毕业设计基于SHT11的湿度监测仪

目录TOC\h\z\t"一级标题,1,二级标题,2,三级标题,3,1,1,11,1,111,1,1111,1"1前言 页1前言1.1湿度检测及应用湿度被定义为气体中水蒸气的含量，是一个重要的环境参数。大气中的水蒸气影响着自然界的物理、化学和生物过程。湿度影响气体的热、电、光和传递方面的特性。环境湿度还影响固体和液体材料中的水分含量，引起材料的尺寸变化，金属材料的腐蚀。湿度的测量范围可以跨越109的数量级，从极高纯气体仅含几个ppb的水蒸气浓度，到大气压下的纯饱和水蒸气。一定温度下，水的饱和蒸汽压是一定的。若空气中水蒸汽的分压小于当时的饱和蒸汽压，则由于水中进入大气的水分子将多于由大气进入水中的水分子，这就叫蒸发。若大气中水蒸汽的分压大于当时的饱和蒸汽压，则由大气进入水中的水分子将多于由水中进入大气的水分子，这时会出现露的凝结[1]有关湿度的一些定义：1.相对湿度在计量法中规定，湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的适度为相对湿度，用RH%表示。总之，即气体中（通常为空气中）所含水蒸气量（水蒸气压）与其空气相同情况下饱和水蒸气量（饱和水蒸汽压）的百分比。2.绝对湿度指单位容积的空气里实际所含的水汽量，一般以克为单位。温度对绝对湿度有着直接影响，一般，温度越高，水蒸气发得越多，绝对湿度就越大；相反，绝对湿度就小。3.饱和湿度在一定温度下，单位容积，空气中所能容纳的水汽量的最大限度。如果超过这个限度，多余的水蒸气就会凝结，变成水滴，此时的空气湿度变称为饱和湿度。空气的饱和湿度不是固定不变的，它随着温度的变化而变化。温度越高，单位容积空气中能容纳的水蒸气就越多，饱和湿度就越大。4.露点指含有一定量水蒸气（绝对湿度）的空气，当温度下降到一定程度时所含的水蒸气就会达到饱和状态（饱和湿度）并开始液化成水，这种现象叫做凝露。水蒸气开始液化成水时的温度叫做“露点温度”简称“露点”[2]。如果温度继续下降到露点以下，空气中超饱和的水蒸气就会在物体表面上凝结成水滴。此外，风与空气中的温湿度有密切关系，也是影响空气温湿度变化的重要因素之一。如果将空气等压冷却，一直到其中的水蒸汽达到饱和，这时的温度t1叫做露点。露点只依赖于空气中水蒸汽的分压，水在各种温度下的饱和蒸汽压可查有关资料得知。因此只要测定了露点，就可以知道当时空气中的水蒸汽分压。露点的饱和蒸汽压就是当时大气中的水蒸汽的分压，用e表示。如果大气的温度为t2℃，则相应于t2℃也有一个饱和水蒸汽的分压E，E表示了当时气温下空气中所能容纳的最大水蒸汽含量。通常把e和E的比值叫做相对湿度[3]，R=由此可见，测定了露点t1和当时的气温t2即可得到相对湿度湿度测量和控制广泛应用于航空航天、微电子、石油化工、电力、气象、仓储等领域。鉴于湿度测量的重要性，各国都在不断更新改造其湿度标准。湿度测量已成为国际标准化组织和国际有关技术委员会关注的焦点。湿度是一个重要的物理量，在过程控制、质量控制、能源利用、健康及安全等诸多领域都扮演着重要的角色，特别是许多高科技领域，如半导体制造、制药、电力和通讯等，对湿度测量的要求越来越高。在ISO9000质量体系认证中有湿度测量方面的要求，一个良好、确定的环境质量可减少由此引发的技术争端，保证产品质量，也促进了湿度传感器技术市场和校准检测实验室的发展。1.2湿度检测技术现状及发展1.冷镜式精密露点仪冷镜式精密露点仪是指热电冷却镜面，自动检测露层的平衡式精密露点仪。这种露点仪是根据露点温度的定义设计制成的。由于制作原理可靠，技术成熟，该仪器被作为湿度传递标准，广泛应用于国家湿度标准实验室。这种新型冷镜式精密露点仪还有清除镜面过冷水的功能，也可以用配备的内窥镜观察镜面结露、结霜情况[4]。此外，它所配备的加热进气管路附件，可用于露点高于室温时的露点测量。2大气压离子质谱仪大气压离子质谱仪是通过测量分子离子的质荷比丰度来检测水蒸气浓度的[5]。大气压离子质谱法灵敏度高，对于ppb量级的湿度测量，该方法可能是最好的分析方法，既可以测量水蒸气也能够测量其他组分。其缺点是成本高，操作复杂。3.光腔衰荡光谱仪在光腔衰荡光谱中，光强在空腔内的指数衰减和物种吸收的衰荡时间有关，而衰荡时间与物种吸收截面、分子密度、空腔尺寸、吸收波长，以及镜面反射性有关。因此，通过测量衰荡时间即可测量分子密度。光腔衰荡光谱测量ppb量级的水蒸气浓度是一个新方法。美国NIST希望将这种方法发展成检测极低含量水蒸气浓度的标准方法[6]。应该注意，光腔衰荡光谱CRDS和可调谐激光二极管吸收光谱TDLAS的测量原理是不同的。4.高分子电容式露点仪高分子湿度电容最早用于相对湿度的测量。把它用于露点测量不是不可以，只是按以上相对湿度测量准确度计算，若要测量3%RH以下的相对湿度，露点误差就会很大。Vaisala公司应用加热回归技术[7]，将高分子湿敏电容用于露点测量，其中露点的测量下限达到-60℃~-80℃，露点测量的示值误差达到±2℃。一般来说，该仪器测量露点为-40℃以下且误差较大，因此需要经常自校，但幸好其自校软件都集成在仪器中。1.3论文主要研究内容研究湿度监测技术，设计湿度监测仪。(1)总结湿度监测技术。(2)设计监测仪的一般结构和功能及技术指标。(3)设计监测仪，主要包括：1.监测仪硬件电路。2.监测仪软件。3.抗干扰设计。

2湿度监测技术2.1湿度测量原理2.1.1电容式湿度传感器概述电容型湿度传感器一般有两类。(1)直接感湿，即直接将大气作为电介质材料。这一类通常具有响应速度快、灵敏度高,但易受大气中尘埃的影响等特点。(2)间接感湿，即利用其他电介质材料吸附大气中的水汽，从而导致电介质材料介电常数随空气湿度变化。间接感湿的响应速度通常比直接感湿的响应速度慢，但是有些电介质材料的感湿特性线性度较好，而且不易受大气中尘埃的影响。2.1.2电容式湿度传感器介质和结构1.感湿介质常用的湿度传感器感湿介质主要有多孔硅，聚酞亚胺和空气。由于多孔硅与COMS工艺不兼容，且多孔硅制备的工艺条件及后处理、孔隙及孔径大小的控制很困难，一致性也不够好，其感湿机理比较复杂。因此COMS湿度传感器的主要感湿介质将以聚酞亚胺和空气为主。聚酞亚胺类传感器与COMS工艺兼容，比多孔硅类的成本低，且无需高温加工和加热清洁，它对湿度的感应具有本体效应，不像多孔陶瓷易受污染。缺点是聚合物薄膜在高温高湿情况下不能够正常工作，且响应时间长、稳定性差、长时间使用导致性能下降[8]。利用空气作介质，这类传感器感湿机理比较简单，直接根据空气中水汽的变化，来改变敏感电容的介电常数，从而改变敏感电容值。它的响应速度快，工艺简单，长期使用重复性好，缺点是表面水汽吸附影响较大，对后序处理电路的要求高。2.电容式湿度传感器的结构电容型湿度传感器的结构通常可以分为两种：(1)平铺型交叉指型，交叉指状的铝条构成了电容器的两个电极，铝条及铝条间的空隙都暴露在空气中。由于空气的介电常数随空气的相对湿度的变化而变化，电容器的电容值将随之变化。这种结构的特点是响应速度较快，但湿滞较大。(2)三明治型交叉指型，这种结构在CMOS工艺中厚度容易做得比较薄，即其上、下电极的距离较短，从而提高了电容型湿度传感器的灵敏度，但响应时间较长。2.1.3电容式湿度传感器感湿机理电容式湿度传感器利用某些物质吸附水汽后，其电介系数发生变化，从而引起电容量改变的原理工作。