1、基于單片機的糧倉溫濕度檢測系統(tǒng) 摘要 本系統(tǒng)是通過單片機，來實現(xiàn)對糧倉的溫濕度進(jìn)行自動測量。系統(tǒng) AT89C51 單片 機為基礎(chǔ)，通過數(shù)字及模擬式傳感器對溫度，濕度進(jìn)行檢測。在設(shè)計中 51 單片機是整 個系統(tǒng)的心臟，AD590 溫度采集放大電路把測量的溫度信號發(fā)送給 ICL7109，ICL7109 轉(zhuǎn)換器將接受到的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給 89C51，而 HS1101 濕度傳感器是直 接測量出數(shù)字信號發(fā)送給 89C51，89C51 對溫濕度信號進(jìn)行運算控制，由液晶顯示器 YM19264 顯示出來。設(shè)計分別從硬件和軟件兩個方面對此溫濕度檢測系統(tǒng)進(jìn)行了分析。 本系統(tǒng)主要由集成溫濕度傳感器、12

2、 位雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ICL7109、主芯片 AT89C51 和液晶顯示芯片 YM19264 組成。硬件部分介紹了系統(tǒng)總體工作流程、器件選擇、芯片 功能及工作原理等。軟件部分設(shè)計了計數(shù)、數(shù)據(jù)采集、溫濕度顯示等子程序來完善整 個系統(tǒng)的檢測功能。該系統(tǒng)操作簡單，安裝方便，性能穩(wěn)定可靠，特別適用于需對溫 濕度及時監(jiān)測的糧倉，庫房等場所。 目 錄 摘要.I ABSTRACT.II 1 緒論.1 1.1 背景.1 1.2 國內(nèi)外研究狀況和相關(guān)領(lǐng)域研究成果.1 1.2.1 糧倉溫濕度檢測發(fā)展?fàn)顩r.1 1.2.2 單片機歷史.2 1.3 研究內(nèi)容和研究方法.3 2 系統(tǒng)的總體設(shè)計.4 2.1 系統(tǒng)的組成.4

3、 2.2 系統(tǒng)工作流程.4 2.3 系統(tǒng)的功能介紹.5 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計.6 3.1 AT89C51 單片機功能介紹 .6 3.1.1 芯片簡介.6 3.1.2 AT89C51 各引腳在設(shè)計中的定義.6 3.1.3 上電手動復(fù)位電路.8 3.1.4 振蕩電路.8 3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器.9 3.2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇.9 3.2.2 AD 轉(zhuǎn)換器 ICL7109 的特點.9 3.2.3 I CL7109 芯片引腳說明及外部連接.10 3.2.4 ICL7109 與 89C51 單片機的硬件接口設(shè)計 .12 3.3 溫度采集系統(tǒng).14 3.3.1 集成溫度傳感器的選擇.14 3.3.2 AD59

4、0 的性能特點.15 3.3.3 溫度采集電路.15 3.4 濕度檢測.16 3.4.1 濕度傳感器的選擇.16 3.4.2 HS1101 的性能特點 .17 3.4.3 濕度測量電路.18 3.5 鍵盤及顯示接口擴展.19 3.5.1 芯片的選擇.19 3.5.2 YM19264 的引腳功能介紹.20 3.5.3 YM19264 與 AT89C51 的連接.21 4系統(tǒng)軟件設(shè)計.22 4.1 程序開發(fā)環(huán)境及設(shè)計原則.22 4.2 本設(shè)計程序功能及流程.22 結(jié) 論.26 致 謝.27 參考文獻(xiàn).28 附錄 A （英文文獻(xiàn)）.29 附錄 B （中文譯文）.36 附錄 C （程序）.41 1緒論

5、 1.1 背景 由古至今，糧倉糧食的存儲是否得當(dāng)對國家的經(jīng)濟(jì)能否正常合理的運行有 很大的影響。但是在以前的經(jīng)濟(jì)和科技水平有限，所以我國糧食的存儲的環(huán)境 很差，管理落后。糧庫管理的重點之一就是要合理布置測溫點，經(jīng)常檢查溫度 變化，以便及時發(fā)現(xiàn)糧食的發(fā)熱點，減少糧食的損失。然而，糧堆的熱傳遞又 是那樣的緩慢，使人感知極差，需要管理人員經(jīng)常進(jìn)入悶熱、嗆人的倉房內(nèi)觀 察溫、濕度，不斷進(jìn)行翻倉、通風(fēng)，這種繁重的體力勞動，不僅對人體有極大 地傷害，而且不科學(xué)、不及時。所以，糧食蟲蛀、霉變的情況時有發(fā)生。 1.2 國內(nèi)外研究狀況和相關(guān)領(lǐng)域研究成果 1.2.1 糧倉溫濕度檢測發(fā)展?fàn)顩r 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，使監(jiān)

