粮食干燥机控制系统设计

PAGE长春工业大学学士论文摘要我国是产粮大国，水分是粮食存储的关键的参数，因此粮食的烘干成为一个非常重要的问题。本文主要研究基于89C51单片机作为模糊推理机,系统采用模糊控制算法，解决了因温度变化缓慢引起系统超调问题。首先塔式烘干机将进粮的阀门打开，当料位传感器检测到粮食达到指定的位置时，阀门将被关闭。此时加热风机进行对流加热，温度和湿度传感器采集信号，显示屏上实时显示粮食的温湿度。当粮食达到所需要的温湿度时，出粮口的阀门打开,粮食运送到外面进行缓苏，最后粮食送入粮仓储藏。总而言之，塔式烘干机对温、湿度信号进行采集，实时显示粮食的温度和湿度，实现烘干系统及人机界面的设计，使其满足实际生产过程中的需要。在整个烘干过程中，热风对流穿透粮层，完成热交换后经排风口排出。整个系统自动化程度高、操作方便、安全。关键词：模糊控制单片机烘干机温度传感器TitleThedryeroffoodAbstractBecauseofourcountryisamajorgrain-producingandthewateristhekeytofoodstorageparameters,sothegraindryinghasbecomeaveryimportantproblem.Thesystemisbasedonthesingle-chipcomputer,89C51,asafuzzyinferenceengine,whichadoptfuzzy-controlalgorithm.Firstly,thetowerdryeropenthevalve，acertainlocationthefoodreached,whichfoundbythemateriallevelsensor,thevalvewillbeclosed.Atthispoint,theheatingfanisstartedtoheatthefoodconvectively，andthetemperatureandhumiditysensorsstarttowork，thetemperatureandhumidityoffoodwillbeshownonthescreenatthesametime。Whenthegrainmeettherequiredtemperatureandhumidity，itpayoutofthevalveopeningtotheoutsidefooddeliveriesforreliefSu.Finally，therainisdeliveredintothebarntostore.Inaword,thetowerdryercollectthetemperatureandhumiditysignal，showthetemperatureandhumiditywhilerealtime,achievingtherequirementofthedesignindryingsystemandthedesignofman-machineinterface.Throughoutthedryingprocess,theheatingwindflowfromtoptobottomofthegrain,whentheheatexchangehasbeencompletedexitfromexhaustvents.Theentiresystemhasahighdegreeofautomation，easyandsafetyoperation.Keywords:Fuzzy-controlsingle-chipcomputerdryertemperaturesensor长春工业大学学士论文目录摘要 ITitleThedryeroffood II第一章绪论 11.1课题来源及意义 11.2粮食烘干机发展概况 11.3热风塔式粮食烘干机的原理及工艺 21.3.1烘干原理 21.3.2主要结构 21.3.3工艺特点 21.3.4工艺流程 31.3.5工艺要求 31.4热风塔式粮食烘干机的模糊控制系统组成 31.5模糊控制用于热风塔式粮食烘干机的原因 4第二章方案论证 52.1总体方案的论证 52.1.1单回路控制系统 52.1.2复杂控制系统 52.1.3新型控制系统 62.1.4模糊控制系统 62.2传感器的原理及主要技术参数 7传感器的原理 7 82.3温度传感器 92.3.1温度传感器原理 92.3.2温度传感器的选择 102.4湿度传感器 102.4.1湿度传感器原理 102.4.2湿度传感器的选择 112.5单片机选择 172.5.1微机系统选择论证 172.6控制电路 18第三章硬件系统设计 193.1AT89C51的介绍和特性 19 233.1.2并行口的结构 233.1.3并行口的使用说明 253.2温度传感器 253.2.1AD590简介 25 263.2.3温度AD590管脚 283.3A/D转换器及其与CPU的接口 303.3.1A/D转换器的选择 303.3.2引脚排列及各引脚的功能 313.4湿度检测电路 323.5显示部分 323.5.18279的引脚说明 323.5.28279的工作方式 333.5.38279的控制命令 343.5.48279数据的输入输出 353.6报警电路的设计 363.7风机驱动和加热驱动的设计 373.7.1风机驱动设计 373.7.2加热驱动设计 383.8系统电源设计 403.9复位电路的设计 41第四章控制算法 424.1模糊控制的基本理论 424.2模糊控制器的基本结构 424.3粮食烘干过程的模糊控制算法实现 434.4模糊控制器的设计 434.5输入量的模糊化 434.6控制输出的模糊化 444.7模糊关系矩阵与决策 45第五章系统软件设计 475.1系统软件设计特点 475.2粮食烘干系统的主程序 475.2.1主程序流程图 475.3烘干计时中断子程序流程图 485.4PWM波形产生子程序流程图 495.5温度检测及模糊控制子程序流程图 49总结 50致谢 51参考文献 52附录A 53附录B………………...……...65第一章绪论1.1课题来源及意义我国是一个农业生产大国，农业是国民经济的基础，因此，在农业生产过程中，对于粮食的合理烘干具有深刻意义。它关系到国家的发展和人民生活水平的提高。在目前的情况下，由于粮食烘干技术水平的落后，导致粮食的温湿度检测存在误差，这已成为制约粮食烘干的重要不良因素。近年来，我国的粮食烘干机在技术上取得了很大的发展，特别在温度和湿度控制等方面已达到国际先进水平，为粮食的合理贮藏做出了积极贡献。但我们也应清醒地看到存在的制约因素，一次性投资大，投资回收期较长。为了解决这些问题，确保贮粮安全，我们根据当前测控水平，设计了一套方案，即热风塔式粮食烘干机自动控制系统。1.2粮食烘干机发展概况国外粮食干燥机械的研究起步于上世纪40年代，到50～60年代基本实现了谷物干燥机械化，60～70年代谷物干燥实现自动化，70～80年代向高效、优质、节能、降低成本、电脑控制方向发展，同时不断开发新工艺、新机型、新能源，在烘干质量上也得到重视。粮食干燥机在美国、日本、独联体等国家应用比较普遍。在美国主要的机型有中、小型低温干燥仓及大、中型高温干燥机，以柴油和液化气为热源，采用直接加热干燥。设备中一般具有：料位控制，温度控制及出粮水分控制系统等。日本粮食干燥设备是从二战后发展起来的，主要发展适于干燥水稻的中、小型设备。机型有：小型固定床式谷物干燥机，中、小型循环式谷物干燥机及大型谷物干燥机等。采用的热源是柴油和煤油，少量采用稻壳为燃料。在各干燥设备中大都装有较完善的自动控制系统。在独联体，大都形成了工厂化生产，有较完善的自控系统，其谷物干燥机型以大、中型居多，为高温干燥方式。较普遍地应用干、湿粮混合加热干燥工艺（又称分流循环干燥工艺），具有一次降水幅度大、节能和干燥质量好的优点。干燥中采用的热源是柴油和煤油，为直接加热干燥。

