黨麗娜畢業(yè)論文終稿

1、南 陽 理 工 學 院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）學院（系）： 電子與電氣工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學 生： 黨麗娜 指導(dǎo)老師 ： 牛 軍 完成日期 2012 年 5 月南陽理工學院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的工業(yè)加濕器系統(tǒng)硬件設(shè)計Hardware Design of Industrial Humidifier System Based on MCU總 計： 23 頁表 格： 4 個插 圖： 20 幅南 陽 理 工 學 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）基于單片機的工業(yè)加濕器系統(tǒng)硬件設(shè)計Hardware Design of Industrial Humidifier System

2、 Based on MCU學 院（系）： 電子與電氣工程 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學 生 姓 名： 黨麗娜 學 號： 104091120082 指 導(dǎo) 教 師（職稱）：牛軍（副教授）評 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽理工學院 Nanyang Institute of Technolog基于單片機的工業(yè)加濕器系統(tǒng)硬件設(shè)計基于單片機的工業(yè)加濕器系統(tǒng)硬件設(shè)計電氣工程及其自動化 黨麗娜摘 要 本文是基于單片機的工業(yè)加濕器系統(tǒng)的硬件設(shè)計，該系統(tǒng)主要由數(shù)字主控單元、水箱、抽水泵、過濾器、加濕器、傳感器、反滲透膜等單元構(gòu)成。外部自來水經(jīng)過過濾器、反滲透膜、水箱后進入超聲波加濕器。數(shù)字主控單元主要

3、由按鍵顯示模塊、壓力、濕度采集模塊、輸出控制等模塊構(gòu)成。在加濕器方面系統(tǒng)采用了國內(nèi)外使用較多的超聲波加濕器。該加濕器在工作時無機械驅(qū)動、無噪音干擾、無污染、故障率低、能耗低、霧化效率高、維護簡便、可靠，既可以較大空間進行均勻加濕，也可對特殊空間進行局部溫度補償，具有較高的使用靈活性。由于系統(tǒng)工作環(huán)境可能較惡劣，系統(tǒng)的電源很容易收到干擾，為此本設(shè)計中使用專用的電源監(jiān)測和復(fù)位芯片MAX708 進行12V 電源的監(jiān)測，一旦監(jiān)測到電源的波動可能導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位時，系統(tǒng)首先進行水泵等關(guān)鍵設(shè)備的斷電保護，同時對當前的狀況進行記錄并進行保存，以便供用戶以后診斷系統(tǒng)故障。系統(tǒng)設(shè)計完成后，經(jīng)過多次測試，表明該系統(tǒng)達

4、到了定時排水、自動抽水、高精度濕度控制等控制器的基本功能，同時該系統(tǒng)具有成本低、效率高、自動化程度高等特點，達到設(shè)計要求。關(guān)鍵詞 單片機；智能；加濕器；傳感器Hardware Design of Industrial Humidifier System Based on MCUElectrical Engineering and Automation Specialty DANG LinaAbstract：we began the research for industrial humidity control system. Our humidity control system is ma

5、inly composed of digital MCU, water tank, lift pump, filter, humidifier, sensors, reverse osmosis membrane etc. Tap-water from outside goes through the filter, reverse osmosis membrane, water tank, and then goes into the ultrasonic humidifier. The digital control unit consists mainly of key display

6、module, pressure and humidity acquisition module and the output control module, etc. The ultrasonic humidifier frequently used in foreign countries is adopted in the system. The sensor is in no need of mechanical drive and works without noise interference, and is pollution-free, with low failure rat

7、e, low energy consumption, high efficiency and convenient maintenance atomization, reliable. Also, it can be used in larger space to provide equality of humidity, and provide local temperature compensation for specific part of special space, so the sensor is very flexible. Because the working enviro

8、nment might be very severe, the power supply can be easily disturbed, so we use a special power monitoring and the reset chip MAX708 to detect the 12V power supply. Once the power fluctuations that can cause the system restoration are found ,the key equipments such as pump in the system will be firs

9、tly cut off for the electricity protection, and then the current situation will be recorded and saved for system fault diagnosis later. Through repeating tests, the system has achieved the basic functions of intelligent controller like timing drainage, automatic pumping and highly précis humidi

10、ty control, at the same time, the system is with low cost, high efficiency and high automation degree.Key words：Single-chip microcomputer；intelligent；humidifier；sensor目 錄1 引言11.1 加濕器在生活與工業(yè)生產(chǎn)中的作用11.2 工業(yè)加濕器的發(fā)展現(xiàn)狀與分類11.2.1 工業(yè)加濕器的發(fā)展11.2.2 工業(yè)加濕器的分類21.3 本文研究的主要內(nèi)容22 系統(tǒng)的設(shè)計指標與總體方案22.1 系統(tǒng)設(shè)計指標32.2 系統(tǒng)總體方案53 系統(tǒng)硬件

11、設(shè)計53.1 數(shù)字主控單元53.1.1 單片機介紹53.1.2 系統(tǒng)應(yīng)用的工作模式83.1.3 復(fù)位電路83.2 按鍵單元93.3 數(shù)字時鐘顯示單元93.3.1 液晶顯示93.3.2 數(shù)字時鐘顯示123.4 濕度檢測123.4.1 濕度傳感器和采集方法123.4.2 壓力傳感器檢測153.4.3 浮子、水位感應(yīng)片檢測單元163.5 超聲波加濕器173.5.1 超聲波加濕器控制原理173.5.2 超聲波加濕器的特點173.5.3 系統(tǒng)中的超聲波加濕器183.6 電源系統(tǒng)193.7 輸出控制單元19結(jié)束語21參考文獻22致謝23231 引言濕度是影響環(huán)境質(zhì)量的重要因素，空氣中相對濕度的大小會對環(huán)境

