[優(yōu)秀畢業(yè)論文]基于STC89C52單片機(jī)的室內(nèi)溫度濕度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

本科生畢業(yè)論文第1章 緒論1.1課題研究背景和意義溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來(lái)講是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。在整個(gè)宇宙當(dāng)中，溫度無(wú)處不存在。無(wú)論在地球上還是在月球上，也無(wú)論是在熾熱的太陽(yáng)上還是在陰冷的冥王星上，這一切無(wú)不由于空間位置的不同而存在著溫度的差別。濕度，表示大氣干燥程度的物理量。在一定的溫度下在一定體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥；水汽越多，則空氣越潮濕?？諝獾母蓾癯潭冉凶觥皾穸取?。在此意義下，常用絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、比較濕度、混合比、飽和差以及露點(diǎn)等物理量來(lái)表示。濕度表示氣體中的水蒸汽含量,有絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表示方法。絕對(duì)濕度是一定體積的空氣中含有的水蒸氣的質(zhì)量，一般其單位是克/立方米，絕對(duì)濕度的最大限度是飽和狀態(tài)下的最高濕度；相對(duì)濕度是絕對(duì)濕度與最高濕度之間的比，它的值顯示水蒸氣的飽和度有多高1。溫度、濕度和人類的生產(chǎn)、生活有著密切的關(guān)系，同時(shí)也是工業(yè)生產(chǎn)中最常見最基本的工藝參數(shù)，例如機(jī)械、電子、石油、化工等各類工業(yè)中廣泛需要對(duì)溫度、濕度的檢測(cè)與控制。并且隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)自己的生存環(huán)境越來(lái)越關(guān)注，而空氣中溫濕度的變化與人體的舒適度和情緒都有直接的影響，所以對(duì)溫度、濕度的檢測(cè)及控制就非常有必要了。溫度、濕度是工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的因素，但傳統(tǒng)的方法是用溫度表、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。含有微型計(jì)算機(jī)或微處理器的測(cè)量?jī)x器，由于它擁有對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，運(yùn)算邏輯判斷及自動(dòng)化的功能，有著智能作用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，一個(gè)低成本和具有較高精度的溫度濕度測(cè)量?jī)x在許多領(lǐng)域會(huì)代替人工操作，自動(dòng)控制各種儀器調(diào)整環(huán)境溫度濕度。目前市場(chǎng)上普遍存在的溫濕度檢測(cè)儀器大都是單點(diǎn)測(cè)量，而且溫濕度信息傳遞不及時(shí)，精度達(dá)不到要求，不利于控制者根據(jù)溫度、濕度變化及時(shí)做出決定，為此，本設(shè)計(jì)開發(fā)了一種能夠同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)，并實(shí)時(shí)性高、精度高，能夠綜合處理多點(diǎn)溫濕度信息，并能進(jìn)行溫濕度控制的測(cè)控產(chǎn)品。總之，環(huán)境溫濕度的檢測(cè)與調(diào)節(jié)儀器的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有非常大的市場(chǎng)前景和實(shí)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2.1 溫度傳感器集成溫度傳感器是目前應(yīng)用范圍最廣、使用最普及的一種全集成化傳感器。其種類很多，大致可分為以下5類：1、模擬集成溫度傳感器；2、模擬集成溫度控制器；3、智能溫度傳感器；4、通用智能溫度控制器；5、微機(jī)散熱保護(hù)專用的智能溫度控制器。集成溫度傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域有以下3個(gè)方面：1.溫度測(cè)量：可以構(gòu)成數(shù)字溫度計(jì)、溫度變送器、溫度巡回檢測(cè)儀、智能化溫度檢測(cè)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)化測(cè)溫系統(tǒng)。2.溫度控制：適用于智能化溫度測(cè)控系統(tǒng)、工業(yè)過(guò)程控制、現(xiàn)場(chǎng)可編程溫度控制系統(tǒng)、環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)、中央空調(diào)、風(fēng)扇溫控電路、微處理器及微機(jī)系統(tǒng)的過(guò)熱保護(hù)裝置、現(xiàn)代辦公設(shè)備、電信設(shè)備、服務(wù)器中的溫度測(cè)控系統(tǒng)、電池充電器的過(guò)熱保護(hù)電路、音頻功率放大器的過(guò)熱保護(hù)電路及家用電器。3.特殊應(yīng)用：例如，熱電偶冷端溫度補(bǔ)償、測(cè)量溫差、測(cè)量平均溫度、測(cè)量溫度場(chǎng)、電子密碼鎖（僅對(duì)內(nèi)含64位ROM的單線總線智能溫度傳感器而言）及液晶顯示器表面溫度監(jiān)測(cè)等2。模擬集成溫度傳感器是在20世紀(jì)80年代問世的，它是將溫度傳感器集成在一個(gè)芯片上、可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一（僅測(cè)量溫度）、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。它是目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感器，典型產(chǎn)品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。 智能溫度傳感器（亦稱數(shù)字溫度傳感器）是在20世紀(jì)90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)（ATE）的結(jié)晶。目前，國(guó)際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器（或寄存器）和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。智能溫度傳感器的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。進(jìn)入21世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。在20世紀(jì)90年代中期最早推出的智能溫度傳感器，采用的是8位A/D轉(zhuǎn)換器，其測(cè)溫精度較低，分辨力只能達(dá)到1。目前，國(guó)外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是912位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達(dá)0.50.0625。由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0.03125，測(cè)溫精度為0.2。為了提高多通道智能溫度傳感器的轉(zhuǎn)換速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。以AD7817型5通道智能溫度傳感器為例，它對(duì)本地傳感器、每一路遠(yuǎn)程傳感器的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別僅為27s、9s。 