(cè)試精度將有較大的影響。2.3溫度傳感器2.3.1溫度傳感器原理在本設(shè)計(jì)中，需要對(duì)糧食烘干溫度進(jìn)行測(cè)量，本著適用又經(jīng)濟(jì)的原則，我們根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要選擇PN結(jié)溫度傳感器WM01。同其它各類型溫度傳感器相比較，線性度好，響應(yīng)快，靈敏度高，內(nèi)阻低，功耗小，穩(wěn)定度高，互換偏差小。（1）.線性度好PN結(jié)溫度傳感器是電壓轉(zhuǎn)換型溫度傳感器，在正向不變的條件下，其正向電壓隨溫度近似線性變化。在－50～+50℃的溫度范圍內(nèi)線性度為0.3%,既在0～+50℃溫度范圍內(nèi)線性偏差<0.15％，其線性度比熱敏電阻高50倍以上，長(zhǎng)年使用可靠。熱敏電阻與PN結(jié)溫度傳感器特性曲線圖見(jiàn)圖。（2）.靈敏度高PN溫度傳感器的電壓值小于0.1℃，比普通的工業(yè)電阻高100倍，它可以在其有強(qiáng)磁干擾環(huán)境下，獲得很高的測(cè)溫精度。（3）.響應(yīng)速度快適應(yīng)性強(qiáng)PN結(jié)溫度傳感器由于其基片體積?。ū葻崦綦娮栊?倍），工藝技術(shù)可靠，不僅響應(yīng)速度快，而且也增加了耐腐蝕性能，長(zhǎng)期埋入糧堆或施藥，熏蒸都不會(huì)損壞。反應(yīng)速度比鉑電阻快20倍。（4）.穩(wěn)定度高PN結(jié)溫度傳感器輸出的年變化折合成溫度值后，所對(duì)應(yīng)溫度年變化率不大于0.05℃,而且是波動(dòng)狀態(tài)，長(zhǎng)期使用穩(wěn)定可靠。（5）.互換偏差小PN結(jié)溫度傳感器的生產(chǎn)制造工藝控制過(guò)程較嚴(yán)，與糧食測(cè)溫的T型溫度傳感器互換偏差不大于0.5℃，能保持較好的一致性和重復(fù)性。（6）.內(nèi)阻低，功耗小PN結(jié)溫度傳感器的功耗僅在70μW左右，其中的工作電流在100μA左右。在設(shè)計(jì)中，不必單設(shè)電源。圖2-3PN結(jié)溫度傳感器特性曲線圖2.3.2溫度傳感器的選擇溫度傳感器有很多種類：熱電偶，熱電阻，半導(dǎo)體溫度傳感器和紅外線測(cè)溫儀等。在眾多的溫度傳感器中，由于我們所采集的信號(hào)是空氣溫度，所以我們選擇半導(dǎo)體溫度傳感器，這里我們考慮AD590和DS1820這兩種。方案一：采用DS18B20串行溫度傳感器。該傳感器精度高，抗干擾能力強(qiáng)，反應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng)。方案二：采用AD590，它的測(cè)溫范圍在-55℃～+150℃之間，而且精度高.M檔在測(cè)溫范圍內(nèi)非線形誤差為±0.3℃?？梢猿惺?4V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。方案一與方案二比較,方案一反應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng),方案二具有較高的性價(jià)比，所以選擇方案二。2.4濕度傳感器2.4.1濕度傳感器原理（1）.大氣的濕度及露點(diǎn)地球表面的大氣層是由78%的氮?dú)狻?1%的氧氣和一小部分二氧化碳、水汽以及其他一些惰性氣體混合而成的。由于地面上的水量在不停地變化，而水份的蒸發(fā)及凝結(jié)的過(guò)程總是伴隨著吸熱和放熱，因此大氣中的水汽的多少影響了大氣的濕度。大氣的干濕程度，通常是用大氣中水汽的密度來(lái)表示的。即每1m3大氣所含水汽的克數(shù)來(lái)表示，它稱為大氣的絕對(duì)濕度。要想直接測(cè)量出大氣的水汽密度，方法比較復(fù)雜。而理論計(jì)算表明，在一般的氣溫條件下，大氣的水汽密度，與大氣中水汽的壓強(qiáng)數(shù)值十分接近。所以大氣的水汽密度又可以規(guī)定為大氣中所含水汽的壓強(qiáng)，又把它稱為大氣的絕對(duì)濕度，用符號(hào)D表示，常用的單位是mmHg。。在許多與大氣的濕度有關(guān)的現(xiàn)象里，如農(nóng)作物的生長(zhǎng)綿紗的斷頭以及人們的感覺(jué)等等，都與大氣的絕對(duì)濕度沒(méi)有直接的關(guān)系，主要與大氣中的水汽離飽和狀態(tài)的遠(yuǎn)近程度有關(guān)。比如，同樣是6mmHg的絕對(duì)濕度，如果在炎熱的夏季中午，由于離當(dāng)時(shí)的飽和水汽壓（31.38mmHg）尚遠(yuǎn)，使人感到干燥，如果是在初冬的傍晚，由于水汽壓接近當(dāng)時(shí)的飽和水汽壓（18.05mmHg）而使人感到潮濕。因此通常把大氣的絕對(duì)濕度跟當(dāng)時(shí)氣溫下飽和水汽壓的百分比稱為大氣的相對(duì)濕度，即：（公式2-1）式中H——相對(duì)濕度(RH)D——大氣的絕對(duì)濕度（mmHg）Ds——當(dāng)時(shí)氣溫下的飽和水汽壓（mmHg）上式表明，若大氣中所含水汽的壓強(qiáng)等于當(dāng)時(shí)氣溫下的飽和水汽壓時(shí)，這時(shí)大氣的相對(duì)濕度等于100%RH。露點(diǎn):降低溫度可以使未飽和水汽變成飽和水汽。露點(diǎn)就是指使大氣中原來(lái)所含有的未飽和水汽變成飽和水汽所必須降低的溫度。因此只要能測(cè)出露點(diǎn)，就可以通過(guò)一些數(shù)據(jù)表查得當(dāng)時(shí)大氣的絕對(duì)濕度。當(dāng)大氣中的未飽和水汽接觸到溫度較低的物體時(shí)，就會(huì)使大氣中的未飽和水汽達(dá)到或接近飽和狀態(tài)，在這些物體上凝結(jié)成水滴。這種現(xiàn)象被稱為結(jié)露。結(jié)露對(duì)農(nóng)作物有利，但對(duì)電子產(chǎn)品則是有害的。（2）.濕敏傳感器的分類水是一種極強(qiáng)的電解質(zhì)。水分子有較大的電偶極矩，在氫原子附近有極大的正電場(chǎng)，因而它有很大的電子親和力，使得水分子易吸附在固體表面并滲透到固體內(nèi)部。利用水分子這一特性制成的濕度傳感器稱為水分子親和力型傳感器。而把與水分子親和力無(wú)關(guān)的濕度傳感器稱為非水分子親和力型傳感器。在現(xiàn)代工業(yè)上使用的濕度傳感器大多是水分子親和力型傳感器，它們將濕度的變化轉(zhuǎn)換為阻抗或電容值的變化后輸出。2.4.2濕度傳感器的選擇（1）.濕度測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，HONEYWELL公司生產(chǎn)的集成濕度傳感器IH3605采用集成電路技術(shù)。IH3605內(nèi)部的兩個(gè)熱化聚合體層之間形成的平板電容器電容量的大小可隨濕度的不同發(fā)生變化，從而可完成對(duì)濕度信號(hào)的采集。熱化聚合體層同時(shí)具有防御污垢、灰塵、油及其它有害物質(zhì)的功能。而且IH3605的主要技術(shù)指標(biāo)也符合在倉(cāng)庫(kù)中的運(yùn)用。