12、中的人和物產(chǎn)生相應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，濕度是衡量空氣潔凈度的重要指標之一，從而也成為影響產(chǎn)品質(zhì)量以及人們生活質(zhì)量的主要因素。隨著日益發(fā)展的芯片技術(shù)領(lǐng)域，醫(yī)藥制藥行業(yè)，生物工程的深入，對環(huán)境的要求也更加嚴格。濕度對人們的生活環(huán)境、工作環(huán)境以及工業(yè)生產(chǎn)都具有非常重要的意義，因此，加濕成為環(huán)境控制的必然要求。1.1 加濕器在生活與工業(yè)生產(chǎn)中的作用為了保證生活環(huán)境的舒適度，控制濕度是必須的，而控制環(huán)境濕度的設(shè)備就是加濕器。在干燥的環(huán)境中，濕氣會由人的鼻子、眼睛、嘴巴與皮膚散失。濕氣由皮膚離開時，會有冷卻皮膚的效果，造成舒適度降低。在室溫21的干燥環(huán)境中，人員會因散發(fā)濕氣而覺得寒冷。此時，若增加濕度會使人

13、覺得溫暖。一般人要消除冷的感覺，常會將溫度加個23，加溫所耗費的能量要比加濕器來得大。這也就是為什么冬季工作場所的溫度常設(shè)在19、相對濕度設(shè)在60%，可以同時滿足舒適度與節(jié)能的雙重要求。適當?shù)臐穸冗€可以防止產(chǎn)生靜電。干燥的環(huán)境容易產(chǎn)生靜電。相對濕度35%以下時，物體上會產(chǎn)生靜電，并會經(jīng)過任何接觸它的物體將靜電釋放至大地，人體也包括在內(nèi)。走過尼龍地毯時、穿人造質(zhì)料的鞋子可以在干空氣中產(chǎn)生35000伏特的靜電。在某些要求較高的環(huán)境，如計算機房、電子加工車間和集成電路生產(chǎn)車間等，靜電放電會損壞元器件，造成設(shè)備失效；面粉加工廠、燃氣制造廠、油庫以及易燃性粉塵濃度較高的生產(chǎn)環(huán)境，要保持一定的空氣濕度以控

14、制在出現(xiàn)高濃度氧氣和其他易爆氣體混合物時不產(chǎn)生靜電，避免引起爆炸；加工各種細小粉狀物質(zhì)時，稍微增大水分可減少靜電，使流動均勻而不結(jié)塊1。提高5%的相對濕度即可使靜電釋放減至1500 伏特。若相對濕度提高至35%以上，所有的物體表面都會有一層濕氣，它能捕集漂浮在空氣中的帶電塵粒，可使靜電隨時傳導(dǎo)至大地而不發(fā)生人員與物品傷害。1.2 工業(yè)加濕器的發(fā)展現(xiàn)狀與分類1.2.1 工業(yè)加濕器的發(fā)展工業(yè)加濕器產(chǎn)品在我國有二十幾年左右的發(fā)展歷史，最初是由國外傳入的舶來品。國外加濕器產(chǎn)品的研制從50年代開始興起，其產(chǎn)品種類不斷增多，加濕性能逐步提高。50多年來，加濕器在國外得到了長足的發(fā)展，特別是日本，非常重視加

15、濕器的研究和開發(fā)，加濕器的市場也非?；钴S。在我國，八十年代中期，隨著氣調(diào)保鮮業(yè)逐步興起，加濕器亦成為食品氣調(diào)儲藏的關(guān)鍵設(shè)備。近年來,隨著人們對生活環(huán)境與質(zhì)量的要求不斷提高，促成了多種適用于辦公和家庭環(huán)境的加濕機的研制開發(fā)，在工業(yè)生產(chǎn)、糧食等物料倉儲過程中乃至人們的日常生活中，對濕度控制的要求也正在引起專家們愈來愈大的關(guān)注。正是中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，催生了工業(yè)加濕器產(chǎn)品市場的不斷壯大。國內(nèi)企業(yè)也越來越多地進入這一行業(yè)，并且早已打破由外資品牌一統(tǒng)天下的局面，進入國內(nèi)外品牌共存的局面。這二十多年來，我國加濕技術(shù)發(fā)展很快，國家的濕度基準從無到有，濕度傳感器從七十年代的幾個品種發(fā)展到現(xiàn)在的幾十個品種。加濕

16、器的發(fā)展也經(jīng)歷了淋水式和離心式加濕器，干蒸汽加濕器、超聲波加濕器。但早期在產(chǎn)品性能、壽命等方面與國外還有很大的差距2。1.2.2 工業(yè)加濕器的分類至今，加濕器己有不下幾十種類型。可以滿足各類不同領(lǐng)域，不同消費水平的用戶的不同需求。由于其各自的優(yōu)勢特點，使彼此間不能完全替代。工業(yè)加濕器既可以作為中央空調(diào)的配套產(chǎn)品，也可以單獨使用。目前根據(jù)應(yīng)用場合及工作原理，現(xiàn)階段工業(yè)加濕器主要有以下類型：高壓噴霧式加濕器，濕膜加濕器，干蒸汽加濕器，離心式加濕器，超聲波加濕器，電熱蒸汽加濕器等等3。1.3 本文研究的主要內(nèi)容本研究針對傳統(tǒng)工業(yè)加濕器的缺點，借鑒單片機自動控制在其他領(lǐng)域發(fā)展的成果，以微控制系統(tǒng)作為主