新型智能溫度傳感器的測(cè)試功能也在不斷增強(qiáng)。例如，DS1629型單線智能溫度傳感器增加了實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘（RTC），使其功能更加完善。DS1624還增加了存儲(chǔ)功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)用戶的短信息。另外，智能溫度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線總線、I2C總線、SMBus總線和SPI總線3。1.2.2 濕度傳感器濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測(cè)量屬于90年代興起的行業(yè)。濕度傳感器主要分為電阻式和電容式兩種，產(chǎn)品的基本形式都是在基片上涂覆感濕材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝皆诟袧癫牧仙虾?，元件的阻抗、介質(zhì)常數(shù)發(fā)生很大的變化，從而制成濕敏元件。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了較大的發(fā)展。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展。國(guó)內(nèi)外各廠家的濕度傳感器產(chǎn)品水平不一，質(zhì)量?jī)r(jià)格都相差較大，用戶如何選擇性能價(jià)格比最優(yōu)的理想產(chǎn)品確有一定難度，需要在這方面作深入的了解。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)了不少國(guó)內(nèi)外濕度傳感器產(chǎn)品，電容式濕敏元件較為多見，感濕材料種類主要為高分子聚合物，氯化鋰和金屬氧化物。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測(cè)量技術(shù)提高到新的水平。濕敏元件是最簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要分為電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化特濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，主要缺點(diǎn)是線性度和產(chǎn)品的互換性差。濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國(guó)外生產(chǎn)濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產(chǎn)的SH1100型濕敏電容為例，其測(cè)量范圍是（1%99%）RH，在55%RH時(shí)的電容量為180pF（典型值）。當(dāng)相對(duì)濕度從0變化到100%時(shí)，電容量的變化范圍是163pF202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/，濕度滯后量為1.5%，響應(yīng)時(shí)間為5s。除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質(zhì)離子型濕敏元件、重量型濕敏元件（利用感濕膜重量的變化來(lái)改變振蕩頻率）、光強(qiáng)型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí)，濕敏元件要長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中，很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。目前，國(guó)外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)品分別為Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。這些產(chǎn)品可分成以下三種類型：(1)線性電壓輸出式集成濕度傳感器；典型產(chǎn)品有 HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特點(diǎn)是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對(duì)濕度呈比例關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào)，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，抗污染能力強(qiáng)。(2)線性頻率輸出集成濕度傳感器；典型產(chǎn)品為HF3223型。它采用模塊式結(jié)構(gòu)，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在55%RH時(shí)的輸出頻率為8750Hz（型值），當(dāng)上對(duì)濕度從10%變化到95%時(shí)，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hz。這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、便于配數(shù)字電路或單片機(jī)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。(3)頻率/溫度輸出式集成濕度傳感器；典型產(chǎn)品為HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，還增加了溫度信號(hào)輸出端，利用負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，其電阻值也相應(yīng)改變并且從NTC端引出，配上二次儀表即可測(cè)量出溫度值。2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、 SHT15型智能化溫度/溫度傳感器，其外形尺寸僅為7.6（mm）5(mm)2.5（mm），體積與火柴頭相近。出廠前，每只傳感器都在溫度室中做過(guò)精密標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲(chǔ)器中，在測(cè)量過(guò)程中可對(duì)相對(duì)濕度進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。它們不僅能準(zhǔn)確測(cè)量相對(duì)溫度，還能測(cè)量溫度和露點(diǎn)。測(cè)量相對(duì)溫度的范圍是0100%，分辨力達(dá)0.03%RH，最高精度為2%RH。測(cè)量溫度的范圍是-40 123.8，分辨力為0.01。測(cè)量露點(diǎn)的精度4。1.3本文的主要工作和結(jié)構(gòu)安排本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心來(lái)對(duì)多點(diǎn)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢。各檢測(cè)單元(從機(jī))能獨(dú)立完成各自功能，同時(shí)能根據(jù)主控機(jī)的指令對(duì)溫濕度進(jìn)行時(shí)時(shí)采集。并將采集來(lái)的信息通過(guò)液晶屏顯示清晰的呈現(xiàn)給用戶，如果采集的信息超出了預(yù)設(shè)范圍，閃爍燈和蜂鳴器都將給出報(bào)警示意用戶，以便做出及時(shí)決定。本系統(tǒng)能夠同時(shí)檢測(cè)多路溫濕度，檢測(cè)溫度范圍-55+95。根據(jù)實(shí)際需要，檢測(cè)點(diǎn)數(shù)可以擴(kuò)展。系統(tǒng)采用CHR-01濕敏電阻，使用模擬電路，將濕度信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸出，傳輸給單片機(jī)進(jìn)行分析、處理和控制顯示。