但I(xiàn)H3605的輸出電壓是供電電壓、濕度及溫度的函數(shù)。電源電壓升高，輸出電壓將成比例升高。在實(shí)際應(yīng)用中，需要通過(guò)幾個(gè)步驟才可計(jì)算出實(shí)際的相對(duì)濕度值。在運(yùn)用上太過(guò)麻煩，而且價(jià)格相對(duì)于一般所用的濕度傳感器要高，適合于高精度的工業(yè)中運(yùn)用，但不適合在倉(cāng)庫(kù)中的運(yùn)用。（2）.測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣中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元件分別是根據(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。HS1101的特點(diǎn)：不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠和長(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)，側(cè)面接觸的封裝產(chǎn)品，適合用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路。圖2-4為濕敏電阻電容工作的溫、濕度范圍。圖2-5為濕度-電容響應(yīng)曲線。圖2-4濕敏電阻電容工作的溫、濕度范圍圖2-5濕度-電容響應(yīng)曲線相對(duì)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，溫度系數(shù)為0.4pF/℃?？梢?jiàn)精度是較高的。HS1101的特性參數(shù)： 特性參數(shù)典型值單位濕度測(cè)量范圍1~99%RH供電電壓5V標(biāo)稱電容55%RH180Pf溫度系數(shù)0.04Pf℃33-75%的平均靈敏度 0.34Pf/%RH漏電流1Na濕度遲滯±1.5%長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性0.5%RH/yr響應(yīng)時(shí)間5S偏離曲線±2%RH工作溫度-40-100℃儲(chǔ)存溫度-40-125℃濕度測(cè)量電路：HS1101電容傳感器在電路的構(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)確的轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常用兩種方法：一是將該濕敏電容置于由運(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、再經(jīng)過(guò)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)為與之呈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)量振蕩電路如圖2-6所示。集成定時(shí)器555芯片外接電阻R4、R2與濕敏電容C的充電回路。7端通過(guò)芯片內(nèi)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端相連引入到片內(nèi)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2-6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)到芯片內(nèi)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，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)輸出引腳3端又由低電平躍升為高電平。如此翻來(lái)覆去，形成方波輸出，其中，充放電時(shí)間為：（公式2-2）（公式2-3）因此，輸出的方波頻率為：（公式2-4）可見(jiàn)，濕度通過(guò)555測(cè)量振蕩電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)。下表為溫濕度與電壓頻率的典型值測(cè)試值。測(cè)量值直接以線性電壓的形式輸出，精度達(dá)到±3%RH。HM1500:濕度傳感器HM1500，HM1500是一種專門為那些OEM要求可靠性和精度高的測(cè)量所設(shè)計(jì)的，在基于HS1101簡(jiǎn)單電容性濕度傳感器的基礎(chǔ)上（1）.HM1500主要的特點(diǎn)：①體積小、帶防護(hù)棒狀封裝。②即使浸在水里也不受影響。③可交換性極強(qiáng)。④高度的可靠性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。⑤在3-7伏的電壓范圍內(nèi)可正常工作。，以典型的1-4V電壓輸出表示1-100%的濕度。⑥可在很低的溫度下正常工作。⑦在電壓范圍內(nèi)，按比例參數(shù)調(diào)壓。⑧在長(zhǎng)時(shí)間處于飽和狀態(tài)后快速脫濕⑨反應(yīng)時(shí)間快⑩對(duì)化學(xué)品的高抵抗性（2）.HM1500工作原理：圖2-7HM1500工作原理框圖（3）.最大參數(shù)（Ta=25除非特別注明）（4）.特性參數(shù)（Ta=23,Vs=5.0VDC,RL>1M除非特別注明）（5）.HM1500的典型測(cè)量范圍HM1500特別適用于在10～95%RH精確測(cè)量的環(huán)境。超過(guò)范圍（<10%,>95%包括飽和）不會(huì)影響可靠性。圖2-8典型測(cè)量范圍輸出圖（6）.HM1500模擬電壓輸出曲線（Vs=5V）單位：mV如果需要可以用如下的關(guān)系式做補(bǔ)償：溫度效應(yīng)：（公式2-5）非線性補(bǔ)償：（公式2-6）（7）.HM1500工作曲線如下：圖2-9HM1500工作曲線綜合各種因素（如價(jià)格，使用年限，反映速度，應(yīng)用場(chǎng)合等）決定選用HM1500。特點(diǎn)：高可靠和長(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)，側(cè)面接觸的封裝產(chǎn)品，適合用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路。2.5單片機(jī)選擇2.5.1微機(jī)系統(tǒng)選擇論證單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)，從這一觀念出發(fā)，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)滿足下列要求：（1）.有大量的測(cè)控接口，這些測(cè)控接口及測(cè)控功能電路配置和測(cè)控要求與測(cè)控對(duì)象密切相關(guān)。（2）.必須適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及接口電路設(shè)計(jì)，配置必須考慮到應(yīng)用系統(tǒng)安放的環(huán)境要求。