51單片機(jī)倉(cāng)庫(kù)溫濕度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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1、 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 51 單片機(jī)倉(cāng)庫(kù)溫濕度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 第一章 緒論 ................................................................................................................................................................ 2 1. 1 選題背景 .......................................

2、...................................................................................................................... 2 1． 2 設(shè)計(jì)過(guò)程及工藝要求 ............................................................................................................................................ 2 第二章 方案的比

3、較和論證 .......................................................................................................................................... 3 2. 1 溫度傳感器的選擇 ....................................................................................................................................

4、............ 3 2. 2 濕度傳感器的選擇 ................................................................................................................................................ 4 2. 3 信號(hào)采集通道的選擇 ................................................................................................

5、............................................ 4 第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .................................................................................................................................................. 5 3． 1 信號(hào)采集 ......................................................................

6、........................................................................................ 6 3．1．1 溫度傳感器 .............................................................................................................................................. 6 3. 1. 2 濕度傳感器 .......................

7、....................................................................................................................... 10 3．1．3 多路開(kāi)關(guān) .................................................................................................................................................. 12 3． 2

8、信號(hào)分析與處理 ................................................................................................................................................ 13 3．2．1 A/D 轉(zhuǎn)換 ............................................................................................................................

9、..................... 13 3. 2. 2 單片機(jī) 8031 .................................................................................................................................................... 16 3. 2. 2. 1 8031 的片內(nèi)結(jié)構(gòu) ....................................................................

10、............................................................ 17 3. 2. 2. 2 8031 的引腳圖 ........................................................................................................................................... 18 3. 2. 2. 3 8031 程序存儲(chǔ)器 ....................................

11、............................................................................................ 19 3. 2. 2. 4 8031 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ................................................................................................................................ 20 3. 2. 2. 5 特殊功能寄存器 SFR 21

12、 .......................................................................................................................... 3. 2. 2. 6 工作方式 ............................................................................................................................................ 22

13、3. 2. 3 存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì) ................................................................................................................................................. 23 3. 2. 4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的掉電保護(hù) ..........................................................................................................

14、.................. 24 3. 2. 5 系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)計(jì) ............................................................................................................................................. 25 3. 3 顯示與報(bào)警的設(shè)計(jì) ..........................................................................................

15、.................................................... 25 3. 3. 1 顯示電路 ........................................................................................................................................................ 25 3. 3. 2 報(bào)警電路 ................................................

16、........................................................................................................ 26 第四章 軟件設(shè)計(jì) .......................................................................................................................................................... 27 參考文獻(xiàn) ......

17、............................................................................................................................................................ 33 1 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 第一章 緒論 1. 1 選題背景

18、 防潮、防霉、防腐、防爆是倉(cāng)庫(kù)日常工作的重要內(nèi)容，是衡量倉(cāng)庫(kù)管理質(zhì)量的 重要指標(biāo)。它直接影響到儲(chǔ)備物資的使用壽命和工作可靠性。 為保證日常工作的順利 進(jìn)行，首要問(wèn)題是加強(qiáng)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)溫度與濕度的監(jiān)測(cè)工作。但傳統(tǒng)的方法是用與濕度表、 毛發(fā)濕度表、 雙金屬式測(cè)量計(jì)和濕度試紙等測(cè)試器材， 通過(guò)人工進(jìn)行檢測(cè)， 對(duì)不符合 溫度和濕度要求的庫(kù)房進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作。這種人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、 效率低，且測(cè)試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大。因此我們需要一種造價(jià)低廉、使用 方便且測(cè)量準(zhǔn)確的溫濕度測(cè)量?jī)x。 1．2 設(shè)計(jì)過(guò)程及工藝要求 一、基本功能

19、 ~ 檢測(cè)溫度、濕度 ~ 顯示溫度、濕度 ~ 過(guò)限報(bào)警 二、主要技術(shù)參數(shù) ~ 溫度檢測(cè)范圍 ： -30℃-+50℃ ~ 測(cè)量精度 ： 0.5℃ ~ 濕度檢測(cè)范圍 ： 10%-100%RH ~ 檢測(cè)精度 ： 1%RH ~ 顯示方式 ： 溫度：四位顯示 濕度：四位顯示 ~ 報(bào)警方式 ： 三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴音報(bào)警 2 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文

