基于AT89C51單片機濕度檢測系統(tǒng)的研究

1、佳木斯大學畢業(yè)論文基于at89c51單片機濕度檢測系統(tǒng)的研究學 院 信息電子技術(shù)專 業(yè) 電子信息工程班 級 06級1班學 籍 號 0609054107姓 名 江 衛(wèi)指導教師 史慶軍佳 木 斯 大 學2010年6月8日佳木斯大學本科生畢業(yè)設計摘 要濕度檢測在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等行業(yè)有著廣泛的應用。利用單片機技術(shù)的濕度檢測系統(tǒng)以其體積小，可靠性高而被廣泛采用。本文對濕度檢測系統(tǒng)進行了分析設計。首先，對濕度檢測技術(shù)的應用領域和發(fā)展狀況做了簡單的介紹，同時，列舉了目前濕度檢測所常用方法以及各自所具有的特點。本文重點在于對該系統(tǒng)的硬件和軟件設計。在硬件設計過程中，詳細介紹了各部分電路的功能和特點。接下來，

2、對系統(tǒng)中所用的濕度傳感器hm1500和a/d轉(zhuǎn)換芯片tlc1549作了簡單的介紹。在軟件設計過程中，繪制了各個程序模塊的流程圖，詳細介紹了各個模塊的作用。經(jīng)過對程序反復的修改，完善了軟件系統(tǒng)。最后，完成了對整個系統(tǒng)的設計。本系統(tǒng)具有靈敏度高、反映時間短等特點，并且具有智能化、可編程、小型便攜等優(yōu)點，相信本系統(tǒng)具有廣泛的應用領域。關(guān)鍵詞：單片機；濕度檢測；硬件系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)abstractthe humidity examination which is widely used in industry, agriculture, national defense and so on .the h

3、umidity examination which is widely used because that the system which uses microcontroller technology is volume small and reliability. this article has carried on the analysis design to the humidity examination system. first, the application and development condition of the humidity examination tec

4、hnology is made a simple introduction. and then, the humidity examination of commonly used method which has enumerated the characteristic as well as each one .the point of the article is the design of the hardware and software. in the process of hardware designing, the function and the characteristi

5、c of each part of electric circuits which has made a simple introduction in detail. meanwhile, the humidity sensor hm1500 and the chip of the a/d transformation to the system in tlc1549 have been made the simple introduction. in the process of software designing, i have drawn up each program module

6、flow chart, and introduced each module function in detail. then to the procedure repeatedly revision, it has been consummated the software system. finally, i has completed the over all system designing. this system have the characteristic of sensitivity high and the reflection time is short, and so

7、on .it has the intellectualization, and programmable and small, then takes along short, and so on. it believed that this system has the widespread application .keywords：mcu；humidity examination；softwaresystem；hardwaresystem目 錄第1章 緒論11.1 濕度的基本概念11.2 濕度檢測的應用領域11.3 常見的濕度檢測方法及特點21.4 濕度測量技術(shù)的發(fā)展趨勢21.5 本課題研

8、究的主要內(nèi)容和目標3第2章 濕度檢測系統(tǒng)的功能與硬件設計42.1 濕度檢測方案的選擇42.2 設計方案的確定42.2.1 處理器. .52.2.2 顯示電路52.2.3 鍵盤電路52.3濕度檢測儀的主電路設計52.3.1 系統(tǒng)時鐘電路設計62.3.2 系統(tǒng)復位電路的設計62.3.3 按鍵與按鈕電路的設計72.3.4 系統(tǒng)的顯示電路設計82.3.5 電源設計92.3.6 濕度檢測傳輸及a/d轉(zhuǎn)換電路102.3.7 硬件電路原理圖112.4器件的選擇及說明122.4.1 at89c51單片機簡介122.4.2 濕度傳感器hm1500142.4.3 a/d轉(zhuǎn)換芯片tlc154915第3章 軟件系統(tǒng)設

9、計173.1 主程序173.2 系統(tǒng)各程序模塊183.2.1 濕度測量采集子程序流程圖183.2.2 鍵盤處理子程序流程圖193.2.3 超濕報警子程序流程圖203.3系統(tǒng)抗干擾技術(shù)213.3.1軟件陷阱213.3.2“看門狗”技術(shù)22結(jié)論23參考文獻24致謝25附錄1 程序26附錄2 中英文對照33iv佳木斯大學信息電子技術(shù)學院第1章 緒論本章首先介紹了濕度這個物理量的基本知識，接下來介紹了濕度檢測技術(shù)的應用領域，常見的濕度測量方法以及特點。同時，對濕度傳感器的目前的發(fā)展狀況以及濕度檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了簡單的分析。最后，簡單概括了本文所要做的工作內(nèi)容。1.1濕度的基本概念濕度是表示空氣中

10、水蒸氣的含量的物理量1，常用絕對濕度、相對濕度、露點等表示。所謂絕對濕度就是單位體積空氣內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量，也就是指空氣中水蒸氣的密度。絕對濕度一般用一立方米空氣中所含水蒸氣的克數(shù)表示，即為hamv/v，式中，ha表示絕對濕度值，mv 為待測空氣中水蒸氣質(zhì)量，v 為待測空氣的總體積。單位為g/。相對濕度是表示空氣中實際所含水蒸氣的分壓()和同溫度下飽和水蒸氣的分壓()的百分比，即ht(/)t100rh。通常，用rh表示相對濕度。當溫度和壓力變化時，因飽和水蒸氣變化，所以氣體中的水蒸氣壓即使相同，其相對濕度也發(fā)生變化。日常生活中所說的空氣濕度，實際上就是指相對濕度而言。溫度高的氣體，含水蒸氣越多

