糧倉的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計.doc

糧倉的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計作者姓名：專業(yè)名稱：測控技術(shù)與儀器指導教師：摘要隨著單片機技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，單片機測控技術(shù)已得到了廣泛的推廣和應用。這種單片機的測試技術(shù)為工業(yè)控制、家用電器和儀器儀表智能化的應用提供了一種全新的、有效的測試方法，并具有很大的實用意義和前景。本文根據(jù)糧倉環(huán)境測試的特點，應用現(xiàn)代檢測理論，對溫室的溫度、濕度等環(huán)境因子進行自動檢測，完成了整個監(jiān)測檢測系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。第一章對糧倉自動監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展背景及現(xiàn)狀作一簡單介紹，并確定了本論文的設(shè)計方向;第二章介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計;第三章介紹了系統(tǒng)軟件的模塊化設(shè)計;最后對整個系統(tǒng)的改進提出幾點建議。關(guān)鍵詞: 糧倉；現(xiàn)代檢測技術(shù)；單片機；微處理器 AbstractWith the continuous development of the microprocessor technology and industry automation level,the technology of microprocessor test has been widely spread and applied.This technology was based on modern test theory and provided a kind of fire-new and effective control method in application of industry control, household appliances and instrument intelligence, it has prodigious practical use and prospect. In this paper, according to the character of environment test in graindepot, we applied modern theory to realize auto-test to temperature and humidity. We accomplished the software and hardware design of the whole test system finally. In the first chapter, the paper introduced simply the background and development condition of auto-test system in grand put in graindepot forward the research subject. In the second chapter, this paper introduced hardware design of system. In the third chapter, the paper introduced software design of system. Finally, several pieces of suggestions were put to improve the whole system.keywords: Graindepot ;Modern test technology; Microprocessor目錄摘要Abstract目錄IV1緒論11.1研究的背景和意義11.2糧情檢測技術(shù)的國內(nèi)外研究動態(tài)1 1.3溫度傳感器技術(shù)的國內(nèi)外研究動態(tài).11.4濕度傳感器技術(shù)的國內(nèi)外研究動態(tài).21.5本課題的主要研究目標及內(nèi)容.22系統(tǒng)的硬件設(shè)計.3 2.1總體設(shè)計4 2.2信號采樣電路設(shè)計5 2.2.1溫度采樣電路設(shè)計.6 2.2.1.1溫度傳感器的選擇.6 2.2.1.2溫度檢測電路的設(shè)計.8 2.2.2濕度采樣電路設(shè)計.9 2.2.2.1濕度傳感器的選擇10 2.2.2.2濕度檢測電路11 2.3單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計.12 2.3.1單片機復位電路的設(shè)計.12 2.3.2單片機時鐘電路的設(shè)計.13 2.3.3 8031單片機系統(tǒng).14 2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路.15 2.4.1 A/D轉(zhuǎn)換的常用方法.162.4.