20、 第二章 方案的比較和論證 當(dāng)將單片機(jī)用作測(cè)控系統(tǒng)時(shí)， 系統(tǒng)總要有被測(cè)信號(hào)懂得輸入通道， 由計(jì)算機(jī)拾取必要的輸入信息。 對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)而言， 如何準(zhǔn)確獲得被測(cè)信號(hào)是其核心任務(wù)； 而對(duì)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)講，對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的測(cè)試和對(duì)控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。 傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的首要環(huán)節(jié)， 是測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件， 如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始被測(cè)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測(cè)量和控制都將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化測(cè)量和控制， 幾乎主要依靠各種傳感器來(lái)檢測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)， 從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量。

21、 2. 1 溫度傳感器的選擇 方案一：采用熱電阻溫度傳感器。 熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測(cè)溫元件?，F(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點(diǎn)為精度高、測(cè)量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測(cè)量。 鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強(qiáng)，易提純，復(fù)制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測(cè)中高精密測(cè)溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價(jià)格貴，溫 度系數(shù)小，受到磁場(chǎng)影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。 按 IEC 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫范圍 -200～650℃，百度電阻比 W（ 100）=1.3850 時(shí)， R0 為 100Ω 和 10Ω，其允許的測(cè)量誤差 A 級(jí)為（ 0.1

22、5 ℃+0.002 |t|）， B 級(jí)為（ 0.3 ℃+0.005 |t|）。 銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價(jià)格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于 -50 ～180℃測(cè)溫。 方案二：采用 AD590，它的測(cè)溫范圍在 -55℃～ +150℃之間，而且精度高。 M 檔在測(cè)溫范圍內(nèi)非線形誤差為 0.3℃。 AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向 電壓，因而器件反接也不會(huì)損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無(wú) 需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便，借口也很簡(jiǎn)單。作為電流輸出型傳感器的 一個(gè)特點(diǎn)是，和電壓輸出

23、型相比，它有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。 AD590 的測(cè)量信號(hào) 可遠(yuǎn)傳百余米。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于溫度 傳感器的選擇。 3 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 2. 2 濕度傳感器的選擇 測(cè)量空氣濕度的方式很多， 其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周?chē)目諝馕账趾笠? 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?chē)諝獾臐穸取?電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(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。 方案一：采用 HO

24、S-201濕敏傳感器。 HOS-201濕敏傳感器為高濕度開(kāi)關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流 1V 以下，頻率為 50HZ～ 1KHZ，測(cè)量濕度范圍為 0～100%RH，工 作溫度范圍為 0～50℃，阻抗在 75%RH（25℃）時(shí)為 1M Ω。這種傳感器原是用于開(kāi)關(guān)的傳感器， 不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測(cè)濕度， 因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下 的濕度電平。 然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性， 可有效地 利用其線性特性。 方案二：采用 HS1100/HS1101濕度傳感器。 HS1100/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

25、量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。 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(zhuān)利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（ HS1100）和側(cè)面接觸（ HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，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(guò)程等。 相對(duì)濕度在 1%---100%RH范圍內(nèi)；電容量由 16pF 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 0.04 pF/ ℃?？梢?jiàn)精度是較高的。 綜合比較方案一與方案二， 方案一雖然滿足精度及測(cè)量濕度范圍的要求， 但其只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性， 可有效地利用其

26、線性特性。 而且還不具備在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中對(duì)溫度 -30～ 50℃的要求，因此，我們選擇方案二來(lái)作為本設(shè)計(jì)的濕度傳感器。 2. 3 信號(hào)采集通道的選擇 在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，溫度輸入信號(hào)為 8 路的模擬信號(hào)，這就需要多通道結(jié)構(gòu)。 方案一、采用多路并行模擬量輸入通道。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為： （1） 可以根據(jù)各輸入量測(cè)量的餓要求選擇不同性能檔次的器件。 總體成本可以作得 較低。 （2） 硬件復(fù)雜，故障率高。 （3） 軟件簡(jiǎn)單，各通道可以獨(dú)立編程。 方案二、采用多路分時(shí)的模擬量輸入通道。 這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為： （1