單片機(jī)是本方案的靈魂，所以我們選擇是需要慎之又慎，下面我們來(lái)拿8031和AT89C51做一下比較。8031片內(nèi)不帶程序存儲(chǔ)器ROM，使用時(shí)用戶需外接程序存儲(chǔ)器和一片邏輯電路373，外接的程序存儲(chǔ)器多為EPROM的2764系列。用戶若想對(duì)寫入到EPROM中的程序進(jìn)行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入。寫入到外接程序存儲(chǔ)器的程序代碼沒(méi)有什么保密性可言。由于上述類型的單片機(jī)應(yīng)用的早，影響很大，已成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。后來(lái)很多芯片廠商以各種方式與Intel公司合作，也推出了同類型的單片機(jī)，如同一種單片機(jī)的多個(gè)版本一樣，雖都在不斷的改變制造工藝，但內(nèi)核卻一樣，也就是說(shuō)這類單片機(jī)指令系統(tǒng)完全兼容，絕大多數(shù)管腳也兼容；在使用上基本可以直接互換。我們統(tǒng)稱這些與8051內(nèi)核相同的單片機(jī)為"51系列單片機(jī)"。在眾多的51系列單片機(jī)中，要算ATMEL公司的AT89C51更實(shí)用，因他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫，一般專為ATMELAT89Cx做的編程器均帶有這些功能。顯而易見(jiàn)，這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)了你的勞動(dòng)成果。雖然網(wǎng)上有人說(shuō)AT89C51可以解密，但花費(fèi)的代價(jià)均需萬(wàn)元左右！況且所有的單片機(jī)均可解密，只是費(fèi)用多少的問(wèn)題。AT89C51目前的售價(jià)比8031還低，市場(chǎng)供應(yīng)也很充足。單對(duì)AT89C51來(lái)說(shuō)，在實(shí)際電路中可以直接互換8051\8751，替換8031只是第31腳有區(qū)別，8031因內(nèi)部沒(méi)有ROM，31腳需接地（GND），單片機(jī)在啟動(dòng)后就到外面程序存儲(chǔ)器讀取指令；而8051/8751/89C51因內(nèi)部有程序存儲(chǔ)器，31腳接高電平（VCC），單片機(jī)啟動(dòng)后直接在內(nèi)部讀取指令。也就是51芯片的31腳控制著單片機(jī)程序從內(nèi)部讀取還是從外部讀取，31腳接電源，程序從內(nèi)部讀取，31腳接地，程序從外部讀取。其他無(wú)須改動(dòng)。另外，AT89C51替換8031后因不用外存儲(chǔ)器，不必安裝原電路的外存儲(chǔ)器和373芯片。由于內(nèi)部RAM的存在，可以減少I/O擴(kuò)展芯片、鎖存器及片外RAM等等，使的整個(gè)設(shè)計(jì)顯得簡(jiǎn)單明了，所以我們選擇AT89C51。2.6控制電路方案一：使用模擬電路搭接。此方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低，程序簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但模擬電路受外界，特別是溫度的干擾很大，且器件之間的互相干擾也非常明顯。所以測(cè)量精度不易保證，不利于整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的工作。方案二：使用DSP作為主控芯片。由于DSP內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，可以簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)和干擾，并且使用高級(jí)語(yǔ)言編程，程序簡(jiǎn)單易懂，易于實(shí)現(xiàn)。但成本很高。方案三：使用89C51作為主控芯片。外擴(kuò)AD574、PS7219等芯片。既可以減小外界對(duì)系統(tǒng)的干擾，又可以兼顧系統(tǒng)的成本，且完全可達(dá)到測(cè)量要求。綜合以上各方案，采用方案三作為主控電路。51系列單片機(jī)它具有集成度高、處理功能強(qiáng)、可靠行好、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于使用等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測(cè)控制、電力電子、機(jī)電一體化等方面取得了令人矚目的成果。第三章硬件系統(tǒng)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、溫度濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號(hào)，A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設(shè)計(jì)了以AT89C51為核心的一套檢測(cè)系統(tǒng)，其中包括電源系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、溫度和濕度檢測(cè)及控制、鍵盤及顯示、報(bào)警電路、等部分的設(shè)計(jì)。3.1AT89C51的介紹和特性AT89C51單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的8位單片機(jī)。其片內(nèi)含4K字節(jié)的可反復(fù)擦寫的只讀存儲(chǔ)器（EPROM），128字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)、并兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置有通用的8位CPU和Flash存儲(chǔ)單元。可靈活運(yùn)用于各種控制領(lǐng)域，且其性價(jià)比較高。圖3-1AT89C51芯片引腳圖AT89C51單片機(jī)的主要性能參數(shù)：與MCS-51系列產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；4K字節(jié)的可重復(fù)擦寫的FLASH存儲(chǔ)器；存儲(chǔ)器可循環(huán)寫入/擦寫10000次；全靜態(tài)操作：0Hz-16MHz；三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；內(nèi)部有128字節(jié)的RAM；32個(gè)可編程的I/O口線；2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器；可編程串行URAT通道；空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存存儲(chǔ)內(nèi)容。