毕业设计（论文）基于AT89S51单片机的湿度测控系统研究

1、南京信息工程大学南京信息工程大学 基于基于 5151 单片机的湿度测控系统的研究单片机的湿度测控系统的研究院 系 ： 成人教育学院专 业 ： 电子信息工程姓 名 : 学 号 : 指导老师 ： 基于基于 5151 单片机的湿度测控系统的研究单片机的湿度测控系统的研究*南京信息工程大学成教院，210044摘摘 要：要：随着社会信息科学的发展，控制理论和电子技术也在不断更新，基于微控制器的高度智能化测控技术逐步成为现实。其中以单片机为核心实现数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到了广泛的应用。室内湿度测控由于其重要性的日益突出，技术也越来越成熟。本文主要讨论基于 at89s51 单片机

2、的以hs1101 作为前端湿敏元件的室内湿度检测系统。本系统采用层次化、模块化设计，以 hs1101 湿敏芯片的传感器作为测量的器件，所得到的数据经过ne555 振荡电路处理后，通过 adc0809 模数转换器件接入到 at89s51 单片机，以单片机为核心对数据进行记录、存储、处理和报警。本文在设计过程中主要做了以下几个方面的工作：一是讨论并选择系统的总体设计方案；二是对传感器、a/d 转换器和单片机进行设计和选择；三是对单片机及其跟 pc 机进行通信的接口进行电路及软件系统的设计。本系统的设计还处于理论阶段，是在论证了各种方案和搜集了各种的资料后提出的一种切实可行的室内湿度监测系统。本系统

3、完全满足一般小实验室的湿度测控系统的要求，实现了对室内湿度状况的全面、实时和长期的监测，也实现了室内湿度检测的自动化智能化。关键词：at89s51；hs1101；ad 转换器；rs-232；传感器 basedbased onon 5151 scmscm humidityhumidity measurement and control system is studiedchen yunxiaadult education college of nanjing information engineering university,210044abstractwith the social deve

4、lopment of information science, control theory and electronic technology has been updated too, based on the micro-controller, the technology of highly intelligent micro-controller monitoring has gradually become a reality. among them, single-chip digital controller as the core because of their small

5、 size, low cost, powerful, simple and widely used. indoor humidity measurement and controlling has been growing importance because of the prominent and the more and more mature technology. this article focused on a single chip at89s51 based hs1101 humidity sensor as a front-end indoor humidity detec

6、tion system.the system has a hierarchical, modular design, and uses hs1101 humidity sensor chip as a measurement device. the data obtained after treatment ne555 oscillator circuit through the adc0809 ad converter connecting to the at89s51 micro-controller, a single machine as the core of the data re

7、cord, storage, processing and alarm. in this paper, the main job of the design is the following points: first, to discuss the overall design and program so to select the appropriate system; second, design and selection of the sensor, a / d converter, and a single-chip; third is a micro controller un

8、it to communicate with the pc interface and software systems for circuit design.the design of the system is still in the theoretical stage, and it is to demonstrate a variety of programs and collected information on the various proposed a practical indoor humidity monitoring systems. satisfy the sys

9、tem of small laboratory humidity measurement and control system requirements, the indoor humidity has been to achieve the status of a comprehensive, real-time and long-term monitoring, and also make the indoor humidity intelligent and automated testing to come true.keywords: at89s51; hs1101; ad conv

10、erter; rs-232; sensor 目目 录录第一章第一章前言前言.11.1概述.11.2实验室湿度测控的意义.11.3实验室湿度测控的现状与发展.21.3.1传统的分立式湿度测量.21.3.2模拟集成湿度传感器测量.21.3.3智能湿度传感器测量.21.4本课题的设计方案.3第二章第二章湿度测量电路设计湿度测量电路设计.42.1传感器的认识.42.1.1传感器的静态特性.42.1.2传感器的动态特性.52.2湿度传感器的选择.62.2.1湿度及其表示方法.62.2.2湿度传感器 hs1101.62.3湿度测量电路.82.3.1ne555 时基电路 .82.3.2基于 555 振荡电路

