毕业设计论文：多功能过程控制测量单元的测量.doc

多功能过程控制测量单元的设计摘要随着科学技术的飞速发展，工业生产技术也在不断提高，其中生产过程自动化的发展程度已成为衡量工业企业现代化水平的重要标志之一。对于生产过程的各个环节中，其中一个很重要的环节就是测量单元的部分。本文介绍的测量单元是以单片机微处理器为控制核心,对过程控制中典型的参数即温度、压力、液位、流量、成分和物性等多样化参数信息进行转化和获取。而测量单元中很重要的一个组成部分就是传感器。由于传感器输出的是按一定规律将测量参数转换成各种性质的电信号，如数字电信号或模拟电信号，电流信号或电压信号，所以对测量信号进行电流电压转化和数模转换并获取，并最终显示测量结果，实现多功能测量单元的设计。关键词： 单片机 传感器 a/d转化器 led显示the design of multi-function process control measurement unitabstract：with the rapid development of science and technology, industrial production technology is constantly improving, and the development of the automation of production line has become one of the important mark to judge the modernization level of industrial enterprises. for the production process, one of the important link is the one part of the measuring unit.the measurement unit that is introduced in this paper is single-chip microprocessor as control core, the typical parameters of process control, temperature, pressure, liquid level, flow, composition and properties such as the diversification of parameters information conversion and acquisition. while a very important part of the measurement unit is the sensor. because the sensor output are various properties electric signals which are according to regularly measured parameters and are converted into, such as digital signal or analog signals, current or voltage signal, so the measurement signal of current and voltage transformation and digital-analog conversion and acquisition, and finally show the result of measurement, design and realization of multifunctional measuring unit.key words: mcu sensor a/d converter led display目录第1章 前言11.1 课题的背景11.2 课题的意义21.3 课题的研究方法3第2章 总体设计42.1 系统总的设计方案42.2 总体硬件设计电路4第3章 硬件的设计53.1 电路原理图53.2 主要器件的介绍选型53.2.1 单片机的介绍53.2.2 at89s52单片机的介绍63.2.3 传感器的介绍和选型113.2.4 ds18b20传感器123.2.5 dht11传感器153.2.6 adc0804转换器163.2.7 数码管简介173.3 系统各部分硬件实现193.3.1 振荡电路模块193.3.2 复位电路模块193.3.3 采样电路模块203.3.4 显示模块233.3.5 稳压电源模块24第4章 系统软件设计254.1 主程序的设计254.2 a/d转换程序28第5章 系统调试295.1 硬件的制作295.2 软件的调试30结论32致谢33参考文献34附录 原理图35附录 系统程序3659第1章 前言1.1 课题的背景回顾自动化技术的发展历史，可以发现到它和生产过程的发展有着密不可分的联系，是一个从局部自动化到全局自动化，从简单形式到复杂形式，从低级智能到高级智能的发展过程。工业生产对过程控制要求是比较多方面的，可以总结成为三项要求，即安全性、稳定性和经济性。而安全性则是指在整个生产过程中，能确保人身和设备的安全，这是最基本也是最重要的要求。所以在生产过程中，对各个参数的采集以及诊断措施是非常重要的。而对于经济性，旨在生产同样数量和质量产品所消耗的能量和原材料最少，也就是要求生产成本低而且效率高。近年来，随着世界能源的匮乏和市场竞争力的加剧，经济性已经受到过去从来没有过的重视。对于稳定性而言，要求就是指系统具有抑止外部干扰，保持生产过程长期能很好运行的能力。对于过程控制系统性能的稳定性、准确性、快速性而言，都离不开一个测量系统，该系统对于生产过程来说是非常重要的。不论是简单的控制系统还是复杂的控制系统，它都离不开过程控制中的测量单元，因为测量单元是将测得的数据反馈给控制系统，而控制系统将得到的数据分析，分析后才能做出相应的动作。现在随着科技的发展，测量装置基本上都离不开传感器，传感器是检测和自动控制应用中的首要环节。测量技术也就是检测技术中通常是把测量的对象分为两大类：第一类是电参量的测量，电参量有电压、电阻、电流、功率、频率等，这些参量都可以表征系统或设备的性能；第二类是非电参量，非电参量包括机械量，如位移、速度、加速度、力矩、力、振动、应变等，生物量，如酶、菌类、组织等，化学类，如浓度、成分、湿度、气体等。在以前，非电参量的测量方式多采用非电参量的测量方法，比如用温度计测量温度，用尺子测量长度等等，而到了现在，非电参量的测量方式多采用电测量的方法，其中的关键技术就是如何利用传感器将非电参量转换成为电参量1。工业革命以来，传感器为提高和改善机器的性能有着非常巨大的作用。传感器技术大致可以分为三代：第一代是结构型的传感器，它利用的是结构参量的变化来感受与转化信号；第二代是20世纪70年代发展起来的固体型传感器，这种由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成的传感器，利用材料的某些特性制成；第三代传感器是刚刚发展起来的智能型传感器，具有一定的人工智能传感器是由微型计算技术和检测技术相结合的产物。