基于單片機的工廠環(huán)境智能檢測系統(tǒng)設計

1、長江大學畢業(yè)設計（論文）題 目： 工廠環(huán)境智能檢測系統(tǒng) 專 業(yè)： 電子信息工程 姓 名： 指導教師： 院系站點： 沙市職業(yè)大學 長江大學繼續(xù)教育學院 2011年10月20日 前 言溫度是工業(yè)控制中主要的被控參數(shù)之一，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用。隨著電子技術和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。 采用單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質量和數(shù)量。8031系列單片機具有處理能強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應用在溫度測量與控制方面

2、，控制簡單方便，測量 范圍廣，精度較高。 溫度傳感器將溫度信息變換為模擬電壓信號后，將電壓信號放大到單片機可以處理的范圍內，經(jīng)過低通濾波，濾掉干擾信號送入單片機。在單片機中對信號進行采樣，為進一步提高測量精度，采樣后對信號再進行數(shù)字濾波。單片機將檢測到的溫度信息與設定值進行比較，如果不相符，數(shù)字調節(jié)程序根據(jù)給定值與測得值的差值按PID控制算法設計控制量，觸發(fā)程序根據(jù)控制量控制執(zhí)行單元。如果檢測值高于設定值，則啟動制冷系統(tǒng)，降低環(huán)境溫度；如果檢測值低于設定值，則啟動加熱系統(tǒng)，提高環(huán)境溫度，達到控制溫度的目的摘 要本設計是基于單片機對數(shù)字信號的高敏感和可控性，溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號，和A/D

3、模擬數(shù)字轉換芯片的性能，我設計了以8031基本系統(tǒng)為核心的一套檢測系統(tǒng)。傳感器和單片機是本設計的主要器件。因此在本設計的內容中大篇幅的介紹了他們的相關知識，本設計的主要內容包括其中包括：A/D轉換、單片機、復位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、系統(tǒng)軟件等部分的設計。在硬件電路設計好的前提下，對它進行軟件編程。這樣做成的系統(tǒng)可以完美的實現(xiàn)對環(huán)境溫度、濕度的監(jiān)測，實時顯示環(huán)境的溫度和濕度。關鍵詞：傳感器、A/D轉換器、單片機8031、存儲器、接口等 目 錄 1 緒論1 11 設計背景1 12 設計要求12 方案的比較和論證1 21溫度傳感器的選擇2 22濕度傳感器的選擇2 23信號采集通道的選

4、擇33 系統(tǒng)總體設計4 31信號采集4 311溫度傳感器4 312濕度傳感器8 313多路開關113. 2信號分析與處理13 321A/D轉換13 322單片機803116 3221 8031的片內結構16 3222 8031的引腳圖183223 8031程序存儲器19 3224 8031數(shù)據(jù)存儲器19 3225 特殊功能寄存器SFR20 3 2 2 6工作方式20323存儲器的設計21324數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護23325系統(tǒng)時鐘的設計2433顯示電路設計244 軟件設計25 結論30 謝辭31 參考文獻32 1緒 論1. 1 設計背景 環(huán)境的檢測與控制在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等行業(yè)有著廣泛的應用，

5、其系統(tǒng)設計也較為復雜、涉及面較廣。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要涉及一些信息的采集、顯示與傳輸，由于應用場合不同，環(huán)境監(jiān)測的采集對象也有所不同。對于工廠環(huán)境來說，對溫度和濕度的采集必不可少，也是兩個重要的顯示和分析指標，根據(jù)國家對于工廠環(huán)境的相關規(guī)定與限制，必須定期抽樣檢查工廠各點的溫度和濕度，以便及時采取相應的措施。采用先進的技術監(jiān)測這些環(huán)境因子，通過自動監(jiān)測系統(tǒng)進行環(huán)境監(jiān)控，降低生產(chǎn)成本，呈越來越流行的趨勢。1. 2 設計要求 1、基本功能l 檢測溫度、濕度l 顯示溫度、濕度l 過限報警2、主要技術參數(shù)l 溫度測量精度：0.5l 濕度測量精度：不大于3%RHl 顯示方式：四位顯示2 方案的比較和論證當將

6、單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號輸入通道，由計算機拾取必要的輸入信息。對于測量系統(tǒng)而言，如何準確獲得被測信號是其核心任務；而對測控系統(tǒng)來講，對被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉換，一切準確的測量和控制都將無法實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質量。2. 1溫度傳感器的選擇方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化的特性制成的測