该类传感器的基本结构是在基片上镀上一层梳状镀金电极，再涂上高分子感湿膜，然后在膜上镀上另一层透水性好的金膜作为上部电极。有的湿度传感器再盖上一层多孔网罩以增加抗污染能力，延长使用寿命。电容式湿度传感器用的电介质通常有两类[9]：高分子有机介质和陶瓷。早期感湿膜多采用醋酸纤维素及其衍生物，目前大多采用的是醋酸丁酸纤维素、聚酰亚胺，电容型湿敏材料常见的还有聚苯乙烯、酪酸醋酸纤维等感湿材料。电容式湿度传感器电极间的高分子感湿材料吸附环境中的水分子时，其介电常数随之变化，其电容量CpuCpu=ε式中ε0εuS－电容式传感器有效电容面积；D－高分子感湿膜厚度。其中εu＝ε式中εra－常数；WuεH2高分子在一定温度条件下吸附水分子时，吸附量与平衡相对压间建立不同关系式，一般称为吸附等温式，由此绘制的曲线称为吸附等温线。在吸附量较小时，水分子的吸附量与平衡相对压呈线性关系，这是理想的电容式感湿材料特性。疏水性高分子材料具有这种特性，因此电容式感湿材料的基本骨架应是疏水性高分子，同时还要有极性基以便能与极性水分子相互作用。较大偶极矩的极性基与水分子有较强的作用形成氢键结合，称之为化学吸附。这种吸附很难脱附，这也是传感器产生湿滞的主要原因。在分子结构中含有极性较弱的官能团时，与水分子的作用力很小，为物理吸附。只有这种情况才能达到吸湿脱湿平衡速度快、湿滞小、灵敏度变化呈线性关系。影响湿滞的原因除极性基外，还有被吸附的水分子之间相互作用产生凝聚，减小湿滞的关键之一就是如何防止或减弱水分子的凝聚。通常使用的醋酸丁酸纤维素以及聚酰亚胺等类聚合物高分子，这些高分子亲水性较弱，水分子吸附量也少，吸附的水分子在膜中可近似单独存在，水分子间不易凝聚。为进一步防止吸附水分子凝聚，用较大的疏水基将极性基分隔开来，以减少亲水基密度。另外，可利用高分子中加入交联剂来改变感湿材料的立体结构，封闭多余的吸水基，形成微孔结构。通过交联可适当增加水分子的吸附点，提高灵敏度，又可利用交联形成的三维网状微孔结构，控制微孔尺寸以阻止吸附水分子之间的相互作用，减少其它气体的影响，改善传感器的长期稳定性[10]。影响温度特性的主要因素是感湿材料中的极性基结构以及周边结构。为改善湿度传感器的温度特性，极性基要位于主链中，高分子的介电常数随温度变化要小，玻璃化温度要高。介质损耗是表明高分子链节热运动消耗有用功的尺度，表明链节运动的难易程度，因此介质损耗也要小。高分子中引进大的疏水基及环状结构，可以改善温度系数。聚酰亚胺膜作介质的高分子电容式湿度传感器得到了广泛应用，这种传感器利用了聚酰亚胺膜可逆的吸收和放出水分子使其介电常数随之变化的工作原理。传感器采用聚酰亚胺为感湿材料，是将聚酰亚胺酸涂在基片上，经亚胺化后制成的。吸水后，其介电常数与环境的相对湿度具有线性关系。聚酰亚胺本身的介电常数很小，只有2.93，而水的介电常数在室温时为80。根据Looyenga的半经验关系式有ε=Vε21式中ε、ε1和ε2V—聚酰亚胺吸水的体积百分数。湿度越大，聚酰亚胺薄膜吸附的水分子越多，V越大，复合物介电常数ε就增大，正是根据这一原理制成聚酰亚胺薄膜电容式湿度敏感传感器。当然，在聚酰亚胺薄膜吸收或放出水分子时，也会引起薄膜厚度的变化，但因聚酰亚胺膜很薄，薄膜厚度的变化对电容值的影响比介电常数对电容值的影响要小得多，主要是介电常数ε的变化引起电容值的改变。聚酰亚胺高分子电容式湿度传感器除上所述高分子电容式湿度传感器的优点之外，还具有耐高温、线性好等优点，而且工艺与半导体工艺兼容，适合批量生产，制作成本低廉。电容式湿度传感器在测量电路中，就相当于一个小电容[11]。但实际的湿度传感器并不是一个纯电容，而是相当于一个电容和一个电阻的并联，它的等效形式见图2-1。图2-1电容式湿度传感器的等效形式湿度传感器的等效阻抗Zc与其等效电容C的容抗Xc和等效电阻R1Zc=j传感器的Q值与传感器的容抗Xc和等效电阻RQ=R电容式湿度传感器的电容值C和品质因数Q是电容式湿度传感器的两个主要参数，电容值影响传感器一致性、稳定性和可靠性，品质因数Q是与产品质量有密切关系的一个参数，产品的品质因数不能过低，否则产品的寿命将减少。在实际的应用中，电容式湿度传感器的质量主要通过这两个性能参数来评价。2.1.4电容式湿度传感器SHT11SHT11产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式储存在OTP内存中，在标定的过程中使用。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选。产品提供表面贴片LCC或4针单排引脚封装。特殊封装形式可根据用户需求而提供[12]。1.温湿度传感器STH11特性(1)相对湿度和温度测量；(2)兼有露点；(3)全标定输出，无需标定即可互换使用；(4)卓越的长期稳定性；(5)两线制数字接口，无需额外部件；(6)基十请求式测量，因此低能耗；(7)表面贴片或4针引脚安装；(8)超小尺寸；(9)自动休眠；2.SHT11内部结构图2-2SHT11内部结构1.SHT11工作原理SHT11的湿度检测运用电容式结构：采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。CMOSensTM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、标准I2SHT11的结构特点和工艺制造使其具有以下优点[13]：(1)防浸泡，即使被浸湿了，只要让其自然烘干后即可恢复正常性能，不会因为曾经被浸泡而失灵或出现超出允许范围的误差；(2)高可靠性，采用优化的集成电路，大大降低了元件失效的风险并减少受外界电子信号的干扰，且由于传感器输入的模拟信号及时转化为数字信号输出，从而比靠外围模拟电路处理后输出的模拟信号精确度高得多；(3)测量精度高，采用片内稳压电路使得测量精度不受电压不稳定影响，温度测量精度为±0.5℃，湿度在0%～100%RH测量范围内都能保持±5%的测量误差；(4)可任意互换同系列芯片且不需进行互换后的重新校正，方便测量系统运行维护；(5)体积仅为7.5mm×5mm×2.5mm，功耗低(2.4～5.5V宽电压供电，电流消耗：测量时为550μA，平均为28μA，休眠时为3μA)，利用电池供电可让其长时间稳定运行；(6)反应迅速，小于4s。SHT11的众多优点使其成为各类高标准温湿度测量系统设计应用的首选。SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。SHT11传感器的校准系数预先存在芯片内存OTP中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线总线器件，从而将数字信号转换为I22.SHT11通讯方式(1)启动传感器首先，选择供电电压后将传感器通电，上电速率不能低于1V/ms。通电后传感器需要11ms进入休眠状态，在此之前不允许对传感器发送任何命令。(2)发送命令如图2-3所示，用一组“启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。它包括：当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。图2-3“启动传输”时序图后续命令包含三个地址位（目前只支持“000”），和五个命令位。