17、體部分為了研制一款工作時無機械驅(qū)動、無噪音干擾、無污染，故障率低、能耗低、霧化效率高、維護簡便、可靠的工業(yè)加濕系統(tǒng)。本課題研究主要涉及以下方面：（1）通過對控制部分應(yīng)實現(xiàn)的功能及要求確定總體設(shè)計方案；（2）系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計。2 系統(tǒng)的設(shè)計指標與總體方案由于本系統(tǒng)的加濕器要求無噪音干擾、霧化效率高、無污染，為此超聲波加濕器成為首選，然而超聲波加濕器對水質(zhì)的要求較高，為此本系統(tǒng)選擇了用自來水過濾為超聲波加濕器供水的方案。如圖1給出了自來水過濾過程圖。自來水進入系統(tǒng)后，經(jīng)過過濾器和反滲透膜后進入水箱。過濾器和反滲透膜需要定期排出廢水。水箱向超聲波加濕器導(dǎo)入水質(zhì)較高的水。圖1 自來水過濾流程2.1

18、系統(tǒng)設(shè)計指標結(jié)合自來水過濾流程和本系統(tǒng)中實際應(yīng)用的需求，提出系統(tǒng)需要實現(xiàn)的具體功能如下：（1）調(diào)節(jié)濕度范圍：5%99%RH（應(yīng)用范圍更廣）。（2）控制精度：±3%RH。（3）儀器智能化要求。l 總電源的安全控制水箱水位降低到水位感應(yīng)片位置時，水位處于危險狀態(tài)，加濕機應(yīng)自動切斷總控制電源，水位上升后，自動恢復(fù)供電和正常運轉(zhuǎn)。l 進水停止自來水停止供水時，為防止水泵空轉(zhuǎn)致使燒壞電機，停水時應(yīng)立即切斷總電源，并報警?；謴?fù)供水時又自動供電工作。l 自動定時排水由于加濕機的制水部分有2路排水管需要定時自動排水，管子上分別有電磁閥控制，通常情況應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。每天定時打開電磁閥排水，排完廢水后自

19、動關(guān)閉。l LCD顯示部分要求能夠顯示時間和濕度數(shù)值，控制按鍵能夠設(shè)定、調(diào)節(jié)濕度和時間、能夠設(shè)定閥的排水頻率和排水時間。并且要求工作指示燈、電源指示燈、控制系統(tǒng)故障指示燈、以及水位高度、制水和停止制水的狀態(tài)。根據(jù)上面的設(shè)計需求，設(shè)計出本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖可知為控制電磁閥A、B主要用于控制定時排水，電磁閥C可以控制從水泵到過濾器的水路。繼電器A和B分別用于控制超聲波電源和水泵電源。系統(tǒng)用到的傳感器主要有濕度傳感器、浮子、水位感應(yīng)片和壓力傳感器。圖2 系統(tǒng)的總體平面結(jié)構(gòu)圖濕度傳感器用于實時監(jiān)測環(huán)境濕度。壓力傳感器用于檢測自來水供水狀態(tài)，浮子和水位感應(yīng)片檢測水箱水位情況。在本系統(tǒng)中主控制

20、器是整個系統(tǒng)的核心，其主要完成外部信息的采集和處理。主控制器設(shè)計方案如圖3所示。圖3 主控制器設(shè)計方案圖2.2 系統(tǒng)總體方案根據(jù)設(shè)計需求的主控制器部分，設(shè)計出如圖3所示的主控制器硬件結(jié)構(gòu)。主控單元主要由一個MCU構(gòu)成6，其主要功能是完成外界信息的采集，進行運算處理后，控制外面的設(shè)備進行正常工作。按鍵和LCD顯示模塊提供了人機交互的通道。時鐘模塊為主控提供時鐘，主控單元利用該時鐘進行程序運行和定時設(shè)置7。外界信息采集的傳感器主要有濕度傳感器8，壓力傳感器，浮子信號和水位感應(yīng)片，其中濕度傳感器進行實時的濕度信息采集，為主控單元對加濕器的控制提供了反饋信息。壓力傳感器用來實現(xiàn)對自來水的通斷進行檢測。

21、當傳感器檢測到外部自來水停水時必須關(guān)閉抽水泵控制繼電器。浮子信號是指放在水箱中的兩個固定高度的浮子通斷信號?？梢酝ㄟ^這個信號檢測到目前水箱中的水位。水位感應(yīng)片主要是用于水箱中的水位最低限感應(yīng)，當水位感應(yīng)片輸出信號有效時，表明加濕器中的水位已經(jīng)很低，這時必須系統(tǒng)切斷電源，保護加濕器。電源模塊主要是通過變壓器把外部接入的220V市電轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)中各個模塊需要的電壓。在給水泵、超聲波加濕器的供電里，為了在系統(tǒng)出現(xiàn)報警情況時切斷電源，必須采用繼電器進行控制9。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 數(shù)字主控單元3.1.1 單片機介紹單片機芯片選用美國SST公司推出SST89E564系列單片機，它采用8051兼容MCU核

