畢業(yè)設(shè)計(jì)基于SHT11的濕度監(jiān)測(cè)儀

目錄TOC\h\z\t"一級(jí)標(biāo)題,1,二級(jí)標(biāo)題,2,三級(jí)標(biāo)題,3,1,1,11,1,111,1,1111,1"1前言 頁1前言1.1濕度檢測(cè)及應(yīng)用濕度被定義為氣體中水蒸氣的含量，是一個(gè)重要的環(huán)境參數(shù)。大氣中的水蒸氣影響著自然界的物理、化學(xué)和生物過程。濕度影響氣體的熱、電、光和傳遞方面的特性。環(huán)境濕度還影響固體和液體材料中的水分含量，引起材料的尺寸變化，金屬材料的腐蝕。濕度的測(cè)量范圍可以跨越109的數(shù)量級(jí)，從極高純氣體僅含幾個(gè)ppb的水蒸氣濃度，到大氣壓下的純飽和水蒸氣。一定溫度下，水的飽和蒸汽壓是一定的。若空氣中水蒸汽的分壓小于當(dāng)時(shí)的飽和蒸汽壓，則由于水中進(jìn)入大氣的水分子將多于由大氣進(jìn)入水中的水分子，這就叫蒸發(fā)。若大氣中水蒸汽的分壓大于當(dāng)時(shí)的飽和蒸汽壓，則由大氣進(jìn)入水中的水分子將多于由水中進(jìn)入大氣的水分子，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)露的凝結(jié)[1]有關(guān)濕度的一些定義：1.相對(duì)濕度在計(jì)量法中規(guī)定，濕度定義為“物象狀態(tài)的量”。日常生活中所指的適度為相對(duì)濕度，用RH%表示?？傊礆怏w中（通常為空氣中）所含水蒸氣量（水蒸氣壓）與其空氣相同情況下飽和水蒸氣量（飽和水蒸汽壓）的百分比。2.絕對(duì)濕度指單位容積的空氣里實(shí)際所含的水汽量，一般以克為單位。溫度對(duì)絕對(duì)濕度有著直接影響，一般，溫度越高，水蒸氣發(fā)得越多，絕對(duì)濕度就越大；相反，絕對(duì)濕度就小。3.飽和濕度在一定溫度下，單位容積，空氣中所能容納的水汽量的最大限度。如果超過這個(gè)限度，多余的水蒸氣就會(huì)凝結(jié)，變成水滴，此時(shí)的空氣濕度變稱為飽和濕度。空氣的飽和濕度不是固定不變的，它隨著溫度的變化而變化。溫度越高，單位容積空氣中能容納的水蒸氣就越多，飽和濕度就越大。4.露點(diǎn)指含有一定量水蒸氣（絕對(duì)濕度）的空氣，當(dāng)溫度下降到一定程度時(shí)所含的水蒸氣就會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)（飽和濕度）并開始液化成水，這種現(xiàn)象叫做凝露。水蒸氣開始液化成水時(shí)的溫度叫做“露點(diǎn)溫度”簡(jiǎn)稱“露點(diǎn)”[2]。如果溫度繼續(xù)下降到露點(diǎn)以下，空氣中超飽和的水蒸氣就會(huì)在物體表面上凝結(jié)成水滴。此外，風(fēng)與空氣中的溫濕度有密切關(guān)系，也是影響空氣溫濕度變化的重要因素之一。如果將空氣等壓冷卻，一直到其中的水蒸汽達(dá)到飽和，這時(shí)的溫度t1叫做露點(diǎn)。露點(diǎn)只依賴于空氣中水蒸汽的分壓，水在各種溫度下的飽和蒸汽壓可查有關(guān)資料得知。因此只要測(cè)定了露點(diǎn)，就可以知道當(dāng)時(shí)空氣中的水蒸汽分壓。露點(diǎn)的飽和蒸汽壓就是當(dāng)時(shí)大氣中的水蒸汽的分壓，用e表示。如果大氣的溫度為t2℃，則相應(yīng)于t2℃也有一個(gè)飽和水蒸汽的分壓E，E表示了當(dāng)時(shí)氣溫下空氣中所能容納的最大水蒸汽含量。通常把e和E的比值叫做相對(duì)濕度[3]，R=由此可見，測(cè)定了露點(diǎn)t1和當(dāng)時(shí)的氣溫t2即可得到相對(duì)濕度濕度測(cè)量和控制廣泛應(yīng)用于航空航天、微電子、石油化工、電力、氣象、倉儲(chǔ)等領(lǐng)域。鑒于濕度測(cè)量的重要性，各國(guó)都在不斷更新改造其濕度標(biāo)準(zhǔn)。濕度測(cè)量已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國(guó)際有關(guān)技術(shù)委員會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。濕度是一個(gè)重要的物理量，在過程控制、質(zhì)量控制、能源利用、健康及安全等諸多領(lǐng)域都扮演著重要的角色，特別是許多高科技領(lǐng)域，如半導(dǎo)體制造、制藥、電力和通訊等，對(duì)濕度測(cè)量的要求越來越高。在ISO9000質(zhì)量體系認(rèn)證中有濕度測(cè)量方面的要求，一個(gè)良好、確定的環(huán)境質(zhì)量可減少由此引發(fā)的技術(shù)爭(zhēng)端，保證產(chǎn)品質(zhì)量，也促進(jìn)了濕度傳感器技術(shù)市場(chǎng)和校準(zhǔn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展。1.2濕度檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展1.冷鏡式精密露點(diǎn)儀冷鏡式精密露點(diǎn)儀是指熱電冷卻鏡面，自動(dòng)檢測(cè)露層的平衡式精密露點(diǎn)儀。這種露點(diǎn)儀是根據(jù)露點(diǎn)溫度的定義設(shè)計(jì)制成的。由于制作原理可靠，技術(shù)成熟，該儀器被作為濕度傳遞標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)家濕度標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。這種新型冷鏡式精密露點(diǎn)儀還有清除鏡面過冷水的功能，也可以用配備的內(nèi)窺鏡觀察鏡面結(jié)露、結(jié)霜情況[4]。此外，它所配備的加熱進(jìn)氣管路附件，可用于露點(diǎn)高于室溫時(shí)的露點(diǎn)測(cè)量。2大氣壓離子質(zhì)譜儀大氣壓離子質(zhì)譜儀是通過測(cè)量分子離子的質(zhì)荷比豐度來檢測(cè)水蒸氣濃度的[5]。大氣壓離子質(zhì)譜法靈敏度高，對(duì)于ppb量級(jí)的濕度測(cè)量，該方法可能是最好的分析方法，既可以測(cè)量水蒸氣也能夠測(cè)量其他組分。其缺點(diǎn)是成本高，操作復(fù)雜。3.光腔衰蕩光譜儀在光腔衰蕩光譜中，光強(qiáng)在空腔內(nèi)的指數(shù)衰減和物種吸收的衰蕩時(shí)間有關(guān)，而衰蕩時(shí)間與物種吸收截面、分子密度、空腔尺寸、吸收波長(zhǎng)，以及鏡面反射性有關(guān)。因此，通過測(cè)量衰蕩時(shí)間即可測(cè)量分子密度。光腔衰蕩光譜測(cè)量ppb量級(jí)的水蒸氣濃度是一個(gè)新方法。美國(guó)NIST希望將這種方法發(fā)展成檢測(cè)極低含量水蒸氣濃度的標(biāo)準(zhǔn)方法[6]。應(yīng)該注意，光腔衰蕩光譜CRDS和可調(diào)諧激光二極管吸收光譜TDLAS的測(cè)量原理是不同的。4.高分子電容式露點(diǎn)儀高分子濕度電容最早用于相對(duì)濕度的測(cè)量。把它用于露點(diǎn)測(cè)量不是不可以，只是按以上相對(duì)濕度測(cè)量準(zhǔn)確度計(jì)算，若要測(cè)量3%RH以下的相對(duì)濕度，露點(diǎn)誤差就會(huì)很大。Vaisala公司應(yīng)用加熱回歸技術(shù)[7]，將高分子濕敏電容用于露點(diǎn)測(cè)量，其中露點(diǎn)的測(cè)量下限達(dá)到-60℃~-80℃，露點(diǎn)測(cè)量的示值誤差達(dá)到±2℃。一般來說，該儀器測(cè)量露點(diǎn)為-40℃以下且誤差較大，因此需要經(jīng)常自校，但幸好其自校軟件都集成在儀器中。1.3論文主要研究?jī)?nèi)容研究濕度監(jiān)測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)濕度監(jiān)測(cè)儀。(1)總結(jié)濕度監(jiān)測(cè)技術(shù)。(2)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)儀的一般結(jié)構(gòu)和功能及技術(shù)指標(biāo)。(3)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)儀，主要包括：1.監(jiān)測(cè)儀硬件電路。2.監(jiān)測(cè)儀軟件。3.抗干擾設(shè)計(jì)。

2濕度監(jiān)測(cè)技術(shù)2.1濕度測(cè)量原理2.1.1電容式濕度傳感器概述電容型濕度傳感器一般有兩類。(1)直接感濕，即直接將大氣作為電介質(zhì)材料。這一類通常具有響應(yīng)速度快、靈敏度高,但易受大氣中塵埃的影響等特點(diǎn)。(2)間接感濕，即利用其他電介質(zhì)材料吸附大氣中的水汽，從而導(dǎo)致電介質(zhì)材料介電常數(shù)隨空氣濕度變化。間接感濕的響應(yīng)速度通常比直接感濕的響應(yīng)速度慢，但是有些電介質(zhì)材料的感濕特性線性度較好，而且不易受大氣中塵埃的影響。2.1.2電容式濕度傳感器介質(zhì)和結(jié)構(gòu)1.感濕介質(zhì)常用的濕度傳感器感濕介質(zhì)主要有多孔硅，聚酞亞胺和空氣。由于多孔硅與COMS工藝不兼容，且多孔硅制備的工藝條件及后處理、孔隙及孔徑大小的控制很困難，一致性也不夠好，其感濕機(jī)理比較復(fù)雜。因此COMS濕度傳感器的主要感濕介質(zhì)將以聚酞亞胺和空氣為主。聚酞亞胺類傳感器與COMS工藝兼容，比多孔硅類的成本低，且無需高溫加工和加熱清潔，它對(duì)濕度的感應(yīng)具有本體效應(yīng)，不像多孔陶瓷易受污染。缺點(diǎn)是聚合物薄膜在高溫高濕情況下不能夠正常工作，且響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性差、長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致性能下降[8]。利用空氣作介質(zhì)，這類傳感器感濕機(jī)理比較簡(jiǎn)單，直接根據(jù)空氣中水汽的變化，來改變敏感電容的介電常數(shù)，從而改變敏感電容值。它的響應(yīng)速度快，工藝簡(jiǎn)單，長(zhǎng)期使用重復(fù)性好，缺點(diǎn)是表面水汽吸附影響較大，對(duì)后序處理電路的要求高。2.電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu)電容型濕度傳感器的結(jié)構(gòu)通常可以分為兩種：(1)平鋪型交叉指型，交叉指狀的鋁條構(gòu)成了電容器的兩個(gè)電極，鋁條及鋁條間的空隙都暴露在空氣中。由于空氣的介電常數(shù)隨空氣的相對(duì)濕度的變化而變化，電容器的電容值將隨之變化。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是響應(yīng)速度較快，但濕滯較大。(2)三明治型交叉指型，這種結(jié)構(gòu)在CMOS工藝中厚度容易做得比較薄，即其上、下電極的距離較短，從而提高了電容型濕度傳感器的靈敏度，但響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。2.1.3電容式濕度傳感器感濕機(jī)理電容式濕度傳感器利用某些物質(zhì)吸附水汽后，其電介系數(shù)發(fā)生變化，從而引起電容量改變的原理工作。該類傳感器的基本結(jié)構(gòu)是在基片上鍍上一層梳狀鍍金電極，再涂上高分子感濕膜，然后在膜上鍍上另一層透水性好的金膜作為上部電極。