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標.17 2.4.3 ADC0809的主要特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu).18 2.4.4 ADC0809管腳功能及定義.19 2.4.5 ADC0809與8031的接口電路.202.5鍵盤/顯示器接口電路設(shè)計.212.5.1鍵盤接口設(shè)計.212.5.1.1鍵盤工作原理.222.5.1.2 8031經(jīng)8155與鍵盤接口方法232.5.2顯示器接口設(shè)計.232.5.2.1LED顯示器結(jié)構(gòu)與原理.232.5.2.2 8031經(jīng)8155與顯示器接口方法242.6執(zhí)行及報警電路設(shè)計.253系統(tǒng)的軟件設(shè)計.26 3.1 軟件系統(tǒng)框圖及地址分配.26 3.2主程序設(shè)計.27 3.3鍵盤程序設(shè)計.28 3.4 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計.29 3.5濾波程序設(shè)計.30總結(jié).33致謝.34參考文獻.35 1緒論1.1研究的背景和意義 糧食儲藏是國家為防備戰(zhàn)爭、災荒及其它突發(fā)性事件而采取的有效措施，因此，糧食的安全儲藏具有重要意義。目前，我國地方及墾區(qū)的各種大型糧庫都還存在著程度不同的糧食儲存變質(zhì)問題。根據(jù)國家糧食保護法規(guī)定，必須定期抽樣檢查糧庫各點的糧食溫度和濕度，以便及時采取相應的措施。但大部分糧庫目前還是采取人工測量溫度和濕度的方法，這不僅使糧庫工作人員工作量增大，且工作效率低，尤其是大型糧庫的溫度和濕度檢測任務如不能及時徹底完成，則有可能會造成糧食大面積變質(zhì)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，我國每年因糧食變質(zhì)而損失的糧食達數(shù)億斤，直接造成的經(jīng)濟損失是驚人的。 影響糧食安全儲藏的主要參數(shù)是糧食的溫度和濕度，這兩者之間又是互相關(guān)聯(lián)的。糧食在正常儲藏過程中，含水量一般在12%以下(為安全狀態(tài))，不會產(chǎn)生溫度突變，一旦糧庫進水、結(jié)露等使糧食的含水量達到20%以上時，由于糧粒受潮，胚芽萌發(fā)，新陳代謝加快而產(chǎn)生呼吸熱，使局部糧食溫度突然升高，必然引起糧食“發(fā)燒”和霉變，并可能形成連鎖反應，從而造成不可挽回的損失。因此設(shè)計出一種經(jīng)濟實用的糧庫糧情溫濕度智能檢測系統(tǒng)是非常有必要的。1.2 糧情檢測技術(shù)的國內(nèi)外研究動態(tài) 糧情檢測屬監(jiān)控系統(tǒng)范疇，近年來，由于傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，使監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，因此，糧情檢測技術(shù)的研究在軟、硬件等方面都有了一定的進展。早期糧情監(jiān)測主要采用溫度計測量法，它是將溫度計放入特制的插桿中，根據(jù)經(jīng)驗插在糧堆的多個測溫點，管理人員定期拔出讀數(shù)，確定糧溫的高、低，決定是否倒糧。這種方法對儲糧有一定的作用，但由于溫度計精度、人工讀數(shù)的人為因素等原因，溫度檢測不僅速度慢，而且精度低，抽樣不徹底，局部糧溫過高不易被及時發(fā)現(xiàn)，導致因局部糧食發(fā)霉變質(zhì)引起大面積壞糧的情況時有發(fā)生。 隨著科技的發(fā)展，從1978年開始，采用電阻式溫度傳感器、采樣器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、報普器等組成的儲糧監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)，它可對各糧庫的各個測溫點進行巡回檢測，檢測速度、精度大大提高，降低了勞動強度，但由于電阻傳感器的靈敏度低，致使檢測精度、系統(tǒng)可靠性還不夠理想。至1990年，糧情檢測系統(tǒng)有了很大的改善和提高，系統(tǒng)在布線上采用矩陣式布線技術(shù)，簡化了數(shù)據(jù)采集部分的線路，在傳感器方面應用了半導體、熱電偶等器件;在線路傳輸上采用了串行傳輸方式，從而減少了傳輸線根數(shù);采用單片機進行數(shù)據(jù)處理，并采用各種手段提高數(shù)據(jù)傳輸及檢測速度，通過軟硬件技術(shù)的結(jié)合，檢測精度和可靠性較以前有很大提高。但溫度傳感器的線性度差，系統(tǒng)的檢測精度仍不理想，無法大面積推廣。近年來，隨著單片機功能的日益強大和計算機的廣泛應用，糧情檢測的準確性、穩(wěn)定性要求越來越高。尋找最佳配置和最好的性價比成為糧情監(jiān)測研究的熱點。 國外在糧情監(jiān)控技術(shù)上己達到了很成熟的地步，高科技數(shù)字式傳感器廣泛應用于糧情檢測系統(tǒng)。這種傳感器采用了半導體集成電路與微控制器最新技術(shù)，在一個管芯上集成了半導體溫度檢測芯片、數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換芯片、計算機接口芯片，存儲芯片等，除完成溫度檢測功能外，還可完成預置范圍溫度、報警、多路AD轉(zhuǎn)換、溫度補償?shù)裙δ?。由于?shù)字溫度傳感器直接傳出數(shù)字量，從而解決了溫度信號長距離傳輸問題及傳輸過程中因干擾和衰減而導致的精度降低等問題。目前，國內(nèi)出現(xiàn)了豐富的數(shù)字傳感器配套產(chǎn)品，如遠程控制模塊、中繼器、接插器、分線器等，技術(shù)也比較成熟。1.3 溫度傳感器技術(shù)的國內(nèi)外研究動態(tài) 一、熱敏電阻以溫度變化導致阻值的變化為工作原理的熱敏電阻，因其具有成本低、體積小、簡單、可靠、響應速度快、容易使用等特點，在多項溫度測量應用中受到廣泛歡迎，也是國內(nèi)糧情測控系統(tǒng)中采用最多的溫度傳感器.熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)較高，因此其自身發(fā)熱較小，信號調(diào)節(jié)較為簡單。