西南科技大學專業方向設計報告課程名稱： 自動化專業方向設計 設計名稱： 基于hs1101的濕度測量儀設計 姓 名： 學 號: 班 級： 自動化0801班 指導教師： 起止日期： 2011.11.072011.11.30 西南科技大學信息工程學院制20方 向 設 計 任 務 書學生班級： 自動化0801班 學生姓名： 學號： 20085019 設計名稱： 基于hs1101的濕度測量儀設計 起止日期： 2011.11.072011.11.30 指導教師： 朱玉玉 設計要求：一、設計內容 1、使用hs1101傳感器完成濕度測量電路。 2、設計電容/頻率（c/f）轉換電路、頻率/電壓（f/v）轉換、減法電路及v/i轉換電路。 3、完成必要的電路仿真 4、搭建電路調試二、基本要求1、測量范圍0100%rh，精度小于5%2、分析結果。方 向 設 計 學 生 日 志時間設計內容2011.11.09聯系指導老師，熟悉設計內容及基本要求11.1011.15查閱相關資料及構建設計方向框架2011.11.16聯系指導老師就方向設計框架答疑11.1711.20搭建各模塊硬件仿真電路（c/f轉換、f/v轉換、a/d轉換及顯示電路）11.2111.22a/d轉換軟件控制及數碼管顯示軟件控制程序調試2011.11.23聯系指導老師就整體硬件和軟件仿真電路提出改進建議11.2411.25撰寫專業方向設計報告基于hs1101的濕度測量儀設計 摘要：此濕度測量儀是基于電容式濕度傳感器hs1101和單片機at89s51對濕度測量并通過四位共陽極數碼管顯示。hs1101是電容式濕度傳感器，在不同的濕度環境下呈現出不同的電容值。在0%100%rh濕度范圍內，電容從163pf變化到202pf，測量誤差為2%rh。為了反映出其電容的變化，本系統采用ne555多諧震蕩電路產生不同的頻率，同時將頻率通過lm331轉換為電壓并通過a/d轉換將其轉換位數字量，單片機采集到a/d轉換后的數據進行處理與計算，得出當前的濕度并送給數碼管顯示。關鍵詞：hs1101；c/f轉換；f/v轉換；a/d轉換；at89s51design of humidity measurer based on hs1101abstract: the humidity measurer is based on moisture sensor of capacitive - hs1101 and scm -at89s51 for humidity measurement and displayed by a total of four anode digital tube. hs1101 is moisture sensor of capacitive which presents different capacitance in different air humidity. the capacitance changed from 163pf to202pf while the humidity changed within the scope of 0% 100% rh and error of measurement is only 2% rh. in order to reflect the change of capacitance, the system own different frequency through the flip-flop circuit of ne555 and convert frequency to voltage through lm331 and then conversion into digital quantity by a/d conversion. scm calculate the data and then send the humidity to digital tube to display. keywords: hs1101；c/f conversion；f/v switching；a/d conversion；at89s51目 