基于PROTEUS的分布式湿度测量系统仿真与实现

基于PROTEUS的分布式湿度测量系统仿真与实现目录目录I摘要VAbstractVI第一章绪论11.1课题研究背景11.2课题研究现状11.3课题的目标和意义11.4本课题研究的主要设计目的及拟采取的技术路线21.5本文结构2第二章湿度简介32.1湿度的根本概念32.2湿度检测的应用领域32.3常见的湿度检测方法及特点42.4湿度测量技术的开展趋势42.5湿度检测方案的选择5第三章主要器件及软件简介73.1单片机仿真软件Proteus73.1.1Proteus主要功能73.1.2Proteus的用途及其在本系统中的作用73.2本系统数据处理及显示软件Labview73.2.1虚拟仪器73.2.2LabView软件的用途及其在本课题中的用途83.2.3LabView软件的特点83.3程序调试软件KeilC5193.4湿度传感器电容HS1101简介93.4.1湿度传感器HS1101与其他传感器相比的优点93.2.3湿度传感器电容HS1101简介93.2.3湿度传感器HS1101的电路连接113.5SST89E516RD单片机简介12第四章总体设计134.1系统的总体设计思想134.2系统的总体结构框图134.3各模块的实现方法及功能144.3.1硬件实现模块144.3.2软件实现模块14第五章详细设计155.1系统硬件局部设计155.1.1最小系统电路155.1.2系统复位电路的设计165.1.3湿度传感器HS1101与555振荡器局部的设计175.1.4硬件的总体设计195.2系统设计205.2.1RS-232-C接口205.2.2本课题的主程序框图215.2.3系统下位机软件流程图设计215.2.4上位机软件设计22第六章系统仿真256.1KeilC51与Proteus程序仿真256.2系统软件硬件的仿真结果256.3系统硬件与上位机的联合仿真26第七章实现与调试287.1硬件调试287.2下位机软件调试287.3上位机软件调试287.4联合调试287.5湿度校准29第八章总结与缺乏30参考文献31附录一MCU源程序代码32附录二VI源代码34附录三电气原理图35致谢36诚信承诺书37基于PROTEUS的分布式湿度测量系统仿真与实现摘要湿度检测在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。本文首先介绍了湿度检测的研究现状、目的及其意义。其次，对湿度检测技术的应用领域和开展状况做了简单的介绍，同时，列举了目前湿度检测所常用方法以及各自所具有的特点。再次，本文对湿度检测系统所选方案进行了分析设计。本文采用单片机与虚拟仪器Labview相结合的技术来进行湿度检测，利用基于微控制器MCU技术的分布式湿度检测系统对湿度数据进行采集，再将数据传输到计算机中通过虚拟仪器Labview进行数据处理与显示，本系统具有控湿精度高、功能强、体积小、价格低、简单灵活、可靠性高等优点，能很好的满足了工艺要求。本文首先对该系统的硬件和软件进行设计。在硬件设计过程中，详细介绍了各局部电路的功能和特点。在软件设计过程中，绘制了各个程序模块的流程图，详细介绍了各个模块的作用。经过对程序反复的修改，完善了软件系统。在本文中对系统中所用的湿度传感器HS1101、所用的设计软件和SST89E516RD单片机作了简单的介绍。本文的重点在于通过湿度传感器HS1101对湿度频率的采集和通过单片机将其传输到计算机上通过Labview进行数据处理及显示。本文所做的主要工作就在于数据的处理和显示及虚拟仪器的应用。本系统具有灵敏度高、反映时间短等特点，并且具有智能化、可编程、可实时监控等优点，相信本系统具有广泛的应用领域。关键字：单片机，湿度检测，仿真，虚拟仪器SimulationandImplementationofDistributedHumidityMeasurementSystemBasedonProteusAbstractHumiditytestinindustry,agriculture,nationaldefenseandotherindustrieshasbeenwidelyused.Thispaperintroducesthedetectionofmoisturestatus,purposeandsignificance.Secondly,moisturedetectiontechnologyapplicationsanddevelopmentmadeabriefintroduction,alsocitedthecurrenthumidityarecommonlyusedindetectionmethodsandhavetheirrespectivecharacteristics.Again,thisprogramonthehumiditydetectionsystemanalyzestheselecteddesign.Inthispaper,SCMandLabviewvirtualinstrumentcombiningtechniquesforhumiditydetection,MCUmicrocontroller-basedhumiditydetectiontechnology,distributeddataacquisitionsystemandhumidity,andthentransmitdatatoacomputerviaLabviewvirtualinstrumentsfordataprocessingandshowthatthewetlandsystemhascontrolofhighprecision,function,smallvolume,lowprice,simple