畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1

1、題 目：基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué) 院：信息電子技術(shù)學(xué)院年 級(jí)：07 級(jí)專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：摘 要現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開環(huán)境控制，本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外溫室智能控制進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)溫室智能化控制存在的諸多因子，將智能傳感器監(jiān)測(cè)和單片機(jī)控制相結(jié)合，提出了基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)采用層次化、模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成。本設(shè)計(jì)主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。包括系統(tǒng)要完成的設(shè)計(jì)功能，達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，由此簡(jiǎn)要介紹系統(tǒng)的整個(gè)組成和系統(tǒng)工作原理；二是進(jìn)行智能傳感器的硬

2、件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。包括傳感器的靜動(dòng)態(tài)特征介紹，采用單總線技術(shù)的 ds1820 數(shù)字溫度傳感器測(cè)溫時(shí)序、測(cè)溫原理、測(cè)溫電路以及測(cè)溫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，濕敏電容傳感器 hs1101 的濕度測(cè)量電路，為防止模擬傳感器采集濕度數(shù)據(jù)的失真，采用了線形插值算法：三是單片機(jī)及通信接口的硬件電路及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。內(nèi)容包括采用的 at89ssl 單片機(jī)的介紹，izc 總線的 at24c04 的存儲(chǔ)擴(kuò)展，4 數(shù)碼管顯示輸出，超限數(shù)據(jù)的語音報(bào)警，模擬 spi 總線輔助數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；四是對(duì)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、工作原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了闡述。首先通過 rs-232c 協(xié)議實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的連接，借助 windows 下

3、串行通信編程的 activex 控件通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)，然后計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、查詢、打印和系統(tǒng)設(shè)置功能。本系統(tǒng)將信息采集、信息傳輸、信息處理等多種信息技術(shù)相互融合，采用了多種總線技術(shù)，將溫室環(huán)境多種參數(shù)監(jiān)測(cè)和單片機(jī)控制理論相結(jié)合，提出一種切實(shí)可行的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以全面、實(shí)時(shí)、自動(dòng)地對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)和處理，并將有關(guān)信息根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用最有效方式送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并可對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。滿足了對(duì)作物生長(zhǎng)狀態(tài)實(shí)行全面、實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求。實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室環(huán)境的溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境溫濕度檢測(cè)的自動(dòng)化和智能化。關(guān)鍵字關(guān)鍵字 : :at89

4、s51;總線技術(shù)；ds1820；hs1101；isd2560abstractmodern agrieultural produetion 15 inscparable from the environmentaleontrol.in the light of the causes of greenhouse intelligent control，based on thorough analysis about our national and abroad greenhouse intellignt control，combining intelligent sensors test wit

5、h mcu control.this thesis proposes a designseheme on mcu temperature and humidity testing system. this system adopts hierarehieal，modulardesign.it consists of data acquisition system，meu eontrol system，computer monitoring system，and centers around the mcu，with many temperature，humidity sensors as me

6、asurement components.it collects and stores intelligent sensor measurement data by connecting mcu with intelligent sensors.in mcu system，some functions of the expansion storage of procedures，real-time disp1ay of data，overrun auto alarm and auxiliary data storage are realized.as the center of the mon

7、itoring computerand software design of intelligent sensor，including the introduetion of the static and dynamic characteristies of sensors.the software designing of temperature measurement phase，temperature measurement principle，temperature measurement circuit and temperature measurement system of di

8、gital temperature sensor ds1820 which adopts one-wirebus technology，humidity sensor circuit of sensor hs1101，in order to prevent the distortion of humidity data gathered by mock sensor，the 1inear inter polation algorithm is adopted.thirdly， it designs hardware circuit of eommunication interface and

9、software system，including the introduction of adopted at89551scm，storage expansion of at24c04 of lcbus，display out put of 4 digital tubes，audio alarm of overrun data，auxiliary data storage of mock spibus.the last，it elaborates the working principle， designing thoughts and realizing methods of comput

10、er software system.at first，throughrs- 232c protocol scm and computer are connected，and data is received and sent by serial inferface with the help of active x programmed by serial communication in widows enviorment. computer can display，store，inquire and print the data and setting as a monitor.this

11、 system integrates modern signal gathering technology，signal transmitting technology，information proeessingtechnology，combines many parameters in greenhouse environment monitoring and control theory of scm and by many bus technologies，proposes one kind of praetieal feasible greenhouse environmental

12、monitoring system.which can automatically record，storge and handle data，completely，real-time，and automaticly， and in put the relative information into the computer in an effeetive way according to reality.besides, it can control the monitoring system long-distace.it meets the equirement of monitorin

13、g on crop growth state completely，real-time，long-term.it can monitor and control the greenhouse environment timely and realize automation and intelligentize of temperature and humidity testing in greenhouse.keywords at89s51;bus technology; ds1820; hs1101; isd2560目 錄摘 要.iiabstract.iii第 1 章 緒 論 .11.1