DHT9x会以下述方式表示已正确地接收到指令：在第8个SCK时钟的下降沿之后，将DATA下拉为低电平（ACK位）。在第9个SCK时钟的下降沿之后，释放DATA（恢复高电平）。表2-1给出了SHT11使用时所用到的代码类型。表2-1SHT11的命令集命令代码预留0000x温度测量00011湿度测量00101读状态寄存器00111写状态寄存器00110预留0101x-1110x软复位，复位接口、清空状态寄存器，即清空为默认值，下一次命令前等待至少11ms11110(3)测量时序（RH，T)发布一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度RH，‘00000011’表示温度T）后，控制器要等待测量结束。这个过程需要大约20/80/320ms，分别对应8/12/14bit测量。确切的时间随内部晶振速度，最多可能有-30%的变化。DHT9x通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。控制器在再次触发SCK时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验。单片机需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。所有的数据从MSB开始，右值有效（例如：对于12bit数据，从第5个SCK时钟起算作MSB；而对于8bit数据，首字节则无意义）。用CRC数据的确认位，表明通讯结束。如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量值LSB后，通过保持确认位ACK高电平，来中止通讯。在测量和通讯结束后，DHT9x自动转入休眠模式。(4)通讯复位时序如果与DHT9x通讯中断，下列信号时序可复位串口：当DATA保持高电平时，触发SCK时钟9次或更多，如图2-4所示。在下一次指令前，发送一个“传输启动”时序。这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留。图2-4通讯复位时序2.2常用湿度测量仪器1.冷镜式露点仪测量原理：被测湿气进入露点测量室时掠过冷镜面，当镜面温度高于湿气的露点温度时，镜面呈干燥状态，此时光电检露装置中光源发出的光照在镜面上，几乎完全反射，由光电传感器感应到并输出光电信号，经控制回路比较、放大、驱动热电泵对镜面致冷。当镜面温度降至湿气露点温度时，镜面上开始结露（霜），光照在镜面上出现漫反射，光电传感器感应到的反射信号随之减弱，此变化经控制回路比较、放大后调节热电泵激励，使其制冷功率适当减小，最后，镜面温度保持在样气露点温度上。优缺点优点：属基本测量，测量准确，并且仪器比较稳定无漂移，目前准确度最高的仪器可达±0.1℃。缺点：价格较高，对操作人员的要求较高并需进行维护。对污染物敏感。在-20℃~0℃范围内有时会有过冷水存在，因此要特别小心区分过冷水和霜。2.完全吸收电解法微量水份仪测量原理用：连续取样的方法，使气样流经一个特殊结构的电解池，其水分被作为吸湿剂的五氧化二磷层吸收，并被电解为氢气和氧气排出，而五氧化二磷得以再生。因此可通过测量水的电解电流来测量气样中的含水量。优缺点优点：属绝对测量法，稳定，不漂移。缺点：电解池寿命有限，需要再生。高湿或低湿（<1ppmv）均会缩短其寿命。低湿时响应慢。对气体流量要求较高。不能用于某些腐蚀性气体以及能与P2O5发生反应的气体。3.薄膜电容式湿度计测量原理：是使用沉积在两个导电电极上的聚胺盐或醋酸纤维聚合物薄膜。当薄膜吸水或失水后，会改变两个电极间的介电常数。聚合物传感器的一个优点就是它们对温度的依赖性较小，即温度系数较小[14]。因此当使用温度与校准温度不同时，其误差较小。如果在极限温度下使用或对准确度要求较高，则需进行电子温度补偿。优缺点优点：响应快，温度及湿度测量范围宽，线性好，几乎没有滞后，稳定性及重复性较好，温度系数低，成本低。缺点：间接测量仪器，需定期校准，对某些污染物敏感，不能在腐蚀性的环境下工作；尽管很低，仍具有温度依赖性。4.电阻式湿度计测量原理：以季铵盐的聚合物溶液作基体，将这种功能基与树脂聚合物进行反应，可以产生具有立体三维的热固性树脂，具有较好的稳定性。相对湿度的变化可以导致阴极与阳极之间的电阻发生变化。优缺点优点：基本上没有滞后和老化，温度系数较低，便宜，能耗小。温度范围-10℃~80℃，重复性优于0.5%RH，准确度较高，一般为±2%RH，在很窄的范围内可达±1%RH。缺点：是间接测量仪器，需定期校准，不适用于某些污染物。不适用于低湿，相对湿度低于15%RH时丧失灵敏度，但当相对湿度接近100%RH时仍具有较好的性能，但冷凝有时会损坏传感器。有些污染物对电阻式传感器影响较大，有些则对电容式传感器影响较大，因此选择传感器时主要是根据污染物的性质。5.机械式湿度计测量原理：毛发、肠膜、尼龙和聚酰亚胺等有机高分子材料的长度都会随着相对湿度的变化而发生变化。适用于实验室机房、仓库、厂房等室内环境温湿度的测量。优缺点优点：便宜，对大多数污染物不敏感，不需要电源，可以做永久记录。缺点：漂移，如果在某一湿度下使用较长的时间会丧失其灵敏度，不能用于0℃以下，响应慢，运输或振动摇摆会破坏其性能。6.干湿球湿度计测量原理：干湿球湿度计由两支规格完全相同的温度计组成，一支称为干球温度计，另一支为湿球温度计。当湿球周围的空气处于不饱和状态时，湿球纱布套上的水分就会不断蒸发，从而使湿球的温度下降。湿球水分蒸发的速度与其周围气体的水分含量有关，当气体湿度越低时，水分蒸发越快湿球温度亦越低，反之亦然。获得准确的干、湿球温度后，借助于湿球方程换算出湿度值[15]。优缺点优点：当相对湿度接近100%RH时，可以得到较高的准确度。维修费用非常低。可以用于室温高于100℃的场合，是基本测量，稳定性好，简单便宜，成本低。缺点：需要某些技巧以得到准确的测量结果，并需要进行计算才能得到最终结果。要求大量的气体样品，并且气体样品有可能被湿纱布加湿。由于要不断地给湿球温度计补充水，因此体积不可能太小。2.3微处理技术2.3.1微处理器简介微处理器是可编程化的特殊集成电路。自从人类1947年发明晶体管以来，50多年间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路等几代，发展速度之快是其他产业所没有的。半导体技术对整个社会产生了广泛的影响，因此被称为“产业的种子”。中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件，伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高，CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件，被统称为“微处理器”。微处理器一般由下列部件组成：算术逻辑单元（ALU，ArithmeticLogicalUnit）；累加器和通用寄存器组；程序计数器（也叫指令指标器）；时序和控制逻辑部件；数据与地址锁存器/缓冲器；内部总线。算术逻辑单元ALU主要完成算术运算和各种逻辑运算等操作。ALU是组合电路，本身无寄存操作数的功能，因而必须有保存操作数的两个寄存器：暂存器TMP和累加器AC()，累加器既向ALU提供操作数，又接收ALU的运算结果。