熱敏電阻的缺點是互換性差，溫度與輸出阻值之間呈非線性關(guān)系IZ1。熱敏電阻分為正溫度系數(shù)熱敏電阻和負溫度系數(shù)熱敏電阻兩種，但在溫度測量應用中，正溫度系數(shù)熱敏電阻較少得到采用，更多采用的是負溫度系數(shù)熱敏電阻。二、數(shù)字式溫度傳感器 數(shù)字式溫度傳感器的種類也不少，但用于糧情測控系統(tǒng)的溫度傳感器主要是Dallas的DS 18x20系列溫度傳感器，其溫度檢測范圍為-55+125 C，檢測精度為士0.5 。 DS 18x20采用1-WireTM接口，封裝形式有PR-35和SSOP-16兩種，糧情測控系統(tǒng)中采用的是PR-35封裝.DS 18x20采用9個位表示測溫點的溫度值，每個DS 18x20內(nèi)部都設(shè)置有一個單一的序列號，因此可以使多個DS 18x20共存于同一根數(shù)據(jù)傳輸線上.DS 18x20內(nèi)部分為4個部分:1,64位序列號;2、保存臨時數(shù)據(jù)的8字節(jié)片內(nèi)RAM;3、保存永久數(shù)據(jù)的2字節(jié)EEPROM: 4、溫度傳感器三、光纖傳感器光纖溫度傳感器是近幾年發(fā)展的新技術(shù)，也是工業(yè)中用的最多的光纖傳感器之一。目前研究的光纖溫度傳感器主要有輻射式溫度傳感器、半導體吸收式溫度傳感器、光纖熱色傳感器等.光纖溫度傳感器的精度更高，但成本較貴。1.4 濕度傳感器技術(shù)的國內(nèi)外研究動態(tài) 近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進步.濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度崛度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平。一、濕敏元件 濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。濕敏電阻的特點是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，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量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化物濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點是靈敏度高，主要缺點是線性度和產(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、聚酞亞胺、酪酸醋酸纖維等.當環(huán)境濕度發(fā)生改變時，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濕度成正比.濕敏電容的主要優(yōu)點是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國外生產(chǎn)濕敏電容的主要廠家有Humirel公司、Philip公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產(chǎn)的HS1100型濕敏電容為例，其測量范圍是(1 %-99% ) RH，在55% RH時的電容量為180pF(典型值)。當相對濕度從0變化到100%時，電容量的變化范圍是163pF-202pF。溫度系數(shù)為0.04 pF/ C，濕度滯后量為士1.5%，響應時間為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改變振蕩頻率)、光強型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環(huán)境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。二、集成濕度傳感器 目前，國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)品分別為Honeywe”公司(H1H-3602, HIH-3605, HIH-3610型)，Humirel公司(HM 1500, HM 1520, 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。其主要特點是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度成比例關(guān)系的伏特級電壓信號，響應速度快，重復性好，抗污染能力強。2、線性頻率輸出式集成濕度傳感器 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時的輸出頻率為8750Hz(典型值)，當相對濕度從10%變化到95%時，輸出頻率就從9560Hz減小到8030Hze這種傳感器具有線性度好、抗干擾能力強、便于配數(shù)字電路或單片機、價格低等優(yōu)點。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，還增加了溫度信號輸出端，利用負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻作為溫度傳感器。當環(huán)境溫度變化時，其電阻值也相應改變并且從NTC端引出，配上二次儀表即可測量出溫度值fl01.5 本課題的主要研究目標及內(nèi)容1.5.1 設(shè)計目標實現(xiàn)溫室溫、濕度的自動監(jiān)測。1.5.2 設(shè)計內(nèi)容1.設(shè)計相應的信號采集電路、執(zhí)行電路等硬件電路;2.