11、。若將其氣體冷卻，即使其中所含水蒸氣量不變，相對濕度將逐漸增加，增到某一個溫度時，相對濕度達100，呈飽和狀態(tài)，再冷卻時，蒸氣的一部分凝聚生成露，把這個溫度稱為露點溫度。1.2 濕度檢測的應用領域人工氣候室是在環(huán)境試驗、科學研究（諸如種養(yǎng)殖、植保、組培、生物工程）等領域應用廣泛的實驗設備1。它能模擬自然界的各種氣象條件，按照實驗要求精確控制室內(nèi)的溫度、濕度、光照以及co2等指標，復現(xiàn)各種氣候環(huán)境。為研究不同物種的生長、發(fā)育、生理、生化過程創(chuàng)造了環(huán)境條件。因此，人工氣候室廣泛應用在科研、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、冶金、化工、林業(yè)、環(huán)境科學及生物遺傳工程等領域。在人們的日常生活中，人們的居住空間也是一個人工

12、環(huán)境?？諝馕廴?，直接威脅人們的身體健康；噪音污染，影響人的情緒、工作、休息、飲食，可以導致神經(jīng)衰弱；溫度過熱、過冷，導致人的不適，耗費電能；空氣過濕，將使人們感到沉悶和窒息；空氣過燥，又會使人的口腔感到不適，甚至可能發(fā)生咽喉炎等疾病。如果自動控制這個最常見的空間，人的生活將更舒適。所以說，這是一個很有發(fā)展前途的課題，國內(nèi)外學者已經(jīng)進行了相關(guān)的研究2。本文也就其中最難測量的物理量濕度進行研究。1.3 常見的濕度檢測方法及特點濕度測量從原理上劃分有二、三十種之多。但濕度測量始終是世界計量領域中著名的難題之一。一個看似簡單的量值，深究起來，涉及相當復雜的物理化學理論分析和計算3。常見的濕度測量方法有

13、：動態(tài)法（雙壓法、雙溫法、分流法），靜態(tài)法（飽和鹽法、硫酸法），露點法，干濕球法和電子式傳感器法。（1） 雙壓法、雙溫法是基于熱力學p、v、t平衡原理，平衡時間較長，分流法是基于絕對濕氣和絕對干空氣的精確混合。由于采用了現(xiàn)代測控手段，這些設備可以做得相當精密，主要作為標準計量之用，其測量精度可達到2%rh以上，但是設備復雜，昂貴，運作費時費工。（2） 靜態(tài)法中的飽和鹽法，是濕度測量中最常見的方法，簡單易行。但飽和鹽法對液、氣兩相的平衡要求很嚴，對環(huán)境溫度的穩(wěn)定要求較高。用起來要求等很長時間去平衡，低濕點要求更長。特別在室內(nèi)濕度和瓶內(nèi)濕度差值較大時，每次開啟都需要平衡68小時。（3）露點法是測量

14、濕空氣達到飽和時的溫度，是熱力學的直接結(jié)果，準確度高，測量范圍寬。計量用的精密露點儀準確度可達0.2甚至更高。但用現(xiàn)代光電原理的冷鏡式露點儀價格昂貴，常和標準濕度發(fā)生器配套使用。（4）干濕球法，這是18世紀就發(fā)明的測濕方法。歷史悠久，使用最普遍。干濕球法是一種間接方法，它用干濕球方程換算出濕度值，而此方程是有條件的：即在濕球附近的風速必需達到2.5m/s以上。普通用的干濕球溫度計將此條件簡化了，所以其準確度只有57%rh,干濕球也不屬于靜態(tài)法，不要簡單地認為只要提高兩支溫度計的測量精度就等于提高了濕度計的測量精度。（5）電子式濕度傳感器法。電子式濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測量屬于90年代興起的行業(yè),

15、 近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度測控系統(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。1.4 濕度測量技術(shù)的發(fā)展趨勢（1） 廣泛采用新技術(shù)、新工藝 隨著科技的進步，許多新技術(shù)和新工藝被應用到濕度測量領域中4。例如，瑞士sensiron公司采用cmosens（ce-mo-sens）專利技術(shù)為高精度濕度傳感器系統(tǒng)設置精度。其特征是將半導體芯片（cmos）與傳感器技術(shù)融合，為開發(fā)高集成度、智能化、高精度、高可靠性的濕度檢測系統(tǒng)提供了解決方案。該項技術(shù)亦稱“sensmitter”，它代表傳感器

16、（sensor）與變送器（transmitter）的有機結(jié)合。盡管sht11/15屬于傳感器范疇，但具有創(chuàng)新性的cmosens技術(shù)使之兼有變送器的功能，便于實現(xiàn)系統(tǒng)集成。honeywell公司生產(chǎn)的hih3610型濕度傳感器，能在高溫，有化學液體或氣體的環(huán)境下正常工作，例如可以測量含有氨、苯、甲醛等有害氣體的雞棚或豬舍中的相對濕度。即使在飽和狀態(tài)下，傳感器也很容易從短期凝結(jié)中恢復過來。hih3610芯片上有一層起保護作用的亞硝酸鹽鈍化層，在安裝過程中不易損壞。（2） 提高測量精度和分辨力目前，國內(nèi)外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能濕度傳感器，sht11/15型智能化濕度傳感器系統(tǒng)測量相對濕