錄一、設計目的和意義2二、控制要求21、設計內容22、基本要求2三、設計方案論證21、總體方案設計22、系統主要單元選擇與論證3(1)振蕩電路單元模塊選擇與論證3(2)f/v轉換單元模塊選擇與論證3(3)模數轉換單元模塊選擇與論證3(4)顯示單元模塊選擇與論證3四、系統設計31、系統硬件電路設計3(1)濕度的測量3(2)濕度/頻率轉換電路（線性頻率輸出式相對濕度測量電路）5(3)頻率/電壓轉換電路6(4)模數轉換電路8(5) 顯示單元電路112、系統軟件設計12(1)系統主程序設計12(2)數據處理子程序和數碼管顯示子程序12(3)a/d轉換子程序設計13五、設計結果及分析13六、結束語14參考文獻15附錄1 系統整體電路圖16附錄2 程序代碼17一、設計目的和意義本課程設計是為自動化專業高年級本科生開設的必修課，是對學生運用所學知識的一次綜合訓練。其目的是讓學生得到一次進行獨立設計的工程實踐鍛煉，不僅培養嚴謹的科學態度和扎實的實踐技能、良好的工程意識，并在設計中學會如何發現、分析和解決工程實踐問題的技能和方法，將所學知識綜合應用于工程實踐中，通過課程設計，既有助于鞏固同學們所學專業知識、培養獨立設計能力、提高綜合運用知識的能力，同時也為后續的畢業設計做好準備。二、控制要求1、設計內容 (1) 、使用hs1101傳感器完成濕度測量電路；(2) 、設計電容/頻率（c/f）轉換電路、頻率/電壓（f/v）轉換、減法電路及v/i轉換電路；(3) 、完成必要的電路仿真；(4) 、搭建電路調試。2、基本要求(1) 、測量范圍0100%rh，精度小于5%；(2) 、分析結果。三、設計方案論證1、總體方案設計本課題所設計的系統有三個原則：1、操作簡便，為了利于系統的推廣，在設計時應該充分采用操作內置或簡化的方法。2、可靠性，本系統所有的環節中，都應該有著可靠性的思想，從選用可靠性高的元器件；供電電源采用抗干擾措施；進行多向濾波等作為出發點。3、性價比，本課題所設計的系統的核心是單片機，它本身有著多個優勢，要使得系統能夠廣泛地應用，在充分考慮可靠性的同時，盡可能降低成本，提高系統的性價比。本次課題的設計系統的示意圖如圖1。圖1 系統示意圖2、系統主要單元選擇與論證(1)振蕩電路單元模塊選擇與論證ne555 （timer ic）為8腳時基集成電路，它是屬于555系列的計時ic的其中的一種型號，555系列ic的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩定度、省電、可產生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個用途很廣且相當普遍的計時ic，只需少數的電阻和電容，便可產生數位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號。它的計時精確度高、溫度穩定度佳，且價格便宜，故為本系統的最優方案。(2)f/v轉換單元模塊選擇與論證lm331是一種廉價的精密頻率電壓轉換器，采用了新的溫度補償能隙基準電路，在整個工作溫度范圍內（-55+125）都有極高的精度，而且其轉換的線性精度高達0.01、功耗低（5v單電源時典型值為15mw）、動態范圍寬、滿量程頻率范圍寬(1hz100khz),故為該系統的最優方案。(3)模數轉換單元模塊選擇與論證方案一：采用a/d轉換芯片icl7107，icl7107是高性能、低能耗的三位半a/d轉換器電路。它包含有七段譯碼器、顯示驅動器參考源和時鐘電路，但引腳較多，共有40個引腳，而且icl7107需要直接接數碼管，故本系統不采用。方案二：采用集成a/d轉換器adc0801，adc0801是較流行的中速單通道8為全mos a/d轉換器，它內部含有時鐘電路，只需外接一個電阻和電容就可自身提供時鐘信號，而且引腳較少，控制較為簡單。因此，本方案為首選方案。綜上所述，模數轉換單元模塊選擇方案二。(4)顯示單元模塊選擇與論證方案一：采用12864液晶模塊顯示測得的數據，可顯示較多組的數據，字體較大，可清晰讀數，但12864液晶模塊價格昂貴，接線復雜，故不采用。方案二：采用四位共陽極數碼管顯示所測數據，數碼管接線簡單方便，同時也能滿足顯示需要，價格遠低于12864液晶。