7、溫元件?，F(xiàn)應用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點為精度高、測量范圍大、便于遠距離測量。 方案二：采用AD590，它的測溫范圍在-55+150之間，而且精度高。M檔測溫范圍內非線形誤差為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損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進行線性校正，所以使用也非常方便，接口也很簡單。作為電流輸出型傳感器的一個特點是，和電壓輸出型相比，它有很強的抗外界干擾能力。AD590的測量信號可遠傳百余米。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇。 2. 2 濕度傳感器的選擇測量空氣濕度的方式很多，

8、其原理是根據(jù)某種物質從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質的變化，間接地獲得該物質的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏元件分別是根據(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)生變化而進行濕度測量的。方案一：采用HOS-201濕敏傳感器。HOS-201濕敏傳感器為高濕度開關傳感器，它的工作電壓為交流1V以下，頻率為50HZ1KHZ，測量濕度范圍為0100%RH，工作溫度范圍為050，阻抗在75%RH（25）時為1M。這種傳感器原是用于開關的傳感器，不能在寬頻帶范圍內檢測濕度，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使用時具有良好的

9、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，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應時間，專利設計的固態(tài)聚合物結構，由頂端接觸（HS1100）和側面接觸（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插件和自動裝配過程等。相對濕度在1%-100%RH范圍內；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于2%RH；響應時間小于5s；溫度系數(shù)為0.04 pF/。可見精度是較高的。綜合比較方案一與方案二，

10、方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設計系統(tǒng)中對溫度-3050的要求，因此，我們選擇方案二來作為本設計的濕度傳感器。2. 3 信號采集通道的選擇 在本設計系統(tǒng)中，溫度輸入信號為8路的模擬信號，這就需要多通道結構。方案一、采用多路并行模擬量輸入通道。（1） 可以根據(jù)各輸入量測量的餓要求選擇不同性能檔次的器件?？傮w成本可以作得較低。（2） 硬件復雜，故障率高。（3） 軟件簡單，各通道可以獨立編程。方案二、采用多路分時的模擬量輸入通道。（1） 對ADC、S/H要求高。（2） 處理速度慢。（3） 硬件簡單，成本低。（

11、4） 軟件比較復雜。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統(tǒng)對于模擬量輸入的要求，比較其框圖，方案二更具備硬件簡單的突出優(yōu)點，所以選擇方案二作為信號的輸入通道。圖1 多路并行模擬量輸入通道圖2 多路分時的模擬量輸入通道3 系統(tǒng)總體設計本設計是基于單片機對數(shù)字信號的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號，和A/D模擬數(shù)字轉換芯片的性能，我設計了以8031基本系統(tǒng)為核心的一套檢測系統(tǒng)，其中包括A/D轉換、單片機、復位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、系統(tǒng)軟件等部分的設計。圖3 系統(tǒng)總體框圖 本設計由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的。 1 信號采集 由AD590、HS1

12、100及多路開關CD4051組成； 2 信號分析 由A/D轉換器MC14433、單片機8031基本系統(tǒng)組成； 3 信號處理 由串行口LED顯示器和報警系統(tǒng)等組成。31 信號采集311 溫度傳感器集成溫度傳感器AD590 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源。 1 主要特性AD590是電流型溫度傳感器，通過對電流的測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量電路，其電路外形如圖4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如圖4所示。

13、圖4 AD590外形及電路符號（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) 即： I T/T=1A /K （1）式中：IT 流過器件（AD590）的電流，單位A。T熱力學溫度，單位K。 （2）AD590的測溫范圍-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IT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，非線形誤差0.3。（6）AD59

14、0的工作原理 在被測溫度一定時，AD590相當于一個恒流源，把它和530V的直流電源 相連， 并在輸出端串接一個1k的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1mVK的電壓信號。其基本電路如圖5所示。圖5 AD590內部核心電路圖5是利用UBE特性的集成PN結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，兩個管的材質和工藝完全相同，但T3實質上是由n個晶體管并聯(lián)而成，因而其結面積是T4的n倍。T3和T4的發(fā)射結電壓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。

