-PAGE20-本次課題的設計系統的示意圖如圖1-1。濕敏元件濕敏元件HS1101振蕩電路NE555模數轉換ADC0809核心處理器MCU-51個人PC電腦終端系統示意圖濕度測量電路設計傳感器的靜態特性所謂傳感器的靜態特性，是指在穩態信號作用下，傳感器輸出－輸入之間的關系特性。衡量傳感器靜態特性的重要指標有線性度、靈敏度、遲滯和重復性。線性度傳感器的線性度用傳感器的輸出與輸入之間的線性程度表示。如果不考慮遲滯和蠕變效應，一般可用下面的多項式表示。式中：y――輸出量；x――輸入物理量；――零位輸出；――傳感器線性靈敏度；――待定常數。在使用非線性特性的傳感器時，如果非線性項的方次不高，在輸入量變化范圍不大條件下，可以用切線或割線等直線來近似地代表實際曲線的一段。靈敏度靈敏度是指傳感器在穩態下輸出變化對輸入變化的比值，一般用來表示，即式中：――輸出量的變化；――輸入量的變化。對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態特性的斜率。非線性傳感器的靈敏度為一變量。一般希望傳感器的靈敏度高，在滿量程范圍內是恒定的，即傳感器的輸出－輸入特性為直線。遲滯在相同工作條件下做全量程范圍校準時，下行程（輸入量由小到大）和反行程（輸入量由大到小）所得輸出輸入特性曲線往往不重合。也就是說，對應同一大小的輸入信號，傳感器正反行程的輸出信號大小不相等，此即遲滯現象。遲滯（或稱回程誤差）正是用來描述傳感器在正反行程期間特性曲線不重合程度的。遲滯的大小常用正反行程最大輸出差值對滿量程輸出的百分比來表示的[4]。重復性重復性是指在相同工作條件下，輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得傳感器特性曲線不一致性的程度。多次重復測試的曲線重復性好，誤差也小。重復特性的好壞是與許多因素有關的，與產生遲滯現象具有的原因。其它的特性還有分辨力，傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為閾值；零漂，傳感器在零輸入狀態下，輸出值的變化零漂，零漂可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。傳感器的動態特性傳感器動態特性是指輸入量隨時間動態變化時，其輸出與輸入的關系。很多傳感器要在動態條件下檢測，被測量可能以各種形式隨時間變化。只要輸入量是時間的函數，則其輸出量也將是時間的函數，其間的關系要用動態特性來說明。為研究傳感器的動態特性，可建立其動態數學模型，用數學中的邏輯推理和運算方法，分拆傳感器在動態變化的輸入量作用下，輸出量如何隨時間改變。實際中，輸入信號隨時間的變化形式多種多樣，無法統一研究，所以通常只分析傳感器在標準輸入信號作用下的輸出。研究動態特性可以從時域和頻域兩個方面采用瞬態響應法和頻率響應法來分析。由于輸入信號的時候函數形式是多種多樣的，在時域內研究傳感器的響應特性時，只能研究幾種特定的輸入時間函數如階躍函數、脈沖函數和斜坡函數等的響應特性。對于任意輸入所引起的響應，可以利用兩個函數的卷積關系，即系統的響應等于沖激響應函數同激勵的卷積，即濕度傳感器的選擇濕度及其表示方法在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周圍的大氣里總是含有或多或少的水汽。大氣中含有水汽的多少，表示大氣中的干、濕程度，用濕度來表示，也就是說，濕度表示大氣干濕程度的物理量。大氣濕度有兩種表示方法：絕對濕度與相對濕度。絕對濕度絕對濕度表示單位體積空氣里所含水汽的質量，其表示為式中：――被測空氣的絕對（/，/）；――被測空氣中水汽的質量（，）；V――被測空氣的體積（）。相對濕度：相對濕度是氣體的絕對濕度（）與同一溫度下，水蒸汽已達到飽和的氣體的絕對濕度（）之比，常用%RH來表示。即式中：――待測氣體的水汽分壓；――同一溫度下水蒸汽的飽和水汽壓[3]。