有的濕度傳感器再蓋上一層多孔網(wǎng)罩以增加抗污染能力，延長(zhǎng)使用壽命。電容式濕度傳感器用的電介質(zhì)通常有兩類[9]：高分子有機(jī)介質(zhì)和陶瓷。早期感濕膜多采用醋酸纖維素及其衍生物，目前大多采用的是醋酸丁酸纖維素、聚酰亞胺，電容型濕敏材料常見的還有聚苯乙烯、酪酸醋酸纖維等感濕材料。電容式濕度傳感器電極間的高分子感濕材料吸附環(huán)境中的水分子時(shí)，其介電常數(shù)隨之變化，其電容量CpuCpu=ε式中ε0εuS－電容式傳感器有效電容面積；D－高分子感濕膜厚度。其中εu＝ε式中εra－常數(shù)；WuεH2高分子在一定溫度條件下吸附水分子時(shí)，吸附量與平衡相對(duì)壓間建立不同關(guān)系式，一般稱為吸附等溫式，由此繪制的曲線稱為吸附等溫線。在吸附量較小時(shí)，水分子的吸附量與平衡相對(duì)壓呈線性關(guān)系，這是理想的電容式感濕材料特性。疏水性高分子材料具有這種特性，因此電容式感濕材料的基本骨架應(yīng)是疏水性高分子，同時(shí)還要有極性基以便能與極性水分子相互作用。較大偶極矩的極性基與水分子有較強(qiáng)的作用形成氫鍵結(jié)合，稱之為化學(xué)吸附。這種吸附很難脫附，這也是傳感器產(chǎn)生濕滯的主要原因。在分子結(jié)構(gòu)中含有極性較弱的官能團(tuán)時(shí)，與水分子的作用力很小，為物理吸附。只有這種情況才能達(dá)到吸濕脫濕平衡速度快、濕滯小、靈敏度變化呈線性關(guān)系。影響濕滯的原因除極性基外，還有被吸附的水分子之間相互作用產(chǎn)生凝聚，減小濕滯的關(guān)鍵之一就是如何防止或減弱水分子的凝聚。通常使用的醋酸丁酸纖維素以及聚酰亞胺等類聚合物高分子，這些高分子親水性較弱，水分子吸附量也少，吸附的水分子在膜中可近似單獨(dú)存在，水分子間不易凝聚。為進(jìn)一步防止吸附水分子凝聚，用較大的疏水基將極性基分隔開來，以減少親水基密度。另外，可利用高分子中加入交聯(lián)劑來改變感濕材料的立體結(jié)構(gòu)，封閉多余的吸水基，形成微孔結(jié)構(gòu)。通過交聯(lián)可適當(dāng)增加水分子的吸附點(diǎn)，提高靈敏度，又可利用交聯(lián)形成的三維網(wǎng)狀微孔結(jié)構(gòu)，控制微孔尺寸以阻止吸附水分子之間的相互作用，減少其它氣體的影響，改善傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[10]。影響溫度特性的主要因素是感濕材料中的極性基結(jié)構(gòu)以及周邊結(jié)構(gòu)。為改善濕度傳感器的溫度特性，極性基要位于主鏈中，高分子的介電常數(shù)隨溫度變化要小，玻璃化溫度要高。介質(zhì)損耗是表明高分子鏈節(jié)熱運(yùn)動(dòng)消耗有用功的尺度，表明鏈節(jié)運(yùn)動(dòng)的難易程度，因此介質(zhì)損耗也要小。高分子中引進(jìn)大的疏水基及環(huán)狀結(jié)構(gòu)，可以改善溫度系數(shù)。聚酰亞胺膜作介質(zhì)的高分子電容式濕度傳感器得到了廣泛應(yīng)用，這種傳感器利用了聚酰亞胺膜可逆的吸收和放出水分子使其介電常數(shù)隨之變化的工作原理。傳感器采用聚酰亞胺為感濕材料，是將聚酰亞胺酸涂在基片上，經(jīng)亞胺化后制成的。吸水后，其介電常數(shù)與環(huán)境的相對(duì)濕度具有線性關(guān)系。聚酰亞胺本身的介電常數(shù)很小，只有2.93，而水的介電常數(shù)在室溫時(shí)為80。根據(jù)Looyenga的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式有ε=Vε21式中ε、ε1和ε2V—聚酰亞胺吸水的體積百分?jǐn)?shù)。濕度越大，聚酰亞胺薄膜吸附的水分子越多，V越大，復(fù)合物介電常數(shù)ε就增大，正是根據(jù)這一原理制成聚酰亞胺薄膜電容式濕度敏感傳感器。當(dāng)然，在聚酰亞胺薄膜吸收或放出水分子時(shí)，也會(huì)引起薄膜厚度的變化，但因聚酰亞胺膜很薄，薄膜厚度的變化對(duì)電容值的影響比介電常數(shù)對(duì)電容值的影響要小得多，主要是介電常數(shù)ε的變化引起電容值的改變。聚酰亞胺高分子電容式濕度傳感器除上所述高分子電容式濕度傳感器的優(yōu)點(diǎn)之外，還具有耐高溫、線性好等優(yōu)點(diǎn)，而且工藝與半導(dǎo)體工藝兼容，適合批量生產(chǎn)，制作成本低廉。電容式濕度傳感器在測(cè)量電路中，就相當(dāng)于一個(gè)小電容[11]。但實(shí)際的濕度傳感器并不是一個(gè)純電容，而是相當(dāng)于一個(gè)電容和一個(gè)電阻的并聯(lián)，它的等效形式見圖2-1。圖2-1電容式濕度傳感器的等效形式濕度傳感器的等效阻抗Zc與其等效電容C的容抗Xc和等效電阻R1Zc=j傳感器的Q值與傳感器的容抗Xc和等效電阻RQ=R電容式濕度傳感器的電容值C和品質(zhì)因數(shù)Q是電容式濕度傳感器的兩個(gè)主要參數(shù)，電容值影響傳感器一致性、穩(wěn)定性和可靠性，品質(zhì)因數(shù)Q是與產(chǎn)品質(zhì)量有密切關(guān)系的一個(gè)參數(shù)，產(chǎn)品的品質(zhì)因數(shù)不能過低，否則產(chǎn)品的壽命將減少。在實(shí)際的應(yīng)用中，電容式濕度傳感器的質(zhì)量主要通過這兩個(gè)性能參數(shù)來評(píng)價(jià)。2.1.4電容式濕度傳感器SHT11SHT11產(chǎn)品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、極高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，以鏡面冷凝式濕度計(jì)為參照。校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，在標(biāo)定的過程中使用。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單。微小的體積、極低的功耗，使其成為各類應(yīng)用的首選。產(chǎn)品提供表面貼片LCC或4針單排引腳封裝。特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供[12]。1.溫濕度傳感器STH11特性(1)相對(duì)濕度和溫度測(cè)量；(2)兼有露點(diǎn)；(3)全標(biāo)定輸出，無需標(biāo)定即可互換使用；(4)卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；(5)兩線制數(shù)字接口，無需額外部件；(6)基十請(qǐng)求式測(cè)量，因此低能耗；(7)表面貼片或4針引腳安裝；(8)超小尺寸；(9)自動(dòng)休眠；2.SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-2SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.SHT11工作原理SHT11的濕度檢測(cè)運(yùn)用電容式結(jié)構(gòu)：采用具有不同保護(hù)的“微型結(jié)構(gòu)”檢測(cè)電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外，還可抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起而構(gòu)成了一個(gè)單一的個(gè)體，因而測(cè)量精度較高且可精確得出露點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤差。CMOSensTM技術(shù)不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起，而且還將信號(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)I2SHT11的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝制造使其具有以下優(yōu)點(diǎn)[13]：(1)防浸泡，即使被浸濕了，只要讓其自然烘干后即可恢復(fù)正常性能，不會(huì)因?yàn)樵?jīng)被浸泡而失靈或出現(xiàn)超出允許范圍的誤差；(2)高可靠性，采用優(yōu)化的集成電路，大大降低了元件失效的風(fēng)險(xiǎn)并減少受外界電子信號(hào)的干擾，且由于傳感器輸入的模擬信號(hào)及時(shí)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸出，從而比靠外圍模擬電路處理后輸出的模擬信號(hào)精確度高得多；(3)測(cè)量精度高，采用片內(nèi)穩(wěn)壓電路使得測(cè)量精度不受電壓不穩(wěn)定影響，溫度測(cè)量精度為±0.5℃，濕度在0%～100%RH測(cè)量范圍內(nèi)都能保持±5%的測(cè)量誤差；(4)可任意互換同系列芯片且不需進(jìn)行互換后的重新校正，方便測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)；(5)體積僅為7.5mm×5mm×2.5mm，功耗低(2.4～5.5V寬電壓供電，電流消耗：測(cè)量時(shí)為550μA，平均為28μA，休眠時(shí)為3μA)，利用電池供電可讓其長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行；(6)反應(yīng)迅速，小于4s。SHT11的眾多優(yōu)點(diǎn)使其成為各類高標(biāo)準(zhǔn)溫濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的首選。SHT11的每一個(gè)傳感器都是在極為精確的濕度室中校準(zhǔn)的。SHT11傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)先存在芯片內(nèi)存OTP中。經(jīng)校準(zhǔn)的相對(duì)濕度和溫度傳感器與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連，可將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫濕度值送給二線總線器件，從而將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為I22.SHT11通訊方式(1)啟動(dòng)傳感器首先，選擇供電電壓后將傳感器通電，上電速率不能低于1V/ms。通電后傳感器需要11ms進(jìn)入休眠狀態(tài)，在此之前不允許對(duì)傳感器發(fā)送任何命令。(2)發(fā)送命令如圖2-3所示，用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。它包括：?dāng)SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖剑S后是在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。圖2-3“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序圖后續(xù)命令包含三個(gè)地址位（目前只支持“000”），和五個(gè)命令位。