15、因此，電流I1為： I1UBER（KTq）（lnn）R （2）對于AD590，n8，這樣，電路的總電流將與熱力學溫度T成正比，將此電流引至負載電阻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，所以輸出信號不受電源電壓和導線電阻的影響。圖5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，因而在基準溫度下可得到1AK的I值。 圖6 AD590內部電路圖6所示是AD590的內部電路，圖中的T1T4相當于圖5中的T1、T2，而T9，T11相當于圖5中的T3、T4。R5、R6是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻，供出廠前調整之用。T7、T8，T10為對稱的Wilson電路，用來提高

16、阻抗。T5、T12和T10為啟動電路，其中T5為恒定偏置二極管。T6可用來防止電源反接時損壞電路，同時也可使左右兩支路對稱。R1，R2為發(fā)射極反饋電阻，可用于進一步提高阻抗。T1T4是為熱效應而設計的連接防式。而C1和R4則可用來防止寄生振蕩。該電路的設計使得T9，T10，T11三者的發(fā)射極電流相等，并同為整個電路總電流I的13。T9和T11的發(fā)射結面積比為8：1，T10和T11的發(fā)射結面積相等。T9和T11的發(fā)射結電壓互相反極性串聯(lián)后加在電阻R5和R6上，因此可以寫出： UBE（R62 R5）I3 （3）R6上只有T9的發(fā)射極電流，而R5上除了來自T10的發(fā)射極電流外，還有來自T11的發(fā)射極

17、電流，所以R5上的壓降是R5的23。根據(jù)上式不難看出，要想改變UBE，可以在調整R5后再調整R6，而增大R5的效果和減小R6是一樣的，其結果都會使UBE減小，不過，改變R5對UBE的影響更為顯著，因為它前面的系數(shù)較大。實際上就是利用激光修正R5以進行粗調，修正R6以實現(xiàn)細調，最終使其在250之下使總電流I達到1AK。2 基本應用電路圖7是AD590用于測量熱力學溫度的基本應用電路。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R2的電阻之和為1k時，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，因此應對電路進行調整，調整的方法為：把AD590

18、放于冰水混合物中，調整電位器R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調整只保證在0或25附近有較高的精度。 圖7 AD590應用電路3 攝氏溫度測量電路如圖7所示，電位器R2用于調整零點，R4用于調整運放LF355的增益。調整方法如下：在0時調整R2，使輸出V0=0，然后在100時調整R4使V0=100mV。如此反復調整多次，直至0時，V0=0mV，100時V0=100mV為止。最后在室溫下進行校驗。例如，若室溫為25，那么V0應為25mV。冰水混合物是0環(huán)境，沸水為100環(huán)境。4.多路檢測信號的實現(xiàn) 本設計系統(tǒng)為八路的溫度信號采集，而MC14433僅為一路輸入，故采用CD4

19、051組成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖8所示圖8 八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口3. 1. 2 濕度傳感器測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質的變化，間接地獲得該物質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)生變化而進行濕度測量的。下面 介紹HS1100/HS1101濕度傳感器及其應用。1、特點不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應時間，專利設計的固態(tài)聚合物結構，由頂端接觸（HS1100）和側面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線

20、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插件和自動裝配過程等。圖9為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖10為濕度-電容響應曲線。 圖9 濕敏電容工作的溫、濕度范圍 圖10 濕度-電容響應曲線相對濕度在1%-100%RH范圍內；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于2%RH；響應時間小于5s；溫度系數(shù)為0.04 pF/。可見精度是較高的。2、濕度測量電路HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準確地轉變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運方與租蓉組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)

21、生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉換為數(shù)字信號；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之成反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。頻率輸出的555測量振蕩電路如圖11所示。集成定時器555芯片外接電阻R4、R2與濕敏電容C，構成了對C的充電回路。7端通過芯片內部的晶體管對地短路又構成了對C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，R3 是防止輸出短路的保護電阻，R1 用于平衡溫度系數(shù)。圖11 頻率輸出的555振蕩電路該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源Vs通過R4、R2 向C充電，經(jīng)t充電時間

22、后，Uc達到芯片內比較器的高觸發(fā)電平，約0.67Vs，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R2放電，經(jīng)t放電時間后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33Vs此時輸出，此時輸出引腳3端又由低電平突降為高電平，如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時間為 t充電=C（R4+R2）Ln2 （4） t放電=CR2 Ln2 （5）因而，輸出的方波頻率為f=1/(t放電+t充電)=1/ C（R4+R2）Ln2 （6）可見，空氣濕度通過555測量電路就轉變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，表1給出了其中的一組典型測試值。表1 空氣濕度與電壓頻率的典型值3、多路檢測信號的實現(xiàn) 本設計系統(tǒng)為八路的濕度信號