濕度檢測(cè)范圍為2090RH，其檢測(cè)精度為5。此外，本系統(tǒng)還具有報(bào)警模塊，可設(shè)定溫度濕度報(bào)警上下限，當(dāng)檢測(cè)到任何溫度濕度超過(guò)溫度濕度報(bào)警上下限就進(jìn)行報(bào)警。本文結(jié)構(gòu)安排如下：第1章 緒論，介紹了溫濕度對(duì)人們生活、生產(chǎn)、工作的影響，溫濕度測(cè)量?jī)x的應(yīng)用和發(fā)展，以及溫濕度測(cè)量?jī)x的核心器件溫度傳感器、濕度傳感器的結(jié)構(gòu)、型號(hào)、發(fā)展前景。第2章 方案比較和論證，介紹了溫度傳感器、濕度傳感器、控制芯片、輸出顯示設(shè)備的方案比較和選擇。第3章 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，介紹了測(cè)量?jī)x信號(hào)采集、分析、處理的工作過(guò)程和在這些過(guò)程中設(shè)計(jì)的模塊電路原理、特性、應(yīng)用。第4章 軟件設(shè)計(jì)，介紹了軟件編程的主流程圖和測(cè)量溫度子程序流程圖、測(cè)量濕度子程序流程圖。44第2章方案比較和論證當(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。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。現(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-200650，百度電阻比W（100）=1.3850時(shí)，R0為100和10，其允許的測(cè)量誤差A(yù)級(jí)為（0.15+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-50180測(cè)溫。方案二：采用DS18B20，溫度測(cè)量范圍從-55+125，-10+85時(shí)測(cè)量精度為0.5，測(cè)量分辨率為0.0625，電源電壓范圍從3.35V 。它支持“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，可組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。而且，無(wú)需進(jìn)行線性校正，使用非常方便，接口簡(jiǎn)單，成本低廉。與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能夠直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化9位和12位的數(shù)字量。它具有體積小、接口方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，內(nèi)含寄生電源。 系統(tǒng)有如下特點(diǎn)： (1)不需要備份電源，可通過(guò)信號(hào)線供電；(2)送串行數(shù)據(jù)，不需要外部元件；(3)零功耗等待；(4)系統(tǒng)的抗干擾性好，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如環(huán)境控制、設(shè)備過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。綜合比較方案一與方案二，成本相差不多，方案二具有更高的抗干擾能力和精度，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，選擇方案二作為本設(shè)計(jì)的溫度傳感器。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)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(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CHR-01濕敏電阻。CHR-01濕敏電阻適用于阻抗型高分子濕度傳感器，它的工作電壓為交流1V，頻率為50Hz2kHz，測(cè)量濕度范圍為20%90%RH，測(cè)量精度5%，工作溫度范圍為0+85，最高使用溫度120，阻抗在60%RH（25）時(shí)為30（2140.5）K。采用555時(shí)基或RC振蕩電路，將濕度傳感器等效為阻抗值，測(cè)量振蕩頻率輸出，振蕩頻率在1k Hz左右。方案二：采用HF3223/HTF3223濕度傳感器。HF3223/HTF3223采用模塊式結(jié)構(gòu)，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，相對(duì)濕度在0%99%RH范圍內(nèi)，精度為5%，測(cè)量指標(biāo)和精度高，不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，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，HTF3223在HF3223的基礎(chǔ)上多了一個(gè)溫度傳感器。HF3223濕度傳感模塊將濕度信息轉(zhuǎn)化為頻率信號(hào)，傳輸給單片機(jī)進(jìn)行分析、處理和控制顯示。綜合比較方案一與方案二，方案二雖然精度及測(cè)量濕度范圍都比方案一高，但成本高了許多，方案一成本低廉且能滿足測(cè)量需求，且調(diào)試電路簡(jiǎn)單，因此，在能達(dá)到指標(biāo)要求下，為減少成本支出，我們選擇方案一來(lái)作為本設(shè)計(jì)的濕度傳感器。2.3 控制芯片的的選擇2.3.1 單片機(jī)在多數(shù)電子設(shè)計(jì)當(dāng)中，基于性價(jià)比的考慮，8位單片機(jī)仍是首選。目前，8位單片機(jī)在國(guó)內(nèi)外仍占有重要地位。在8位單片機(jī)中又以MCS51系列單片機(jī)及其兼容機(jī)所占的份額最大。MCS51的硬件結(jié)構(gòu)決定了其指令系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生變化，設(shè)計(jì)人員可以很容易的對(duì)不同公司的單片機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行選型，他們只需將重點(diǎn)放在芯片內(nèi)部資源的比較上。方案一：采用AT89C51芯片作為硬件核心，采用Flash ROM，內(nèi)部具有4KB ROM存儲(chǔ)空間,能于3V的超低壓工作,而且與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容,但是運(yùn)用于電路設(shè)計(jì)中時(shí)由于不具備ISP在線編程技術(shù), 當(dāng)在對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的錯(cuò)誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，對(duì)芯片的多次拔插會(huì)對(duì)芯片造成一定的損壞。方案二：采用AT89S52,片內(nèi)ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底壓工作；同時(shí)也與MCS-51系列單片機(jī)完全該芯片內(nèi)部存儲(chǔ)器為8KB ROM 存儲(chǔ)空間，同樣具有89C51的功能，且具有在線編程可擦除技術(shù)，當(dāng)在對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的錯(cuò)誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，不需要對(duì)芯片多次拔插，所以不會(huì)對(duì)芯片造成損壞。方案三：STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。方案一是多年前的的產(chǎn)品，因自身設(shè)計(jì)缺陷，已經(jīng)很少被人使用。方案二和方案三使用差別不大，但方案二需要專有下載線，方案三使用串口下載即可。