實現(xiàn)各環(huán)境要素的自動監(jiān)測;3.通過單片機匯編語言編制數(shù)據(jù)采集、分析處理、顯示、修改、參數(shù)設(shè)置、控制等程序功能模塊;4.研究裝置的軟硬件抗干擾措施，提高系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。 2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1總體設(shè)計總的設(shè)計思想是通過溫、濕度傳感器將溫度、濕度值轉(zhuǎn)換為電量輸出，由A/D轉(zhuǎn)換器對模擬信號進行數(shù)字化，被數(shù)字化的信號經(jīng)過單片機處理后，送顯示器及執(zhí)行機構(gòu)，完成溫、濕度聲光報警的功能，總體設(shè)計框圖如圖3-1所示。本系統(tǒng)完成以下功能:可對溫、濕度進行多點自動檢測、顯示、報警。當溫、濕度超過上、下限設(shè)定值時，可自動發(fā)出聲光報警，報警的上下限值可通過鍵盤隨時設(shè)定。為實現(xiàn)以上功能需安排以下五個部分組成整個控制系統(tǒng)如圖3-2所示。系統(tǒng)的硬件組成: (1)信號采樣電路 (2)單片機基本系統(tǒng)(8031) (3) A/D轉(zhuǎn)換電路 (4)鍵盤和顯示電路 (5)執(zhí)行電路2.2信號采樣電路設(shè)計 采樣電路在整個控制裝置中占據(jù)著十分重要的地位，采樣值是8031主要處理的數(shù)據(jù)，是實施控制的依據(jù)，所以保證采樣電路的準確是進行良好控制的基礎(chǔ)。2.2.1溫度采樣電路設(shè)計2.2.1.1溫度傳感器的選擇 溫度傳感器的種類很多，根據(jù)溫室使用條件，選擇恰當?shù)膫鞲衅黝愋筒拍鼙ＷC測量的準確可靠，并同時達到增加使用壽命和降低成本的目的。根據(jù)溫室溫度控制的特點，本系統(tǒng)中溫度傳感器選用 AD590集成溫度傳感器。 集成溫度傳感器實質(zhì)上是一種半導體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值與熱力學溫度T和通過發(fā)射極電流I的關(guān)系實現(xiàn)對溫度的檢測:式中，K一波爾茲常數(shù);q一電子電荷絕對值。 集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、體積小、使用方便等優(yōu)點，得到廣泛應用。集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K,溫度0時輸出為0，溫度25時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1 A/K 。 AD590是美國模擬器件公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源。該器件具有良好的線性和互換性，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。它的主要特性參數(shù)如下:1. 流過器件的電流(A)等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度(開爾文)度數(shù)，=lnI式中:流過器件(AD590)的電流，單位為A;T熱力學溫度，單位為K。2. AD590的測溫范圍為一55+150。3AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V一6V范圍變化，電流變化1A,相當于溫度變化1K。 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被損壞。4.輸出電阻為710M。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)，非線性誤差為士0.3 。6.靈敏度:1 A/K 。2.2.1.2 溫度檢測電路的設(shè)計在設(shè)計測溫電路時，首先應將電流轉(zhuǎn)換成電壓。因為流過AD590的電流與熱力學溫度成正比，當電阻R1和電位器RP1的電阻之和為10k時，輸出電壓隨溫度的變化為l0mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應對電路進行調(diào)整。為了使此電阻精確(0.1%)，可用一個9.6k的電阻與一個1 k電位器串聯(lián)，然后通過調(diào)節(jié)電位器來獲得精確的l0k的電阻。溫度檢測電路如圖3-3所示，其中運算放大器A1被接成電壓跟隨器形式，以增加信號的輸入阻抗。而運放A2的作用是把絕對溫標轉(zhuǎn)換成攝氏溫標，給A2的同相輸入端輸入一個恒定的電壓，然后將此電壓放大到2.732V。這樣，A1與A2輸出端之間的電壓即為轉(zhuǎn)換成的攝氏溫標。 將AD590放入0 的冰水混合溶液中，A1同相輸入端的電壓應為2.732V同樣使A2的輸出電壓也為2.732V，因此A1與A2兩輸出端之間的電壓為0V,即對應于0。 AD590溫度與電流的關(guān)系如表3-1所示。2.2.2濕度采樣電路設(shè)計2.2.2.1濕度傳感器的選擇在非電物理量的檢測中，濕度的測量是比較困難的。濕度信號的傳遞必須靠水對濕敏元件直接接觸來完成，因此濕敏元件只能直接暴露于待測環(huán)境中，而不能密封，這些都導致濕度傳感器的壽命較短。目前已有幾十種濕敏器件，按感濕材料來分，大致有四類:電解質(zhì)、半導體陶瓷、高分子和其它。本系統(tǒng)需要檢測溫室內(nèi)空氣的相對濕度，它是絕對濕度和飽和濕度之比。根據(jù)溫室濕度控制的特點，本系統(tǒng)中濕度傳感器選用型濕度傳感器。型濕度傳感器屬于電容型的高分子材料制成的濕敏元件，它的傳感功能是通過高分子聚合物在吸濕后而引起介電常數(shù)的變化來完成的。