,flexible,highreliability,couldwellmeettheprocessrequirements.Firstly,thesystem'shardwareandsoftwaredesign.Inthehardwaredesignprocess,describedindetailthevariouspartsofthecircuitfunctionsandfeatures.Inthesoftwaredesignprocess,drawingaflowchartofthevariousprogrammodules,describedindetailtheroleofeachmodule.Afterrepeatedchangesoftheprocess,improvethesoftwaresystem.Inthispaper,thesystemusedinthehumiditysensorHS1101,usedinsinglechipdesignsoftwareandSST89E516RDbrieflyintroduced.ThispaperwillfocusonthehumiditybyhumiditysensorHS1101frequencyacquisitionanditstransmissionthroughthemicrocontrollertoacomputerviaLabviewdataprocessinganddisplay.Thisisprimarilydoneonthedataprocessinganddisplayapplicationsandvirtualinstruments.Thesystemhashighsensitivity,reflectingtheshorterperiod,andhaveintelligent,programmable,real-timemonitoring,etc,Ibelievethissystemhasawiderangeofapplications.Keywords：MCU，HumidityMeasurement，Simulation，VirtualInstrument第一章绪论1.1课题研究背景湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最根本的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对湿度的检测与控制。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，而空气中湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对湿度的检测及控制就非常有必要了。总之，环境湿度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。1.2课题研究现状随着社会的开展，湿度检测系统在工业、农业等方面，应用越来越广泛，面对着工业、农业等行业对湿度检测的日益需求，对湿度检测系统精确性的严格要求，为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强湿度的监测工作，在这种新形势的要求下，传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合湿度要求的地方进行通风、去湿等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的湿度误差大，随机性大。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的湿度检测系统。1.3课题的目标和意义随着社会经济的开展和科学技术的不断进步，许多情况下都需要对环境的湿度进行限定，因此，必须在某些特定环境安装湿度检测系统及报警器以进行监控。为此，题目研究利用HS1101湿度传感器的测湿快速、使用简便等特点，同时结合SST89E516RD单片机强大的功能，设计了一个检测和监控系统来对湿度进行实时监控以进行超限报警。监测系统测量准确、调试方便、可实时记录报警信息、方便工作人员排故，并可广泛应用于条件恶劣、人员不便进入的场合。本课题的主要意义就在于让我们将所学的知识很好的应用，让我们所掌握使用的高级语言KeilC对单片机编程技术、Protues对原理图的设计及仿真应用、Labview软件实现与计算机的串口通信以及建立非接触测量的概念等知识良好应用到毕业设计中，提高我们的的实际工作技能。1.4本课题研究的主要设计目的及拟采取的技术路线研究本系统包括两方面任务：其一是对硬件系统的设计，保证系统的检测精度不小于±2％RH，通过555振荡电路的驱动，检测湿度范围为0％～100％RH等，使其具有很强的实用性。其二是软件系统的设计，使其在电脑上实现实时显示功能，保证系统的正常运行。本课题要做的是分布式湿度测量系统的仿真与实现，而本课题拟采用的技术路线是通过湿度传感器HS1101采集频率数据，将其传送到单片机，再通过单片机的USB串口将数据传输到计算机中，再在计算机中调用Labview软件对数据进行处理及显示。分布式湿度测量系统的仿真是由Proteus软件与KeilC51以及Labview三个软件进行联合仿真实现的；分布式湿度测量系统的实现是做好硬件实物后，将实物与计算机用串口连接好后，再在计算机中启动Labview软件，调节好参数启动即可实现分布式湿度测量系统的实现。1.5本文结构本文通过基于PROTEUS的分布式湿度测量系统仿真与实现。