室內(nèi)溫度濕度測量儀的設(shè)計論文

#第1章緒論課題研究背景和意義溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度。在整個宇宙當中，溫度無處不存在。無論在地球上還是在月球上，也無論是在熾熱的太陽上還是在陰冷的冥王星上，這一切無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薄Ｔ诖艘饬x下，常用絕對濕度、相對濕度、比較濕度、混合比、飽和差以及露點等物理量來表示。濕度表示氣體中的水蒸汽含量,有絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。絕對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，絕對濕度的最大限度是飽和狀態(tài)下的最高濕度；相對濕度是絕對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，同時也是工業(yè)生產(chǎn)中最常見最基本的工藝參數(shù)，例如機械、電子、石油、化工等各類工業(yè)中廣泛需要對溫度、濕度的檢測與控制。并且隨著人們生活水平的提高，人們對自己的生存環(huán)境越來越關(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，所以對溫度、濕度的檢測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、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工進行檢測，對不符合溫度和濕度要求的庫房進行通風、去濕和降溫等工作。這種人工測試方法費時費力、效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大。含有微型計算機或微處理器的測量儀器，由于它擁有對數(shù)據(jù)存儲，運算邏輯判斷及自動化的功能，有著智能作用。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，一個低成本和具有較高精度的溫度濕度測量儀在許多領(lǐng)域會代替人工操作，自動控制各種儀器調(diào)整環(huán)境溫度濕度。目前市場上普遍存在的溫濕度檢測儀器大都是單點測量，而且溫濕度信息傳遞不及時，精度達不到要求，不利于控制者根據(jù)溫度、濕度變化及時做出決定，為此，本設(shè)計開發(fā)了一種能夠同時測量多點，并實時性高、精度高，能夠綜合處理多點溫濕度信息，并能進行溫濕度控制的測控產(chǎn)品?？傊h(huán)境溫濕度的檢測與調(diào)節(jié)儀器的設(shè)計和開發(fā)具有非常大的市場前景和實用價值。國內(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、微機散熱保護專用的智能溫度控制器。集成溫度傳感器的主要應用領(lǐng)域有以下3個方面：溫度測量：可以構(gòu)成數(shù)字溫度計、溫度變送器、溫度巡回檢測儀、智能化溫度檢測系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)化測溫系統(tǒng)。溫度控制：適用于智能化溫度測控系統(tǒng)、工業(yè)過程控制、現(xiàn)場可編程溫度控制系統(tǒng)、環(huán)境溫度監(jiān)測及報警系統(tǒng)、中央空調(diào)、風扇溫控電路、微處理器及微機系統(tǒng)的過熱保護裝置、現(xiàn)代辦公設(shè)備、電信設(shè)備、服務(wù)器中的溫度測控系統(tǒng)、電池充電器的過熱保護電路、音頻功率放大器的過熱保護電路及家用電器。特殊應用：例如，熱電偶冷端溫度補償、測量溫差、測量平均溫度、測量溫度場、電子密碼鎖（僅對內(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)測等［2］。模擬集成溫度傳感器是在20世紀80年代問世的，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一（僅測量溫度）、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。它是目前在國內(nèi)外應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90年代中期問世的。它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)（ATE）的結(jié)晶。目前，國際上已開發(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、信號處理器、存儲器（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）、隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(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)上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。進入21世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。在20世紀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，其測溫精度較低，分辨力只能達到1°C。目前，國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9~12位A/D轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達0.5?0.0625°C。由美國DALLAS半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數(shù)據(jù)，其分辨力高達0.03125C，測溫精度為±0.2°C。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，它對本地傳感器、每一路遠程傳感器的轉(zhuǎn)換時間分別僅為27ys、9ys。新型智能溫度傳感器的測試功能也在不斷增強。例如，DS1629型單線智能溫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E2PR0M存儲器，可存儲用戶的短信息。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)也實現(xiàn)了標準化、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⑶。濕度傳感器濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測量屬于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，國內(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。