27、） 對(duì) ADC 、S/H 要求高。 4 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 （2） 處理速度慢。 （3） 硬件簡(jiǎn)單，成本低。 （4） 軟件比較復(fù)雜。 綜合比較方案一與方案二， 方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于模擬量輸入的要求， 比 較其框圖，方案二更具備硬件簡(jiǎn)單的突出優(yōu)點(diǎn)， 所以選擇方案二作為信號(hào)的輸入通道。 信號(hào)調(diào) 采樣 / A/D 轉(zhuǎn)換器 接口 理電路 保持器 信號(hào)調(diào) 采樣 / 保持器 A/D 轉(zhuǎn)換器 理電路

28、 信號(hào)調(diào) 采樣 / 保持器 A/D 轉(zhuǎn)換器 理電路  接口 CPU 接口 圖 2-1 多路并行模擬量輸入通道 信號(hào)調(diào) 理電路 多 路 信號(hào)調(diào) 理電路 切 換 器 信號(hào)調(diào) 理電路  采樣 / CPU 保持器 A/D 轉(zhuǎn)換器 接口 圖 2-2 多路分時(shí)的模擬量輸入通道 第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字

29、信號(hào)的高敏感和可控性、 溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬 信號(hào)，和 A/D 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設(shè)計(jì)了以 8031 基本系統(tǒng)為核心的一套檢 測(cè)系統(tǒng)，其中包括 A/D 轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、鍵盤(pán)及顯 示、報(bào)警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。 5 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 CD AD590 4051 MC14433 串行口 溫度檢測(cè) 多路 A/D 轉(zhuǎn)換 LED 顯示

30、 開(kāi)關(guān) 單片機(jī) HS1100 CD 4051 報(bào)警電路 濕度檢測(cè) 多路 開(kāi)關(guān) 圖3-1 系統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計(jì)由信號(hào)采集、信號(hào)分析和信號(hào)處理三個(gè)部分組成的。 （一） 信號(hào)采集 由 AD590 、HS1100 及多路開(kāi)關(guān) CD4051 組成； （二） 信號(hào)分析 由 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433、單片機(jī) 8031 基本系統(tǒng)組成； （三） 信號(hào)處理 由串行口 LED 顯示器和報(bào)警系統(tǒng)等組成。 3．1 信號(hào)采集 3．1．1 溫度傳感器

31、 集成溫度傳感器 AD590 是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源。 一．主要特性 AD590 是電流型溫度傳感器，通過(guò)對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值。 根據(jù)特性分擋， AD590 的后綴以 I，J，K ，L ，M 表示。 AD590L ，AD590M 一般用于精密溫度測(cè)量電路，其電路外形如圖 3-2 所示，它采用金屬殼 3 腳封裝，其中 1 腳為電源正端 V ＋； 2 腳為電流輸出端 I0；3 腳為管殼，一般不用。集成溫度傳感器的電路符號(hào)如圖 3-2 所示。

32、 圖 3-2 AD590 外形（圖 1）及電路符號(hào)（圖 2） 1、流過(guò)器件的電流（ μA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)， 6 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 即： I T /T=1μA /K 式中： IT—— 流過(guò)器件（ AD590 ）的電流，單位 μ A 。 T——熱力學(xué)溫度，單位 K。 2 、 AD590 的測(cè)溫范圍 -55 ℃- +150 ℃。 3 、 AD590 的電源電壓范圍為 4V-30V。電源電壓可在 4V-6V 范圍變化，電流 I T 變化 1μ A，相當(dāng)于溫度變化 1

33、K。AD590可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會(huì)損壞。 4、輸出電阻為 710MΩ。 5、精度高。AD590共有 I 、J、K、L、M五檔，其中 M檔精度最高，在-55 ℃～ +150℃ 范圍內(nèi)，非線形誤差 0.3 ℃。 2 AD590 的工作原理 在被測(cè)溫度一定時(shí)， AD590相當(dāng)于一個(gè)恒流源，把它和 5～ 30V的直流電源相連， 并在輸出端串接一個(gè) 1kΩ 的恒值電阻，那么，此電阻上流過(guò)的電流將和被測(cè)溫度成正比，此時(shí)電阻兩端將會(huì)有 1mV／K 的電壓信號(hào)。其基本電路如圖 3-3 所示。