14、課題的提出和意義.11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.11.2.1 國(guó)外溫室環(huán)境控制.11.2.2 我國(guó)溫室控制技術(shù).11.2.3 溫室環(huán)境控制技術(shù)三個(gè)發(fā)展階段.21.2.4 溫室控制存在的問題.21.3 主要研究?jī)?nèi)容.3第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .42.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì).42.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則.42.3 系統(tǒng)組成與工作原理.5第 3 章 傳感器設(shè)計(jì) .63.1 傳感器的基本特性.63.1.1 傳感器的靜態(tài)特性 .63.1.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 .73.2 ds1820 溫度傳感器.73.2.1 ds1820 溫度傳感器概述.73.2.2 ds1820 的讀寫時(shí)序.83.2.3 ds1820 的測(cè)溫原理

15、.93.2.4 溫度檢測(cè)電路 .103.2.5 提高 ds1820 測(cè)溫精度的方法.113.2.6 軟件設(shè)計(jì) .123.3 hs1101 濕度傳感器.133.3.1 hs1101 濕度傳感器特點(diǎn).133.3.2 濕度測(cè)量電路 .14第 4 章 單片機(jī)設(shè)計(jì) .164.1 at89s51 單片機(jī).164.1.1 單片機(jī)引腳 .164.1.2 時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路 .174.1.3 89551 看門狗功能的使用方法 .174.2 存儲(chǔ)擴(kuò)展.174.2.1 i2c 總線的基本結(jié)構(gòu).174.2.2 雙向傳輸?shù)慕涌谔匦?.174.2.3 i2c 總線上的時(shí)鐘信號(hào).184.2.4 數(shù)據(jù)的傳送 .184.2

16、.5 總線競(jìng)爭(zhēng)的仲裁 .184.2.6 i2c 總線接口器件.194.3 數(shù)碼管輸出.194.3.1 8 位數(shù)碼管 .204.3.2 數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示 .204.4 語音報(bào)警電路.224.4.1 語音芯片 1sd2560.224.4.2 1sd2560 工作原理.224.4.3 硬件電路設(shè)計(jì) .234.4.4 軟件設(shè)計(jì) .23第 5 章 計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng) .255.1 上下位機(jī)通信.255.1.1 rs-232-c 接口.255.1.2 單片機(jī)和 pc 通信連接 .265.2 系統(tǒng)組成與工作原理.27致 謝 .29參考文獻(xiàn) .30附錄 a.31第 1 章 緒 論1.1 課題的提出和意義目前我國(guó)農(nóng)業(yè)

17、正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向以優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效益為目標(biāo)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的新階段。環(huán)境控制工程作為農(nóng)業(yè)生物速生、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的手段，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。溫室大棚中的環(huán)境由多個(gè)因子組成，如溫度、光照、濕度及二氧化碳濃度等。我國(guó)溫室環(huán)境控制目前仍靠人工經(jīng)驗(yàn)來管理，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效益，阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，因此，采用先進(jìn)的人工智能技術(shù)，科學(xué)、合理地控制影響作物的環(huán)境因子，通過計(jì)算機(jī)控制設(shè)備進(jìn)行環(huán)境控制，以便給作物生長(zhǎng)創(chuàng)造一個(gè)最佳的環(huán)境條件，做到既提高產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益，同時(shí)盡量降低生產(chǎn)成本，這對(duì)溫室環(huán)境施行自動(dòng)檢測(cè)和控制是非常必要的。溫室設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制，其目的是提高控制及作業(yè)精

18、度。溫室環(huán)境控制技術(shù)是隨自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)、過程控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀溫室是一種可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境、為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱?chǎng)所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長(zhǎng)的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設(shè)施術(shù)的最終目標(biāo)是提高控制與作業(yè)精度。1.2.1 國(guó)外溫室環(huán)境控制國(guó)外對(duì)溫室環(huán)境控制技術(shù)研究較早，始于 20 世紀(jì) 70 年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場(chǎng)信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。80 年代末出現(xiàn)了分布式控制

19、系統(tǒng)。目前正開發(fā)和研制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國(guó)的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快，一些國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展。像園藝強(qiáng)國(guó)荷蘭，以先進(jìn)的鮮花生產(chǎn)技術(shù)著稱于世，其玻璃溫室全部由計(jì)算機(jī)操作。英國(guó)倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的溫室計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)，可以觀測(cè) 50km 以外溫室內(nèi)的光、溫、濕、氣和水等環(huán)境狀況，并進(jìn)行遙控。1.2.2 我國(guó)溫室控制技術(shù)我國(guó)對(duì)于溫室控制技術(shù)的研究較晚，始于 20 世紀(jì) 80 年代工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家溫室控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握氣候室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于溫度、濕度和 co2濃度環(huán)境因子的控制。我國(guó)溫室設(shè)施計(jì)算機(jī)應(yīng)用，在

20、總體上正從消化簡(jiǎn)單應(yīng)用階段向?qū)嵱没?、綜合性應(yīng)用階段過渡和發(fā)展。在技術(shù)單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無真正意義上的多參控制系統(tǒng)，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，存在較大差距。我國(guó)溫室現(xiàn)狀還有達(dá)到工廠化農(nóng)業(yè)的境地，生產(chǎn)實(shí)際中仍然有許多問題困擾著存在著溫室裝備配套能力差，產(chǎn)業(yè)化程度低，環(huán)境控制水平落硬件資源不能共享和可靠性差等缺點(diǎn)。1.2.3 溫室環(huán)境控制技術(shù)三個(gè)發(fā)展階段從國(guó)內(nèi)外溫室控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看，溫室環(huán)境控制技術(shù)大致經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段：1、手動(dòng)控制。這是在溫室技術(shù)發(fā)展初期所采取的控制手段，其當(dāng)時(shí)并沒有真正意義上的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。生產(chǎn)一線的種植者既是溫室環(huán)境的傳感器，又是對(duì)溫室作物進(jìn)行管理的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