國內(nèi)外各廠家的濕度傳感器產(chǎn)品水平不一，質(zhì)量價格都相差較大，用戶如何選擇性能價格比最優(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)在國內(nèi)市場上出現(xiàn)了不少國內(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，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/溫度測控系統(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。濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。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、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。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0.04pF/°C，濕度滯后量為±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。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。其主要特點是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關(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（型值），當上對濕度從10%變化到95%時，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、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。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)x5(mm)x2.5(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精密標準，標準系數(shù)被編成相應的程序存入校準存儲器中，在測量過程中可對相對濕度進行自動校準。它們不僅能準確測量相對溫度，還能測量溫度和露點。測量相對溫度的范圍是0?100%,分辨力達0.03%RH,最高精度為±2%RH。測量溫度的范圍是-40°C?123.8U分辨力為0.01Co測量露點的精度［41。本文的主要工作和結(jié)構(gòu)安排本設(shè)計以STC89C52單片機為核心來對多點溫濕度進行實時巡檢。各檢測單元(從機)能獨立完成各自功能，同時能根據(jù)主控機的指令對溫濕度進行時時采集。并將采集來的信息通過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設(shè)范圍，閃爍燈和蜂鳴器都將給出報警示意用戶，以便做出及時決定。本系統(tǒng)能夠同時檢測多路溫濕度，檢測溫度范圍-55C?+95C。根據(jù)實際需要，檢測點數(shù)可以擴展。系統(tǒng)采用CHR-01濕敏電阻，使用模擬電路，將濕度信號變?yōu)殡妷盒盘栞敵觯瑐鬏斀o單片機進行分析、處理和控制顯示。濕度檢測范圍為20%?90%RH，其檢測精度為±5%。此外，本系統(tǒng)還具有報警模塊，可設(shè)定溫度濕度報警上下限，當檢測到任何溫度濕度超過溫度濕度報警上下限就進行報警。本文結(jié)構(gòu)安排如下：第1章緒論，介紹了溫濕度對人們生活、生產(chǎn)、工作的影響，溫濕度測量儀的應用和發(fā)展，以及溫濕度測量儀的核心器件溫度傳感器、濕度傳感器的結(jié)構(gòu)、型號、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，介紹了測量儀信號采集、分析、處理的工作過程和在這些過程中設(shè)計的模塊電路原理、特性、應用。第4章軟件設(shè)計，介紹了軟件編程的主流程圖和測量溫度子程序流程圖、測量濕度子程序流程圖。第2章方案比較和論證當將單片機用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)總要有被測信號懂得輸入通道，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(wù)；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(guān)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(zhuǎn)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(shè)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(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。熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件?，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。鉑的物理、化學性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強，易提純，復制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測中高精密測溫和溫度標準。缺點是價格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按IEC標準測溫范圍-200?650°C,百度電阻比W(100)=1.3850時，R0為1000和100，其允許的測量誤差A級為土(0.15C+0.002Itl),B級為土(0.3C+0.005|t|)。銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價格低，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?180C則溫。方案二：采用DS18B20,溫度測量范圍從-55C?+125C,-10?+85C時測量精度為±0.5°C,測量分辨率為0.0625C,電源電壓范圍從3.3?5V。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，無需進行線性校正，使用非常方便,接口簡單,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溫度,并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9?12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、傳輸距離遠等特點，內(nèi)含寄生電源。