DHT9x會(huì)以下述方式表示已正確地接收到指令：在第8個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿之后，將DATA下拉為低電平（ACK位）。在第9個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿之后，釋放DATA（恢復(fù)高電平）。表2-1給出了SHT11使用時(shí)所用到的代碼類型。表2-1SHT11的命令集命令代碼預(yù)留0000x溫度測(cè)量00011濕度測(cè)量00101讀狀態(tài)寄存器00111寫狀態(tài)寄存器00110預(yù)留0101x-1110x軟復(fù)位，復(fù)位接口、清空狀態(tài)寄存器，即清空為默認(rèn)值，下一次命令前等待至少11ms11110(3)測(cè)量時(shí)序（RH，T)發(fā)布一組測(cè)量命令（‘00000101’表示相對(duì)濕度RH，‘00000011’表示溫度T）后，控制器要等待測(cè)量結(jié)束。這個(gè)過程需要大約20/80/320ms，分別對(duì)應(yīng)8/12/14bit測(cè)量。確切的時(shí)間隨內(nèi)部晶振速度，最多可能有-30%的變化。DHT9x通過下拉DATA至低電平并進(jìn)入空閑模式，表示測(cè)量的結(jié)束?？刂破髟谠俅斡|發(fā)SCK時(shí)鐘前，必須等待這個(gè)“數(shù)據(jù)備妥”信號(hào)來讀出數(shù)據(jù)。檢測(cè)數(shù)據(jù)可以先被存儲(chǔ)，這樣控制器可以繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù)在需要時(shí)再讀出數(shù)據(jù)。接著傳輸2個(gè)字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)和1個(gè)字節(jié)的CRC奇偶校驗(yàn)。單片機(jī)需要通過下拉DATA為低電平，以確認(rèn)每個(gè)字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)從MSB開始，右值有效（例如：對(duì)于12bit數(shù)據(jù)，從第5個(gè)SCK時(shí)鐘起算作MSB；而對(duì)于8bit數(shù)據(jù)，首字節(jié)則無意義）。用CRC數(shù)據(jù)的確認(rèn)位，表明通訊結(jié)束。如果不使用CRC-8校驗(yàn)，控制器可以在測(cè)量值LSB后，通過保持確認(rèn)位ACK高電平，來中止通訊。在測(cè)量和通訊結(jié)束后，DHT9x自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式。(4)通訊復(fù)位時(shí)序如果與DHT9x通訊中斷，下列信號(hào)時(shí)序可復(fù)位串口：當(dāng)DATA保持高電平時(shí)，觸發(fā)SCK時(shí)鐘9次或更多，如圖2-4所示。在下一次指令前，發(fā)送一個(gè)“傳輸啟動(dòng)”時(shí)序。這些時(shí)序只復(fù)位串口，狀態(tài)寄存器內(nèi)容仍然保留。圖2-4通訊復(fù)位時(shí)序2.2常用濕度測(cè)量?jī)x器1.冷鏡式露點(diǎn)儀測(cè)量原理：被測(cè)濕氣進(jìn)入露點(diǎn)測(cè)量室時(shí)掠過冷鏡面，當(dāng)鏡面溫度高于濕氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，鏡面呈干燥狀態(tài)，此時(shí)光電檢露裝置中光源發(fā)出的光照在鏡面上，幾乎完全反射，由光電傳感器感應(yīng)到并輸出光電信號(hào)，經(jīng)控制回路比較、放大、驅(qū)動(dòng)熱電泵對(duì)鏡面致冷。當(dāng)鏡面溫度降至濕氣露點(diǎn)溫度時(shí)，鏡面上開始結(jié)露（霜），光照在鏡面上出現(xiàn)漫反射，光電傳感器感應(yīng)到的反射信號(hào)隨之減弱，此變化經(jīng)控制回路比較、放大后調(diào)節(jié)熱電泵激勵(lì)，使其制冷功率適當(dāng)減小，最后，鏡面溫度保持在樣氣露點(diǎn)溫度上。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：屬基本測(cè)量，測(cè)量準(zhǔn)確，并且儀器比較穩(wěn)定無漂移，目前準(zhǔn)確度最高的儀器可達(dá)±0.1℃。缺點(diǎn)：價(jià)格較高，對(duì)操作人員的要求較高并需進(jìn)行維護(hù)。對(duì)污染物敏感。在-20℃~0℃范圍內(nèi)有時(shí)會(huì)有過冷水存在，因此要特別小心區(qū)分過冷水和霜。2.完全吸收電解法微量水份儀測(cè)量原理用：連續(xù)取樣的方法，使氣樣流經(jīng)一個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的電解池，其水分被作為吸濕劑的五氧化二磷層吸收，并被電解為氫氣和氧氣排出，而五氧化二磷得以再生。因此可通過測(cè)量水的電解電流來測(cè)量氣樣中的含水量。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：屬絕對(duì)測(cè)量法，穩(wěn)定，不漂移。缺點(diǎn)：電解池壽命有限，需要再生。高濕或低濕（<1ppmv）均會(huì)縮短其壽命。低濕時(shí)響應(yīng)慢。對(duì)氣體流量要求較高。不能用于某些腐蝕性氣體以及能與P2O5發(fā)生反應(yīng)的氣體。3.薄膜電容式濕度計(jì)測(cè)量原理：是使用沉積在兩個(gè)導(dǎo)電電極上的聚胺鹽或醋酸纖維聚合物薄膜。當(dāng)薄膜吸水或失水后，會(huì)改變兩個(gè)電極間的介電常數(shù)。聚合物傳感器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是它們對(duì)溫度的依賴性較小，即溫度系數(shù)較小[14]。因此當(dāng)使用溫度與校準(zhǔn)溫度不同時(shí)，其誤差較小。如果在極限溫度下使用或?qū)?zhǔn)確度要求較高，則需進(jìn)行電子溫度補(bǔ)償。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)快，溫度及濕度測(cè)量范圍寬，線性好，幾乎沒有滯后，穩(wěn)定性及重復(fù)性較好，溫度系數(shù)低，成本低。缺點(diǎn)：間接測(cè)量?jī)x器，需定期校準(zhǔn)，對(duì)某些污染物敏感，不能在腐蝕性的環(huán)境下工作；盡管很低，仍具有溫度依賴性。4.電阻式濕度計(jì)測(cè)量原理：以季銨鹽的聚合物溶液作基體，將這種功能基與樹脂聚合物進(jìn)行反應(yīng)，可以產(chǎn)生具有立體三維的熱固性樹脂，具有較好的穩(wěn)定性。相對(duì)濕度的變化可以導(dǎo)致陰極與陽極之間的電阻發(fā)生變化。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：基本上沒有滯后和老化，溫度系數(shù)較低，便宜，能耗小。溫度范圍-10℃~80℃，重復(fù)性優(yōu)于0.5%RH，準(zhǔn)確度較高，一般為±2%RH，在很窄的范圍內(nèi)可達(dá)±1%RH。缺點(diǎn)：是間接測(cè)量?jī)x器，需定期校準(zhǔn)，不適用于某些污染物。不適用于低濕，相對(duì)濕度低于15%RH時(shí)喪失靈敏度，但當(dāng)相對(duì)濕度接近100%RH時(shí)仍具有較好的性能，但冷凝有時(shí)會(huì)損壞傳感器。有些污染物對(duì)電阻式傳感器影響較大，有些則對(duì)電容式傳感器影響較大，因此選擇傳感器時(shí)主要是根據(jù)污染物的性質(zhì)。5.機(jī)械式濕度計(jì)測(cè)量原理：毛發(fā)、腸膜、尼龍和聚酰亞胺等有機(jī)高分子材料的長(zhǎng)度都會(huì)隨著相對(duì)濕度的變化而發(fā)生變化。適用于實(shí)驗(yàn)室機(jī)房、倉庫、廠房等室內(nèi)環(huán)境溫濕度的測(cè)量。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：便宜，對(duì)大多數(shù)污染物不敏感，不需要電源，可以做永久記錄。缺點(diǎn)：漂移，如果在某一濕度下使用較長(zhǎng)的時(shí)間會(huì)喪失其靈敏度，不能用于0℃以下，響應(yīng)慢，運(yùn)輸或振動(dòng)搖擺會(huì)破壞其性能。6.干濕球濕度計(jì)測(cè)量原理：干濕球濕度計(jì)由兩支規(guī)格完全相同的溫度計(jì)組成，一支稱為干球溫度計(jì)，另一支為濕球溫度計(jì)。當(dāng)濕球周圍的空氣處于不飽和狀態(tài)時(shí)，濕球紗布套上的水分就會(huì)不斷蒸發(fā)，從而使?jié)袂虻臏囟认陆?。濕球水分蒸發(fā)的速度與其周圍氣體的水分含量有關(guān)，當(dāng)氣體濕度越低時(shí)，水分蒸發(fā)越快濕球溫度亦越低，反之亦然。獲得準(zhǔn)確的干、濕球溫度后，借助于濕球方程換算出濕度值[15]。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)相對(duì)濕度接近100%RH時(shí)，可以得到較高的準(zhǔn)確度。維修費(fèi)用非常低?？梢杂糜谑覝馗哂?00℃的場(chǎng)合，是基本測(cè)量，穩(wěn)定性好，簡(jiǎn)單便宜，成本低。缺點(diǎn)：需要某些技巧以得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，并需要進(jìn)行計(jì)算才能得到最終結(jié)果。要求大量的氣體樣品，并且氣體樣品有可能被濕紗布加濕。由于要不斷地給濕球溫度計(jì)補(bǔ)充水，因此體積不可能太小。2.3微處理技術(shù)2.3.1微處理器簡(jiǎn)介微處理器是可編程化的特殊集成電路。自從人類1947年發(fā)明晶體管以來，50多年間半導(dǎo)體技術(shù)經(jīng)歷了硅晶體管、集成電路、超大規(guī)模集成電路、甚大規(guī)模集成電路等幾代，發(fā)展速度之快是其他產(chǎn)業(yè)所沒有的。半導(dǎo)體技術(shù)對(duì)整個(gè)社會(huì)產(chǎn)生了廣泛的影響，因此被稱為“產(chǎn)業(yè)的種子”。中央處理器是指計(jì)算機(jī)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對(duì)處理過程進(jìn)行控制的部件，伴隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，芯片集成密度越來越高，CPU可以集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上，這種具有中央處理器功能的大規(guī)模集成電路器件，被統(tǒng)稱為“微處理器”。微處理器一般由下列部件組成：算術(shù)邏輯單元（ALU，ArithmeticLogicalUnit）；累加器和通用寄存器組；程序計(jì)數(shù)器（也叫指令指標(biāo)器）；時(shí)序和控制邏輯部件；數(shù)據(jù)與地址鎖存器/緩沖器；內(nèi)部總線。算術(shù)邏輯單元ALU主要完成算術(shù)運(yùn)算和各種邏輯運(yùn)算等操作。ALU是組合電路，本身無寄存操作數(shù)的功能，因而必須有保存操作數(shù)的兩個(gè)寄存器：暫存器TMP和累加器AC()，累加器既向ALU提供操作數(shù)，又接收ALU的運(yùn)算結(jié)果。