功能特性概述：AT89C51單片機(jī)提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器、128字節(jié)的內(nèi)部RAM、32個(gè)I/O口線、2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1個(gè)全雙工串行通信口、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51單片機(jī)可降置0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有的工作，直到下一個(gè)硬件復(fù)位。圖3-289C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳說(shuō)明：Vcc:電源引腳；GND:地；P0口（P0.0-P0.7）：是一組8位的雙向I/O口，即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口使用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)斷口寫“1”可作為高阻抗輸入端來(lái)使用。在訪問(wèn)外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口接受指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。在校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1口（P1.0-P1.7）:是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。向端口寫入1的時(shí)候，P1口被內(nèi)部上拉為高電平，此時(shí)可用做輸入口，當(dāng)作為輸入腳的時(shí)候，外部拉低的P1口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。在Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1口接受低8位地址。P2口（P2.0-P2.7）:是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。當(dāng)向P2口寫入1時(shí)，P2口被內(nèi)部上拉為高電平，可作為輸入口。當(dāng)作為輸入引腳的時(shí)候，被外部拉底的P2口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。在訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX@Ri指令）時(shí)，P2口上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器SFR區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不變。在Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P2口接受高位地址和其他控制信號(hào)。P3口（P3.0-P3.7）：是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。向端口寫入1的時(shí)候，P3口被內(nèi)部上拉為高電平，此時(shí)可用做輸入口，當(dāng)作為輸入腳的時(shí)候，外部拉低的P3口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流。P3口除了做一般的I/O口線使用外，更為重要的是它的第二功能，如下：P3.0第二功能為RXD（串行輸入）；P3.1第二功能為RXD（串行輸出）；P3.2第二功能為INT0非（外部中斷0輸入）；P3.3第二功能為INT1非（外部中斷1輸入）；P3.4第二功能為T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0輸入）；P3.5第二功能為T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1輸入）；P3.5第二功能為WR非(寫選通信號(hào))；P3.6第二功能為RD非（讀選通信號(hào)）；P3口還可接受一些用于Flash存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。Rst:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，Rst引腳出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG非：當(dāng)訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出脈沖用于鎖存地址的低8位。即使單片機(jī)不訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器，ALE也仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此可對(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)作用。并且，當(dāng)單片機(jī)每訪問(wèn)一次片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)都將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳還用于編程脈沖（PROG非）。：程序存儲(chǔ)器允許輸出是片外程序存儲(chǔ)器的讀選信號(hào)，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲(chǔ)器指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期2個(gè)有效，即輸出2個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這2次有效的信號(hào)不出現(xiàn)。/Vpp:外部訪問(wèn)允許。當(dāng)CPU僅訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器時(shí)（地址為0000H-FFFFH），端必須得保持低電平（接地）。需要注意的是：當(dāng)加密位LBI被編程時(shí)，復(fù)位后單片機(jī)會(huì)內(nèi)部鎖存EA非端狀態(tài)。若端為高電平（接Vcc時(shí)），CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。當(dāng)Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp。當(dāng)然前提是該器件使用+12V的編程電壓Vpp。