單片機控制溫濕度控制儀

1、河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計/論文河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計論文論文題目：單片機控制的溫濕度控制儀的設計系 部： 電氣工程系 專 業(yè)： 電機與電器 班 級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 2012年12月30日40摘 要隨著科學技術的迅速發(fā)展、控制系統(tǒng)自動化程度的極大提高，基于單片機自動控制技術的溫濕度控制系統(tǒng)顯得越來越重要。特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足輕重的作用。針對現(xiàn)實中一些倉庫，例如糧食棉花、彈藥等場所對溫度和濕度要求較高的現(xiàn)實情況，單片機控制的溫濕度控制儀應運而生。本系統(tǒng)采用多點溫濕度傳感器進行信號檢測，采用八位模數(shù)轉(zhuǎn)換器對溫濕度傳感器采得信號進行

2、轉(zhuǎn)換，采用價格低廉的單片機為控制核心。本系統(tǒng)具有多點溫度測量，實時溫度值設定功能，智能溫濕度調(diào)節(jié)控制功能。當溫度超過要求時，能夠根據(jù)室內(nèi)外溫濕度情況自動選擇溫濕度調(diào)節(jié)方案功能，通過控制抽風機或空調(diào)來調(diào)節(jié)倉庫內(nèi)溫濕度，并且具有聲光報警功能。 單片機具有處理能強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應用在溫度測量與控制方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。關鍵詞：單片機，溫濕度傳感器，溫濕度控制系統(tǒng)，抗干擾 ABSTRACTAlong with the science and technology rapid development, the control system automaticity en

3、ormous enhancement, appears based on the monolithic integrated circuit automatic control technology humiture control system more and more importantly.Special in metallurgy, chemical industry, foodstuff, petroleum and so on. .In view of the reality in some warehouses, for example places and so on gra

4、in cotton, ammunition to the temperature and the humidity request high realistic situation, the humiture control meter which the monolithic integrated circuit controls arise at the historic moment.This system uses the multi-spot temperature and humidity sensor clear signal examination, uses eight mo

5、dulus switches to pick the signal to the temperature and humidity sensor to carry on the transformation, uses the price inexpensive monolithic integrated circuit for the control core. This system has the multi-spot temperature survey, real-time temperature value hypothesis function, intelligent temp

6、erature and humidity regulating control function. When the temperature surpasses the request, can act according to inside and outside the room the temperature and humidity situation automatic selection temperature and humidity adjustment plan function, through controls the drawing fan or the air con

7、ditioning adjusts in the warehouse the temperature and humidity, and has the acousto-optics to report to the police the function. Key words: Monolithic integrated circuit Humiture control systemHumiture sensor Anti-jamming 目 錄摘要緒論1 第1章 系統(tǒng)的整體設計21.1 方案設計 21.2方案選擇2 1.3 系統(tǒng)的整體功能 31.4系統(tǒng)整體結構表31.5系統(tǒng)技術指標41.6

8、 系統(tǒng)功能劃分 41.7 系統(tǒng)的工作方式5第2章 系統(tǒng)硬件設計 62.1輸入通道設計62.2 控制系統(tǒng)核心設計102.3 輸出通道設計 112.4人機對話通道設計12第3 章 系統(tǒng)軟件設計 143.1程序模塊化思想 143.2程序模塊劃分 153.3程序子模塊設計 153.4 軟件說明 16第4章 系統(tǒng)抗干擾設計174.1 硬件抗干擾設計 174.2軟件抗干擾設計 20第5章 軟硬件調(diào)試 245.1軟件電路的調(diào)試 245.2軟件調(diào)試 255.3聯(lián)機調(diào)試 26第6章 展望27致謝 28參考文獻 29附錄 30河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計/論文緒 論隨著工控技術、電子信息技術和現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，

9、工業(yè)生產(chǎn)中對設備自動化程度要求越來越高。在這些自動化生產(chǎn)過程中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速和一些開關量等都是重要的測控參量，其中溫濕度是科研與生產(chǎn)控制對象中的最主要的測控參量。有效地對溫濕度進行測控可以節(jié)省能源，減輕工人勞動強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。單片機控制的溫濕度測控系統(tǒng)憑借其控制方便、編程簡單、控制靈活性和價格低廉等諸多優(yōu)點，在食品、化工、倉儲、醫(yī)藥加工等各個領域中，特別是在倉庫存儲方面得到越來越廣泛的應用。 目前，國內(nèi)大中型庫房在倉儲管理中由于技術和資金上的原因，多數(shù)僅限于只對溫度進行監(jiān)測，當溫度超標時進行強制通風和翻倉，即使如此，處理不及時或因設備人力條件有限仍會造成大量

10、損失。實現(xiàn)庫房儲藏物的溫升主要是由于濕度引起的，庫房儲藏物本身的水分過高或連續(xù)的高濕天氣將導致儲藏物新陳代謝加快而放出熱量，放熱引起的溫升又使代謝進一步加劇以至發(fā)霉變質(zhì)。這種惡性循環(huán)一旦形成很難進行有效控制。因此，庫房在進行溫度監(jiān)測的同時，必須重視對空氣濕度的檢測，以利于提前采取有效措施控制庫房儲藏物升溫而霉變。本文設計了一種基于AT89C51嵌入式系統(tǒng)和溫度傳感器、濕度傳感器的溫濕度檢測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括系統(tǒng)硬件和軟件設計,可靠性高，結構簡單，實現(xiàn)了對溫濕度的自動調(diào)節(jié)。 隨著單片機技術已成為電子技術領域中的一個新的亮點，使單片機技術成為一門綜合應用技術，成為電子技術改造的重要技術手段之一。