我国粮食干燥机械的发展是从解放初期仿制日本、苏联等国外的干燥机开始的。由于结构复杂、耗用钢材多、造价高，不适合当时农村的经济和体制状况，仅在大型农场和粮库有所应用。70年代广东省农机所等科研单位开始开发研制适合我国的中、小型干燥机型。广东省农机所研制成功了采用直接加热型堆放式干燥机；山东省农机所研制出间接加热型简易谷物干燥机等共10多个品种，它们大多适用于农场生产连队和农村生产队使用。80年代后，我国农村经济体制开始进行改革，研制的干燥机械大多向多用化、小型化方向发展。1981年由农业部南京农机化所在东北组织了全国13种机型粮食干燥设备的生产对比试验，初步推荐了一批机型。在此期间，与干燥机械密切相关的干燥热源的研究也取得了进展，相继研制成功了热煤气发生炉、低热值汽化炉、稻壳煤气发生炉、无管式热风炉、固体燃料煤气发生炉、液化气热风炉和太阳能干燥装置等。

90年代以来，随着农村改革的深入发展，我国农村经济和农业生产力得到较快的发展，专业化、集约化的规模经营也有新的发展。特别是大型粮库国有农垦系统的种子和粮食生产基地，逐步装备起成套的谷物干燥设备，并与仓储、加工等设施配套，成为我国粮食烘干机械的主要应用代表。同时也出现了四川省三台烘干机械厂、辽宁省铁岭精工机械厂、黑龙江红兴隆机械厂等干燥设备的专业化生产厂，涌现出了中国农业工程研究设计院、四川省农机研究院、黑龙江、辽宁的一些农机研究部门以及大专院校等，为粮食干燥技术研究出了许多成果。1996年起，台湾独资企业上海三久机械有限公司生产的循环式低温干燥机、日本独资金子农机（无锡）有限公司经销的种子专用干燥机和通用型干燥机等也进入我国市场，并带动了南方水稻产区干燥机械化技术发展。虽然这些干燥机尽管价格偏高，但由于具有使用性能良好，可靠性、自动化程度高，售后服务周到等特点，依然受到农户的欢迎，市场前景看好。总之，粮食干燥技术的发展，逐步使烘干机械走向成熟、完善，同时也使农业现代化加快了步伐，促进了生产力的发展和科技进步。1.3热风塔式粮食烘干机的原理及工艺1.3.1烘干原理GGHT塔式烘干机，采用混流式烘干工艺，即利用热风对流的形式进行烘干。在预热段，粮食受热升温，粮食含水率变化小，干燥速度加快；烘干段，在混流热风的作用下，粮食内部水分以气态或液态形式沿毛细管转移到粮食表面，再由表面蒸发到干燥介质中去；缓苏段，主要起到缓解粮食直接接触干燥介质、间歇干燥的作用，热闷一段时间，平衡粮食内外温湿，消除水分梯度，使粮粒内部水分逐渐外移，以免引起爆腰或裂纹；冷却段，将粮食温度降到安全温度这时的粮食水分基本不变。1.3.2主要结构GGHT塔式烘干机采用积木式结构，主要由储粮段、预热段、烘干段、缓苏段、冷却段、排粮段、机架组成，配套部分包括热风炉、提升机、相关风网等。预热段、烘干段和冷却段内装置有角状盒，呈交替状并排排列。工作时粮粒沿着角状盒的间隙S形曲线向下流动，在交替高、低温气流的作用下，粮食干燥质量好，裂纹少。1.3.3工艺特点(1).采用混流式烘干工艺，对流热风烘干。从热风和粮食的相对运动来看，相当于顺流、逆流交替作用。(2).配套设备热风炉提供的热空气，干净无污染，确保了粮食的卫生要求，保证粮食质量。(3).配有自动控制系统，对热风温湿度、烘干终点水分实行自动控制。1.3.4工艺流程经清理后的粮食由提升机提升进入储粮段，再经预热段升温、预热、烘干、缓苏，再烘干、缓苏的烘干降水过程后，然后对粮食进行冷却降温，最后进入排粮段将粮食排出。预热段热风来源于第二烘干段及冷却段的热风循环，这样可以节约热能资源。烘干段与冷却段分别由热风风机与冷风风机打入热风与冷风。溢流的粮食从储粮段的溢流口经回流管回流到提升机。在整个烘干过程中，粮食自上而下均匀流动，热风对流穿透粮层，完成热交换后经排风口排出。再加上自动控制系统，整个工艺流程自动化程度高、操作方便、安全可靠。1.3.5工艺要求热空气分布均匀，粮食受热一致，烘干粮食循环速度快且干燥均匀，实时显示粮食温湿度，可调粮食温湿度及干燥速度，温度范围在5～30℃。1.4热风塔式粮食烘干机的模糊控制系统组成本文应用了在目前性价比较高的89C51单片机，来对热风塔式烘干机进行微机控制。并且进行了硬件、软件设计。其中，硬件电路主要包括：温度检测电路、A/D转换、掉电检测即保护功能、加热器驱动、声光报警和键盘显示等电路。温度检测部分：本系统采用AD公司生产的AD0808作为温度传感器，经运放后输入到ADC中。因为本文中的ADC速度足够快，且温度变化较慢，所以不使用采样保持器对其进行补偿。湿度检测部分：电容型湿度传感器(湿敏电容)满足广阔的应用范围，优良的线性应用于高性能领域,基于独特半导体制造工艺的电容感湿传感器.特点：