34、 圖 3-3 AD590 內(nèi)部核心電路 圖 3-3 是利用 UBE特性的集成 PN結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中 T1、T2 起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流 I1 和 I2 相等； T3、T4 是感溫用的 晶體管，兩個(gè)管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 T3 實(shí)質(zhì)上是由 n 個(gè)晶體管并聯(lián)而成，因 而其結(jié)面積是 T4 的 n 倍。 T3 和 T4 的發(fā)射結(jié)電壓 UBE3和 UBE4經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻 R 上，所以 R 上端電壓為 UBE。因此，電流 I1 為：

35、 I 1＝ UBE／R＝（ KT／q）（ lnn ）／ R 對(duì)于 AD590，n＝8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度 T 成正比，將此電流引至負(fù)載電阻 RL 上便可得到與 T 成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出 7 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 信號(hào)不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響。圖 3 中的電阻 R是在硅板上形成的薄膜電阻， 該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準(zhǔn)溫度下可得到 1μA／K 的 I 值。

36、 圖 3-4 AD590 內(nèi)部電路 圖 3-4 所示是 AD590的內(nèi)部電路，圖中的 T1～T4 相當(dāng)于圖 3-3 中的 T1、T2，而 T9，T11 相當(dāng)于圖 3-3 中的 T3、T4。R5、 R6 是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻，供出廠前調(diào)整之用。 T7、T8，T10 為對(duì)稱的 Wilson 電路，用來(lái)提高阻抗。 T5、T12 和 T10 為啟動(dòng)電路，其中 T5 為恒定偏置二極管。 T6 可用來(lái)防止電源反接時(shí)損壞電路，同時(shí)也可使左右兩支路對(duì)稱。 R1，R2 為發(fā) 射極反饋電阻，可用于進(jìn)一步提高阻抗。 T1～

37、T4 是為熱效應(yīng)而設(shè)計(jì)的連接防式。而 C1 和 R4 則可用來(lái)防止寄生振蕩。該電路的設(shè)計(jì)使得 T9，T10，T11 三者的發(fā)射極電 流相等，并同為整個(gè)電路總電流 I 的 1／3。T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積比為 8： 1， T10 和 T11 的發(fā)射結(jié)面積相等。 T9 和 T11 的發(fā)射結(jié)電壓互相反極性串聯(lián)后加在電阻 R5 和 R6 上，因此可以寫(xiě)出： UBE＝（ R6－ 2 R5）I ／3 R6 上只有 T9 的發(fā)射極電流，而 R5 上除了來(lái)自 T10 的發(fā)射極電流外，還有來(lái)自 T11 的發(fā)射極電流，所以 R5 上的壓降是 R5的 2／3。

38、 根據(jù)上式不難看出，要想改變 UBE，可以在調(diào)整 R5后再調(diào)整 R6，而增大 R5的 效果和減小 R6是一樣的，其結(jié)果都會(huì)使 UBE減小，不過(guò)，改變 R5對(duì) UBE的影響更 為顯著，因?yàn)樗懊娴南禂?shù)較大。實(shí)際上就是利用激光修正 R5以進(jìn)行粗調(diào)，修正 R6 以實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，最終使其在 250℃之下使總電流 I 達(dá)到 1μA／K。 二． 基本應(yīng)用電路 圖 3-8 是 AD590用于測(cè)量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。 因?yàn)榱鬟^(guò) AD590的電流與 8 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻 R1 和電位器 R2

39、的電阻之和為 1kΩ時(shí)，輸出電壓 V0 隨溫度 的變化為 1mV/K。但由于 AD590的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的方法為：把 AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器 R2 ，使 V0=273.2+25=298.2 （mV）。但這樣調(diào)整只保證在 0℃或 25℃附近有較高的精度。 圖 3-5 AD590 應(yīng)用電路 三． 攝氏溫度測(cè)量電路 如圖 3-5 所示，電位器 R2 用于調(diào)整零點(diǎn)， R4 用于調(diào)整運(yùn)放 LF355 的增益。