11、的湿度测量电路设计.9第三章第三章核心电路的设计核心电路的设计.103.1adc0809 模数转换器.103.1.1adc0809 应用简介.103.1.2测湿电路与单片机连接.113.1.3湿度误差补偿插值法子程序.113.2单片机电路的设计.123.2.1mcs-51 单片机.123.2.2at89s51 单片机.133.2.3时钟晶振电路和复位电路.133.3总体电路系统.143.3.1led 报警设计.143.3.2系统总设计.153.4电路 pcb 版图设计.17第四章第四章单片机与单片机与 pc 间的串行通讯间的串行通讯.204.1rs-232-c 接口 .204.2单片机和 pc

12、 通信连接.204.3简单软件设计.224.3.1下位机软件设计.224.3.2上位机程序设计.23第五章第五章结结 论论.24参考文献参考文献.25致谢致谢.26附录附录.27- 1 -第一章第一章 前前 言言1.1 概述概述湿度，被定义为表示大气干燥程度的物理量。即在一定的温度下在一定的体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥;水汽越多，则空气越潮湿。湿度测量技术的发展已有200 多年的历史，人们早就发现了人的头发随大气湿度变化而伸长或缩短的现象，因而制成了毛发湿度计。但是人们对于湿度传感器中的湿敏元件的认识，是从 1938 年美国f.w.dunnore 研制成功浸涂式氯化锂湿敏元件才开始

13、的。无论是在科研、实验生产、粮食储备、军火储备还是植物生长、大学校园里面的实验室元器件的保养，湿度的测量、传输和控制都跟其有着密不分的关系。环境的湿度有人们的视野里出现，并其重要性逐渐提高，使湿度的测控具有与环境温度的测控有着相同的重要意义。为了确保实验生产过程中得到很好的质量保证，为了确保实验室的元器件能够很好延续使用生命周期，湿度测量的提出已经引起了工作者的注意。在现代社会信息科技的不断迅速发展中，计算机技术、网络传输和湿敏元件的高速更新，使得湿度的测量正朝着自动化、网络化发展。在实验室的监控中，湿度测量的出现使得元器件的保养达到更好、使用周期更长、性能保持更好。所以实验室湿度测控有着广阔

14、和应用发展空间。现在技术中，对湿度的测量有方法多种多样，也较为容易实现。但精度和反应度却是各种方法中的瓶颈，本系统的设计就是从精度上和高反应度上进行测控、选器件、系统的设计，尽可能使做出来的系统可以更好更精确更实时地检测到室内湿度的变化，并及时读取数据进行处理，最终显示在个人电脑终端，使得工作者能够在最短的时间内对环境不断发生变化的湿度有着实时的了解，并可以针对不同的状况做出不同的反应。1.2 实验室湿度测控的意义实验室湿度测控的意义每个实验室都有着自己的微小气候，在其中湿度有着非常重要的影响力。高湿容易使人体散热量增加、容易使人体丧失热蒸发机能，导致热疲劳。实验室湿度高于 70%为高气湿，人

15、将感到不适；低于 30%为低气湿，人感到口鼻干燥；最舒适的湿度为 40%60%1。在实验室所使用的各种仪器设备中，空气湿度对其影响是非常明显的，无论是使用过程对精度的影响，还是在保养过程中使得容易老化，容易被侵蚀。综上所述，无论是从人体健康的角度还是从元器件使用的角度上看，对实验室的湿度测控的意义都是非常重大的。1.3 实验室湿度测控的现状与发展实验室湿度测控的现状与发展人们研究湿度测量的历史也算是久远，对在实验室中进行湿度测控也更是随着实验信- 2 -息技术的发展而不断更新换代。实验室室内湿度测控的发展大致经历了以下三个阶段：传统的分立式湿度测量；模拟集成湿度传感器测量；智能湿度传感器测量2