22、，8位CPU與高速Flash集成在同一塊芯片上，具有1K的片內(nèi)RAM和64+8K的EPROM，支持外部擴展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的地址范圍均為64K，內(nèi)置3個16位的定時計數(shù)器和一個全雙工增強的UART，最多可以有8個中斷源，并可以設(shè)定為4個優(yōu)先級10。選用該芯片作為本系統(tǒng)的核心控制元件，不需再外擴展任何存儲設(shè)備，且能高效率、快速運行計算。其主要特點如下：（1）引腳和指令系統(tǒng)與Intel公司的MCS-51系列單片機完全兼容；（2）1KB的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM,雙DPTR數(shù)據(jù)指針；（3）64KB+8KB的片內(nèi)FLASH存儲器，具有在應(yīng)用中編程和在系統(tǒng)編程功能，不需要硬件編程器，可通過串行口實現(xiàn)用戶代碼

23、升級；（4）可通過編程選擇6時鐘或12時鐘模式，缺省為標準12時鐘模式；（5）看門狗定時器WDT，缺省時為關(guān)閉；（6）增強型UART，支持幀數(shù)據(jù)錯誤檢測和自動地址識別，SPI串行接口；（7）9個中斷源，終端級別可達4級，3個高點六驅(qū)動引腳，可直接驅(qū)動LED；（8）低電壓檢測，電壓過低時自動復(fù)位，防止低電壓時CPU誤動作，提高可靠性；（9）低EMI模式，可禁止ALE輸出時鐘，超強抗干擾，可靠性更高。引腳說明如圖4所示。圖4 單片機引腳圖(1)電源引腳Vcc和VssVDD(40腳)：電源端為5V；Vss(20腳)：接地端。(2）時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL2（18腳）：接外部晶體和微

24、調(diào)電容的一端；在8051片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時鐘電路時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。要檢查8051/8031的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號輸出。XTAL1(19腳)：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該引腳必須接地。(3) 控制信號引腳RST、ALE、PSEN和EARST/VPD(9腳)：RST是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。ALE/PROG：地址鎖存允許信號端。當8051上電正常工作后，ALE引腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率fOSC的1/6

25、。CPU訪問片外存儲器時，ALE輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號。PSEN：程序存儲允許輸出信號端。在訪問片外程序存儲器時，此端定時輸出負脈沖作為讀片外存儲器的選通信號。此引腳接EPROM的OE端。PSEN端有效，即允許讀出EPROMROM中的指令碼。EA/Vpp(ENABLE ADDRESS/VOLTAGE PULSE OF PROGRAMING，31腳)：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當EA引腳接高電平時，CPU只訪問片內(nèi)EPROM/ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，但當PC（程序計數(shù)器）的值超過0FFFH(對8751/8051為4K)時，將自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外程序存

26、儲器內(nèi)的程序。當輸入信號EA引腳接低電平（接地）時，CPU只訪問外部EPROM/ROM并執(zhí)行外部程序存儲器中的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。對于無片內(nèi)ROM的8031或8032，需外擴EPROM，此時必須將EA引腳接地。此引腳的第二功能是Vpp是對8751片內(nèi)EPROM固化編程時，作為施加較高編程電壓（一般12V21V）的輸入端。(4) 輸入/輸出端口P0/P1/P2/P3P0口（P0.0P0.7，3932腳）：P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O口。作為漏極開路的輸出端口，每位能驅(qū)動8個LS型TTL負載。當P0口作為輸入口使用時，應(yīng)先向P0口鎖存器（地址80H）寫入全1，此時P0口的全

27、部引腳浮空，可作為高阻抗輸入。作輸入口使用時要先寫1，這就是準雙向口的含義。在CPU訪問片外存儲器時，P0口分時提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。在此期間，P0口內(nèi)部上拉電阻有效。P1口（P1.0P1.7，18腳）：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O口。P1口每位能驅(qū)動4個LS型TTL負載。在P1口作為輸入口使用時，應(yīng)先向P1口鎖存地址（90H）寫入全1，此時P1口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。P2口（P2.0P2.7，2128腳）：P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O口。P2口每位能驅(qū)動4個LS型TTL負載。在訪問片外EPROM/RAM時，它輸出高8位地址。P3口（P3.

28、0P3.7，1017腳）：P3口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O口。P3口每位能驅(qū)動4個LS型TTL負載。P3口與其它I/O端口有很大的區(qū)別，它的每個引腳都有第二功能。如表1所示。表1 P3口第二功能表P30IRXD:串行數(shù)據(jù)接收P31OTXD:串行數(shù)據(jù)發(fā)送P32IINT0#:外部中斷0輸入P33IINT1#:外部中斷1輸入P34IT0:定時/計數(shù)器0的外部計數(shù)輸入P35IT1:定時/計數(shù)器1外部計數(shù)輸入P36OWR#:外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通P37ORD#:外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通3.1.2 系統(tǒng)應(yīng)用的工作模式本系統(tǒng)中采用12M晶振為系統(tǒng)提供時鐘，采用Inter總線模式，使用SN74HC573