因此，本方案為首選方案。綜上所述，顯示模塊選擇方案二。四、系統設計1、系統硬件電路設計(1)濕度的測量本系統采用hs1101作為濕度傳感器，hs1101是美國humirel公司新推出的濕敏電容，采用了固態聚合物（solid polymer）專利技術，能夠成不同輸出形式的相對濕度檢測電路，還可用作濕度補償。hs1101的性能特點a、測量范圍是（0100）rh。在55rh下的標稱電容量為180pf,允許有3pf的偏差。溫度系數為+0.04pf/。在（3375）rh范圍內的平均靈敏度為0.34pf/rh。b、產品具有良好的互換性。在標準條件下（10、+25），更換hs1101時不需要重新標定。c、既可以構成線性電壓輸出電路，亦可組成線性頻率輸出電路。由它們組成振蕩電路時，振蕩頻率范圍是5khz100khz，典型值為10khz。d、響應速度快（響應時間為5s）,恢復時間短（10s），長期穩定性好（年漂移量僅為1.5rh），濕度滯后量為1.5。e、供電電壓一般選+5v，最高不超過+10v。+5v供電時漏電流僅為1na。工作溫度范圍是-40+100。hs1101的工作原理圖2示出某典型產品的電容量與相對濕度的響應曲線，其測試條件為工作頻率f=100khz，室溫=+25。量濕敏電容在55rh下的電容量為，如圖2可見，該產品的=181.5pf。當相對濕度從0變化到100時，就從163pf增加到202pf。圖2 某典型產品的電容量與相對濕度的響應曲線當rh55時，可按下式對電容量進行修正： (1)利用式(1)不難驗證，當 =181.5pf、rh分別等于0、100時，c依次為163.4pf、201.6pf。這與從圖2上所查到的結果完全一致。當工作頻率f10時，應按下式計算實際電容量： (2)式中，頻率單位是，允許工作頻率范圍是5100。舉例說明，當時，利用式(2)計算出；當時，。(2)濕度/頻率轉換電路（線性頻率輸出式相對濕度測量電路）hs1101將濕度變化轉換為電容變化，再將電容的變化轉換為頻率信號的變化。本設計應用了有ne555定時器組成的典型的多諧振蕩電路。線性頻率輸出式相對濕度測量電路如圖3所示，利用一片cmos定時器ne555，配上hs1101和電阻、構成單穩態電路，將相對濕度轉化為頻率信號。輸出頻率范圍是73516033，所對應的相對濕度為0100。當rh=55時，=6660。輸出頻率信號可送至數字頻率計或單片機系統，測量并顯示出相對濕度值。為輸出端的限流電阻，起保護作用。圖3 線性頻率輸出式相對濕度測量電路通電后，電源沿著電源地的途徑給c充電，經過時間后濕敏電容的壓降就被充電到ne555的高觸發電平，使內部比較器翻轉，q端的輸出變成低電平。然后開始放電，放電回路為端內部放電管地。經過時間，降至低觸發電平，內部比較器再次翻轉，使q端輸出高電平。這樣周而復始的進行充、放電，就形成了震蕩。充電、放電時間分別為 (3) (4) 輸出波形的頻率()和占空比(d)的計算公式如下： (5) (6) 通常取，使，輸出接近于方波。例如，取、時，d=52。當時，由式(5)求出，這與6660hz（典型值）非常接近。、時，輸出方波頻率與相對濕度的數據對照見表1。表1 輸出方波頻率與相對濕度的數據對照表rh/()0102030405060708090100f/hz73517224710069766853672866006468633061866033當時，可利用下式對輸出頻率進行修正： (7)舉例說明，當rh=0時，由式(7)計算出=1.1038=1.10386660hz=7351.3hz。同理，當rh=100時，=0.9059=6033.3hz。這與表1中給出的數據相吻合。(3)頻率/電壓轉換電路將濕度信號轉換為頻率信號后，由于a/d轉換的信號是電壓信號，所以必須將頻率信號進一步轉換為電壓信號。頻率電壓（f/v）轉換采用了lm331。 lm331概述lm331是美國ns公司生產的性價比比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉換器、a/d轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器及其他相關器件。