40、調(diào)整方法如下：在 0℃時(shí)調(diào)整 R2，使輸出 V0=0，然后在 100℃時(shí)調(diào)整 R4 使 V0=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至 0℃時(shí)， V0=0mV，100℃時(shí) V0=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為 25℃，那么 V0 應(yīng)為 25mV。冰水混合物是 0℃環(huán)境，沸水為 100℃環(huán)境。 四 . 多路檢測(cè)信號(hào)的實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為八路的溫度信號(hào)采集，而 MC14433僅為一路輸入，故采用 CD4051 組成多路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路，其硬件接口如圖 3-6 所示

41、 圖 3-6 八路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路硬件接口 9 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 3. 1. 2 濕度傳感器 測(cè)量空氣濕度的方式很多， 其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周?chē)目諝馕账趾笠? 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?chē)諝獾臐穸取?電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(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。下面 介紹 HS1100/HS1101濕度傳感器及其應(yīng)用。一、特點(diǎn) 不需校準(zhǔn)的完全互換性， 高可靠性和長(zhǎng)

42、期穩(wěn)定性， 快速響應(yīng)時(shí)間， 專(zhuān)利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（ HS1100）和側(cè)面接觸（ HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，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(guò)程等。 圖 3-7a 為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖 3-7b 為濕度 - 電容響應(yīng)曲線。 100 正 75 常 非 工 長(zhǎng)期穩(wěn)定 區(qū) 正 作 常 50 區(qū) 區(qū) 25 0-40 -20 020 40 608

43、0 100 溫度 /℃  200 190 180 170 160 0 20 40 60 80 相對(duì)濕度 /%RH 圖 3-7a 、濕敏電容工作的溫、 濕度范圍 圖 3-7b 、濕度 - 電容響應(yīng)曲線。 相對(duì)濕度在 1%---100%RH范圍內(nèi)；電容量由 16pF 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 0.04 pF/ ℃?？梢?jiàn)精度是較高的。 二、濕度測(cè)量電路 HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電

44、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)，常有兩種方法： 一是將該濕敏電容置于運(yùn)方與租蓉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)為與之成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 3-7 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(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì) C 的放電回

45、路，并將引腳 2、6 端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個(gè)典型的 多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外， R3 是防止輸出短路的保護(hù)電阻， R1 用于平衡溫 10 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 度系數(shù)。 圖 3-7 、頻率輸出的 555 振蕩電路 該振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過(guò)程如下：首先電源 Vs 通過(guò) R4、R2 向 C 充電， 經(jīng) t 充電時(shí)間后， Uc 達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約 0.67Vs，此時(shí)輸出引腳 3

46、端由高電平突降為低電平，然后通過(guò) R2放電，經(jīng) t 放電時(shí)間后， Uc 下降到比較器的 低觸發(fā)電平，約 0.33Vs 此時(shí)輸出，此時(shí)輸出引腳 3 端又由低電平突降為高電平， 如此翻來(lái)覆去， 形成方波輸 出。其中，充放電時(shí)間為 t 充電 =C（R4+R2）Ln2 t 放電 =CR2 Ln2 因而，輸出的方波頻率為 f=1/(t 放電 +t 充電 )=1/[ C （R4+R2） Ln2] 可見(jiàn)，空氣濕度通過(guò) 555 測(cè)量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號(hào)，表 3-1 給出了其 中的一組典型測(cè)

47、試值。 表 3-1、空氣濕度與電壓頻率的典型值 濕度 頻率 濕度 頻率 %RH HZ %RH HZ 0 7351 60 6600 10 7224 70 6468 20 7100 80 6330 30 6976 90 6168 40 6853 100 6033 50 6728 三、多路檢測(cè)信號(hào)的實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為八路的濕度信號(hào)采集，故采用 CD4051組成多路分時(shí)的模擬量信號(hào) 采集電路，其硬件接口如圖 3-8 所示