高性价比、优良的线性。高可靠性与长时间稳定性、可用于线性电压或频率输出、快速反映时间、抗热抗震。A/D转换：89C51单片机内部没有ADC，所以必须外接一个ADC，使模拟量转换为数字量，再将数据输入到89C51单片机内，供模糊控制器进行时时检测。声光报警电路：本系统将声音，灯光联系在一起。若系统发生故障，声光发生器便立即开始运行，实现了报警的功能。显示及键盘电路：本系统采用89C51单片机外接键盘显示扩展芯片8279驱动8位八段数码管显示及4×4键盘。键盘平时显示时间和轮流显示温度，必要时可通过键盘上的功能键手动输入数据，更改时间日期或控制参数等。加热器电路：本系统加热采用大功率的电热丝与风机加热，鉴于直流电机的功率限制和生产工艺要求。采用两路送热风的方式烘干。由于本系统采对电加热部分采用了微机控制系统，故具有较高的控制操作性、提高了生产效率、改善了工作环境，并且会带来良好的经济效益，因而会在各种粮食烘干中得到更为广泛的应用。并且，随着“51系列单片机”的快速发展，研究利用51系列单片机会更加具有实践意义，也可以说是有着更为广泛的应用前景。1.5模糊控制用于热风塔式粮食烘干机的原因所谓模糊控制既不是指被控对象是模糊的，也不是指控制器是不确定的，它是指在表示知识、概念上的模糊性。虽然模糊控制算法是通过模糊语言描述的，它所完成的任务却是一项完全确定的工作。模糊控制理论是控制领域中的非常有发展前途的一个分支，这是由于模糊控制具有许多传统控制无法与之比拟的优点。其中主要是：（1）.使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似。对于具有一定操作经验，而非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握。操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上。（2）.采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规PID控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性。通常塔式热风烘干机为PID控制算法，对于不同的粮食需要调节的控制参数不一样，而且对于温度控制，往往为相对缓慢的变化，如果采用PID算法，超调量很难控制且整个系统参数的计算和调节的工作量非常巨大。鉴于模糊控制的独特优点，模糊逻辑可以使电子计算机模拟人的直觉，并依据不确切的信息作出决定，这是下一代工厂自动化系统的基础。模糊逻辑使用是主观的，面向语言的知识，例如操作人员的专门知识，而不是复杂的数学模型，它基本上是以规划为基础的专家系统，工作起来速度非常快，而且模拟人的判断力效率非常高。因此，在热风塔式烘干中应用模糊控制具有充分的理论依据。第二章方案论证现代工业生产过程中，过程控制是不可缺少的重要组成部分，为了克服外界扰动，稳定生产，使其工况最优化，提高产品的质量产量；为了提高劳动生产率，降低生产成本，节约能源，提高经济效益；为了安全生产，改善劳动条件，保护环境卫生等，需在生产过程中对温度，压力，流量，液位，湿度等等实现自动控制，要达到上述目的，根据自动控制理论过程控制系统首先必须是稳定的，这是一个最基本的要求，除了满足绝对稳定性外，系统还必须具有适当的稳定裕量；其次系统应是一个衰减振荡过程，但过渡过时间要短余差要小等。在工程上这些要求往往是互相矛盾的。因此在设计过程控制系统中，应根据实际情况，分清主次，以保证满足最重要的质量指标要求。2.1总体方案的论证2.1.1单回路控制系统单回路控制系统是指只有一个测量变送器、一个调节器、一个调节阀连同被控过程，对一个被控参数进行控制的反馈闭环控制系统图2-1单回路控制系统框图由于单回路控制系统结构简单，投资少，易于调整合投运，有能满足一般工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，尤其适用于扰动变化相对缓慢，或系统纯时延较小的系统中。2.1.2复杂控制系统单回路控制系统解决了工业生产过程中的大量的参数定位控制问题。它是过程控制中结构最简单、最基本、应用最广泛的一种形式。随着现代工业生产的迅速发展，对于某些比较复杂的过程或者生产工艺、经济效益、安全运行、环境保护等要求更高的场合，单问路控制系统往往满足不了上述要求。为了提高控制品质，在单回路控制方案的基础上，开发应用诸如串级、前馈，大延时控制等一类的较复杂的系统结构方案。2.1.3新型控制系统简单控制系统和常用复杂控制系统的理论基础是经典控制理论，它们在常规仪表时代得到了广泛的应用，解决了生产过程中大部分的控制问题。但仍有许多控制问题是常规控制系统无法有效解决，甚至无法解决的。因此，从20世纪60年代开始，以状态空间法为理论基础的现代控制理论将传统的单输入单输出系统发展到多输入多输出系统领域，对自动控制技术的发展起到了积极的推动作用；与此同时计算机技术也得到了迅猛的发展，特别是微处理器芯片的发明，使得集散控制(DCS)和可编程逻辑控制器(PLC)等计算机控制系统迅速成为控制装置的主流。由于广泛采用了计算机控制，在常规仪表中难以实现的运算算法等难题得到了有效的解决，因此，各类新型控制系统纷纷从理论研究进入实际应用。随着生产的迅速发展，过程工业逐渐趋于大型化和精细化，生产系统本身的复杂性也在不断地增加，这就对自动控制提出了更高的要求。而当前实际应用中计算机控制系统主要实现的是简单控制和常见的复杂控制系统，对于一些过程特性复杂的系统若只采用简单的PID控制往往达不到满意的控制效果，因而对于新型的系统结构和控制算法的需要也就变得尤为迫切。从20世纪70 年代以来，广大的科学工作者、工程技术人员不断探索新的理论与方法，除了加强对生产过程的建模、系统辩识、自适应控制、鲁律控制(RobustControl)等的研究外，他们开始打破传统控制思想的束缚，试图面向工业过程的特点，寻找各种对模型要求低、在线计算方便、控制综合效果好的基于模型的控制算法，并逐步形成了以现代控制理论和人工智能为理论基础的多种新型控制系统。新型控制系统主要可以分为三大类。一是面向复杂特性系统的几种解决方案，如被控变量和主要扰动不可测量时的推理控制，过程间有较强关联时所采用的解祸控制以及过程有较大时滞时的时滞补偿控制等；二是以现代控制理论为基础的多变量控制系统，它包括了自适应控制和预测控制等；第三是介绍近年来倍受关注的几类智能控制系统。这些控制算法在复杂的工业过程控制中都得到了成功的应用，具有较强的实用价值。2.1.4模糊控制系统在上面所介绍的过程控制各种方案中，都必须建立被控过程的数学模型。由于被控过程的多样性、复杂性、时变与非线性等因素，要建立精确的数学模型目前仍是困难的。在有些计算机过程控制系统中，由于模型本身不精确，其控制效果亦不理想。但是有些人(如1974年英国E.H.Mamdani)根据1965年由美国自动控制理论专家L．A．Zadeh首次提出的模糊集合(FUzzySets)理论用Fuzzy控制语句组成Fuzzy控制器，用于锅炉和蒸汽机的自动控制在实验室获得了成功。随着模糊数学与计算机控制技术的发展，模糊控制在各个领域(如自控、信息检测、医学等)中，得到了愈来愈多的成功应用和发展。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。通常对十一类缺乏精确数学模型的被控过程，采用模糊集合的理论，总结人们对系统的操作和控制经验，用模糊条件语句写出控制规律，再用算法语言来编写程序，按此程序对生产过程进行自动控制。模糊控制与常规的控制方案相比主要特点有：(1).模糊控制只要求掌握现场操作人员或有关专家的经验、知识或操作数据，不需要建立过程的数学模型，所以适用于不易获得精确数学模型的被控过程，或其结构参数不确定等场合。(2).模糊控制是一种语言变量控制器，其控制规则只用语言变量的形式定性地表达，不用传递函数与状态方程，只要对人们的控制经验加以总结，进而从中提炼出规则，直接给出语言变量，再应用推理方法进行观察与控制。(3).系统的适应性强，尤其适用于时变、非线性、延时系统的控制。(4).从不同的观点出发可以设计不同的目标函数，其语言控制规则分别是独立的，但是整个系统的设计可得到总体的协调控制。图2—2所示为模糊控制系统原理框图。它由模糊控制器(实际上是单片机)，I/0接口装置（包含A/D、D/A转换及电瓶转换电路）、广义被控过程和传感器。图2-2模糊控制系统原理框图综上所述，由于粮食烘干机采集温湿度时间较长，这样系统存在超调，而且参数时实改变，精确的数学模型也不好确定等等，基于以上种种原因本系统采用模糊控制系统。