传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。传感器所检测的信号近来显著地增加，因而其品种也极其繁多。为了对各种各样的信号进行检测、控制，就必须获得尽量简单易于处理的信号，这样的要求只有电信号能够满足。电信号能较容易地进行放大、反馈、滤波、微分、存贮、远距离操作等。因此作为一种功能块的传感器可狭义的定义为：“将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。”1.2 课题的意义人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。同样，如果用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”）。传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。如果不进行传感器的开发，现在的电子计算机将处于一种不能适应实际需要的状态。如同为了很好的将体力劳动和脑力劳动进行协调一样，也要求传感器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。这样，传感器就成了现代科学的中枢神经系统，它日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势。当传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域广泛应用的同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。例如： （1）自动化洗衣机中装有浊度传感器，可以合理的安排漂洗次数，起到节水、节电的作用。（2）方便转换频道等功能地遥控电视机，可随意改变风速地遥控电风扇。在防盗防入侵地报警装置中也装有红外传感器。（3）全自动照相机中的光电传感器保证在不同的光线下适度曝光。（4）通信电子产品方面：手机产量的大幅增长及手机新功能的不断增加给传感器市场带来机遇与挑战，彩屏手机和摄像手机市场份额不断上升增加了传感器在该领域的应用比例。此外，应用于集团电话和无绳电话的超声波传感器、用于磁存储介质的磁场传感器等都将出现强势增长。目前，五花八门的传感器种类繁多，仅我国敏感元件与传感器的品种已超过6000余种。在许多方面传感器的性能已凌驾于人的感官之上。如紫外线、红外线、超声波等。从这个意义上讲传感器具有人类所梦寐以求的特异功能。1.3 课题的研究方法本文主要是以at89s52单片机为控制核心，采用电流/电压转换、电压增益调节及a/d转换等环节，对通过传感器得到的多样化信息进行转化及获取，为过程控制中的典型参数，如温度、压力、液位、流量、成分和物性等参数的采集提供多功能转换接口，参数的检测和处理由单片机完成并在led显示器上加以显示，实现多功能测量单元的设计。本文就是利用单片机的控制简单、方便、快捷、资源丰富、价格低廉等优点，实现手动对电压，温度等测量的按键切换。实现直流电压测量范围是055v。第2章 总体设计2.1 系统总的设计方案在各个参数的测量中，转换成电压、电流和频率这最基本的三个被测量，其中电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。数字电压表是采用数字化测量技术，把连续的模拟量转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表。由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受青睐。本设计从各个角度分析了由单片机组成的多功能测量单元的设计过程及各部分电路的组成及其原理，并且分析了程序如何驱动单片机进而使系统运行起来的原理及方法。本设计主要分为两部分：硬件电路及软件程序。而硬件电路又大体可分为a/d转换电路、led显示电路，各部分电路的设计及原理将会在硬件电路设计部分详细介绍；程序的设计使用c语言编程。2.2 总体硬件设计电路本系统采用at89s52控制输出数据，数据的采集可以直接通过元器件两端电压的测量得到，然后经过模数转换器输入给单片机，也可以通过温度、压力等传感器采集数据而来，由按键切换单片机输入端口采集的数据，并且通过单片机的处理，在数码管上显示出来，以实现多功能测量的目的。本系统由控制部分、驱动部分、执行部分三部分构成。系统的总体电路设计框图如下图2-1所示：图2-1 系统总体电路框图第3章 硬件的设计3.1 电路原理图本设计采用altium designer102设计原理图，本设计根据系统框图设计的电路原理图如图3-1所示。图3-1 电路原理图从原理图可以看出本设计所需的硬件主要有at89s52型号的单片机、adc0804转换器、温湿度等传感器、led数码管、9v电源。将电路图所示全部器件按照电路图所示焊接到电路板上，从而完成硬件的制作。3.2 主要器件的介绍选型3.2.1 单片机的介绍单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300m的高速单片机。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统3。 单片机经过1、2、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的cpu功能在增强，内部资源在增多，引 角的多功能化，以及低电压底功耗。3.2.2 at89s52单片机的介绍at89s52 是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系统可编程flash存储器。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位cpu 和在系统 可编程flash，使得at89s52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案4。与mcs-51单片机产品兼容；8k字节在系统可编程flash存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0hz33hz；三级加密程序存储器；32个可编程i/o口线；三个16位定时器/计数器；八个中断源；全双工uart串行通道；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。at89s52主要功能如下：1、拥有灵巧的8位cpu和在系统可编程flash。2、晶片内 部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12mhz）。3、内部程序存储器（rom）为 8kb。4、内部数据存储器（ram）为 256字节。5、32 个可编程i/o 口线。6、8 个中断向量源。