11、采用單片機對它們進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且還可以大幅度的提高被控溫濕度的性能指標，從而能大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，單片機控制的溫濕度測控系統(tǒng)溫濕度控制儀已成為首選。 該單片機控制系統(tǒng)主要是針對現(xiàn)實中一些對溫度和濕度要求較高的倉庫。主要通過單片機與輸入通道、輸出通道和人機對話通道等各部分設計結合起來實現(xiàn)。本系統(tǒng)是一個具有從多點溫濕度檢測、多通道模數(shù)信號檢測、單片機核心控制、智能化輸出調(diào)控功能的檢測、控制型應用系統(tǒng)。 根據(jù)實際工作穩(wěn)定性的要求，該系統(tǒng)無論是在軟件上還是硬件上都采取了相應的抗干擾措施。以防止軟件系統(tǒng)的跑飛，確保硬件系統(tǒng)乃至整個溫濕度控制系統(tǒng)的可靠工作。 第1

12、章 系統(tǒng)的總體設計1.1方案設計方案1：基于PLC的溫濕度控制系統(tǒng)溫濕度控制系統(tǒng)原理溫濕度控制系統(tǒng)的被控參數(shù)是溫度和濕度。溫度與濕度通過溫度傳感器與濕度傳感器輸出的電信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，送到PC機內(nèi)。PC機根據(jù)溫濕度設定值與測量值之間的偏差和偏差變化率，經(jīng)過模糊自調(diào)整PID的調(diào)節(jié)，送出控制信號，將PC機的輸出分成加熱、制冷或加濕、開風機信號，送入PLC來分別控制加熱閥、制冷閥、制濕閥和風機，從而實現(xiàn)了用PLC對溫濕度的控制。圖1-1 PLC溫濕度控制儀方案2：基于單片機的溫濕度控制儀以一個單片機控制的溫濕度控制儀。該控制系統(tǒng)主要是針對現(xiàn)實生產(chǎn)中一些對溫度和濕度要求較高的場合，如倉庫，倉庫內(nèi)溫度

13、、濕度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)的實際情況而設計。整個控制系統(tǒng)通過單片機與輸入、輸出電路的有機組結合來實現(xiàn)。本系統(tǒng)是一個倉庫溫濕濕度的檢測、控制型應用系統(tǒng)，它具有溫濕度檢測功能、溫濕度信號處理、輸入、運算功能、并具有相應溫濕度調(diào)控功能。1.2方案選擇 由于近年來單片機的發(fā)展，使得單片機控制技術得到了巨大的應用，使用單片機設計的溫濕度控制儀不僅結構簡單，響應速度快，測溫濕度范圍廣等優(yōu)點，而且它價格低廉，有利于降低生產(chǎn)成本，所以本次設計采用方案2，單片機控制的溫濕度控制儀的設計。1.3 系統(tǒng)的總體功能根據(jù)現(xiàn)實生產(chǎn)需要，此次設計的單片機控制的濕度控制儀要求具有以下幾種基本功能：1 多點溫度測量功能：要求能夠

14、合理測量倉庫多個點溫度值，求出平均溫度值以減小測量誤差；要求在測量時用中斷定時方式對各個溫度點進行溫度值巡檢提高單片機利用率。2 智能溫濕度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)：要求具有自動選擇溫濕度調(diào)節(jié)方案功能。通過控制抽風機或空調(diào)通電或斷電來調(diào)節(jié)倉庫內(nèi)環(huán)境，在調(diào)節(jié)溫度時要有對室內(nèi)外濕度值進行比較判別，并要求能夠根據(jù)室內(nèi)外濕度情況分別進行不同的調(diào)節(jié)方式。3 實時溫度值設定功能：根據(jù)實際工業(yè)現(xiàn)場的需要可以進行不同（實際所需的）溫度值設定；要求具有實時溫度值設置功能（在任何時候均可以進行溫度值設定，其級別高于所有程序，最好使用中斷方式）。4 聲光報警功能：當溫濕度超過要求范圍時，進行相應動作的同時發(fā)出聲光報警信號。5

15、溫度顯示系統(tǒng)：按要求實時顯示室內(nèi)的溫濕度值；在進行設定時需要顯示對應設定值。 本設計主要從系統(tǒng)的總體功能進行考慮，選擇適當?shù)脑O計控制方案以便使整個單片機控制系統(tǒng)達到最優(yōu)性能。 1.4系統(tǒng)總體結構在一個較好的控制系統(tǒng)中通常有十幾個、甚至更多的被測數(shù)據(jù)即使速度很高的系統(tǒng)也難以滿足要求。為此，必須提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和準確性。每個測量點的測量通過單片機進行數(shù)據(jù)的處理，并分析數(shù)據(jù)是否超限，若超限則報警顯示。同時單片機循環(huán)檢測，考慮輸出距離采用串行通訊的方法實現(xiàn)信息傳輸。綜上所述，系統(tǒng)總體結構圖如圖1-2所示：圖1-2 系統(tǒng)結構圖綜合考慮系統(tǒng)的適用性，可靠性，可維護性操作簡便等，系統(tǒng)還應采用以下技術

