基于单片机湿度测控系统

-PAGE20-本次课题的设计系统的示意图如图1-1。湿敏元件湿敏元件HS1101振荡电路NE555模数转换ADC0809核心处理器MCU-51个人PC电脑终端系统示意图湿度测量电路设计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。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。式中：y――输出量；x――输入物理量；――零位输出；――传感器线性灵敏度；――待定常数。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。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，即式中：――输出量的变化；――输入量的变化。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－输入特性为直线。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]。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，输出值的变化零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。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，即系统的响应等于冲激响应函数同激励的卷积，即湿度传感器的选择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，湿度表示大气干湿程度的物理量。大气湿度有两种表示方法：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（/，/）；――被测空气中水汽的质量（，）；V――被测空气的体积（）。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湿度（）之比，常用%RH来表示。即式中：――待测气体的水汽分压；――同一温度下水蒸汽的饱和水汽压[3]。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。它有以下几个显著的特点：全互换性，在标准环境下不需校正长时间饱和下快速脱湿可以自动化焊接，包括波峰或水浸高可靠性与长时间稳定性专利的固态聚合物结构可用于线性电压或频率输出回路快速反应时间HS1101的简单物照图如图2-1[5]。HS1101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2-2：20406080100相对湿度%20406080100相对湿度%200190180170电容F：HS1101湿度－电容响应曲线HS1101的一些常用参数如：：HS1101常用参数参数符号参数值单位工作温度Ta-40～100℃储存温度Tstg-40～125℃供电电压Vs10Vac湿度范围RH0～100%RH焊接时间@=260℃t10S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。NE555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的框图如图所示[5]。：NE555框图基于555振荡电路的湿度测量电路设计图：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C1两端电压为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=0.7R3*C1；输出脉冲占空比为q＝(R2+R3)/(R2+2R3),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]。核心电路的设计ADC0809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]。ADC0809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128；转换精度为[8]。ADC0809的引脚图如图所示。：ADC0809引脚图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、启动和输出允许。测湿电路与单片机的连接图如图3-2所示。测湿电路与单片机连接图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、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<<。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，然后用近似曲线公式计算出。是对ADC0809的操作流程图。开始开始初始化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：ADC0809操作流程图单片机电路的设计MCS-51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。AT89S51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位中央处理器和ISPFlash存储单元。它具有以下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes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PDIP封装引脚图[10]。AT89S51的PDIP封装其中，有主电源引脚，外接晶体引脚XTAL1和XTAL2，控制引脚、ALE/、、，输入输出接口P0～P3。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，是在做准备工作。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”（programfleet,跑飞是指系统受到某种干扰后,程序计数器PC的值偏离了给定的唯一变化历程,导致程序运行偏离正常的运行路径.程序跑飞因素及后果往往是不可预计的.在很多情况下,程序跑飞后系统会进入死循环而导致死机)时，也可以手动复位，不用再重起单片机电源。其ProtelDXP电路图如图[11]。AT89S51复位与晶振电路总体电路系统LED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。其电路原理图如图所示。系统报警电路系统总设计基于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。其程序流程图如图所示。开始开始初始化读湿度湿度转换湿度比较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ADC0809模数转换器等等。8051的接口通过非门与ADC0809的EOC接口相接，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：R1＝1K、R2＝499K、R3＝576K、R4＝909K。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TexasInstruments生产的NE555，所以根据微调R4和R3取值分别为909K和576K。：系统总原理图电路PCB版图设计本设计所用到的电路图，是在ProtelDXP2004软件中进行画图的，ProtelDXP2004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：高频元件之间的连线要短，易受干扰的元件不能离得太近。重量太大的元件要有支架固定。易发热元件要远离热敏元件。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的结构要求。预留出电路板的安装孔和支架的安装孔。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：系统PCB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图：系统3D效果图本设计的电路中所用到的元件的实物照片如下所示：晶振集成与非门ADC0809NE555AT89S51HS1101系统所用元件的实物图单片机与PC间的串行通讯RS-232-C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）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。单片机和PC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]：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。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位停止位和TB8=0。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31H，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。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所示。标记寄存器R2初始化定时器T1为方式2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）发送子程序流程图（b）接收子程序流程图RS232发送与接收流程图本系统在KeiluVision2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：ORG1000HMOVR0,#03HORLPCON,#80H;设定SMOD＝1MOVTMOD,#20H;设定T1为方式2MOVTH1,#0F3H;设定T1值MOVTL1,#0F3HSETBTR1;启动T1工作MOVSCON,#0E0H;串行口方式3,禁止接收MOVIE,#90H;开串行口中断MOVSBUF,#77;数据块始址送发送缓冲器WAIT1:JBES,WAIT1;等待串行口中断RET接收子程序的清单：MOVR0,#03HMOVTMOD,#20H;设定T1为方式2MOVTH1,#0F3H;设定T1初值MOVTL1,#0F3HSETBTR1MOVSCON,#0FOH;启动T1工作MOVIE,#90H;开串行口中断WAIT2:JBES,ATIT2;等待串行口中断RET结论鉴于当前的基于单片机的测控系统中，温度测控有着广泛的应用来成熟的技术，本课题在提出时是基于另一个新颖的角度――湿度测控。湿度测控虽然提出较早，但由于其应用的广度和技术的瓶颈，其发展速度有些滞后，除开在温室种植和大型重要仓库中有着重要的地位外，在其它地方往往得不到重视。本文针对平常的实验室的室内湿度的测控作为出发点，将多种信息处理技术和总线通信技术相结合，设计了一套实时的、全面的、可靠的室内湿度测控系统。本设计具有多个特出的方面。在本系统中，采用了模块化、层次化设计。单片机与监控计算机之间采用RS232总线通信标准，用简单、高效的通信电路实现监测数据的读取。能过计算机的实时监测，能够迅速对信息进行采集、报警和处理。并能够存储大量的数据供有关工作人员进行浏览、查询和控制。成功地开发出一套结构简单、性能安全、