時(shí)鐘振蕩器：AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路如圖。外接石英晶體（或陶瓷振蕩器）及電容C1、C2在防地器的反饋賄賂中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，雖然對(duì)電容C1、C2并沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微的影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。若使用石英晶體，則電容容量最好為+30PF～-10PF，而若使用陶瓷振蕩器，則電容容量最好是+40PF～-10PF。用戶也可以采用外部時(shí)鐘方式，其電路如下圖所示。在這種時(shí)鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2管腳則懸空。ATMEL公司生產(chǎn)的51系列單片機(jī)還有AT89C2051、89C1051等芯片，這些芯片是在89C51的基礎(chǔ)上將一些功能精簡(jiǎn)掉后所形成的精簡(jiǎn)版。如AT89C2051去掉了P0口和P2口，內(nèi)部的程序FLASH存儲(chǔ)器也縮減到了2K，封裝形式也從51系列的40引腳改為20引腳。其相應(yīng)的價(jià)格同樣也降低了一些，特別適合在一些智能玩具，手持儀器等程序不大的系統(tǒng)環(huán)境下應(yīng)用；AT89C1051在AT89C2051的基礎(chǔ)上，再次精簡(jiǎn)了串口功能，程序存儲(chǔ)器也縮減到了1K，價(jià)格更低，其相對(duì)適用與更為簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。ATMEL公司的51系列單片機(jī)有很多的封裝形式，如AT89C51有PDIP、PLCC和PQFP/TQFP的封裝形式；而AT89C2051、AT89C1051有PDIP和SOIC封裝形式。INTEL公司的8031、8051、8751的開(kāi)發(fā)工具，如仿真器，開(kāi)發(fā)軟件同樣適用與89C51系列單片機(jī)。由于89C51系列單片機(jī)具有完全兼容與51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和指令格式，所以8031、8051、8751的使用與89C51基本相同，只是使用8031時(shí)，由于其本身無(wú)ROM，所以其31管腳必須接地。而89C51則不用。51系列單片機(jī)四個(gè)8位并行口：P0，P1，P2和P3。每個(gè)口都包括一個(gè)鎖存器，即專用寄存器（P0，P1，P2和P3），一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)輸入緩沖器P3有兩個(gè)），我們常將這一整體統(tǒng)稱為P0，P1，P2和P3。四個(gè)并行口都是雙向口，但結(jié)構(gòu)不完全相同。P0口的每一位都由一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)MUX控制。即P0口是多功能口。當(dāng)單片機(jī)需要擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口各位用來(lái)輸出片外存儲(chǔ)器地址的低8位A7～A0以及輸出或輸入數(shù)據(jù)D7～D0。這是P0口中控制線為高電平，MUX開(kāi)關(guān)向上聯(lián)接，P0口充當(dāng)?shù)刂?數(shù)據(jù)總線使用（分時(shí)操作）。如果單片機(jī)是由片內(nèi)存儲(chǔ)器，也不需要擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口中控制線為低電平，MUX開(kāi)關(guān)向下連接，P0口即是普通I/O口，可以按位輸出或輸入。P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線時(shí)用時(shí)，控制線為高電平，這是P0口是雙向口。當(dāng)?shù)刂?數(shù)據(jù)總線該位要輸出1時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)的輸出管中，T1導(dǎo)通T2截止。需要輸出0時(shí)，T1截止T2導(dǎo)通。CPU通過(guò)地址/數(shù)據(jù)總線傳來(lái)“1”或“0”，一方面經(jīng)與門控制T1導(dǎo)通或截止（注意與門的另一輸入為控制線，當(dāng)前為“1”）；另一方面取反后控制T2截止或?qū)ā．?dāng)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，CPU將兩個(gè)輸出管都截止。輸入信息有單片機(jī)腳P0.X經(jīng)下面一個(gè)輸入緩沖器（三態(tài)門）讀入到單片機(jī)內(nèi)部總線上。P0口作為普通I/O口使用時(shí)，MUX指向下，因?yàn)榭刂凭€為低電平，兩個(gè)輸出管中T1截止。CPU向端口輸出“1”或“0”時(shí)，謝脈沖加到鎖存器的時(shí)鐘CL端。使得Q非的輸出“0”或“1”，這樣控制T2截止或?qū)?。由此可?jiàn)，輸出是漏極開(kāi)路式的（也稱0.C門）。即如輸出“0”，則T2導(dǎo)通，片腳為低電平。反之如輸出“1”，則兩管腳都截止，輸出是開(kāi)路的，為避免邏輯錯(cuò)誤，P0口做普通I/O口輸出時(shí)，必須外接一個(gè)上拉電阻（一般是3K～10K）到+5V，這樣輸出1時(shí)，又被這個(gè)電阻將片腳電平上拉到高電平。如P0口作為普通I/O口輸出時(shí)，必須先向該位輸出寫“1”，使輸出兩管腳全截止，置該位為高阻輸入狀態(tài)有CPU讀入。如先輸出“0”，則T2導(dǎo)通，使片腳電平（應(yīng)該是邏輯電平）無(wú)法為“1”，這是不允許的。因此，做I/O口使用時(shí)，P0時(shí)準(zhǔn)雙向口。這一點(diǎn)與它做地址/數(shù)據(jù)總線時(shí)用時(shí)（雙向口）是不同的。3.1.2并行口的結(jié)構(gòu)準(zhǔn)雙向口只有兩態(tài)，做輸入前必須先輸入“1”。對(duì)于8031單片機(jī)來(lái)說(shuō)，因?yàn)樗鼪](méi)有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，所以必須擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器才能工作。這樣，它的P0口只能充當(dāng)?shù)刂?數(shù)據(jù)總線，而不能做普通I/O口時(shí)用。P1口是單功能的，只能夠用來(lái)做普通I/O口，可以按位置設(shè)置成輸出或輸入。P1口的輸出端有P0不同，輸出級(jí)是一個(gè)接有內(nèi)部上拉電阻的場(chǎng)效應(yīng)管。