濕度傳感器HS1101濕度傳感器HS1101是基于獨特工藝設計的電容元件，這些相對濕度傳感器可以大批量生產?？梢詰糜谵k公室自動化，車廂內空氣質量控制，家電，工業控制系統等。它有以下幾個顯著的特點：全互換性，在標準環境下不需校正長時間飽和下快速脫濕可以自動化焊接，包括波峰或水浸高可靠性與長時間穩定性專利的固態聚合物結構可用于線性電壓或頻率輸出回路快速反應時間HS1101的簡單物照圖如圖2-1[5]。HS1101實物照相對濕度在0%～100%RH范圍內；電容量由162pF變到200pF,其誤差不大于2%RH；響應時間小于5s；溫度系統為0.04pF/℃。可見其精度是較高的。其濕度－電容響應曲線如圖2-2：20406080100相對濕度%20406080100相對濕度%200190180170電容F：HS1101濕度－電容響應曲線HS1101的一些常用參數如：：HS1101常用參數參數符號參數值單位工作溫度Ta-40～100℃儲存溫度Tstg-40～125℃供電電壓Vs10Vac濕度范圍RH0～100%RH焊接時間@=260℃t10S濕度測量電路HS1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。涉及如何將電容的變化量準確地轉變為計算機易于接受的信號時，常用兩種方法:一是將HS1101置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產生的正弦波電壓信號經整流、直流放大、再A/D轉換為數字信號;另一種是將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之呈反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。NE555時基電路NE555是一個能產生精確定時脈沖的高穩度控制器，其輸出驅動電流可達200mA.。在多諧振蕩器工作方式時，其輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一個外接電容確定；在單穩態工作方式時，其延時時間由一個外接電阻和一個外接電容確定，它可以延時數微秒到數小時。其工作電壓范圍為：4.5V16V。NE555的框圖如圖所示[5]。：NE555框圖基于555振蕩電路的濕度測量電路設計圖：測濕電路圖把HS1101和NE555同時接入電路中的電路設計原理圖如圖所示。NE555電路功能的簡單概括為:當6端和2端同時輸入為“1”時,3端輸出為“0”；當6端和2端同時輸入為“0”時,3端輸出為“1”。在此電路中,555定時器正是根據這一功能用作多穩態觸發器輸出頻率信號的。當電源接通時,由于6和2端的輸入為“0”,則定時器3腳輸出為“1”；又由于C1兩端電壓為0,故通過R2和R3對C1充電,當C1兩端電壓達到2/3時,定時電路翻轉,輸出變為“0”。此時555定時器內部的放電BJT的基極電壓為“1”,放電BJT導通,從而使電容C1通過R3和內部放電BJT進行放電,當C1兩端電壓降低到/3時,定時器又翻轉,使輸出變為“1”,內部放電BJT截止,VCC又開始通過R2和R3對C1充電,如此周而復始,形成振蕩。其工作循環中的充電時間為=0.7(R2+R3)C1；放電時間為=0.7R3*C1；輸出脈沖占空比為q＝(R2+R3)/(R2+2R3),為了使輸出脈沖占空比接近50％,R2應遠遠小于R3。當外界濕度變化時,HS1101兩端電容值發生改變,從而改變定時電路的輸出頻率。因此只要測出555的輸出頻率,并根據濕度與輸出頻率的關系,即可求得環境的濕度[6]。核心電路的設計ADC0809模數轉換器在單片機應用中，特別是在實時控制系統中，常常需要把外界連續變化的物理量（如濕度、濕度、壓力、流量），變成數字量送入計算機內進行加工處理。反之，也需要將計算機輸出的數字量轉為連續變化的模擬量，用心控制調節一些執行機構，實現對被控對象的控制。這種由模擬量變為數字量，或由數字量轉為模擬量的轉換，通常叫做模/數，或數/模轉換。