23、采集，故采用CD4051組成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖12所示圖12 八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口 313 多路開關多路開關，有稱“多路模擬轉換器”。多路開關通常有n個模擬量輸入通道和一個公共的模擬輸入端，并通過地址線上不同的地址信號把n個通道中任一通道輸入的模擬信號輸出，實現(xiàn)有n線到一線的接通功能。反之，當模擬信號有公共輸出端輸入時 ，作為信號分離器，實現(xiàn)了1線到n線的分離功能。因此，多路開關通常是一種具有雙向能力的器件。在本設計中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號采集中將有兩個模擬量被提取，這時選用多路開關就是很必要的。我選用的是CD4051多路開關，它是一種

24、單片、COMS、8通道開關。該芯片由DTL/TTL-COMS電平轉換器，帶有禁止端的8選1譯碼器輸入，分別加上控制的8個COMS模擬開關TG組成。CD4051的內部原理框圖如圖13所示。圖13 CD4051的內部原理框圖圖中功能如下：通道線IN/OUT（4、2、5、1、12、15、14、13）：該組引腳作為輸入時，可實現(xiàn)8選1功能，作為輸出時，可實現(xiàn)1分8功能。XCOM（3）：該引腳作為輸出時，則為公共輸出端；作為輸入時，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2關

25、系和輸出段OUT/IN接通。VDD（16）和VSS（8）：VDD為正電源輸入端，極限值為17V；VSS為負電源輸入端，極限值為-17V。VGG（7）；電平轉換器電源，通常接+5V或-5V。CD4051作為8選1功能時，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和各通道的接通關系如下表 2輸入狀態(tài)接通通道 輸入狀態(tài)接通通道INHCBAINHCBA000000101500011011060 010201117001131xxx均不顯示0100432 信號分析與處理321 A/D轉換1A/D轉

26、換器的特點為了把溫度、濕度檢測電路測出的模擬信號轉換成數(shù)字量送CPU處理，本系統(tǒng)選用了雙積分A/D轉換器MC14433，它精度高，分辨率達1/1999。由于MC14433只有一路輸入，而本系統(tǒng)檢測的多路溫度與濕度信號輸入，故選用多路選擇電子開關，可輸入多路模擬量。2MC14433A/D轉換器件簡介MC14433是三位半雙積分型的A/D轉換器，具有精度高，抗干擾性能好的優(yōu)點，其缺點是轉換速率低，約110次/秒。在不要求高速轉換的場合，例如，在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛采用。MC14433A/D轉換器與國內產(chǎn)品5G14433完全相同，可以互換。MC14433A/D轉換器的被轉換電壓量程為199.9

27、mV或1.999V。轉換完的數(shù)據(jù)以BCD碼的形式分四次送出（最高位輸出內容特殊，詳見表3）。圖14 MC14433A/D轉換器的內部邏輯框圖 圖15 MC14433引腳圖MC14433 的框圖（圖14）和引腳（圖15）功能說明各引腳的功能如下：電源及共地端VDD： 主工作電源+5V。VEE: 模擬部分的負電源端，接-5V。VAG： 模擬地端。VSS： 數(shù)字地端。VR： 基準電壓。外界電阻及電容端RI： 積分電阻輸入端，VX=2V時，R1=470；VX=200Mv時，R1=27K。C1： 積分電容輸入端。C1 一般為0.1F。 C01、C02： 外界補償電容端，電容取值約0.1F。 R1/C1：

28、 R1 與C1的公共端。CLKI、CLKO ： 外界振蕩器時鐘調節(jié)電阻Rc，Rc一般取 470 K左右。轉換啟動/結束信號端EOC：轉換結束信號輸出端，正脈沖有效。DU： 啟動新的轉換，若DU與EOC相連，每當A/D轉換結束后，自動啟動新的轉換。過量程信號輸出端/OR ： 當|Vx|VR，過量程/OR 輸出低電平。位選通控制線DS4-DS1： 選擇個、十、百、千位，正脈沖有效。DS1 對應千位，DS4 對應個位。每個選通脈沖寬度為18個時鐘周期，兩個相應脈沖之間間隔為2個時鐘周期。 圖16 MC14433選通脈沖時序圖BCD碼輸出線Q0-Q3： BCD碼輸出線。其中Q0為最低位，Q3 為最高位