系統(tǒng)有如下特點：不需要備份電源，可通過信號線供電；送串行數(shù)據(jù)，不需要外部元件；零功耗等待；系統(tǒng)的抗干擾性好，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如環(huán)境控制、設(shè)備過程控制、測溫類消費電子產(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)簡單，選擇方案二作為本設(shè)計的溫度傳感器。濕度傳感器的選擇測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)生變化而進行濕度測量的。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IV,頻率為50Hz?2kHz，測量濕度范圍為20%~90%RH，測量精度±5%,工作溫度范圍為0?+85°C,最高使用溫度120U阻抗在60%RH(25C)時為30(21?40.5)KQ。采用555時基或RC振蕩電路，將濕度傳感器等效為阻抗值，測量振蕩頻率輸出，振蕩頻率在1kHz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，相對濕度在0%?99%RH范圍內(nèi)，精度為±5%，測量指標和精度高，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(shè)計的固態(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插件和自動裝配過程，HTF3223在HF3223的基礎(chǔ)上多了一個溫度傳感器。HF3223濕度傳感模塊將濕度信息轉(zhuǎn)化為頻率信號，傳輸給單片機進行分析、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量需求，且調(diào)試電路簡單，因此，在能達到指標要求下，為減少成本支出，我們選擇方案一來作為本設(shè)計的濕度傳感器。2.3控制芯片的的選擇2.3.1單片機在多數(shù)電子設(shè)計當中，基于性價比的考慮，8位單片機仍是首選。目前，8位單片機在國內(nèi)外仍占有重要地位。在8位單片機中又以MCS－51系列單片機及其兼容機所占的份額最大。MCS—51的硬件結(jié)構(gòu)決定了其指令系統(tǒng)不會發(fā)生變化，設(shè)計人員可以很容易的對不同公司的單片機產(chǎn)品進行選型，他們只需將重點放在芯片內(nèi)部資源的比較上。方案一：采用AT89C51芯片作為硬件核心，采用FlashROM，內(nèi)部具有4KBROM存儲空間，能于3V的超低壓工作，而且與MCS-51系列單片機完全兼容，但是運用于電路設(shè)計中時由于不具備ISP在線編程技術(shù)，當在對電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，對芯片的多次拔插會對芯片造成一定的損壞。方案二：采用AT89S52片內(nèi)ROM全都采用FlashROM；能以3V的超底壓工作；同時也與MCS-51系列單片機完全該芯片內(nèi)部存儲器為8KBROM存儲空間，同樣具有89C51的功能，且具有在線編程可擦除技術(shù)，當在對電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，不需要對芯片多次拔插，所以不會對芯片造成損壞。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存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(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。FPGAFPGA是英文Field－ProgrammableGateArray的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(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。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(LogicCellArray)這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB(ConfigurableLogicBlock)、輸出輸入模塊IOB(InputOutputBlock)和內(nèi)部連線(Interconnect)三個部分。FPGA的基本特點主要有：(1)采用FPGA設(shè)計ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的-H-丄芯片。⑵FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。⑶FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。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又是單片機和DSP的超集，也就是說，單片機和DSP能實現(xiàn)的功能,FPGA一般都能實現(xiàn)?？梢哉f，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MCS—51單片機比較FPGA運行速度快FPGA內(nèi)部集成鎖項環(huán)，可以把外部時鐘倍頻,核心頻率可以到幾百M,而單片機運行速度低的多.在高速場合,單片機無法代替FPGAFPGA管腳多，容易實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)單片機10口有限，而FPGA動輒數(shù)百10,可以方便連接外設(shè).比如一個系統(tǒng)有多路AD,DA，單片機要進行仔細的資源分配，總線隔離，而FPGA由于豐富的I0資源，可以很容易用不同I0連接各外設(shè)⑶FPGA內(nèi)部程序并行運行，有處理更復雜功能的能力單片機程序是串行執(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，可以同時處理不同任務(wù)，這就導致了FPGA工作更有效率(4)FPGA有大量軟核，可以方便進行二次開發(fā)FPGA功能遠遠高于MCS—51單片機的功能，但成本也高出不少，本設(shè)計不需要過多的I0口，普通運行速度即可，使用MCS—51單片機系列完全可以實現(xiàn)產(chǎn)品要求的指標，電路簡單，調(diào)試容易，所以本設(shè)計采用MCS—51單片機。輸出顯示設(shè)備選擇電子設(shè)計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)計中使用相當普遍的一種顯示設(shè)備，每個數(shù)碼管由7個發(fā)光二極管按照一定的排列結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)七個發(fā)光二極管的正負極連接不同，又分為共陰極數(shù)碼管和共陽極數(shù)碼管兩種，選擇的數(shù)碼管不同，程序設(shè)計上也有一定的差別。