當(dāng)輸出時(shí)，由寫脈沖把內(nèi)部總線的數(shù)據(jù)鎖存進(jìn)鎖存器，鎖存器的Q非非控制管。當(dāng)輸出“1”時(shí)，該管截止，由上拉電阻將片腳電平拉高到“1”。而當(dāng)輸出“0”時(shí)，該管導(dǎo)通，片腳電平“0”。欲設(shè)置為輸入時(shí)，必須在此之前先寫入“1”。使輸出管截止，然后才能從片外輸入。CPU通過(guò)下面這個(gè)輸入緩沖器讀口線電平，使用讀引腳選通信號(hào)。輸出只有兩態(tài)，而且作輸出前必須先輸出“1”。這兩點(diǎn)與P0口作普通I/O使用時(shí)情況完全一樣。因此，P1口也是準(zhǔn)雙向口。由于P1口各位具有內(nèi)部上拉電阻，因此在先向它寫入“1”后作輸入時(shí)，能用一般的邏輯電路或用OC門輸出的邏輯電路所驅(qū)動(dòng)。這一點(diǎn)與P0口作輸入時(shí)有不同。（P0口無(wú)內(nèi)部上拉電阻，不能為0C驅(qū)動(dòng)）。P2口內(nèi)部也有控制開(kāi)關(guān)MUX，它是雙功能的。在單片機(jī)擴(kuò)展外程序存儲(chǔ)器時(shí)，CPU自動(dòng)將MUX向右接通，P2作為地址總線，輸出地址高字節(jié)A15～A8。另外要說(shuō)明的是，在單片機(jī)擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)MUX可能向左側(cè)接通（使用@DPTR尋址），輸出DPH的值作為地址高字節(jié)A15～A8。在P2不做地址總線使用時(shí)，CPU自動(dòng)把MUX向左接通時(shí)，P2可以做普通I/O口使用。由圖可見(jiàn)，要輸出“1”或“0”，經(jīng)與非門控制輸出管的導(dǎo)通與截止，這樣就在引腳上輸出“1”或“0”。P2口也有內(nèi)部上拉電阻，輸出電路與P1口完全一致，因此它也是準(zhǔn)雙向口。輸出時(shí)兩態(tài)的，在作輸入時(shí)，必須預(yù)先輸出“1”，使輸出管截止然后由縣棉的緩沖器使用讀引腳選通信號(hào)將引腳邏輯讀入CPU。8031單片機(jī)沒(méi)有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM，所以P2口一般總是為地址總線時(shí)用，只由采用特殊方法（使用MOVX@Ri,A或MOVXA，@Ri指令），才可以在一個(gè)短時(shí)間里將P2鎖存器的值輸出。P3口也是雙功能的。除了可作普通I/O口外，還具有第二輸入（出）功能。作第二功能使用時(shí)，P3口8條線有特定的用途。P3口的輸出級(jí)與P1，P2口相同。因此它也使準(zhǔn)雙向口。輸出只有兩態(tài)，在定義輸出前，也必須先寫“1”，使輸出管截止，然后由下面緩沖器使用讀引腳選通信號(hào)將引腳邏輯讀入寫CPU。但P3口內(nèi)有沒(méi)有MUX開(kāi)關(guān)，與P2口不同，它的第一功能與第二功能的輸出是通過(guò)一個(gè)與非門連接到輸出其級(jí)的。因此在作第二功能使用時(shí)，必須先向該位寫“1”（即第一功能輸出“1”）；而作第一功能使用時(shí)，第二功能輸出由單片機(jī)CPU自動(dòng)定義為“1”。還有，P3的輸出通道中有2個(gè)緩沖器，第二功能輸入取自第一個(gè)緩沖器的輸出端，注意第一個(gè)緩沖是直通（沒(méi)有選通信號(hào)）的，這樣保證了第二功能輸入與引腳隔離。當(dāng)不使用第二功能而使用第一功能（普通I/O口）時(shí)，輸入取自第二個(gè)緩沖器的輸出端，這是輸入由讀引腳信號(hào)選通。P3口兩種功能的選擇是由單片機(jī)完成的。即程序不用第二功能時(shí)，自動(dòng)設(shè)定為第一功能。3.1.3并行口的使用說(shuō)明P1、P2、P3口的輸出級(jí)能驅(qū)動(dòng)3個(gè)低功耗TTL（LSTTL）邏輯電路的輸入端，而P0口的輸出級(jí)能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL邏輯電路的輸入端。P1、P2、P3口輸出級(jí)內(nèi)部有上拉電阻，可直接被各種邏輯電路所驅(qū)動(dòng)。而P0做普通I/O口時(shí)內(nèi)部無(wú)上拉電阻，須外接上拉電阻才能確保被各種邏輯電路所驅(qū)動(dòng)。但P0口做地址/數(shù)據(jù)總現(xiàn)時(shí)用時(shí)是完全的雙向口而不需要外接上拉電阻。在口的每一位中都有一個(gè)鎖存器。只要向這一位寫一個(gè)數(shù)，即可鎖存其中。不管這個(gè)數(shù)據(jù)是否經(jīng)由片腳輸出，只要不改寫鎖存器(即再向該口的該位寫另一個(gè)狀態(tài)），原來(lái)寫入的數(shù)據(jù)將一直保留。一旦該口恢復(fù)普通I/O口輸出，原先進(jìn)鎖存器的數(shù)據(jù)將有片腳輸出。3.2溫度傳感器介紹了集成溫度傳感器AD590，給出了AD590測(cè)量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，并以節(jié)能型溫、濕度控制系統(tǒng)為例介紹了利用AD590測(cè)兩點(diǎn)溫差電路的應(yīng)用。3.2.1AD590簡(jiǎn)介AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下：（1）.流過(guò)器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)，即：(公式3-1）式中：—流過(guò)器件（AD590）的電流，單位為mA；T—熱力學(xué)溫度，單位為K。（2）.AD590的測(cè)溫范圍為-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，電流變化1mA，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)被損壞。（4）.輸出電阻為710MW。（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)，非線性誤差為±0.3℃。（1）.基本應(yīng)用電路圖3-3（a）是AD590的封裝形式，圖3-3（b）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1kW時(shí)，輸出電壓VO隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，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)整電位器R2，使VO=273.2mV?；蛟谑覝叵?25℃)條件下調(diào)整電位器,使VO=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調(diào)整只可保證在0℃或25℃附近有較高精度。圖3-3AD590的封裝及基本應(yīng)用電路圖3-4用于測(cè)量攝氏溫度的電路圖3-5測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度差的電路（2）.