29、。當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 除了表示個位的0或1外，還表示了轉化值的正負極性和欠量程還是過量程其含意見表3 表3 DS1選通時Q3Q0表示的結果由表可知Q3 表示1/2位，Q3=“0”對應1，反之對應0。Q2 表示極性，Q2=“1”為正極性，反之為負極性。Q0=“1”表示超量程：當Q3=“0”時，表示過量程；當Q3=“1”時，表示欠量程；3.MC14433與8031單片機的接口設計由于MC14433的A/D轉換結果是動態(tài)分時輸出的BCD碼，Q0Q3HE DS1DS4都不是總線式的。因此，MCS-51單片機只能通過并行I/O

30、接口或擴展I/O接口與其相連。對于8031單片機的應用系統(tǒng)來說，MC14433可以直接和其P1口或擴展I/O口8155/8255相連。下面是MC14433與8031單片機P1口直接相連的硬件接口，接口電路如圖17所示圖17 MC14433與8031單片機P1口直接相連的硬件接口3. 2. 2單片機8031 為了設計此系統(tǒng)，我們采用了8031單片機作為控制芯片，在前向通道中是一個非電信號的電量采集過程。它由傳感器采集非電信號，從傳感器出來經(jīng)過功率放大過程，使信號放大，再經(jīng)過模/數(shù)轉換成為計算機能識別的數(shù)字信號，再送入計算機系統(tǒng)的相應端口。由于8031中無片內ROM，且數(shù)據(jù)存儲器也不能滿足要求，經(jīng)

31、擴展2762和6264來達到存儲器的要求，其結果通過顯示器來進行顯示輸出。3. 2. 2. 1 8031的片內結構8031是有8個部件組成，即CPU，時鐘電路，數(shù)據(jù)存儲器，并行口（P0P3）串行口，定時計數(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體芯片上，即組成了單片微型計算機，8031就是MCS-51系列單片機中的一種。圖 18 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，把數(shù)據(jù)從存儲器或輸入口送到CPU或CPU數(shù)據(jù)寫入存儲器或送到輸出端口。還可以對數(shù)據(jù)進行邏輯和算術的運算。 時鐘電路：8031內部有一個頻率最大為12MHZ的時鐘電路，它

32、為單片機產(chǎn)生時鐘序列，需要外接石英晶體做振蕩器和微調電容。內存：內部存儲器可分做程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，但在8031中無片內程序存儲器 。定時/計數(shù)器：8031有兩個16位的定時/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設置成定時的方式和計數(shù)的方式，但只能用其中的一個功能，以定時或計數(shù)結果對計算機進行控制。并行I/O口：MCS-51有四個8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出。串行口：它有一個全雙工的串行口，它可以實現(xiàn)計算機間或單片機同其它外設之間的通信，該并行口功能較強，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有五個中斷源，既外部中斷兩

33、個，定時計數(shù)中斷兩個，串行中斷一個，全部的中斷分為高和低的兩個輸出級。3. 2. 2. 2 8031的引腳圖圖19 8031引腳圖8031的制作工藝為HMOS，采用40管腳雙列直插DIP封裝，引腳說明如下：VCC（40引腳）正常運行時提供電源。VSS（20引腳）接地。XTAL1（19引腳）在單片機內部，它是一個反向放大器的輸入端，該放大器構成了片內的震蕩器，可以提供單片機的時鐘信號。XTAL2（18引腳）在內部，接至上述振蕩器的反向輸入端，當采用外部振蕩器時， 對MCS51系列該引腳接收外部震蕩信號，即把該信號直接接到內部時鐘的輸入端。RST/VPD（9引腳）在振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機

34、器周期的電平將單片機復位，復位后應使此引腳電平保持不高于0.5V的低電平以保證8031正常工作。ALE/PROG（30引腳）當8031訪問外部存儲器時，包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，ALE9地址鎖存允許0輸入的脈沖的下沿用于鎖存16位地址的低8位，在不訪問外部存儲器的時候，ALE仍有兩個周期的正脈沖輸出，其頻率為振蕩器的頻率的1/6，在訪問外存儲器的是候，在兩個周期中，ALE只出現(xiàn)一次，ALE斷可驅動8個LS TTL負載，對于有片內EPROM的而言，在EPROM編程期間，此腳用于輸入編程脈沖PROG。（29引腳）此腳輸出為 單片機內訪問外部程序存儲器的讀選通信號。/VPP（31引腳）當保持高電平