第一章：绪论〔本章阐述了课题的研究背景，课题研究现状，课题的目标和意义，本课题研究的主要设计目的及拟采取的技术路线及本文结构。〕第二章：湿度简介〔本章简单介绍了湿度的根本概念，湿度检测的应用领域，常见的湿度检测方法及特点，湿度测量技术的开展趋势和湿度检测方案的选择，本课题设计所用到的设计。〕第三章：主要器件及软件简介〔本章主要介绍Proteus、Labview以及KeilC51软件，介绍湿度传感器HS1101及SST89E516RD单片机。〕第四章：总体设计第五章：详细设计〔本章主要介绍系统的硬件设计及其软件设计。〕第六章：系统仿真〔本章主要介绍系统的软件模拟仿真结果和硬件仿真结果。〕第七章：设计实现与调试第八章：总结与缺乏第二章湿度简介2.1湿度的根本概念湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量[1]，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。绝对湿度一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为Ha＝mV/V，式中，Ha表示绝对湿度值，mV为待测空气中水蒸气质量，V为待测空气的总体积。单位为g/。相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压()和同温度下饱和水蒸气的分压()的百分比，即HT＝(/)T×100％RH。通常，用RH％表示相对湿度。当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。温度高的气体，含水蒸气越多。假设将其气体冷却，即使其中所含水蒸气量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达100％，呈饱和状态，再冷却时，蒸气的一局部凝聚生成露，把这个温度称为露点温度。2.2湿度检测的应用领域人工气候室是在环境试验、科学研究〔诸如种养殖、植保、组培、生物工程〕等领域应用广泛的实验设备。它能模拟自然界的各种气象条件，按照实验要求精确控制室内的温度、湿度、光照以及CO2等指标，复现各种气候环境。为研究不同物种的生长、发育、生理、生化过程创造了环境条件。因此，人工气候室广泛应用在科研、现代农业、医药、冶金、化工、林业、环境科学及生物遗传工程等领域。在人们的日常生活中，人们的居住空间也是一个人工环境。空气污染，直接威胁人们的身体健康；噪音污染，影响人的情绪、工作、休息、饮食，可以导致神经衰弱；温度过热、过冷，导致人的不适，消耗电能；空气过湿，将使人们感到沉闷和窒息；空气过燥，又会使人的口腔感到不适，甚至可能发生咽喉炎等疾病。如果自动控制这个最常见的空间，人的生活将更舒适。所以说，这是一个很有开展前途的课题，国内外学者已经进行了相关的研究[2]。本文也就其中最难测量的物理量——湿度进行研究。2.3常见的湿度检测方法及特点湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理—化学理论分析和计算[3]。常见的湿度测量方法有：动态法〔双压法、双温法、分流法〕，静态法〔饱和盐法、硫酸法〕，露点法，干湿球法和电子式传感器法。1.双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，主要作为标准计量之用，其测量精度可到达±2%RH以上，但是设备复杂，昂贵，运作费时费工。2.静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡6～8小时。3.露点法是测量湿空气到达饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。但用现代光—电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。4.干湿球法，这是18世纪就创造的测湿方法。历史悠久，使用最普遍。干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需到达2.5m/s以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有5～7%RH,干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。5.电子式湿度传感器法。电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业,近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速开展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。2.4湿度测量技术的开展趋势1.广泛采用新技术、新工艺随着科技的进步，许多新技术和新工艺被应用到湿度测量领域中[4]。例如，瑞士Sensiron公司采用CMOSens〔Ce-mo-Sens〕专利技术为高精度湿度传感器系统设置精度。其特征是将半导体芯片〔CMOS〕与传感器技术融合，为开发高集成度、智能化、高精度、高可靠性的湿度检测系统提供了解决方案。该项技术亦称“Sensmitter〞，它代表传感器〔sensor〕与变送器〔transmitter〕的有机结合。尽管SHT11/15属于传感器范畴，但具有创新性的CMOSens技术使之兼有变送器的功能，便于实现系统集成。Honeywell公司生产的HIH－3610型湿度传感器，能在高温，有化学液体或气体的环境下正常工作，例如可以测量含有氨、苯、甲醛等有害气体的鸡棚或猪舍中的相对湿度。