用以實現這類轉換的器件，叫做模/數（A/D）轉換器或數/模（D/A）轉換器[7]。ADC0809應用簡介ADC0809具有8路模擬量輸入，可在程序控制下對任意通道進行A/D轉換，輸出8位二進制數字量。其主要性能有：逐次比較型；CMOS工藝制造；單電源供電；無需外部進行零點和滿量度調整；可鎖存三態輸出，輸出與TTL兼容；易與各種微控制器接口；具有鎖存控制的8路模擬開關；分辨率為8位；功耗為15mW；轉換時間（）為128；轉換精度為[8]。ADC0809的引腳圖如圖所示。：ADC0809引腳圖測濕電路與單片機連接NE555的輸出端跟ADC0809的IN0通道相接，則ADC0809芯片的地址選通為ADDR0,ADDR1,ADDR2都接地。ADC0809的轉換時鐘由單片機的ALE提供。ADC0809的典型轉換頻率為640kHz，ALE信號頻率與晶振頻率有關，如果晶振頻率取12MHz，則ALE的頻率為2MHz，所以ADC0809的時鐘端CLK與單片機的ALE端相接時，要考慮分頻。8051通過地址線P2.0和讀寫控制線、來控制模擬輸入通常地址鎖存、啟動和輸出允許。測濕電路與單片機的連接圖如圖3-2所示。測濕電路與單片機連接圖濕度誤差補償插值法子程序從NE555時基電路中輸出的是一個模擬信號，ADC0809的作用就是要把這個單片機不能識別的模擬信號轉換成一個可以讀取的數字信號。這時所用到的計算機思想就是插值法[9]。即當ADC0809的輸入與輸出特性為非線性時，可以用一個單調非線性函數來表示。將x的值分成幾個小段區間，每個區間的端點都對就一個輸出，把這些、編成表格存儲起來。實際的測量值一定會落在某個區間內，即<<。插值法的思想就是用一段簡單的曲線近似代替這段區間的實際曲線，然后用近似曲線公式計算出。是對ADC0809的操作流程圖。開始開始初始化ADC0809（1）發送ADC0809（1）地址啟動ADC0809（1）發送讀A/D命令讀A/D發送ADC0809（2）地址啟動ADC0809（2）發送讀A/D命令讀A/D：ADC0809操作流程圖單片機電路的設計MCS-51單片機所謂的單片機就是把中央處理器CPU、存儲器ROM/RAM、輸入輸出接口電路以及定時器/計數器等部件制作在一塊集成電路芯片中，構成一個完整的微型計算機――單片微型計算機。由于單片機把各種功能部件集成在一塊芯片上，因此它的結構緊湊、超小型化、可靠性高、價格低廉、易于開發應用。MCS-51單片機包括8031、8051、8751等很多型號，其代表型號為8051。AT89S51單片機本課題所設計的系統的核心采用的是AT89S51單片機，它是一個低功耗、高性能的CMOS8位單片機，片內含有4kBytesISP的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元。它具有以下特點：40個引腳，4kBytesFlash片內程序存儲器，128bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內有時鐘振蕩器。HMOS制造工藝的MCS-51單片機都采用40引腳的雙列直插（DIP）方式，CHMOS制造工藝的80C31/80C51除采用DIP封裝方式外，還采用PLCC方形的封裝方式。圖3-4是AT89S51的PDIP封裝引腳圖[10]。AT89S51的PDIP封裝其中，有主電源引腳，外接晶體引腳XTAL1和XTAL2，控制引腳、ALE/、、，輸入輸出接口P0～P3。時鐘晶振電路和復位電路AT89S51單片機在實際應用中，時鐘電路用于產生時鐘信號，時鐘信號是單片機內部各種各樣的微小操作的時間基準，在此基礎上，控制器按照指令的功能產生一系列在時間上有一定次序的信號，這些信號用來控制相關的邏輯電路工作，實現指令的功能。復位對單片機來說，是程序還沒開始執行，是在做準備工作。本系統在設計上對復位電路設計成上電復位加手動復位。這樣使用起來比較方便，就算是在程序“跑飛”（programfleet,跑飛是指系統受到某種干擾后,程序計數器PC的值偏離了給定的唯一變化歷程,導致程序運行偏離正常的運行路徑.