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中的任意一個數(shù)字，一個數(shù)碼管可以顯示一位，多個數(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)計都十分簡單，但是當要顯示的位數(shù)相對多的時候，數(shù)碼管操作起來十分煩瑣，顯示的速度受到限制。并且當硬件電路設(shè)計好之后，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，用戶可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動手設(shè)計的圖案。當需要顯示的數(shù)據(jù)比較復雜的時候，它的優(yōu)點就突現(xiàn)出來了，并且當硬件設(shè)計完成時，可以通過軟件的修改來不斷擴展系統(tǒng)顯示能力。外圍驅(qū)動電路設(shè)計比較簡單，顯示能力的擴展將不會涉及到硬件電路的修改，可擴展性很強字符型液晶顯示屏已經(jīng)成為了單片機應用設(shè)計中最常用的信息顯示器件之一。不足之處在于其價格比較昂貴，驅(qū)動程序編寫比較復雜。本設(shè)計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。本章小結(jié)本章主要介紹溫濕度測量儀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。對比考慮各器件性能、特點、使用難易度、成本等因素，選擇適合本產(chǎn)品指標的元器件。第3章系統(tǒng)整體設(shè)計本方案以STC89C52單片機系統(tǒng)為核心來對溫度、濕度進行實時控制和巡檢。各檢測單元能獨立完成各自功能，并根據(jù)主控機的指令對溫濕度進行實時采集。主控機負責控制指令的發(fā)送，并控制各個檢測單元進行溫度采集，收集測量數(shù)據(jù)，同時對測量結(jié)果進行整理和顯示。其中包括單片機、復位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計。圖3.1系統(tǒng)總方框圖本設(shè)計由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的。(1)信號采集由溫度傳感器模塊和濕度傳感器模塊組成；(2)信號分析由單片機STC89C52組成；(3)信號處理由液晶顯示模塊、繼電器模塊和蜂鳴器模塊組成3.1信號采集3.1.1溫度傳感器Dallas半導體公司的數(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。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，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、更靈活。圖3.2DS18B20DS18B20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接地）。圖3.3DS18B20方框圖DS18B20依靠一個單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進行存儲器和控制操作。因此，控制操作必須首先提供下面5個ROM操作指令之一：(1)讀ROM，⑵匹配ROM,(3)搜索ROM,(4)跳過ROM,(5)報警搜索。這些指令操作作用在沒有一個器件的64位光刻ROM序列號，可以在掛在一線上多個器件選定某一個器件，同時，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完成溫度測量，數(shù)據(jù)存儲在DS18B20的存儲器。一個控制功能指揮指示DS18B20的演出測溫。測量結(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)容的片上存儲器。溫度報警觸發(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)利用一個記憶功能的指令完成。通過緩存器讀寄存器。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，測量溫度范圍為-55°C~+125°C，在-10?+85。C范圍內(nèi)，精度為±0.5°C?，F(xiàn)場溫度直接以“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)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等，支持3V?5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、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9~12位的分辨率，精度為±0.5°C?？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)定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能是新一代產(chǎn)品中最好的！性能價格比也非常出色！2、DS18B20工作原理DS18B20的測溫原理如圖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送給計數(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)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55°C所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值[10]。圖3.4DS18B20原理圖3、DS18B20基本應用電路DS18B20測溫系統(tǒng)具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點。下面就是DS18B20幾個不同應用方式下的測溫電路圖：(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從單線信號線上汲取能量：在信號線DQ處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源(電容)充電。