35、時，單片機訪問內部存儲器，當PC值超過0FFFH時，將自動轉向片外存儲器。當保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，對8031而言，此腳必須接地。P0，P1，P2，P3：8031有四個并行口，在這四個并行口中，可以在任何一個輸出數(shù)據(jù)，又可以從它們那得到數(shù)據(jù)，故它們都是雙向的。8031有一個全雙工串行口，這個串行口既可以在程序下把CPU的8位并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)一位一位的從發(fā)送數(shù)據(jù)線發(fā)送出去，也可以把串行數(shù)據(jù)接受進來變成并行數(shù)據(jù)給CPU，而且這種串行發(fā)送和接收可以單獨進行也可以同時進行。8031的 串行發(fā)送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3.1做串行數(shù)據(jù)接收線，串行接口的電路結構還包括了串行口

36、控制寄存器SCON，電源及波特率選擇寄存器PCON和串行緩沖寄存器SBUF，他們都屬于SFR，PCON和SCON用于設置串行口工作方式和確定數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，SBUF用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)起到緩沖的作用。3. 2. 2. 3 8031程序存儲器MCS-51系列單片機的內部ROM是不同的，8051有4K的ROM，而8751則是4K光可擦寫EPROM，而我們所采用的8031則沒有片內的ROM，但是無論那種型號的芯片都可以在片外擴展多達64K的片外程序存儲器，外部程序存儲器擴展的大小以滿足系統(tǒng)要求即可，或有特殊要求或為了以后升級方便采用大容量的片外程序存儲器。在程序存儲器中有六個單元有特定的含義：000

37、0H單元：單片機復位后，PC=0000H即從此處開始執(zhí)行指令。0003H單元：外部中斷0入口地址。000BH單元：定時器0溢出中斷入口地址。0013H單元：外部中斷1入口地址。001BH單元：定時器溢出中斷入口地址。0023H單元：串行口中斷入口地址。使用時常在這些入口外安放一條絕對跳轉指令，使程序跳轉到擁護安排的中斷處理程序的起始地址，或從0000H外執(zhí)行一跳轉指令，跳轉到用戶設計的初始程序入口。3. 2. 2. 4 8031數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器用于存放運算中間的結果、數(shù)據(jù)暫存、緩沖、標志位、待測程序等功能。片內的128B的RAM地址為00H7FH，供用戶做RAM用，但是在這中間的前32單元

38、，00H1FH即引用地址尋址做用戶RAM用。低128字節(jié)中的20H2FH共16字節(jié)可用位尋址方式訪問各位，共128個位地址，30H7FH共80個單元為用戶RAM區(qū)，作堆棧或數(shù)據(jù)緩沖用，片內RAM不夠用時，須擴展片外數(shù)據(jù)存儲器。此時單片機通過P2口和P0口選出6位地址，使用ALE作低8位的鎖存信號，再由P0口寫入或讀出數(shù)據(jù)。寫時用，讀時用做外部數(shù)據(jù)存儲器的選通信號3. 2. 2. 5 特殊功能寄存器SFR8031有21個專用寄存器，他們是用來管理CPU和I/O口以及內部邏輯部件的，在指令中專用寄存器是以存儲單元方式被讀寫的，專用寄存器雖有名稱，但尋址時都做專用寄存器用，它們的地址是與片內RAM的

39、地址相連的。下面就專用寄存器作以簡單的介紹：累加器A：在絕大多數(shù)情況下它參與運算的一方并存放運算的結果。寄存器B：進行乘除運算時，寄存器B有特定的用途，在乘時存放一個乘數(shù)以及積的最高位，A中存放另一個乘數(shù)以及積的低位。除法時，B中存放除數(shù)及余數(shù)，而在A中存放被除數(shù)和商，其他情況可作為普通寄存器用。堆棧指針SP：在子程序調用或中斷時，用來暫存數(shù)據(jù)和地址。數(shù)據(jù)指針DPTR：由兩個字節(jié)組成，DPH字地址由83H，DPL由82H，存放一個16位的二進制數(shù)做地址用。程序狀態(tài)字PSW：七位用來表征各種標志，另一位無意義。C：最高位進位借位標志位AC：輔助進位標志F0：用戶標志位或軟件標志位。 RS1，RS