程序跑飛因素及后果往往是不可預計的.在很多情況下,程序跑飛后系統會進入死循環而導致死機)時，也可以手動復位，不用再重起單片機電源。其ProtelDXP電路圖如圖[11]。AT89S51復位與晶振電路總體電路系統LED報警設計本設計中，在ST89S51單片機的P1.0口外接一個LED二極管作為對濕度測控的報警輸出。當濕敏元件HS1101對室內的濕度檢測時，達到某個值，就會在P1.0端口輸出高電平，使得LED發亮，以及時通知工作人員進行相關的操作。其電路原理圖如圖所示。系統報警電路系統總設計基于51單片機的HS1101傳感器濕度測控系統，主要由幾個部分組成：傳感器數據采集電路，模數轉換電路，LED報警電路，單片機主板電路等。其程序流程圖如圖所示。開始開始初始化讀濕度濕度轉換濕度比較圖系統總流程圖從流程圖可以知道，本系統在設計過程中包括了幾個子程序：讀濕度子程序，濕度轉換子程序，計算濕度子程序，比較子程序。本系統的部原理圖如圖4-8所示下面對本次設計的總電路進行說明。首先，AT89S51單片機具有許多特點，其功能強大、I/O接口多，但其內部的數據暫存存儲器的空間其實是比較小的，當用于多位的外圍外接芯片時，會出現內部RAM使用不足的狀況。所以，在本系統設計中，考慮到目前只是計劃應用于較小的機房中，監測點不多，因此本文沒有對片內RAM進行擴展或是改換單片機的型號。在實際編程中實現本系統的功能應該沒有太大的障礙。AT89S51具有4個I/O接口，它們分別是P0口、P1口、P2口和P3口。本文進行設計時只是用到了其中的部分接口，與本系統的其它部分進行連接，分別實現了不同的功能。例如：P1.0口通過電阻用于LED的外接；P2.0和P0所有接口接ADC0809模數轉換器等等。8051的接口通過非門與ADC0809的EOC接口相接，通過兩個或非門跟ADC0809的START、ALE和OE相連，這樣就可以使得8051可以通過讀寫控制線來控制輸入通道地址的鎖存、啟動和輸出允許。NE555電路中的參數選擇為：R1＝1K、R2＝499K、R3＝576K、R4＝909K。其中R1與555的頻率輸出引腳相連，起輸出短路保護作用，防止輸出電流過大。R4是用作555定時器內部溫度補償的，其應該具有1%的精度。由于這里采用的是TexasInstruments生產的NE555，所以根據微調R4和R3取值分別為909K和576K。：系統總原理圖電路PCB版圖設計本設計所用到的電路圖，是在ProtelDXP2004軟件中進行畫圖的，ProtelDXP2004是目前新一代完整的板級設計工具，它是Altium公司2004年的最新產品。本原理圖在Protel中進行編譯后，然后確定元件的封裝沒有問題，再進行網絡表的制作。本設計的PCB版圖是直接從生成的網絡表直接載入的，載入元件封裝后，再進行元件的布局。元件的布局一般從以下幾個方面考慮：高頻元件之間的連線要短，易受干擾的元件不能離得太近。重量太大的元件要有支架固定。易發熱元件要遠離熱敏元件。對于電位器、可調電感線圈、可變電容、微動開關等可調元件的布局要考慮整機的結構要求。預留出電路板的安裝孔和支架的安裝孔。信號遵循從左邊進入、從右邊輸出，從上邊輸入、從下邊輸出。本設計所用的PCB版圖如圖3-9所示：圖：系統PCB版圖系統的PCB版圖所用的是二層布線，用的是Protel自帶的自動布線工具。用Protel軟件里面的3D效果圖工具可以得到下面的圖：系統3D效果圖本設計的電路中所用到的元件的實物照片如下所示：晶振集成與非門ADC0809NE555AT89S51HS1101系統所用元件的實物圖單片機與PC間的串行通訊RS-232-C接口計算機與計算機之間或計算機與終端之間的數據傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。其中串行通訊基于它本身的使用線路少、成本低等多個優點而被廣泛使用。