因此選擇方案三。2.3.2 FPGAFPGA是英文FieldProgrammable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。FPGA的基本特點(diǎn)主要有：(1)采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。(2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。(3)FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。(4)FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。(5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。FPGA甚至包含單片機(jī)和DSP軟核,并且IO數(shù)僅受FPGA自身IO限制,所以,FPGA又是單片機(jī)和DSP的超集,也就是說(shuō),單片機(jī)和DSP能實(shí)現(xiàn)的功能,FPGA一般都能實(shí)現(xiàn)。可以說(shuō)，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA與MCS51單片機(jī)比較(1)FPGA運(yùn)行速度快 FPGA內(nèi)部集成鎖項(xiàng)環(huán),可以把外部時(shí)鐘倍頻,核心頻率可以到幾百M(fèi),而單片機(jī)運(yùn)行速度低的多.在高速場(chǎng)合,單片機(jī)無(wú)法代替FPGA (2)FPGA管腳多,容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng) 單片機(jī)IO口有限,而FPGA動(dòng)輒數(shù)百IO,可以方便連接外設(shè).比如一個(gè)系統(tǒng)有多路AD,DA,單片機(jī)要進(jìn)行仔細(xì)的資源分配,總線隔離,而FPGA由于豐富的IO資源,可以很容易用不同IO連接各外設(shè) (3)FPGA內(nèi)部程序并行運(yùn)行,有處理更復(fù)雜功能的能力 單片機(jī)程序是串行執(zhí)行的,執(zhí)行完一條才能執(zhí)行下一條,在處理突發(fā)事件時(shí)只能調(diào)用有限的中斷資源;而FPGA不同邏輯可以并行執(zhí)行,可以同時(shí)處理不同任務(wù),這就導(dǎo)致了FPGA工作更有效率 (4)FPGA有大量軟核,可以方便進(jìn)行二次開發(fā) FPGA功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MCS51單片機(jī)的功能，但成本也高出不少，本設(shè)計(jì)不需要過(guò)多的IO口，普通運(yùn)行速度即可，使用MCS51單片機(jī)系列完全可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品要求的指標(biāo)，電路簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，所以本設(shè)計(jì)采用MCS51單片機(jī)。2.4 輸出顯示設(shè)備選擇電子設(shè)計(jì)中常用的輸出顯示設(shè)備有兩種：數(shù)碼管和LCD。方案一：數(shù)碼管是現(xiàn)在電子設(shè)計(jì)中使用相當(dāng)普遍的一種顯示設(shè)備，每個(gè)數(shù)碼管由7個(gè)發(fā)光二極管按照一定的排列結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)七個(gè)發(fā)光二極管的正負(fù)極連接不同，又分為共陰極數(shù)碼管和共陽(yáng)極數(shù)碼管兩種，選擇的數(shù)碼管不同，程序設(shè)計(jì)上也有一定的差別。數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容比較直觀，通常顯示從0到F中的任意一個(gè)數(shù)字，一個(gè)數(shù)碼管可以顯示一位，多個(gè)數(shù)碼管就可以顯示多位，在顯示位數(shù)比較少的電路中，程序編寫，外圍電路設(shè)計(jì)都十分簡(jiǎn)單，但是當(dāng)要顯示的位數(shù)相對(duì)多的時(shí)候，數(shù)碼管操作起來(lái)十分煩瑣，顯示的速度受到限制。并且當(dāng)硬件電路設(shè)計(jì)好之后，系統(tǒng)顯示能力基本也被確定，系統(tǒng)顯示能力的擴(kuò)展受到了限制。方案二：而液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動(dòng)手設(shè)計(jì)的圖案。當(dāng)需要顯示的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜的時(shí)候，它的優(yōu)點(diǎn)就突現(xiàn)出來(lái)了，并且當(dāng)硬件設(shè)計(jì)完成時(shí)，可以通過(guò)軟件的修改來(lái)不斷擴(kuò)展系統(tǒng)顯示能力。外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，顯示能力的擴(kuò)展將不會(huì)涉及到硬件電路的修改，可擴(kuò)展性很強(qiáng)。字符型液晶顯示屏已經(jīng)成為了單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件之一。不足之處在于其價(jià)格比較昂貴，驅(qū)動(dòng)程序編寫比較復(fù)雜。本設(shè)計(jì)需要顯示溫度值和濕度值，還可顯示設(shè)置溫濕度數(shù)值報(bào)警數(shù)值的上下限，顯示數(shù)字較多，因此選用方案二液晶頻做輸出設(shè)備。2.5 本章小結(jié)本章主要介紹溫濕度測(cè)量?jī)x用到的主要芯片的選擇，如溫度傳感器、濕度傳感器、控制處理芯片、顯示輸出設(shè)備等。對(duì)比考慮各器件性能、特點(diǎn)、使用難易度、成本等因素，選擇適合本產(chǎn)品指標(biāo)的元器件。第3章 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)本方案以STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)為核心來(lái)對(duì)溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和巡檢。各檢測(cè)單元能獨(dú)立完成各自功能，并根據(jù)主控機(jī)的指令對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。主控機(jī)負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)送，并控制各個(gè)檢測(cè)單元進(jìn)行溫度采集，收集測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整理和顯示。其中包括單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)、鍵盤及顯示、報(bào)警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。圖3.1 系統(tǒng)總方框圖本設(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。(1)信號(hào)采集 由溫度傳感器模塊和濕度傳感器模塊組成；(2)信號(hào)分析 由單片機(jī)STC89C52組成；(3)信號(hào)處理 由液晶顯示模塊、繼電器模塊和蜂鳴器模塊組成。3.1信號(hào)采集3.1.1 溫度傳感器Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。新一代的“DS18B20”體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。