寄存器阵列实际上相当于微处理器内部的RAM，它包括通用寄存器组和专用寄存器组两部分，通用寄存器（A，B，C，D）用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。它们一般均可作为两个8位的寄存器来使用。处理器内部有了这些寄存器之后，就可避免频繁地访问存储器，可缩短指令长度和指令执行时间，提高机器的运行速度，也给编程带来方便。专用寄存器包括程序计数器PC()、堆栈指示器SP()和标志寄存器FR()，它们的作用是固定的，用来存放地址或地址基值[16]。2.3.2单片机1.单片机结构单片机是一种集成在电路芯片，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计算机系统。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能。单片机也被称为微控制器，是因为它最早被用在工业控制领域[17]。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成并进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。如图2-5所示为单片机内部结果图。图2-5单片机内部结构图2.单片机的工作方式单片机的工作方式是进行系统射击的基础，也是单片机应用工作者必须熟悉的问题。通常的工作方式包括：复位方式、程序执行方式、节电方式以及EPROM的编程和校验方式等四种。(1)复位方式单片机在开机时都需要复位，一边中央处理器以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51的RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，持续时间要有24个时钟周期以上。这时，堆栈指针SP为07H，ALE、PSEN、P0、P1、P2和P3口各引脚均为高电平，片内RAM中内容不变。(2)程序执行方式程序执行方式是单片机的基本工作方式，通常可以分为单步和连续两种工作方式。a.单步执行方式单步执行方式是指单片机在控制面板上的某个按钮控制下逐条执行用户程序中指令的方式，即按一次单步执行键就执行一条用户的方式。单步执行方式常常用于用户程序的调试。b.连续执行方式连续执行方式是所有单片机都需要的一种工作方式，被执行程序可以放在片内或片外ROM中由于单片机复位后PC＝0000H，因此机器在加电或按钮复位后总是转到0000H处执行程序，这就可以预先在0000H处放一条转移指令，以便跳到0000H~FFFFH中的任何地方执行程序。(3)节电方式节电方式是一种能减少单片机功耗的工作方式，通常可以分为空闲方式和掉电方式两种，只有CHMOS型器件才有这种工作方式。CHMOS型单片机是一种低功耗器件，正常工作时消耗11~20mA电流，空闲状态时为1.7~5mA电流，掉电方式为5~50μA。因此CHMOS型单片机特别适用于低功耗的应用场合。(4)编程和校验方式这里的编程是指用特殊手段对单片机内EPROM进行写操作的过程，校验这时对刚刚写入程序代码进行读出验证的过程。因此，单片机的编程和校验方式只有在EPROM型器件才有。3.单片机时序单片机时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。因此，微型计算机中的CPU是指上就是一个复杂的同步时序电路，这个时序电路是在时钟脉冲推动下工作的。在执行指令时，CPU首先要到程序存储器中取出需要执行指令的指令码，然后对指令码译码，并由时序部件产生一系列控制信号去完成指令的执行。这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU时序。(1)时钟周期时钟周期T又称为震荡周期，由单片机片内震荡电路PSC产生，常定义为时钟脉冲频率的倒数，是时序中最小的时间单位。时钟周期尺度不是绝对的，而是一个随时钟脉冲频率变化而变化的参量。但时钟脉冲毕竟是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏，使计算机的每一步工作都统一到它的步调上来。因此，采用时钟周期作为时序中最小的时间单位是必然的。(2)机器周期机器周期定义为实现特定功能所需的时间，通常由若干时钟周期T构成。因此，微型计算机的机器周期常常按其功能来命名，且不同机器周期所包含的时钟周期的个数不相同。(3)指令周期指令周期是时序中的最大时间单位，定义为执行一条指令所需的时间。由于机器执行不同指令所需的时间不同，因此不同指令所包含的机器周期数也不相同。通常，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令，等等。2.4分布式检测系统2.4.1串行通信总线标准接口与应用背景串行通信是CPU与外界进行信息交换的一种方式，是指数据按顺序进行位传输的一种方式。串行通信有两种基本工作方式，即异步传送与同步传送。同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传送一帧信息。这里的信息帧与异步通信中的字符帧不同，通常含有若干个数据字符。它们均由同步字符、数据字符和校验字符（CRC）组成。其中同步字符位于帧开头，用于确认数据字符的开始。数据字符在同步字符之后，个数没有限制，由所需传输的数据块长度来决定；校验字符有1到2个，用于接收端对接收到的字符序列进行正确性的校验。同步通信的缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步。异步通信中，在异步通行中有两个比较重要的指标：字符帧格式和波特率。数据通常以字符或者字节为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端逐帧发送，通过传输线被接收设备逐帧接收。发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步。接收端检测到传输线上发送过来的低电平逻辑“0”（即字符帧起始位）时，确定发送端已开始发送数据，每当接收端收到字符帧中的停止位时，就知道一帧字符已经发送完毕。常用的串口标准有RS-232C，RS-422，RS-485标准接口[18]。EIARS-232C是由美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）在1969年颁布的一种串行物理接口标准。RS（RecommendedStandard）是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232C标准规定的数据传输速率为每秒150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。RS-232-C串口标准目前己经在微机通信接口中广泛采用，它不仅已被内置于每一台计算机，同时也已经被内置于从微控制器到主机的多种类型的计算机以及相连接的设备。由于RS-232存在传输距离有限等不足，于是RS-422诞生了。RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbps，传输距离延长到4000英尺（约1219米），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。