寄存器陣列實(shí)際上相當(dāng)于微處理器內(nèi)部的RAM，它包括通用寄存器組和專用寄存器組兩部分，通用寄存器（A，B，C，D）用來存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果或地址。它們一般均可作為兩個(gè)8位的寄存器來使用。處理器內(nèi)部有了這些寄存器之后，就可避免頻繁地訪問存儲(chǔ)器，可縮短指令長(zhǎng)度和指令執(zhí)行時(shí)間，提高機(jī)器的運(yùn)行速度，也給編程帶來方便。專用寄存器包括程序計(jì)數(shù)器PC()、堆棧指示器SP()和標(biāo)志寄存器FR()，它們的作用是固定的，用來存放地址或地址基值[16]。2.3.2單片機(jī)1.單片機(jī)結(jié)構(gòu)單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本。單片機(jī)是靠程序運(yùn)行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能。單片機(jī)也被稱為微控制器，是因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域[17]。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成并進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。如圖2-5所示為單片機(jī)內(nèi)部結(jié)果圖。圖2-5單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.單片機(jī)的工作方式單片機(jī)的工作方式是進(jìn)行系統(tǒng)射擊的基礎(chǔ)，也是單片機(jī)應(yīng)用工作者必須熟悉的問題。通常的工作方式包括：復(fù)位方式、程序執(zhí)行方式、節(jié)電方式以及EPROM的編程和校驗(yàn)方式等四種。(1)復(fù)位方式單片機(jī)在開機(jī)時(shí)都需要復(fù)位，一邊中央處理器以及其他功能部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。MCS-51的RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，持續(xù)時(shí)間要有24個(gè)時(shí)鐘周期以上。這時(shí)，堆棧指針SP為07H，ALE、PSEN、P0、P1、P2和P3口各引腳均為高電平，片內(nèi)RAM中內(nèi)容不變。(2)程序執(zhí)行方式程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式，通?？梢苑譃閱尾胶瓦B續(xù)兩種工作方式。a.單步執(zhí)行方式單步執(zhí)行方式是指單片機(jī)在控制面板上的某個(gè)按鈕控制下逐條執(zhí)行用戶程序中指令的方式，即按一次單步執(zhí)行鍵就執(zhí)行一條用戶的方式。單步執(zhí)行方式常常用于用戶程序的調(diào)試。b.連續(xù)執(zhí)行方式連續(xù)執(zhí)行方式是所有單片機(jī)都需要的一種工作方式，被執(zhí)行程序可以放在片內(nèi)或片外ROM中由于單片機(jī)復(fù)位后PC＝0000H，因此機(jī)器在加電或按鈕復(fù)位后總是轉(zhuǎn)到0000H處執(zhí)行程序，這就可以預(yù)先在0000H處放一條轉(zhuǎn)移指令，以便跳到0000H~FFFFH中的任何地方執(zhí)行程序。(3)節(jié)電方式節(jié)電方式是一種能減少單片機(jī)功耗的工作方式，通?？梢苑譃榭臻e方式和掉電方式兩種，只有CHMOS型器件才有這種工作方式。CHMOS型單片機(jī)是一種低功耗器件，正常工作時(shí)消耗11~20mA電流，空閑狀態(tài)時(shí)為1.7~5mA電流，掉電方式為5~50μA。因此CHMOS型單片機(jī)特別適用于低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。(4)編程和校驗(yàn)方式這里的編程是指用特殊手段對(duì)單片機(jī)內(nèi)EPROM進(jìn)行寫操作的過程，校驗(yàn)這時(shí)對(duì)剛剛寫入程序代碼進(jìn)行讀出驗(yàn)證的過程。因此，單片機(jī)的編程和校驗(yàn)方式只有在EPROM型器件才有。3.單片機(jī)時(shí)序單片機(jī)時(shí)序就是CPU在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號(hào)的時(shí)間順序。因此，微型計(jì)算機(jī)中的CPU是指上就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，這個(gè)時(shí)序電路是在時(shí)鐘脈沖推動(dòng)下工作的。在執(zhí)行指令時(shí)，CPU首先要到程序存儲(chǔ)器中取出需要執(zhí)行指令的指令碼，然后對(duì)指令碼譯碼，并由時(shí)序部件產(chǎn)生一系列控制信號(hào)去完成指令的執(zhí)行。這些控制信號(hào)在時(shí)間上的相互關(guān)系就是CPU時(shí)序。(1)時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期T又稱為震蕩周期，由單片機(jī)片內(nèi)震蕩電路PSC產(chǎn)生，常定義為時(shí)鐘脈沖頻率的倒數(shù)，是時(shí)序中最小的時(shí)間單位。時(shí)鐘周期尺度不是絕對(duì)的，而是一個(gè)隨時(shí)鐘脈沖頻率變化而變化的參量。但時(shí)鐘脈沖畢竟是計(jì)算機(jī)的基本工作脈沖，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏，使計(jì)算機(jī)的每一步工作都統(tǒng)一到它的步調(diào)上來。因此，采用時(shí)鐘周期作為時(shí)序中最小的時(shí)間單位是必然的。(2)機(jī)器周期機(jī)器周期定義為實(shí)現(xiàn)特定功能所需的時(shí)間，通常由若干時(shí)鐘周期T構(gòu)成。因此，微型計(jì)算機(jī)的機(jī)器周期常常按其功能來命名，且不同機(jī)器周期所包含的時(shí)鐘周期的個(gè)數(shù)不相同。(3)指令周期指令周期是時(shí)序中的最大時(shí)間單位，定義為執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間。由于機(jī)器執(zhí)行不同指令所需的時(shí)間不同，因此不同指令所包含的機(jī)器周期數(shù)也不相同。通常，包含一個(gè)機(jī)器周期的指令稱為單周期指令，包含兩個(gè)機(jī)器周期的指令稱為雙周期指令，等等。2.4分布式檢測(cè)系統(tǒng)2.4.1串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口與應(yīng)用背景串行通信是CPU與外界進(jìn)行信息交換的一種方式，是指數(shù)據(jù)按順序進(jìn)行位傳輸?shù)囊环N方式。串行通信有兩種基本工作方式，即異步傳送與同步傳送。同步通信是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信只傳送一幀信息。這里的信息幀與異步通信中的字符幀不同，通常含有若干個(gè)數(shù)據(jù)字符。它們均由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符（CRC）組成。其中同步字符位于幀開頭，用于確認(rèn)數(shù)據(jù)字符的開始。數(shù)據(jù)字符在同步字符之后，個(gè)數(shù)沒有限制，由所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊長(zhǎng)度來決定；校驗(yàn)字符有1到2個(gè)，用于接收端對(duì)接收到的字符序列進(jìn)行正確性的校驗(yàn)。同步通信的缺點(diǎn)是要求發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘保持嚴(yán)格的同步。異步通信中，在異步通行中有兩個(gè)比較重要的指標(biāo)：字符幀格式和波特率。數(shù)據(jù)通常以字符或者字節(jié)為單位組成字符幀傳送。字符幀由發(fā)送端逐幀發(fā)送，通過傳輸線被接收設(shè)備逐幀接收。發(fā)送端和接收端可以由各自的時(shí)鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，這兩個(gè)時(shí)鐘源彼此獨(dú)立，互不同步。接收端檢測(cè)到傳輸線上發(fā)送過來的低電平邏輯“0”（即字符幀起始位）時(shí)，確定發(fā)送端已開始發(fā)送數(shù)據(jù)，每當(dāng)接收端收到字符幀中的停止位時(shí)，就知道一幀字符已經(jīng)發(fā)送完畢。常用的串口標(biāo)準(zhǔn)有RS-232C，RS-422，RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口[18]。EIARS-232C是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（ElectronicIndustryAssociation）在1969年頒布的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS（RecommendedStandard）是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)。RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對(duì)于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時(shí)，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。RS-232-C串口標(biāo)準(zhǔn)目前己經(jīng)在微機(jī)通信接口中廣泛采用，它不僅已被內(nèi)置于每一臺(tái)計(jì)算機(jī)，同時(shí)也已經(jīng)被內(nèi)置于從微控制器到主機(jī)的多種類型的計(jì)算機(jī)以及相連接的設(shè)備。由于RS-232存在傳輸距離有限等不足，于是RS-422誕生了。RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”，它定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到10Mbps，傳輸距離延長(zhǎng)到4000英尺（約1219米），并允許在一條平衡總線上連接最多10個(gè)接收器。當(dāng)然，EIA－422也有缺陷：因?yàn)槠淦胶怆p絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，所以在100kbps速率以內(nèi)，傳輸距離才可能達(dá)到最大值，也就是說，只有在很短的距離下才能獲得最高傳輸速率。一般在100米長(zhǎng)的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅為1Mbps。