圖3.2 DS18B20DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如下: DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。圖3.3 DS18B20方框圖DS18B20依靠一個(gè)單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進(jìn)行存儲(chǔ)器和控制操作。因此，控制操作必須首先提供下面5個(gè)ROM操作指令之一：(1)讀ROM,(2)匹配ROM, (3)搜索ROM, (4)跳過(guò)ROM, (5)報(bào)警搜索。這些指令操作作用在沒有一個(gè)器件的64位光刻ROM序列號(hào)，可以在掛在一線上多個(gè)器件選定某一個(gè)器件，同時(shí)，總線也可以知道總線上掛有有多少，什么樣的設(shè)備。若指令成功地使DS18B20完成溫度測(cè)量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DS18B20的存儲(chǔ)器。一個(gè)控制功能指揮指示DS18B20的演出測(cè)溫。測(cè)量結(jié)果將被放置在DS18B20內(nèi)存中，并可以讓閱讀發(fā)出記憶功能的指揮，閱讀內(nèi)容的片上存儲(chǔ)器。溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL都有一字節(jié)EEPROM 的數(shù)據(jù)。如果DS18B20不使用報(bào)警檢查指令，這些寄存器可作為一般的用戶記憶用途。在片上還載有配置字節(jié)以理想的解決溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換。寫TH,TL指令以及配置字節(jié)利用一個(gè)記憶功能的指令完成。通過(guò)緩存器讀寄存器。所有數(shù)據(jù)的讀寫都是從最低位開始5。1、DS18B20主要特性DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為 -55C+125C，在-10+85C范圍內(nèi),精度為0.5C?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等，支持3V5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。DS18B20可以程序設(shè)定912位的分辨率，精度為0.5C?？蛇x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價(jià)格比也非常出色！2、DS18B20工作原理DS18B20的測(cè)溫原理如圖3.4所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1計(jì)數(shù)器1 的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值10。圖3.4 DS18B20原理圖3、DS18B20基本應(yīng)用電路DS18B20測(cè)溫系統(tǒng)具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。下面就是DS18B20幾個(gè)不同應(yīng)用方式下的測(cè)溫電路圖：(1) DS18B20寄生電源供電方式電路圖如下面圖3.5所示，在寄生電源供電方式下，DS18B20從單線信號(hào)線上汲取能量：在信號(hào)線DQ處于高電平期間把能量?jī)?chǔ)存在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來(lái)再給寄生電源（電容）充電。圖3.5 DS18B20寄生電源供電方式電路圖獨(dú)特的寄生電源方式有三個(gè)好處：1，進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)溫時(shí)，無(wú)需本地電源；2，可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取ROM；3，電路更加簡(jiǎn)潔，僅用一根I/O口實(shí)現(xiàn)測(cè)溫；要想使DS18B20進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個(gè)DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到1mA，當(dāng)幾個(gè)溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，只靠4.7K上拉電阻就無(wú)法提供足夠的 能量，會(huì)造成無(wú)法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。因此，此電路只適應(yīng)于單一溫度傳感器測(cè)溫情況下使用，不適宜采用電池供電系統(tǒng)中。并且工作電源VCC必須保證在5V，當(dāng)電源電壓下降時(shí)，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會(huì)使溫度誤差變大。改進(jìn)的寄生電源供電方式如下面圖3.5所示，為了使DS18B20在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到 E2存儲(chǔ)器操作時(shí)，用MOSFET把I/O線直接拉到VCC就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到E2存儲(chǔ)器或啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最 多10S內(nèi)把I/O線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉狀態(tài)。在強(qiáng)上拉方式下可以解決電流供應(yīng)不走的問題，因此也適合于多點(diǎn)測(cè)溫應(yīng)用，缺點(diǎn)就是要多占用一根I/O口線進(jìn)行強(qiáng)上拉切換。圖3.6 DS18B20寄生電源強(qiáng)上拉供電方式電路圖(2) DS18B20的外部電源供電方式電路圖在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空 ，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85。圖3.7 溫度傳感器模塊電路圖外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡(jiǎn)單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。因此本設(shè)計(jì)采用外部供電方式，。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)只用于測(cè)量環(huán)境溫度，所以只顯示0+85。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)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(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。1.濕度的概念濕度是表示空氣中水蒸氣含量多少的尺度。在物理學(xué)和氣象學(xué)中，大氣濕度的表示方法是多種多樣的，而且都有各自的物理量和相應(yīng)單位。在諸多方法中，習(xí)慣使用的是絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度。(1)絕對(duì)濕度：絕對(duì)濕度定義為在每立方米濕空氣中，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下所含水蒸汽的質(zhì)量，以字符表示，單位。再由氣體狀態(tài)方程式 （3.1）可得 （3.2）式中為空氣中水蒸氣的分壓力(帕)；T為空氣中的干球絕對(duì)溫度(K)；t為空氣中干球的攝氏溫度()；為水蒸氣的氣體常數(shù)， =461。