即使在饱和状态下，传感器也很容易从短期凝结中恢复过来。HIH－3610芯片上有一层起保护作用的亚硝酸盐钝化层，在安装过程中不易损坏。2.提高测量精度和分辨力目前，国内外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能湿度传感器，SHT11/15型智能化湿度传感器系统测量相对湿度的范围是0～100％，分辨力达0.03％RH，最高精度为±2％RH。测量露点的精度＜±1℃。在测量湿度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗。SHT11/15的产品互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，不需要外部元件，适配各种单片机，可广泛用于医疗设备及温度/湿度调节系统中。3.增加测试功能新型智能湿度传感器的测试功能也在不断增强[5]。例如，DS1629型单线智能湿度传感器增加了实时日历时钟〔RTC〕，使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的存储器，可存储用户的短信息。另外，智能湿度传感器正从单通道向多通道的方向开展，这就为研制和开发多路湿度测控系统创造了良好条件。2.5湿度检测方案的选择现代湿度测量方法最主要的有两种：一是干湿球测湿法，二是电子式湿度传感器测湿法[6]。下面简单介绍一下干湿球湿度计的特点。早在18世纪人类就创造了干湿球湿度计，干湿球湿度计的准确度取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能到达规定的准确度。干湿球湿度计的准确度只有5％～7％RH。而且，干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。接下来，简单介绍一下电子式湿度传感器的特点。电子式湿度传感器的准确度可以到达2％～3％RH。电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断。湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。而电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速开展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以到达2％～3％RH。通过上述两种湿度检测方法的分析，不难发现：电子式传感器测湿法和干湿球测湿法相比具有精度高、操作简单、易于控制等特点。另外，前者可外加单片机等控制器来构成一个智能检测系统，而后者不能直观准确的显示出湿度值，造成使用上的不方便。因而本课题采用电子式传感器测湿法进行系统设计。第三章主要器件及软件简介3.1单片机仿真软件ProteusProteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件[7]。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。3.1.1Proteus主要功能原理布图PCB自动或人工布线SPICE电路仿真3.1.2Proteus的用途及其在本系统中的作用单片机在很多产品中得到广泛的应用，无论是51系列、AVR、还是PIC系列，他们各有各的特点，学习者也是逐年增加，但是在学习开发过程中，我们往往在确定方案后做试验的开支往往比拟大，尤其是对于一些学生或者初学者这就可能成为他们学习的障碍。我们使用Proteus软件进行模拟仿真，这样大大节省了时间和开发费。尤其将此软件用在单片机开发中是一个不错的选择。在本系统中，Proteus软件的用途首先是画出硬件原理图，其次是将软件加载进去，进行模拟仿真，在仿真的过程中对软件和硬件进行完善，最后完成整个硬件与软件系统。3.2本系统数据处理及显示软件Labview3.2.1虚拟仪器虚拟仪器〔VirtualInstrumention〕是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器开展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。虚拟仪器的主要特点有：1.尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。2.可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。3.用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的根底理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。LabVIEW是一种程序开发环境[8]，由美国国家仪器〔NI〕公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序〔子VI〕的结果、单步执行等等，便于程序的调试。3.2.2LabView软件的用途及其在本课题中的用途用途：应用于生产检测、应用于研究和分析、应用于过程控制和工业自动化、应用于机器监控。本课题中的用途：在本课题中，Labview用途很大，它将USB串口传输过来的数据进行处理后，通过Labview软件将其波形图，频率，湿度值显示出来，是本课题硬件与软件系统不可或缺的一局部。3.2.3LabView软件的特点所见即所得〞的可视化技术建立人机界面。采用数据流编程模式，是能够同时运行多个程序的多任务系统。