6、控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，因此， 糧情檢測技術(shù)糧情檢測屬監(jiān)控系統(tǒng)范疇，近年來，由于計算機技術(shù)、超大規(guī)模 集成電路技術(shù)和的研究在軟、硬件等方面都有了一定的進(jìn)展。 早期糧情監(jiān)測主要采用溫度計測量法，它是將溫度計放入特制的插桿中， 根據(jù)經(jīng)驗插在糧堆的多個測溫點，管理人員定期拔出讀數(shù)，確定糧溫的高、低， 決定是否倒糧。這種方法對儲糧有一定的作用，但由于溫度計精度、人工讀數(shù) 的人為因素等原因，溫度檢測不僅速度慢，而且精度低，抽樣不徹底，局部糧 溫過高不易被及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致因局部糧食發(fā)霉變質(zhì)引起大面積壞糧的情況時有 發(fā)生。隨著科技的發(fā)展，從 1978 年開始，采用電阻式溫度傳感器、采樣器、 模數(shù)轉(zhuǎn)換

7、器、報警器等組成的儲糧監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)，它可對各糧庫的各個測溫點 進(jìn)行巡回檢測，檢測速度、精度大大提高，降低了勞動強度，但由于電阻傳感 器的靈敏度低，致檢測精度、系統(tǒng)可靠性還不夠理想。至 1990 年，糧情檢測 系統(tǒng)有了很大的改善和提高，系統(tǒng)在布線上采用矩陣式布線技術(shù)，簡化了數(shù)據(jù) 采集部分的線路，在傳感器方面應(yīng)用了半導(dǎo)體、熱電偶等器件；在線路傳輸上 采用了串行傳輸方式，從而減少了傳輸線根數(shù)；采用單板機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并 采用各種手段提高數(shù)據(jù)傳輸及檢測速度，通過軟硬件技術(shù)的結(jié)合，檢測精度和 可靠性較前有很大提高。但溫度傳感器的線性度差，系統(tǒng)的檢測精度仍不理想， 無法大面積推廣。近年來，隨著單片機功能的

8、日益強大和計算機的廣泛應(yīng)用， 糧情檢測的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性要求越來越高。尋找最佳配置和最好的性價比成為 糧情監(jiān)測研究的熱點國外在糧情監(jiān)控技術(shù)上已達(dá)到了很成熟的地步，高科技數(shù) 字式傳感器廣泛應(yīng)用于糧情檢測系統(tǒng)。這種傳感器采用了半導(dǎo)體集成電路與微 控制器最新技術(shù)，在一個管芯上集成了半導(dǎo)體溫度檢測芯片、數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換芯 片、計算機接口芯片，轉(zhuǎn)換、溫度補償?shù)裙δ?。由于?shù)字溫度傳感器直接傳出 數(shù)字量，從而解決了溫度信號長距離傳輸問題及傳輸過程中因干擾和衰減而導(dǎo) 致的精度降低等問題。目前，國內(nèi)出現(xiàn)了豐富的數(shù)字傳感器配套產(chǎn)品，如遠(yuǎn)程 控制模塊、中繼器、接插器、分線器等，技術(shù)也比較成熟。數(shù)字傳感技術(shù)、通 信技術(shù)、計

9、算機成為當(dāng)今信息技術(shù)的的三大基礎(chǔ)，計算機監(jiān)控技術(shù)已成人們關(guān) 注的熱點。 1.2.1 單片機歷史 單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計 算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體 積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學(xué)習(xí) 使用單片機了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 可以說，二十世紀(jì)跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進(jìn)入 的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱 PC 機。它由主機、 鍵盤、顯示器等組成） 。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機 就是把智能賦予各種機械的單片

10、機（亦稱微控制器） 。顧名思義，這種計算機的 最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡單運算和控制。因為它體積小，通 常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用， 它出了毛病，整個裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機的使用領(lǐng)域已十分廣泛， 如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用 上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞 “智能型”，如智能型洗衣機等?，F(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開 發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究 其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。 單片

11、機的歷史 ： 第一代：七十年代后期， 4 位邏輯控制器件發(fā)展到 8 位。使用 NMOS 工藝 （速度低，功耗大、集成度低） 。代表產(chǎn)品： MC6800 、 Intel 8048 。 第二代：八十年代初，采用 CMOS 工藝，并逐漸被高速低功耗的 HMOS 工 藝代替。代表產(chǎn)品： MC 、 Intel 8051 。 第三代：近十年來， MCU 的發(fā)展出現(xiàn)了許多新特點： （ 1 ）在技術(shù)上，由可擴展總線型向純單片型發(fā)展，即只能工作在單片方式。 （ 2 ） MCU 的擴展方式從并行總線型發(fā)展出各種串行總線。 （ 3 ）將多個 CPU 集成到一個 MCU 中。 （ 4 ）在降低功耗，提高可靠性方面，