采用了新的能隙基準電路，在工作溫度范圍內和4v電源電壓范圍內有極高的精度。lm331動態范圍寬，可達到100db;線性度好，最大非線性失真小于0.01%，工頻降低到0.1hz時也能保證較好的現行；變化精度高，數字分辨率可達到12位外接電路簡單，只需要介入幾個外部元件就很容易構成v/f獲f/v轉換。 lm331內部結構圖4 lm331內部結構由圖4所示，lm331主要有輸入比較器、定時比較器、r-s觸發器、復零晶體管、能隙基準電路、精密電流源電路、電流開關、輸出保護管、輸出驅動管等部分組成。輸出驅動管采用集電極開路形式，可以通過選擇邏輯電流和外接電阻靈活改變輸出脈沖的邏輯電平。lm331可以采用雙電源或單電源供電，工作電壓4.040v,輸出高達40v，而且可以有效防止vcc短路。 工作原理分析由f/v轉換原理圖知，輸入脈沖經過、組成的微分電路加到輸入比較器的反向輸入端，同相輸入端經過、分壓加了大約直流電壓，而反向輸入端加了直流電壓。當輸入脈沖下降沿到來時，經過、組成的微分電路形成的負脈沖加到反向輸入端，當幅值大于時，輸入比較器輸出高電平，使r-s觸發器置位，此時電流開關打向右邊，電流源對充電。而復零晶體管截止，通過對充電，當兩端電壓達到的時候，定時比較器輸出高電平，使r-s觸發器復位，電流開關打向左邊，通過放電，同時復零晶體管導通，迅速放電，完成一次充放電過程，下降沿脈沖來時重復上述過程。圖5 f/v轉換原理圖由分析可知充電時間由、決定，充電電流大小由決定，輸入頻率越高，積累電荷越多，輸出電壓越高（兩端電壓），實現了f/v轉換。由v/f轉換電路分析得出公式可知： (8)電容不宜選擇太小，應該保證輸入脈沖經過微分以后有足夠的幅值來觸發輸入比較器，但小些有利于提高轉換電路抗干擾能力。和組成低通濾波器。大些會使紋波小些，而小些，當頻率變化時，輸出響應快些。(4)模數轉換電路由于單片機采集的數據只能是數字量，而經lm331轉換后的電壓值為連續的模擬量，故需要通過a/d轉換先將其轉換為數字量后再送經單片機p1口。本系統采用的a/d轉換器為adc0801。 模數轉換芯片adc0801引腳圖及功能介紹adc0801各引腳的功能如下：a、1()、2()和3()腳為輸入控制端，都是低電平有效。為輸入片選信號，時，選中此芯片，可以進行轉換。為輸出允許信號，轉換完成后，允許外電路取走轉換結果。為輸入啟動轉換信號，時，啟動芯片進行轉換。圖6 adc0801引腳圖b、 4()腳為外部時鐘脈沖輸入端，時鐘脈沖頻率的典型值為640 khz。c、 5()腳為輸出控制端，低電平有效。當一次轉換結束時，自動由高電平變為低電平，以通知其他設備(如計算機)來取結果。下一次轉換開始時，又自動由低電平變為高電平。adc0801的一次轉換時間約為100 us。 e、 6()和 7()腳為模擬信號輸入端，是輸入級差分放大電路的兩個輸入端。如果輸入電壓為正，則從6腳輸入，7腳接地；如果為負，則反之。f、 8()腳為模擬信號接地端。g、 9()腳為外接參考電壓輸入端，其值約為輸入電壓范圍的二分之一。當輸入電壓為05 v時，此端通常不接，而由芯片內部提供參考電壓。 h、 10()腳為數字信號接地端。 i、 1118()腳為八位數字量的輸出端，由三態鎖存器輸出，因此數據輸出可以采用總線結構。 j、 19()腳為內部時鐘脈沖端。由內部時鐘脈沖發生器提供時鐘脈沖，但要外接一個電阻r和一個電容c，如圖7所示。內部時鐘脈沖的頻率為 (9)當、時， 。內部時鐘脈沖產生后，也可以從19端輸出，供同一系統中其他芯片使用。 k、 20( )腳為電源端，。 adc0801應用利用adc0801進行一次a/d轉換，其工作過程為：先由外電路給片選端輸入一個低電平，選中此芯片使之進入工作狀態，此時輸出為高電平，表示轉換沒有完成，芯片輸出為高阻態。和為高電平時芯片不工作。當外電路給端輸入一個低電平時啟動芯片，正式開始a/d轉換。轉換完成后，輸出為低電平，允許外電路取走d0d7數據，此時外電路使和為高電平，a/d轉換停止。外電路取走數據后，使為低電平，表示數據已取走。