2.2传感器的原理及主要技术参数传感器的原理（1）.极限参数最高工作温;是指传感器在规定的条件下,长期连续工作所允许的上限温度。一般规定PN结温度传感器的最高工作温度为200℃。（2）.线性度PN结温度传感器的线性度是描述传感器的输出电压值随温度变化的直线程度。PN结温度传感器在－50℃～200℃范围内，典型线性程度数值为0.5%。（3）.灵敏度PN结温度传感器的灵敏度是指在规定的条件下,环境温度每变化1℃时,其输出电压的变化值,用ST表示,单位是mv/℃。它的典型数值为2.10mv/℃。（4）.标准输出电压标准输出电压是指传感器在规定的条件下，在特定的温度场合所测得的输出电压值通常传感器生产厂家给出最低Tmin,最高工作温度Tmax，中间温度1/2(Tmax+Tmin)下的电压可以使用厂家应用,如在0～100℃的温度区内,通常有Ｖ0℃=680.0mv；Ｖ50℃=575.0mv;Ｖ100℃=470.0mv。有时只给出理想拟合直线上的一点温度――电压对应数值。然后根据灵敏度就可以计算出任一温度点的电压值，其误差不超过线性度所规定的范围。标准输出电压的数值大小，主要取决于所选择的硅材料的电阻率（电阻率越低，输出电压越大）和材料的少数载流子寿命（寿命越短，输出电压越高）。（5）.互换偏差互换偏差是指传感器在规定的条件下,对于同一确定的理想拟合直线,每一支传感器的V-T曲线与该直线的最小偏差,这个电压偏差通常按-2.10mv/℃折合成温度来表示。互换偏差是指描述传感器之间的互换程度的一个重要指标，根据使用的精度不同，一般规定四个互换档次，A档的互换偏差不大于±1.5℃;B档不大于±1.0℃,C档不大于±0.5℃,D档不大于±0.3℃。互换偏差主要取决于材料的电阻率的均匀一致性好坏，制造器件的工艺水平及工艺水平控制的一致性，重复性好坏。（6）.时间常数PN结温度传感器的时间常数，是描述传感器的动态特性的一个参数，它的定义应该适用热敏电阻器关于时间常数的定义，即传感器在零功率测试条件下（自热忽略或自热很小），当环境温度发生突变时，传感器芯片所感受到的温度变化量为从起始到最终的变量的63.2%所需的时间。它反映了传感器对温度的敏感程度，也就是对快速变化的温度信号的敏感程度，即响应快慢，特别是对于测量脉冲温度，脉动流速及精密控温等应用场合，该参数的大小尤为重要，由于传感器的形状结构，材料，封装方式的不同，它的时间常数相差很大，从零点几秒到几分不等。（7）.稳定度PN结温度传感器的稳定度是描述传感器在各种使用条件下保持原有特性的能力的参数，它定义为输出电压的年变化率或折合成温度值后所对应的温度的年变化率。通过几年的应用与考核，传感器的稳定度不大于0.05℃而且呈波动状态。（8）.耗散功率耗散功率是指传感器在测试的条件下，PN结所消耗的功率，它的计算视温度点而异。在某温度T0,传感器输出电压为VT0，设传感器通以恒定电流I0则耗散功率为ＰT0=VT0,例如在0℃时，给传感器通以100µA恒定电流，其输出电压为ＶT0=680.00mV,则传感器在0℃时的耗散功率为，功率损耗，主要以自然的方式出现，所以这个参数描述了传感器产生自然的程度，很显然，传感器产生较大的自热后对于测试精度将有较大的影响。2.3温度传感器2.3.1温度传感器原理在本设计中，需要对粮食烘干温度进行测量，本着适用又经济的原则，我们根据实际应用需要选择PN结温度传感器WM01。同其它各类型温度传感器相比较，线性度好，响应快，灵敏度高，内阻低，功耗小，稳定度高，互换偏差小。（1）.线性度好PN结温度传感器是电压转换型温度传感器，在正向不变的条件下，其正向电压随温度近似线性变化。在－50～+50℃的温度范围内线性度为0.3%,既在0～+50℃温度范围内线性偏差<0.15％，其线性度比热敏电阻高50倍以上，长年使用可靠。热敏电阻与PN结温度传感器特性曲线图见图。（2）.灵敏度高PN温度传感器的电压值小于0.1℃，比普通的工业电阻高100倍，它可以在其有强磁干扰环境下，获得很高的测温精度。（3）.响应速度快适应性强PN结温度传感器由于其基片体积小（比热敏电阻小8倍），工艺技术可靠，不仅响应速度快，而且也增加了耐腐蚀性能，长期埋入粮堆或施药，熏蒸都不会损坏。反应速度比铂电阻快20倍。（4）.稳定度高PN结温度传感器输出的年变化折合成温度值后，所对应温度年变化率不大于0.05℃,而且是波动状态，长期使用稳定可靠。（5）.互换偏差小PN结温度传感器的生产制造工艺控制过程较严，与粮食测温的T型温度传感器互换偏差不大于0.5℃，能保持较好的一致性和重复性。（6）.内阻低，功耗小PN结温度传感器的功耗仅在70µW左右，其中的工作电流在100µA左右。在设计中，不必单设电源。图2-3PN结温度传感器特性曲线图2.3.2温度传感器的选择温度传感器有很多种类：热电偶，热电阻，半导体温度传感器和红外线测温仪等。在众多的温度传感器中，由于我们所采集的信号是空气温度，所以我们选择半导体温度传感器，这里我们考虑AD590和DS1820这两种。方案一：采用DS18B20串行温度传感器。该传感器精度高，抗干扰能力强，反应时间稍长。方案二：采用AD590，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高.M档在测温范围内非线形误差为±0.3℃。可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏，使用可靠。方案一与方案二比较,方案一反应时间稍长,方案二具有较高的性价比，所以选择方案二。2.4湿度传感器2.4.1湿度传感器原理（1）.大气的湿度及露点地球表面的大气层是由78%的氮气、21%的氧气和一小部分二氧化碳、水汽以及其他一些惰性气体混合而成的。由于地面上的水量在不停地变化，而水份的蒸发及凝结的过程总是伴随着吸热和放热，因此大气中的水汽的多少影响了大气的湿度。大气的干湿程度，通常是用大气中水汽的密度来表示的。即每1m3大气所含水汽的克数来表示，它称为大气的绝对湿度。要想直接测量出大气的水汽密度，方法比较复杂。而理论计算表明，在一般的气温条件下，大气的水汽密度，与大气中水汽的压强数值十分接近。所以大气的水汽密度又可以规定为大气中所含水汽的压强，又把它称为大气的绝对湿度，用符号D表示，常用的单位是mmHg。。在许多与大气的湿度有关的现象里，如农作物的生长绵纱的断头以及人们的感觉等等，都与大气的绝对湿度没有直接的关系，主要与大气中的水汽离饱和状态的远近程度有关。比如，同样是6mmHg的绝对湿度，如果在炎热的夏季中午，由于离当时的饱和水汽压（31.38mmHg）尚远，使人感到干燥，如果是在初冬的傍晚，由于水汽压接近当时的饱和水汽压（18.05mmHg）而使人感到潮湿。因此通常把大气的绝对湿度跟当时气温下饱和水汽压的百分比称为大气的相对湿度，即：（公式2-1）式中H——相对湿度(RH)D——大气的绝对湿度（mmHg）Ds——当时气温下的饱和水汽压（mmHg）上式表明，若大气中所含水汽的压强等于当时气温下的饱和水汽压时，这时大气的相对湿度等于100%RH。露点:降低温度可以使未饱和水汽变成饱和水汽。露点就是指使大气中原来所含有的未饱和水汽变成饱和水汽所必须降低的温度。因此只要能测出露点，就可以通过一些数据表查得当时大气的绝对湿度。当大气中的未饱和水汽接触到温度较低的物体时，就会使大气中的未饱和水汽达到或接近饱和状态，在这些物体上凝结成水滴。这种现象被称为结露。结露对农作物有利，但对电子产品则是有害的。（2）.湿敏传感器的分类水是一种极强的电解质。水分子有较大的电偶极矩，在氢原子附近有极大的正电场，因而它有很大的电子亲和力，使得水分子易吸附在固体表面并渗透到固体内部。利用水分子这一特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型传感器。而把与水分子亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型传感器。在现代工业上使用的湿度传感器大多是水分子亲和力型传感器，它们将湿度的变化转换为阻抗或电容值的变化后输出。2.4.2湿度传感器的选择（1）.湿度测量在工业生产的诸多领域得到广泛的应用，HONEYWELL公司生产的集成湿度传感器IH3605采用集成电路技术。IH3605内部的两个热化聚合体层之间形成的平板电容器电容量的大小可随湿度的不同发生变化，从而可完成对湿度信号的采集。热化聚合体层同时具有防御污垢、灰尘、油及其它有害物质的功能。而且IH3605的主要技术指标也符合在仓库中的运用。但IH3605的输出电压是供电电压、湿度及温度的函数。