18B20vccVCCI/OGNDDS18B2018B20vccVCCI/OGNDDS18B20GND圖3.5DS18B20寄生電源供電方式電路圖獨特的寄生電源方式有三個好處：1，進行遠距離測溫時，無需本地電源；2,可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取ROM；3,電路更加簡潔，僅用一根I/O口實現(xiàn)測溫；要想使DS18B20進行精確的溫度轉(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DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達到1mA,當幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進行多點測溫時，只靠4.7K上拉電阻就無法提供足夠的能量，會造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。因此，此電路只適應于單一溫度傳感器測溫情況下使用，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，當電源電壓下降時，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會使溫度誤差變大。改進的寄生電源供電方式如下面圖3.5所示，為了使DS18B20在動態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應，當進行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到E2存儲器操作時，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存儲器或啟動溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最多10“S內(nèi)把I/O線轉(zhuǎn)換到強上拉狀態(tài)。在強上拉方式下可以解決電流供應不走的問題，因此也適合于多點測溫應用，缺點就是要多占用一根I/O口線進行強上拉切換。

圖3.6DS18B20寄生電源強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I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(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°C。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，而且電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

因此本設(shè)計采用外部供電方式，。因為本設(shè)計只用于測量環(huán)境溫度，所以只顯示0°C?+85°C。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(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質(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)生變化而進行濕度測量的。1.濕度的概念濕度是表示空氣中水蒸氣含量多少的尺度。在物理學和氣象學中，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單位。在諸多方法中，習慣使用的是絕對濕度和相對濕度。(1)絕對濕度：絕對濕度定義為在每立方米濕空氣中，在標準狀態(tài)下所含水蒸汽的質(zhì)量，以字符p表示，單位g/m3。再由氣體狀態(tài)方程式3.1)3.2)3.1)3.2)nnn可得PPPp=n-=1000xn=2.169xnRT461T273.15+tn式中p為空氣中水蒸氣的分壓力(帕)；T為空氣中的干球絕對溫度(K)；t為空n氣中干球的攝氏溫度(C)；r為水蒸氣的氣體常數(shù)，r=461。nn(2)相對濕度:相對濕度是指空氣中水蒸氣分壓力P與同溫度下飽和水蒸n汽壓力P之比值。用r表示相對濕度為：br=―^x100%(3.3)Pb式中P和P的單位采用毫巴(mb)時，由馬格奴斯經(jīng)驗公式計算飽和水蒸氣壓nb力:7.45tPb=P0x10235+1(3.4)式中p=6.1mb。空氣中水蒸氣分壓力按下列公式計算：0TOC\o"1-5"\h\zP=P-AP（t-t）（3.5）nbwsw式中：p為濕球溫度t時飽和水蒸汽壓力；t為干球溫度（?;t為濕球溫nwsw度（°Q；P為大氣壓力（mb）；A是與風速v有關(guān)，通常按下列公式計算：3.6)135.1483.6)A=(593+十+x)-610vv可知，相對濕度為干球溫度、濕球溫度、風速、大氣壓力的函數(shù)，當大氣壓力變化不大時，對給定的檢測條件V不變，那么只要測得t,t即可得相對濕度［2］。2.CHR-01濕敏元件簡介電阻型濕度傳感器可分為兩類：電子導電型和離子導電型。電子導電型濕度傳感器，也稱為“漲縮型濕度傳感器”，它通過將導電體粉末（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，從而使導電粉末間距變化，電阻隨之改變。但是這類傳感器長期穩(wěn)定性差，且難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，所以應用較少。離子導電型濕度傳感器，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，遷移率增加同時吸附的水分子電離使離子載體增多，膜電導隨濕度增加而增加，由電導的變化可測知環(huán)境濕度。本設(shè)計選用阻抗型高分子濕度電阻，型號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。142t-o5內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖外殼(ABS)S片142t-o5內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖外殼(ABS)S片(AL20S)電極4—B濕材料1引腳5.00外型尺寸示盍圖CYBERSEN圖3.8CHR-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。當相對濕度增加時，吸附量也增加，吸附水就成為導電通道，高分子電解質(zhì)的正負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IV,頻率為50Hz?2kHz,測量濕度范圍為20%?90%RH，測量精度±5%,工作溫度范圍為0?+85°C,最高使用溫度120U阻抗在60%RH(25°C)時為30(21?40.5)kQ12。圖3.9為0-60C下CHR-01的阻抗特性曲線，由下圖可知，在對精度要求不高的情況下，可以將其近似為線性關(guān)系。

圖3.90?+60°C阻抗特性圖3.CHR-01濕敏元件應用電路在實際工作環(huán)境中，溫度不是一個恒值，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)境相對濕度與實際的相對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，否則性能會劣化甚至失效。電解質(zhì)濕度傳感器的電導是靠離子的移動實現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負離子必然向電源兩極運動，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，正負離子往返運動，不會產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會被破壞。交流電源的頻率選擇是，在不產(chǎn)生正、負離子定向積累情況