7、三个 16 位定时器/计数器。8、三级加密程序存储器。9、全双工uart串行通道5。at89s52各引脚说明：如图3-2所示。图3-2 单片机引脚图vcc：at89s52电源正端输入，接+5v。vss：电源地端。xtal1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。xtal2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 xtal1 和 xtal2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入 20pf 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。reset：at89s52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，at89s51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000h处开始读入程序代码而执行程序。ea/vpp：ea为英文“external access”的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部eprom中）来执行程序。因此在8031及8032中，ea引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部eprom时，可以利用此引脚来输入21v的烧录高压（vpp）。ale/prog：ale是英文“address latch enable”的缩写，表示地址锁存器启用信号。at89s52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74ls373），将端口0的地址总线（a0a7）锁进锁存器中，因为at89s52是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ale引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。psen：此为“program store enable”的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（ea=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到eprom的oe脚。at89s52可以利用psen及rd引脚分别启用存在外部的ram与eprom，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64k的定址范围。port0（p0.0p0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（open drain）双向输出入端口，共有8个位，p0.0表示位0，p0.1表示位1，依此类推。其他三个i/o端口（p1、p2、p3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，p0在当做i/o用时可以推动8个ls的ttl负载。如果当ea引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），p0就以多工方式提供地址总线（a0a7）及数据总线（d0d7）。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为a0a7，再配合端口2所送出的a8a15合成一完整的16位地址总线，而定址到64k的外部存储器空间。port2（p2.0p2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向i/o端口，每一个引脚可以推动4个ls的ttl负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。p2除了当做一般i/o端口使用外，若是在at89s52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节a8a15，这个时候p2便不能当做i/o来使用了。port1（p1.0p1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向i/o端口，其输出缓冲器可以推动4个ls ttl负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，p1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而p1.1可以有t2ex功能，可以做外部中断输入的触发脚位。port3（p3.0p3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向i/o端口，其输出缓冲器可以推动4个ttl负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：p3.0：rxd，串行通信输入。p3.1：txd，串行通信输出。p3.2：int0，外部中断0输入。p3.3：int1，外部中断1输入。p3.4：t0，计时计数器0输入。p3.5：t1，计时计数器1输入。p3.6：wr：外部数据存储器的写入信号。p3.7：rd，外部数据存储器的读取信号。rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。/psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。/ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）6。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入，如下图xtal2：来自反向振荡器的输出。单片机的最小系统如图3-3所示：图3-3 单片机最小系统可以从单片机最小系统中看出，上拉电阻是很重要的，其原因如下：1、当ttl 电路驱动coms 电路时，如果ttl 电路输出的高电平低于coms 电路的最低高电平（一般为3.5v）， 这时就需要在ttl 的输出端接上拉电阻，以提高输出高电平的值。2、oc 门电路必须加上拉电阻，以提高输出的搞电平值。3、为加大输出引脚的驱动能力，有的单片机管脚上也常使用上拉电阻。4、在coms 芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的管脚不能悬空，一般接上拉电阻产生降低输入阻抗，提供泄荷通路。5、芯片的管脚加上拉电阻来提高输出电平，从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力。