16、措施：1. 對糧倉內(nèi)多點和環(huán)境溫濕度自動巡視或人為選測，定時間隔可調(diào)。測溫點數(shù)擴展方便。2. 檢測時間、監(jiān)測點編號和檢測結果可顯示或記錄。3. 系統(tǒng)采用軟硬件抗干擾技術。4. 系統(tǒng)采用模塊化設計思想，提高系統(tǒng)的可維護性。5. 系統(tǒng)部分采用UPS不間斷電源，保證該系統(tǒng)工作的連續(xù)行。1.5 系統(tǒng)技術指標1.溫濕度測量點數(shù)：測量點越多越能反映工業(yè)現(xiàn)場實際溫度情況。2.測量方式：單片機對各測量點巡回檢測，出現(xiàn)問題即時發(fā)出報警信號并進行相應處理。3.溫濕度設定范圍：溫度控制設定范圍：030，最小區(qū)分度：1；濕度控制設定范圍：4055，最小區(qū)分度：0.1。4.通訊距離：測量點和單片機之間的距離不超過100

17、米。5 .顯示方法：8位LED數(shù)碼管循環(huán)顯示，實時顯示當前溫度，顯示溫度范圍：099 。6.報警方式：在室內(nèi)（和控制室內(nèi)）聲光報警。7.電源要求：條件允許的情況下采用UPS不間斷電源。 1.6 系統(tǒng)功能劃分為了簡化系統(tǒng)硬件、降低成本，提高系統(tǒng)靈活性和可靠性，輸入信號濾波及大部分控制過程都可由軟件來完成。硬件的主要功能是信號的采集、傳送、A/D轉(zhuǎn)換及輸出信號的功率放大。另外，系統(tǒng)軟件、硬件合理配合，可以降低成本，降低軟件設計的復雜性及縮短系統(tǒng)的研制周期。在絕大多數(shù)單片機應用系統(tǒng)中，系統(tǒng)功能的軟件、硬件劃分往往是由系統(tǒng)對控制速度的要求決定的，在沒有速度限制的情況下可以考慮以軟件取硬件電路的簡化，以

18、求降低硬件成本。過程控制是對生產(chǎn)過程中各種工藝參數(shù)實施的控制，這是單片機控制系統(tǒng)的重要應用領域。溫濕度控制系統(tǒng)便是最常見的控制系統(tǒng)。硬件電路制作包括印制電路板制作，焊接和系統(tǒng)連接等幾個方面。印制電路板的設計一般都在計算機上利用PROTEL軟件進行輔助設計，設計完交由廠家制作出所需要的印制電路板，經(jīng)焊接和系統(tǒng)連接完成硬件電路的制作過程來控制溫度。為了簡化系統(tǒng)硬件、降低硬件成本、提高系統(tǒng)靈活性和可靠性，輸入信號濾波及大部分控制過程都可由軟件來完成，硬件的主要功能是信號的檢測、放大、A/D轉(zhuǎn)換及輸出信號的功率放大。單片機基本系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，它完成整個系統(tǒng)的信息處理及協(xié)調(diào)控制功能.由于系統(tǒng)對

19、控制速度、精度及功能要求都無特別之處，因此可以選用目前廣泛使用的MCS-51系列單片機AT89C511.7 系統(tǒng)的工作方式系統(tǒng)以溫濕度監(jiān)控為核心，溫濕度參數(shù)和設備運行狀態(tài)由主機根據(jù)用戶要求定時向從機查詢，各控制模塊的設置參數(shù)修改時，將新的參數(shù)發(fā)送到從機。主機可以對從機進行參數(shù)設置及控制，從機也可以獨立工作。從機通過數(shù)據(jù)采集裝置不間斷地采集溫濕度數(shù)據(jù)，根據(jù)控制模塊的設置參數(shù)做出控制決策，驅(qū)動設備運行，并隨時準備接受主機的指令，當受到詢問時，將庫房的各項數(shù)據(jù)編碼通過串行通信方式傳輸?shù)街鳈C。主機接收到數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)處理，在監(jiān)控界面上顯示當前的狀態(tài)信息，并將此信息實時地存儲到數(shù)據(jù)庫中，為用戶維護和管

20、理準備數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)可以進行查詢，也可以將一段時期的數(shù)據(jù)信息匯集成報表，報表包括各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)，還可以將數(shù)據(jù)處理繪制成圖形曲線，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析與管理。 第2章 系統(tǒng)硬件設計本設計主要是以單片機控制為核心，來檢測和調(diào)試溫濕度。單片機對溫濕度控制系統(tǒng)的主要設計過程包括：主芯片、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及性能要求、硬件電路、軟件電路的設計與配合、鍵盤顯示電路的控制與顯示。其中硬件電路主要由主芯片與A/D轉(zhuǎn)換器的連接加上溫濕度傳感器的控制來實現(xiàn)，軟件部分則主要通過編程和程序流程圖來實現(xiàn)。這樣整個系統(tǒng)才能按照預定的計劃運行并進行控制和檢測。單片機控制的溫濕度控制儀應用系統(tǒng)中，包括MCU控制核心、前向通道（數(shù)據(jù)采

21、集部分）、后向通道（控制輸出部分）和人機對話通道等四部分。而每一部分又都有各自的信號接口，本章將介紹組成該單片機應用系統(tǒng)的這幾個基本組成部分，以實現(xiàn)設計任務基本要求為重點，力求滿足主要性能指標的基礎上實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)性能/價格比。2.1 輸入通道設計輸入通道是信息采集的信道，主要包括傳感器、信號放大、A/D轉(zhuǎn)換等電路。由于溫濕度變化是一個相對緩慢的過程，輸入通道中使用采樣保持電路。另外，信號的濾波可由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件、降低硬件成本。按設計要求，可以采用8位A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)前向通道組成，溫濕度值經(jīng)過溫濕度傳感器和信號放大電路產(chǎn)生（05）V的模擬電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器將模