电源电压升高，输出电压将成比例升高。在实际应用中，需要通过几个步骤才可计算出实际的相对湿度值。在运用上太过麻烦，而且价格相对于一般所用的湿度传感器要高，适合于高精度的工业中运用，但不适合在仓库中的运用。（2）.测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式，电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。HS1101的特点：不需校准的完全互换性，高可靠和长期稳定性，快速响应时间。专利设计的固态聚合物结构，侧面接触的封装产品，适合用于线性电压输出和频率输出两种电路。图2-4为湿敏电阻电容工作的温、湿度范围。图2-5为湿度-电容响应曲线。图2-4湿敏电阻电容工作的温、湿度范围图2-5湿度-电容响应曲线相对湿度在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，温度系数为0.4pF/℃。可见精度是较高的。HS1101的特性参数： 特性参数典型值单位湿度测量范围1~99%RH供电电压5V标称电容55%RH180Pf温度系数0.04Pf℃33-75%的平均灵敏度 0.34Pf/%RH漏电流1Na湿度迟滞±1.5%长时间稳定性0.5%RH/yr响应时间5S偏离曲线±2%RH工作温度-40-100℃储存温度-40-125℃湿度测量电路：HS1101电容传感器在电路的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，如何将电容的变化量准确的转变为计算机易于接受的信号，常用两种方法：一是将该湿敏电容置于由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、再经过A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于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。频率输出的555测量振荡电路如图2-6所示。集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，R3是防止输出短路的保护电阻，R1用于平衡温度系数。图2-6频率输出的555振荡电路该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源Vs通过R4、R2向C充电，经t充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67Vs,此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33Vs，此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如此翻来覆去，形成方波输出，其中，充放电时间为：（公式2-2）（公式2-3）因此，输出的方波频率为：（公式2-4）可见，湿度通过555测量振荡电路就转变为与之呈反比的频率信号。下表为温湿度与电压频率的典型值测试值。测量值直接以线性电压的形式输出，精度达到±3%RH。HM1500:湿度传感器HM1500，HM1500是一种专门为那些OEM要求可靠性和精度高的测量所设计的，在基于HS1101简单电容性湿度传感器的基础上（1）.HM1500主要的特点：①体积小、带防护棒状封装。②即使浸在水里也不受影响。③可交换性极强。④高度的可靠性和长期的稳定性。⑤在3-7伏的电压范围内可正常工作。，以典型的1-4V电压输出表示1-100%的湿度。⑥可在很低的温度下正常工作。⑦在电压范围内，按比例参数调压。⑧在长时间处于饱和状态后快速脱湿⑨反应时间快⑩对化学品的高抵抗性（2）.HM1500工作原理：图2-7HM1500工作原理框图（3）.最大参数（Ta=25除非特别注明）（4）.特性参数（Ta=23,Vs=5.0VDC,RL>1M除非特别注明）（5）.HM1500的典型测量范围HM1500特别适用于在10～95%RH精确测量的环境。超过范围（<10%,>95%包括饱和）不会影响可靠性。图2-8典型测量范围输出图（6）.HM1500模拟电压输出曲线（Vs=5V）单位：mV如果需要可以用如下的关系式做补偿：温度效应：（公式2-5）非线性补偿：（公式2-6）（7）.HM1500工作曲线如下：图2-9HM1500工作曲线综合各种因素（如价格，使用年限，反映速度，应用场合等）决定选用HM1500。特点：高可靠和长期稳定性，快速响应时间。专利设计的固态聚合物结构，侧面接触的封装产品，适合用于线性电压输出和频率输出两种电路。2.5单片机选择2.5.1微机系统选择论证单片机应用系统是一个工业测控系统，从这一观念出发，单片机应用系统应满足下列要求：（1）.有大量的测控接口，这些测控接口及测控功能电路配置和测控要求与测控对象密切相关。（2）.必须适应现场环境要求。计算机系统及接口电路设计，配置必须考虑到应用系统安放的环境要求。单片机是本方案的灵魂，所以我们选择是需要慎之又慎，下面我们来拿8031和AT89C51做一下比较。8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。我们统称这些与8051内核相同的单片机为"51系列单片机"。在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89Cx做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。虽然网上有人说AT89C51可以解密，但花费的代价均需万元左右！况且所有的单片机均可解密，只是费用多少的问题。AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换8051\8751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地（GND），单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；而8051/8751/89C51因内部有程序存储器，31脚接高电平（VCC），单片机启动后直接在内部读取指令。也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取。其他无须改动。另外，AT89C51替换8031后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和373芯片。由于内部RAM的存在，可以减少I/O扩展芯片、锁存器及片外RAM等等，使的整个设计显得简单明了，所以我们选择AT89C51。2.6控制电路方案一：使用模拟电路搭接。此方案的优点是成本低，程序简单，易于实现。但模拟电路受外界，特别是温度的干扰很大，且器件之间的互相干扰也非常明显。所以测量精度不易保证，不利于整个测量系统的工作。方案二：使用DSP作为主控芯片。由于DSP内部自带A/D转换功能，可以简化硬件电路的设计和干扰，并且使用高级语言编程，程序简单易懂，易于实现。但成本很高。方案三：使用89C51作为主控芯片。外扩AD574、PS7219等芯片。既可以减小外界对系统的干扰，又可以兼顾系统的成本，且完全可达到测量要求。综合以上各方案，采用方案三作为主控电路。51系列单片机它具有集成度高、处理功能强、可靠行好、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在我国已经得到广泛应用，在智能仪器仪表、工业检测控制、电力电子、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果。第三章硬件系统设计本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温度湿度传感器可以产生模拟信号，A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以AT89C51为核心的一套检测系统，其中包括电源系统、A/D转换、单片机、温度和湿度检测及控制、键盘及显示、报警电路、等部分的设计。3.1AT89C51的介绍和特性AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的8位单片机。其片内含4K字节的可反复擦写的只读存储器（EPROM），128字节的随机存取数据存储器（RAM）。