它具有線形度好、滯后性小、響應快以及能在較寒冷的環(huán)境中使用等優(yōu)點，其主要的特性參數(shù)為: 工作環(huán)境溫度:-30+80 ; 相對濕度測量范圍:0100%RH ; 測濕精度:士4%RH.2.2.2.2濕度檢測電路濕度檢測電路由濕度傳感器型濕度傳感器、振蕩電路、整流電路、輸出放大電路等組成。濕度檢測電路如圖3-4所示。振蕩電路為RC橋式振蕩電路，傳感器特性的線形補償由R1, R2完成，D1, D2, D3用于輸入保護，A1, A2為運算放大器，A2接成電壓跟隨器。當環(huán)境濕度發(fā)生變化時，傳感器的電容量也隨著變化，這種變化反應到由振蕩電路提供的正弦波信號，通過電壓跟隨器輸出電壓值。2.3單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計2.3.1單片機復位電路的設(shè)計復位電路是單片機應用中重要的一環(huán)，它對單片機抗干擾有重要作用。在振蕩運行的情況下，要實現(xiàn)復位操作，必須使RST引腳至少保持兩個機器周期的高電平。復位期間不產(chǎn)生ALE及PSEN信號。復位后，各內(nèi)部寄存器狀態(tài)如表3-2所示。8031單片機的復位電路如圖3-5所示。2.3.2單片機時鐘電路的設(shè)計單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種:內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本系統(tǒng)中8031單片機采用內(nèi)部時鐘方式。最常用的內(nèi)部時鐘方式是采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHz12MHz之間。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小和振蕩電路起振速度有少許影響，一般可在20pF-100pF之間取值。8031單片機的時鐘電路如圖3-6所示。2.3.3 0831單片機系統(tǒng)一個最小8031單片機系統(tǒng)有CPU（8031) , 8位3態(tài)D鎖存器74LS373，ROM或RAM,時鐘電路和復位電路等基本電路組成。2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路由信號處理電路輸出的信號為模擬信號，而單片機只能處理數(shù)字量，所以必須首先將模擬量經(jīng)過一定電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機才能處理，這種電路被稱為A/D轉(zhuǎn)換電路，是模擬系統(tǒng)與計算機之間的接口部件。2.4.1 A/D轉(zhuǎn)換的常用方法 A/D轉(zhuǎn)換的常用方法有:雙積分式A/D轉(zhuǎn)換、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換、計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換等。 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換的工作原理是將對輸入電壓的測量，轉(zhuǎn)換成對基準源積分時間的測量，再測量時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。這種方法的主要優(yōu)點是分辯率高、精度高、抗干擾性好;主要缺點是轉(zhuǎn)換速度慢。 逐次逼近型A/D由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，川頁序地增加內(nèi)部D/A的輸入值，并將其輸出電壓與A/D測量輸入電壓比較，當二者相等時，內(nèi)部D/A的輸入值就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。這種方法的主要優(yōu)點是速度快、功耗低;主要缺點是抗干擾性差。2.4.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標有:分辨率、精度、量程、轉(zhuǎn)換時間等。分辨率(Resolution)分辨率反映轉(zhuǎn)換器所能分辨的被測量的最小值。通常用輸出二進制代碼的位數(shù)來表示。8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位。 精度（Precision )精度指的是轉(zhuǎn)換的結(jié)果相對于實際的偏差，精度有兩種表示方法:絕對精度和相對精度。絕對精度用最低位(LSB)的倍數(shù)來表示，如: 如1LSB ;相對精度用絕對精度除以滿量程值的百分數(shù)來表示，如:士0.05%。同樣分辨率的轉(zhuǎn)換器其精度可能不同。量程(滿刻度范圍一Full Scale Range)量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。如:某轉(zhuǎn)換器具有10V的單極性范圍或一5一+5V的雙極性范圍，它們的量程都為10V。實際的A/D , D/A轉(zhuǎn)換器的最大輸入/輸出值總是比滿刻度值小。轉(zhuǎn)換時間(Conversion Time ) A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間是指:從啟動轉(zhuǎn)換開始，直至取得穩(wěn)定的數(shù)字量或模擬量所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換器工作原理及其位數(shù)有關(guān)。