17、度的范圍是0100，分辨力達0.03rh，最高精度為2rh。測量露點的精度1。在測量濕度時a/d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)分別可達12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高測量速率，減小芯片的功耗。sht11/15的產(chǎn)品互換性好，響應速度快，抗干擾能力強，不需要外部元件，適配各種單片機，可廣泛用于醫(yī)療設備及溫度濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。（3） 增加測試功能 新型智能濕度傳感器的測試功能也在不斷增強5。例如，ds1629型單線智能濕度傳感器增加了實時日歷時鐘（rtc），使其功能更加完善。ds1624還增加了存儲功能，利用芯片內(nèi)部256字節(jié)的存儲器，可存儲用戶的短信息。另外，智能濕度傳感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，

18、這就為研制和開發(fā)多路濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好條件。1.5 本課題研究的主要內(nèi)容和目標 研究本系統(tǒng)包括兩方面任務：其一是對硬件系統(tǒng)的設計，保證系統(tǒng)的檢測精度不小于2rh，響應時間小于5s，檢測濕度范圍為0100rh等。使其具有很強的實用性。其二是軟件系統(tǒng)的設計，使其實現(xiàn)報警顯示等功能，保證系統(tǒng)的正常運行。47佳木斯大學信息電子技術(shù)學院佳木斯大學本科生畢業(yè)設計第2章 濕度檢測系統(tǒng)的功能與硬件設計 本章主要介紹了本濕度檢測系統(tǒng)的檢測方法的選擇以及硬件設計兩方面內(nèi)容。首先從整體上初步分析了系統(tǒng)的設計方法。接下來，繪制了濕度檢測系統(tǒng)的硬件框架圖，根據(jù)該圖進行各個模塊的設計。詳細分析了各個模塊的功能和作用，

19、根據(jù)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框架對各個部分進行設計，畫出了系統(tǒng)硬件原理圖。最后介紹所用的芯片資料，簡述了芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。2.1濕度檢測方案的選擇現(xiàn)代濕度測量方法最主要的有兩種：一是干濕球測濕法，二是電子式濕度傳感器測濕法6。下面簡單介紹一下干濕球濕度計的特點。早在18世紀人類就發(fā)明了干濕球濕度計，干濕球濕度計的準確度取決于干球、濕球兩支溫度計本身的精度；濕度計必須處于通風狀態(tài)：只有紗布水套、水質(zhì)、風速都滿足一定要求時，才能達到規(guī)定的準確度。干濕球濕度計的準確度只有57rh。而且，干濕球測濕法采用間接測量方法，通過測量干球、濕球的溫度經(jīng)過計算得到濕度值，因此對使用溫度沒有嚴格限制，在高溫環(huán)境下測

20、濕不會對傳感器造成損壞。干濕球測濕法的維護相當簡單，在實際使用中，只需定期給濕球加水及更換濕球紗布即可。接下來，簡單介紹一下電子式濕度傳感器的特點。電子式濕度傳感器的準確度可以達到23rh。電子式濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長期穩(wěn)定性去判斷。濕度傳感器是采用半導體技術(shù)，因此對使用的環(huán)境溫度有要求，超過其規(guī)定的使用溫度將對傳感器造成損壞。所以電子式濕度傳感器測濕方法更適合于在潔凈及常溫的場合使用。而電子式濕度傳感器是近幾十年，特別是近20年才迅速發(fā)展起來的。濕度傳感器生產(chǎn)廠在產(chǎn)品出廠前都要采用標準濕度發(fā)生器來逐支標定，電子式濕度傳感器的準確度可以達到23rh。通過上述兩種濕度檢測方法的分析，不難

21、發(fā)現(xiàn)：電子式傳感器測濕法和干濕球測濕法相比具有精度高、操作簡單、易于控制等特點。另外，前者可外加單片機等控制器來構(gòu)成一個智能檢測系統(tǒng)，而后者不能直觀準確的顯示出濕度值，造成使用上的不方便。因而本文采用電子式傳感器測濕法進行系統(tǒng)設計。2.2 設計方案的確定可以從以下幾個方面來確定濕度檢測儀的設計方案。2.2.1 處理器 采用atmel的at89c51微處理器，是基于以下幾個因素：（1）89c51為51內(nèi)核，仿真調(diào)試軟硬件資源豐富；（2）性價比高，貨源充足；（3）dip封裝，體積小，便于產(chǎn)品小型化；（4）為程序存儲介質(zhì)，1000次以上擦/寫周期，便于程序調(diào)試；（5）具有兩種節(jié)能模式：閑置模式和掉電

22、模式，便于進行低功耗設計；（6）工作電壓范圍寬：2.76v，便于交直流供電。2.2.2 顯示電路就顯示而言，通?？刹捎靡壕э@示或數(shù)碼管顯示。對于一般的段式液晶屏，需要專門的驅(qū)動電路，而且液晶顯示作為一種被動顯示，可視性相對比較差；對于具有驅(qū)動電路和微處理器接口的液晶顯示模塊（字符或點陣），一般多采用并行接口，對微處理器的接口要求較高，占用資源多。另外ar89c51本身無專門的液晶驅(qū)動接口，因此，本系統(tǒng)采用數(shù)碼管顯示方式。數(shù)碼管作為一種主動顯示器件，具有亮度高、價格便宜等特點，而且市場上也有專門的顯示組合數(shù)碼管。2.2.3 鍵盤電路鍵盤是一組開關(guān)的集合，是最常用的輸入設備之一，智能儀器在面板上均