器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储器技术生产、并兼容标准MCS-51指令系统，片内置有通用的8位CPU和Flash存储单元。可灵活运用于各种控制领域，且其性价比较高。图3-1AT89C51芯片引脚图AT89C51单片机的主要性能参数：与MCS-51系列产品指令系统完全兼容；4K字节的可重复擦写的FLASH存储器；存储器可循环写入/擦写10000次；全静态操作：0Hz-16MHz；三级加密程序存储器；内部有128字节的RAM；32个可编程的I/O口线；2个16位的定时/计数器；可编程串行URAT通道；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。功能特性概述：AT89C51单片机提供以下标准功能：4K字节的Flash存储器、128字节的内部RAM、32个I/O口线、2个16位的定时/计数器、1个全双工串行通信口、片内振荡器和时钟电路。同时，AT89C51单片机可降置0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电模式。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他所有的工作，直到下一个硬件复位。图3-289C51的内部结构引脚说明：Vcc:电源引脚；GND:地；P0口（P0.0-P0.7）：是一组8位的双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口使用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口写“1”可作为高阻抗输入端来使用。在访问外部的数据存储器或程序存储器时，这组线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接受指令字节；在程序校验时，输出指令字节。在校验时，要求外接上拉电阻。P1口（P1.0-P1.7）:是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。向端口写入1的时候，P1口被内部上拉为高电平，此时可用做输入口，当作为输入脚的时候，外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。在Flash编程和程序校验期间，P1口接受低8位地址。P2口（P2.0-P2.7）:是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。当向P2口写入1时，P2口被内部上拉为高电平，可作为输入口。当作为输入引脚的时候，被外部拉底的P2口会因为内部上拉而输出电流。在访问片外程序存储器和外部数据存储器（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（例如执行MOVX@Ri指令）时，P2口上的内容（也即特殊功能寄存器SFR区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不变。在Flash编程和程序校验期间，P2口接受高位地址和其他控制信号。P3口（P3.0-P3.7）：是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。向端口写入1的时候，P3口被内部上拉为高电平，此时可用做输入口，当作为输入脚的时候，外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流。P3口除了做一般的I/O口线使用外，更为重要的是它的第二功能，如下：P3.0第二功能为RXD（串行输入）；P3.1第二功能为RXD（串行输出）；P3.2第二功能为INT0非（外部中断0输入）；P3.3第二功能为INT1非（外部中断1输入）；P3.4第二功能为T0（定时/计数器0输入）；P3.5第二功能为T1（定时/计数器1输入）；P3.5第二功能为WR非(写选通信号)；P3.6第二功能为RD非（读选通信号）；P3口还可接受一些用于Flash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2个机器周期以上的高电平，使单片机复位。ALE/PROG非：当访问片外程序存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位。即使单片机不访问片外存储器，ALE也仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此可对外输出时钟或定时作用。并且，当单片机每访问一次片外数据存储器时都将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程时，该引脚还用于编程脉冲（PROG非）。：程序存储器允许输出是片外程序存储器的读选信号，当AT89C51由外部程序存储器指令（或数据）时，每个机器周期2个有效，即输出2个脉冲。在此期间，当访问片外数据存储器时，这2次有效的信号不出现。/Vpp:外部访问允许。当CPU仅访问片外程序存储器时（地址为0000H-FFFFH），端必须得保持低电平（接地）。需要注意的是：当加密位LBI被编程时，复位后单片机会内部锁存EA非端状态。若端为高电平（接Vcc时），CPU执行内部程序存储器中的指令。当Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp。当然前提是该器件使用+12V的编程电压Vpp。时钟振荡器：AT89C51单片机内部有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷振荡器一起构成自激振荡器，振荡电路如图。外接石英晶体（或陶瓷振荡器）及电容C1、C2在防地器的反馈贿赂中构成并联振荡电路，虽然对电容C1、C2并没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微的影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。若使用石英晶体，则电容容量最好为+30PF～-10PF，而若使用陶瓷振荡器，则电容容量最好是+40PF～-10PF。用户也可以采用外部时钟方式，其电路如下图所示。在这种时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2管脚则悬空。ATMEL公司生产的51系列单片机还有AT89C2051、89C1051等芯片，这些芯片是在89C51的基础上将一些功能精简掉后所形成的精简版。如AT89C2051去掉了P0口和P2口，内部的程序FLASH存储器也缩减到了2K，封装形式也从51系列的40引脚改为20引脚。其相应的价格同样也降低了一些，特别适合在一些智能玩具，手持仪器等程序不大的系统环境下应用；AT89C1051在AT89C2051的基础上，再次精简了串口功能，程序存储器也缩减到了1K，价格更低，其相对适用与更为简单的控制系统。ATMEL公司的51系列单片机有很多的封装形式，如AT89C51有PDIP、PLCC和PQFP/TQFP的封装形式；而AT89C2051、AT89C1051有PDIP和SOIC封装形式。INTEL公司的8031、8051、8751的开发工具，如仿真器，开发软件同样适用与89C51系列单片机。由于89C51系列单片机具有完全兼容与51的内部结构和指令格式，所以8031、8051、8751的使用与89C51基本相同，只是使用8031时，由于其本身无ROM，所以其31管脚必须接地。而89C51则不用。51系列单片机四个8位并行口：P0，P1，P2和P3。每个口都包括一个锁存器，即专用寄存器（P0，P1，P2和P3），一个输出驱动器和一个输入缓冲器P3有两个），我们常将这一整体统称为P0，P1，P2和P3。四个并行口都是双向口，但结构不完全相同。P0口的每一位都由一个多路转换开关MUX控制。即P0口是多功能口。当单片机需要扩展外部数据存储器或外部数据存储器时，P0口各位用来输出片外存储器地址的低8位A7～A0以及输出或输入数据D7～D0。这是P0口中控制线为高电平，MUX开关向上联接，P0口充当地址/数据总线使用（分时操作）。如果单片机是由片内存储器，也不需要扩展片外数据存储器时，P0口中控制线为低电平，MUX开关向下连接，P0口即是普通I/O口，可以按位输出或输入。