RS-2323-C接口是目前最為常用的一種串行通訊接口。它是1970年由美國電子工業協會（EIA）聯合貝爾系統、調制解調器廠家及計算機終端生產廠家共同制定的用于串行通訊的標準。RS-232接口標準采用25個引腳的連接器其電氣特性是：邏輯“1”，-5—-15V；邏輯“0”，+5—+15V。噪聲容限為2V。其物理特性有：傳輸線采用屏蔽雙絞線，傳輸電纜的長度最大為50英尺。RS-232-C接口也有其不足的地方，主要有：接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片；傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20Kbps；接口的共地傳輸模式容易產生共模干擾，所以抗噪聲干擾性比較弱；傳輸距離有限等。單片機和PC通信連接PC機作為上位機，它是對單片機進行各種各樣的管理和控制的。本系統在實際設計和編程過程中，對AT89S51和PC機的通信采用了單電源電平轉換器ICL232。對于AT89S51的發送和接收，其間的通訊協議如下[10]：通訊波特率為4800b/s，晶振為12MHz，其中T1為方式2,可以計算得到TH1為F3H和SMOD為1。系統采用串行口方式3,字符格式為1位起始位、8位數據位（低位在前）、1位停止位和TB8=0。發送或接收數據塊起始地址存放單元為41H和40H，其中41H為數據塊起始地址高字節存放單元，40H為數據塊起始地址低字節存放單元；數據塊長度存放單元為32H和31H，其中32H為數據塊長度高字節存放單元，31H為數據塊長度低字節存放單元。8051串行口以中斷方式進行發送和接收，發送時先發數據塊起始地址低字節和高字節，然后發送數據塊長度的低字節和高字節，最后發送數據。數據長度高字節和低字節由主程序在發送前先調入R2和R3中。其發送和接收子程序的流程圖如圖所示。標記寄存器R2初始化定時器T1為方式2標記寄存器R2初始化定時器T1為方式2設定T1初值啟動T1工作串行口為方式3開中斷等待串行口中斷標記寄存器R2初始化定時器T1為方式2設定T1初值啟動T1工作串行口為方式3，允許接收并開中斷等待串行口中斷（a）發送子程序流程圖（b）接收子程序流程圖RS232發送與接收流程圖本系統在KeiluVision2中使用匯編程序來對發送和接收子程序寫出簡單的程序清單。發送子程序的清單：ORG1000HMOVR0,#03HORLPCON,#80H;設定SMOD＝1MOVTMOD,#20H;設定T1為方式2MOVTH1,#0F3H;設定T1值MOVTL1,#0F3HSETBTR1;啟動T1工作MOVSCON,#0E0H;串行口方式3,禁止接收MOVIE,#90H;開串行口中斷MOVSBUF,#77;數據塊始址送發送緩沖器WAIT1:JBES,WAIT1;等待串行口中斷RET接收子程序的清單：MOVR0,#03HMOVTMOD,#20H;設定T1為方式2MOVTH1,#0F3H;設定T1初值MOVTL1,#0F3HSETBTR1MOVSCON,#0FOH;啟動T1工作MOVIE,#90H;開串行口中斷WAIT2:JBES,ATIT2;等待串行口中斷RET結論鑒于當前的基于單片機的測控系統中，溫度測控有著廣泛的應用來成熟的技術，本課題在提出時是基于另一個新穎的角度――濕度測控。濕度測控雖然提出較早，但由于其應用的廣度和技術的瓶頸，其發展速度有些滯后，除開在溫室種植和大型重要倉庫中有著重要的地位外，在其它地方往往得不到重視。本文針對平常的實驗室的室內濕度的測控作為出發點，將多種信息處理技術和總線通信技術相結合，設計了一套實時的、全面的、可靠的室內濕度測控系統。本設計具有多個特出的方面。在本系統中，采用了模塊化、層次化設計。單片機與監控計算機之間采用RS232總線通信標準，用簡單、高效的通信電路實現監測數據的讀取。能過計算機的實時監測，能夠迅速對信息進行采集、報警和處理。并能夠存儲大量的數據供有關工作人員進行瀏覽、查詢和控制。成功地開發出一套結構簡單、性能安全、