(2)相對(duì)濕度:相對(duì)濕度是指空氣中水蒸氣分壓力與同溫度下飽和水蒸汽壓力之比值。用r表示相對(duì)濕度為： （3.3）式中和的單位采用毫巴(mb)時(shí)，由馬格奴斯經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算飽和水蒸氣壓力: （3.4）式中=6.1mb?？諝庵兴魵夥謮毫Π聪铝泄接?jì)算： （3.5）式中：為濕球溫度時(shí)飽和水蒸汽壓力；為干球溫度()；為濕球溫度()；P為大氣壓力(mb)；A是與風(fēng)速v有關(guān)，通常按下列公式計(jì)算： （3.6）可知，相對(duì)濕度為干球溫度、濕球溫度、風(fēng)速、大氣壓力的函數(shù)，當(dāng)大氣壓力變化不大時(shí)，對(duì)給定的檢測(cè)條件V不變，那么只要測(cè)得t ，t 即可得相對(duì)濕度2。2. CHR-01濕敏元件簡(jiǎn)介電阻型濕度傳感器可分為兩類：電子導(dǎo)電型和離子導(dǎo)電型。電子導(dǎo)電型濕度傳感器，也稱為“漲縮型濕度傳感器”，它通過(guò)將導(dǎo)電體粉末（金屬、石墨等）分散于膨脹性吸濕高分子中制成濕敏膜。隨濕度變化，膜發(fā)生膨脹或收縮，從而使導(dǎo)電粉末間距變化，電阻隨之改變。但是這類傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，且難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，所以應(yīng)用較少。離子導(dǎo)電型濕度傳感器，它是高分子濕敏膜吸濕后，在水分子作用下，離子相互作用減弱，遷移率增加；同時(shí)吸附的水分子電離使離子載體增多，膜電導(dǎo)隨濕度增加而增加，由電導(dǎo)的變化可測(cè)知環(huán)境濕度。本設(shè)計(jì)選用阻抗型高分子濕度電阻，型號(hào)CHR-01，其外型尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖3.8所示。圖3.8 CHR-01CHR-01型高分子濕度電阻的工作原理：由于水附在有極性基的高分子膜上，在低濕度下，因吸附量少，不能產(chǎn)生荷電離子，電阻值較高。當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí)，吸附量也增加，吸附水就成為導(dǎo)電通道，高分子電解質(zhì)的正負(fù)離子主要起到載流子作用，另外，由吸附水自身離解出的質(zhì)子、水和氫離子也起電荷載流子作用，使高分子濕敏電阻的電阻值下降。它的工作電壓為交流1V，頻率為50Hz2kHz，測(cè)量濕度范圍為20%90%RH，測(cè)量精度5%，工作溫度范圍為0+85，最高使用溫度120，阻抗在60%RH（25）時(shí)為30（2140.5）k12。圖3.9為0-60下CHR-01的阻抗特性曲線，由下圖可知，在對(duì)精度要求不高的情況下，可以將其近似為線性關(guān)系。圖3.9 0+60阻抗特性圖3. CHR-01濕敏元件應(yīng)用電路在實(shí)際工作環(huán)境中，溫度不是一個(gè)恒值，隨著環(huán)境的變化而變化，變化的范圍很寬。而濕敏元件受溫度的影響不能忽略。濕敏元件的濕度溫度系數(shù)就是表示器件的感濕特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性參數(shù)。環(huán)境的溫度變化越大，由感濕特征量表示的環(huán)境相對(duì)濕度與實(shí)際的相對(duì)濕度之間的誤差就越大。另外，一切電阻式濕度傳感器都必須使用交流電源，否則性能會(huì)劣化甚至失效。電解質(zhì)濕度傳感器的電導(dǎo)是靠離子的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負(fù)離子必然向電源兩極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞；在交流電源作用下，正負(fù)離子往返運(yùn)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會(huì)被破壞。交流電源的頻率選擇是，在不產(chǎn)生正、負(fù)離子定向積累情況下盡可能低一些。但加交流電壓后會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，所以，交流電壓值不能過(guò)高，要有一定的限度，在高頻情況下，測(cè)試引線的容抗明顯下降，會(huì)把濕敏電阻短路。另外，濕敏膜在高頻下也會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)，阻值發(fā)生變化，影響到測(cè)濕靈敏度和準(zhǔn)確性。除此之外，響應(yīng)時(shí)間、濕滯回線、濕滯回差等也不容忽略。響應(yīng)時(shí)間越短，表明濕敏元件的吸濕過(guò)程和脫濕過(guò)程越快，濕滯回差越小，濕敏元件的性能越好。故采用振蕩電路作為濕敏元件的測(cè)試電路11。圖3.10 濕度傳感器模塊電路在濕度檢測(cè)電路中，以5V交流電作為濕敏電阻的工作電壓。多諧振蕩器只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。假設(shè)當(dāng)電源接通后，電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)，電容C上電壓略低于，輸出高電平，截止，電源通過(guò)給電容C充電。隨著充電的進(jìn)行逐漸增高，但只要，輸出電壓就一直保持高電平不變，這就是第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電容C上的電壓略微超過(guò)時(shí)，RS觸發(fā)器置 0，使輸出電壓從原來(lái)的高電平翻轉(zhuǎn)到低電平，即，導(dǎo)通飽和，此時(shí)電容C通過(guò)和放電。隨著電容C放電，下降，但只要，就一直保持低電平不變，這就是第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)UC下降到略微低于時(shí)，RS觸發(fā)器置 1，電路輸出又變?yōu)?1，截止，電容C再次充電，又重復(fù)上述過(guò)程，電路輸出便得到周期性的矩形脈沖14。諧振蕩器的振蕩周期為兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間，。求得電容C的充電時(shí)間和放電時(shí)間各為 （3.7） （3.8）因此，振蕩周期 （3.9）通過(guò)頻率值轉(zhuǎn)換為所對(duì)應(yīng)的濕度值，就得到了所測(cè)的濕度值。3.2信號(hào)分析單片機(jī)專業(yè)名稱Micro Controller Unit(微控制器件)它是由INTEL公司發(fā)明的，最早的系列是MCS-48后來(lái)有了MCS-51我們經(jīng)常說(shuō)的51系列單片機(jī)就是MCS-51micro controller system，它是一種8位的單片機(jī)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，單片機(jī)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，因此選擇合適的單片機(jī)型號(hào)很重要。根據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能需要的單片機(jī)硬件資源，在性能指標(biāo)滿足的情況下，該系統(tǒng)的單片機(jī)型號(hào)選擇8051系列的STC89C52芯片。本系統(tǒng)中，選擇STC89C52單片機(jī)為該系統(tǒng)的總控芯片，STC89C52單片機(jī)可把由溫度、濕度檢測(cè)電路檢測(cè)出的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示模塊，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的顯示；通過(guò)鍵盤設(shè)定溫濕度報(bào)警值，超過(guò)溫度、濕度上下限由蜂鳴器實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的報(bào)警。