21、，他們是溫室環(huán)境控制的核心。通過對(duì)溫室內(nèi)外的氣候狀況和對(duì)作物生長(zhǎng)狀況的觀測(cè)，憑借長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)和直覺推測(cè)及判斷，手動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境。但這種控制方式的勞動(dòng)生產(chǎn)率較低，不適合工廠化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。2、自動(dòng)控制。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代控制理論對(duì)溫室內(nèi)的各種環(huán)境因子如溫度、光照、濕度、co2濃度和施肥等，進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)成為溫室控制的主要方式。人為創(chuàng)造適宜作物生長(zhǎng)最佳環(huán)境的自動(dòng)控制技術(shù)手段成為主流。此時(shí)的溫室有比較完整的控制系統(tǒng)，有各種傳感器采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，良好的人機(jī)界面使種植者的操作過程形象而且簡(jiǎn)便。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的溫室控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)化，適合規(guī)

22、?；a(chǎn)，勞動(dòng)生產(chǎn)率得到提高。目前我國(guó)絕大部分自主開發(fā)的大型現(xiàn)代化溫室及引進(jìn)的國(guó)外設(shè)備都屬于這種控制方式。3、智能化控制。智能化的控制技術(shù)將農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)與溫室自動(dòng)控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以溫室綜合環(huán)境因子作為采集與分析對(duì)象，通過專家系統(tǒng)的咨詢與決策，給出不同時(shí)期作物生長(zhǎng)所需要的最佳環(huán)境參數(shù)，并且依據(jù)此最佳參數(shù)對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理，自動(dòng)選擇合理、優(yōu)化的調(diào)整方案，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)溫室的智能化管理與生產(chǎn)。能夠根據(jù)溫室環(huán)境條件和作物生長(zhǎng)狀況，應(yīng)用適當(dāng)?shù)闹R(shí)表達(dá)和規(guī)則化，推理決策出最適合作物生長(zhǎng)的溫室環(huán)境。這種控制方式既能體現(xiàn)作物生長(zhǎng)的內(nèi)在規(guī)律，發(fā)揮農(nóng)業(yè)專家在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的指導(dǎo)作用，又可充分

23、利用計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)的調(diào)控非常方便和有效，實(shí)現(xiàn)溫室的完全智能化控制。1.2.4 溫室控制存在的問題首先是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)自身的問題，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的技術(shù)還不十分成熟。各種專家系統(tǒng)在收集、整理農(nóng)業(yè)專家知識(shí)時(shí)并沒有把專家是如何學(xué)習(xí)和獲得這些知識(shí)的過程整理出來，這樣開發(fā)的專家系統(tǒng)并不具有真正的學(xué)習(xí)能力。其次是采集數(shù)據(jù)的束縛，溫室控制技術(shù)主要停留在對(duì)溫室環(huán)境因子的監(jiān)控上，并沒有考慮溫室作物本身的生理過程。還有就是農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)在溫室實(shí)時(shí)控制中的應(yīng)用的局限性，農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)對(duì)溫室環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不同于開發(fā)單純的農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，其中涉及與控制系統(tǒng)的“接口”問題。在開發(fā)溫室農(nóng)業(yè)專家控制系統(tǒng)時(shí)，對(duì)農(nóng)業(yè)知識(shí)的

24、表達(dá)及推理策略等要認(rèn)真考慮。同時(shí)，將更多的農(nóng)業(yè)知識(shí)用于溫室生產(chǎn)的實(shí)時(shí)控制中，不僅僅局限于對(duì)環(huán)境因子的專家指導(dǎo)?？傊?，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、農(nóng)業(yè)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，溫室技術(shù)體系己經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家為合理利用農(nóng)業(yè)資源、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的前沿性研究領(lǐng)域。1.3 主要研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)方案；二是進(jìn)行智能傳感器的硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；三是單片機(jī)及通信接口的硬件電路及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)；四是對(duì)連接單片機(jī)的上位管理計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、工作原理和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行

25、了闡述。本文將信息采集技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、信息存儲(chǔ)技術(shù)及信息處理技術(shù)等相互融合，將溫室環(huán)境多種參數(shù)監(jiān)測(cè)和單片機(jī)控制理論相結(jié)合，提出一種切實(shí)可行的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以全面、實(shí)時(shí)、自動(dòng)地對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)和處理，并將有關(guān)信息根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用最有效方式送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，并可對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。滿足了對(duì)作物生長(zhǎng)狀態(tài)實(shí)行全面、實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：傳感器設(shè)計(jì)成智能型，可以增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集速度，減輕監(jiān)控計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。增加了輔助存儲(chǔ)功能，在監(jiān)控計(jì)算機(jī)不工作的時(shí)候，采用多媒體存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。單片機(jī)的設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)速度，系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)