23、使用鍵盤輸入取代各種傳統(tǒng)的開關(guān)旋鈕，因為鍵盤控制有簡單可靠、經(jīng)濟、易于修改便于遠程監(jiān)控等特點。在設計中為了精簡系統(tǒng)，本系統(tǒng)只用了一個鍵，其作用主要就是用來清屏和刷新數(shù)據(jù)。2.3 濕度檢測儀的主電路設計濕度檢測儀的主電路包括：（1）系統(tǒng)時鐘電路；（2）系統(tǒng)復位電路；（3）按鍵電路；（4）顯示電路；（5）電源控制電路；（6）濕度檢測傳輸及a/d轉(zhuǎn)換電路六部分組成。其硬件系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)硬件框圖2.3.1 系統(tǒng)時鐘電路設計系統(tǒng)時鐘電路的設計如圖2-2所示。對于時間精度要求不是很高的系統(tǒng)，只要按圖2.2進行設計就能使系統(tǒng)可靠起振并穩(wěn)定運行，但是由于圖中的c11、c12電容起著系統(tǒng)

24、時鐘頻率調(diào)和穩(wěn)定的作用，因此，在本系統(tǒng)的實際應用一定要注意選擇參數(shù)為30pf，并保證電路具有良好的對稱性。同時，要保證其溫度系數(shù)要盡可能的低。實驗證明，這兩個電容元件對系統(tǒng)的檢測誤差有較大的關(guān)系。 圖2-2 系統(tǒng)時鐘電路2.3.2系統(tǒng)復位電路的設計智能系統(tǒng)一般應有手動和上電復位電路。復位電路的實現(xiàn)通常有兩種實現(xiàn)方式：即用rc電路和p監(jiān)控電路。前者電路實現(xiàn)簡單，成本低，但復位可靠性相對較低；后者成本比較高，但復位可靠性高。對于復位要求高,并對電源電壓進行監(jiān)視的場合，大多采用這種方式。（1）p監(jiān)控電路專用p監(jiān)控電路又稱電源監(jiān)視電路，具有上電時可產(chǎn)生復位信號和電源電壓跌落到“門檻值”時可產(chǎn)生復位信號

25、等功能。按有效電平分，有高電平輸出、低電平輸出兩種；按功能分，有簡單的電源監(jiān)視復位電路、帶“看門狗”定時器（watch dog timer,wat）的監(jiān)控電路等多種類型。比較常見的生產(chǎn)廠家有 maxim,plilips,imp及dalls等，51系列微處理器中常用的型號有max831l、max809、x25043/5等。（2） rc復位電路本系統(tǒng)采用的是rc復位方式。rc復位電路的實質(zhì)是一階充放電電路。該電路提供有效的復位信號rst（高電平）直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤消復位信號（低電平）。從理論上說，51系列單片機復位引腳只要外加兩個機器周期的有效信號即可復位，設t為保持高電平的時間，只要保證t=r

26、c2 m(m為機器周期)便可。但是在實際設計中，通常c1取值為10f以上，r1通常取值10k左右。實踐發(fā)現(xiàn)，r1如果取值太小，例如1k，則會導致 rst信號驅(qū)動能力變差而無法使系統(tǒng)可靠復位。另外，實驗證明，圖2-3中的虛線所接的續(xù)流二極管d1對于改善復位性能，起了重要的作用。它的作用是在電源電壓瞬間下降時，電容迅速放電，因此一定寬度的電源毛刺也可使系統(tǒng)可靠復位。 圖2-3 rc復位電路2.3.3 按鍵與按鈕電路的設計按鍵與按鈕電路的設計見系統(tǒng)原理圖中s1。按鍵與按鈕電路設計中關(guān)鍵要考慮的就是按鍵去抖動問題（簡稱“去抖”）。一般有硬件去抖和軟件去抖兩種方式。過去硬件去抖電路通常采用分立元件或觸發(fā)

27、器實現(xiàn)，目前時常上已有硬件去抖專用接口芯片，例如：maxim公司mas68151818，均為單電源供電，電壓為2.75.5v，分別為單輸入、雙輸入等形式，輸出端具有欠壓鎖定功能。這里考慮到系統(tǒng)的硬件簡化和成本，沒有采用硬件去抖，而采用軟件去抖。2.3.4 系統(tǒng)的顯示電路設計發(fā)光二極管led（light emitting doide）是智能化測量儀器中簡單而常用的輸出設備，通常用來指示機器的狀態(tài)或其他信息。它的優(yōu)點是價格低、壽命長，對電壓電流的要求低及容易實現(xiàn)多路顯示等，因此在智能測量儀中獲得了廣泛的應用7。led是近似于恒壓的元件，導電時（發(fā)光）的正向壓降一般約為1.6v或2.4v左右，反向擊

28、穿電壓一般大于等于5v。工作電流通常在1020ma左右，故電路中需串聯(lián)適當?shù)南蘖麟娮琛０l(fā)光強度基本上與正向電流成正比。發(fā)光頻率和顏色取決于制造的材料，一般常用紅色，偶爾也用綠色或黃色。多個led可接成共陽極或共陰極形式，通過驅(qū)動器接到系統(tǒng)的并行輸出口上，由cpu輸出適當?shù)拇a來點亮或熄滅相應的led。發(fā)光二極管顯示器驅(qū)動（點亮）方法有兩種。一種是靜態(tài)驅(qū)動法，即給欲點亮的led通以恒定的電流。這種驅(qū)動方法需要有寄存器、譯碼器、驅(qū)動電路等邏輯部件。當需要顯示的位數(shù)增加時，所需的邏輯部件以及連接線也相應增加，成本也增加。另一種是動態(tài)驅(qū)動法，這種方法是給欲點亮的led通以脈沖電流，此時led的亮度是通