攝氏溫度測(cè)量電路如圖3-4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VO=0，然后在100℃時(shí)調(diào)整R4使VO=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0℃時(shí)，VO=0mV，100℃時(shí)VO=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為25℃，那么VO應(yīng)為25mV。冰水混合物是0℃環(huán)境，沸水為100℃環(huán)境。要使圖3-4中的輸出為200mV/℃，可通過(guò)增大反饋電阻（圖中反饋電阻由R3與電位器R4串聯(lián)而成）來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，測(cè)量華氏溫度（符號(hào)為℉）時(shí)，因華氏溫度等于熱力學(xué)溫度減去255.4再乘以9/5，故若要求輸出為1mV/℉，則調(diào)整反饋電阻約為180kW，使得溫度為0℃時(shí)，VO=17.8mV；溫度為100℃時(shí)，VO=197.8mV。AD581是高精度集成穩(wěn)壓器，輸入電壓最大為40V，輸出10V。（3）.溫差測(cè)量電路及其應(yīng)用a.電路與原理分析圖3-5是利用兩個(gè)AD590測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫度差的電路。在反饋電阻為100kW的情況下，設(shè)1#和2#AD590處的溫度分別為（℃）和（℃），則輸出電壓為。圖中電位器R2用于調(diào)零。電位器R4用于調(diào)整運(yùn)放LF355的增益。由基爾霍夫電流定律：

(公式3-2)由運(yùn)算放大器的特性知：

(公式3-3)

(公式3-4)調(diào)節(jié)調(diào)零電位器R2使：

(公式3-5)由（3-2）（3-3）（3-4）可得：(公式3-6)設(shè)：R4=90kW則有：(公式3-7)

其中，為溫度差，單位為℃。由式（3-7）知，改變的值可以改變VO的大小。b.應(yīng)用舉例以某節(jié)能型藥材倉(cāng)庫(kù)溫、濕度控制系統(tǒng)為例，若要求庫(kù)房溫度低于T℃，相對(duì)濕度低于A1B1%RH。則采取的兩種控制模式如下：控制模式一：當(dāng)庫(kù)內(nèi)相對(duì)濕度高于A1B1%RH且?guī)焱鉁囟鹊陀赥℃時(shí)，進(jìn)行庫(kù)內(nèi)外通風(fēng)。這種方式是利用庫(kù)內(nèi)外濕度差進(jìn)行空氣的交換，以達(dá)到庫(kù)內(nèi)除濕的要求，其優(yōu)點(diǎn)是高效、節(jié)能、節(jié)省資金。但這種方式受到嚴(yán)格的控制。首先，庫(kù)外的相對(duì)濕度要低于庫(kù)內(nèi)的，它們之間的差要大于A2B2%RH，這樣才能有效保證及時(shí)地進(jìn)行庫(kù)內(nèi)的除濕。其次，庫(kù)內(nèi)庫(kù)外的溫度差要小于△T℃，這是因?yàn)?，如果在?kù)外溫度遠(yuǎn)高于庫(kù)內(nèi)溫度時(shí)進(jìn)行通風(fēng)，熱空氣進(jìn)入庫(kù)區(qū)后遇上冷空氣就會(huì)造成藥品、器材表面結(jié)露的現(xiàn)象，進(jìn)而影響藥品和器材的質(zhì)量。反之，如果在庫(kù)內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于庫(kù)外溫度時(shí)進(jìn)行通風(fēng)，冷空氣進(jìn)入庫(kù)內(nèi)后也會(huì)在藥品器材表面結(jié)露。另外，庫(kù)外溫度不能接近T℃。這是因?yàn)椋绻麕?kù)外溫度接近T℃時(shí)進(jìn)行通風(fēng)，很可能使密閉的庫(kù)溫升高，從而超過(guò)溫度上限T℃。控制模式二：當(dāng)溫度高于T℃或濕度高于A1B1%RH但不滿足第一種情況時(shí)，開(kāi)啟冷凍空調(diào)機(jī)組進(jìn)行庫(kù)內(nèi)降溫除濕。為避免因庫(kù)內(nèi)外溫差過(guò)大通風(fēng)時(shí)藥品、器材表面結(jié)露的現(xiàn)象，必須嚴(yán)格控制系統(tǒng)溫差值的精度。傳統(tǒng)的測(cè)溫差方法是對(duì)兩點(diǎn)溫度分別進(jìn)行處理（調(diào)理電路、A/D、運(yùn)算處理）后求差值，此方法所得溫差精度低。庫(kù)內(nèi)外溫差測(cè)量可采用圖3-5電路，利用溫差值直接與設(shè)定值相比較，既能保證較高的精度，又簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。(4).N點(diǎn)最低溫度值的測(cè)量將不同測(cè)溫點(diǎn)上的數(shù)個(gè)AD590相串聯(lián)，可測(cè)出所有測(cè)量點(diǎn)上的溫度最低值。該方法可應(yīng)用于測(cè)量多點(diǎn)最低溫度的場(chǎng)合。(5).N點(diǎn)溫度平均值的測(cè)量把N個(gè)AD590并聯(lián)起來(lái)，將電流求和后取平均，則可求出平均溫度。該方法適用于需要多點(diǎn)平均溫度但不需要各點(diǎn)具體溫度的場(chǎng)合。3.2.3溫度AD590管腳AD590產(chǎn)生的電流與絕對(duì)溫度成正比，它可接收的工作電壓為4V－30V，檢測(cè)的溫度范圍為－55℃－＋150℃，它有非常好的線性輸出性能，溫度每增加1℃，其電流增加1uA。AD590溫度與電流的關(guān)系如下表所示AD590電路原理圖如圖3-6：圖3-6AD590電路連接圖3.3A/D轉(zhuǎn)換器及其與CPU的接口常用芯片8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808；10位A/D轉(zhuǎn)換器AD7570；12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574等。3.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的選擇模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器的種類很多。例如，計(jì)數(shù)比較型、逐次逼近型、雙積分型等。選擇A/D轉(zhuǎn)換器件應(yīng)要從速度、精度和價(jià)格上的考慮。圖3-7逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換原理圖逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價(jià)格上都適中，是最常用的A/D轉(zhuǎn)換器件。雙積分A/D變換器具有精度高，抗干擾性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度慢。