提供了丰富的用于数据采集、分析、表达及数据存储的函数库。提供如设置断点、单步运行,高亮执行等调试工具,使程序的调试和开发更为便捷。内置了PCI、DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS-232和RS485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数,支持数据采集卡和GPIB、串口设备、VXI仪器、PLC、工业现场总线以及用户特殊的硬件板卡。具有强大的外部接口能力，可以实现LabVIEW与外部的应用软件(如Word，Excel等)、C语言、WindowsAPI、MATLAB等编程语言之间的通信。强大的Internet功能,内置了便于应用TCP/IP、DDE、ActiveX等软件标准的库函数。支持常用网络协议,方便网络、远程测控仪器的开发。支持多操作系统平台可直接移植到其它平台上3.3程序调试软件KeilC51KEIL[9]德国开发的一个51单片机开发软件平台，最开始只是一个支持C语言和汇编语言的编译器软件。后来随着开发人员的不断努力以及版本的不断升级，使它已经成为了一个重要的单片机开发平台，不过KEIL的界面并不是非常复杂，操作也不是非常困难，很多工程师的开发的优秀程序都是在KEIL的平台上编写出来的。可以说它是一个比拟重要的软件，熟悉他的人很多很多，用户群极为庞大，要远远超过伟福等厂家软件用户群，操作有不懂的地方只要找相关的书看看，到相关的单片机技术论坛问问，很快就可以掌握它的根本使用了。在本课题中KeilC51主要是实现程序的编译及调试，以及实现软件仿真中程序的加载及其控制，在硬件仿真中实现将程序加载到单片机中，实现硬件工作的驱动。3.4湿度传感器电容HS1101简介3.4.1湿度传感器HS1101与其他传感器相比的优点湿度传感器HS1101与其它传感器相比，其优点在于：在标准环境下不需校正、可用于线性电压或频率输出回路、反响时间快、其精确性比其它传感器高，而且其价格相对其它传感器要廉价，其实用价值和性价比高。3.2.3湿度传感器电容HS1101简介湿度传感器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响时间HS1101的简单物照图如图3-1[10]图3-1：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3-2：2040608010020406080100200190180170电容F图3-2：HS1101湿度－电容响应曲线HS1101的一些常用参数如表3-1：表3-1：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℃t10S3.2.3湿度传感器HS1101的电路连接湿度传感器HS1101要连接在555振荡电路中进行工作，其相当于一个电容，通过555振荡电路将频率传输出去，其连接电路图如下列图3-3所示。图3-3湿度传感器HS1101连接电路3.5SST89E516RD单片机简介SST89E516RD单片机[11]可靠性高，价格低廉，软硬件全兼容8051/52系列单片机,原有资源均可使用。最高工作频率可达40MHz，内部具有64K+8KB的FALSHROM存储器，可反复读写超过十万次。在应用中根本无需再扩展程序储存器。此外内部数据RAM达1K字节，能满足大多数应用，比标准51机的RAM大8倍。最重要的是该型单片机，支持在应用可编程〔IAP〕，和在系统可编程〔ISP〕，可实现远程升级，而不用编程器。SST公司专门为该型单片机开发了SoftICE〔SoftwareInCircuitEmulator〕在线的软件仿真器软件。它是SST公司为方便SST用户使用、调试SST单片机所开发的开发工具。SST的仿真器功能可以代替大局部的专用仿真器，使单片机工程师在开发单片机时省却了价格昂贵的仿真器和编程器，使得51单片机的开发更加容易和普及。第四章总体设计4.1系统的总体设计思想本课题虽然采用的是电子式传感器测湿法进行系统设计，但它与传统的电子式传感器湿法又有不同，传统的是用湿度传感器通过单片机等的处理把数据传送到数码管上显现出来，而我采用的是通过湿度传感器采集数据，再通过单片机直接将数据传送到计算机上，这样不仅具有实时性，而且还比传统的方法节约了时间，提高了检测效率，而且在计算机上通过Labview处理后，显示出来的数据更加直观，便于对其进行控制处理。本课题采用的方法是将湿度传感器HS1101在555振荡电路的工作电路中将采集到的频率传送到单片机中，再由单片机通过USB串口将频率数据传送到PC计算机中，再调用计算机中的Labview软件对传送过来的数据进行处理，并在PC计算机上通过Labview软件将其波形图，频率，湿度值显示出来。4.2系统的总体结构框图本系统的主要结构是：首先将湿度传感器连接在555振荡电路中，在555震荡器的工作下将采集到的频率数据传送到单片机中，再经过的单片机控制其数据传输，通过USB串口能很好的与计算机进行通信，再在计算机中启动Labview软件对传送到计算机中的数据进行处理及在计算机上显示出来。系统框图如下列图4-1图4-1系统的总体结构框图4.3各模块的实现方法及功能4.3.1硬件实现模块〔1〕数据采集模块将湿度传感器HS1101连接在555振荡电路中，通过振荡电路，将每次采集到的频率传输到单片机中,HSll00湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律。在自动测试系统中，电容值随着空气湿度的变化而变化，因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化，才能进行有效地数据采集。