3.2.1 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)STC89C52系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，指令碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇13。STC89C52具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇，可以滿足系統(tǒng)在各個(gè)子模塊程序之間的切換；STC89C52的運(yùn)算速度可滿足一般的設(shè)計(jì)要求；而且STC系列單片機(jī)支持ISP在線編程功能，可以不用昂貴的編程器6。8051系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是各種邏輯單元及其之間的互連構(gòu)成的。主要包含中央處理器（CPU）、程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，8051系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架示意圖，如圖3.11所示。圖3.11 8051系類單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖1.主要性能參數(shù)：(1) 與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容(2) 8k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲(chǔ)器(3) 1000次擦寫周期(4) 4.0-5.5V的工作電壓范圍(5) 全靜態(tài)工作模式：0Hz-33MHz(6) 三級(jí)程序加密鎖(7) 128*8字節(jié)內(nèi)部RAM(8) 32個(gè)可編程I/O口線(9) 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器(10)6個(gè)中斷源(11)全雙工串行UART通道(12)低功耗空閑和掉電模式(13)中斷可從空閑摸喚醒系統(tǒng)(14)看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針7中央處理器：中央處理器(CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，51系列單片機(jī)是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，它能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼。CPU主要由算術(shù)邏輯部件，控制器和專用寄存器三部分電路組成。它負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)：數(shù)據(jù)存取器（RAM）可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。8051內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的RAM只有128個(gè)。程序存儲(chǔ)器(ROM)：程序存取器（ROM）用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格等。8051共有4096個(gè)8位掩膜ROM。 定時(shí)/計(jì)數(shù)器：定時(shí)/計(jì)數(shù)器用于硬件的定時(shí)或計(jì)數(shù)。8051有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，也可產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出(I/O)口：?jiǎn)纹瑱C(jī)的并行輸入輸出（I/O）口主要用于和外部設(shè)備進(jìn)行通信，以便于處理外部的輸入和將運(yùn)算結(jié)果反饋到外部設(shè)備。8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：全雙工串行口主要用于與其他設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送。8051內(nèi)置一個(gè)全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用中斷系統(tǒng)：8051具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇。時(shí)鐘電路：8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但8051單片機(jī)需外置振蕩電容8。2.管腳說(shuō)明：8051系列單片機(jī)采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，它們的引腳配置如圖3-2所示，40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根，4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。圖3.12 8051系類單片機(jī)管腳圖VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。3.2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展是以基本最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，故應(yīng)首先熟悉應(yīng)用應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復(fù)位電路，其電路圖如圖3.13所示。圖3.13 單片機(jī)最小系統(tǒng)1.復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位的原理是在時(shí)鐘電路開始工作后，在單片機(jī)的RST引腳施加24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖（即兩個(gè)機(jī)器周期）以上的高電平，單片機(jī)便可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。在復(fù)位期間，單片機(jī)的ALE引腳和PSEN引腳均輸出高電平。當(dāng)RST引腳從高電平跳變?yōu)榈碗娖胶螅瑔纹瑱C(jī)便從0000H單元開始執(zhí)行程序。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用既可以手動(dòng)復(fù)位，又可以上電復(fù)位的電路，這樣可以人工復(fù)位單片機(jī)系統(tǒng)，這種電路如圖3.13復(fù)位部分所示。上電復(fù)位電路部分的原理也是RC電路的充放電效應(yīng)。除了系統(tǒng)上電的時(shí)候可以給RST引腳一個(gè)短暫的高電平信號(hào)外，當(dāng)按下按鍵開關(guān)的時(shí)候，VCC通過(guò)一個(gè)高電阻連接到RST引腳，給RST一個(gè)高電平，按鍵松開的時(shí)候，RST引腳恢復(fù)為低電平，復(fù)位完成。2.晶振電路時(shí)鐘電路是用于產(chǎn)生單片機(jī)正常工作時(shí)所需要的時(shí)鐘信號(hào)。STC89C52單片機(jī)內(nèi)部包含有一個(gè)振蕩器，可以用于CPU的時(shí)鐘源。另外也可以采用外部振蕩器，由外部振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)供內(nèi)部CPU運(yùn)行使用。