当然，EIA－422也有缺陷：因为其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，所以在100kbps速率以内，传输距离才可能达到最大值，也就是说，只有在很短的距离下才能获得最高传输速率。一般在100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mbps。另外有一点必须指出，在RS-422通信中，只有一个主设备，其余为从设备，从设备之间不能进行通信，所以RS-422支持的是点对多点的双向通信。为扩展应用范围，在RS-422基础上制定了RS-485标准[19]，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/RS-485-A标准。由于RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿，如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻、最大传输距离约为1219米、最大传输速率为10Mbps等。但是，RS-485可以采用二线与四线方式，采用二线制时可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多点通信，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可接多达32个设备。2.4.2RS－485构成的分布式通信系统分布式通信又称为“集散控制系统”。在这种通信系统中，作为前置（或下位）机的单片机通常有N台，用于独立地急性数据采集和控制，并把采集到的数据传送给作为后置（或上位）机的PC。PC一方面可以对接受数据进行分类、统计和处理在CRT上显示并由打印机打印成各类报表，另一方面又可以把用户输入的控制命令切换成可操作的命令信息，分送给各台前置单片机。目前，分布式通信系统已在国民经济的许多领域得到广泛应用，用于达到对生产过程和被控实体进行分散控制，以及集中调度和统一管理的目的。若是采用RS-485通信，则单片机和计算机都需要加一个电平转换电路[20]，其通信方框图如图所示。上位机对智能节点的控制方式如图2-6所示。图2-6RS-485通信方框图图2-7RS-485通信方式下上位机对检测仪的控制

3基于SHT11的湿度监测仪硬件设计本系统原理结构框图如图所示，主要包括数据采集与单片机处理、输出等，由数据采集和单片机组成的控制系统。其中数据采集由相应的传感器SHT11、8051单片机所组成。系统既可以独立完成各种信息的采集、预处理及存储任务，又可接受人对控制参数设置，依据具体环境进行数值设置，还能当参数过限可以报警。图3-1系统原理结构框图系统中需用传感器检测的信号为：湿度检测；温度检测。这些传感器SHT11将提供给CPU进行处理。并将CPU处理好的数据由I/O口输出至显示器显示，同时可根据需要连接主机通信。3.1MCU及周边电路3.1.1AT89S51单片机SAT89551单片机是一款低功耗、高性能、强抗静电，强抗干扰的8位单片机。STC89C51兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构[21]。(1)基本功能：AT89S51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。(2)引脚说明：P0：P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1：Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。表3-1P1引脚的特殊功能端口引脚第二功能1.5M（用于P编程）1.6M（用于P编程）1.7K（用于P编程）P2：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／0口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：表3-2P3引脚的特殊功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时／计数器0外部输入）P3.5T1（定时／计数器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALEPROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。EAVPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.1.2X5045模块X5045把四种常用的能：上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和一块锁保护串行EEPROM存储器组成在一个封装之内。上电复位(POR)当系统上电时，X5045的上电复位电路使得RESER引脚保持250ms激活状态。这样防止了微控制器在电源稳定之前的误操作，提高了系统启动的可靠性。低电压复位(LVR)工作过程中，低电压复位电路可以检测到供电电压。如果电压低于某一特定值，X5045激活RESET引脚，停止了微控制器的工作，防止意想不到的操作。如果微控制器工作电压太低，微处理器或外设就会失效，导致系统“锁死”或数据丢失。看门狗定时器上电复位(POR)和低电压复位(LVR)电路反之系统出现问题，看门狗定时器帮助系统从问题中恢复出来。计数时间到，看门狗复位系统。作为软件循环的一部分，定时器计时完成前，微处理器复位看门狗定时器。如果有软件问题，如死循环或等待外部器件，看门狗定时到，就会复位微控制器。硬件电路：X5045与具有手动复位的8051微控制器的连接如图所示。图3-2X5045与单片机接口电路CS变为低电平后，在SCK的上升沿采样从SI引脚输人的数据，在SCK的下降沿翰出数据到SO引脚。整个工作期间，CS必须是低电平，WP必须是高电平。在预里的定时周期内，CS没有从1到0的跳变时，RST输出复位信号。表3-3指令说明:指令名称指令格式操作WREN00000110设置写使能锁存答(允许写操作)WRDI00000100复位写使能锁存器(禁止写操作)RSDR00000101读状态寄存器WRSR00000001写状态寄存器READ0000A8011从所选地址的存储器阵列读取致据WRITE0000A8010把数据写入所选地址的存储器阵列中发送指令或读写字节数据时，都是高位在先；EPROM存储器地址范围为000H~1FFH，A8为0表示操作的地址范围为000H~0FFH。A8为1表示操作的地址范围为100H~1FFH。X5045还包括1个8位的写使能锁存器和1个8位状态寄存器。写使能锁存器在进行写操作前必须被设置。状态寄存器的各位功能如下(默认值为30H)。表3-4状态寄存器的各位功能7654321000WD1WD0BL1BL0WELWIPWIP：写操作状态位，只读。WIP=1时，表示芯片正忙于写操作：WIP=0时，表示没有进行写操作。WEL：写使能锁存器状态位。只读。WEL=1时，表示锁存器被设置；WEL=0时，表示锁存器已复位。