同種工作原理的轉(zhuǎn)換器，通常位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換時間越長。2.4.3 ADC0809的主要特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用ADC0809大規(guī)模集成電路芯片，它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，輸出的數(shù)字信號有二態(tài)緩沖器，可以和單片機直接接口。ADC0809的主要技術(shù)指標為:分辨率:8位;單電源供電:+5V;最大不可調(diào)誤差小于 士1LSB ; 轉(zhuǎn)換時間為100s (時鐘頻率為640KHz);模擬輸入范圍:單極性。05V;不必進行零點和滿刻度調(diào)整;功耗為15Mw;ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個8位A/D轉(zhuǎn)換器和一個二態(tài)輸出鎖存器組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-7所示。2.4.4 ADC0809管腳功能及定義 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的管腳定義如圖3-8所示。IN0IN7 : 8通道模擬量輸入。ADDA, ADDB, ADDC: A, B, C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表3-3所示。ALE:地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖 存與譯碼器將A, B, C二條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。D0一D7: 8位輸出數(shù)據(jù)線(二態(tài))，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由這8根線傳送給單片機。OE:允許輸出信號。當OE = 1時，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù);當OE=0時，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。START:轉(zhuǎn)換啟動信號。START為正脈沖，其上跳沿所有內(nèi)部寄存器清零;下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換;在轉(zhuǎn)換期間，START應保持低電平。EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束;否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。CLK:時鐘輸入信號。因ADC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，頻率范圍為10KHz1.2MHz，典型值為640KHz.2.4.5 ADC0809與8031的接口電路ADC0809有8個通道的模擬量輸入，在程序控制下，可令任意通道進行A/D轉(zhuǎn)換并可得到相應的8位二進制數(shù)字量. ADC0809與8031單片機的連接如附圖2所示。2.5鍵盤/顯示器接口電路設(shè)計2.5.1鍵盤接口設(shè)計鍵盤是常用的單片機輸入設(shè)備之一。一般鍵盤由若干個按鍵組成，操作人員通過鍵盤輸入命令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人機對話。用于計算機系統(tǒng)的鍵盤有兩類:一類是編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別由專用硬件實現(xiàn)。另一類是非編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別由軟件實現(xiàn)。在單片機應用系統(tǒng)中為了降低成本，簡化硬件電路，大多數(shù)采用非編碼鍵盤。本系統(tǒng)中8031通過并行接口(8155芯片)與鍵盤接口。2.5.1.1鍵盤工作原理鍵盤是常用的單片機輸入設(shè)備之一。一般鍵盤由若干個按鍵組成，操作人員通過鍵盤輸入命令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人機對話。用于計算機系統(tǒng)的鍵盤有兩類:一類是編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別由專用硬件實現(xiàn)。另一類是非編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別由軟件實現(xiàn)。在單片機應用系統(tǒng)中為了降低成本，簡化硬件電路，大多數(shù)采用非編碼鍵盤。本系統(tǒng)中8031通過并行接口(8155芯片)與鍵盤接口。2.5.1.1鍵盤工作原理 3x3的鍵盤結(jié)構(gòu)如圖3-9所示，圖中列線通過電阻接+5 V。當鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行線和列線斷開，列線y0y2都呈高電平。當鍵盤上某一個鍵閉合時，則該鍵所對應的行線和列線短路。例如1號鍵閉合時，行線x0和列線y1短路，此時y1的電平由行線x0的電位所決定。如果把列線接到微機的輸入口，行線接到微機的輸出口，則在微機的控制下，使行線x0為低電平，其余x1, x2都呈高電平，讀列線狀態(tài)。