40、0：工作寄存器區(qū)選擇控制位 OV：溢出標志位P：奇偶校驗位3. 2. 2. 6 工作方式 1、復位方式根據(jù)應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開復位。上電復位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復位操作。常用的上電復位電路如圖 20中左圖所示。圖中電容C1和電阻R1對電源十5V來說構成微分電路。上電后，保持RST一段高電平時間，由于單片機內的等效電阻的作用，不用圖中電阻R1，也能達到上電復位的操作功能，如圖 20中所示。上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。常用的上電或開關復位電路如圖 20所示。上電后，由于電容C3的充電和反相

41、門的作用，使RST持續(xù)一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵K后松開，也能使RST為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關復位的操作。 根據(jù)實際操作的經(jīng)驗，下面給出這兩種復位電路的電容、電阻參考值。 圖20 單片機的復位電路 圖20中：Cl10-30uF，R11kO 圖20中：C：1uF，RllkO，R210kO 2、掉電和低功耗方式人們往往在程序運行中系統(tǒng)發(fā)生掉電的故障，使RAM和寄存器中的數(shù)據(jù)內容丟失，使人們丟失珍貴的數(shù)據(jù)而束手無策，8031有掉電保護，是先把有用的數(shù)據(jù)保存，再用備用電源進行供電。3. 2. 3存儲器的設計1、程序存儲器的擴展 由于8031無內部ROM ，故擴展

42、的程序存儲器地址為0000HFFFFH，考慮系統(tǒng)的需要，我們將8031的程序存儲器擴展為4K EPROM，采用2764作為ROM芯片。程序存儲器擴展的容量大于256字節(jié)，故EPROM片內地址線除了由P0口經(jīng)地址存儲器提供低8位地址外，還需要由P2口提供若干條地址線，我們選用8K的2764 EPROM，故地址線應該是13條，因為系統(tǒng)中只擴展一片EPROM，所以不用片選信號，即EPROM 的接地。在程序擴展中，我們選用的地址鎖存器是74LS373當三態(tài)門的為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許Q端輸出，否則為高電平，輸出為三態(tài)門斷開，輸出端對外電路呈高阻態(tài)，所以在這里為低電平，這時當G端為高電平時，

43、鎖存器輸出和輸入的狀態(tài)是相同的，當G由高電平下落為低電平時，輸入端1D8D的數(shù)據(jù)鎖入1Q8Q中。當2764處于讀方式下和均為低電平有效。當VPP=+5V時，EPROM處于讀工作方式：這時由給定地址信號決定被選中存儲器單元信息。被讀出到數(shù)據(jù)輸出端D0D7上。維持方式：當為高電平時，VPP為+5V，EPROM處于低功耗方式，輸出端均為高阻態(tài)，這與輸入無關。編程方式：在VPP加上+25V編程電源并在和地端跨接一個0.1uf的電容以干擾電壓的瞬間對2764進入編程方式，被編程的8位數(shù)據(jù)以并行方式送到數(shù)據(jù)輸出斷編程校驗。2764與8031的連接如圖21所示 圖21 程序存儲器的擴展在選用芯片擴展的同時要

44、考慮滿足系統(tǒng)的要求的前提下，使電路簡化，盡量選擇大容量的芯片，以減少芯片組合的數(shù)量，在芯片型號的選擇上選用滿足應用環(huán)境要求的芯片型號。2、數(shù)據(jù)存儲器的擴展在單片機中有128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。但往往在系統(tǒng)的要求下片內RAM不能滿足要求，用戶只有選擇擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器，以進行存儲系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的要求。我們采用8K靜態(tài)RAM6264進行擴展。與動態(tài)RAM相比，靜態(tài)RAM無須考慮保持數(shù)據(jù)而刷新電路，所以擴展電路較為簡單且能滿足系統(tǒng)的要求。6264是8K*8位的靜態(tài)隨機存儲器芯片。它采用CMOS工藝制作，單一的+5V電源供電，額定功耗是200mW，典型存取時間200ms，為28線