26、性都有很大提高對(duì)模擬設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，為防止失真，采用了數(shù)據(jù)插值算法。利用語音芯片，超限報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了人性化管理。第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)系統(tǒng)要完成的設(shè)計(jì)功能如下：1實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室溫濕度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，測(cè)量空間多點(diǎn)的溫度和濕度:根據(jù)測(cè)量空間或設(shè)備的實(shí)際需要，由多路溫度、濕度傳感器對(duì)關(guān)鍵溫、濕度敏感點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，由單片機(jī)對(duì)各路數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)溫濕度的智能、多空間點(diǎn)的測(cè)量。2實(shí)現(xiàn)超限數(shù)據(jù)的及時(shí)報(bào)警。3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力并具有存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程通信功能。4通信系統(tǒng)具有較高的可靠性、較好的實(shí)時(shí)性和較強(qiáng)的抗干擾能力。與計(jì)算機(jī)通訊功能，采用 rs2

27、32 串行通訊方式 最遠(yuǎn)傳輸距離為 20 米。5長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)記錄功能:可以根據(jù)需要設(shè)置數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔，數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。6監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)管理軟件既要具有完成數(shù)據(jù)采集、處理的功能，其軟件編程應(yīng)具有功能強(qiáng)大、界面友好、便于操作和執(zhí)行速度快等特點(diǎn)。要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：測(cè)溫范圍：-20-100測(cè)溫精度：0.5測(cè)濕范圍：0-100%rh測(cè)濕精度：2.5%rh2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則要求單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、操作維護(hù)方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)。1可靠性高可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個(gè)方面考慮：使用可靠性高的元器件；

28、設(shè)計(jì)電路板時(shí)布線和接地要合理；對(duì)供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進(jìn)行軟硬件濾波；系統(tǒng)自診斷功能等。2操作維護(hù)方便在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從操作者的角度考慮操作和維護(hù)方便，盡量減少對(duì)操作人員專用知識(shí)的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能減少人機(jī)交互接口，多采用操作內(nèi)置或簡(jiǎn)化的方法。同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)配有現(xiàn)場(chǎng)故障診斷程序，一旦發(fā)生故障能保證有效地對(duì)故障進(jìn)行定位，以便進(jìn)行維修。3性價(jià)比單片機(jī)除體積小、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢(shì)在于高性能價(jià)格比。一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性價(jià)比是其中一個(gè)素。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，除了保持高性能外，盡可能降低成本，外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的

29、情況下盡可能用軟件代硬件功能等。2.3 系統(tǒng)組成與工作原理以單片機(jī)為控制核心，采用溫濕度測(cè)量，通信技術(shù)，誤差修正等關(guān)鍵技術(shù)，以溫濕度傳感器作為測(cè)量元件，構(gòu)成智能溫濕度測(cè)量系統(tǒng)該系統(tǒng)，可分為溫度測(cè)量電路，濕度測(cè)量電路，a/d 轉(zhuǎn)換及濾波電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示電路，語音報(bào)警電路，見圖 2.1。選用的主要器件有溫度傳感器 ds1820，濕度傳感器 hsll01，at89s51，a/d 轉(zhuǎn)換器tlco834，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 at24co4，mmc 存儲(chǔ)卡，4 數(shù)碼管顯示模塊，語音報(bào)警芯片isd2560，max23.定時(shí)器 555 芯片等。數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)采集報(bào)警指示數(shù)據(jù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)顯示at89s51單片機(jī) 圖 2.

30、1 硬件結(jié)構(gòu)圖在整個(gè)系統(tǒng)中采用了多種總線、協(xié)議技術(shù)，如智能溫度傳感器 ds1820 的單總線技術(shù)，存儲(chǔ)擴(kuò)展的 izc 總線技術(shù)，mmc 的模擬 spi 總線技術(shù)，單片機(jī)和計(jì)算機(jī)連接的 rs232協(xié)議技術(shù)等。為防止模擬傳感器數(shù)據(jù)采集的失真，采用了線形插值算法。 在這個(gè)系統(tǒng)中單片機(jī)部分采用語言為匯編和 c 語言混合編程，計(jì)算機(jī)部分采用vc+。第 3 章 傳感器設(shè)計(jì)3.1 傳感器的基本特性在監(jiān)控系統(tǒng)中有各種不同的物理量需要監(jiān)測(cè)和控制，這就要求傳感器能感受被測(cè)非電量并將其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)量有一定函數(shù)關(guān)系的電量。傳感器所測(cè)量的非電量是處在不斷的變化之中，傳感器能否將這些非電量的變化不失真地轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電量，

31、取決于傳感器的輸入一輸出特性。傳感器這一基本特性可用靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性來描述。3.1.1 傳感器的靜態(tài)特性1線性度傳感器的線性度是指?jìng)鞲衅鲗?shí)際輸出-輸入特性曲線與理論直之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即式中 -線性度； max-最大非線性絕對(duì)誤差；yfs-輸出滿度值。2靈敏度傳感器的靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出量的變化量與輸入量的變化量之比，即xys/0式中 s0靈敏度；y輸出量的變化量；x輸入量的變化量。3遲滯傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中，輸入特性曲線不重合的程度稱為遲滯，遲滯誤差一般以滿的百分?jǐn)?shù)表示，即式中輸出值在正、反行程間的最大差值。mh遲滯特性一般由實(shí)驗(yàn)方