29、鎖存器進行地址線的復(fù)用。由于系統(tǒng)中需要訪問控制的地址較多，為此使用SN74HC138進行地址線的擴展，用于檢測浮子、感應(yīng)片等傳感器的引腳通過排阻上拉到5V。單片機最小系統(tǒng)11如圖5所示。圖5 單片機最小系統(tǒng)圖3.1.3 復(fù)位電路單片機的程序穩(wěn)定性和運行及數(shù)據(jù)的安全性是設(shè)計者在不同的運行環(huán)境中所必須考慮的問題，而最易遇到的問題是受干擾而使CPU進入死循環(huán)，一般情況下設(shè)計者會使用軟件陷阱和硬件看門狗來避免此類現(xiàn)象的出現(xiàn)，對于一般的運行環(huán)境還可以，但本系統(tǒng)是連續(xù)運行，而且環(huán)境惡劣，這時要使用硬件看門狗來重啟CPU，使程序恢復(fù)正常運行。同時，如果電源電壓波動較大或斷電，系統(tǒng)還要求將當前有用的數(shù)據(jù)進行保

30、護。MAX708就是這種既有電源監(jiān)控和數(shù)據(jù)保護又有看門狗作用的集成電路芯片12。MAX708是一種微處理器電源監(jiān)控和看門狗芯片，可同時輸出高電平有效和低電平有效的復(fù)位信號。復(fù)位信號可由VCC電壓、手動復(fù)位輸入或由獨立的比較器觸發(fā)，域值為1.25V。用于電源失效或低電源警告的獨立比較器可用于監(jiān)視第2個電源信號，為處理器提供電壓跌落的預(yù)警功能。這一功能是為器件發(fā)出復(fù)位信號前的正常關(guān)機、向操作者發(fā)送警報或電源切換及數(shù)據(jù)保護而考慮的。本系統(tǒng)中PF引腳進行12V電源的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果直接輸出到單片機的中斷引腳INT0，單片機一旦檢測到電源有異常時，馬上進行當前處理數(shù)據(jù)的保護。該復(fù)位芯片同時輸出兩路復(fù)位信號

31、，當復(fù)位按鍵按下時分別為單片機和實時時鐘芯片提供復(fù)位13。圖6 復(fù)位電路圖3.2 按鍵單元如同計算機需要有顯示器和鍵盤來進行人機交互一樣，單片機系統(tǒng)通常也需要有輸入和輸出設(shè)備來進行人機交互。由于本系中需要控制的資源較多，為此單片機的引腳數(shù)目顯得緊張。為此使用集成的按鍵掃描芯片SM1623進行按鍵的擴展。SM1623是一種帶鍵盤掃描接口的LED驅(qū)動控制專用電路，內(nèi)部集中由MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器、LED高壓驅(qū)動、鍵盤掃描等電路。本系統(tǒng)中用該芯片進行7個按鍵的掃描，掃描結(jié)果通過K1、K2、K3三個信號連接到單片機引腳。圖7 掃描電路圖3.3 數(shù)字時鐘顯示單元3.3.1 液晶顯示作為人機交換的重要

32、途徑。本系統(tǒng)中選用12232C液晶模塊進行信息的顯示。液晶結(jié)構(gòu)如圖8所示。圖8 液晶結(jié)構(gòu)圖12232C是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動器列驅(qū)動器及122×32全點陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示七個半(16×16點陣)漢字。接口管腳定義如表2所示。 表2 引腳結(jié)構(gòu)管腳號管腳名稱LEVER管腳功能描述1VDD+35V電源電壓2VSS0V電源地3VLCD0+5Vor0-5VLCD外接驅(qū)動電壓當VDD=+3V時，VLCD接0-5V4RESH/L復(fù)位電壓5E1H/L讀寫使能信號（MASTER）6E2H/L讀寫使能信號（SLAVE）7A1H/L讀寫選擇信號8A0H

33、/LD/I=“H”，表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)D/L=“L”，表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù)9DB0H/L數(shù)據(jù)線10DB1H/L數(shù)據(jù)線11DB2H/L數(shù)據(jù)線12DB3H/L數(shù)據(jù)線13DB4H/L數(shù)據(jù)線14DB5H/L數(shù)據(jù)線15DB6H/L數(shù)據(jù)線16DB7H/L數(shù)據(jù)線17NC懸空18NC懸空控制電路需要對上下半片分別進行控制，控制電路如圖9所示。 從原理圖以及上面的圖表可知，液晶內(nèi)部的驅(qū)動分成了MASTER和SLAVE兩部分共用數(shù)據(jù)等信號線。而區(qū)分是對哪一個部分進行操作是由管腳E1，E2來控制的。而在原理圖中，是結(jié)合了來自CPU的RD，WR信號和來自74HC138譯碼器的CS_E1和CS_E2信

34、號來達到控制目的。當向地址0xA000H、0xA001H或者0xA002H地址讀寫時是對MASTER部分操作；當向地址0xB000H、0xB001H或者0xB002H地址讀寫時是對SLAVE部分操作。圖9 顯示控制電路圖由于這個液晶的讀寫選擇信號（第7個管腳）是由A1控制的，而數(shù)據(jù)線上傳送的是數(shù)據(jù)還是指令是由第8個管腳控制的，這個管腳在原理圖中連接A0，所以有以下的地址組合。地址對應(yīng)操作的關(guān)系如表3所示。表3 地址操作表地址操作0xA000H向SLAVE部分寫指令0xA001H向SLAVE部分寫顯示數(shù)據(jù)0xA002H向SLAVE部分讀指令0xB000H向MASTER部分寫指令0xB001H向M