48、 11 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 圖 3-8 八路分時(shí)的模擬量信號(hào)采集電路硬件接口 3．1．3 多路開(kāi)關(guān) 多路開(kāi)關(guān)，有稱“多路模擬轉(zhuǎn)換器” 。多路開(kāi)關(guān)通常有 n 個(gè)模擬量輸入通道和一個(gè)公共的模擬輸入端， 并通過(guò)地址線上不同的地址信號(hào)把 n 個(gè)通道中任一通道輸入的模擬信號(hào)輸出， 實(shí)現(xiàn)有 n 線到一線的接通功能。 反之，當(dāng)模擬信號(hào)有公共輸出端輸入時(shí) ，作為信號(hào)分離器，實(shí)現(xiàn)了 1 線到 n 線的分離功能。因此，多路開(kāi)關(guān)通常是一種具有雙向能力

49、的器件。 在本設(shè)計(jì)中， 由于采用了溫濕度雙量控制， 所以在信號(hào)采集中將有兩個(gè)模擬量被提取，這時(shí)選用多路開(kāi)關(guān)就是很必要的。 我選用的是 CD4051多路開(kāi)關(guān)，它是一種單片、 COMS、 8 通道開(kāi)關(guān)。該芯片由DTL/TTL-COMS電平轉(zhuǎn)換器，帶有禁止端的 8 選 1 譯碼器輸入，分別加上控制的 8 個(gè)COMS模擬開(kāi)關(guān) TG組成。 CD4051的內(nèi)部原理框圖如圖 3-9 所示。 圖 3-9 、CD4051的內(nèi)部原理框圖 圖中功能如下： 通道線

50、IN/OUT（ 4、2、 5、 1、 12、15、14、13）：該組引腳作為輸入時(shí)，可實(shí)現(xiàn) 8 選 1 功能，作為輸出時(shí)，可實(shí)現(xiàn) 1 分 8 功能。 12 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 XCOM（ 3）：該引腳作為輸出時(shí)，則為公共輸出端；作為輸入時(shí)，則為輸入端。 A、 B、 C（ 11、10、9）：地址引腳 INH（6）：禁止輸入引腳。若 INH 為高電平，則為禁止各通道和輸出端 OUT/IN接至；若 INH 為低電平，則允許各通道按表 3-2 關(guān)系和輸出段 OUT/IN 接通。 VDD（16）和 VSS （8）： VDD為正電源輸

51、入端，極限值為 17V；VSS為負(fù)電源輸入端，極限值為 -17V。 VGG（7）；電平轉(zhuǎn)換器電源，通常接 +5V或 -5V。 CD4051作為 8 選 1 功能時(shí)，若 A、B、C均為邏輯“ 0”（ INH=0），則地址碼 00013 經(jīng)譯碼后使輸出端 OUT/IN和通道 0 接通。其它情況下，輸出端 OUT/IN 輸出端 OUT/IN 和各通道的接通關(guān)系如下 表 3-2 輸入狀態(tài) 接通 輸入狀態(tài) 接通 INH C B A INH C B A 通道 通道

52、0 0 0 0 0 0 1 0 1 5 0 0 0 1 1 0 1 1 0 6 0 0 1 0 2 0 1 1 1 7 0 0 1 1 3 1 x x x 均不顯示 0 1 0 0 4 3．2 信號(hào)分析與處理 3．2．1 A/D 轉(zhuǎn)換 一． A/D 轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn) 為了把溫度、濕度檢測(cè)電路測(cè)出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送 CPU 處理，本系統(tǒng) 選用了雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433，它精度高，分辨率達(dá) 1/1999。由于 M

53、C14433 只有一路輸入，而本系統(tǒng)檢測(cè)的多路溫度與濕度信號(hào)輸入， 故選用多路選擇電子開(kāi)關(guān)，可輸入多路模擬量。 MC14433 A/D 轉(zhuǎn)換器 由于雙積分方法二次積分時(shí)間比較長(zhǎng)，所以 A/D 轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對(duì)周期信號(hào)變化的干擾信號(hào)積分為零，抗干擾性能也比較好。 目前，國(guó)內(nèi)外雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器集成電路芯片很多，大部分是用于數(shù)字測(cè)量?jī)x器上。 常用的有 3.5 位雙積分 A/D 裝換器 MC14433 和 4.5 位雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 ICL7135 13 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 二．