(1)內(nèi)部時(shí)鐘模式內(nèi)部時(shí)鐘模式是采用單片機(jī)內(nèi)部振蕩器來(lái)工作的模式。51系列單片機(jī)內(nèi)部包含有一個(gè)高增益的單級(jí)反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別為片內(nèi)放大器的輸入端口和輸出端口,其工作頻率為033MHz。當(dāng)單片機(jī)工作于內(nèi)部時(shí)鐘模式的時(shí)候，只需在XTAL1引腳和XTAL2引腳連接一個(gè)晶體振蕩器或陶瓷振蕩器，并聯(lián)兩個(gè)電容后接地即可，如圖3-6所示。使用時(shí)對(duì)于電容的選擇有一定得要求，具體如下：A 當(dāng)外接晶體振蕩器的時(shí)候，電容值一般選擇C1=C2=3010pF；B 當(dāng)外接陶瓷振蕩器的時(shí)候，電容值一般選擇C1=C2=4010pF。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，盡量保證外接的振蕩器和電容盡可能接近單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳，這樣可以減少寄生電容的影響，使振蕩器能夠穩(wěn)定可靠地為單片機(jī)CPU提供時(shí)鐘信號(hào)。(2)外部時(shí)鐘模式外部時(shí)鐘模式是采用外部振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，直接提供給單片機(jī)使用。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，外部時(shí)鐘信號(hào)接入的方式有所不同。對(duì)于普通的8051單片機(jī)，外部時(shí)鐘信號(hào)由XTAL2引腳接入后直接送到單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，而引腳XTAL1則應(yīng)直接接地。這里需要注意，由于XTAL2引腳的邏輯電平不是TTL信號(hào)，因此外接一個(gè)上拉電阻。對(duì)于CMOS型的80C51,80C52,AT89S52等單片機(jī)，和普通的8051不同的是其內(nèi)部的時(shí)鐘信號(hào)取自于反相放大器的輸入端。因此外部的時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)該接到單片機(jī)的XTAL1引腳，而XTAL2引腳懸空即可。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，我們選擇內(nèi)部時(shí)鐘電路，外接頻率12.000MHz的晶體振蕩器，選擇兩個(gè)電容值為30pF的陶瓷電容。3.2.3 RS232串口模塊串行接口是單片機(jī)與外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的主要途徑。51系類單片機(jī)提供了功能強(qiáng)大的全雙工串行通信接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信或單片機(jī)與主機(jī)之間的通信。串行通信是指數(shù)據(jù)的各個(gè)二進(jìn)制位按照順序一位一位地進(jìn)行傳輸。這種通信方式的優(yōu)點(diǎn)是所需的數(shù)據(jù)線少，節(jié)省硬件成本及單片機(jī)的引腳資源，并且抗干擾能力強(qiáng)，適合于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，缺點(diǎn)是每次發(fā)送一個(gè)比特，導(dǎo)致傳輸速度慢，效率低。1.串行通信簡(jiǎn)介單片機(jī)的串行通信是將數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位，按照一定的順序進(jìn)行逐位發(fā)送，接收方則按照對(duì)應(yīng)的順序逐位接收，并將數(shù)據(jù)恢復(fù)出來(lái)。單片機(jī)的串行通信有異步通信和同步通信兩種基本方式。下面分別介紹。(1)異步通信方式異步通信是一種利用數(shù)字或字符的再同步技術(shù)的通信方式，其全稱為Asynchronous Communication。在異步通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)通常是以幀為單位進(jìn)行傳送的，每個(gè)幀為一個(gè)字符或一個(gè)字節(jié)。發(fā)送方將字符幀一位一位地發(fā)送出去，接收方則一位一位地接收該字符幀。發(fā)送方和接收方各自有一個(gè)控制發(fā)送和接收的時(shí)鐘，這兩個(gè)時(shí)鐘不同，相互獨(dú)立。一個(gè)字符幀按順序一般可以分為4部分，即起始位，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗(yàn)位和停止位。在異步通信的過(guò)程中，數(shù)據(jù)幀在傳輸線上的傳送一般是不連續(xù)的，即傳輸時(shí)，字符間隔不固定，各個(gè)字符幀可以是連續(xù)發(fā)送，也可以是間斷發(fā)送，在間斷發(fā)送時(shí)，停止位之后，傳輸線路上自動(dòng)保持高電平。異步串行通信的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行時(shí)鐘同步，字符幀的長(zhǎng)度不受限制，使用起來(lái)比較方便，應(yīng)用范圍廣；其缺點(diǎn)是傳送每個(gè)字符都要有起始位，奇偶校驗(yàn)位和停止位，這樣便降低了有效地?cái)?shù)據(jù)傳輸速率。(2)同步通信方式同步通信方式是一種連續(xù)的串行傳輸數(shù)據(jù)的通信方式，其全稱為Synchronous Communication。同步串行通信的一次通信過(guò)程只傳送一幀的信息。同步通信由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符三部分組成。同步通信吧要發(fā)送的數(shù)據(jù)按順序連接成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，在數(shù)據(jù)塊的開頭附加同步字符，在數(shù)據(jù)塊的末尾附加差錯(cuò)校驗(yàn)字符。在數(shù)據(jù)塊的內(nèi)部，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間沒有間隔。在進(jìn)行同步串行通信時(shí)，發(fā)送方首先發(fā)送同步字符，數(shù)據(jù)則緊跟其后發(fā)送。接收方檢測(cè)到同步字符后，開始逐個(gè)接收數(shù)據(jù)，直到所有數(shù)據(jù)接收完畢，然后按照雙方規(guī)定的的長(zhǎng)度恢復(fù)成一個(gè)一個(gè)的數(shù)據(jù)字節(jié)，最后進(jìn)行校驗(yàn)，如果無(wú)傳輸錯(cuò)誤，則可以結(jié)束一幀的傳輸。同步串行通信的優(yōu)點(diǎn)是不用單獨(dú)發(fā)送每個(gè)字符，其傳輸速率高，一般用于高速率的數(shù)據(jù)通信場(chǎng)合；缺點(diǎn)是需要進(jìn)行發(fā)送方和接收方之間的時(shí)鐘同步，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。2.串口通信電路串口通信電路如圖3.14所示。圖中，51單片機(jī)的串行數(shù)據(jù)輸出端口TXD連接到MAX232第一組收發(fā)器的輸入端口T1 IN，用于向PC發(fā)送數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)輸入端口RXD連接到MAX232第一組收發(fā)器的輸出端口R1 OUT，用于接收PC串行輸入的數(shù)據(jù)。PC的串行數(shù)據(jù)輸入端口RXIN連接到MAX232第一組收發(fā)器的輸出端口T1 OUT,用于接收單片機(jī)發(fā)送的串行數(shù)據(jù)，PC的串行數(shù)據(jù)輸出端口R1IN連接到MAX232第一組收發(fā)器的輸入端口