32、法確定。4重復(fù)性傳感器在同一條件下，被測(cè)輸入量按同一方向作全量重復(fù)測(cè)量時(shí)，所得輸出輸入曲線的不一致程度，稱重性誤差用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，即近似計(jì)算式中-輸出最大重復(fù)性誤差；mr5分辨力傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閡值。6零漂傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對(duì)誤差表示，也可用絕對(duì)誤差表示。3.1.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性過程不受時(shí)間限制。而實(shí)際中大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測(cè)量的大小，還要顯示被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律，即被測(cè)量的波形。傳感器能測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量動(dòng)態(tài)

33、信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性。傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)如:最大超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、頻率響應(yīng)范圍、臨界頻率等。動(dòng)態(tài)特性好的傳感器，其輸出量隨時(shí)間的變化規(guī)律將再現(xiàn)輸入量隨時(shí)間的變化規(guī)律，即它們具有同一時(shí)間函數(shù)。但是，除了理想情況以外，實(shí)際傳感器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)不會(huì)具有相同的時(shí)間函數(shù)，由此引起動(dòng)態(tài)誤差。3.2 ds1820 溫度傳感器3.2.1 ds1820 溫度傳感器概述美國(guó) dallas 公司生產(chǎn)的 ds1820 數(shù)字溫度傳感器，可以直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理，通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9 位的溫度讀數(shù)。并且多個(gè) ds

34、1820 可以并接到多個(gè)地址線上與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。由于每一個(gè) ds1820 出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)序列號(hào)并存入其 rom 中，因此 cpu 可用簡(jiǎn)單的通信協(xié)議就可以識(shí)別，從而節(jié)省大量的引線和邏輯電路。與其它溫度傳感器相比，ds1820 具有以下特性：獨(dú)特的單線接口方式，ds1820 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 ds1820 的雙向通訊。ds1820 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) ds1820 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。ds1820 在使用中不需要任何外圍元件。溫范圍一 55 +125，固有測(cè)溫分辨率 0.5。測(cè)量結(jié)果以 9 位數(shù)字量方式串行傳送。單線總線，即 1w

35、ire 技術(shù)是 ds1820 的一個(gè)特點(diǎn)。該技術(shù)采用單根信號(hào)線，既可傳輸時(shí)鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單總線技術(shù)具有線路簡(jiǎn)單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。單總線適用于單主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。主機(jī)可以是微控制器，從機(jī)可以是單總線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換只通過一條信號(hào)線。當(dāng)只有一個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)可按單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作；當(dāng)有多個(gè)從設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)則按多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)操作。單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換、控制都由這根線完成。主機(jī)或者從機(jī)通過一個(gè)漏極開路或三態(tài)端口連至該數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能夠釋放總線，而讓其他設(shè)備使用總線，其內(nèi)部等效電路

36、如圖 3.2 所示。單總線通常要求外接一個(gè)約為 4.7k 的上拉電阻，這樣，當(dāng)總線閑置時(shí)，其狀態(tài)為高電平。3.2.2 ds1820 的讀寫時(shí)序?qū)?ds1820 的使用，多采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。處理時(shí)，將 ds1820 信號(hào)線與單片機(jī)一位口線相連，單片機(jī)可掛接多片 ds1820，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。無論是單點(diǎn)還是多點(diǎn)溫度檢測(cè)，在系統(tǒng)安裝及工作之前，應(yīng)將主機(jī)逐個(gè)與 ds1820 掛接，讀出其序列號(hào)。另外，由于 ds1820 單線通信功能是分時(shí)完成的，遵循嚴(yán)格的時(shí)隙概念，因此，系統(tǒng)對(duì) ds1820 和各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行，即初始化 ds1820(發(fā)復(fù)位脈沖)、發(fā) rom 功能命令、發(fā)存儲(chǔ)器

37、操作命令。處理數(shù)據(jù)。ds1820 要求嚴(yán)格的協(xié)定來確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議由幾種單線上信號(hào)類別型組成：復(fù)位脈沖，存在脈沖，寫 0，寫 1，讀 0，和讀 1。所有這些信號(hào)除了存在脈沖之外均由總線主機(jī)產(chǎn)生。3.2.3 ds1820 的測(cè)溫原理ds1820 的內(nèi)部框圖如圖 3.1 所示，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64 位激光rom 單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、8 位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼發(fā)生器等 7 部分。64位rom及環(huán)線接口供電力式檢測(cè)存儲(chǔ)器與控制邏輯暫存寄存器8位crc發(fā)生器溫度傳感器上線寄存器th下線寄存器tli/ovddgnd內(nèi)部v

38、dd圖 3.1 ds1820 的內(nèi)部框圖測(cè)溫原理見圖 3.2。低溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率隨溫度化很小的振蕩器，為計(jì)數(shù)器 1 提供一頻率穩(wěn)定的計(jì)數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率對(duì)溫度很敏感的振蕩器，為計(jì)數(shù)器 2 提供一個(gè)頻率隨溫度變化的計(jì)數(shù)脈沖。初始時(shí)，溫度寄存器被預(yù)置成550c，每當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 從預(yù)置數(shù)始減計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加10c，這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)便停止。斜率累加器計(jì)數(shù)器1=0計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)器2=0計(jì)數(shù)器1預(yù)置低溫振蕩器高溫振蕩器比較器溫度寄存器停止預(yù)置inclsb置位/清除圖 3.2 ds1820 的測(cè)溫原理圖初始時(shí)，計(jì)數(shù)器