另外有一點(diǎn)必須指出，在RS-422通信中，只有一個(gè)主設(shè)備，其余為從設(shè)備，從設(shè)備之間不能進(jìn)行通信，所以RS-422支持的是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的雙向通信。為擴(kuò)展應(yīng)用范圍，在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)[19]，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為TIA/RS-485-A標(biāo)準(zhǔn)。由于RS-485是從RS-422基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以RS-485許多電氣規(guī)定與RS-422相仿，如都采用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻、最大傳輸距離約為1219米、最大傳輸速率為10Mbps等。但是，RS-485可以采用二線與四線方式，采用二線制時(shí)可實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)雙向通信，而采用四線連接時(shí)，與RS-422一樣只能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，但它比RS-422有改進(jìn)，無論四線還是二線連接方式總線上可接多達(dá)32個(gè)設(shè)備。2.4.2RS－485構(gòu)成的分布式通信系統(tǒng)分布式通信又稱為“集散控制系統(tǒng)”。在這種通信系統(tǒng)中，作為前置（或下位）機(jī)的單片機(jī)通常有N臺(tái)，用于獨(dú)立地急性數(shù)據(jù)采集和控制，并把采集到的數(shù)據(jù)傳送給作為后置（或上位）機(jī)的PC。PC一方面可以對(duì)接受數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì)和處理在CRT上顯示并由打印機(jī)打印成各類報(bào)表，另一方面又可以把用戶輸入的控制命令切換成可操作的命令信息，分送給各臺(tái)前置單片機(jī)。目前，分布式通信系統(tǒng)已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，用于達(dá)到對(duì)生產(chǎn)過程和被控實(shí)體進(jìn)行分散控制，以及集中調(diào)度和統(tǒng)一管理的目的。若是采用RS-485通信，則單片機(jī)和計(jì)算機(jī)都需要加一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路[20]，其通信方框圖如圖所示。上位機(jī)對(duì)智能節(jié)點(diǎn)的控制方式如圖2-6所示。圖2-6RS-485通信方框圖圖2-7RS-485通信方式下上位機(jī)對(duì)檢測(cè)儀的控制

3基于SHT11的濕度監(jiān)測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，主要包括數(shù)據(jù)采集與單片機(jī)處理、輸出等，由數(shù)據(jù)采集和單片機(jī)組成的控制系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)采集由相應(yīng)的傳感器SHT11、8051單片機(jī)所組成。系統(tǒng)既可以獨(dú)立完成各種信息的采集、預(yù)處理及存儲(chǔ)任務(wù)，又可接受人對(duì)控制參數(shù)設(shè)置，依據(jù)具體環(huán)境進(jìn)行數(shù)值設(shè)置，還能當(dāng)參數(shù)過限可以報(bào)警。圖3-1系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)中需用傳感器檢測(cè)的信號(hào)為：濕度檢測(cè)；溫度檢測(cè)。這些傳感器SHT11將提供給CPU進(jìn)行處理。并將CPU處理好的數(shù)據(jù)由I/O口輸出至顯示器顯示，同時(shí)可根據(jù)需要連接主機(jī)通信。3.1MCU及周邊電路3.1.1AT89S51單片機(jī)SAT89551單片機(jī)是一款低功耗、高性能、強(qiáng)抗靜電，強(qiáng)抗干擾的8位單片機(jī)。STC89C51兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)[21]。(1)基本功能：AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？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它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。(2)引腳說明：P0：P0口是一組8位漏極開路型雙向I／0口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在F1ash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。P1：Pl是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，Pl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。對(duì)端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，Pl接收低8位地址。表3-1P1引腳的特殊功能端口引腳第二功能1.5M（用于P編程）1.6M（用于P編程）1.7K（用于P編程）P2：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口，P2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。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(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8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX@Ri指令）時(shí)，P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不改變。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。P3：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／0口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“l(fā)”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I／0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：表3-2P3引腳的特殊功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外中斷0）P3.3INT1（外中斷1）P3.4T0（定時(shí)／計(jì)數(shù)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)／計(jì)數(shù)器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(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)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRT0位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。ALEPROG：當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1／6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對(duì)F1ash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條M0VX和M0VC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無效。PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒有兩次有效的PSEN信號(hào)。EAVPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H－FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。F1ash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.1.2X5045模塊X5045把四種常用的能：上電復(fù)位、看門狗定時(shí)器、電源電壓監(jiān)控和一塊鎖保護(hù)串行EEPROM存儲(chǔ)器組成在一個(gè)封裝之內(nèi)。上電復(fù)位(POR)當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，X5045的上電復(fù)位電路使得RESER引腳保持250ms激活狀態(tài)。這樣防止了微控制器在電源穩(wěn)定之前的誤操作，提高了系統(tǒng)啟動(dòng)的可靠性。低電壓復(fù)位(LVR)工作過程中，低電壓復(fù)位電路可以檢測(cè)到供電電壓。如果電壓低于某一特定值，X5045激活RESET引腳，停止了微控制器的工作，防止意想不到的操作。如果微控制器工作電壓太低，微處理器或外設(shè)就會(huì)失效，導(dǎo)致系統(tǒng)“鎖死”或數(shù)據(jù)丟失?？撮T狗定時(shí)器上電復(fù)位(POR)和低電壓復(fù)位(LVR)電路反之系統(tǒng)出現(xiàn)問題，看門狗定時(shí)器幫助系統(tǒng)從問題中恢復(fù)出來。計(jì)數(shù)時(shí)間到，看門狗復(fù)位系統(tǒng)。作為軟件循環(huán)的一部分，定時(shí)器計(jì)時(shí)完成前，微處理器復(fù)位看門狗定時(shí)器。如果有軟件問題，如死循環(huán)或等待外部器件，看門狗定時(shí)到，就會(huì)復(fù)位微控制器。硬件電路：X5045與具有手動(dòng)復(fù)位的8051微控制器的連接如圖所示。圖3-2X5045與單片機(jī)接口電路CS變?yōu)榈碗娖胶?，在SCK的上升沿采樣從SI引腳輸人的數(shù)據(jù)，在SCK的下降沿翰出數(shù)據(jù)到SO引腳。整個(gè)工作期間，CS必須是低電平，WP必須是高電平。在預(yù)里的定時(shí)周期內(nèi)，CS沒有從1到0的跳變時(shí)，RST輸出復(fù)位信號(hào)。表3-3指令說明:指令名稱指令格式操作WREN00000110設(shè)置寫使能鎖存答(允許寫操作)WRDI00000100復(fù)位寫使能鎖存器(禁止寫操作)RSDR00000101讀狀態(tài)寄存器WRSR00000001寫狀態(tài)寄存器READ0000A8011從所選地址的存儲(chǔ)器陣列讀取致?lián)RITE0000A8010把數(shù)據(jù)寫入所選地址的存儲(chǔ)器陣列中發(fā)送指令或讀寫字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，都是高位在先；EPROM存儲(chǔ)器地址范圍為000H~1FFH，A8為0表示操作的地址范圍為000H~0FFH。