29、斷的平均亮度。為保證亮度，通過led的脈沖電流應數(shù)倍于其額定電流值。利用動態(tài)驅(qū)動法可以減少系統(tǒng)需要的邏輯部件和連線，智能化測量控制儀通常采用動態(tài)驅(qū)動法。本文正是采用動態(tài)驅(qū)動法來實現(xiàn)顯示電路的設計。本系統(tǒng)顯示采用共陽極數(shù)碼管，其目的是為了簡化顯示電路的設計和實現(xiàn)亮度可調(diào)的要求。四位數(shù)碼管顯示電路如圖2.4所示。從圖中可知，該顯示電路采用了與一般的電阻限流方式不同的實現(xiàn)方式，由此減少了48=32個限流電阻，簡化了硬件系統(tǒng)。每筆畫段二極管正常發(fā)光時的電流一般為10ma左右（當然，電流大小取決于選用數(shù)碼管是普亮、高亮還是超高亮類型的不同），其兩端壓降約為2.0v，也就是說只要數(shù)碼管的公共端加上+2.0

30、v以上的電壓，即可滿足每筆畫段發(fā)光二極管的發(fā)光要求，而且適當調(diào)節(jié)此電壓值即可改變發(fā)光二極管的電流，從而達到可調(diào)節(jié)亮度的目的。此電壓采用三端可調(diào)穩(wěn)壓電路lm317來實現(xiàn)。為了節(jié)省cpu的端口數(shù)，顯示電路采用了串行通信口的串行顯示接口方式，利用串口0工作方式， 在發(fā)送txd端口（p3.1）的時鐘信號的作用下，通過接收rxd端口（p3.0）將顯示段碼串行數(shù)據(jù)送入8位并行輸出移位寄存器74ls164，控制響應的數(shù)碼管。端口p3.2的作用是通過lm317控制數(shù)碼管顯示的開啟與關(guān)閉，當p3.2為低電平時，q1關(guān)斷，lm317的輸出電壓低于1.5v，不足以發(fā)光，避免了在顯示數(shù)據(jù)刷新時顯示的抖動現(xiàn)象。2.3.

31、5 電源設計電源電路是給電子設備提供必要的電源能力的電路，就輸入和輸出而言，在集成電路中的主要采用的是交流220v，50hz的市電轉(zhuǎn)換為直流電。該部分電路由降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分組成。如圖 2-5所示。應當說明的是，盡管有很多型號的7805三端穩(wěn)壓集成芯片，其標稱最大輸出電流均為1.5a，但是在實際應用中，該最大輸出電流值往往取決于兩個方面：（1）足夠的散熱面積；（2）不同的生產(chǎn)廠家。圖2-4 位共陽數(shù)碼管顯示電路按照許多開發(fā)者的經(jīng)驗，st公司的7805三端穩(wěn)壓塊能接近標準稱值。在設計中，必須保證7805的輸入電壓和輸出電壓的壓差大于2.5v。否則會失去穩(wěn)壓能力。同時考慮到功耗，增加芯片

32、的溫升，不利于安全。因此，選用9v2.3.6 濕度檢測傳輸及a/d轉(zhuǎn)換電路集成濕度傳感器hm1500的輸出電壓在14v之間隨濕度呈線性變化，設計的濕度信號采集電路如圖2.6所示，該電路測濕范圍為0%100%rh。由于該電路中沒有出現(xiàn)負壓，電路主體采用差分式減法電路，精密電阻2.4k，2k，用這四個電阻可調(diào)節(jié)增益。通過hm1500傳感器測量所得到的濕度電壓信號從in輸入。差分的第一端輸入vs。由此可得到輸出電壓的計算公式： （2.1）圖2-5 電源控制電路若輸入電壓在14v之間變化，測輸出電壓就相應在02.5v之間，調(diào)節(jié)可以消除不同的濕度傳感器零點誤差。圖2-6為系統(tǒng)的濕度傳送和a/d轉(zhuǎn)換電路圖

33、。a/d轉(zhuǎn)換芯片tlc1549與單片機采用串行通信方式，它通過一個三態(tài)輸出端（dataout）和2個輸入端（包括i/oclock（i/o時鐘）和（片選）與at89c51的p1.0p1.2接口相連，這樣不僅簡化系統(tǒng)的設計，減少了電路板的占用面積，而且提高了可靠性，同時分辨率也較高。2.3.7 硬件電路原理圖根據(jù)硬件框圖，對各個模塊進行了設計和分析，最后完成了整個系統(tǒng)硬件電路原理圖。系統(tǒng)的硬件電路原理圖如2-7所示。2.4 器件的選擇及說明2.4.1 at89c51單片機簡介單片機是singlechipmicrocomputer的直譯8，它反映了早期單片機的形態(tài)和本質(zhì)。圖2-6 濕度傳送和a/d轉(zhuǎn)

34、換電路 按照面向?qū)ο笠蟛煌瑸橥怀銎淇刂乒δ?，在片?nèi)集成了許多外圍電路及外設接口，突破了傳統(tǒng)意義上的計算機結(jié)構(gòu)，發(fā)展成microcontroller的體系結(jié)構(gòu)，目前國外已普遍稱之為微控制器mcu（microcontrollerunit）。鑒于它完全作嵌入應用，故又稱為嵌入式微控制器(embeddedmicrocontrolle)。大多數(shù)單片機采用哈佛（harvard）結(jié)構(gòu)體系，即數(shù)據(jù)存儲空間與程序存儲空間相互獨立的結(jié)構(gòu)體系。它不同于一般通用計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即程序和數(shù)據(jù)共用一個空間的馮.諾伊曼(vonneumann)結(jié)構(gòu)。at89c51其引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-8、2-9所示。圖2-7 濕度