12、MCU 工作電壓已降至 3.3V 。 第四代： FLASH 的使用使 MCU 技術(shù)進(jìn)入了第四代。 1.3 研究內(nèi)容和研究方法 本課題需要研究的內(nèi)容主要有以下幾方面： （1）根據(jù)系統(tǒng)功能要求并且考慮系統(tǒng)的實用性和可操作性，進(jìn)行系統(tǒng)的整 體方案設(shè)計。該方案采用模塊化設(shè)計方法，以方便系統(tǒng)調(diào)試和用戶的使用。 （2）系統(tǒng)硬件設(shè)計。主要內(nèi)容包括芯片的選擇、芯片的功能介紹、芯片外 圍電路的設(shè)計等。 （3）系統(tǒng)軟件設(shè)計。主要包括系統(tǒng)主程序，記數(shù)程序，采樣子程序，讀顯 示子程序，寫顯示 RAM 子程序。 本設(shè)計以實用為出發(fā)點，力求設(shè)計原理簡單，開發(fā)成本低，易于實現(xiàn)。器 件選擇上，也考慮到實際應(yīng)用的具體情況。單片

13、機控制可靠性高，溫濕度傳感 器采集信號誤差小，穩(wěn)定度高，整個系統(tǒng)使用簡單，經(jīng)濟(jì)實用，有很強實用性。 2 系統(tǒng)的總體設(shè)計 本章從系統(tǒng)組成、工作原理、工作范圍等方面作了系統(tǒng)介紹。 2.1 系統(tǒng)的組成 根據(jù)系統(tǒng)總體功能，將其劃分為以下幾個功能模塊：微處理器 CPU、模數(shù) 轉(zhuǎn)換器 A/D、溫度傳感器、濕度傳感器、鍵盤、數(shù)碼顯示組成，整個系統(tǒng)的構(gòu) 成如圖所示。 溫度信號 采集電路 12 位 雙積 分模 數(shù)轉(zhuǎn) 換 器 濕度信號 采集系統(tǒng) 單 8 片 9 機 C 5 1 YM19264 圖 2.1 溫濕度控制系統(tǒng)框圖 2.2 系統(tǒng)工作流程 整個檢測系統(tǒng)的核心器件是單片機，它是整 個系統(tǒng)的“心臟”由它來接收溫

14、 濕信號并控制協(xié)調(diào)各功能模塊的正常工作。一方面 AD590 集成傳感器采集溫度 信號，信號經(jīng)過整理放大后送 ICL7109A/D 轉(zhuǎn)換器，由此將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù) 字信號后送至 CPU 進(jìn)行運算處理，另一方面濕度傳感器 HS1101 將采集的濕度 信號通過以 555 定時器為主的單穩(wěn)態(tài)電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號直接送至 89C51 進(jìn)行 處理，在單片機內(nèi)部，CPU 根據(jù)模擬量與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系，把收到的數(shù)字量 與溫濕度值一一對照，找出合適的溫濕度值進(jìn)行顯示，達(dá)到測溫測濕的目的。 顯示部分由液晶芯片 YM19264 輔助單片機來完成，并可通過鍵盤輸入指令進(jìn) 行控制，充分提高了單片機的工作效率。 因89C5

15、1內(nèi)含4KB的EEPROM，不需外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡 單。 2.3 系統(tǒng)的功能介紹 本系統(tǒng)可對溫濕度值進(jìn)行實時檢測，測溫范圍可為-55+150。C，根據(jù)糧 倉內(nèi)實際溫度變化情況，將測溫范圍設(shè)定為 0-70。C?？蓽y濕度測量范圍是（0- 100）%RH，這也足以滿足對濕度的測量要求。所測溫濕度值通過 YM19264 鍵 盤顯示芯片顯示。整個系統(tǒng)測量精度高、穩(wěn)定性好，性能上能夠達(dá)到遠(yuǎn)距離測 量溫濕度的要求，適于安置在糧倉內(nèi)進(jìn)行檢測。 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 本章從器件選擇、性能特點、電路分析等方面對硬件系統(tǒng)進(jìn)行了討論。 3.1 AT89C51 單片機功能介紹 3.1.1 芯片簡介 AT9C

16、51 是一個低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含 4k bytes 的可反 復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 （RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo) 準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，內(nèi)置功 能強大的微型計算機的 AT89C51 提供了高性價比的解決方案。AT89C51 有 40 個引腳，32 個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口，2 個 16 位可編程定時計數(shù)器，2 個全雙工串行通信口，AT89C51 可以按照常規(guī)方法 進(jìn)行編

17、程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起， 特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 3.1.2 AT89C51 各引腳在設(shè)計中的定義 本設(shè)計中，單片機引腳功能定義如下，如圖 3.1 所示： 圖 3.1 AT89C51 在本設(shè)計中的引腳 89C51 各管腳說明如下： Vcc：電源引腳，接+5V 電源。 Vss：接地。 RST/Vpd：RST 是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。Vpd 為備用電源輸入端。 XTAL1，XTAL2：時鐘引腳。兩引腳間外接晶體與片內(nèi)反相放大器構(gòu)成一 個振蕩器，為單片機提供時鐘控制信號。本設(shè)計根據(jù)需要外接 6MHZ 晶體。