54、 MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器件簡(jiǎn)介 MC14433 是三位半雙積分型的 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有精度高，抗干擾性能好的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率低，約 1—10 次 /秒。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，例如，在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛采用。 MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器與國(guó)內(nèi)產(chǎn)品 5G14433 完全相同，可 以互換。 MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器的被轉(zhuǎn)換電壓量程為 199.9mV 或 1.999V。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)以 BCD 碼的形式分四次送出（最高位輸出內(nèi)容特殊，詳見(jiàn)表 3-3）。 Q0～ Q3 DS1～DS4 多路選擇開(kāi)關(guān)

55、 鎖存器 極性 判別 時(shí)鐘 個(gè)位 十位 百位 千位 溢出 /OR 過(guò)量程 控制電路 CMOS 線性電路 VR 基準(zhǔn)電壓 VAG 模擬地 VX 被測(cè)電壓 R1/C1 C02 DU EOC R1 C1 C01 實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)換周期 圖 3-10 MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部邏輯框圖

56、 圖 3-11 MC14433 引腳圖 MC14433 的框圖（圖 3-10）和引腳（圖 3-11）功能說(shuō)明各引腳的功能如下： 電源及共地端 VDD ： 主工作電源 +5V 。 VEE: 模擬部分的負(fù)電源端，接 -5V 。 VAG： 模擬地端。 14 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 VSS： 數(shù)字地端。 VR ： 基準(zhǔn)電壓。 外界電阻及電容端 RI： 積分電阻輸入端， VX=2V 時(shí)， R1=470?

57、；VX=200Mv 時(shí)， R1=27K? 。 C1： 積分電容輸入端。 C1 一般為 0.1μF。 C01、C02： 外界補(bǔ)償電容端，電容取值約 0.1μF。 R1/C1： R1 與 C1 的公共端。 CLKI 、CLKO ： 外界振蕩器時(shí)鐘調(diào)節(jié)電阻 Rc，Rc 一般取 470 K? 左右。 轉(zhuǎn)換啟動(dòng) /結(jié)束信號(hào)端 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，正脈沖有效。 DU ： 啟動(dòng)新的轉(zhuǎn)換，若 DU 與 EOC 相連，每當(dāng) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，自動(dòng)啟動(dòng)新的轉(zhuǎn) 換。 過(guò)量程信號(hào)輸出端 /OR ： 當(dāng)|Vx |? VR，過(guò)量程 /OR 輸出低

58、電平。 位選通控制線 DS4----DS1 ： 選擇個(gè)、十、百、千位，正脈沖有效。 DS1 對(duì)應(yīng)千位， DS4 對(duì)應(yīng)個(gè)位。每個(gè)選通脈沖寬度為 18 個(gè)時(shí)鐘周期，兩個(gè)相應(yīng)脈沖之間間隔為 2 個(gè)時(shí)鐘周期。 1/2CLK 周期 16400 個(gè)時(shí)鐘脈沖周期 EOC ( 最高位 )1/2 位 2個(gè)時(shí)鐘脈沖周期 DS1 18 個(gè)時(shí)鐘脈沖周期  ～～ ～ ～ DS2 DS3 ～ 最低位 DS4 ～ 圖 3-12 MC14433選通脈沖時(shí)序圖 BCD

59、碼輸出線 Q0---Q3： BCD 碼輸出線。其中 Q0為最低位， Q3 為最高位。當(dāng) DS2、DS3和 DS4選 通期間，輸出三位完整的 BCD碼數(shù)，但在 DS1選通期間，輸出端 Q0-------Q3 除了 表示個(gè)位的 0 或 1 外，還表示了轉(zhuǎn)化值的正負(fù)極性和欠量程還是過(guò)量程其含意見(jiàn)表 3-3 15 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 表 3-3、 DS1 選通時(shí) Q3～Q0 表示的結(jié)果 Q3 Q2 Q1 Q0 1 0 0 0 1 0 0 0

60、0 1 1 1  表示結(jié)果 千位數(shù)為 0 千位數(shù)為 1 結(jié)果為正 結(jié)果為負(fù) 輸入過(guò)量程 輸入欠 由表可知 Q3 表示 1/2 位， Q3=“0”對(duì)應(yīng) 1，反之對(duì)應(yīng) 0。 Q2 表示極性， Q2=“1”為正極性，反之為負(fù)極性。 Q0=“1”表示超量程：當(dāng) Q3=“0”時(shí)，表示過(guò)量程；當(dāng) Q3=“ 1”時(shí)，表示 欠量程； 一． MC14433 與 8031 單片機(jī)的接口設(shè)計(jì) 由于 MC14433 的 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輸出的 BCD 碼，Q0～Q3HE DS1～ DS4