35、檢測系統(tǒng)硬件電路原理圖圖2-8 at89c51引腳圖at89c51單片機濕度測控儀采用atmel公司的at89c51單片機，采用雙列直插封裝（dip），共有40個引腳。該單片機采用atmel公司的高密度非易失性存儲技術(shù)制造，與美國intel公司生產(chǎn)的mcs51系列單片機的指令和引腳設置兼容。其主要特征如下： （1）8位cpu （2）內(nèi)置4k字節(jié)可重復編程flash，可重復擦寫1000次（3）完全定態(tài)操作：0hz24hz，可輸出時鐘信號（4）256b的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（5）32根可編程i/o線（6）2個16位定時/計數(shù)器（7）中斷系統(tǒng)有6個中斷源，可編為兩個優(yōu)先級（8）一個全雙工uart（通用異步

36、接收發(fā)送器）i/o口（9）具有兩種節(jié)能模式：閑置模式和掉電模式圖2.9 at89c51內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖值得注意的是，p0、p1、p2、p3口作為普通i/o口使用時都是準雙向口結(jié)構(gòu)，其輸入操作和輸出操作本質(zhì)不同，輸入操作是讀引腳狀態(tài)，輸出是對鎖存器的寫入操作。當內(nèi)部總線給口鎖存器置0或1時，鎖存器中的0、1狀態(tài)立即反映到引腳上。但在輸入操作時，如果鎖存器狀態(tài)為0引腳被鉗位0狀態(tài)，導致無法讀出引腳的高電平輸入。因此，準雙向口作為輸入口時，應先使鎖存器置1（稱之為置輸入方式）。然后，再讀引腳，例如：要將p1口的狀態(tài)讀入到累加器a中，應執(zhí)行以下兩條指令：movp1，#0ffh；p1口置入方式mova，p1；

37、讀p1口引腳狀態(tài)到a另外，i/o口端口具有自動識別功能，保證了無論是p1口（低8位地址）和p2口（高8位地址）的總線復用，還是p3口的功能復用，其內(nèi)部資源自動選擇而不需要用指令進行狀態(tài)選擇。近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，單片機的功能越來越強大。由于單片機的壽命長、速度快、低功耗、低噪聲、可靠性高的特點及16位、32位單片機的出現(xiàn)，在工業(yè)領域仍具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?.4.2 濕度傳感器hm1500線性電壓式繼承濕度傳感器hm1500，該傳感器采用獲得專利的濕敏電容hs1101設計制造。由于它是線性的電壓輸出濕度檢測模塊，依次能直接與為控制器相接。其主要特點是尺寸小，浸水無影響，互換性好，可靠性高

38、，漂移小。在5v直流供電時，在0100%rh濕度范圍內(nèi)典型輸出14v直流電，而且具有極低的溫度依賴性，比例輸出電源電壓，適合37v供電。能夠在長時間處于飽和狀態(tài)后快速脫濕，專利固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，對化學品的高抵抗性，響應時間短。其最大額定參數(shù)參考表2-1所示。表2-1 hm1500最大額定參數(shù)表參數(shù)符號參數(shù)值單位存儲溫度tstg-3070供電電壓（峰值）vs7vdc濕度工作范圍rh0100%rh溫度工作范圍ta-3060hm1500特別適用使用于1098%rh環(huán)境的精確測量，超過上述范圍將不會對hm1500穩(wěn)定性造成影響。圖2-10為hm 1500模擬線形電壓輸出與相對濕度的關(guān)系圖,如圖 2-10

39、所示。圖3-10 hm1500模擬線形電壓輸出（vs=5v）hm1500模擬線形電壓輸出值，如表2-2所示。表2-2 hm1500模擬線形電壓輸出與濕度值的對應關(guān)系rh(%)vout(mv)rh(%)out(mv)101325552480151465606052016006527302517357028603018607529903519908031254021108532604522359034055023609535552.4.3 a/d轉(zhuǎn)換芯片tlc1549本系統(tǒng)采用了以10位開關(guān)電容逐次逼近a/d轉(zhuǎn)換器為基礎而構(gòu)造的cmos a/d轉(zhuǎn)換器tlc1549,它具有片內(nèi)采樣-保持電路，還具有

40、差分高阻抗基準電壓輸入、抗干擾、可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍和總不可調(diào)整誤差達到1lsb max（4.8mv）等特點。它通過一個三態(tài)輸出端（dataout）和2個輸入端（包括i/oclock）和（片選）與at89c51的p1.0p1.2接口相連，這樣不僅簡化系統(tǒng)的設計，減少電路板的占用面積，而且提高了可靠性，分辨率也較高。接下來簡單介紹一下tlc1549原理。如圖2-11所示為tlc1549引腳圖。 圖2-11 tlc1549引腳圖下面對各個管腳進行簡單說明。（1）ref+：正參考電壓端輸入端，參考電壓的正端（通常是vcc）被加到ref+。最大的模擬輸入電壓范圍由ref+和ref-之間的電壓差來決

41、定。（2）ref-：負參考電壓端輸入端，參考電壓的低端（通常為gnd）被加到ref-。（3）：tlc1549的片選信號輸入端，引腳上由高到低的電平跳變將復位tlc1549內(nèi)部的計數(shù)器，并使能data out 和clock；引腳由低到高的跳變將在一段設定的時間內(nèi)禁止data out 和clock信號。（4）analog in：模擬信號輸入端。（5）data out：數(shù)字信號輸出端。其工作原理為：在無效的情況下，i/o clock 最初禁止且data out 處于高阻狀態(tài)，當串行口把拉至有效時，轉(zhuǎn)換時序允許i/oclock 序列提供給i/o clock 并從data out 接收前轉(zhuǎn)換結(jié)果。i/o