6、提高总线的抗电磁干扰能力。管脚悬空就比较容易接受外界的电磁干扰。7、长线传输中电阻不匹配容易引起反射波干扰，加上下拉电阻是电阻匹配，有效的抑制反射波干扰。8、有些总线协议会将一些信号释放为高阻态，但是实际上电路的状态应该事确定的0 或1，所以上拉电阻可以提供一个确定的状态。对于上拉电阻阻值的选择原则有：1、从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；电阻大，电流小。2、从确保足够的驱动电流，速度快的，考虑应当足够小；电阻小，电流大。3、对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓（特别是吴源的信号）。综合考虑以上三点,上拉电阻的阻值选10k。关于晶振电路：如果外部时钟频率在33mhz以上时,建议直接使用外部有源晶振。如果使用内部r/c振荡器时钟(室温情况下5v单片机为:11mhz17mhz,3v单片机为8mhz12mhz),xtal1和 xtal2脚浮空.如果外部时钟频率在27mhz以上时,使用标称频率就是基本频率的晶体，不要使用三泛音的晶体，否 则如参数搭配不当，就有可能振在基频，此时实际频率就只有标称频率的1/3了，或直接使用外部有源晶振,时钟从 xtal1脚输入,xtal2脚必须浮空。3.2.3 传感器的介绍和选型传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。它的特点有微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。传感器的主要特性：静态特性和动态特性7。传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。1、线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值与满量程输出值之比。2、迟滞：传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。3、灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起该增量的相应输入量增量之比。用s表示灵敏度。4、重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。5、分辨力：当传感器的输入从 非 零值缓慢增加时，在超过某一增量后输出发生可观测的变化，这个输入增量称传感器的分辨力，即最小输入增量。6、漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量随着时间变化，此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数；二是周围环境（如温度、湿度等）。7、阈值：当传感器的输入从零值 开始缓慢增加时，在达到某一值后输出发生可观测的变化，这个输入 值称传感器的阈值电压。所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者8。3.2.4 ds18b20传感器ds-18b20 数字温度传感器采用美国dallas公司生产的 ds18b20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。1、ds18b20的主要特性：（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5v，在寄生电源方式下可由数 据线供电。（2）独特的单线接口方式，ds18b20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯。（3）ds18b20支持多点 组网功能，多个ds18b20可以并联在唯一的三线上，实现 组网多点测温。（4）ds18b20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。（5）温范围55+125，在-10+85时精度为0.5。（6）可编程 的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。（7）在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给cpu，同时可传送crc校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作9。2、应用范围：（1）该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域。 （2）轴瓦，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。 （3）汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。 （4）供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制。 3、ds18b20引脚如图3-4定义：（1）dq为数字信号输入/输出端。（2）gnd为电源地。（3）vdd为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图3-4 ds18b20引脚图ds18b20工作原理：ds18b20的读写时序和测温原理与ds1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。 ds18b20测温原理如图3-5所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振 产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。图3-5中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。图3-5 ds18b20测温原理框图3.2.5 dht11传感器dht11数字湿度传感器应用专用的数字模块采集技术和湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性10。特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。它的特性：（1）全部校准，数字输出（2）卓越的长期稳定性（3）无需额外部件（4）超长的信号传输距离（5）超低能耗（6）4引脚安装引脚介绍：1：(vdd)，电源引脚，供电电压为35.5v。2：（data），串行数据，单总线。3:（nc），空脚，请悬浮。4:（vdd），接地端，电源负极。引脚图如图3-6所示：图3-6 引脚图3.2.6 a/d转换器的介绍a/d转换器的类型：积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、-调制型、电容阵列逐次比较型及压 频变换型。