22、擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過系統(tǒng)總線送入單片機內(nèi)進行運算處理。 2.1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A/DC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A/D0809在本設計中將溫濕度傳感器產(chǎn)生的模擬電壓信號分時序轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字信號送入單片機進行處理。A/D0809可以選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成分時對A、B、C三個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇。其通道選擇如表2-1所示： C B A選擇的通道 0 0 0INT 0 0 1INT1 0 1 0INT2 0 1 1INT3 1 0 0INT4 1 0 1INT5 1 1 0INT6 1 1 1INT7表2

23、-1 通道表選擇2.1.2 集成溫度傳感器AD5901溫度傳感器選擇溫度傳感器的種類較多。熱電偶由于熱電勢較小，因而靈敏度較低，熱敏電阻由于非線性而影響其精度，鉑電阻溫度傳感器由于成本高，在一般小系統(tǒng)中很少使用，傳感器采用熱敏電阻，相對于熱電阻而言，熱敏電阻采用NTC負溫度系數(shù)型做溫度檢測用。它檢測0100的測溫電路，相應輸出電壓為05V，其靈敏度50mV/.它可以與A/D轉(zhuǎn)換器連接，靈敏度低、精度不高。但采用集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點，得到廣泛應用。在本設計中我們考慮到系統(tǒng)對元件的要求，我們主要選擇用集成溫度傳感器AD590，在這方面他具有比別的傳感

24、器更好的性能，也更適應系統(tǒng)的要求。2AD590攝氏溫度測量電路本設計是由集成溫度傳感器AD590構成的多點測溫系統(tǒng)，用最少的引線將許多AD590的信號引到測量儀表或計算機上。本系統(tǒng)充分利用了AD590的傳輸距離遠（因為輸出是電流信號）的優(yōu)點，而且巧妙地進行了引線的組合分配，以達到用最少的引線連接最多的AD590數(shù)量的目的。 AD590的典型使用方法如圖所示，AD590的供用電壓為330v，輸出電流為278uA（25度），靈敏度1Ua/c。擋在回路中串接采用電路R時，R兩端的電壓可作為輸出電壓。注意R放入阻值不能太大以保證AD590兩端電壓不低于3V。由于AD590輸出信號為電流信號，所以傳輸距

25、離遠，可以達到1km以上。圖21AD590應用電路圖AD590攝氏溫度測量電路如圖21所示，電位器R2用于調(diào)整零點，R4用于調(diào)整運放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0時調(diào)整R2，使輸出V0=0，然后在100時調(diào)整R4使V0=100mV。如此反復調(diào)整多次直到調(diào)至0時，V0=0mV，100時V0=100mV為止。最后在室溫下進行校驗。例如，若室溫為25，那么V0應為25mV。冰水混合物是0環(huán)境，沸水為100環(huán)境。圖2-2 用于測量攝氏溫度的電路要使圖2-2中的輸出為200mV/C，可通過增大反饋電阻（圖中反饋電阻由R3與電位器R4串聯(lián)而成）來實現(xiàn)。另外，測量華氏溫度（符號為）時，因華氏溫度等于熱

26、力學溫度減去255.4再乘以9/5，故若要求輸出為1Mv/F，則調(diào)整反饋電阻約為180kW，使得溫度為0時，V0 =17.8mV；溫度為100時，V0=197.8mV。AD581是高精度集成穩(wěn)壓器，輸入電壓最大為40V，此時輸出為10V。2.2.3 濕度傳感器1 濕度傳感器概述在工農(nóng)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)境濕度進行測量及控制，但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準確測量的一個參數(shù)。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜的多，溫度是獨立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強、溫度）的影響。此外，濕

27、度的標準也是一個難題。國外生產(chǎn)的濕度標定設備價格十分昂貴。近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/ 溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術提高到新的水平。2 HS1101濕度傳感器濕敏傳感器采用電容式濕敏元件HS1101。HS1101有響應快、線性度好、可靠性高和長時間飽和下快速脫濕等優(yōu)點。濕敏電容是一種在高分子薄膜上形成的電容。高分子薄膜上的電極是很薄的金屬微孔蒸發(fā)膜，水分子可通過兩端的電極被高分子薄膜吸附或釋放，隨著這種水分子的吸附或釋放，高分子的介電系數(shù)將發(fā)生相應的變化。由于介電系數(shù)

28、隨空氣的相對濕度變化而變化。所以只要測定電容C 值就可得相對濕度。HS1101 是基于獨特工藝設計的固態(tài)聚合物結構，如圖2-3所示。在電路中等效于一個電容器Cx，其電容隨所測空氣的相對濕度增大而增大。具有極好的線性輸出，在相對濕度為0%100%RH的范圍內(nèi)，電容的容量由163pF 變化到202pF，其誤差不大于2%RH；濕度量程1%99%RH，工作溫度范圍為- 40100；濕度輸出受溫度影響極小(溫度系數(shù)僅為0.04pF/)；常溫使用無需溫度補償，無需校準；相對濕度在33%75% RH之間，電容與相對濕度的變化為0.34pF/%RH，相對濕度為55%RH時的典型電容值約182pF；高可靠性及長