35、ASTER部分寫顯示數(shù)據(jù)0xB002H從MASTER部分讀指令3.3.2 數(shù)字時鐘顯示在本系統(tǒng)中需要定時排廢水，并且需要在LCD上進行時間日期的顯示和記錄，為此一個精準的時鐘參考顯得非常重要。本系統(tǒng)選用DS18827作為時鐘參考芯片。該芯片內(nèi)建128字節(jié)RAM，可輸出方波信號，自帶晶體振蕩電路和可充電電池，在沒有外部供電的情況下也可以工作10年?？捎嬎愕?100年前的秒、分、小時、星期、日期、月、年等信息。芯片內(nèi)部還提供了約100個字節(jié)的RAM空間，其存儲的數(shù)據(jù)也可以長期保持不變14。DS12887芯片能工作在兩種總線時序，一是MOTOROLA模式，一是INTEL模式。這個模式的選擇是由管腳M

36、OT來控制的，當MOT為高時表示使用MOTOROLA總線時序；當MOT為低時表示使用INTEL總線時序。本系統(tǒng)的單片工作在INTEL模式，為此MOT管腳必須接到地。由于數(shù)字時鐘的RD管腳在INTEL模式下為RD信號，為此直接與單片機的外部地址讀信號RD相連。DS12887的片選信號是由138譯碼器產(chǎn)生的CS_12887。從74HC138的原理圖可以看出，這個片選信號對應(yīng)的地址是0xD000H（只要保證高四位是1101），因此無論向DS12887讀操作還是寫操作，都必須對在地址上加上AD0AD7的偏移地址來進行操作。實際電路如圖10所示。圖10 實際電路圖 3.4 濕度檢測 3.4.1 濕度傳感

37、器和采集方法根據(jù)其檢測方法的不同，濕度傳感器可分為兩大類：水分子親和力型與非水分子親和力型。其中，以高分子濕敏元件作為敏感元件構(gòu)成的濕度傳感器是當今國內(nèi)外濕敏元件領(lǐng)域研究的熱點之一15，并且為實踐證明是一種極有發(fā)展前途的濕度測量方式。HM1500濕度傳感器的特點線性電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500是HUMIREL公司的典型產(chǎn)品,采用獲得專利的濕敏電容HS1101設(shè)計制造,帶防護棒式封裝。HM1500的外型結(jié)構(gòu)如圖11所示。其主要特點如下：濕度測量范圍為5%99%(相對濕度)；相對濕度精度為±3%；工作溫度為-3060；工作濕度范圍為0100%(相對濕度)；供電電壓為5V(最大電壓

38、DC16V)；輸出為DC1V4V;響應(yīng)時間為5s；外徑約11mm；長度約58mm。HM1500濕度傳感器主要應(yīng)用于加熱、通風和空氣調(diào)節(jié)(HAVC)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控、潔凈空間、蔬菜大棚、糧食倉貯等的濕度檢測與控制。HM1500濕度傳感器的工作原理：HM1500采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號，響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、抗污染能力強。圖11 HM1500的外型結(jié)構(gòu)圖HM1500的測濕元件選用濕敏電容HS1101，在一個有機玻璃或玻璃片上首先用擴散法制作兩個電極，然后涂上有機膜作為介質(zhì)，形成一個電容器件。當外界相對濕度變化時，感濕膜能吸附和釋放水汽分子，引起其介電常數(shù)

39、發(fā)生變化,從而使元件電容量改變。利用電容量與相對濕度的函數(shù)關(guān)系即可測量濕度16。圖12是HM1500所反映的濕度與其輸出電壓間的典型函數(shù)關(guān)系，運用最小二乘法可以求出其輸出電壓U0與相對濕度HR之間的關(guān)系，如式（1）所示。U0=1.1711 +0.02377·HR （1）溫度不但影響有機膜濕敏電容的遲滯特性，對顯示值也會直接造成影響，從而引起誤差。溫度誤差可以通過電路或軟件采取補償措施。圖12 HM1500所反映的濕度與其輸出電壓間的典型函數(shù)關(guān)系圖目前，濕敏電容傳感器的溫度補償可以采用軟件補償方式，即通過在各溫度條件下的特性曲線測試及多元非線性擬合，求出溫度校準方程。HM1500的溫度

40、補償公式如式（2）所示。U =U0×10-3(39.1-0.056Ta)-38.5 (2)公式(2)可直接用于軟件補償,而公式(1)是采用電路補償?shù)玫降妮敵鲭妷号c相對濕度的關(guān)系。單片機只能接收數(shù)字量，但在控制系統(tǒng)中，許多輸入量都是非數(shù)字信號，在整個測控系統(tǒng)的設(shè)計方案中，濕度、壓力等用的傳感器都是模擬傳感器，輸出的都是模擬量。A/D轉(zhuǎn)換模塊的作用就是把模擬量變換成單片機能接收的數(shù)字量。A/D變換過程主要包括：采樣、量化及編碼。采樣是使模擬信號在時間上離散化，量化及編碼是把采樣后的值按比例變換成相應(yīng)的二進制數(shù)碼。如8位A/D轉(zhuǎn)換器，采集到0V電壓則變成00000000V數(shù)字信號，采集到5