18、：外部中斷 0 輸入，本設(shè)計中與 ICL7109 的 STATUS 相連接受0INT0INT 中斷請求信號。 ：外部中斷 1 輸入。1INT T1：定時器/計數(shù)器 T1 外部輸入。 本設(shè)計中將濕度檢測電路產(chǎn)生的頻率輸入 T1 口，用 T1 計數(shù)。同時用 T0 設(shè)置 1S 的定時，從而實現(xiàn)計數(shù)功能。 ：外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖輸入線。WR ：外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖輸入線。設(shè)計中 7109 的片選端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀RD 寫。 ALE/：地址鎖存允許信號輸出端，設(shè)計中此端接到 74LS373 地址鎖PROG 存器的鎖存允許端實現(xiàn)鎖存功能。 /Vpp：程序存儲器地址允許輸入端。當(dāng)為高電平時，CPU 執(zhí)行片內(nèi)EA

19、EA 程序存儲器指令，當(dāng)為低電平時，CPU 只執(zhí)行片外程序存儲器的指令。本EA 設(shè)計不用外擴程序存儲器，固此腳接高電平。 P3 口為多功能口，每一位都可以分別被定義為復(fù)用的輸入功能或復(fù)用的輸 出功能。當(dāng) P3 口某一位的鎖存器被置 1 后，輸出端可由復(fù)用的輸出功能信號控 制，作復(fù)用的輸出功能的輸出線使用。而實際上，如果把復(fù)用輸出功能控制端 置 1，則 P3.x 端可實現(xiàn)復(fù)用的輸入功能。 P2 口是一個準(zhǔn)雙向 I/O 口，它有兩種使用功能：一種是作普通的 I/O 口使 用；另一種是作系統(tǒng)擴展的地址總線口，輸出高 8 位的地址。當(dāng)口電路中的多 路開關(guān)接通鎖存器的 Q 端輸出時，P2 口作普通輸入輸

20、出使用，當(dāng)開關(guān)接通地址 時，作地址總線口使用，P2 口的引腳狀態(tài)由所輸出的地址確定。本系統(tǒng)中用 P2.4 和 P2.5 對 ICL7109 的高低位數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行控制。 P0 口為雙向 I/O 口，它的結(jié)構(gòu)與 P2 口相似，可作輸入/輸出口使用，也可 作系統(tǒng)擴展的地址/數(shù)據(jù)總線口。P0 口作地址/數(shù)據(jù)總線口使用時，由控制線控 制將電子開關(guān)接通至地址/數(shù)據(jù)端，分時輸出擴展外存的低 8 位地址。 3.1.3 上電手動復(fù)位電路 AT89C51 單片機復(fù)位信號是高電平有效的，其有效時間應(yīng)持續(xù) 2 個機器周 期以上。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計復(fù)位電路時，通常使復(fù)位引腳 保持 10ms 以上的高電平

21、。圖中 RESET 按鍵未按下時，單片機剛接通電源，就 進(jìn)入了上電復(fù)位狀態(tài)，在單片機開始工作了以后，如按下 RESET，由兩電阻組 成的串聯(lián)分壓電路使 RST 得到一個高電平，從而使單片機重新復(fù)位；松開按鍵， 復(fù)位信號消失，單片機可開始正常工作。 圖 3.2 上電手動復(fù)位電路 3.1.4 振蕩電路 根據(jù)本設(shè)計需要，AT89C51 的振蕩電路由一個 6MHZ 和兩個 20PF 的電容 組成。這個電路是一個典型的單片振蕩電路。 圖 3.3 振蕩電路 。3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器 3.2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇 即 A/D 轉(zhuǎn)換器，或簡稱 ADC，通常是指一個將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的 電子元件。通

22、常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信 號。由于數(shù)字信號本身不具有實際意義，僅僅表示一個相對大小。故任何一個 模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最 大的可轉(zhuǎn)換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器最重要的參數(shù)是轉(zhuǎn)換的精度，通常用輸出的數(shù)字信號的位數(shù)的多少 表示。轉(zhuǎn)換器能夠準(zhǔn)確輸出的數(shù)字信號的位數(shù)越多，表示轉(zhuǎn)換器能夠分辨輸入 信號的能力越強，轉(zhuǎn)換器的性能也就越好。 例如： 對于一個 2 位的電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如果將參考設(shè)為 1V，那么輸出的信號有 00、01、10、11 四種可能，分別代表輸入電壓在 0V-0.25