45、雙列直插封裝。數(shù)據(jù)存儲器的擴展與程序存儲器的擴展類似，讀寫控制信號與8031的和相連。P0口通過74LS373與A0A7相連，P2.0P2.4與A8A12相連，P2.7與相連，P0口與D0D7相連作為數(shù)據(jù)線，同時CE2接+5V電源，GND接地。如圖22所示： 圖22 數(shù)據(jù)存儲器的擴展3. 2. 4數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護單片機系統(tǒng)內的RAM數(shù)據(jù)是非常容易丟失的，特別是一些珍貴的科研數(shù)據(jù)，一旦丟失后果不堪設想，因此掉電保護是必須要做的，一旦電源發(fā)生掉電現(xiàn)象，在掉電的瞬間系統(tǒng)能自動保護RAM中的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當電源恢復正常供電后能恢復到掉電前的工作狀態(tài)。3. 2. 5系統(tǒng)時鐘的設計我們系統(tǒng)采用

46、內部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號。8031內部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為XTAL1和XTAL2，它們跨接在晶體振蕩器和用于微調的電容，便構成了一個自激勵振蕩器電路中的C1、C2的選擇在30PF左右，但電容太小會影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶振頻率為在1.2MHZ12MHZ之間，頻率越高單片機的速度就越快，但對存儲器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度穩(wěn)定性好的NPO電容，采用的晶振頻率為12MHZ。圖23 系統(tǒng)時鐘3. 3 顯示電路的設計 在單片機應用系統(tǒng)設計中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。本設計是利用8031的串行口實現(xiàn)鍵盤/顯示器接口。

47、 當8031的串行口未作它用時，使用8031的串行口來外擴鍵盤/顯示器。應用8031的串行口方式0的輸出方式，在串行口外接移位寄存器74LS164，構成鍵盤/顯示器接口，其硬件接口電路如圖24所示：圖24 鍵盤及顯示與主機的硬件接口圖中下邊的8個74LS164：74LS164（0）74LS164（7）作為8位段碼輸出口，74LS138的Y0作為鍵輸入線，Y2作為同步脈沖輸出控制線。這種靜態(tài)顯示方式亮度大，很容易作到顯示不閃爍。靜態(tài)顯示的優(yōu)點是CPU不必頻繁的為顯示服務，因而主程序可不必掃描顯示器，軟件設計比較簡單，從而使單片機有更多的時間處理其他事務。4 軟件設計1、這里所需要注意的是標度變換

48、，下面簡單的介紹一下標度變換：目的是要把實際采樣的二進制值轉換成BCD形式的溫度值，然后存放到顯示緩沖區(qū)34H-3BH。對一般線性儀表來說，標度變換公式為： 式中：A0為一次測量儀表的下限；Am為一次測量儀表的上限；AX為實際測量值；N0為儀表下限所對應的數(shù)字量；Nm為儀表上限所對應的數(shù)字量；NX為測量所得數(shù)字量。2、溫度控制主程序的設計應考慮以下問題：（1）鍵盤掃描、鍵碼識別和溫度顯示（2）溫濕度采樣，數(shù)字濾波；（3）越限報警和處理；（4）溫度標度轉換。通常，符合上述功能的溫度控制程序由主程序和T0中斷服務程序兩部分組成。 圖 2圖 圖25 主程序流圖圖26 T0中斷流程圖 圖27 溫度采樣

49、子程序圖28 鍵掃描程序流程結 論本系統(tǒng)是基于單片機8031的處理，借助溫度傳感器與濕度傳感器的測量，可以完美的實現(xiàn)對環(huán)境溫度，濕度的監(jiān)測，實時顯示環(huán)境的溫度和濕度。并在溫度或濕度達到設定值上限時，此系統(tǒng)完全能運用于工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境測量、貨物保管等部門。它結構緊密、調試按裝方便、可塑性強，經(jīng)長期使用性能穩(wěn)定可靠。傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉換，一切準確的測量和控制都將無法實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高

50、質量。隨著社會的發(fā)展，傳感器的作用越來越突出。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到最好的質量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎。致 謝回首既往，自己一生最寶貴的時光能于這樣的校園之中，能在眾多學富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實是榮幸之極。在這三年的時間里，我在學習上和思想上都受益非淺。這除了自身努力外，與各位老師、同學和朋友的關心、支持和鼓勵是分不開的論文的寫作是枯燥艱辛而又富有挑戰(zhàn)的。溫度、濕度控制系統(tǒng)是理論界一直探討的熱門話題，老師的諄諄誘導、同學的出謀劃策的支持鼓