39、1 預(yù)置的是與-55像對(duì)應(yīng)的一個(gè)預(yù)置值。以計(jì)數(shù)器 l 每一個(gè)循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補(bǔ)償振蕩溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度外使溫度寄存器存值增加 1數(shù)器所需的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。圖中比較器的作用是以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器最低有效位。在計(jì)數(shù)器2 停止計(jì)數(shù)后，比較器將計(jì)數(shù)器 1 中的計(jì)數(shù)余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與 0.25進(jìn)行比較，若低于 0.25，溫度寄存的最低位就置 0；若高于 0.25，就置 1；若高于 0.75，溫度寄存器的最低位就進(jìn)位后置 0。這樣，經(jīng)過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最末位代表 0

40、.5，四舍五入最大量化誤差為士 l/zlsb，即 0.25。溫度寄存器中的溫度值以 9 位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號(hào)位。其余 8 位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示溫度值。測(cè)溫結(jié)束時(shí)，這 9 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存寄存器的前兩個(gè)字節(jié)中，符號(hào)位占用第 1 字節(jié)，8 位溫度數(shù)據(jù)占用第 2 字節(jié)。ds1820 測(cè)量溫度時(shí)使用特有的溫度測(cè)量技術(shù)。ds1820 內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào):同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，ds1820 進(jìn)行計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)門開通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對(duì)頻率的非線性度加以補(bǔ)償。測(cè)量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫

41、度值應(yīng)為 9 位(包含一位符號(hào))，但因符號(hào)位擴(kuò)展成高 8 位，故以 16 位補(bǔ)碼形式讀出。3.2.4 溫度檢測(cè)電路溫度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖 3.3 所示，采用寄生電源供電方式。為保證在有效的ds1820 時(shí)鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，用一個(gè) mosfet 管和單片機(jī)的一個(gè) i/o 口(pl.0)來完成對(duì) ds1820 總線的上拉。當(dāng) ds1820 處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度 a/d 變換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉。采用寄生電源供電方式時(shí) vdd 必須接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的，為了操作方便用單片機(jī)的 pl.1 口作發(fā)送口 tx，pl.2 口作接收口 rx。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此種

42、方法可掛接 ds1820 數(shù)十片，距離可達(dá)到 50 米，而用一個(gè)口時(shí)僅能掛接 10 片 ds1820，距離僅為 20 米。同時(shí)由于讀寫在操作上是分開的故不存在信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)問題。圖 3.3 是采用寄生電源供電方式的 ds1820 與單片機(jī)的實(shí)際系統(tǒng)連接圖。ghddqvocdallasds1820ghddqvocdallasds1820ghddqvocdallasds18203119189171612131415p10p11p12p13p14p15p167p178p0039p0138p0237p0336p0435p0534p0633p0732p2021p2122p2223p2324p2425p2526

43、p2627p2728psen2930111020a5rst/vpdrxd/p3.0txd/p3.1into/p3.2inti/p3.3t0/p3.4t1/p3.5wr/p3.6rd/p3.7xtal2xtal1vss40vccea/vppale/progat89s51123456vccvccr210kc210ufsclsdamisossspicmoss4.7kdq181920a230pa330pgnda112mu3u2u1圖 3.3 采用寄生電源供電的 ds1820 與單片機(jī)的連接圖3.2.5 提高 ds1820 測(cè)溫精度的方法ds1820 正常使用時(shí)的測(cè)溫分辨率為 0.5，在對(duì) ds1820

44、 測(cè)溫原理詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，可以采取直接讀取 ds1820 內(nèi)部暫存寄存器的方法，將 ds1820 的測(cè)溫分辨率提高到0.10.01。ds1820 內(nèi)部暫存寄存器的分布如表 3.1 所示，其中第 7 字節(jié)存放的是當(dāng)溫度寄存器停止增值時(shí)計(jì)數(shù)器 1 的計(jì)數(shù)剩余值，第 8 字節(jié)存放的是每度所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，這樣可以通過下面的方法獲得高分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果。首先用 ds1820 提供的讀暫存寄存器指令(beh)讀出以 0.5為分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果，然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位(lsb)，得到所測(cè)實(shí)際溫度整數(shù)部分 t 整數(shù)，然后再用 beh 指令讀取計(jì)數(shù)器 1 的計(jì)數(shù)剩余值 m 剩余和每度計(jì)數(shù)值 m 每

45、度，考慮到 ds1820測(cè)量溫度的整數(shù)部分以 0.25、0.75為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度 t 可用下式計(jì)算得到：t 實(shí)際=(t 整數(shù)-0.25)+(m 每度-m 剩余)/m 每度通過上述方法可以大大的提高 ds1820 的測(cè)溫分辨率表 3.1 ds1820 暫寄存器分布寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度最低位字位0溫度最高位字位1高溫限值2低溫限值3保留4保留5計(jì)數(shù)剩余值6每度計(jì)數(shù)值7crc 校驗(yàn)8 3.2.6 軟件設(shè)計(jì)溫度測(cè)量的主程序主要完成對(duì) ds1820 的調(diào)用中斷管理、測(cè)量溫度值的計(jì)算及溫度值的顯示等問題。ds1820 允許中斷的產(chǎn)生以修正溫度值，實(shí)現(xiàn)及時(shí)的溫度測(cè)量。對(duì)于圖3.9 系統(tǒng)的 ds1