下盡可能低一些。但加交流電壓后會產(chǎn)生一定的熱量，所以，交流電壓值不能過高，要有一定的限度，在高頻情況下，測試引線的容抗明顯下降，會把濕敏電阻短路。另外，濕敏膜在高頻下也會產(chǎn)生集膚效應，阻值發(fā)生變化，影響到測濕靈敏度和準確性。除此之外，響應時間、濕滯回線、濕滯回差等也不容忽略。響應時間越短，表明濕敏元件的吸濕過程和脫濕過程越快，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試電路［11］。VCC.R21HR1CHR01Humid(?NI)(jNDVCCTRIGDISCHOUTTHRESVCC.R21HR1CHR01Humid(?NI)(jNDVCCTRIGDISCHOUTTHRESRESETCOIJTvcc8T104C1NI)圖3.10濕度傳感器模塊電路

在濕度檢測電路中，以5V交流電作為濕敏電阻的工作電壓。多諧振蕩

器只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。假設(shè)當電源接通后，電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)，電容C上電壓u略低于1/3V，V=0輸出高電平，V截止，電源V通過R給電容CTOC\o"1-5"\h\zCCC31CC21充電。隨著充電的進行U逐漸增高，但只要1/3V<U<2/3V，V輸出CCCCCC3電壓就一直保持高電平不變，這就是第一個暫穩(wěn)態(tài)。當電容C上的電壓U略C微超過1/3V時，RS觸發(fā)器置0,使V輸出電壓從原來的高電平翻轉(zhuǎn)到低電CC3平，即V=0，V導通飽和，此時電容C通過R和V放電。隨著電容C放電,31211U下降，但只要1/3V<U<2/3V，V就一直保持低電平不變，這就是CCCCCC3第二個暫穩(wěn)態(tài)。當UC下降到略微低于1/3V時，RS觸發(fā)器置1，電路輸出CC又變?yōu)関=1，v截止，電容C再次充電，又重復上述過程，電路輸出便得到31周期性的矩形脈沖［14］。諧振蕩器的振蕩周期為兩個暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間，T=T+T。求得電容C12的充電時間T和放電時間T各為12TOC\o"1-5"\h\zT=（R+R）CIn"cc_"t_=（R+R）CIn2（3.7）12V-V12CCT+T=RCIn0_"t+=RCln2（3.8）20-V2T-因此，振蕩周期T=T+T=ln2（R+2R）C（3.9）1212

通過頻率值轉(zhuǎn)換為所對應的濕度值，就得到了所測的濕度值。3.2信號分析單片機專業(yè)名稱一MicroControllerUnit（微控制器件）它是由INTEL公司發(fā)明的，最早的系列是MCS-48后來有了MCS-51我們經(jīng)常說的51系列單片機就是MCS-51microcontrollersystem，它是-一種8位的單片機。在單片機應用系統(tǒng)開發(fā)過程中，單片機是整個設(shè)計的核心，因此選擇合適的單片機型號很重要。根據(jù)實現(xiàn)系統(tǒng)功能需要的單片機硬件資源，在性能指標滿足的情況下，該系統(tǒng)的單片機型號選擇8051系列的STC89C52芯片。本系統(tǒng)中，選擇STC89C52單片機為該系統(tǒng)的總控芯片，STC89C52單片機可把由溫度、濕度檢測電路檢測出的信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示模塊，實現(xiàn)溫度、濕度的顯示；通過鍵盤設(shè)定溫濕度報警值，超過溫度、濕度上下限由蜂鳴器實現(xiàn)溫度、濕度的報警。3.2.1單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)STC89C52系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，指令碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇［13］。STC89C52具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇，可以滿足系統(tǒng)在各個子模塊程序之間的切換；

STC89C52的運算速度可滿足一般的設(shè)計要求;而且STC系列單片機支持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)、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(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系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框架示意圖，如圖3.11所示。圖3.118051系類單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖主要性能參數(shù)：⑴與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容⑵8k字節(jié)在系統(tǒng)編程(ISP)Flash閃速存儲器(3)1000次擦寫周期(4)4.0-5.5V的工作電壓范圍⑸全靜態(tài)工作模式：0Hz-33MHz(6)三級程序加密鎖(7)128*8字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程I/O口線2個16位定時/計數(shù)器6個中斷源全雙工串行UART通道(12)低功耗空閑和掉電模式中斷可從空閑摸喚醒系統(tǒng)看門狗(WDT)及雙數(shù)據(jù)指針⑺中央處理器：中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，51系列單片機是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，它能處理8位二進制數(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。它負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：數(shù)據(jù)存取器(RAM)可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，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。程序存儲器(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8位掩膜ROM。定時/計數(shù)器：定時/計數(shù)器用于硬件的定時或計數(shù)。8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(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：單片機的并行輸入輸出(I/O)口主要用于和外部設(shè)備進行通信，以便于