16、。1.3.1 传统的分立式湿度测量传统的分立式湿度测量传统的电阻湿度计、半导体湿敏元器件等，都属于分立式湿度测量元件，使用这些元器件来进行测量湿度的，统称为分立式湿度测量。20 世纪 50 年代以来，随着传统的电阻、电容湿度计的出现，湿度测量走向了一个新的台阶。此类测量方法所使用的元件通常不能单独完成测量任务，使用时还需要配上二次仪表，才能完成湿度测量及控制功能。其主要缺点是外围电路比较复杂、测量精度比较低、分辨力不高，还有就是它们的体积比较大、使用起来不够方便。所以，传统的分立式湿度测量方法受到了现在科学技术发展的挑战，已经逐渐被淘汰。到了 20 世纪 90 年代，这种室内湿度测控已经很难再

17、找到了。1.3.2 模拟集成湿度传感器测量模拟集成湿度传感器测量在 20 世纪 80 年代中，采用硅半导体集成工艺的集成湿度传感器问世，它是将湿度传感器集成在一个芯片上、可完成湿度测量及模拟信号输出功能的专用 ic，它属于最简单的一种集成湿度传感器。用这种模拟集成湿度传感器来进行实验室室内湿度测控，外围电路是较为简单，所以这种测量方法最为广泛应用。本系统也是基于这样集成 ic 的传感器hs1101 来进行设计的。1.3.3 智能湿度传感器测量智能湿度传感器测量智能湿度传感器的未来测量发展的一个重要的方向，也是室内湿度测控的必然发展，更是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。智能湿度测控器

18、也是在智能湿度传感器的基础上发展起来的。智能湿度测控器适配各种微控制器，构成智能化湿敏控制系统；它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪，既可以工作在连续转换模式，亦可选择单次转换模式。进入 21 世纪的第一个年代，智能湿度测控技术正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器测量和网络传感器测控、研制单片测量系统等高科技的方向迅速发展。总之，随着计算机技术、应用电子技术、传感器智能化技术、机械电子一体化技术和计算机网络技术研究的发展，室内湿度测控已经成为各个国家在保养电子元器件、实时监测室内湿度等国际市场竞争力的前沿性研究领域。1.4 本课题的设计方案本课题的设

19、计方案本课题所设计的系统有三个原则：1、操作维护方便，为了利于系统的推广，在设计时应该充分采用操作内置或简化的方法，以尽量减少对操作人员专用知识的要求，也便于进行维修。2、可靠性，本系统所有的环节中，都应该有着可靠性的思想，从选用可靠性高- 3 -湿敏元件湿敏元件hs1101振荡电路振荡电路ne555模数转换模数转换adc0809核心处理器核心处理器mcu-51个人个人 pc 电脑电脑终端终端的元器件；供电电源采用抗干扰措施；进行多向滤波等作为出发点。3、性价比，本课题所设计的系统的核心是单片机，它本身有着多个优势，要使得系统能够广泛地应用，在充分考虑可靠性的同时，尽可能降低成本，提高系统的性

20、价比。本文将从以下几个方面展开工作：一是确定测湿电路的设计方案；二是进行单片机核心电路的设计；三是对单片机及通信接口进行简单的概述；四是对所有的工作进行总结。本次课题的设计系统的示意图如图 1-1。图图 1-11-1：系统示意图：系统示意图- 4 - 第二章第二章 湿度测量电路设计湿度测量电路设计2.1 传感器的认识传感器的认识传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能够直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。有些国家和有些科学领域，将传感器称为变换器、检

21、测器或探测器等。应该说明，并不是所有的传感器都能明显分清敏感元件与转换元件两个部分，而是二者全为一体。例如半导体气体、湿度传感器等，它们一般都是将感受的被测量直接转换为电信号，没有中间转换环节3。2.1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性所谓传感器的静态特性，是指在稳态信号作用下，传感器输出输入之间的关系特性。衡量传感器静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞和重复性。1. 线性度传感器的线性度用传感器的输出与输入之间的线性程度表示。如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般可用下面的多项式表示。2012+nnyaa xa xa x(2. 1) 式中：y输出量； x输入物理量； 零位输出； 传感器线性灵