如果y0, y1, y2都為高電平，則x0這一行上沒有鍵閉合，如果讀出的列線狀態(tài)不全為高電平，則為低電平的列線與x0相交處的鍵處于閉合狀態(tài);這種逐行逐列的檢查鍵盤狀態(tài)的過程稱為對鍵盤的一次掃描。CPU對鍵盤掃描可以采用定時控制方式，每隔一定時間，CPU對鍵盤掃描一次，也可以采用中斷控制方式。每當鍵盤上有鍵閉合時，向CPU請求中斷，CPU響應鍵盤輸入中斷，對鍵盤掃描，以識別哪一個鍵處于閉合狀態(tài)，并對鍵輸入信息做出相應處理。CPU對鍵盤上閉合鍵的鍵號確定，可以根據(jù)行線和列線的狀態(tài)訓一算求得。2.5.1.2 8031經(jīng)8155與鍵盤接口方法鍵盤電路由8155PA口、PC口和2x8矩陣結(jié)構(gòu)形式的16只鍵組成，其中10只數(shù)碼鍵、6只功能鍵。在鍵盤掃描電路中，8155的PA口用做控制鍵掃描的列線，是輸出口，也稱鍵掃描口。PC口用做輸入口，其中PCO,PC1接鍵盤的行線，稱鍵輸入口。閉合鍵的鍵值確定:根據(jù)該鍵所在的行、列值決定。例如:閉合鍵4，鍵4所在的行為第0行，其行首鍵號為0,第4列，閉合鍵值由下式計算得到:鍵值=行首鍵號+列號=0+4=4。其邏輯電路如附圖3所示。2.5.2顯示器接口設(shè)計顯示器是最常用的輸出設(shè)備，特別是發(fā)光二極管顯示器(LED)和液晶顯示器(LCD)，由于結(jié)構(gòu)簡單、價格便肩、接口容易，得到廣泛的應用，尤其在單片機系統(tǒng)中大量使用。本系統(tǒng)中8031通過并行接口(8155芯片)與LED顯示器接口。2.5.2.1 LED顯示器結(jié)構(gòu)與原理七段LED顯示器共有8個發(fā)光二極管。其中7個發(fā)光二極管用于構(gòu)成七筆字形，另一個發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點。七段LED顯示器有共陰極和共陽極兩種接法，如圖3-10所示。共陰極接法，即將8個發(fā)光二極管的陰極連接在一起，高電平輸入有效(LED發(fā)光)。共陽極接法，即將8個發(fā)光二極管的陽極連接在一起，低電平輸入有效(LED發(fā)光)。七段LED顯示器顯示原理簡單，只要控制其中各段LED的亮與火即可顯示出相應的數(shù)字、字母或符號。 常用的顯示方法有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示器顯示某一個字符時，相應的發(fā)光二極管恒定的導通或截止。這種顯示方式，每一位都需要有一個8位輸出口控制，所以占用硬件多，一般用于顯示器位數(shù)較少的場合。所謂動態(tài)顯示，就是單片機定時的對顯示模塊件掃描，顯示模塊件分時工作，每次只能有一個器件顯示。但由于人視覺的暫留現(xiàn)象，所以仍感覺所有的器件都在顯示。動態(tài)顯示的最大優(yōu)點是使用硬件少，接口電路簡單，但它要求CPU頻繁的為顯示服務。本系統(tǒng)中將采用動態(tài)掃描的方法。2.5.2.2 8031經(jīng)8155與顯示器接口方法顯示電路由8155的PA口、PB口、8只LED顯示器等組成。LED選用共陰極的七段顯示器，并采用動態(tài)顯示原理，即有低位到高位，一位一位顯示，對每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。因此，控制顯示器公共陰極電位的I/O口只需一個，現(xiàn)選用PB口輸出位選碼，稱為掃描口。位選碼中為0的位是被選中的顯示位。此外，控制各位顯示器所顯示的字形也需一個I/O口，現(xiàn)選用PA口，PA口的輸出與LED相連完成段選功能。PA口的段選碼和PB口的位選碼相配合就可顯示相應位的字碼了。其邏輯電路如附圖3所示。2.6執(zhí)行及報警電路設(shè)計該執(zhí)行電路按要求直接控制風機和電爐等設(shè)備，并對超過溫、濕度上下限給出聲光報警信號。以PI口的P1.01.4控制加濕器、風扇等設(shè)備，P1.5P1.7用于聲光報警。在控制電路中，為避免中間繼電器動作對整個裝置產(chǎn)生干擾，采用光電耦合器隔離。執(zhí)行電路的硬件設(shè)計如附圖4所示。(圖中僅畫出一路輸出控制電路及聲光報警電路) 3系統(tǒng)的軟件設(shè)計本章在硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，全面闡述各部分軟件的設(shè)計思想和具體實現(xiàn)方法。整個軟件采用模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)，并利用匯編語言編制。整個程序由主程序、顯示、鍵盤掃描、A/D轉(zhuǎn)換、模糊控制、采樣濾波等子程序模塊組成。3.1軟件系統(tǒng)框圖及地址分配本系統(tǒng)選用8031單片機為主機，由于其片內(nèi)無程序存儲器，所以擴展8KB EPROM 2764作為程序存儲器，8KB RAM 6264作為數(shù)據(jù)存儲器，74LS373作為地址鎖存器，8位輸入A/D轉(zhuǎn)換器(ADC0809)和I/O接口芯片8155可編程并行I/O擴展接口。通過8155支持下的8位LED顯示器、2x8鍵盤輸入，以實現(xiàn)人機通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。 在單片機中，由于片內(nèi)、片外RAM, ROM以及I/O存儲空間的地址編制是統(tǒng)一的，根據(jù)軟件系統(tǒng)總體框圖，所有片選線由74LS138統(tǒng)一譯碼，地址分配如下: 2764接YO，地址范圍為OOOOH1FFFH; 6264接Y1，地址范圍為2000H3FFFH; 8155接Y2, IO/M接P2.0，命令狀態(tài)口為4100H; A口:4101H; B口:4102H; C口:4103H; ADC0809接Y3, ADD-A, B, C分別接P0.0, P0.1、P0.2 INO:7FF8H IN1:7FF9H IN2:7FFAH IN3:7FFBH IN4: 7FFCH INS:7FFDH IN6: 7FFEH IN7: 7FFFH3.2主程序設(shè)計主程序框圖如圖4-2所示。