今年來(lái)在微機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808，下面對(duì)其作一個(gè)介紹：工作原理：逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器是一種速度快，精度高的A/D轉(zhuǎn)換器，它是通過(guò)最高位（Dn-1）到最低位（D0）的逐次檢測(cè)來(lái)逼近被轉(zhuǎn)換的輸入電壓。一個(gè)N位的逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖3-4。這種A/D轉(zhuǎn)換器是以D/A轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)，加上比較器、N次逐次逼近寄存器、置數(shù)控制邏輯電路以及時(shí)鐘等組成，其轉(zhuǎn)換原理如下：在啟動(dòng)信號(hào)控制下，置數(shù)控制邏輯電路置N位寄存器最高位（Dn-1）為1，其余位清0，N位寄存器的內(nèi)容經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到整個(gè)量程一半的模擬電壓Vn，與輸入電壓Vx比較，若Vx≥Vn時(shí)，則保留Dn-1=1；若Vx＜Vn時(shí)，則Dn-1清0，然后，控制邏輯使寄存器下一位（Dn-1）置1，與上次的結(jié)果一起經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后與Vx比較，重復(fù)上述過(guò)程，直至判別出D0位取1還是0為止，此時(shí)DONE發(fā)出信號(hào)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。這樣經(jīng)過(guò)N次比較后，N位寄存器的狀態(tài)就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)，經(jīng)輸出緩沖器讀書，整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程就是這樣對(duì)分搜索比較逼近實(shí)現(xiàn)的，其轉(zhuǎn)換速度由時(shí)鐘頻率決定，一般由幾微妙到上百微妙之間。ADC0808，當(dāng)時(shí)鐘頻率為640KHz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為64us。3.3.2引腳排列及各引腳的功能引腳排列如圖所示。各引腳的功能如圖3-8
圖3-8ADC0808的引腳圖IN0～I(xiàn)N7：8個(gè)通道的模擬量輸入端。可輸入0～5V待轉(zhuǎn)換的模擬電壓。2-1～2-8：8位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。三態(tài)輸出，2-8是最高位，2-1是最低位。A、B、C：通道選擇端。當(dāng)CBA=000時(shí)，IN0輸入；當(dāng)CBA=111時(shí)，IN7輸入。ALE：地址鎖存信號(hào)輸入端。該信號(hào)在上升沿處把A、B、C的狀態(tài)鎖存到內(nèi)部的多路開(kāi)關(guān)地址鎖存器中，從而選通8路模擬信號(hào)中的某一路。START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端。從START端輸入一個(gè)正脈沖，其下跳沿啟動(dòng)ADC0808開(kāi)始轉(zhuǎn)換。脈沖寬度應(yīng)不小于100～200ns。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端。當(dāng)EOC為高電平時(shí)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)它自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?。ENABLE：輸出允許端。OE為低電平時(shí)，D0～D7為高阻狀態(tài)，OE為高電平時(shí)，允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。CLOCK：時(shí)鐘輸入端。ADC0808的典型時(shí)鐘頻率為640kHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100μs。REF（-）、REF（+）：參考電壓輸入端。ADC0808的參考電壓為＋5V。VCC、GND：供電電源端。ADC0808使用＋5V單一電源供電。3.4濕度檢測(cè)電路濕度傳感器HM1500，HM1500是一種專門為那些OEM要求可靠性和精度高的測(cè)量所設(shè)計(jì)的，在基于HS1101簡(jiǎn)單電容性濕度傳感器的基礎(chǔ)上HM1500特別適用于在10～95%RH精確測(cè)量的環(huán)境。超過(guò)范圍（<10%,>95%包括飽和）不會(huì)影響可靠性。濕度傳感器HM1500與ADC0808連接如圖3-9：圖3-9濕度傳感器HM1500與ADC0808連接3.5顯示部分3.5.18279的引腳說(shuō)明

它有40個(gè)引腳采用雙列直插式封裝。

D0～D7：雙向數(shù)據(jù)總線，用于在CPU和8279之間傳送命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

CLK：時(shí)鐘輸入線，用語(yǔ)產(chǎn)生內(nèi)部定時(shí)。

RESET：復(fù)位輸入線。該引腳輸入一個(gè)高電平將復(fù)位8279，復(fù)位后置為下列方式：16位顯示左邊輸入；編碼掃描鍵盤，雙鍵封鎖；時(shí)鐘系數(shù)為31。

：片選信號(hào)。低電平有效。

A0：緩沖器地址輸入線。高電平時(shí)數(shù)據(jù)線上傳送的時(shí)命令或狀態(tài)信息。低電平時(shí)數(shù)據(jù)線上傳送的時(shí)數(shù)據(jù)信息。

：讀有效輸入線。低電平有效。讀有效時(shí)內(nèi)緩沖器數(shù)據(jù)讀出，送外部數(shù)據(jù)總線。

：寫有效輸入線，低電平有效。寫有效時(shí)緩沖器接收到外部數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。

IRQ：中斷請(qǐng)求輸出線，高電平有效。在鍵盤工作方式中，F(xiàn)IFO先進(jìn)先出RAM中有鍵輸入時(shí)，IRQ上升為高電平，向CPU請(qǐng)求中斷。CPU每次讀出FIFORAM中的數(shù)據(jù)時(shí)，IRQ變?yōu)榈碗娖?，若RAM中還有數(shù)據(jù)，IRQ在讀出后又返回高電平，直至FIFO中的數(shù)據(jù)被讀光，IRQ才保持低電平。在傳感器方式中，每當(dāng)檢測(cè)到傳感器信號(hào)變化時(shí)，IRQ上升