用555集成电路组成振荡电路，HS1100湿度传感器充当振荡电容，从而完成湿度到频率的转换。这一模块实现的功能是完成湿度到频率的转换，完成频率数据的采集功能。〔2〕单片机数据传输模块：将频率数据传输到单片机后，单片机启动定时器与中断控制，将数据通过USB串口传输到计算机上。这一模块实现的是控制数据的传输速率，实现单片机与PC计算机通信的畅通。4.3.2软件实现模块Labview软件实现数据处理及显示模块：数据传输到PC计算机后，调用Labview进行数据的处理及其在计算机上直观的显示出来。LabVIEW的湿度显示系统设计包含以下局部：数据采集、数据传输、数据处理、控制信号输出接口电路设计及其他附属功能的设计。数据传输模块将检测信号传输到计算机，当数据进入计算机后，在LabVIEW平台上，经数据处理子程序、温湿度检测子程序实时监测，同时在前面板实时输出湿度曲线。这一模块的功能就是实现将传输到计算机上的频率数据进行处理处理后直观的在计算机上显示出来。第五章详细设计5.1系统硬件局部设计基于PROTEUS的分布式湿度测量系统仿真与实现硬件设计主要包括：1.系统最小系统设计2.系统复位电路的设计3.湿度传感器HS1101与555振荡器局部的设计4.系统的整体设计原理图5.1.1最小系统电路大多数单片机应用系统使用最小系统即可。只有较特殊的应用才进行电路扩展。由于SST89E516RD的存储空间较大，所以大多数应用中，都不用对存储器进行扩展。这样可极大简化电路的设计和本钱。所谓最小系统，是指能使单片机正常工作的最简单电路。参见下列图。可见最小系统电路所需元件数量很少。SST89E516RD的电路原理如下列图5-1所示。图5-1最小系统电路5.1.2系统复位电路的设计智能系统一般应有手动和上电复位电路。复位电路的实现通常有两种实现方式：即用RC电路和μP监控电路。前者电路实现简单，本钱低，但复位可靠性相对较低；后者本钱比拟高，但复位可靠性高。对于复位要求高,并对电源电压进行监视的场合，大多采用这种方式。〔1〕μP监控电路专用μP监控电路又称电源监视电路，具有上电时可产生复位信号和电源电压跌落到“门槛值〞时可产生复位信号等功能。按有效电平分，有高电平输出、低电平输出两种；按功能分，有简单的电源监视复位电路、带“看门狗〞定时器〔WATCHDOGTimer,WAT〕的监控电路等多种类型。比拟常见的生产厂家有MAXIM，Plilips，IMP及DALLS等，51系列微处理器中常用的型号有MAX831L、MAX809、X25043/5等。〔2〕RC复位电路本系统采用的是开关按钮直接按下复位，它是基于RC复位方式。RC复位电路的实质是一阶充放电电路。该电路提供有效的复位信号RST〔高电平〕直至系统电源稳定后撤消复位信号〔低电平〕。从理论上说，51系列单片机复位引脚只要外加两个机器周期的有效信号即可复位，设t为保持高电平的时间，只要保证t=RC>2M(M为机器周期)便可。但是在实际设计中，通常C3值为10μF以上，R1通常取值10KΩ左右。实践发现，R1如果取值太小，例如1KΩ，那么会导致RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位，系统复位电路如下列图5-2所示。图5-2系统复位电路5.1.3湿度传感器HS1101与555振荡器局部的设计HS1101湿度传感器采用专利设计的固态聚合物结构，具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准的完全互换性。HS1101湿度传感器在电路中等效于一个电容器Cx，其电容随所测空气的湿度增大而增大，在相对湿度为0%-100%RH的范围内，电容的容量由160pF变化到200pF，其误差不大于±2%RH，响应时间小于5s，温度系数为0.04pF/℃。HS1101测量湿度采用将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转换成电压频率信号，可以直接被微处理器采集，电路图如下5-3所示。图5-3湿度传感器HS1101连接电路555芯片[12]外接电阻R3，R4与HS1101，构成对HS1101的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路实现对HS1101的放电回路，并将引脚2，6端相连引入到片内比拟器，构成一个多谐波振荡器，其中，R3相对于R4必须非常的小，但决不能低于一个最小值。R4是防止短路的保护电阻。HS1101作为一个变化的电容器，连接2和6引脚。引脚作为R3的短路引脚。HS1101的等效电容通过R3和R4充电到达上限电压〔近似于0.67

VCC，时间记为T1〕，这时555的引脚3由高电平变为低电平，然后通过R4开始放电，由于R3被7引脚内部短路接地，所以只放电到触发界线〔近似于0.33