22、敏度；0a1a 待定常数。23,na aa ,在使用非线性特性的传感器时，如果非线性项的方次不高，在输入量变化范围不大条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段。2. 灵敏度灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值，一般用来表示，即ns式中：输出量的变化； 输入量的变化。ydxd对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率。非线性传感器的灵敏度为一变量。一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出输入特xdydns(2. 2)- 5 -性为直线。3. 迟滞在相同工作条件下做全量程范围校准时，下行程（输入量由小到大）和反行程（输入量由大到小）所得输出

23、输入特性曲线往往不重合。也就是说，对应同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，此即迟滞现象。迟滞（或称回程误差）正是用来描述传感器在正反行程期间特性曲线不重合程度的。迟滞的大小常用正反行程最大输出差值对满量程输出的百分比来表示的4。maxysfy.4. 重复性重复性是指在相同工作条件下，输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得传感器特性曲线不一致性的程度。多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。重复特性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象具有的原因。其它的特性还有分辨力，传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值；零漂，传感器在零输入状态下，输出值的

24、变化零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。2.1.2 传感器的动态特性传感器的动态特性传感器动态特性是指输入量随时间动态变化时，其输出与输入的关系。很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间的关系要用动态特性来说明。为研究传感器的动态特性，可建立其动态数学模型，用数学中的逻辑推理和运算方法，分拆传感器在动态变化的输入量作用下，输出量如何随时间改变。实际中，输入信号随时间的变化形式多种多样，无法统一研究，所以通常只分析传感器在标准输入信号作用下的输出。研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应

25、法来分析。由于输入信号的时候函数形式是多种多样的，在时域内研究传感器的响应特性时，只能研究几种特定的输入时间函数如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等的响应特性。对于任意输入所引起的响应，可以利用两个函数的卷积关系，即系统的响txty应等于冲激响应函数同激励的卷积，即tythtx2.2湿度传感湿度传感器的选择器的选择2.2.1 湿度及其表示方法湿度及其表示方法在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。大气中含有水汽的多少，表示大气中的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度 tdtxhtxthty0(2. 3)- 6 -表示大气干湿程度的物理量。大气湿度有两种表示方法

26、：绝对湿度与相对湿度。绝对湿度绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表示为式中： 被测空气的绝对（/，/） ；g3mmg3m 被测空气中水汽的质量（，） ；vmgmg v被测空气的体积（） 。3m相对湿度：相对湿度是气体的绝对湿度（）与同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对v湿度（）之比，常用%rh 来表示。即w式中：待测气体的水汽分压；vp 同一温度下水蒸汽的饱和水汽压3。wp2.2.2 湿度传感器湿度传感器 hs1101湿度传感器 hs1101 是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。它有以下

27、几个显著的特点：1、 全互换性，在标准环境下不需校正2、 长时间饱和下快速脱湿3、 可以自动化焊接，包括波峰或水浸4、 高可靠性与长时间稳定性5、 专利的固态聚合物结构6、 可用于线性电压或频率输出回路7、 快速反应时间hs1101 的简单物照图如图 2-15。vmv(2. 4）rhpptwv%100相对湿度(2. 5）- 7 -图图 2-12-1：hs1101hs1101 实物照实物照相对湿度在 0%100%rh 范围内；电容量由 162pf 变到 200pf,其误差不大于2%rh；响应时间小于 5s；温度系统为 0.04pf/。可见其精度是较高的。其湿度电容响应曲线如图 2-2： 200

28、190 180 170 电容电容 f图图 2-22-2：hs1101hs1101 湿度电容响应曲线湿度电容响应曲线hs1101 的一些常用参数如表 2-1：表表 2-12-1：hs1101hs1101 常用参数常用参数参数符号参数值单位工作温度ta-40100储存温度tstg-40125供电电压vs10vac湿度范围rh0100%rh焊接时间=260t10s2.3 湿度测量电路湿度测量电路hs1101 电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。涉及如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号时，常用两种方法:一是将 hs1101 置于运放与阻容组成

29、的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再 a/d 转换为数字信号;另一种是将 hs1101 置于 555 振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。20 40 60 80 100 相对湿度相对湿度%- 8 -2.3.1 ne555 时基电路时基电路ne555 是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达 200ma.。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微秒到数小时。其工作电压范围为：4.5v16v。ne555