29、期穩(wěn)定性，年漂移量0.5%RH/年；響應時間小于5S。圖2-3 HS1101的電容值與相對濕度的關系3. 濕度信號傳感器的應用濕敏電容是將空氣中濕度的變化轉(zhuǎn)換成電容的變化。要想將濕度信號轉(zhuǎn)換成電信號，需要將濕敏電容Cx 置于電路中，通過電路將濕度變化轉(zhuǎn)換成對應的電壓或電流變化，以便于測量、顯示或控制。目前，常用的濕度測量方法有兩種：一種是將濕敏電容Cx 置于振蕩電路之中，將濕度的變化轉(zhuǎn)換為與之成反比的振蕩頻率變化，該頻率信號可以直接被微處理器采集或通過頻率/電壓變換被采集；另一種是將濕敏電容Cx 置于可調(diào)脈沖發(fā)生器中，將濕度的變化直接轉(zhuǎn)換成脈沖寬度的變化，然后通過低通濾波器，將脈沖寬度的變化轉(zhuǎn)

30、換為與之成正比的直流電壓輸出。2.2.4 濕度變送器濕度信號傳感器產(chǎn)生的輸出信號是一個頻率信號或電壓信號，在實際應用中，除了頻率信號可通過單片機進行采集外，常將頻率信號或電壓信號變換成為一個具有一定范圍的標準電壓或標準電流信號輸出，比如常見的輸出：電壓信號： 0V5V，0.8V 4V 電流信號： 4mA20mA，1mA10mA 這些信號的最小值對應相對濕度為0%RH ，最大值對應相對濕度為100%RH。圖2-4電路是采用LM324 (四運放) 實現(xiàn)的電壓變送器，其中IC1將濕度傳感器得到的電壓信號(2.5V3V) 進行緩沖，再與IC2 輸出的參考電壓UR進行比較后通過IC3 放大，將2.5V3

31、V的信號變換成0.8V4V ，也可以根據(jù)實際需要2.5V3V 的信號變換成0V5V。調(diào)整RP 使UR=2V ，則輸出電壓 ：圖2-4電壓型濕度變送器輸出電路本設計主要是以單片機控制為核心，來檢測和調(diào)試溫濕度。單片機對溫濕度控制系統(tǒng)的主要設計過程包括：主芯片、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及性能要求、硬件電路、軟件電路的設計與配合、鍵盤顯示電路的控制與顯示。其中硬件電路主要由主芯片與A/D轉(zhuǎn)換器的連接加上溫濕度傳感器的控制來實現(xiàn)，軟件部分則主要通過編程和程序流程圖來實現(xiàn)。這樣整個系統(tǒng)才能按照預定的計劃運行并進行控制和檢測。單片機控制的溫濕度控制儀應用系統(tǒng)中，包括MCU控制核心、前向通道（數(shù)據(jù)采集部分）、后向

32、通道（控制輸出部分）和人機對話通道等四部分。而每一部分又都有各自的信號接口，本章將介紹組成該單片機應用系統(tǒng)的這幾個基本組成部分，以實現(xiàn)設計任務基本要求為重點，力求滿足主要性能指標的基礎上實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)性能/價格比。2.2 控制系統(tǒng)核心設計2.2.1 單片機控制芯片選擇單片機基本系統(tǒng)以AT89系列單片機89C51為核心?？紤]到單片機在進行PID運算時需要調(diào)用浮點數(shù)運算程序庫，程序需占用較大內(nèi)存空間。為保證程序內(nèi)存有足夠空間并適當留有余地以便進一步擴展功能，因此選用了容量較大的存儲芯片。由于AT89C51內(nèi)部已集成了128個字節(jié)的RAM單元，而系統(tǒng)運行中需要存放的中間變量只有給定溫度、實測溫度、P

33、ID運算中間結果及輸出結果等十幾個變量，因而AT89C51的片內(nèi)RAM已能滿足存放要求，可不必再擴充外部RAM。2.2.2 復位及看門狗電路復位及看門狗電路的作用使CPU從死循環(huán)，死機和彈飛狀態(tài)中返回到正常的程序流程，該電路可以大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力，當然也是我們必須考慮的抗干擾電路之一。單片機AT89C51的CPU復位信號RESET有手動復位，看門狗復位和硬件復位三種信號組合產(chǎn)生，這三種復位信號任何一種都將復位CPU，其中硬件復位信號在PC大于3FFFH時產(chǎn)生。由于系統(tǒng)中有看門狗電路，所以在編程時要特別注意，傳統(tǒng)的等待按鍵釋放的方法容易造成看門狗電路輸出復位信號。解決方法是，在主程序中，當

34、檢測到有鍵按下后置鍵按下標志位，在主程序的循環(huán)中則反復判斷鍵按下標志位是否被清零，如果被清零則說明鍵已釋放，然后才能進行下一輪的鍵盤按下判斷。在T0中斷處理程序中，每次中斷均要檢測鍵是否按下。若無鍵按下，有兩種情況，一是系統(tǒng)中無鍵按下(此時鍵按下標志為0)，處于監(jiān)控狀態(tài)；二是鍵按下釋放后的情況(此時鍵按下標志為1)，這時要清鍵按下標志，以便主程序中進行下一輪的鍵按下檢測。這樣既可以保證當鍵按下后不論按下多長時間只響應一次，又可以保證不使看門狗電路輸出復位信號。2.3 輸出通道設計輸出通道實現(xiàn)控制信號輸出的通道，單片機系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信號經(jīng)功率放大電路放大控制抽風機或空調(diào)，以實現(xiàn)控制庫內(nèi)溫濕度達到