46、820 操作的總體流程圖如圖 3.10 所示。它分三步完成：系統(tǒng)通過反復(fù)操作，搜索 ds1820 序列號(hào)；啟動(dòng)所有在線 ds1820 做溫度 a/d 變換；逐個(gè)讀出在線ds1820 變換后的溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)有更多的檢測(cè)點(diǎn)需要測(cè)溫時(shí)，可利用單片機(jī)的其它口進(jìn)行擴(kuò)展。同時(shí)，也可利用單片機(jī)的串行通信口(rxd，txd)與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，從而構(gòu)成微機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)網(wǎng)。初始化ds1820初始化ds1820檢測(cè)ds1820存在發(fā)送跳過rom指令溫度轉(zhuǎn)換i=1，等待ds1820復(fù)位讀取溫度數(shù)據(jù) 開始ny發(fā)送ds1820編碼圖 3.4 ds1820 操作的總體流程圖3.3 hs1101 濕度傳感器測(cè)量空氣濕度的方

47、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。3.3.1 hs1101 濕度傳感器特點(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)，側(cè)面接觸封裝，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)裝配過程等。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 0.01

48、pf/。可見精度是較高的。3.3.2 濕度測(cè)量電路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)，常用兩種方法:一是將該濕敏電容置于運(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 3.5 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 端通過芯片內(nèi)部

49、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，rl用于平衡溫度系數(shù)。tlc55512345687576kr4r21kvschs11r1r3fout圖 3.5 頻率輸出的 555 振蕩電路該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源 vs通過 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 r2放電，經(jīng) t 放電時(shí)間后，u0下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33vs，此時(shí)輸出引腳 3

50、端又由低電平躍升為高電平。如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時(shí)間為：t充電=c(r4+r2)inzt放電=cr2inz因而，輸出的方波頻率為f=1/(t充電+t放電)=1/c(r4+2r2)inz)可見，空氣濕度通過 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)。 濕敏電容經(jīng)振蕩電路變換后的脈沖頻率信號(hào)，經(jīng)濾波、整形、光藕、放大等信號(hào)處理后，送入單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器 t1，tl 工作于方式 1，為 16 位計(jì)數(shù)器，定時(shí)記錄脈沖數(shù)并存入內(nèi)存緩沖區(qū)(t0 工作于方式 2 為自動(dòng)重裝方式的定時(shí)器)。由于采用了性能優(yōu)良的hsl101 電容式濕度傳感器及其振蕩測(cè)量電路，獲得了頻率信號(hào)與濕度值的

51、近似線性關(guān)系，通過軟件的分段線性與查表計(jì)算等數(shù)據(jù)處理，可以校準(zhǔn)補(bǔ)償頻率、漂移以及元器件的誤差，因而所構(gòu)成的濕度測(cè)量?jī)x具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間快、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。a/d 轉(zhuǎn)換器采用 8 位串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器 tlc0834。tlc0834 是低價(jià)格 8 位逐次逼近型 a/d 轉(zhuǎn)換器，其多路器可用軟件配置為單端或差分輸入，也可配置為偽差分輸入，基準(zhǔn)電壓的大小可調(diào)，在全 8 位分辨率下允許任意小的模擬電壓編程間隔。a/d 轉(zhuǎn)換電路是用于將檢測(cè)到的溫濕度模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸送到微處理器 at89551。通常取 r4 r2=576kq、r4 遠(yuǎn)小于 r2，使 d=50%，輸出接近方波

52、。例如，取r4=49.9kq 時(shí)，d=52%。當(dāng) c=c0=181spf 時(shí)求出 f=6668hz，這與 6660hz(典型值)非常接近。3119189171612131415p10p11p12p13p14p15p167p178p0039p0138p0237p0336p0435p0534p0633p0732p2021p2122p2223p2324p2425p2526p2627p2728psen2930111020a5rst/vpdrxd/p3.0txd/p3.1into/p3.2inti/p3.3t0/p3.4t1/p3.5wr/p3.6rd/p3.7xtal2xtal1vss40vccea/

53、vppale/progat89s51123456521 367 84resetouttriggndvdddischthresconttlc5559 45 32ksclkd0d1ch2ch1chordtlc0834131012vcc+5vccvccvcc 圖 3.6 濕度測(cè)量電路第 4 章 單片機(jī)設(shè)計(jì)4.1 at89s51 單片機(jī)本系統(tǒng)采用的 at89s51 是一個(gè)低功耗，高性能 cm058 位單片機(jī)片內(nèi)含 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，兼容標(biāo)準(zhǔn) mcs-51 指令系統(tǒng)及 80c51 引腳結(jié)

54、構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8 位中央處理器和 ispflash 存儲(chǔ)單元。at89s51 具有如下特點(diǎn)：40 個(gè)引腳，4kbytesflash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128bytes 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)口，5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 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)時(shí)鐘振蕩器。4.1.1 單片機(jī)引腳單片機(jī)有 4 個(gè) i/o 端口，每個(gè)端口都是 8 位雙向口，共占 32 根引腳。每個(gè)端口都包括一個(gè)鎖存器(即專用寄存器 p0-p3)、一個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。通常把 4 個(gè)端口稱為 p0p3，見圖