VCC，时间记为T2〕，这时555芯片的引脚3变为高电平。通过不同的两个电阻进行传感器的不停充放电，产生方波输出。〔1)其充电放电时间分别为：充电时间为：。放电时间为：。〔2)输出波形的频率和占空比的计算公式如下：输出波形频率：。占空比：。〔3)由此可以看出，空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。表5-1给出了典型频率湿度关系〔参考点：25℃，相对湿度：55%，输出频率：6.208kHz〕。可以通过微处理器采集555芯片的频率，然后查表即可得出相对湿度值。为了更好提高测量精度，将采用下位机负责采集频率，将频率值送入上位机进行分段处理。其中为相对湿度值表5-1给出典型频率湿度关系〔参考6208Hz为55%RH/25℃〕RH0102030405060708090100Frequency685267346618650363886271615260295901576656235.1.4硬件的总体设计根据总体设计系统结构框图，对各个模块进行了设计和分析，最后完成了整个系统硬件电路原理图〔如图5-4〕。图5-4总体设计图5.2系统设计系统的软件局部设计是本课题最重要的步骤之一。系统程序共分两个模块，即湿度传感器采集数据传输到单片机并且通过USB串口将数据传到计算机上的硬件局部工作的程序模块、调用Labview应用软件将传输到计算机上的数据进行处理后显示出来的软件工作程序模块这两个模块。每个模块都有一定的功能，它们之间既相互独立又相互联系，正是由这两个模块的相互共同的工作，共同完成了本课题的整个软件局部设计。5.2.1RS-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、本钱低等多个优点而被广泛使用。RS-2323-C[13]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接口也有其缺乏的地方，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拟弱；传输距离有限等。单片机与PC机之间基于串行接口RS-232标准的串行通信接口电路，其电平采用的是EIA电平,而单片机的串行通信是由TXD(发送数据)和RXD(接收数据)来进行全双工通信的,它们的电平是TTL电平,为了PC机与单片机之间能可靠地进行串行通信,需要用电平转换芯片。由于MC1488和MC1489需要±12V﹑+5V电源供电,故采用MAXIM公司生产的低功耗﹑单电源的MAX232芯片,因为它自身带有电源电压变换器,可以把+5V电源变换成RS-232输出电平所需的±10V电压,能实现RS-232的技术指标,并只需要+5V的电源,为串行通信带来了较好的性能和低廉的价格。RS-232点对点连接,一个串口只能连接一个外设。而USB是一种多点、高速的连接方式,采用集线器能实现更多的连接。USB接口的根本局部是串行接口引擎SIE，SIE从USB收发器中接收数据位，转化为有效字节传送给SIE接口；反之，SIE接口也可以接收字节转化为串行位送到USB总线。5.2.2本课题的主程序框图本系统的智能化核心是SST89E516RD单片机和Labview应用软件，湿度传感器数据采集及经过单片机将数据通过USB串口传输到计算机上的程序全部固化在EPROM内。它的工作过程是：当系统上电后，单片机进入工作状态，同时完成对硬件各局部的初始化工作。当没有外部控制信息输入的情况下，系统自动采集湿度传感器的频率值，并通过单片机处理后将数据传送到计算机中，用Labview将数据处理后在计算机上显示出来。其主程序框图如图5-5所示。图5-5主程序框图5.2.3系统下位机软件流程图设计湿度传感器数据采集通过555振荡器将频率经过单片机将数据通过USB串口传输到计算机上的程序流程图，程序流程图如5-6所示。图5-6程序流程图5.2.4上位机软件设计软件的设计中通过设计选择翻开采集界面和数据回读界面来实现湿度的采集和数据的读取，由于湿度采取的是频率信号，所以在设计的过程中可以选择性的翻开频谱分析。数据的采集界面是本设计的重点，前面板由示波器、湿度值数字显示、湿度频率显示等模块组成。当温湿度信号传入LabVIEW后，数字显示和图形显示就会显示出当前所检测到的温湿度数值。同时，示波器也将反响出信号的波动变化。前面板图如5-7所示。图5-7前面板图Labview串口选择、波特率选择、及I/O缓存VI程序代码如下列图5-8所示：图5-8串口相关VI程序代码Labview数据缓冲、接收字节数显示VI程序代码如下列图5-9所示：图5-9数据缓冲区VI程序代码Labview数据处理模块VI程序代码如下列图5-10所示：图5-10数据处理VI程序代码Labview数据曲线显示模块VI程序代码如下列图5-11所示：图5-11数据显示VI程序代码第六章系统仿真6.1KeilC51与Proteus程序仿真Keil与Proteus联机调试Keil与Proteus联机调试时需要安装vdmagdi文件，安装完后keil\c51\bin\文件夹里面会有VDM51.DLL，然后再进行以下设置。Proteus7.4与KeilC51为例进行联机调试，步骤如下：1.下载keilc51软件和proteus软件，分别进行安装。2.把proteus安装目录下MODELS/VDM51.dll文件复制到Keil安装目录的\C51\BIN目录中。3.编辑C51里tools.ini文件,参加：TDRV*=BIN\VDM51.DLL("PROTEUSVSMMONITOR51DRIVER")，其中星号为自己根据情况加，如果有“TDRV1=…〞那么星号就改为2，依次类推。4.翻开ISIS，选中DEBUG-->useremotedebugmonitor。5.进入proteus安装目录下SAMPLES/VSMfor8051/C51Calculator/，用ISIS翻开calc.DSN，用keilc51翻开CALC.UV2，在左侧我们选中"Target1"，点右键弹出菜单中选第一个为目标“Target1〞设置选项，在输出标签下，要选种产生HEX文件，在调试标签下，要选种右侧项，并选择下拉菜单里的ProteusVSMMonitor-51Driver，在进入设置，如果同一台机IP名为127.0.0.1,如不是同一台机那么填另一台的IP地址。端口号一定为8000注意：可以在一台机器上运行keil，另一台中运行proteus进行远程仿真。6.