A8為1表示操作的地址范圍為100H~1FFH。X5045還包括1個(gè)8位的寫使能鎖存器和1個(gè)8位狀態(tài)寄存器。寫使能鎖存器在進(jìn)行寫操作前必須被設(shè)置。狀態(tài)寄存器的各位功能如下(默認(rèn)值為30H)。表3-4狀態(tài)寄存器的各位功能7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIPWIP：寫操作狀態(tài)位，只讀。WIP=1時(shí)，表示芯片正忙于寫操作：WIP=0時(shí)，表示沒有進(jìn)行寫操作。WEL：寫使能鎖存器狀態(tài)位。只讀。WEL=1時(shí)，表示鎖存器被設(shè)置；WEL=0時(shí)，表示鎖存器已復(fù)位。BL1、BL1數(shù)據(jù)塊保護(hù)位(意義如表3-5所列)，可讀寫。WD1、WD0；看門狗定時(shí)器超時(shí)選擇設(shè)定位(意義如表3-6所列)，可讀寫。表3-5塊地址保護(hù)范圍BL1BL0受保護(hù)的塊地址00無01180H~1FFH10100H~1FFH11000H~1FFH表3-6看門狗超時(shí)周期WD1WD0看門狗超時(shí)周期001.4s01600ms10200ms11禁止設(shè)置“看門狗”定時(shí)器的目的是使“看門狗”監(jiān)控系統(tǒng)程序，在程序跑飛或系統(tǒng)“死機(jī)”后能夠迅速使程序回到原位，而不會(huì)影響程序的正常功能。要使“看門狗”起到監(jiān)控作用而不產(chǎn)生非正常失效，則要綜合考慮系統(tǒng)要求和程序的特點(diǎn)進(jìn)行“看門狗”復(fù)位方案設(shè)計(jì)。以下事項(xiàng)是在設(shè)計(jì)復(fù)位監(jiān)控程序時(shí)必須注意的[22]。1.不要在局部循環(huán)中使用喂狗指令。2.一般不在中斷服務(wù)子程序中使用喂狗指令。即使使用，也要進(jìn)行條件判斷。因?yàn)橛袝r(shí)程序跑飛時(shí)，中斷程序仍然可以正常執(zhí)行。3.防止執(zhí)行不必要的喂狗指令?！翱撮T狗”的CS引腳是與單片機(jī)的I/0引腳相連的，在進(jìn)行I/0操作或讀寫操作時(shí)，有可能執(zhí)行了喂狗指令。如果這個(gè)指令在某個(gè)死循環(huán)中，則“看門狗”電路會(huì)失效。4.“看門狗”的超時(shí)周期T應(yīng)該根據(jù)循環(huán)程序的耗時(shí)來選擇。T太短，會(huì)造成誤動(dòng)作；太長(zhǎng)，則影響系統(tǒng)死機(jī)等待時(shí)間。以下是清看門狗復(fù)位標(biāo)志的幾種應(yīng)用方案：1.程序運(yùn)行中喂狗方案。把程序運(yùn)行時(shí)間分段，在程序中喂狗。因該方案不能正確估計(jì)程序運(yùn)行時(shí)間，可能會(huì)喂狗過頻，也可能因分段不合理導(dǎo)致看門狗錯(cuò)誤復(fù)位，而且程序中使用喂狗指令將會(huì)影響程序的整潔性。2.定時(shí)器中斷有條件喂狗。在主程序設(shè)定喂狗標(biāo)志，在定時(shí)中斷服務(wù)程序中根據(jù)喂狗標(biāo)志喂狗，喂完狗后清標(biāo)志。例如，設(shè)定看門狗超時(shí)時(shí)間為600ms.設(shè)定定時(shí)器定時(shí)時(shí)間為10ms，這樣在看門狗的超時(shí)時(shí)間內(nèi)，定時(shí)中斷將進(jìn)行60次喂狗標(biāo)志判斷。利用這種方式，只要程序中喂狗標(biāo)志設(shè)置合理.就不會(huì)出現(xiàn)“看門狗”失效或誤動(dòng)作。3.方案1和2結(jié)合使用。即使有定時(shí)器作定時(shí)喂狗保證，但考慮到各種可能意外的出現(xiàn)，可將方案1和2結(jié)合使用。例如，在主程序中大循環(huán)起始處喂狗，程序其它地方則設(shè)喂狗標(biāo)志，會(huì)起到更好的效果。3.2SHT11接口圖3-3SHT11與單片機(jī)接口電路(1)電源引腳（VDD，GND)DHT95的供電電壓為2.4-5.5V，建議供電電壓為3.3V。DHT95的串行接口，在傳感器信號(hào)的讀取及電源損耗方面，都做了優(yōu)化處理；傳感器不能按照I2C協(xié)議編址，但是，如果I2C總線上沒有掛接別的元件，傳感器可以連接到I2C總線上，但單片機(jī)必須按照傳感器的協(xié)議工作。(2)串行時(shí)鐘輸入（SCK)SCK用于微處理器與DHT95之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK頻率。(3)串行數(shù)據(jù)（DATA)DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平。需要一個(gè)外部的上拉電阻（例如:10kΩ）將信號(hào)提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的I/O電路中[23]。3.3人機(jī)接口3.3.1顯示器及接口數(shù)碼管在儀器儀表中主要是顯示單片機(jī)的輸出數(shù)據(jù)、狀態(tài)等，因而，作為外圍典型器件，數(shù)碼管顯示是反映系統(tǒng)輸出和操縱輸入的有效器件。數(shù)碼管具備數(shù)字接口，可以很方便的和單片機(jī)系統(tǒng)連接;數(shù)碼管的體積小、輸出內(nèi)容的器件重量輕，并且功耗低，是一種理想的顯示單片機(jī)數(shù)據(jù)在單片機(jī)系統(tǒng)中有著重要的作用。1.七段數(shù)碼管七段數(shù)碼管屬于LED發(fā)光器件的一種。LED發(fā)光器件一般常用的有兩類：數(shù)碼管和點(diǎn)陣。八段數(shù)碼管又稱為8字型數(shù)碼管，分為八段：A、B、C、D、E、F、G、P10根管腳，每一段有一根管腳。其中P為小數(shù)點(diǎn)。數(shù)碼管常用的有另外兩根管腳為一個(gè)數(shù)碼管的公共端，兩根之間相互連通。從電路上，數(shù)碼管又可分為共陰和共陽兩種。2.數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將所有要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示時(shí)再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時(shí)間少。靜態(tài)顯示中，每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的1/0接口，該接口用于筆劃段字型代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)在發(fā)送新的字形碼。另一種方法是動(dòng)態(tài)掃描顯示。動(dòng)態(tài)掃描方法是用其接口電路把所有顯示器的8個(gè)筆畫段A－H同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM各自獨(dú)立的受1/0線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是哪個(gè)顯示器亮，則取決于COM段，而這一段是由1/0控制的，由單片機(jī)決定何時(shí)顯示哪一位了。動(dòng)態(tài)掃描用分時(shí)的方法輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的電路硬件較多;動(dòng)態(tài)顯示需要CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。本顯示系統(tǒng)采用共陽極動(dòng)態(tài)掃描顯示輸出。3.顯示電路的設(shè)計(jì)如圖所示，由于需要使用到四個(gè)數(shù)碼管作為現(xiàn)行器使用，所以采用一塊四位數(shù)碼管當(dāng)作主要的顯示器。數(shù)碼管的選通芯片使用74LS138譯碼器，譯碼器的前四個(gè)輸出接口分別接至四位數(shù)碼管的選通接口P1、P2、P3、P4上，譯碼器的輸入端連至單片機(jī)的P2口。數(shù)碼管的字形碼輸入由MC74HC573八位鎖存器來完成，八位鎖存器的輸入端接至單片機(jī)的P0口，在顯示數(shù)據(jù)時(shí)由單片機(jī)發(fā)送字形碼至P0口，再經(jīng)過鎖存器到數(shù)碼管，同時(shí)配合譯碼器的選通功能來完成某個(gè)數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示。圖3-4數(shù)碼管接口電路3.3.2鍵盤接口鍵盤是若干按鍵的集合，是單片機(jī)的常用輸入設(shè)備，操作人員可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信。鍵盤可以分為獨(dú)立聯(lián)接式和行列式兩類，每一類又可根據(jù)對(duì)按鍵的譯碼方法分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩中類型。編碼鍵盤主要通過硬件電路產(chǎn)生被按按鍵的鍵碼和一個(gè)選通脈沖，選通脈沖常用作CPU的中斷請(qǐng)求信號(hào)，以便通知CPU以中斷方式接收被按按鍵的鍵碼。這種按鍵使用方便，但硬件電路復(fù)雜，常不被微型計(jì)算機(jī)使用。在非編碼鍵盤中，每個(gè)按鍵的作用只是使相應(yīng)的接點(diǎn)接通或斷開，每個(gè)按鍵的鍵碼并非由硬件電路產(chǎn)生，而是由相應(yīng)的掃描處理程序?qū)λ鼟呙栊纬傻?。因此，非編碼按鍵硬件電路極為簡(jiǎn)單，在微型計(jì)算機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。在獨(dú)立聯(lián)接式非編碼鍵盤中，每個(gè)按鍵都是彼此獨(dú)立的，均需占用CPU的一條I/O輸入數(shù)據(jù)線。圖為單片機(jī)對(duì)四個(gè)獨(dú)立式非編碼鍵盤的接口獨(dú)立，圖中每個(gè)按鍵均和8051的P0口中一條相連。若沒有按鍵按下時(shí)，8051從P2口讀得的引腳電平均為“1”；若某一按鍵被按下，則該按鍵所對(duì)應(yīng)的端口線變?yōu)榈碗娖?。單片機(jī)定時(shí)對(duì)P2口進(jìn)行行程序查詢，即可發(fā)現(xiàn)鍵盤上是否有按鍵按下以及哪個(gè)按鍵被按下。圖3-5鍵盤接口電路3.3.3報(bào)警器蜂鳴器的作用蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器的分類蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型[24]。(1)壓電式蜂鳴器壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當(dāng)接通電源后（1.5~15V直流工作電壓）,多諧振蕩器起振,輸出1.5~2.5kHZ的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。(2)電磁式蜂鳴器電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲。蜂鳴器的電路圖形符號(hào)蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以至于單片機(jī)的I/O口是無法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來放大電流就可以了。如圖3-6所示：圖3-6蜂鳴器的電路接口結(jié)構(gòu)3.4通訊接口RS-485使用一對(duì)雙絞線，將其中一線定義為A，另一線定義為B，如圖3-7所示。圖3-7RS-485連線定義通常情況下，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器A，B之間的正電平在+2~+6V，是一個(gè)邏輯狀態(tài)，負(fù)電平在-2~-6V，是另一個(gè)邏輯狀態(tài)。另有一個(gè)信號(hào)地C，在RS-485中還有一“使能”端，用于控制發(fā)送驅(qū)動(dòng)器與傳輸線的切斷與連接。當(dāng)“使能”端起作用時(shí)，發(fā)送驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，稱作“第三態(tài)”，即它是有別于邏輯“1”與“0”的第三態(tài)。RS-485最大傳輸距離約為1200米，最大傳輸速率為l0Mbps。平衡雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用規(guī)定最長(zhǎng)的電纜長(zhǎng)度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長(zhǎng)雙絞線最大傳輸速率僅為1MbpsRS-485具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，允許一對(duì)雙絞線上一個(gè)發(fā)送器驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載設(shè)備。RS-485具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2-6)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2～6)V表示。接口信號(hào)電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接；(2)RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps；(3)RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好；(4)RS-485接口的最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為4000英尺，實(shí)際上可達(dá)3000米，另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個(gè)收發(fā)器，即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口；(5)采用RS-485接口時(shí)，對(duì)于特定的傳輸線經(jīng)，從發(fā)生器到負(fù)載其數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸所允許的最大電纜長(zhǎng)度是數(shù)據(jù)信號(hào)速率的函數(shù)，這個(gè)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)主要是受信號(hào)失真及噪聲等影響所限制。最大電纜長(zhǎng)度與信號(hào)速率的關(guān)系曲線是使用24AWG銅芯雙絞電話電纜(線徑為0151mm)，線間旁路電容為52。5PF/M，終端負(fù)載電阻為100歐時(shí)所得出。(引自GB11014-89附錄A)。當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)速率降低到90Kbit/S以下時(shí)，假定最大允許的信號(hào)損失為6dBV時(shí)，則電纜長(zhǎng)度被限制在1200M。實(shí)際上，在實(shí)用時(shí)是完全可以取得比它大的電纜長(zhǎng)度。當(dāng)使用不同線徑的電纜，則取得的最大電纜長(zhǎng)度是不相同的。圖3-8單片機(jī)的通訊接口電路3.5電源開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。與線性電源不同的是，PWM開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)。PWM開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入等于幅值的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比是由開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來身高或降低。通過增加變壓器的二次繞組就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就可以得到直流輸出電壓。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率流由負(fù)載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對(duì)較大的濾波電容器是必不可少的，同時(shí)因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動(dòng)作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對(duì)內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計(jì)提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作損耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進(jìn)程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法才能使其工作效率達(dá)到一定的滿意程度。3.6硬件抗干擾設(shè)計(jì)在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，過程通道是指信息的傳輸通道，包括單片機(jī)的前向和后向通道以及單片機(jī)和單片機(jī)的信息傳輸路徑。信息在過程通道中所受到的干擾稱為“過程通道干擾”。在過程通道干擾中長(zhǎng)線傳輸所引起的干擾是主要的[25]。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中信息是作為脈沖信號(hào)在線路上傳輸?shù)?，由于傳輸線上分布電容、分布電感和漏電阻的影響，信息在傳輸過程中必然會(huì)出現(xiàn)延時(shí)、畸變和衰減，甚至?xí)艿絹碜酝ǖ赖娜魏胃蓴_。為了確保信息在長(zhǎng)線傳輸過程中的可靠性，長(zhǎng)線傳輸?shù)目垢蓴_設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在長(zhǎng)線信號(hào)傳輸中，采用光電隔離器是一種常用的抗干擾設(shè)計(jì)方法。光電隔離器有兩個(gè)作用：意思作為干擾信號(hào)隔離器，用于隔離被控對(duì)象通過前向和后向通道對(duì)單片機(jī)造成的危害；二是作為驅(qū)動(dòng)隔離器，用于驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)線傳輸中的信號(hào)并抑制各種過程通道干擾。作為隔離驅(qū)動(dòng)用的光電耦合器目前有兩種型式。如圖3-9所示。達(dá)林頓輸出的光電耦合器可直接用于驅(qū)動(dòng)低頻負(fù)載，可控硅輸出的光電耦合器輸出采用光控晶閘管，常用于交流大功率的隔離驅(qū)動(dòng)。圖3-9隔離驅(qū)動(dòng)用光電耦合器光電耦合器具有輸入阻抗小以及輸入回路和輸出回路見分布電容小的特點(diǎn)，輸入回路中的發(fā)光二極管靠足夠的電路發(fā)光，尖峰干擾還不足以使發(fā)光二極管發(fā)光，這就能有效地抑制各種噪聲干擾。在傳輸線較長(zhǎng)且現(xiàn)場(chǎng)干擾也較強(qiáng)是，為了保證信息傳輸?shù)目煽啃?，也可以采用光電耦合器將長(zhǎng)線完全“浮置”起來，如圖3-10所示。這種長(zhǎng)線“浮置”不僅省掉了長(zhǎng)線兩端的公共地線，消除了流經(jīng)公共地線的電流產(chǎn)生的噪聲電壓，而且解決了長(zhǎng)線的驅(qū)動(dòng)和阻抗匹配問題，并能防止受控設(shè)備短路時(shí)系統(tǒng)受到損壞。圖3-10長(zhǎng)線傳輸?shù)墓怦睢案≈谩苯Y(jié)構(gòu)

4監(jiān)測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)配合硬件電路，軟件設(shè)計(jì)包括完成信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、4位LED的濕度與溫度數(shù)字顯示、按鍵設(shè)定以及配合上位機(jī)將所測(cè)得數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。據(jù)此，程序設(shè)計(jì)采用模塊式結(jié)構(gòu)，包括主程序、中斷處理子程序、按鍵查詢子程序、顯示子程序等。每個(gè)模塊都具有一定的功能，其中有的模塊還包含一些子模塊，既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，低級(jí)模塊可以被高級(jí)模塊調(diào)用。4.1主程序監(jiān)測(cè)裝置工作過程智能化的核心是單片機(jī)8051，其監(jiān)控程序和應(yīng)用軟件全部固化在EPROM27O4中。系統(tǒng)的工作過程是：系統(tǒng)上電后，單片機(jī)8051進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，同時(shí)完成對(duì)各擴(kuò)展端口的初始化工作。主程序的系統(tǒng)初始化包括設(shè)置堆棧指針，定時(shí)器T0、計(jì)數(shù)器T1初始化，特殊寄存器初值設(shè)定，顯示初值設(shè)定等。當(dāng)有鍵按下時(shí)，通過按鍵查詢子程序完成鍵盤處理功能如圖4-1中系統(tǒng)功能的主程序包括初始化程序、測(cè)量程序、測(cè)量程序、通信程序等。中斷服務(wù)程序包括通信、顯示等等。系統(tǒng)軟件主要完成下述功能:(1)濕度、溫度傳感器測(cè)量數(shù)量數(shù)據(jù)的采集；(2)BCD碼與二進(jìn)制碼的相互轉(zhuǎn)換；(3)濕度傳感器輸出的非線性補(bǔ)償；(4)濕度傳感器輸出的溫度補(bǔ)償；(5)查表處理中的線性插值；(6)根據(jù)給定的濕度高低限，作濕度超限報(bào)警；(7)濕度、溫度的LDE顯示。裝置系統(tǒng)軟件有如下特點(diǎn):(1)層次化的程序結(jié)構(gòu)，模塊化的子程序；(2)充分發(fā)揮微機(jī)特長(zhǎng)，采用“表格查詢”方式，對(duì)濕度傳感器作非線性修正和溫度補(bǔ)償；(3)濕度修正、溫度補(bǔ)償表格的自動(dòng)生成。