41、V電壓，則變換成11111111V數(shù)字信號，其他在05V之間的模擬量都可轉(zhuǎn)換成00HFFH之間的數(shù)字量。通過對數(shù)字量的運算比較的結(jié)果，再實現(xiàn)對模擬量的測量及控制。A/D轉(zhuǎn)換芯片，發(fā)展很快，種類繁多，性能各異，但按其變換原理可分成逐次逼近式、雙積分式、并行式、跟蹤比較式等等。其中逐次逼近式精度、速度及價格都適中，即性能價格比最優(yōu)，應(yīng)用最廣泛；并行式速度快，但價格高；而雙積分式精度高，抗干擾能力強，價格低，但速度偏低。根據(jù)智能溫室環(huán)境測控系統(tǒng)的設(shè)計要求及系統(tǒng)運行的特點，選擇逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809較為合適。該芯片輸入有8個模擬電壓輸入通道，分辨力為8bit，不可調(diào)誤差為±1L

42、SB。芯片引腳功能如下：IN0IN1：為八路模擬信號輸入端。ADDAADDC：為輸入地址端，接三位地址線。ALE：為地址鎖存允許端。該端信號正跳變時，鎖存輸入地址信號，選通相應(yīng)的模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換。START：為啟動信號端。啟動信號上升沿是內(nèi)部寄存器清零，下降沿開始轉(zhuǎn)換。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端。電路啟動轉(zhuǎn)換開始后，在08個時間周期內(nèi)，EOC為低電平，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時變?yōu)楦唠娖?。OE：輸出選通端，當它為高電平時允許輸出寄存器中的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線上。CLK：時鐘信號端。REF（）、REF（）：參考電壓輸入端。D0D7：數(shù)字信號輸出端。實際電路中使用兩個D觸發(fā)器對單片機產(chǎn)生的ALE信號進行4分頻

43、后，作為ADC的轉(zhuǎn)換時鐘。實際濕度檢測電路如圖13所示。 圖13 濕度檢測電路圖3.4.2 壓力傳感器檢測壓力傳感器選擇STY-1壓力傳感器如圖14所示。圖14 STY-1壓力傳感器圖壓力傳感器采用進口高精度壓力芯片及大規(guī)模集成電路組合而成。技術(shù)指標如表4所示： 表4 壓力傳感器各項技術(shù)指標參數(shù)單位技術(shù)指標靈敏度mV/V1.0-1.5非線性<%F·S0.3-0.05滯后<%F·S0.3-0.05重復(fù)性<%F·S0.3-0.05蠕變<%F·S/30min0.05零點輸出<%F·S±1零點溫度系數(shù)<%F

44、·S/10±0.03靈敏度溫度系數(shù)<%F·S/10±0.03工作溫度系數(shù)-20+70輸入電阻350-4k輸出電阻350-4k安全過載<%F·S150% F·S絕緣電阻M>5000M（50VDC）推薦激勵電壓V推薦電壓12VDC本系統(tǒng)選用0-5V輸出信號類型的壓力傳感器17。采集電路使用濕度采集ADC的通道1。3.4.3 浮子、水位感應(yīng)片檢測單元浮子、水位感應(yīng)片檢測單元主要完成對水箱水位的檢測。如圖15所示A8、A9、A10直接與單片機引腳相連。如果讀入的相應(yīng)管腳的值為低，則對應(yīng)的傳感器為有效狀態(tài)。圖15 浮子、水位感

45、應(yīng)片檢測單元硬件原理3.5 超聲波加濕器3.5.1 超聲波加濕器控制原理超聲波霧化器利用電子高頻震蕩（振蕩頻率為1.7MHz或2.4MHz，超過人的聽覺范圍，該電子振蕩對人體及動物絕無傷害），通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態(tài)水分子結(jié)構(gòu)打散而產(chǎn)生自然飄逸的水霧，不需加熱或添加任何化學試劑,與加熱霧化方式比較，能源節(jié)省了90%18。另外在霧化過程中將釋放大量的負離子,其與空氣中漂浮的煙霧、粉塵等產(chǎn)生靜電式反應(yīng)，使其沉淀，同時還能有效去除甲醛、一氧化碳、細菌等有害物質(zhì)，使空氣得到淨化，減少疾病的發(fā)生。超聲波加濕器是以超聲波轉(zhuǎn)能的方法產(chǎn)生高頻震動使水面產(chǎn)生霧化，在霧化過程中產(chǎn)生水霧不斷向周圍蒸發(fā)使空氣

46、中保持一定的濕度。超聲波霧化器基本原理圖如圖16所示。首先由變壓器經(jīng)過整流橋產(chǎn)生48V左右的直流電壓。由VT、L2、C1、L1、C3、C2、R1及RP1組成高頻振蕩器，采用電感三點式振蕩電路，電路的振蕩頻率是超聲波壓電換能振子B的固有頻率。RP1可以調(diào)節(jié)震蕩幅度，控制加濕強度。VD5可以吸收反向電壓從而起到保護三極管的作用。L2和C1組成的諧振電路不決定振蕩器的頻率，而是決定振蕩幅度，它的諧振頻率比電路的振蕩頻率約低，L1和C3諧振頻率大于電路的振蕩頻率，采用兩個諧振回路是為了使電路的振蕩頻率合成，使振蕩頻率在大功率下保證穩(wěn)定工作19。圖16 超聲波加濕器電路原理圖3.5.2 超聲波加濕器的特