30、 的框图如图 2-3 所示5。ccv图图 2-3：ne555 框图框图- 9 -2.3.2 基于基于 555 振荡电路的湿度测量电路设计振荡电路的湿度测量电路设计图图 2-4：测湿电路图：测湿电路图把 hs1101 和 ne555 同时接入电路中的电路设计原理图如图 2-4 所示。ne555 电路功能的简单概括为:当 6 端和 2 端同时输入为“1”时,3 端输出为“0”；当 6 端和 2 端同时输入为“0”时,3 端输出为“1”。在此电路中,555 定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的。当电源接通时,由于 6 和 2 端的输入为“0”,则定时器 3 脚输出为“1”；又由于 c

31、1 两端电压为 0,故 通过 r2 和 r3 对 c1 充电,当 c1 两端电压达到 2/3 时,定时电路ccvccv翻转,输出变为“0”。此时 555 定时器内部的放电 bjt 的基极电压为“1”,放电 bjt 导通,从而使电容 c1 通过 r3 和内部放电 bjt 进行放电,当 c1 两端电压降低到/3 时,定时ccv器又翻转,使输出变为“1”,内部放电 bjt 截止,vcc 又开始通过 r2 和 r3 对 c1 充电,如此周而复始,形成振荡。其工作循环中的充电时间为=0.7(r2+r3)c1；放电时间为 = ht1t0.7r3*c1； 输出脉冲占空比为 q (r2+r3)/(r2+2r3

32、),为了使输出脉冲占空比接近50,r2 应远远小于 r3。当外界湿度变化时,hs1101 两端电容值发生改变,从而改变定时电路的输出频率。因此只要测出 555 的输出频率,并根据湿度与输出频率的关系,即可求得环境的湿度6。- 10 -第二章第二章 核心电路的设计核心电路的设计3.1 adc0809 模数转换器模数转换器在单片机应用中，特别是在实时控制系统中，常常需要把外界连续变化的物理量（如湿度、湿度、压力、流量） ，变成数字量送入计算机内进行加工处理。反之，也需要将计算机输出的数字量转为连续变化的模拟量，用心控制调节一些执行机构，实现对被控对象的控制。这种由模拟量变为数字量，或由数字量转为模

33、拟量的转换，通常叫做模/数，或数/模转换。用以实现这类转换的器件，叫做模/数（a/d）转换器或数/模（d/a）转换器7。3.1.1 adc0809 应用简介应用简介adc0809 具有 8 路模拟量输入，可在程序控制下对任意通道进行 a/d 转换，输出 8 位二进制数字量。其主要性能有：逐次比较型；cmos 工艺制造；单电源供电；无需外部进行零点和满量度调整；可锁存三态输出，输出与 ttl 兼容；易与各种微控制器接口；具有锁存控制的 8 路模拟开关；分辨率为 8 位；功耗为 15mw；转换时间（）为khzfclk500128；转换精度为8。s%4 . 0adc0809 的引脚图如图 3-1 所

34、示。图图 3-1：adc0809 引脚图引脚图3.1.2 测湿电路与单片机连接测湿电路与单片机连接ne555 的输出端跟 adc0809 的 in0 通道相接，则 adc0809 芯片的地址选通为- 11 -addr0,addr1,addr2 都接地。adc0809 的转换时钟由单片机的 ale 提供。adc0809 的典型转换频率为 640khz，ale 信号频率与晶振频率有关，如果晶振频率取 12mhz，则 ale 的频率为 2mhz，所以 adc0809 的时钟端 clk 与单片机的 ale 端相接时，要考虑分频。8051 通过地址线 p2.0 和读写控制线、来控制模拟输入通常地址锁存、

35、启动和输出允许。测湿rdwr电路与单片机的连接图如图 3-2 所示。图图 3-2：测湿电路与单片机连接图：测湿电路与单片机连接图3.1.3 湿度误差补偿插值法子程序湿度误差补偿插值法子程序从 ne555 时基电路中输出的是一个模拟信号，adc0809 的作用就是要把这个单片机不能识别的模拟信号转换成一个可以读取的数字信号。这时所用到的计算机思想就是插值法9。即当 adc0809 的输入与输出特性为非线性时，可以用一个单调非线性函数来 xfu 表示。将 x 的值分成几个小段区间，每个区间的端点都对就一个输出，把这些、kxkukx编成表格存储起来。实际的测量值一定会落在某个区间内，即kuix1,k