23、V, 0.25V-0.5V, 0.5V-0.75V, 0.75V-1V 時的對應(yīng)輸入。 當(dāng)一個 0.8V 的信號輸入時，轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)為 11。 3.2.2AD 轉(zhuǎn)換器 ICL7109 的特點 ICL7109主要有如下特性： (1) 高精度(精確到1/212=1/4096)，低漂移(1V/。C)； (2) 低噪聲(典型值為15VP-P)，低功耗(20mw)； (3) 高輸入阻抗(典型值1012歐姆)； (4) 轉(zhuǎn)換速度最快達(dá)30次/秒，當(dāng)采用3.58MHz晶振作振源時，速度為7.5次/ 秒； (5) 片內(nèi)帶有振蕩器，外部可接晶振或RC電路以組成不同頻率的時鐘電路； (6) 12位二進(jìn)制輸出，

24、同時還有一位極性位和一位溢出位輸出； (7) 輸出與TTL兼容，以字節(jié)方式(分高低字節(jié))三態(tài)輸出，并且具有VART 掛鉤方式，可以用簡單的并行或串行口接到微處理系統(tǒng)； (8) 可用RVN/（運行/保持）STATUS(狀態(tài))信號監(jiān)視和控制轉(zhuǎn)換定時； HOLD (9) 所有輸入端都有抗靜電保護(hù)電路。 (10) ICL7109 工作電壓為雙電源5V，基準(zhǔn)電壓典型值為外部分壓輸入的 2.8V3 3.2.3 ICL7109 芯片引腳說明及外部連接 圖 3.4 ICL7109 引腳圖 ICL7109 的引腳功能如下： GND：數(shù)字地,0V。 V-：負(fù)電源，接-5V。 V+：正電源，接+5V。 STATUS

25、：狀態(tài)輸出，ICL7109轉(zhuǎn)換結(jié)束時，該腳發(fā)出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。 POL：極性輸出，高電平表示ICL7109的輸入信號為正。 OR：過量程狀態(tài)輸出，高電平表示過量程。 B1B12：三態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出，B12 為最高位，B1 為最低位。 TEST：此引腳僅用于測試芯片，接高電平時為正常操作，接低電平時則強 迫所 有位B1B12輸出為高電平。 ：低字節(jié)使能端。當(dāng) MODE 和 CE/LOAD 均為低電平時，此信號將LBEN 作為低位字節(jié)（B1B8）輸出的輔助選通信號；當(dāng) MODE 為高電平時，此信號 將作為低位字節(jié)輸出。 ：高字節(jié)使能端。當(dāng) MODE 和 CE/LOAD 均為低電平時，此信號將HBEN

26、作為低電平時，此信號將作為高位字節(jié)（B8B12）以及 POL、OR 輸出的輔助 的選通信號；當(dāng) MODE 為高電平時，此信號將作為高位字節(jié)輸出而用于信號交 換方式。 ：片選端。當(dāng)MODE為低電平時，它是數(shù)據(jù)輸出的主選通信號，LOADCE / 當(dāng)本腳為低電平時，數(shù)據(jù)正常輸出；當(dāng)本腳為高電平時，則所有數(shù)據(jù)輸出端 （B1B12，POL、OR）均處于高阻狀態(tài)。 MODE：方式選擇。當(dāng)輸入低電平信號時，轉(zhuǎn)換器為直接輸出工作方式。 此時，可在片選和數(shù)據(jù)使能的控制下直接讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)輸入高電平脈沖時，轉(zhuǎn) 換器處于UART方式，并在輸出的兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，返回到直接輸出方式。 當(dāng)輸入高電平時，轉(zhuǎn)換器將在信號交換

27、方式的每一轉(zhuǎn)換周期的結(jié)尾輸出數(shù)據(jù)。 OSC IN、OSC OUT：振蕩器輸入、輸出端。 OSC SEL：振蕩器選擇。輸入高電平時，采用RC振蕩器；當(dāng)輸入低電平時 采用晶體振蕩器。 BUF OSC OUT：緩沖振蕩器輸出。 RUN/：運行/保持輸入。輸入高電平時，每經(jīng)8192個時鐘脈沖均完HOLD 成一次轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入低電平時，轉(zhuǎn)換器將立即結(jié)束消除積分階段并跳至自動調(diào) 零階段，從而縮短了消除積分階段的時間，提高了轉(zhuǎn)換速度。 SEND：是輸入信號。用于數(shù)據(jù)信號傳送時的信號交換方式，以指示外部 器件能夠接受數(shù)據(jù)的能力。 REF OUT：基準(zhǔn)電壓輸出，一般為+2.8V。 BUF：緩沖器輸出。 AZ：自動