61、都不是總線式的。因此， MCS-51 單片機(jī)只能通過(guò)并行 I/O 接口或擴(kuò)展 I/O 接口與其相連。對(duì)于 8031 單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， MC14433 可以直接和其 P1 口或擴(kuò)展 I/O 口 8155/8255 相連。下面是 MC14433 與 8031 單片機(jī) P1 口直接相連的硬件接口，接口電路如圖 3-13 所示 圖 3-13 MC14433 與 8031 單片機(jī) P1 口直接相連的硬件接口 3. 2. 2 單片

62、機(jī) 8031 為了設(shè)計(jì)此系統(tǒng)，我們采用了 8031 單片機(jī)作為控制芯片，在前向通道中是一個(gè)非電信號(hào)的電量采集過(guò)程。 它由傳感器采集非電信號(hào)， 從傳感器出來(lái)經(jīng)過(guò)功率放大過(guò) 16 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 程，使信號(hào)放大，再經(jīng)過(guò)模 /數(shù)轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再送入計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)的相應(yīng)端口。 由于 8031 中無(wú)片內(nèi) ROM ，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也不能滿足要求， ，經(jīng)擴(kuò)展 2762 和 6264 來(lái)達(dá)到存儲(chǔ)器的要求，其結(jié)果通過(guò)顯示器來(lái)進(jìn)行顯示輸出。 3. 2. 2. 1 8031 的片內(nèi)結(jié)構(gòu)

63、 8031 是有 8 個(gè)部件組成，即 CPU，時(shí)鐘電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并行口（ P0～P3） 串行口，定時(shí)計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)， 它們均由單一總線連接并被集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，即組成了單片微型計(jì)算機(jī)， 8031 就是 MCS-51 系列單片機(jī)中的一種。 圖 3-14 8031 基本組成 CPU 中央處理器： 中央處理器是 8031 的核心，它的功能是產(chǎn)生控制信號(hào)，把數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器或輸入口送到 CPU 或 CPU 數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器或送到輸出端口。 還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯

64、和算術(shù) 的運(yùn)算。 時(shí)鐘電路： 8031 內(nèi)部有一個(gè)頻率最大為 12MHZ 的時(shí)鐘電路， 它為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘序列， 需 要外接石英晶體做振蕩器和微調(diào)電容。 內(nèi)存： 內(nèi)部存儲(chǔ)器可分做程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，但在 8031 中無(wú)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 。 定時(shí) /計(jì)數(shù)器： 8031 有兩個(gè) 16 位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成定時(shí)的方式 和計(jì)數(shù)的方式，但只能用其中的一個(gè)功能，以定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 并行 I/O 口： MCS-51 有四個(gè) 8 位的并行 I/O 口， P0，P1，P2，P3，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并

65、行輸出。 串行口： 17 中國(guó)高校自動(dòng)化網(wǎng) —單片機(jī)參考畢業(yè)論文 它有一個(gè)全雙工的串行口，它可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)間或單片機(jī)同其它外設(shè)之間的通 信，該并行口功能較強(qiáng)，可以做為全雙工異步通訊的收發(fā)器也可以作為同步移位器用。 中斷控制系統(tǒng)： 8031 有五個(gè)中斷源，既外部中斷兩個(gè)，定時(shí)計(jì)數(shù)中斷兩個(gè)，串行中斷一個(gè)，全部的中斷分為高和低的兩個(gè)輸出級(jí)。 3. 2. 2. 2 8031 的引腳 圖 3-15 8031 引腳圖 8031 的制作工藝為 HMOS ，采用 40 管腳雙列直插 DIP 封裝，引腳說(shuō)明如下： VCC （40 引腳）正常運(yùn)行時(shí)提供電源。 VSS（20 引腳）接地。 XTAL1 （ 19 引腳）在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反向放大器的輸入端，該放大器構(gòu) 成了片內(nèi)的震蕩器， 可以提供單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，