36、kxx。插值法的思想就是用一段简单的曲线近似代替这段区间的实际曲线，然后用kxix1kx近似曲线公式计算出。 xu图 3-3 是对 adc0809 的操作流程图。- 12 -开始初始化adc0809（1）发送 adc0809（1）地址启动 adc0809（1）发送读 a/d 命令读 a/d发送 adc0809（2）地址启动 adc0809（2）发送读 a/d 命令读 a/d图图 3-33-3：adc0809adc0809 操作流程图操作流程图3.2 单片机电路的设计单片机电路的设计3.2.1mcs-51 单片机单片机所谓的单片机就是把中央处理器 cpu、存储器 rom/ram、输入输出接口电路

37、以及定时器/计数器等部件制作在一块集成电路芯片中，构成一个完整的微型计算机单片微型计算机。由于单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因此它的结构紧凑、超小型化、可靠性高、价格低廉、易于开发应用。mcs-51 单片机包括 8031、8051、8751 等很多型号，其代表型号为 8051。3.2.2 at89s51 单片机单片机本课题所设计的系统的核心采用的是 at89s51 单片机，它是一个低功耗、高性能的cmos8 位单片机，片内含有 4kbytesisp 的可反复擦写 1000 次的 flash 只读程序存储器，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术制造，芯片内集成了通用 8

38、位中央处理- 13 -器和 isp flash 存储单元。它具有以下特点：40 个引脚，4k bytes flash 片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（ram） ，32 个外部双向输入/输出（i/o）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内有时钟振荡器。hmos 制造工艺的 mcs-51 单片机都采用 40 引脚的双列直插（dip）方式，chmos 制造工艺的 80c31/80c51 除采用 dip 封装方式外，还采用 plcc 方形的封装方式。图 3-4 是at89s51 的 pdi

39、p 封装引脚图10。图图 3-43-4：at89s51at89s51 的的 pdippdip 封装封装其中，有主电源引脚，外接晶体引脚 xtal1 和 xtal2，控制引脚ccssvv 和、ale/、，输入输出接口 p0p3。stpdrv/progpsenddvea/3.2.3 时钟晶振电路和复位电路时钟晶振电路和复位电路at89s51 单片机在实际应用中，时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种各样的微小操作的时间基准，在此基础上，控制器按照指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，这些信号用来控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。复位对单片机来说，是程序还没开始执行，是在做

40、准备工作。- 14 -本系统在设计上对复位电路设计成上电复位加手动复位。这样使用起来比较方便，就算是在程序“跑飞”时，也可以手动复位，不用再重起单片机电源。其 protel dxp 电路图如图 3-511。图图 3-53-5：at89s51at89s51 复位与晶振电路复位与晶振电路3.3 总体电路系统总体电路系统3.3.1 led 报警设计报警设计本设计中，在 st89s51 单片机的 p1.0 口外接一个 led 二极管作为对湿度测控的报警输出。当湿敏元件 hs1101 对室内的湿度检测时，达到某个值，就会在 p1.0 端口输出高电平，使得 led 发亮，以及时通知工作人员进行相关的操作。

41、其电路原理图如图 3-6 所示。- 15 -图图 3-63-6：系统报警电路：系统报警电路3.3.2 系统总设计系统总设计基于 51 单片机的 hs1101 传感器湿度测控系统，主要由几个部分组成：传感器数据采集电路，模数转换电路，led 报警电路，单片机主板电路等。其程序流程图如图 3-7 所示。- 16 -开始初始化读湿度湿度转换湿度比较图图 3-7：系统总流程图：系统总流程图从流程图可以知道，本系统在设计过程中包括了几个子程序：读湿度子程序，湿度转换子程序，计算湿度子程序，比较子程序。本系统的部原理图如图 4-8 所示下面对本次设计的总电路进行说明。首先，at89s51 单片机具有许多特