28、調(diào)零電容CAZ連接端。 INT：積分電容CINT連接端。 COMMON：公共模擬端。 INLO、INHI：差分輸入低端、高端。 REFIN+、REFIN-：正、負(fù)差分基準(zhǔn)輸入端。 REFCAP+：正差分電容連接端。 REFCAP-：負(fù)差分電容連接端。 ICL7109外部電路連接元件參數(shù)選擇： 基準(zhǔn)電壓的供給：ICL7109片內(nèi)含有參考電壓源，由REFOUT(29端)輸出， 一般為2.048V伏，經(jīng)電阻分壓輸出?；鶞?zhǔn)電壓輸入為差分輸入，分別從 REFIN+(36端)、REFIN-(39 端)引入。一般來說對模擬輸入如果滿度輸出4096個 數(shù)，則VIN =2VREF，即2.048V基準(zhǔn)電壓對應(yīng)于4

29、.096滿度輸入模擬電壓，當(dāng)輸入 模擬電壓為5.0V，因此基準(zhǔn)電壓為2.5V，通過片內(nèi)參考電壓源經(jīng)電位器分壓得 到。 時鐘電路的選擇：ICL7109 時鐘電路選擇晶體振蕩器，為了使電路具有抗 50Hz 串模干擾能力，A/D 轉(zhuǎn)換應(yīng)選擇積分時間（2048 個時鐘數(shù)）等于 50Hz 的 整數(shù)倍，系統(tǒng)選擇 3.58MHz 晶振。本設(shè)計中，ICL7109 接成晶體振蕩器時，內(nèi) 部時鐘為 58 分頻后的振蕩器頻率。ICL7109 每轉(zhuǎn)換一次所需的時間為 8192 個 時鐘周期，轉(zhuǎn)換時間的計算公式為：轉(zhuǎn)換時間=(819258)/晶振頻率。本系統(tǒng)中 所用晶振頻率為 3.58MHz，則轉(zhuǎn)換時間為 133ms，

30、即一秒轉(zhuǎn)換 7.5 次。 積分電容 CINTZ選擇：積分電壓根據(jù)積分器給出的最大輸出擺幅電壓選擇。 此電壓應(yīng)使積分器不飽和(大約低于電源 0.3V)。對于 ICL71095V 電源，0.15uF 比較合適。通常 CINT=。 積分器輸出擺幅 時鐘周期A202048 自動調(diào)零電容 CAZ選擇：在模擬輸入信號較小時，如 00.5 伏時，自動調(diào) 零電容可選比積分電容 CINT大一倍，以減小噪聲，CAZ的值越大，噪聲越小， 如果 CINT選為 0.15F，則 CAZ=2CINT=0.33F。當(dāng)傳感器傳來的微弱信號經(jīng)放大 器放大后為 05V，這時噪聲的影響不是主要的，可把積分電容 CINT選大一些， 使

31、 CINT=2CAZ，選 CINT=0.33F，CAZ=0.15F，本系統(tǒng)正屬于這種情況。 積分電阻RINT選擇：緩沖放大器和積分器能夠提供20A的推動電流，積分 電阻要選的足夠大。以保證在輸入電壓范圍內(nèi)的線性。積分電阻RINT等于滿度 電壓時對應(yīng)的電阻值(當(dāng)電流為20A、輸入電壓=4.096V時，RINT=200千歐)，此 時基準(zhǔn)電壓V+RI和V-RI之間為2V，由電阻R1、R3和電位器R2分壓取得。 基準(zhǔn)電容CREF一般取值1uF 較好。如果存在一個大的共模電，要求電容值 較大，以防止?jié)L動誤差。 3.2.4 ICL7109 與 89C51 單片機的硬件接口設(shè)計 ICL7109 內(nèi)部有一個

32、14 位(12 位數(shù)據(jù)和一位極性、一位溢出)的鎖存器和一 個 14 位的三態(tài)輸出寄存器，同時可以很方便地與各種微處理器直接連接，而無 需外部加額外的鎖存器。ICL7109 有兩種接口方式，一種是直接接口，另一種 是掛鉤接口。在直接接口方式中，當(dāng) ICL7109 轉(zhuǎn)換結(jié)束時，由 STATUS 發(fā)出轉(zhuǎn) 換結(jié)束指令到單片機，單片機對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)分高位字節(jié)和低位字節(jié)進(jìn)行讀數(shù)。 在掛鉤接口方式時，ICL7109 提供工業(yè)標(biāo) 圖 3.5 ICL7109 與 89C51 的接口電路 準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換模式，適用于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4。本系統(tǒng)采用直接接 口方式，7109 的 MODE 端接地，使 7109 工作于

33、直接輸出方式。 ICL7109 與 AT89C51 的連接如圖 3.5 所示，兩者間關(guān)系如下： RUN/(運行/保持)引腳接+5V，使A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)進(jìn)行。HOLD B1B12 輸出高低位數(shù)據(jù)，POL、OR 輸出極性和溢出位，這些數(shù)據(jù)分時 送至 89C51 的 P0 口。 將STATUS線與89C51的INT0相連，這樣每完成一次轉(zhuǎn)換便向89C51發(fā)一次 中斷請求。 A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時，STATUS引腳輸出高電平。當(dāng)一次AD結(jié)束時， STATUS引腳降為低電平，由P2.6輸出低電平信號到ICL7109的，讀高位HBEN 數(shù)據(jù)、極性和溢出位；由P2.5輸出低電平信號到，讀低位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了LBEN