若要再進行一次a/d轉換，則重復上述控制轉換過程。圖7 adc0801應用接線圖圖7所示電路是adc0801連續轉換工作狀態：使和端接地，允許電路開始轉換：因為不需要外電路取轉換結果，也使和端接地，此時在時鐘脈沖控制下，對輸入電壓進行a/d轉換。八位二進制輸出端接至八個發光二極管的陰極。輸出為高電平的輸出端，其對應的發光二極管不亮；輸出為低電平的輸出端，其對應的發光二極管就亮。通過發光二極管的亮、滅，就可知道a/d轉換的結果。改變輸入模擬電壓的值，可以得到不同的二進制輸出值。圖8 a/d轉換及單片機接口電路圖8是本系統中adc0801及單片機接口電路。(5) 顯示單元電路經a/d轉換后的數字量送到單片機p1口，經單片機處理后便可送到數碼管顯示。當濕敏電容容值為163pf時，由hs1101特性知rh值為0%，而此時a/d轉換后輸出數值為0a5h；當濕敏電容容值為202pf時，由hs1101特性知rh值為100%，此時a/d轉換后輸出數值為85h；濕度變化與a/d轉換輸出數值近似呈線性關系，故可得到實際濕度計算公式如下： (10)由于at89s51單片機用匯編語言編程不能處理浮點數據，故將對濕度計算值進行近似處理，將計算所得到的值直接送到數碼管顯示即可。2、系統軟件設計(1)系統主程序設計圖9 系統主程序(2)數據處理子程序和數碼管顯示子程序圖10 數據處理子程序和數碼管顯示子程序(3)a/d轉換子程序設計圖11 a/d轉換子程序五、設計結果及分析當hs1101容值為163pf時，系統顯示濕度為0%rh；當hs1101容值為182pf時，系統顯示濕度為50%rh；當hs1101容值為202pf時，系統顯示濕度為100%rh。這與理論數據非常接近，誤差能保持在2%rh,精度小于5%rh。系統測得的相對濕度值與hs1101容值數據對照表如表2：表2 系統所測相對濕度值與hs1101容值數據對照表c(hz)163167170174177181184189194198202rh/(%)092131405059718190100表中數據與通過公式計算所得結果非常接近，誤差很小，實用性較強。由于c/f轉換電路產生的方波頻率較高，減緩了cpu的掃描速度，因此數碼管顯示在仿真時會出現閃爍，但在實物中不會出現類似現象，不會造成影響。六、結束語本溫濕度計的制作基本上達到了題目要求的技術指標，濕度為0-100%，濕度測量誤差為3%；課程設計是培養學生綜合運用所學知識,發現,提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環節,是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.隨著科學技術發展的日新日異，單片機已經成為當今計算機應用中空前活躍的領域，在生活中可以說得是無處不在。因此作為二十一世紀的大學來說掌握單片機的開發技術是十分重要的。從最開始的方案分析設計、到后來的系統分析選擇，再到最后系統的實現，本人從中學到了不少知識，也積累了很多系統開發的經驗。通過對這個系統的開發，使得我自己對電子設計有了一個比較全面的了解，讓我真正體會了設計的基本思路和構架。參考文獻1 沙占友.集成化智能傳感器原理與應用m.北京：電子工業出版社，2004.108-110.2 王藝筱.濕度測量儀的設計與制作.中國-東盟博覽，2011年05期.3 陳永甫.新編555集成電路應用800例m.北京：電子工業出版社，2000.7，116.4 彭容修.數字電子技術基礎（第二版）m.武漢：武漢理工大學出版社，2006.2.5 康華光.電子技術基礎 數字部分（第四版）m.北京：高等教育出版社，2000.373-376.6 姜志海、黃玉清、劉連鑫.單片機原理及應用（第二版）m.北京：電子工業出版社，2009.4.附錄1 系統整體電路圖附錄2 程序代碼a_bit equ 78h ;數碼管個位數存放內存位置b_bit equ 79h ;數碼管十位數存放內存位置c_bit equ 7ah ;數碼管百位數存放內存位置org0000hajmpmain org0030hmain:acalladacallshidu aca