主要技术指标：（1）分辨率：数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2的n次方的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。（2）转换速率：完成一次从模拟转换到数字的ad转换所需的时间的倒数。积分型ad的转换时间是毫秒级属低速ad，逐次比较型ad是微秒级属中速ad，全并行/串并行型ad可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和msps，表示每秒采样千/百万次。（3）量化误差：由于ad的有限分辩 率而引起的误差，即有限分辩 率ad的阶梯状转移特性曲线与无限分辩 率ad（理想ad）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1lsb、1/2lsb。（4）偏移误差：输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。（5）满刻度误差：满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。（6）线性度：实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差11。3.2.6 adc0804转换器adc0804的管脚图如图3-7所示：图3-7 adc0804管脚图adc0804参数: 工作电压：+5v，即vcc=+5v。模拟输入电压范围：0+5v，即0vin+5v。分辨率：8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0255之间。转换时间：100us。转换误差：1lsb。参考电压：2.5v，即vref=2.5v。adc0804的转换原理adc0804是属于连续渐进式（successive approximation method）的a/d转换器，这类型的a/d转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。以输出8位的adc0804动作来说明“连续渐进式a/d转换器”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位寻找起）。第一次寻找结果：10000000 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第二次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第三次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位=该假设位=0）第四次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第五次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位=该假设位=0）第六次寻找结果：11010100 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第七次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位=假设位=1）第八次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位=该假设位=0）这样使用二分法的寻找方式，8位的a/d转换器只要8次寻找，12位的a/d转换器只要12次寻找，就能完成转换的动作。3.2.7 数码管简介数码管的驱动方式：led数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据led数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态显示：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的i/o端口进行驱动，或者使用如bcd码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用i/o端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根i/o端口来驱动，要知道一个89s51单片机可用的i/o端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。动态显示：led数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a ,b , c ,d ,e ,f ,g ,dp ”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极com增加位选通控制电路，位选通由各自独立的i/o线控制，当单片机输出字形码时，单片机对位选通com端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的com端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动12。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的i/o端口，而且功耗更低13。数码管引脚如图3-8所示：图3-8 数码管引脚图3.3 系统各部分硬件实现3.3.1 振荡电路模块单片机系统里都有晶振，在单片机系统 里晶振的作用是很大的，全称叫做晶体振荡器。外接石英晶体或陶瓷振荡器及电容 c1、c2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容 c1，c2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程度及温度稳定性。其电路原理图如图3-9所示。图3-9 晶振电路图单片机晶振的作用是提供单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上的。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，然后通过电子调整频率的方法保持同步。3.3.2 复位电路模块单片机在启动时都需要复位，以使cpu及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。复位电路总体分为：上电复位、按键复位两种。在该控制系统中，采用的就是按键复位。