BL1、BL1数据块保护位(意义如表3-5所列)，可读写。WD1、WD0；看门狗定时器超时选择设定位(意义如表3-6所列)，可读写。表3-5块地址保护范围BL1BL0受保护的块地址00无01180H~1FFH10100H~1FFH11000H~1FFH表3-6看门狗超时周期WD1WD0看门狗超时周期001.4s01600ms10200ms11禁止设置“看门狗”定时器的目的是使“看门狗”监控系统程序，在程序跑飞或系统“死机”后能够迅速使程序回到原位，而不会影响程序的正常功能。要使“看门狗”起到监控作用而不产生非正常失效，则要综合考虑系统要求和程序的特点进行“看门狗”复位方案设计。以下事项是在设计复位监控程序时必须注意的[22]。1.不要在局部循环中使用喂狗指令。2.一般不在中断服务子程序中使用喂狗指令。即使使用，也要进行条件判断。因为有时程序跑飞时，中断程序仍然可以正常执行。3.防止执行不必要的喂狗指令。“看门狗”的CS引脚是与单片机的I/0引脚相连的，在进行I/0操作或读写操作时，有可能执行了喂狗指令。如果这个指令在某个死循环中，则“看门狗”电路会失效。4.“看门狗”的超时周期T应该根据循环程序的耗时来选择。T太短，会造成误动作；太长，则影响系统死机等待时间。以下是清看门狗复位标志的几种应用方案：1.程序运行中喂狗方案。把程序运行时间分段，在程序中喂狗。因该方案不能正确估计程序运行时间，可能会喂狗过频，也可能因分段不合理导致看门狗错误复位，而且程序中使用喂狗指令将会影响程序的整洁性。2.定时器中断有条件喂狗。在主程序设定喂狗标志，在定时中断服务程序中根据喂狗标志喂狗，喂完狗后清标志。例如，设定看门狗超时时间为600ms.设定定时器定时时间为10ms，这样在看门狗的超时时间内，定时中断将进行60次喂狗标志判断。利用这种方式，只要程序中喂狗标志设置合理.就不会出现“看门狗”失效或误动作。3.方案1和2结合使用。即使有定时器作定时喂狗保证，但考虑到各种可能意外的出现，可将方案1和2结合使用。例如，在主程序中大循环起始处喂狗，程序其它地方则设喂狗标志，会起到更好的效果。3.2SHT11接口图3-3SHT11与单片机接口电路(1)电源引脚（VDD，GND)DHT95的供电电压为2.4-5.5V，建议供电电压为3.3V。DHT95的串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；传感器不能按照I2C协议编址，但是，如果I2C总线上没有挂接别的元件，传感器可以连接到I2C总线上，但单片机必须按照传感器的协议工作。(2)串行时钟输入（SCK)SCK用于微处理器与DHT95之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。(3)串行数据（DATA)DATA三态门用于数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。需要一个外部的上拉电阻（例如:10kΩ）将信号提拉至高电平。上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中[23]。3.3人机接口3.3.1显示器及接口数码管在仪器仪表中主要是显示单片机的输出数据、状态等，因而，作为外围典型器件，数码管显示是反映系统输出和操纵输入的有效器件。数码管具备数字接口，可以很方便的和单片机系统连接;数码管的体积小、输出内容的器件重量轻，并且功耗低，是一种理想的显示单片机数据在单片机系统中有着重要的作用。1.七段数码管七段数码管属于LED发光器件的一种。LED发光器件一般常用的有两类：数码管和点阵。八段数码管又称为8字型数码管，分为八段：A、B、C、D、E、F、G、P10根管脚，每一段有一根管脚。其中P为小数点。数码管常用的有另外两根管脚为一个数码管的公共端，两根之间相互连通。从电路上，数码管又可分为共阴和共阳两种。2.数码管数据显示用单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态显示。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所有要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下一次显示时再传送一次新的显示数据。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。静态显示中，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的1/0接口，该接口用于笔划段字型代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字形。要显示新的数据时，单片机在发送新的字形码。另一种方法是动态扫描显示。动态扫描方法是用其接口电路把所有显示器的8个笔画段A－H同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM各自独立的受1/0线控制。CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于COM段，而这一段是由1/0控制的，由单片机决定何时显示哪一位了。动态扫描用分时的方法轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。静态显示虽然数据显示稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的电路硬件较多;动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。本显示系统采用共阳极动态扫描显示输出。3.显示电路的设计如图所示，由于需要使用到四个数码管作为现行器使用，所以采用一块四位数码管当作主要的显示器。数码管的选通芯片使用74LS138译码器，译码器的前四个输出接口分别接至四位数码管的选通接口P1、P2、P3、P4上，译码器的输入端连至单片机的P2口。数码管的字形码输入由MC74HC573八位锁存器来完成，八位锁存器的输入端接至单片机的P0口，在显示数据时由单片机发送字形码至P0口，再经过锁存器到数码管，同时配合译码器的选通功能来完成某个数码管的数据显示。图3-4数码管接口电路3.3.2键盘接口键盘是若干按键的集合，是单片机的常用输入设备，操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现人机通信。键盘可以分为独立联接式和行列式两类，每一类又可根据对按键的译码方法分为编码键盘和非编码键盘两中类型。编码键盘主要通过硬件电路产生被按按键的键码和一个选通脉冲，选通脉冲常用作CPU的中断请求信号，以便通知CPU以中断方式接收被按按键的键码。这种按键使用方便，但硬件电路复杂，常不被微型计算机使用。在非编码键盘中，每个按键的作用只是使相应的接点接通或断开，每个按键的键码并非由硬件电路产生，而是由相应的扫描处理程序对它扫描形成的。因此，非编码按键硬件电路极为简单，在微型计算机中得到广泛应用。在独立联接式非编码键盘中，每个按键都是彼此独立的，均需占用CPU的一条I/O输入数据线。图为单片机对四个独立式非编码键盘的接口独立，图中每个按键均和8051的P0口中一条相连。