35、穩(wěn)定的目的。根據(jù)系統(tǒng)總誤差要求，后向信道的控制溫濕度也應控制在0.83%之內(nèi)。該單片機溫濕度控制系統(tǒng)的后向通道包括應用系統(tǒng)的伺服驅(qū)動控制通道和報警輸出通道組成。2.3.1 伺服驅(qū)動控制電路 伺服驅(qū)動控制電路主要有空調(diào)機和抽風機控制電路構成。在選擇輸出控制開關器件時應考慮以下兩點因素：1. 要求具有弱電信號控制強電的功能。考慮到單片機輸出的控制信號屬于弱電信號，而空調(diào)機和抽風機屬于強電，所以中間不僅需要開關控制器件而且還需要功率放大設備屬于典型的有弱電號控制強電路。2. 要求具有防火防爆的功能.在實際倉儲中多數(shù)是易燃、易爆的物品，比如說棉花和彈藥，而且在空調(diào)機和抽風機啟動和斷開時會產(chǎn)生大量火花，

36、可能會引燃或者引爆倉儲物，造成巨大的損失，有嚴重的火災隱患。綜合以上考慮，我們選擇絕緣柵雙極性晶體管IGBT作為輸出控制開關器件。2.3.2 報警輸出電路 報警電路只需一位開關量輸出控制即可?？紤]到89S51的I/O口線已基本被使用，報警裝置的端口與一位數(shù)據(jù)線連接鎖存器和驅(qū)動器組成。報警裝置采用蜂鳴器。整個電路如圖25所示：圖2-5 報警電路2. 人機對話通道設計人機通道設計主要由鍵盤、LED顯示。為了完成設定溫濕度、顯示等功能并滿足溫度設定范圍為030、最小區(qū)分度為1的功能要求，鍵盤可由10個數(shù)字鍵及2個功能鍵組成(啟動、確定).LED顯示由四個8位數(shù)碼管組成，顯示給定值和實測溫濕度，顯示范

37、圍為099。對于人機對話部分的電路主要包括以下幾個部分：溫度設定電路、矩陣式鍵盤以及顯示接口電路等。2.4.1溫度設定電路可以采用按鈕、轉(zhuǎn)換開關、撥碼盤等來實現(xiàn).利用P1口的高4位作為數(shù)值輸入。這樣P1口就具有輸入和輸出雙重功能。P1.0P1.4作為輸出，分別控制風機、空調(diào)、警報器作為輸入撥盤設定值。2.4.2 矩陣式鍵盤掃描輸入與顯示器的掃描輸出可以直接有單片機來承擔，但考慮到鍵盤與顯示接口需要較多的I/O線，如果直接由單片機控制，一方面必須擴充I/O口，另一方面鍵盤與LED顯示的掃描處理需要占用大量的機時，增加軟件編程負擔，為此在組成系統(tǒng)人機對話通道時，采用了可編程鍵盤、顯示接口芯片，由顯

38、示接口芯片負責鍵盤的掃描、延時消抖處理和顯示輸出，這樣大大減輕了CPU在掃描鍵盤或刷新顯示時的負擔，也簡化了應用軟件的編程。按鍵電路的按鍵適用于數(shù)量較多的場合，按鍵位于行，列的交點線上，行線列線分別連接到按鍵開關的兩端。一個43的行、列結構，可以構成一個含有12個按鍵的場所，矩陣式鍵盤與獨立式按鍵鍵盤相比，要節(jié)省很多的I/O口線。2.4.3 顯示接口技術單片機應用系統(tǒng)中，常用的顯示系統(tǒng)有LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器）。這兩種器都具有配制靈活、與單片機接口方便的特點。但該溫濕度檢測需要循環(huán)掃描顯示，采用LED（發(fā)光二機管顯示器）更為簡便。本設計所用的LED如圖2-6.圖2-6

39、LED顯示器的符號及引腳圖第3章 系統(tǒng)軟件設計軟件的設計是根據(jù)功能要求設計的，通過利用單片機的指令系統(tǒng)功能及應用系統(tǒng)進行的。 3.1 程序模塊化思想應用程序采用中斷方式，由定時器發(fā)出定時中斷申請。主程序進行系統(tǒng)初始化，包括定時器、I/O口和中斷系統(tǒng)的初始化，等待定時中斷。在中斷服務程序中，先判斷是否到30秒。若不到則返回，若到則進行以下操作：圖3-1 軟件流程圖鍵盤設定值檢測、溫度檢測、標度變換、溫度顯示和溫度控制，并根據(jù)溫度檢測值決定是否報警。程序采用模塊化設計思想中斷程序流程圖如圖3-1所示。3.2 程序模塊劃分 3.2.1軟件設計的要求根據(jù)以上已經(jīng)具體的硬件設計，進一步明確對于軟件設計的

40、要求：溫度檢測：定時啟動A/DC0809進行A/D轉(zhuǎn)換，以檢測溫度值。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，采用四點均值濾波法軟件濾波，即每次測溫度都使A/DC0809進行四次采樣，取其平均值作為這一次的溫度檢測值。溫濕度控制：比較溫度的檢測值和設定值按照總體設計確定的控制規(guī)律，控制定時利用MCS51系列單片機的片內(nèi)定時器T0或T1，進行30秒定時以滿足采樣周期的要求。溫濕度顯示：在每次檢測溫濕度后，進行一次溫濕度顯示更新，即將新的溫度測值經(jīng)過標度變換后由串行口輸出給LED顯示器。報警：將每次溫濕度檢測值與設定值作比較，如果其差值超出允許范圍P1.4輸出報警信號，并將程序轉(zhuǎn)入事故處理程序，以便及時的處理事故。