47、點超聲波加濕器采用先進的集成機芯全封閉密封技術(shù)，具有較強的耐腐蝕性。同其它類型加濕設(shè)備相比，超聲波工業(yè)用加濕器具有下列特點：（1）加濕效率高（接近100%），加濕強度大，產(chǎn)生的霧粒小而均勻，單位時間內(nèi)可迅速達到要求的相對濕度，節(jié)約水源。（2）單位加濕量的能耗指標低，超聲波加濕器的耗能量只有0.05kW/(kg.h)，僅相當于其它加濕方式的1/151/10，日運行費用低。（3）體積小，可根據(jù)現(xiàn)場條件單獨自成系統(tǒng)，既適合新建廠房的配套安裝，又可在不破壞原有設(shè)備的基礎(chǔ)上，對舊廠房進行改造升級。（4）加濕均勻，可迅速及大面積地解決工業(yè)生產(chǎn)中的實際問題，例如紡織生產(chǎn)中的飛花、斷頭、靜電、毛糙不平和纖維脆

48、弱等問題。（5）霧化組件采用集成式霧化機芯，全密封式結(jié)構(gòu)設(shè)計達到了防水的目的，并且使霧化片更換、維護可在現(xiàn)場立即解決，完全杜絕了早期超聲波加濕系統(tǒng)易損壞、壽命短和維修頻繁等問題。（6）集成霧化機芯自帶過水保護裝置，可有效地保證霧化機芯在水位過低時自動停止工作，無需另配設(shè)備，節(jié)約了成本。（7）控制方式靈活、方便，有三種控制方式可供選擇：開關(guān)控制、時序控制和濕度自動控制。在選取時可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和人員安排進行靈活的選擇、搭配。（8）設(shè)備采用不銹鋼箱體，外觀美觀大方，耐腐蝕，壽命長。（9）設(shè)備同時具有固定支架式和可移動式兩種安裝方式，并可通過管道連接安裝在遠離加濕場所的區(qū)域，既方便了設(shè)備安裝，又提高了

49、空間的使用效率。（10）設(shè)備整體設(shè)計經(jīng)過反復(fù)試驗及檢測，結(jié)構(gòu)緊湊，搭配合理，無大功率電機，不是由純粹的機械能驅(qū)動加濕，所以工作時無噪音，對液體的霧化效果高。超聲波加濕器結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、控制靈敏、高效節(jié)電，與電極（熱）式加濕器相比，可節(jié)省電能70%85%左右。3.5.3 系統(tǒng)中的超聲波加濕器考慮到本系統(tǒng)中加濕器實際應(yīng)用環(huán)境和空間面積，本系統(tǒng)選用北京瀚寧空氣技術(shù)有限公司的RC-6.0-B型工業(yè)超聲波加濕器如圖17所示，該加濕器集成式霧化組件，并配有無水保護裝置，所產(chǎn)生的霧粒直徑只有3-10m，顆粒均勻，能長時間懸浮于空氣當中。加濕器霧化工作時無機械驅(qū)動、無噪音干擾、無污染，霧化效率高、故障率低

50、。圖17 工業(yè)超聲波加濕器圖該加濕器有參數(shù)如下：控制方式：開關(guān)控制制霧量：6kg。電源：220V/50 HZ。功率：600W。換風量：175m3/h。在控制方式上本系統(tǒng)采用大功率繼電器用單片口線數(shù)字控制。3.6 電源系統(tǒng)系統(tǒng)的電源的穩(wěn)定性直接影響到這個系統(tǒng)的性能20。由于在系統(tǒng)中有電機，繼電器，電磁閥等感性負載，為此這些負載在啟動和開關(guān)的瞬間將產(chǎn)生尖峰脈沖對系統(tǒng)電源造成污染，這些都必須在電源設(shè)計中得到考慮21。本設(shè)計中系統(tǒng)電源主要有5V、24V，如圖18所示。220V的交流電通過變壓器變壓后產(chǎn)生24V和12V交流電壓。通過整流橋后產(chǎn)生DC26.4V和DC13.2V的直流電壓。DC26.4V通過

51、大電容穩(wěn)壓后經(jīng)過三個1N4148二極管降到DC24.3V左右。在通過型濾波和RC濾波后進入到后級系統(tǒng)中。DC13.2V的電壓直接通過LM7805線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生DC5V電源，通過型濾波和RC濾波后進入到后面的數(shù)字控制部分。在系統(tǒng)中使用了AGND（模擬地線）和DGND（數(shù)字地線）來進行不同電源地線的隔離，這對數(shù)字控制部分噪聲的控制起到了極大的作用22。圖18 電源系統(tǒng)單元原理圖3.7 輸出控制單元輸出控制單元主要包括電磁閥的控制和電磁繼電器控制，電磁繼電器控制主要是對超聲波加濕器和增壓泵進行控制。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定

52、的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合23。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點釋放，這樣的吸合、釋放，達到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。本系統(tǒng)選用的繼電器是松樂公司的SMIH繼電器?？刂贫穗妷簽?V，被控端為220V，5A，滿足超聲波加濕器和增壓泵功率要求。其控制如圖19所示。二極管起到吸收電感負載產(chǎn)生的反向電動勢。三極管增加了驅(qū)動電流。圖19 電磁繼電器控制單元電路原理圖電磁閥控制的控制主要是定時排除廢水，其主要原理是通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