34、 數(shù)據(jù)的分時傳輸。這種方法可簡化設(shè)計，節(jié)省硬件和軟件。 為7109片選端，低電平時數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)正常輸出，接至89C51的讀選LOADCE / 通端。 其中 ICL7660 是5V 輸入5V 輸出的電源極性變換器，用來為 ICL7109 提供雙極性電壓。 3.3 溫度采集系統(tǒng) 3.3.1 集成溫度傳感器的選擇 集成溫度傳感器實質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的b-e結(jié)壓 降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的關(guān)系實現(xiàn)對溫度的檢測。 集成溫度變換器把作為感溫元件的結(jié)型溫敏器件與外圍電路集成在同一芯片上, 實現(xiàn)了溫度變換器的小型化。由于附加了線性化電路, 因此變換器線性極好, 解

35、決了溫敏器件非線性問題。集成溫敏變換器還具有高靈敏度、高電平輸出、穩(wěn) 定性好, 易于與讀出電路和控制電路接口等優(yōu)點。集成溫度傳感器的輸出形式 分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0。C 時輸出為0，溫度25。C時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1A/ K。溫 度檢測在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科研以及日常生活等領(lǐng)域占有重要地位。 AD590是AD公司利用PN結(jié)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型兩端 溫度傳感器。這種器件在被測溫度一定時, 相當(dāng)于一個恒流源。該器件具有良 好的線性和互換性,測量精度高, 測溫范圍寬而且容易實現(xiàn)。并具有消除電源波 動的特性。即使

36、電源在515V之間變化,其電流只是在1A以下作微小變化。 因為AD590是恒流器件, 所以適合遠(yuǎn)距離傳送, 也容易實現(xiàn)智能數(shù)字化顯示。 3.3.2AD590 的性能特點 AD590是電流型溫度傳感器,一般用于精密溫度測量電路,其電路外形如圖3.6 所示,它采用金屬殼3腳封裝, 其中1腳為電源正端V+；2腳為電流輸出端Io；3 腳為管殼,一般不用。集成溫度傳感器的電路符號如圖3.7所示 圖3.6 AD590 的外形電路 圖3.7 集成溫度傳感器電路符號 AD590的主要特性如下： 1、兩端器件：電壓輸入。 2、靈敏度：1A/ K。即電流輸出溫度每增加1。C，它會增加1A輸出電流。 3、較寬的檢測

37、范圍：-55+155。C。 4、較寬的工作電壓：+4+30V。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向 電壓，因而器件反接也不會被損壞。 5、輸出電阻為710MW。 6、精度高，線形好：AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高， 在-55。C+150。C范圍內(nèi)，非線性誤差為0.3。C。 3.3.3 溫度采集電路 首先，我們根據(jù)AD590的特性，找出其輸出電流值與溫度值的關(guān)系。具體 說明如下：AD590輸出電流是以絕對溫度零度(273。C)為基準(zhǔn)，每增加1。C， 它會增加1A輸出電流，例如在室溫25。C時，其輸出電流Io=(273+25)=298A。 故AD590的輸出電流I=

38、(273+T)A(T為攝氏溫度)。 溫度采集電路分析 圖3.8 AD590溫度采集放大電路 如圖3.8所示因此量測的電壓V為(273+T)A10K= (2.73+T/100)V。為了將 電壓量測出來又需使輸出電流I不分流出來,我們使用電壓跟隨器，其輸出電壓 V2等于輸入電壓V。由于一般電源供應(yīng)較多零件之后，電源是帶雜訊的，因此 我們使用齊納二極體作為穩(wěn)壓零件，再利用可變電阻分壓，其輸出電壓V1需調(diào) 整至2.73V。接下來我們使用差動放大器，其輸出Vo為(50K/10K)(V2V1) =T/20V。如果現(xiàn)在為攝氏100度，輸出電壓為5V。圖中用到兩個LM324集成運 算放大器，前一個起跟隨作用，

39、防止測電壓時分流，第二個起放大作用，將電 壓信號放大5倍后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器2，此電路的最終目的是實現(xiàn)信號的放大并將 輸出電壓與測量溫度的關(guān)系設(shè)定為V=。這樣輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓不會超 20 T 過滿度電壓，同時所測溫度的范圍也滿足要求。本設(shè)計設(shè)定的測溫范圍是 0。C70。C，那么輸入ADC的模擬電壓范圍為0V3.5V。 3.4 濕度檢測 3.4.1 濕度傳感器的選擇 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣中吸收 水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，電容式、電阻式和濕漲式濕敏元件分別 是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕 度測量的。 HS1101