41、3.2.2 子程序模塊 在應用程序總體結構中，將以下幾個功能程序作為模塊：1溫濕度設定子程序。2溫濕度檢測子程序。3溫濕度值標度變換子程序。4溫濕度顯示子程序。5溫濕度控制子程序。6報警子程序。3.3 程序子模塊設計3.3.1 主程序和中斷服務程序根據(jù)模塊化編程思想，可編寫主程序和中斷服務程序。在定時中斷服務程序中，各功能程序模塊都可直接調(diào)用。在列出程序清單之前，先說明30s定時的實現(xiàn)方法。我們選用的8051單片機振蕩頻率為11.0592HZ，8051內(nèi)部定時器工作方式1時的時基為1微秒最大值為65.536ms，要實現(xiàn)30s定時，需另外設置一個軟件計數(shù)器，則軟件計數(shù)器的數(shù)值為：30/0.065

42、536457=1C9H。 .3.2 非正常復位后系統(tǒng)自恢復運行的程序設計 對順序要求嚴格的一些過程控制系統(tǒng)，系統(tǒng)非正常復位否，一般都要求從失控的那一個模塊或任務恢復運行。所以測控系統(tǒng)要作好重要數(shù)據(jù)單元、參數(shù)的備份，如系統(tǒng)運行狀態(tài)、系統(tǒng)的進程值、當前輸入、輸出的值，當前時鐘值、觀測單元值等，這些數(shù)據(jù)既要定時備份，同時若有修改也應立即予以備份。當在已判別出系統(tǒng)非正常復位的情況下，先要恢復一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如顯示模塊的初始化、片外擴展芯片的初始化等。其次再對測控系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)、運行參數(shù)等予以恢復，包括顯示界面等的恢復。之后再把復位前的任務、參數(shù)、運行時間等恢復，再進入系統(tǒng)運行狀態(tài)。 應當說明的是，

43、真實地恢復系統(tǒng)的運行狀態(tài)需 要極為細致地對系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)予以備份，并加以數(shù)據(jù)可靠性檢查，以保證恢復的數(shù)據(jù)的可靠性。3.4 軟件說明： 3.4.1 應用程序主要功能1.根據(jù)鍵盤的設定值自動進行溫濕度控制。當啟動鍵按下時調(diào)用溫濕度設定程序，用鍵盤上的1-9號鍵輸入規(guī)定值，輸入結束后按確定鍵返回主程序。2.能實時顯示溫度，顯示形式為2位十進制數(shù)，2位整數(shù)。3.如果實際溫度與設定溫度的差值大于3，發(fā)出報警信號。差值小于3，報警信號自動撤除。3.4.2 溫濕度控制方式簡介 溫濕度控制采用繼電控制方式，通過風機或空調(diào)的啟停進行調(diào)節(jié)，采樣周期為30s。3.4.3 應用程序占用資源情況程序長度約400字節(jié),占

44、用內(nèi)部RAM及SFR情況：44H溫度設定值存放單元；45H溫度檢測值存放單元；46H室內(nèi)濕度檢測值存放單元；47H室外濕度設定值存放單元；5DH5FH顯示緩沖區(qū)；60H7FH堆棧；A、B、R0、R6、DPTR工作寄存器；R7軟件計數(shù)器。使用內(nèi)部定時器/計數(shù)器0作采樣周期定時器，采用中斷方式。第4章 系統(tǒng)抗干擾設計4.1 硬件抗干擾設計單片機應用系統(tǒng)經(jīng)常應用于工業(yè)生產(chǎn)過程，而工業(yè)生產(chǎn)的工作環(huán)境往往比較惡劣，干擾嚴重，就本設計而言，大多數(shù)糧倉位于基層，這些地方的供電質(zhì)量一般較差。另外，其大功率用電設備啟停時引起電網(wǎng)電壓較大波動，這些還產(chǎn)生較強的輻射干擾。因此，為了保證單片機系統(tǒng)在應用中可靠的工作，

45、必須要考慮和解決干擾的問題。4.1.1 干擾的形式干擾源：指產(chǎn)生干擾的元件、設備或信號，用數(shù)學語言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾源。傳播路徑：指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過導線的傳導和空間的輻射。敏感器件：指容易被干擾的對象。如：A/D、D/A變換器，單片機，數(shù)字IC， 弱信號放大器等。4.1.2 串模干擾串模干擾指的是干擾電壓與有效信號串聯(lián)疊加后作用到系統(tǒng)上的信號，如圖4-1所示。串模干擾通常來自高電壓輸電線，與信號線平行鋪設的電源線及大電流控制線所產(chǎn)生的空間電磁場。由于傳輸過

46、來信號的信號線有時長達100200m，干擾源通過電磁感應和靜電耦合作用加上如此之長的信號線上的感應電壓數(shù)值是相當可觀的。圖4-1 串模干擾示意圖 由此可知：第一，由于測量控制系統(tǒng)的信號線較長，通過電磁和靜電耦合所產(chǎn)生的感應電壓有可能大到與被檢測信號相同的數(shù)量級，甚至比后者大得多；第二，對測量控制系統(tǒng)而言，由于采樣時間短，工頻的感應電壓也相當于緩慢變化的干擾電壓，這種干擾信號與有效直流信號一樣被采樣和放大，造成有效信號失真。除了信號線引入的串模干擾外，信號源本身固有的飄逸、紋波和噪聲，以及電源變壓器不良屏蔽或穩(wěn)壓效果不良等也會引入串模干擾。4.1.3 共模干擾共模干擾是指輸入通道兩個輸入端上有的