55、4.1。在無片外擴(kuò)展的存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，這 4 個(gè)端口的每一位都可以作為雙向通用 i/o 端口使用。在具有片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，p2 口作為高 8 位地址線，p0口分時(shí)作為低 8 位地址線和雙向數(shù)據(jù)總線。在作為一般的通用 i/o 輸入時(shí)，都必須先向鎖存寫入“1” ，使輸出驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管 fet 截止，以免誤讀數(shù)據(jù)。 3119189171612131415p10p11p12p13p14p15p167p178p0039p0138p0237p0336p0435p0534p0633p0732p2021p2122p2223p2324p2425p2526p2627p2728psen2930111020a5r

56、st/vpdrxd/p3.0txd/p3.1into/p3.2inti/p3.3t0/p3.4t1/p3.5wr/p3.6rd/p3.7xtal2xtal1vss40vccea/vppale/progat89s51123456vccr210kc210ufsclsdamisossspicmoss181920a230pa330pgnda112m圖 4.1 單片機(jī) at89s51 引腳及連接晶振電路和復(fù)位電路4.1.2 時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路時(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)部各種微操作的時(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)，控制相關(guān)的邏輯電路工作，

57、實(shí)現(xiàn)指令的功能。復(fù)位對(duì)單片機(jī)來說，是程序還沒有開始執(zhí)行，在做準(zhǔn)備工作。4.1.3 89551 看門狗功能的使用方法看門狗復(fù)位電路監(jiān)控程序的運(yùn)行狀態(tài)，在死機(jī)或“程序走飛”時(shí)可使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)?？撮T狗具體使用方法如下:在程序初始化中向看門狗寄存器(wdtrst地址是 oa6h)中先寫入 oleh 再寫入 oeih。即可激活看門狗。89551 的看門狗必須由程序激活后才開始工作。所以必須保證 cpu 有可靠的上電復(fù)位。否則看門狗也無法工作?？撮T狗使用的是 cpu 的晶振。在晶振停振的時(shí)候看門狗也無效。89551 只有 14 位計(jì)數(shù)器。在 16383 個(gè)機(jī)器周期內(nèi)必須至少喂狗一次。而且這個(gè)

58、時(shí)間是固定的，無法更改。當(dāng)晶振為 12m 時(shí)每 16 個(gè)毫秒需喂狗一次。4.2 存儲(chǔ)擴(kuò)展i2c 總線是一種由 philips 公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。i2c 總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此 i2c總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。總線的長(zhǎng)度可高達(dá) 25 英尺，并且能夠以 10kbps 的最大傳輸速率支持 40 個(gè)組件。i2c 總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它支持多主控，其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主總線。一個(gè)主控能夠控制信號(hào)的傳輸和時(shí)鐘頻率。當(dāng)然，在任何時(shí)間點(diǎn)上只能有一個(gè)主控。4.2.

59、1 i2c 總線的基本結(jié)構(gòu)假設(shè)系統(tǒng)中器件均具有 i2c 總線接口，通過串行數(shù)據(jù)線和串行時(shí)鐘線連接到 i2c 總線，并通過總線行識(shí)別，即器件尋址。線上傳送數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，以允許與被尋址的器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。被尋址的器件，稱為從器件。一般而言，任何器件均能成為從器件，只有微控制器才能成為主器件。主、從器件對(duì)偶出現(xiàn)，工作在接收還是發(fā)送數(shù)據(jù)方式，由器件的功能和數(shù)據(jù)傳送的方向所決定。4.2.2 雙向傳輸?shù)慕涌谔匦栽O(shè)備上的串行數(shù)據(jù)線 sda 接口電路應(yīng)該是雙向的，輸出電路用于向總線上發(fā)數(shù)據(jù)，輸入電路用于接收總線上的數(shù)據(jù)。串行時(shí)鐘線也應(yīng)是雙向的，作為控制總線數(shù)據(jù)傳送的主機(jī)要通過 scl 輸出電路發(fā)送時(shí)鐘

60、信號(hào)，同時(shí)要檢測(cè)總線上 scl 上的電平以決定什么時(shí)候發(fā)下一個(gè)時(shí)鐘脈沖電平;作為接受主機(jī)命令的從機(jī)，要按總線上的 scl 的信號(hào)發(fā)出或接收 sda 上的信號(hào)，也可以向 scl 線發(fā)出低電平信號(hào)以延長(zhǎng)總線時(shí)鐘信號(hào)周期。總線空閑時(shí)，因各設(shè)備都是開漏輸出，上拉電阻 rp 使 sda 和 scl 線都保持高電平。任一設(shè)備輸出的低電平都使相應(yīng)的總線信號(hào)線變低，也就是說各設(shè)備的 sda 是“與”關(guān)系，scl 也是“與”關(guān)系。4.2.3 i2c 總線上的時(shí)鐘信號(hào)在 i2c 總線上傳送信息時(shí)的時(shí)鐘同步信號(hào)是由掛接在 scl 時(shí)鐘線上的所有器件的邏輯“與”完成的。scl 線上由高電平到低電平的跳變將影響到這些器