42、点，其功能强大、i/o 接口多，但其内部的数据暂存存储器的空间其实是比较小的，当用于多位的外围外接芯片时，会出现内部 ram 使用不足的状况。所以，在本系统设计中，考虑到目前只是计划应用于较小的机房中，监测点不多，因此本文没有对片内 ram 进行扩展或是改换单片机的型号。在实际编程中实现本系统的功能应该没有太大的障碍。at89s51 具有 4 个 i/o 接口，它们分别是 p0 口、p1 口、p2 口和 p3 口。本文进行设计时只是用到了其中的部分接口，与本系统的其它部分进行连接，分别实现了不同的功能。例如：p1.0 口通过电阻用于 led 的外接；p2.0 和 p0 所有接口接 adc080

43、9 模数转换器等等。8051 的0int接口通过非门与 adc0809 的 eoc 接口相接，rdwr和通过两个或非门跟 adc0809 的 start、ale 和 oe 相连，这样就可以使得 8051 可以通过读写控制线来控制输入通道地址的锁存、启动和输出允许。ne555 电路中的参数选择为：r11k、r2499k、r3576k、r4909k。其中 r1 与555 的频率输出引脚相连，起输出短路保护作用，防止输出电流过大。r4 是用作 555 定时器内部温度补偿的，其应该具有 1%的精度。由于这里采用的是 texas instruments 生产的ne555，所以根据微调 r4 和 r3 取

44、值分别为 909k 和 576k。- 17 -图图 3-83-8：系统总原理图：系统总原理图3.4 电路电路 pcb 版图设计版图设计本设计所用到的电路图，是在 protel dxp 2004 软件中进行画图的，protel dxp 2004 是目前新一代完整的板级设计工具，它是 altium 公司 2004 年的最新产品。本原理图在 protel 中进行编译后，然后确定元件的封装没有问题，再进行网络表的制作。本设计的pcb 版图是直接从生成的网络表直接载入的，载入元件封装后，再进行元件的布局。元件的布局一般从以下几个方面考虑：1.高频元件之间的连线要短，易受干扰的元件不能离得太近。2.重量太

45、大的元件要有支架固定。3.易发热元件要远离热敏元件。4.对于电位器、可调电感线圈、可变电容、微动开关等可调元件的布局要考虑整机- 18 -的结构要求。5.预留出电路板的安装孔和支架的安装孔。6.信号遵循从左边进入、从右边输出，从上边输入、从下边输出。本设计所用的 pcb 版图如图 3-9 所示：图图 3-93-9：系统：系统 pcbpcb 版图版图系统的 pcb 版图所用的是二层布线，用的是 protel 自带的自动布线工具。用 protel软件里面的 3d 效果图工具可以得到下面的 3-10 图：- 19 -图图 3-103-10：系统：系统 3d3d 效果图效果图本设计的电路中所用到的元件

46、的实物照片如下 3-11 所示：晶振晶振 集成与非门集成与非门 adc0809adc0809 ne555ne555 at89s51at89s51 hs1101hs1101 图图 3-113-11：系统所用元件的实物图：系统所用元件的实物图 - 20 -第三章第三章 单片机与单片机与 pc 间的串行通讯间的串行通讯4.1 rs-232-c 接口接口计算机与计算机之间或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。其中串行通讯基于它本身的使用线路少、成本低等多个优点而被广泛使用。rs-2323-c 接口是目前最为常用的一种串行通讯接口。它是 1970 年由美国电子工业协会（eia）

47、联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。rs-232 接口标准采用 25 个引脚的连接器其电气特性是：逻辑“1” ，-5-15v；逻辑“0” ，+5+15v。噪声容限为 2v。其物理特性有：传输线采用屏蔽双绞线，传输电缆的长度最大为 50 英尺。rs-232-c 接口也有其不足的地方，主要有：接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片；传输速率较低，在异步传输时，波特率为 20kbps；接口的共地传输模式容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性比较弱；传输距离有限等。4.2 单片机和单片机和 pc 通信连接通信连接pc 机作为上位机，它是对单片机进行各种各样的管