47、干擾電壓。這種干擾可以是直流電壓，也可以是交流電壓，其幅值可達幾伏甚至更高，取決于現(xiàn)場產(chǎn)生干擾的環(huán)境條件和儀表的接地情況。因為在測控系統(tǒng)中，檢測元件和傳感器是分散在生產(chǎn)現(xiàn)場的各個地方，因此，被測信號Vs的參考接地點和儀表輸入信號的參考接地點之間往往存在著一定的電位Vnm，如圖4-2所示：圖4-2 共模干擾示意圖由圖可見，對于輸入通道的兩個輸入端來說，分別由Vs+Vnm兩個輸入信號。顯然，Vnm是轉(zhuǎn)換器輸入端上共有的干電壓，故稱共模干擾電壓。 （a）雙端不對地輸入方式 (b) 單端對地輸入方式 圖4-3 被測信號的輸入方式在測量電路中，被測信號由單端對地輸入和雙端不對地輸入兩種輸入方法，如圖4-

48、3所示,圖中ZS，ZS1，ZS2為信號源內(nèi)阻；ZI，ZCm1，ZCm2為輸入通道的輸入阻抗，對于存在共模干擾的場合，不能采用單端對地輸入方式，因為此時的共模干擾電壓將全部成為串模干擾電壓，見圖4-3（a），此時必須采用雙端不對稱對地輸入方式，如圖4-3（b）所示。由圖4-3（b）可見，共模干擾電壓Vnm對兩個輸入端形成兩個電流回路。 4.1.4電源干擾 除了串模干擾和共模干擾外，還有一些是從電源引入的，電源干擾一般有以下幾種：1.當同一電源系統(tǒng)中的可控硅器件通斷時產(chǎn)生的尖峰，通過變壓器的初級和次級之間的電容耦合到直流電源中去產(chǎn)生干擾。2附近斷電器動作時產(chǎn)生的涌浪電壓，當電源線經(jīng)變壓器級間電容耦

49、合產(chǎn)生的干擾。3共用同一個電源時，附近設備接通或斷開時產(chǎn)生干擾。4.1.5 抗干擾設計的一般原則1. 抑制干擾源 抑制干擾源就是盡可能的減小干擾源的du/dt，di/dt。這是抗干擾設計中最優(yōu)先考慮和最重要的原則，常常會起到事半功倍的效果。減小干擾源的du/dt主要是通過在干擾源兩端并聯(lián)電容來實現(xiàn)。減小干擾源的 di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管來實現(xiàn)。 抑制干擾源的常用措施如下： （1）繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾。僅加續(xù)流二極管會使繼電器的斷開時間滯后，增加穩(wěn)壓二極管后繼電器在單位時間內(nèi)可 動作更多的次數(shù)。 （2）在繼電器接點兩端并接火

50、花抑制電路（一般是RC串聯(lián)電路，電阻一般選幾千歐姆到幾十千歐姆，電容選0.01F），減小電火花影響。 （3）給電機加濾波電路，注意電容、電感引線要盡量短。 （4）電路板上每個IC要并接一個0.01F0.1F高頻電容，以減小IC對電源的影響。注意高頻電容的布線，連線應靠近電源端并盡量粗短，否則，等于增大了電容的等效串聯(lián)電阻，會影響濾波效果。 （5）布線時避免90度折線，減少高頻噪聲發(fā)射。 （6）可控硅兩端并接RC抑制電路，減小可控硅產(chǎn)生的噪聲（這個噪聲嚴重時可能會把可控硅擊穿的）。2. 兩類干擾所謂傳導干擾是指通過導線傳播到敏感器件的干擾。高頻干擾噪聲和有用信號的頻帶不同，可以通過在導線上增加濾

51、波器的方法切斷高頻干擾噪聲的傳播，有時也可加隔離光耦來解決。電源噪聲的危害最大，要特別注意處理。所謂輻射干擾是指通過空間輻射傳播到敏感器件的干擾。一般的解決方法是增加干擾源與敏感器件的距離，用地線把它們隔離和在敏感器件上加蔽罩。3. 切斷干擾傳播路徑的常用措施（1）充分考慮電源對單片機的影響。電源做得好，整個電路的抗干擾就解決了一大半。許多單片機對電源噪聲很敏感，要給單片機電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減小電源噪聲對單片機的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成形濾波電路，當然條件要求不高時也可用100歐姆電阻代替磁珠。 （2）如果單片機的I/O口用來控制電機等噪聲器件，在I/O口與噪聲源之間應加隔離

52、（增加形濾波電路）。 （3）注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定，此措施可解決許多疑難問題。 （4）電路板合理分區(qū)，如強、弱信號，數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源（如電機，繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。 （5）單片機和大功率器件的地線要單獨接地，以減小相互干擾，大功率器件盡可能放在電路板邊緣。 （6）在單片機I/O口，電源線，電路板連接線等關鍵地方使用抗干擾元件如磁珠、磁環(huán)、電源濾波器，屏蔽罩，可顯著提高電路的抗干擾性能。4. 提高敏感器件的抗干擾性能 提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件這邊考慮盡量減少對干擾噪聲 的拾取，以及從不正常狀態(tài)盡快恢復的方法。 提高敏感器件抗干擾性能的常用措施如下： （1）布線時盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應噪聲。 （2）布線時，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。 （3）對于單片機閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。其它IC的閑置端在不改變系統(tǒng)邏輯的情況下接地或接電源。 （4）對單片機使用電源監(jiān)控及看門狗電路，如：IMP809，IMP706，IMP813， X25043，X25045等，可大幅度提高整