P0口作为地址/数据总线时用时，控制线为高电平，这是P0口是双向口。当地址/数据总线该位要输出1时，两个串联的输出管中，T1导通T2截止。需要输出0时，T1截止T2导通。CPU通过地址/数据总线传来“1”或“0”，一方面经与门控制T1导通或截止（注意与门的另一输入为控制线，当前为“1”）；另一方面取反后控制T2截止或导通。当输入数据时，CPU将两个输出管都截止。输入信息有单片机脚P0.X经下面一个输入缓冲器（三态门）读入到单片机内部总线上。P0口作为普通I/O口使用时，MUX指向下，因为控制线为低电平，两个输出管中T1截止。CPU向端口输出“1”或“0”时，谢脉冲加到锁存器的时钟CL端。使得Q非的输出“0”或“1”，这样控制T2截止或导通。由此可见，输出是漏极开路式的（也称0.C门）。即如输出“0”，则T2导通，片脚为低电平。反之如输出“1”，则两管脚都截止，输出是开路的，为避免逻辑错误，P0口做普通I/O口输出时，必须外接一个上拉电阻（一般是3K～10K）到+5V，这样输出1时，又被这个电阻将片脚电平上拉到高电平。如P0口作为普通I/O口输出时，必须先向该位输出写“1”，使输出两管脚全截止，置该位为高阻输入状态有CPU读入。如先输出“0”，则T2导通，使片脚电平（应该是逻辑电平）无法为“1”，这是不允许的。因此，做I/O口使用时，P0时准双向口。这一点与它做地址/数据总线时用时（双向口）是不同的。3.1.2并行口的结构准双向口只有两态，做输入前必须先输入“1”。对于8031单片机来说，因为它没有片内程序存储器，所以必须扩展程序存储器才能工作。这样，它的P0口只能充当地址/数据总线，而不能做普通I/O口时用。P1口是单功能的，只能够用来做普通I/O口，可以按位置设置成输出或输入。P1口的输出端有P0不同，输出级是一个接有内部上拉电阻的场效应管。当输出时，由写脉冲把内部总线的数据锁存进锁存器，锁存器的Q非非控制管。当输出“1”时，该管截止，由上拉电阻将片脚电平拉高到“1”。而当输出“0”时，该管导通，片脚电平“0”。欲设置为输入时，必须在此之前先写入“1”。使输出管截止，然后才能从片外输入。CPU通过下面这个输入缓冲器读口线电平，使用读引脚选通信号。输出只有两态，而且作输出前必须先输出“1”。这两点与P0口作普通I/O使用时情况完全一样。因此，P1口也是准双向口。由于P1口各位具有内部上拉电阻，因此在先向它写入“1”后作输入时，能用一般的逻辑电路或用OC门输出的逻辑电路所驱动。这一点与P0口作输入时有不同。（P0口无内部上拉电阻，不能为0C驱动）。P2口内部也有控制开关MUX，它是双功能的。在单片机扩展外程序存储器时，CPU自动将MUX向右接通，P2作为地址总线，输出地址高字节A15～A8。另外要说明的是，在单片机扩展片外数据存储器时MUX可能向左侧接通（使用@DPTR寻址），输出DPH的值作为地址高字节A15～A8。在P2不做地址总线使用时，CPU自动把MUX向左接通时，P2可以做普通I/O口使用。由图可见，要输出“1”或“0”，经与非门控制输出管的导通与截止，这样就在引脚上输出“1”或“0”。P2口也有内部上拉电阻，输出电路与P1口完全一致，因此它也是准双向口。输出时两态的，在作输入时，必须预先输出“1”，使输出管截止然后由县棉的缓冲器使用读引脚选通信号将引脚逻辑读入CPU。8031单片机没有内部程序存储器ROM，所以P2口一般总是为地址总线时用，只由采用特殊方法（使用MOVX@Ri,A或MOVXA，@Ri指令），才可以在一个短时间里将P2锁存器的值输出。P3口也是双功能的。除了可作普通I/O口外，还具有第二输入（出）功能。作第二功能使用时，P3口8条线有特定的用途。P3口的输出级与P1，P2口相同。因此它也使准双向口。输出只有两态，在定义输出前，也必须先写“1”，使输出管截止，然后由下面缓冲器使用读引脚选通信号将引脚逻辑读入写CPU。但P3口内有没有MUX开关，与P2口不同，它的第一功能与第二功能的输出是通过一个与非门连接到输出其级的。因此在作第二功能使用时，必须先向该位写“1”（即第一功能输出“1”）；而作第一功能使用时，第二功能输出由单片机CPU自动定义为“1”。还有，P3的输出通道中有2个缓冲器，第二功能输入取自第一个缓冲器的输出端，注意第一个缓冲是直通（没有选通信号）的，这样保证了第二功能输入与引脚隔离。当不使用第二功能而使用第一功能（普通I/O口）时，输入取自第二个缓冲器的输出端，这是输入由读引脚信号选通。P3口两种功能的选择是由单片机完成的。即程序不用第二功能时，自动设定为第一功能。3.1.3并行口的使用说明P1、P2、P3口的输出级能驱动3个低功耗TTL（LSTTL）逻辑电路的输入端，而P0口的输出级能驱动8个LSTTL逻辑电路的输入端。P1、P2、P3口输出级内部有上拉电阻，可直接被各种逻辑电路所驱动。而P0做普通I/O口时内部无上拉电阻，须外接上拉电阻才能确保被各种逻辑电路所驱动。但P0口做地址/数据总现时用时是完全的双向口而不需要外接上拉电阻。在口的每一位中都有一个锁存器。只要向这一位写一个数，即可锁存其中。不管这个数据是否经由片脚输出，只要不改写锁存器(即再向该口的该位写另一个状态），原来写入的数据将一直保留。一旦该口恢复普通I/O口输出，原先进锁存器的数据将有片脚输出。3.2温度传感器介绍了集成温度传感器AD590，给出了AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，并以节能型温、湿度控制系统为例介绍了利用AD590测两点温差电路的应用。3.2.1AD590简介AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：（1）.流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：(公式3-1）式中：—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。（2）.AD590的测温范围为-55℃～+150℃。（3）.AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。（4）.输出电阻为710MW。（5）.精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。（1）.基本应用电路图3-3（a）是AD590的封装形式，图3-3（b）是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kW时，输出电压VO随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使VO=273.2mV。或在室温下(25℃)条件下调整电位器,使VO=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。图3-3AD590的封装及基本应用电路图3-4用于测量摄氏温度的电路图3-5测量两点温度差的电路（2）.摄氏温度测量电路如图3-4所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0℃时调整R2，使输出VO=0，然后在100℃时调整R4使VO=100mV。如此反复调整多次，直至0℃时，VO=0mV，100℃时VO=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25℃，那么VO应为25mV。冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。要使图3-4中的输出为200mV/℃，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由R3与电位器R4串联而成）来实现。另外，测量华氏温度（符号为℉）时，因华氏温度等于热力学温度减去255.4再乘以9/5，故若要求输出为1mV/℉，则调整反馈电阻约为180kW，使得温度为0℃时，VO=17.8mV；温度为100℃时，VO=197.8mV。AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V，输出10V。（3）.温差测量电路及其应用a.电路与原理分析图3-5是利用两个AD590测量两点温度差的电路。在反馈电阻为100kW的情况下，设1#和2#AD590处的温度分别为（℃）和（℃），则输出电压为。图中电位器R2用于调零。电位器R4用于调整运放LF355的增益。由基尔霍夫电流定律：