复位电路工作原理如图3-10所示，vcc上电时，c6充电，在10k电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，c6充满电，r6电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下按键，c6放电。松开按键，c6又充电，在r6电阻上出现电压，使得单片机复位，几个毫秒后，单片机进入工作状态。图3-10 复位电路图3.3.3 采样电路模块关于电压的采集如图3-11所示，采用的是8位的转换器，在a、b两端进行采集，通过r1与r2分压后，得到bc的电压，采集20次，20次后求平均值。对于温度和湿度的采样，由于温度传感器db内部已经将温度转换成数字量的电压14，所以对于温度的采集如图3-12所示，对于湿度的采集如图3-13所示，不用通过adc0804转换器，将采集到的数据直接输入到单片机。而系统只有一个显示器、单片机，所以我采用按键来切换采集的对象。按键切换电路如图3-14所示。图3-11 电压采样电路图3-12 温度采集电路图3-13 湿度采样电路图3-14 切换电路对于输出信号为电流的传感器，应采用电流/电压转换测量，如图3-15所示，图中a1运放采用差动输入，其转换电压用电阻r1两端接电流环两端，阻值用500，可由两个1k电阻并联实现。这样输入电流4ma对应电压2v，输入电流20ma对应电压10v。a1设计增益为1，对应输出电压为-2v-10v。故要求电阻r2、r3、r4和r5+rw阻值相等。这里选r2=r3=r4=10k；选r5=9.1k，rw1=2k。rw1是用于调整由于电阻元件不对称造成的误差，使输出电压对应在-2v-10v。变化范围为-2（-10）=8v,而最终输出应为-10v+10v，变化范围10v-(-10v)=20v，故a2级增益为20v/8v=2.5倍，又输入电流为12ma时，a1输出电压为-12ma0.5ma=-6v.此时要求a2输出为0v。故在a2反相输入端加入一个+6v的直流电压，使 a2输出为0。a2运放采用反相加法器，增益为2.5倍。取r6=r7=10k，r9=22k，rw2=5k，r8=r6/r7/r9=4k，取标称值r8=3.9k。反相加法器引入电压为6v，通过稳压管经电阻分压取得。稳压管可选稳定电压介于68v间的系列。这里取6v2，稳定电压为6.2v。工作电流定在5ma左右。电位器电流控制在12ma左右。这里irw3=6.2v/2k=3.1ma。则有（12v-v）/r10=iz+irw3,故取标称值r10=750.式中12v为电路工作电压。rw2用于设置改变增益或变换的斜率(4ma为-10v，20ma为+10)，通过调整rw2使变换电路输出满足设计要求。图3-15 电流转换电压电路由于传感器输出的信号小，所以必须是电压放大，这样才能检测到电压，这里采用差分放大器来改变电压大小，它使用双电源，其中vt1 和 vt2 的特性相同，两组电阻数值也相同， r15有负反馈作用。实际上这是一个桥形电路，r12、r13 和两个管子是四个桥臂，输出电压 v 1 从电桥的对角线上取出。没有输入信号时，因为 r12=r13 和两管特性相同，所以电桥是平衡的，输出是零。由于是接成桥形，零点漂移也很小。放大电路如图3-16所示：图3-16 差分放大器3.3.4 显示模块系统的显示部分仅用于显示电压或温度值，所以采用了耗电省、成本低廉、线路简单、耐振动和寿命长的led显示器，用四位共阴led数码管实时显示电机的输出转速。以单片机at89s52的p0口做八位数据线,要求外接上拉电阻。以p1.0一p1.3做数码管的控制端，如图3-17所示。图3-17 数码管显示电路3.3.5 稳压电源模块本设计各芯片，数码管及单片机外围电路需要5v的直流电源，故需要一个稳定的5v直流稳压源。本设计选择一个9v直流电压源，通过三端稳压芯片等元器件组成的电路如图3-18所示，为系统提高5v的稳压电源。图3-18 稳压电源模块第4章 系统软件设计硬件与软件是分不开的，有了硬件的基础，想要得到功能的实现，就必须还要有软件的作用。根据需要，可将系统软件按照功能划分为主程序模块、a/d转换模块、显示模块。程序的编写软件是用keil uvision4软件，使用c语言进行软件设计，c语言具有程序编码量小，简单易懂，开发周期短等优点15。keil uvision4软件提供了包括c变异器、宏汇编、连接器、库管理和一个强大功能的仿真调节器等在内的完成开发的反感，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。运行keil软件需要pentium或以上的cpu，16mb或者更多的ram。keil uvision4软件界面如图4-1所示。图4-1 keil uvision4软件界面4.1 主程序的设计本设计的系统主程序主要是测量采集到的信号，通过采样转换后，再经单片机控制传送给数码管显示16，从而显示出电压或者温度的大小。主程序的流程图如图4-2所示。图4-2 主程序流程图主函数如下：void main(void)uint m,sum=0;uchar i;float temperature; /温度变量ad_init();while(1)if(key_scan()temperature=readtemperature(); /读取温度值temperature=temperature*0.0625; /读取值处理temperature=temperature*100;ds18b20_dis(temperature);elsefor(i=0;i20;i+)ad_start();m=ad_read();m=m*100/256*4.95;sum+=m;sum/=20;ad_dis(sum);/显示ad的值4.2 a/d转换程序a/d转换程序的功能是采集数据，在整个系统设计中占有很高的地位。当系统设置好后，单片机扫描转换结束管脚p2.6的输入电平状态，当输入为高电平则转换完成，将转换的数值转换并显示输出。若输入为低电平，则继续扫描17。程序流程图如图4-3所示。图4-3 a/d转换第5章 系统调试5.1 硬件的制作由前几章对于硬件的选型与软件的设计，可以根据这些前提条件进行硬件的制作。（1）根据原理图，确认制作硬件锁需要的元器件的型号以及数量，去电子市场买元器件。（2）根据原理图开始焊元器件，并在焊接的过程中检查是否出现短路问题。（3）用杜邦线将各个元器件按照原理图连接起来，并观察连接方式是不是与原理图一样。焊接好的实物如图5-1所示:图5-1 实物图设计电路焊接完成之后，就需要进行硬件电路的调试。在做本次设计的过程中，遇到了一些故障并且作了相应的排除：（1）避免电路板虚焊电路板的虚焊会导致电路不通，不能实现所需要的功能。（2）在焊接时由于电烙铁接触时间长，导致元器件被烧坏。（3）有时候在焊接时会没有注意到接地，导致在接通电源后，调写程序不能成功。5.2 软件的调试在硬件电路焊接完成之后，就要根据所需实现的单元的测量功能去进行编程。首先要对各个芯片的引脚进行定义，在对每个模块所要实现的功能编写相应的主程序和子程序，在这里我们要用到keil uvision4软件进行编程。编写