42、 clock 從主機串行口接受長度在10和16個時鐘之間的輸入序列。開始10個i/o 時鐘提供采樣模擬輸入的控制時序。在的下降沿，前次轉(zhuǎn)換出現(xiàn)10個時鐘長度，那么在10個時鐘的下降沿，內(nèi)部邏輯把 data out 拉至低電平，以確保其余位的值為0。在正常的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，規(guī)定時間內(nèi)端高電平至低電平的跳變可終止改周期，器件返回初始狀態(tài)位。（輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容保持為前次轉(zhuǎn)換結(jié)果）。由于可能破壞數(shù)據(jù)，所以在接近轉(zhuǎn)換完成時要防止被拉至低電平。如圖2-12所示。圖2-12 tcl1549時序控制圖第3章 軟件系統(tǒng)設計系統(tǒng)程序共分五個模塊，即主程序模塊、數(shù)據(jù)采集服務程序模塊、鍵盤管理服務程序模塊、數(shù)據(jù)顯示程

43、序模塊、數(shù)據(jù)處理程序模塊。每個模塊都有一定的功能，其中的模塊還含有一些子模塊，既相互獨立又相互聯(lián)系，低級模塊可以被高級模塊調(diào)用。最后介紹了系統(tǒng)抗干擾技術(shù)。3.1 主程序本系統(tǒng)的智能化核心是at89c51，其監(jiān)控程序和應用軟件全部固化在eprom內(nèi)。它的工作過程是：當系統(tǒng)上電后，單片機進入監(jiān)控狀態(tài)，同時完成對各端口的初始化工作，當有鍵按下時，產(chǎn)生申請中斷，進入響應的中斷程序，完成鍵盤處理工作。當沒有外部控制信息輸入的情況下，系統(tǒng)自動采集濕度傳感器的電壓值，最終數(shù)據(jù)在led顯示屏上顯示。其主程序流程圖如圖4-1所示。圖3-1中系統(tǒng)功能智能化的主程序包括初始化程序、自檢程序等。中斷服務程序包括鍵盤掃

44、描、查表、顯示等。系統(tǒng)軟件主要完成以下功能：（1）濕度傳感器測量數(shù)量數(shù)據(jù)的采集（2）bcd碼和二進制碼的相互轉(zhuǎn)換（3）超濕報警（4）濕度值的led顯示3.2 系統(tǒng)各程序模塊本系統(tǒng)的程序模塊主要有：濕度測量采集子程序、鍵盤處理子程序和超濕報警子程序。3.2.1 濕度測量采集子程序流程圖濕度測量采集子程序流程如圖3-2所示。對所有的數(shù)據(jù)都采用先集中采集后分別處理的方法來完成。數(shù)據(jù)采集子程序的功能是把濕度傳感器輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，存儲在實測值存儲單元中去。圖3-1 主程序流程圖為了減少誤差，確保測量的正確性，測量四次，去掉一個最高值和一個最低值，如果中間兩個數(shù)相差不大于10，則中間兩個數(shù)的平均

45、值就是測量的最終數(shù)據(jù)。圖3-2 濕度測量程序流程圖3.2.2 鍵盤處理子程序流程圖由于按鍵所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，利用了機械觸點的合、斷作用。由于機械觸點的的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合和斷開的瞬間均有一連串的抖動，抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為510ms，這是一個很重要的參數(shù)。抖動過程引起電平信號的波動，有可能令cpu誤解為多次按鍵操作，從而引起誤處理。為了確保cpu對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。本系統(tǒng)中只用到了一個按鍵s1鍵，這個鍵和單片機p2.0口連接。按鍵掃描程序流程如圖 3-3所示。利用延遲去抖的方法，先取一次端口數(shù)據(jù)，延時一段時間，一般延時幾十毫秒即

46、可，再取一次端口數(shù)據(jù)，如果二者相同，說明取到了正確的鍵值。3-3 鍵盤處理子程序流程圖3.2.3 超濕報警子程序流程圖該程序模塊的功能是：對濕度參量所采集到的四個數(shù)據(jù)進行濾波，將濾波后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制供數(shù)碼管顯示，若濕度值大于70%rh或者小于45%rh，則進行報警提示。其程序流程圖如圖3-5所示。3.3系統(tǒng)抗干擾技術(shù)常見的軟件抗干擾技術(shù)有:軟件陷阱和“看門狗”技術(shù)8。系統(tǒng)常見的出錯現(xiàn)象:死機、被控對象誤操作和定時不準等,它們主要由于內(nèi)部程序指針錯亂使程序進入“死循環(huán)”和ram資料被沖亂或改變導致的。圖3-5 報警程序流程圖。當系統(tǒng)儀器中的微處理器受到干擾時，常常遇到的是pc指針因干擾跳到不

47、能預料的地址時，或?qū)?shù)據(jù)解釋為命令,或?qū)⒚罱忉尦蓴?shù)據(jù),使數(shù)據(jù)混亂。在系統(tǒng)中,如果出現(xiàn)這種情況，會導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。防止這種情況發(fā)生的軟件處理方法有以下幾種。3.3.1軟件陷阱微處理在受到干擾后會產(chǎn)生很復雜的情況，干擾信號會使程序脫離正常運行軌道，為了使程序恢復正常的運行狀態(tài)，可以設計軟件陷阱。所謂軟件陷阱，就是一條引導指令，強行將捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對出錯程序進行處理的程序。以本系統(tǒng)為例，如果設這段程序的入口標號為err，軟件陷阱即為一條ljmp err指令。為加強其捕捉效果，一般還在它前面加上兩條nop指令。因此真正的軟件陷阱由三條指令構(gòu)成：nop nop lj