(公式3-2)由运算放大器的特性知：

(公式3-3)

(公式3-4)调节调零电位器R2使：

(公式3-5)由（3-2）（3-3）（3-4）可得：(公式3-6)设：R4=90kW则有：(公式3-7)

其中，为温度差，单位为℃。由式（3-7）知，改变的值可以改变VO的大小。b.应用举例以某节能型药材仓库温、湿度控制系统为例，若要求库房温度低于T℃，相对湿度低于A1B1%RH。则采取的两种控制模式如下：控制模式一：当库内相对湿度高于A1B1%RH且库外温度低于T℃时，进行库内外通风。这种方式是利用库内外湿度差进行空气的交换，以达到库内除湿的要求，其优点是高效、节能、节省资金。但这种方式受到严格的控制。首先，库外的相对湿度要低于库内的，它们之间的差要大于A2B2%RH，这样才能有效保证及时地进行库内的除湿。其次，库内库外的温度差要小于△T℃，这是因为，如果在库外温度远高于库内温度时进行通风，热空气进入库区后遇上冷空气就会造成药品、器材表面结露的现象，进而影响药品和器材的质量。反之，如果在库内温度远高于库外温度时进行通风，冷空气进入库内后也会在药品器材表面结露。另外，库外温度不能接近T℃。这是因为，如果库外温度接近T℃时进行通风，很可能使密闭的库温升高，从而超过温度上限T℃。控制模式二：当温度高于T℃或湿度高于A1B1%RH但不满足第一种情况时，开启冷冻空调机组进行库内降温除湿。为避免因库内外温差过大通风时药品、器材表面结露的现象，必须严格控制系统温差值的精度。传统的测温差方法是对两点温度分别进行处理（调理电路、A/D、运算处理）后求差值，此方法所得温差精度低。库内外温差测量可采用图3-5电路，利用温差值直接与设定值相比较，既能保证较高的精度，又简化了系统的软件设计，提高了系统的可靠性。(4).N点最低温度值的测量将不同测温点上的数个AD590相串联，可测出所有测量点上的温度最低值。该方法可应用于测量多点最低温度的场合。(5).N点温度平均值的测量把N个AD590并联起来，将电流求和后取平均，则可求出平均温度。该方法适用于需要多点平均温度但不需要各点具体温度的场合。3.2.3温度AD590管脚AD590产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为4V－30V，检测的温度范围为－55℃－＋150℃，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1℃，其电流增加1uA。AD590温度与电流的关系如下表所示AD590电路原理图如图3-6：图3-6AD590电路连接图3.3A/D转换器及其与CPU的接口常用芯片8位A/D转换器ADC0808；10位A/D转换器AD7570；12位A/D转换器AD574等。3.3.1A/D转换器的选择模/数（A/D）转换器的种类很多。例如，计数比较型、逐次逼近型、双积分型等。选择A/D转换器件应要从速度、精度和价格上的考虑。图3-7逐次逼近法A/D转换原理图逐次逼近法A/D转换器，在精度、速度和价格上都适中，是最常用的A/D转换器件。双积分A/D变换器具有精度高，抗干扰性好、价格低廉等特点，但转换速度慢。今年来在微机应用领域也得到广泛的应用。本设计采用逐次逼近型A/D转换器ADC0808，下面对其作一个介绍：工作原理：逐次逼近法A/D转换器是一种速度快，精度高的A/D转换器，它是通过最高位（Dn-1）到最低位（D0）的逐次检测来逼近被转换的输入电压。一个N位的逐次逼近法A/D转换器的原理图3-4。这种A/D转换器是以D/A转换为基础，加上比较器、N次逐次逼近寄存器、置数控制逻辑电路以及时钟等组成，其转换原理如下：在启动信号控制下，置数控制逻辑电路置N位寄存器最高位（Dn-1）为1，其余位清0，N位寄存器的内容经D/A转换后得到整个量程一半的模拟电压Vn，与输入电压Vx比较，若Vx≥Vn时，则保留Dn-1=1；若Vx＜Vn时，则Dn-1清0，然后，控制逻辑使寄存器下一位（Dn-1）置1，与上次的结果一起经D/A转换后与Vx比较，重复上述过程，直至判别出D0位取1还是0为止，此时DONE发出信号表示转换结束。这样经过N次比较后，N位寄存器的状态就是转换后的数字量数据，经输出缓冲器读书，整个转换过程就是这样对分搜索比较逼近实现的，其转换速度由时钟频率决定，一般由几微妙到上百微妙之间。ADC0808，当时钟频率为640KHz时，转换时间为64us。3.3.2引脚排列及各引脚的功能引脚排列如图所示。各引脚的功能如图3-8
图3-8ADC0808的引脚图IN0～IN7：8个通道的模拟量输入端。可输入0～5V待转换的模拟电压。2-1～2-8：8位转换结果输出端。三态输出，2-8是最高位，2-1是最低位。A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输入；当CBA=111时，IN7输入。ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下跳沿启动ADC0808开始转换。脉冲宽度应不小于100～200ns。EOC：转换结束信号输出端。当EOC为高电平时表示转换结束，启动A/D转换时它自动变为低电平。ENABLE：输出允许端。OE为低电平时，D0～D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。CLOCK：时钟输入端。ADC0808的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100μs。REF（-）、REF（+）：参考电压输入端。ADC0808的参考电压为＋5V。VCC、GND：供电电源端。ADC0808使用＋5V单一电源供电。3.4湿度检测电路湿度传感器HM1500，HM1500是一种专门为那些OEM要求可靠性和精度高的测量所设计的，在基于HS1101简单电容性湿度传感器的基础上HM1500特别适用于在10～95%RH精确测量的环境。超过范围（<10%,>95%包括饱和）不会影响可靠性。湿度传感器HM1500与ADC0808连接如图3-9：图3-9湿度传感器HM1500与ADC0808连接3.5显示部分3.5.18279的引脚说明

它有40个引脚采用双列直插式封装。

D0～D7：双向数据总线，用于在CPU和8279之间传送命令、数据和状态。

CLK：时钟输入线，用语产生内部定时。

RESET：复位输入线。该引脚输入一个高电平将复位8279，复位后置为下列方式：16位显示左边输入；编码扫描键盘，双键封锁；时钟系数为31。

：片选信号。低电平有效。

A0：缓冲器地址输入线。高电平时数据线上传送的时命令或状态信息。低电平时数据线上传送的时数据信息。

：读有效输入线。低电平有效。读有效时内缓冲器数据读出，送外部数据总线。

：写有效输入线，低电平有效。写有效时缓冲器接收到外部数据总线上的数据。

IRQ：中断请求输出线，高电平有效。在键盘工作方式中，FIFO先进先出RAM中有键输入时，IRQ上升为高电平，向CPU请求中断。CPU每次读出FIFORAM中的数据时，IRQ变为低电平，若RAM中还有数据，IRQ在读出后又返回高电平，直至FIFO中的数据被读光，IRQ才保持低电平。在传感器方式中，每当检测到传感器信号变化时，IRQ上升