48、理和控制的。本系统在实际设计和编程过程中，对 at89s51 和 pc 机的通信采用了单电源电平转换器 icl232。对于 at89s51的发送和接收，其间的通讯协议如下10：1.通讯波特率为 4800b/s，晶振为 12mhz，其中 t1 为方式 2,可以计算得到 th1 为f3h 和 smod 为 1。2.系统采用串行口方式 3,字符格式为 1 位起始位、8 位数据位（低位在前） 、1 位停止们和 tb8=0。3.发送或接收数据块起始地址存放单元为 41h 和 40h，其中 41h 为数据块起始地址高字节存放单元，40h 为数据块起始地址低字节存放单元；数据块长度存放单元为 32h 和 3

49、1h，其中 32h 为数据块长度高字节存放单元，31h 为数据块长度低字节存放单元。4.8051 串行口以中断方式进行发送和接收，发送时先发数据块起始地址低字节和高字节，然后发送数据块长度的低字节和高字节，最后发送数据。数据长度高字节和低字节由主程序在发送前先调入 r2 和 r3 中。其发送和接收子程序的流程图如图 4-1 所示。- 21 -标记寄存器 r2 初始化定时器 t1 为方式 2设定 t1 初值启动 t1 工作串行口为方式 3开中断等待串行口中断标记寄存器 r2 初始化定时器 t1 为方式 2设定 t1 初值启动 t1 工作串行口为方式 3，允许接收并开中断等待串行口中断（a a）发

50、送子程序流程图）发送子程序流程图 （b b）接收子程序流程图）接收子程序流程图 图图 4-14-1：rs232rs232 发送与接收流程图发送与接收流程图本系统在 keil uvision2 中使用汇编程序来对发送和接收子程序写出简单的程序清单。发送子程序的清单：org 1000hmov r0,#03horl pcon,#80h ;设定 smod1mov tmod,#20h ;设定 t1 为方式 2mov th1,#0f3h ;设定 t1 值mov tl1,#0f3hsetb tr1 ;启动 t1 工作mov scon,#0e0h ;串行口方式 3,禁止接收mov ie,#90h ;开串行口中

51、断mov sbuf,#77 ;数据块始址送发送缓冲器wait1: jb es,wait1 ;等待串行口中断ret接收子程序的清单：mov r0,#03h mov tmod,#20h ;设定 t1 为方式 2mov th1,#0f3h ;设定 t1 初值- 22 -mov tl1,#0f3h setb tr1mov scon,#0foh ;启动 t1 工作mov ie,#90h ;开串行口中断wait2: jb es,atit2 ;等待串行口中断ret4.3简单软件设计简单软件设计4.3.1 下位机软件设计下位机软件设计下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机，一般是 plc/单片机之类的。两机

52、如何通讯，一般取决于下位机。tcp/ip 一般是支持的。但是下位机一般具有更可靠的独有通讯协议。本系统软件采用汇编语言来实验初始化、数据采集处理、湿度管理和对设备的处理。下位机程序设计通常先进行初始化，如设置中断、定时器、外部可编程器件的初始等，然后循环执行主要功能，并将数据传递给上位机12。上位机上电复位后对数据进行处理并控制 led。为防止程序跑飞，上位机下位机分别设计看门狗电路保证 st89s51 正常工作。其软件设计流程图如图 4-2 所示。图图 4-24-2：系统下位机设计流程图：系统下位机设计流程图开始系统初始化采集湿度数据存储数据正常？启动 led是否向上位机送数据？送上位机yyn- 23 -4.3.2 上位机程序设计上位机程序设计本系统的上位机软件的程序流程图13如图 4-3 所示。主程序执行全系统的监控和管理；数据收集处理模块，从串行接收获得下位机的状态，整理后进行保存和归档。命令输入模块，从键盘获取命令进行分析、处理；命令分析处理模块，按不同命令要求或修改系统工作模式、调整运行参数或整理数据送串行发送缓冲区，由通信中断服务发送到下位机。系统初始化显示模块数据收集处理模块命令输入模块命令分析处理模块命令处理模块图图 4-3：上位机流程图：上位机流程图- 24 -第四章第四章