處理外部的輸入和將運算結(jié)果反饋到外部設(shè)備。8051共有4組8位I/O口（P0、Pl、P2或P3）,用于對外部數(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，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。時鐘電路：8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容［8］。管腳說明：8051系列單片機采用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個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共兩根，4組8位共32個I/O口，中Pl.0EP1.1rPl.2EPl.3EPl.4EM0SI/P1.5匚MISO/P1.6匚SCK/P1.7匚RST匚EXD/P3.0匚TKD/P3.1匚IHT0/P3.2匚INT1/P3.3匚T0/P3.4匚T1/P3-5匚?/P3.6匚EL/P3.7匚XTAL2匚XTAL1匚PDIP&HD匚01234567830123456783111111111120307654321038765432143333333333222222222P3口線復用。VccP0.0/ADOPO.1/AD1PO.2/AD2PO.3/AD3PO.4/AD4PO.5/AD5PO.6/AD6PO.7/AD7EA/VPPALE/PEOGPESNP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/Al2P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A8圖3.128051系類單片機管腳圖VCC:供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(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TTL門電流，當P2口被寫“1”時，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，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口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入T”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：P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INTO（外部中斷0）

P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號3.2.2單片機最小系統(tǒng)單片機系統(tǒng)的擴展是以基本最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，故應首先熟悉應用應用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。單片機最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復位電路，其電路圖如圖3.13所示。P1J0WP1.1PODP12P0.1P13P1J0WP1.1PODP12P0.1P13P02P1.4P03PIJ(MOSI)P0.4P1j6(ME0)POJP1.7(SCK)P0j6RST蝕己P0.7P3J0(RKD)EA/V^pP3.1(TKD)ALETROGP32(nm)PSEHP33(nm)P2.7P3.4(T0)P2j6P3J(T1)P2JP3j6(WR)P2.4P3.7(RD)P23KTAL2P22KTAL1P2.15?SSP2D10k2923SzRB1圖3.13單片機最小系統(tǒng)1.復位電路單片機復位的原理是在時鐘電路開始工作后，在單片機的RST引腳施加24個時鐘振蕩脈沖(即兩個機器周期)以上的高電平，單片機便可以實現(xiàn)復位。在復位期間，單片機的ALE引腳和\P\S\E\N引腳均輸出高電平。當RST引腳從高電平跳變?yōu)榈碗娖胶?，單片機便從0000H單元開始執(zhí)行程序。在實際應用中，一般采用既可以手動復位，又可以上電復位的電路，這樣可以人工復位單片機系統(tǒng)，這種電路如圖3.13復位部分所示。上電復位電路部分的原理也是RC電路的充放電效應。除了系統(tǒng)上電的時候可以給RST引腳一個短暫的高電平信號外，當按下按鍵開關(guān)的時候，VCC通過一個高電阻連接到RST引腳，給RST一個高電平，按鍵松開的時候，RST引腳恢復為低電平，復位完成。2.晶振電路時鐘電路是用于產(chǎn)生單片機正常工作時所需要的時鐘信號。STC89C52單片機內(nèi)部包含有一個振蕩器，可以用于CPU的時鐘源。另外也可以采用外部振蕩器，由外部振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號來供內(nèi)部CPU運行使用。內(nèi)部時鐘模式內(nèi)部時鐘模式是采用單片機內(nèi)部振蕩器來工作的模式。51系列單片機內(nèi)部包含有一個高增益的單級反相放大器，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0~33MHz。當單片機工作于內(nèi)部時鐘模式的時候，只需在XTAL1引腳和XTAL2引腳連接一個晶體振蕩器或陶瓷振蕩器，并聯(lián)兩個電容后接地即可，如圖3-6所示。使用時對于電容的選擇有一定得要求，具體如下：A當外接晶體振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=30±10pF；B當外接陶瓷振蕩器的時候，電容值一般選擇C1=C2=40±10pF。在實際電路設(shè)計時，盡量保證外接的振蕩器和電容盡可能接近單片機的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CPU提供時鐘信號。外部時鐘模式外部時鐘模式是采用外部振蕩器產(chǎn)生時鐘信號，直接提供給單片機使用。對于不同的結(jié)構(gòu)的單片機，外部時鐘信號接入的方式有所不同。對于普通的8051單片機，外部時鐘信號由XTAL2引腳接入后直接送到單片機內(nèi)部的時鐘信號發(fā)生器，而引腳XTAL1則應直接接地。這里需要注意，由于XTAL2引腳的邏輯電平不是TTL信號，因此外接一個上拉電阻。對于CMOS型的80C51,80C52,AT89S52等單片機，和普通的8051不同的是其內(nèi)部的時鐘信號取自于反相放大器的輸入端。