若没有按键按下时，8051从P2口读得的引脚电平均为“1”；若某一按键被按下，则该按键所对应的端口线变为低电平。单片机定时对P2口进行行程序查询，即可发现键盘上是否有按键按下以及哪个按键被按下。图3-5键盘接口电路3.3.3报警器蜂鸣器的作用蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器的分类蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型[24]。(1)压电式蜂鸣器压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。(2)电磁式蜂鸣器电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。蜂鸣器的电路图形符号蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以至于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。如图3-6所示：图3-6蜂鸣器的电路接口结构3.4通讯接口RS-485使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，如图3-7所示。图3-7RS-485连线定义通常情况下，发送驱动器A，B之间的正电平在+2~+6V，是一个逻辑状态，负电平在-2~-6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地C，在RS-485中还有一“使能”端，用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作“第三态”，即它是有别于逻辑“1”与“0”的第三态。RS-485最大传输距离约为1200米，最大传输速率为l0Mbps。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长双绞线最大传输速率仅为1MbpsRS-485具有很强的抗共模干扰能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。RS-485具有如下优点：(1)RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2-6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2～6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接；(2)RS-485的数据最高传输速率为10Mbps；(3)RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好；(4)RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口；(5)采用RS-485接口时，对于特定的传输线经，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。最大电缆长度与信号速率的关系曲线是使用24AWG铜芯双绞电话电缆(线径为0151mm)，线间旁路电容为52。5PF/M，终端负载电阻为100欧时所得出。(引自GB11014-89附录A)。当数据信号速率降低到90Kbit/S以下时，假定最大允许的信号损失为6dBV时，则电缆长度被限制在1200M。实际上，在实用时是完全可以取得比它大的电缆长度。当使用不同线径的电缆，则取得的最大电缆长度是不相同的。图3-8单片机的通讯接口电路3.5电源开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入等于幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比是由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来身高或降低。通过增加变压器的二次绕组就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就可以得到直流输出电压。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。3.6硬件抗干扰设计在单片机控制系统中，过程通道是指信息的传输通道，包括单片机的前向和后向通道以及单片机和单片机的信息传输路径。信息在过程通道中所受到的干扰称为“过程通道干扰”。在过程通道干扰中长线传输所引起的干扰是主要的[25]。在单片机应用系统中信息是作为脉冲信号在线路上传输的，由于传输线上分布电容、分布电感和漏电阻的影响，信息在传输过程中必然会出现延时、畸变和衰减，甚至会受到来自通道的任何干扰。为了确保信息在长线传输过程中的可靠性，长线传输的抗干扰设计至关重要。在长线信号传输中，采用光电隔离器是一种常用的抗干扰设计方法。光电隔离器有两个作用：意思作为干扰信号隔离器，用于隔离被控对象通过前向和后向通道对单片机造成的危害；二是作为驱动隔离器，用于驱动长线传输中的信号并抑制各种过程通道干扰。作为隔离驱动用的光电耦合器目前有两种型式。如图3-9所示。达林顿输出的光电耦合器可直接用于驱动低频负载，可控硅输出的光电耦合器输出采用光控晶闸管，常用于交流大功率的隔离驱动。图3-9隔离驱动用光电耦合器光电耦合器具有输入阻抗小以及输入回路和输出回路见分布电容小的特点，输入回路中的发光二极管靠足够的电路发光，尖峰干扰还不足以使发光二极管发光，这就能有效地抑制各种噪声干扰。在传输线较长且现场干扰也较强是，为了保证信息传输的可靠性，也可以采用光电耦合器将长线完全“浮置”起来，如图3-10所示。这种长线“浮置”不仅省掉了长线两端的公共地线，消除了流经公共地线的电流产生的噪声电压，而且解决了长线的驱动和阻抗匹配问题，并能防止受控设备短路时系统受到损坏。图3-10长线传输的光耦“浮置”结构

4监测仪软件设计配合硬件电路，软件设计包括完成信号的数据采集、4位LED的湿度与温度数字显示、按键设定以及配合上位机将所测得数据发送等功能。据此，程序设计采用模块式结构，包括主程序、中断处理子程序、按键查询子程序、显示子程序等。每个模块都具有一定的功能，其中有的模块还包含一些子模块，既相互独立又相互联系，低级模块可以被高级模块调用。4.1主程序监测装置工作过程智能化的核心是单片机8051，其监控程序和应用软件全部固化在EPROM27O4中。系统的工作过程是：系统上电后，单片机8051进入监控状态，同时完成对各扩展端口的初始化工作。主程序的系统初始化包括设置堆栈指针，定时器T0、计数器T1初始化，特殊寄存器初值设定，显示初值设定等。当有键按下时，通过按键查询子程序完成键盘处理功能如图4-1中系统功能的主程序包括初始化程序、测量程序、测量程序、通信程序等。中断服务程序包括通信、显示等等。系统软件主要完成下述功能:(1)湿度、温度传感器测量数量数据的采集；(2)BCD码与二进制码的相互转换；(3)湿度传感器输出的非线性补偿；(4)湿度传感器输出的温度补偿；(5)查表处理中的线性插值；(6)根据给定的湿度高低限，作湿度超限报警；(7)湿度、温度的LDE显示。