对Keil文件编译调试，运行，就可以在ISIS里看到仿真效果。6.2系统软件硬件的仿真结果系统通过Proteus与Keil联机，通过软件仿真结果如下列图6-1所示，经过Labview进行数据处理后的仿真图如下列图6-2所示。图6-1Proteus仿真图图6-2Labview进行数据处理后的仿真图6.3系统硬件与上位机的联合仿真系统硬件与上位机联合仿真结果如下列图6-3所示图6-3联合仿真结果当向湿度传感器HS1101吹气时，其曲线、频率计湿度值的变化如下列图6-4所示图6-4吹气时变化曲线第七章实现与调试7.1硬件调试本系统在硬件上的调试，是很重要的，硬件不能正常工作的话，本课题就不能成功的实现其功能。调试中要注意：1.检查焊接的顺序是否出现错误。2.检查元器件上是否出现问题：检查原理图连接是否正确、检查原理图与器件的上引脚是否一致、用万用表检查是否有虚焊，引脚出现短路现象、用示波器对各个引脚进行检查。3.在调试过程中多观察，多思考。7.2下位机软件调试下位机软件由KeilC51开发完成，程序本身通用于Proteus仿真软件，将KeilC51开发出来的程序通过KeilC51与Proteus联机进行仿真调试，在调试过程中对程序与硬件电路图进行完善，并且在下位机中调好串行接口的通道号数及其波特率与程序中所设置的波特率设为一致，从而完成下位机的调试，为系统上位机的调试做好准备。7.3上位机软件调试在上位机的调试中，首先设置串行接口的通道号数与下位机中所设的串行接口通道号数一致、波特率的一致，再启动上位机软件进行调试，看其是否能实现正常工作，如不能实现正常工作，检查上位机软件中的VI图形源程序中接口是否有错，有错就按照软件中所提醒的内容进行修改，然后完成上位机软件调试。7.4联合调试联合调试就是将本系统的软件调试与硬件调试相结合起来，进一步实现和完善本系统的功能。其调试过程中首先是将硬件电路连接到计算机中，在计算机中首先设置串口通信的通道号数并且设置好波特率，再在计算机中启动KeilC51软件，通过计算机与单片机之间的USB串行接口将程序加载到单片机中，完成程序加载后关闭KeilC51〔这里要关闭KeilC51是因为KeilC51将这个串口占用了，后面启动Labview软件不能正常工作了〕，再在计算机中启动上位机软件Labview，在Labview中再设置好对应的串行通信号数及其波特率，再运行，看看其是否能正常工作，不能正常工作就返回去检查，再照前面的方法进行操作，从而完成联合调试。7.5湿度校准本系统通过测试后，可以实现根本的功能，但是功能不是很完善，本系统在测量精度上与实际数据还存在一定的出入，要想提高本系统的测量精度，有几种改良方法：第一种：将本系统的硬件电路放入到相对湿度为55%RH，温度为25℃的的环境下测量出其频率值F55然后代入公式将其在相对湿度为0%RH、10%RH、20%RH、30%RH、40%RH、50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH、100%RH的对应频率分别计算出来，然后在Labview中将其对应的查表值修改为计算出来的数值，这样可以提高其检测精度。第二种：记录下系统所用的555振荡器的型号，在将其R1、R2电阻用对应阻值的电阻〔如图表7-1〕。表7-1555R1R2TLC555909K576TS555100nF电容52375551732K549LMC5551238562这种方法也能提高湿度检测的精度。再就是将湿度传感器HS1101换成相对湿度为0%RH、10%RH、20%RH、30%RH、40%RH、50%RH、60%RH、70%RH、80%RH、90%RH、100%RH状态下对应的电容，将其频率测量出来，然后在Labview中将对应的查表值修改为当前测量出来的值。总之，由于硬件系统中所用的电阻的阻值不是非常的标准，所以测量出来的数据比实际的有差异，而且系统所选的555振荡器型号不同，其测量出的数据也不同。第八章总结与缺乏本系统在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门有很重要的用途，经常需要对环境湿度进行测量。对环境湿度的检测以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比拟普遍的技术条件之一。本检测系统就可应用在环境保护、工业控制、农业生产等方面，可见其具有非常广泛的应用前景。由于学习Proteus和Labview时间不是很长，系统在设计过程中，难免存在缺乏之处。在程序结构上系统设计得还不够紧密，对一些问题，还不是很好的能解决。虽然毕业设计已接近尾声，但我想我的这个设计不会因为毕业设计的结束而停止，在今后的学习中，再就这些问题进行完善，争取做出能将精度进一步提高、实用价值更高的湿度检测系统。由于该系统主要是湿度的检测没有涉及到湿度的控制设计，硬件电路过于简单，不很完善只是原型，而且还存在许多缺乏,比方实际测量精度误差较大，这可以采用其他的改良措施进行改善等，并且本系统在控制方面有待进一步研究。同时，可以在外围扩展温度检测芯片，使其具有温、湿度检测功能。而且，外加去湿机、空调等设备，可实现对温湿度检测控制的功能。同时，可以扩展时钟控制芯片，修改完善程序，使其具有时间显示、报警等多项功能。因此，本系统具有很好的扩展性。由于时间仓促和本人水平有限，在设计过程中，难免在设计上存在一定的缺陷，请各位老师多多指正。参考文献[1]何利民.单片机应用技术选编[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002：21-25.[2]李军.51系列单片机高级实例开发指南[M].北京：北京航空航天大学出版社,2001:98