因此外部的時鐘信號應該接到單片機的XTAL1引腳，而XTAL2引腳懸空即可。根據(jù)實際應用，我們選擇內(nèi)部時鐘電路，外接頻率12.000MHz的晶體振蕩器，選擇兩個電容值為30pF的陶瓷電容。RS232串口模塊串行接口是單片機與外部設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)通信的主要途徑。51系類單片機提供了功能強大的全雙工串行通信接口，可以方便的實現(xiàn)多機通信或單片機與主機之間的通信。串行通信是指數(shù)據(jù)的各個二進制位按照順序一位一位地進行傳輸。這種通信方式的優(yōu)點是所需的數(shù)據(jù)線少，節(jié)省硬件成本及單片機的引腳資源，并且抗干擾能力強，適合于遠距離數(shù)據(jù)傳輸，缺點是每次發(fā)送一個比特，導致傳輸速度慢，效率低。1.串行通信簡介單片機的串行通信是將數(shù)據(jù)的二進制位，按照一定的順序進行逐位發(fā)送，接收方則按照對應的順序逐位接收，并將數(shù)據(jù)恢復出來。單片機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AsynchronousCommunication。在異步通信過程中，數(shù)據(jù)通常是以幀為單位進行傳送的，每個幀為一個字符或一個字節(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控制發(fā)送和接收的時鐘，這兩個時鐘不同，相互獨立。一個字符幀按順序一般可以分為4部分，即起始位，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗位和停止位。在異步通信的過程中，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，字符間隔不固定，各個字符幀可以是連續(xù)發(fā)送，也可以是間斷發(fā)送，在間斷發(fā)送時，停止位之后，傳輸線路上自動保持高電平。異步串行通信的優(yōu)點是不需要進行時鐘同步，字符幀的長度不受限制，使用起來比較方便，應用范圍廣；其缺點是傳送每個字符都要有起始位，奇偶校驗位和停止位，這樣便降低了有效地數(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SynchronousCommunication。同步串行通信的一次通信過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)塊的末尾附加差錯校驗字符。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。在進行同步串行通信時，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。接收方檢測到同步字符后，開始逐個接收數(shù)據(jù)，直到所有數(shù)據(jù)接收完畢，然后按照雙方規(guī)定的的長度恢復成一個一個的數(shù)據(jù)字節(jié)，最后進行校驗，如果無傳輸錯誤，則可以結(jié)束一幀的傳輸。同步串行通信的優(yōu)點是不用單獨發(fā)送每個字符，其傳輸速率高，一般用于高速率的數(shù)據(jù)通信場合；缺點是需要進行發(fā)送方和接收方之間的時鐘同步，整個系統(tǒng)設(shè)計比較復雜。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T1IN,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R1OUT，

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T1OUT用于接收單片機發(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R1IN,用于向單片機發(fā)送串行數(shù)據(jù)。=DB93C1645=DB93C1645RS232_RXI^齊4RS2322TXI^_仝C1+JC1-上2v+C2+V-C2-T1INT1OL1TR1OUTR1INT2INt:T2OUTR20誠3R2INT66~oRXI>2o(B.S232TXD3o(84o(9o(圖3.14RS232串口電路3.3信號處理3.3.1顯示電路3.3信號處理3.3.1顯示電路在單片機應用系統(tǒng)設(shè)計中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。顯示器作為輸出部件，可以將系統(tǒng)的運行結(jié)果、狀態(tài)等信息直觀地顯示出來供操作者了解系統(tǒng)的運行情況和程序的執(zhí)行結(jié)果。本設(shè)計是利用8051的串行口實現(xiàn)鍵盤/顯示器接口。1602采用標準的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地

第2腳：VDD接5V電源正極第3腳：VO為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高(對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度)。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。第5腳:RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。第7~14腳：D0~D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第15~16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極［18。LCDE&NL■1LCDErfLCD_DBO:lcdZdbi5VLCD?1lcd[dmLCD[dB4lcd[dLCDE&NL■1LCDErfLCD_DBO:lcdZdbi5VLCD?1lcd[dmLCD[dB4lcd[d筋lcd[d即：10416範預嘰.swBOB1B2B3B4B5B6B7^+妁話議預kredddddddd^k^—ADT-1602AGND圖3.15LCD顯示模塊3.3.2報警模塊在微型計算機控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計算機采集的數(shù)據(jù)或記過計算機進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進行報警，否則就作為采樣的正常值，進行顯示和控制。本設(shè)計采用峰鳴音報警電路。峰鳴音報警接口電路的設(shè)計只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過MCS-51的1根口線經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動，也可以用一個晶體三極管驅(qū)動。在圖中，P3.2接晶體管基極輸入端