圖4-1主程序流程圖4.2數(shù)據(jù)采集與處理子程序4.2.1數(shù)據(jù)測(cè)量與傳送過程單片機(jī)先將中斷關(guān)閉，同時(shí)啟動(dòng)傳輸時(shí)序即通過串行時(shí)鐘輸入引腳（SCK)和串行數(shù)據(jù)引腳（DATA)上的高低電平配合來完成數(shù)據(jù)測(cè)量的啟動(dòng)。測(cè)量濕度時(shí)發(fā)送的代碼為00000101，測(cè)量溫度時(shí)發(fā)送的代碼為00000011。SHTWD設(shè)置為放置測(cè)量代碼的存儲(chǔ)位置，同時(shí)設(shè)置標(biāo)志為L(zhǎng)CBZ來定義此次測(cè)量為濕度測(cè)量還是溫度測(cè)量。系統(tǒng)采用中斷方式來設(shè)置測(cè)量標(biāo)志位，每隔一秒變化一次標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位為1時(shí)送00000101至SHTWD進(jìn)行濕度測(cè)量，當(dāng)標(biāo)志位為0是則送00000011至SHTWD進(jìn)行溫度測(cè)量。啟動(dòng)測(cè)量時(shí)CPU關(guān)閉中斷并將A中代碼一位一位送至DATA引腳上，第9個(gè)時(shí)鐘結(jié)束時(shí)，釋放DATA總線同時(shí)打開中斷。當(dāng)CPU進(jìn)入等待測(cè)量結(jié)果時(shí)，設(shè)置等待時(shí)間234ms。SHT11完成濕度/溫度測(cè)量CPU便開始傳送測(cè)量數(shù)據(jù)，首先關(guān)閉中斷，一位一位地讀取DATA引腳上的信號(hào)，通過左移指令將其完全保存在A中。數(shù)據(jù)傳送完畢后CPU開中斷，將A中的數(shù)據(jù)存放至以R0開始的三個(gè)字節(jié)內(nèi)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量與傳送過程流程圖如圖4-2所示。圖4-2數(shù)據(jù)測(cè)量與傳送過程流程圖SHT11傳感器測(cè)量程序清單SHTOWN:CLREASETBSHTSCK；啟動(dòng)傳輸時(shí)序CLRSDATA；DATA下降沿啟動(dòng)傳輸NOPCLRSHTSCKNOPSETBSHTSCKNOPSETBSDATA；DATA上升沿啟動(dòng)結(jié)束NOPCLRSHTSCK；SCK=0，準(zhǔn)備傳輸命令MOVA，SHTWD；發(fā)送測(cè)試溫度/濕度命令MOVR5，#8WRITE8:RLCAMOVSDATA，C；移出一位，先高位，后低位NOPSETBSHTSCK；時(shí)鐘上升沿有效，寫入一位數(shù)據(jù)NOPCLRSHTSCKDJNZR5，WRITE8SETBSDATA；MCU釋放DATA總線；等待SHT應(yīng)答NOPMOVC，SDATA；讀SHT的應(yīng)答位SETBSHTSCK；結(jié)束應(yīng)答位MOVSHTACK，C；保存CLRSHTSCK；第9個(gè)時(shí)鐘結(jié)束，SHT釋放DATA；總線，@R0為保存測(cè)量結(jié)果地址指針MOVR6，#3；讀3個(gè)字節(jié)SETBEA；開中斷，等待測(cè)試結(jié)束，應(yīng)答WAITSH:MOVA，CONVERJNBSDATA，ONSH11；等待測(cè)量結(jié)束，fosc=11.0592M；測(cè)量時(shí)間；=234msSJMPWAITSHONSH11:NOPNOPCLREACLRSHTSCK；開始啟動(dòng)數(shù)據(jù)READS3:MOVR5，#8CLRAREADSH:SETBSHTSCKNOPMOVC，SDATA；讀一位CLRSHTSCKRLCADJNZR5，READSHCLRSDATA；DATA=0，應(yīng)答ACKNOPSETBSHTSCKNOPCLRSHTSCKNOPSETBSDATA；應(yīng)答結(jié)束，釋放DATA線，應(yīng)答位在SCK=0期間變化MOV@R0，A；將結(jié)果保存在R0中INCR0DJNZR6，READS3SETBSDATA；讀結(jié)束SETBEARET4.2.2數(shù)據(jù)處理(1)相對(duì)濕度的計(jì)算為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，使用如下公式修正讀數(shù)[26]：RHlinearSOCCC12bit-.204680.0367-1.5955E-68bit-2.04680.5872-4.0845E-4表4-1濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)圖4-3從SORH轉(zhuǎn)化到相對(duì)濕度(2)相對(duì)濕度對(duì)于溫度依賴性的補(bǔ)償由于實(shí)際溫度與測(cè)試參考溫度25℃的顯著不同，應(yīng)按下面公式修正溫度對(duì)濕度的影響。RHtrueSOtt12bit0.010.000088bit0.010.00128表4-2溫度補(bǔ)償系數(shù)(3)溫度計(jì)算由能隙材料PTAT(正比于絕對(duì)溫度)研發(fā)的溫度傳感器具有極好的線性?？捎萌缦鹿綄?shù)字輸出轉(zhuǎn)換為溫度值：T=d1+VDDddSOdd5v-40.1-40.214bit0.010.0184v-39.8-39.612bit0.040.0723.5-39.7-39.53v-39.6-39.32.5v-39.4-38.9表4-3溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)由于單片機(jī)得到的數(shù)據(jù)是12位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，首先需要轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制BCD碼，并存儲(chǔ)在連續(xù)的四個(gè)字節(jié)中。由相對(duì)濕度的計(jì)算公式可知12位的數(shù)據(jù)可以一一對(duì)應(yīng)到某一個(gè)相對(duì)濕度值。在(6)中帶入得到的十進(jìn)制SORH數(shù)值，即可算出相對(duì)濕度RH考慮到相對(duì)濕度對(duì)于溫度依賴性，需要進(jìn)行相對(duì)濕度對(duì)于溫度補(bǔ)償?shù)挠?jì)算。將得到的相對(duì)濕度RHlinear帶入計(jì)算公式(7)對(duì)于采集到的溫度值同樣需要先轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制再作進(jìn)一步處理。將得到的十進(jìn)制數(shù)值SOT代入溫度計(jì)算公式(8)此時(shí)得到的濕度與溫度數(shù)值可以用于與上位機(jī)的通信與檢測(cè)儀的顯示。4.3通信程序發(fā)送過程較易實(shí)現(xiàn)，接收處理方式主要有查詢和中斷兩種方式。采用查詢方式時(shí)，CPU要不斷測(cè)試串口是否有數(shù)據(jù)，以防止接收串口數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤、遺漏，因此效率低；而采用中斷方式則無需測(cè)試串口，一旦有數(shù)據(jù)傳至，CPU終止當(dāng)前任務(wù)，由中斷服務(wù)程序完成操作。所以，中斷方式具有效率高、接收準(zhǔn)確、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。CPU有了中斷功能就可以通過分時(shí)操作啟動(dòng)多個(gè)外設(shè)同時(shí)工作，并能對(duì)它們進(jìn)行同意管理。CPU執(zhí)行讓你們?cè)谥鞒绦蛑邪才诺挠嘘P(guān)指令可以令各外設(shè)與它們并行工作，而且任何一個(gè)外設(shè)在工作完成后都可以通過中斷得到滿意服務(wù)。一次CPU在與外設(shè)交換信息時(shí)通過中斷就可以避免不必要的等待和查詢，從而大大提高它的工作效率。在試試控制系統(tǒng)中，被控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參量、越限數(shù)據(jù)和故障信息必須為計(jì)算機(jī)及時(shí)采集、進(jìn)行處理和分析判斷，以便對(duì)系統(tǒng)實(shí)施正確的調(diào)節(jié)和控制。因此，計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理時(shí)效常常是被控系統(tǒng)的生命，是影響產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)安全的關(guān)鍵。CPU有了中斷功能，系統(tǒng)的失常和故障就都可以通過中斷立刻通知CPU，使它可以迅速采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和故障信息，并對(duì)系統(tǒng)做出應(yīng)急處理。中斷系統(tǒng)可以通過對(duì)特殊功能寄存器進(jìn)行同意管理，中斷系統(tǒng)初始化是指用戶對(duì)這些特殊功能寄存器中的各控制位進(jìn)行賦值。中斷系統(tǒng)初始化步驟如下：(1)開相應(yīng)中斷源的中斷。(2)設(shè)定所用中中斷源的中斷優(yōu)先級(jí)。(3)若為外部中斷，則應(yīng)規(guī)定低電平還是負(fù)邊沿的中斷觸發(fā)方式。為實(shí)現(xiàn)通訊正常，上位機(jī)與單片機(jī)約定如下：波特率：9600bps，信息格式：1個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)位；串行口操作模式：標(biāo)準(zhǔn)異步串行通信，串行口模式1：傳送方式：PC機(jī)采用查詢方式接收數(shù)據(jù)，單片機(jī)采用中斷方式接收信息。在開始通信前，首先要初始化串口包含選串口、設(shè)置串口掩碼、設(shè)置緩沖區(qū)大小、設(shè)置波特率等串行參數(shù)。開始通信時(shí)首先由上位機(jī)發(fā)出通信信號(hào)，同時(shí)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)入相應(yīng)的通信中斷服務(wù)程序。由于在中斷服務(wù)程序中要占用一些寄存器進(jìn)行運(yùn)算，而在主程序中這些寄存器也是很重要的，為了二者互不干擾，所以在進(jìn)入中斷服務(wù)程序時(shí)單片機(jī)將首先把寄存器的數(shù)值保存起來，以便在從中斷返回后繼續(xù)正常的往下執(zhí)行。此后單片機(jī)便進(jìn)入等待上位機(jī)發(fā)送開始傳送的指令，如果沒有受到指令則繼續(xù)等待。當(dāng)收到發(fā)送指令后單片機(jī)開始將所測(cè)得的數(shù)據(jù)以ASCII的形式一位一位地發(fā)送至上位機(jī)。發(fā)送完畢時(shí)單片機(jī)須恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，即將原先保存的寄存器的數(shù)值逐一地從堆棧中彈出。單片機(jī)完成通信中斷后自動(dòng)返回自動(dòng)前原程序的執(zhí)行。圖4-4為單片機(jī)申行通信程序流程圖圖4-4單片