40、是一種高分子濕敏電容傳感器, 濕敏電容是一種在高分子薄膜上形 成的電容，高分子薄膜上的電極是很薄的金屬微孔蒸發(fā)膜，水分子可通過兩端 的電極被高分子薄膜吸附或釋放，隨著這種水分子的吸附或釋放，高分子的介 電系數(shù)將發(fā)生相應(yīng)的變化。由于介電系數(shù)隨空氣的相對濕度變化而變化。所以 只要測定電容 C 值就可得相對濕度。其具有不需校準(zhǔn)的完全互換性、高可靠性 和長期穩(wěn)定性，響應(yīng)時間快速。專利設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，適用于線性電壓 輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。 3.4.2 HS1101 的性能特點 HS1101 的主要性能特點如下： (1) 相對濕度在 0%100%RH

41、范圍內(nèi), 相對濕度為 55%RH 時的典型電容 值約 182pF 溫度系數(shù)為 0.04pF/。C 可見精度是較高的，常溫使用無需溫度補償， 無需校準(zhǔn)。相對濕度在(3375) %RH 之間時平均靈敏度為 0.34pF/%RH 。 (2) HS1101 有響應(yīng)快(響應(yīng)時間小于 5S)、線性度高、高可靠性及長期穩(wěn)定 性(年漂移量 0.5 %RH/年)、常時間飽和下快速脫濕等優(yōu)點。 (3) 供電電壓一般選+5V 最高不超過+10V。+5V 供電時間的漏電僅為 1nA，工作溫度范圍為- 40。C100。C。 (4) 產(chǎn)品具有良好的互換性。在標(biāo)準(zhǔn)條件下（10KHZ、+25。C），更換 HS1101 時不需

42、要重新標(biāo)定。 濕度值與電容值的關(guān)系如下圖所示： 圖3.9 濕度- 電容響應(yīng)曲線 相對濕度為 55 %RH 時的典型電容值約 182pF，相對濕度從 0%變化到 100%時， 電容量由 162pF 變到 200pF。 濕度傳感器工作范圍如下圖： 圖 3.10 HS1101 濕敏電容工作的溫濕度范圍 HS1101 的工作范圍包含三個區(qū)域，長期穩(wěn)定區(qū)，正常工作區(qū)和非正常區(qū)。 在長期工作區(qū)可長期連續(xù)工作，正常穩(wěn)定區(qū)僅供短期測量使用。 3.4.3 濕度測量電路 HS1101電容傳感器在電路構(gòu)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。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C易于接受的 信

43、號，常用兩種方法：一是將該濕敏電容置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路 中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；另 一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電 壓頻率信號，可直接被計算機所采集。本設(shè)計采用頻率輸出形式，采集電路如 圖3.11所示。 圖 3.11 濕度信號采集電路 通電后，電源沿著 UCCR4R2C地的途徑給 C 充電，經(jīng)過 t1時間后濕 敏電容的壓降 UC就被充電到 TLC555 的高觸發(fā)電平(UH=0.67UCC)，使內(nèi)部比較 器翻轉(zhuǎn)，OUT 端的輸出變成低電平。然后 C 開始放電，放電回路為 CR2D 端內(nèi)部放電管地。

44、經(jīng)過 t2 時間，UC降至低觸發(fā)電平（UL=0.33UCC）,內(nèi)部 比較器再次翻轉(zhuǎn)，使 OUT 端輸出高電平。這樣周而復(fù)始的進(jìn)行充、放電，就形 成了震蕩。充電，放電時間分別為： 2ln)42( 1 RRCt 2ln2 2 CRt 輸出波形的頻率（f）和占空比（D）的計算機公式如下： 21 11 ttT f 2ln)422( 1 RRC 422 42 21 11 RR RR tt t T t D 通常取 R4R2,使 D50%，輸出接近于方波。例如，取 R2=576k、R4=49.9k 時，D=52%。當(dāng) C=C0=181.5pF 時，求出 f=6668Hz,這 與 6660Hz 非常接近。輸出

45、方波頻率與相對濕度的數(shù)據(jù)對照見表 3.1。 濕敏電容經(jīng)振蕩電路變換后的脈沖頻率信號，送入單片機的定時/計數(shù)器 T1，T1 工作于方式 1 為 16 位計數(shù)器，同時用 T0 定時 1S，實現(xiàn)計數(shù)功能，記 錄脈沖數(shù)并存入內(nèi)存緩沖區(qū)。 表表 3.1 輸出方波頻率與相對濕度的數(shù)據(jù)對照表 濕度 頻率 濕度 頻率 %RH Hz%RH Hz 0 7351 10 7224 20 7100 30 6976 40 6853 50 6728 60 6600 70 6468 80 6330 90 6186 100 6033 3.5 鍵盤及顯示接口擴展 3.5.1 芯片的選擇 鍵盤及顯示部分?jǐn)U展選擇YM19264液晶顯示，YM19264是深圳市耀宇科技 有限公司，單個芯片就能完成鍵盤輸入和L