装置系统软件有如下特点:(1)层次化的程序结构，模块化的子程序；(2)充分发挥微机特长，采用“表格查询”方式，对湿度传感器作非线性修正和温度补偿；(3)湿度修正、温度补偿表格的自动生成。图4-1主程序流程图4.2数据采集与处理子程序4.2.1数据测量与传送过程单片机先将中断关闭，同时启动传输时序即通过串行时钟输入引脚（SCK)和串行数据引脚（DATA)上的高低电平配合来完成数据测量的启动。测量湿度时发送的代码为00000101，测量温度时发送的代码为00000011。SHTWD设置为放置测量代码的存储位置，同时设置标志为LCBZ来定义此次测量为湿度测量还是温度测量。系统采用中断方式来设置测量标志位，每隔一秒变化一次标志位，当标志位为1时送00000101至SHTWD进行湿度测量，当标志位为0是则送00000011至SHTWD进行温度测量。启动测量时CPU关闭中断并将A中代码一位一位送至DATA引脚上，第9个时钟结束时，释放DATA总线同时打开中断。当CPU进入等待测量结果时，设置等待时间234ms。SHT11完成湿度/温度测量CPU便开始传送测量数据，首先关闭中断，一位一位地读取DATA引脚上的信号，通过左移指令将其完全保存在A中。数据传送完毕后CPU开中断，将A中的数据存放至以R0开始的三个字节内。系统的数据测量与传送过程流程图如图4-2所示。图4-2数据测量与传送过程流程图SHT11传感器测量程序清单SHTOWN:CLREASETBSHTSCK；启动传输时序CLRSDATA；DATA下降沿启动传输NOPCLRSHTSCKNOPSETBSHTSCKNOPSETBSDATA；DATA上升沿启动结束NOPCLRSHTSCK；SCK=0，准备传输命令MOVA，SHTWD；发送测试温度/湿度命令MOVR5，#8WRITE8:RLCAMOVSDATA，C；移出一位，先高位，后低位NOPSETBSHTSCK；时钟上升沿有效，写入一位数据NOPCLRSHTSCKDJNZR5，WRITE8SETBSDATA；MCU释放DATA总线；等待SHT应答NOPMOVC，SDATA；读SHT的应答位SETBSHTSCK；结束应答位MOVSHTACK，C；保存CLRSHTSCK；第9个时钟结束，SHT释放DATA；总线，@R0为保存测量结果地址指针MOVR6，#3；读3个字节SETBEA；开中断，等待测试结束，应答WAITSH:MOVA，CONVERJNBSDATA，ONSH11；等待测量结束，fosc=11.0592M；测量时间；=234msSJMPWAITSHONSH11:NOPNOPCLREACLRSHTSCK；开始启动数据READS3:MOVR5，#8CLRAREADSH:SETBSHTSCKNOPMOVC，SDATA；读一位CLRSHTSCKRLCADJNZR5，READSHCLRSDATA；DATA=0，应答ACKNOPSETBSHTSCKNOPCLRSHTSCKNOPSETBSDATA；应答结束，释放DATA线，应答位在SCK=0期间变化MOV@R0，A；将结果保存在R0中INCR0DJNZR6，READS3SETBSDATA；读结束SETBEARET4.2.2数据处理(1)相对湿度的计算为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，使用如下公式修正读数[26]：RHlinearSOCCC12bit-.204680.0367-1.5955E-68bit-2.04680.5872-4.0845E-4表4-1湿度转换系数图4-3从SORH转化到相对湿度(2)相对湿度对于温度依赖性的补偿由于实际温度与测试参考温度25℃的显著不同，应按下面公式修正温度对湿度的影响。RHtrueSOtt12bit0.010.000088bit0.010.00128表4-2温度补偿系数(3)温度计算由能隙材料PTAT(正比于绝对温度)研发的温度传感器具有极好的线性。可用如下公式将数字输出转换为温度值：T=d1+VDDddSOdd5v-40.1-40.214bit0.010.0184v-39.8-39.612bit0.040.0723.5-39.7-39.53v-39.6-39.32.5v-39.4-38.9表4-3温度转换系数由于单片机得到的数据是12位的二进制数据，首先需要转换成十进制BCD码，并存储在连续的四个字节中。由相对湿度的计算公式可知12位的数据可以一一对应到某一个相对湿度值。在(6)中带入得到的十进制SORH数值，即可算出相对湿度RH考虑到相对湿度对于温度依赖性，需要进行相对湿度对于温度补偿的计算。将得到的相对湿度RHlinear带入计算公式(7)对于采集到的温度值同样需要先转换为十进制再作进一步处理。将得到的十进制数值SOT代入温度计算公式(8)此时得到的湿度与温度数值可以用于与上位机的通信与检测仪的显示。4.3通信程序发送过程较易实现，接收处理方式主要有查询和中断两种方式。采用查询方式时，CPU要不断测试串口是否有数据，以防止接收串口数据出现错误、遗漏，因此效率低；而采用中断方式则无需测试串口，一旦有数据传至，CPU终止当前任务，由中断服务程序完成操作。所以，中断方式具有效率高、接收准确、编程简单等优点。CPU有了中断功能就可以通过分时操作启动多个外设同时工作，并能对它们进行同意管理。CPU执行让你们在主程序中安排的有关指令可以令各外设与它们并行工作，而且任何一个外设在工作完成后都可以通过中断得到满意服务。一次CPU在与外设交换信息时通过中断就可以避免不必要的等待和查询，从而大大提高它的工作效率。在试试控制系统中，被控系统的实时参量、越限数据和故障信息必须为计算机及时采集、进行处理和分析判断，以便对系统实施正确的调节和控制。因此，计算机对实时数据的处理时效常常是被控系统的生命，是影响产品质量和系统安全的关键。CPU有了中断功能，系统的失常和故障就都可以通过中断立刻通知CPU，使它可以迅速采集实时数据和故障信息，并对系统做出应急处理。中断系统可以通过对特殊功能寄存器进行同意管理，中断系统初始化是指用户对这些特殊功能寄存器中的各控制位进行赋值。中断系统初始化步骤如下：(1)开相应中断源的中断。(2)设定所用中中断源的中断优先级。(3)若为外部中断，则应规定低电平还是负边沿的中断触发方式。为实现通讯正常，上位机与单片机约定如下：波特率：9600bps，信息格式：1个起始位，8位数据位，1个停止位，无奇偶校验位；串行口操作模式：标准异步串行通信，串行口模式1：传送方式：PC机采用查询方式接收数据，单片机采用中断方式接收信息。在开始通信前，首先要初始化串口包含选串口、设置串口掩码、设置缓冲区大小、设置波特率等串行参数。开始通信时首先由上位机发出通信信号，同时监测仪进入相应的通信中断服务程序。由于在中断服务程序中要占用一些寄存器进行运算，而在主程序中这些寄存器也是很重要的，为了二者互不干扰，所以在进入中断服务程序时单片机将首先把寄存器的数值保存起来，以便在从中断返回后继续正常的往下执行。此后单片机便进入等待上位机发送开始传送的指令，如果没有受到指令则继续等待。当收到发送指令后单片机开始将所测得的数据以ASCII的形式一位一位地发送至上位机。发送完毕时单片机须恢复现场，即将原先保存的寄存器的数值逐一地从堆栈中弹出。单片机完成通信中断后自动返回自动前原程序的执行。图4-4为单片机申行通信程序流程图图4-4单片