48、mp err 。軟件陷阱安排在下列四種地方。（1）未使用的中斷向量區(qū)。當干擾使未使用的中斷開放，并激活這些中斷時，就會進一步引起混亂。如果在這些地方布上陷阱，就能及時捕捉到錯誤中斷。（2）未使用的大片rom空間。目前使用的程序存儲器一般容量都比較大，很少有將其全部用完的情況。對于剩余的大片未編程的rom 空間，一般均能維持原狀。程序彈飛到這一區(qū)域后將依次運行，不再跳躍（除非受到新的干擾）。這時只要每隔一段設置一個陷阱，就一定能捕捉到彈飛的程序。（3）表格。有兩類表格，一類是數(shù)據(jù)表格，供movc a，a+pc指令或movc a，a+dptr指令使用，其內(nèi)容為不完全指令。另一類就是跳轉(zhuǎn)表格，供jm

49、p a+dptr指令使用，其內(nèi)容為一系列的三字節(jié)指令ljmp或兩字節(jié)指令ajmp。由于表格內(nèi)容和檢索值有一一對應關(guān)系，在表格中間安排陷阱將會破壞其連續(xù)性和對應關(guān)系，只能在表格的最后安排五字節(jié)陷阱（nop nop ljmp err）。由于表格一般較長，安排在最后的陷阱不能保證一定捕捉住彈飛的程序，有可能在中途再次飛走，這時只好指望別處的陷阱或冗余指令來制服它了。（4）程序區(qū)。程序區(qū)是由一串串執(zhí)行指令構(gòu)成的，不能在這些指令串中間任意安排陷阱，否則影響正常執(zhí)行程序。但是，在這些指令串之間常有一些斷裂點，正常執(zhí)行的程序到此便正常跳變。如果還要順次往下執(zhí)行，必然就出錯了。當然，彈飛的程序剛好落在斷裂點的

50、操作數(shù)上或落到前面指令的操作數(shù)上，則程序就會越過斷裂點，繼續(xù)往前執(zhí)行。若在這種地方安排陷阱，就能有效地捕捉到它，而又不影響正常執(zhí)行的程序流程。由于軟件陷阱都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不影響程序執(zhí)行效率。在當前eprom容量不成問題的條件下，一般多設置陷阱有益。3.3.2“看門狗”技術(shù)當程序飛到一個臨時構(gòu)成的死循環(huán)中，pc指針落在全地址（在eprom芯片范圍之外）時，系統(tǒng)完全癱瘓。如果操作者在場，就可以按下人工復位按鈕，強制系統(tǒng)復位。但操作者不可能一直監(jiān)視著系統(tǒng)，即使監(jiān)視著系統(tǒng)，往往在發(fā)現(xiàn)不良后果之后才進行人工復位?！翱撮T狗”可以代替人自動復位，能使cpu從死循環(huán)和彈飛狀態(tài)中進入正常的程序

51、流程。“看門狗”獨立于cpu的硬件，cup在一個固定的時間間隔和“看門狗”打一次交道，表明系統(tǒng)工作正常。如果程序時常，系統(tǒng)陷入死循環(huán)中，“看門狗”得不到來自cpu的信息，就向cpu發(fā)出復位信號，使系統(tǒng)復位。現(xiàn)在許多單片機芯片中已有“看門狗”電路，使用非常方便。結(jié)論在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進行測量及控制。對環(huán)境濕度的檢測以及對工業(yè)材料水份值的監(jiān)測與分析都已成為比較普遍的技術(shù)條件之一。本系統(tǒng)采用了高精度的電容式相對濕度傳感器hm1500，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，濕度測量范圍為0100%rh，而且響應時間小于5秒。所選用的a/d轉(zhuǎn)換芯片tlc1549，它采用串行

52、通信方式，簡化了系統(tǒng)設計，減少了電路板的面積。同時，充分利用了at89c51單片機自身的軟硬件資源，具有智能化、可編程、小型便攜等優(yōu)點。因此只要選用不同的濕度傳感器，并修改相應的軟件控制程序，本檢測系統(tǒng)就可應用在環(huán)境保護、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面，可見其具有非常廣泛的應用前景。由于該系統(tǒng)主要是濕度的檢測沒有涉及到濕度的控制設計，所以在控制方面有待進一步研究。同時，可以在外圍擴展溫度檢測芯片，使其具有溫、濕度檢測功能。而且，外加去濕機、空調(diào)等設備，可實現(xiàn)對溫濕度檢測控制的功能。同時，可以擴展時鐘控制芯片，修改完善程序，使其具有時間顯示、定時報警等多項功能。因此，本系統(tǒng)具有很好的擴展性。由于時間倉

53、促和本人水平有限，在設計過程中，難免在設計上存在一定的缺陷，請各位老師多多指正。參考文獻1何利民. 單片機應用技術(shù)選編m.北京：北京航空航天大學出版社，2002：21-25. 2李軍. 51系列單片機高級實例開發(fā)指南m.北京：北京航空航天大學出版社, 2001:98-100.3 金偉正.溫濕度檢測控制系統(tǒng)的研制j.西安:電子與自動化, 2000(2):120-125.4李朝青. 單片機原理及接口技術(shù)m.北京:北京航空航天大學出版社, 1998:65-70.5童詩白,華成英. 模擬電子技術(shù)m.北京:高等教育出版社,1996:54-59.6李道華，李玲，朱艷. 傳感器電路分析與設計m.武漢:武漢大

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