程序初始化包括寄存器設(shè)置、堆棧設(shè)置和相關(guān)單元清零設(shè)置等。主程序存放于EPROM 2764中，啟動后循環(huán)執(zhí)行，不停地進行采樣計算，得出實際溫、濕度值，并與設(shè)定值進行比較，實現(xiàn)聲光報警信號。主程序: ORG 0000HAJMP MAINORG 0100HADO EQU7FF8HPORT EQU 4100HPORTA EQU 4101HPORT B EQU 4102HPORTC EQU 4103HMAIN: MOV SP, #60H ;設(shè)置堆棧MOV DPTR, #PORT ；8155初始化 MOV A,#03H ；8155A口、B口為輸出，C口為 MOV DPTR,A；輸入方式 MOV 50H,#19H；溫度設(shè)定值存于50H單元，設(shè)定值25 MOV 51H,#46H；濕度設(shè)定值存于51H單元，設(shè)定值70RH%MOV R0,#30H；顯示緩沖區(qū)30H到37H清0MOV A,#00HML0: MOV R0,AINC R0CJNE R0,#38H,ML0ML1: ACALL KEY CJNE 52H,#0EH,ML2；如果是A/D轉(zhuǎn)換鍵，則進行A/D轉(zhuǎn)換 ACALL AD ACALL FILTACALL FUZZYACALL DIRML2: ACALL T10 ；等待采樣時間AJMP ML13.3鍵盤程序設(shè)計 鍵盤子程序流程圖如圖4-3所示。鍵盤子程序:KEY: MOV R2，#7FH ;首列掃描字送R2MOV R3，#00H ;首列號送R3LINEO: MOV DPTR, #PORTA ;DPTR指針指向8155的A口 MOV A, R2 MOVX DPTR, A ;列掃描字送8155的A口MOV DPTR, #PORTC ;DPTR指針指向8155的C口 MOVX A, DPTR ;讀入C口的行狀態(tài)JB ACC.0，LINE1;若第0行尤鍵按下，轉(zhuǎn)判第一行MOV A, #00H ;第0行行首號送AAJMP TRYK ;求鍵號 LINE l : JB ACC.1 ,LINE2; 若第1行無鍵按下，轉(zhuǎn)掃描下一列MOV A, #08H; 第1行行首號送A AJMP TRYK; 求鍵號LINE2: INC R3 ; 掃描列號加1MOV A,R2RR A ; 掃描下一列JNB ACC.7,BACK ;若8列掃描完返回MOV R2,A ;掃描字送R2AJMP LINE0 ;轉(zhuǎn)掃描下一列TRYK: ADD A,R3;將行首號與列號相加，求鍵號MOV 52H,APR0: CJNE A,#0AH,PR1 AJMP LINE0 MOV 50H,52H;修改溫度設(shè)定值 AJMP BACKPR1: CJNE A,#0BH,PR2 AJMP LINE0 MOV 51H,52H;修改濕度設(shè)定值PR2: CJNE A,#0CH,PR3 ACALL DIR ;顯示溫度 AJMP BACKPR3: CJNE A,#0DH,BACK ACALL DIR ；顯示濕度BACK: RET3.5濾波程序設(shè)計在溫室抓制系統(tǒng)中，由于被控對象的環(huán)境比較惡劣，干擾源比較多，為了減少對采樣值的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性，常常采用數(shù)字濾波的方法。所謂數(shù)字濾波，即通過一定的計算程序，對采樣信號進行平滑加工，提高其有用信號，消除或減少各種干擾和噪音，以保證計算機系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)中采用平均值濾波的方法，其算法原理如下:連續(xù)采樣幾次，將其累加求和，同時找出其中的最大值和最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，按N-2個采樣值求平均，即得有效采樣值。平均值濾波程序流程圖如圖4-4所示。平均值濾波子程序: FILT: MOV R1，#OH MOV A, R1;先采樣X1 MOV R3，A;SUM=X1 MOV R2，#00H MOV R4，A ;MAX=X1 MOV R5, A ;MIN=X1 MOV R7，#07H FILT0: INC R1MOV A,R1 ;繼續(xù)采樣XiMOV R6,A ;暫存XiADD A,R3 SUM=SUM十XiMOV R3,ACLR AADDC A,R2MOV R2,AMOV A,R6 ;取XiSUBB A,R4 ; XiMAX? JC FILT1MOV A,R6 ;更新MAXMOV R4,ASJMP FILT2FTLT1:MOV A,R6CLR CSUBB A,R5 ;XiM丁N ?JNC FILT2MOV A,R6 ;更新MINMOV R5,AFTLT2:DJNZ R7,FILT0 ;共采完8個樣本 CLR CMOV A,R3SUBB A,R4 ;SUM=SUM-MAXXCH A,R2SUBB A,#00HXCH A,R2SUBB A,R5 ; SUM=SUM-MI XMOV R3,AMOV B,#06HDIV ABMOV 48H,A ; 結(jié)果存于48H單元 RET 3.7顯示程序設(shè)計顯示子程序:DIR: MOV R2，#02HMOV R3,#7FH ;位選碼初值送8155B口MOV R0,#30H ；顯示緩沖區(qū)首地址DIR1 : MOV DPTR,#TAB1 MOV A,R0 ； 取顯示數(shù)據(jù)MOVC A,A+DPTRMOV DPTR,PORTBMOV