【正文】 本課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有三個(gè)原則： 操作維護(hù)方便，為了利于系統(tǒng)的推廣，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該充分采用操作內(nèi)置或簡(jiǎn)化的方法，以盡量減少對(duì)操作人員專用知識(shí)的要求，也便于進(jìn)行維修。 可靠性，本系統(tǒng)所有的環(huán)節(jié)中，都應(yīng)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(jìn)行多向?yàn)V波等作為出發(fā)點(diǎn)。 性價(jià)比，本課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的核心是單片機(jī)，它本身有著多個(gè)優(yōu)勢(shì)，要使得系統(tǒng)能夠廣泛地應(yīng)用，在充分考慮可靠性的同時(shí)，盡可能降低成本，提高系統(tǒng)的性價(jià)比。 本文將從以下幾個(gè)方面展開工作：一是確定測(cè)濕電路的設(shè)計(jì)方案；二是進(jìn)行單片機(jī)核心電路的設(shè)計(jì)；三是對(duì)單片機(jī)及通信接口進(jìn)行簡(jiǎn)單的概述；四是對(duì)所有的工作進(jìn)行總結(jié)。 本次課題的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的示意圖如圖 11。 系統(tǒng)示 意圖 濕敏元件 HS1101 振蕩電路 NE555 模數(shù)轉(zhuǎn)換 ADC0809 核心處理器 MCU51 個(gè)人 PC 電腦 終端 7 第二章：濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì) 傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心軌蛑苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換元件指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵鲛D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。 有些國(guó)家和有些科學(xué)領(lǐng)域，將傳感器稱為變換器、檢測(cè)器或探測(cè)器等。應(yīng)該說明，并不是所有的傳感器都能明顯分清敏感元件與轉(zhuǎn)換元件兩個(gè)部分，而是二者全為一體。例如半導(dǎo)體氣體、濕度傳感器等，它們一般都是將感受的被測(cè)量直接轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)，沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié) [3]。 傳感器的靜態(tài)特性 所謂傳感器的靜態(tài)特性，是指在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下，傳感器輸出－輸入之間的關(guān)系特性。衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)有線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性。 1. 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(yīng)，一般可用下面的多項(xiàng)式表示。 20 1 2 + nny a a x a x a x? ? ? ? … 式中： y――輸出量； x――輸入物理量； 0a ――零 位輸出； 1a ――傳感器線性靈敏度； 23, na a a… , ――待定常數(shù)。 在使用非線性特性的傳感器時(shí)，如果非線性項(xiàng)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(shí)際曲線的一段。 2. 靈敏度 靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出變化對(duì)輸入變化的比值，一般用 nS 來表示，即 式中： yd ――輸出量的變化； xd ――輸入量的變化。 對(duì)于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)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(nèi)是恒定的，即傳感器的輸出－輸入特性為直線。 3. 遲滯 在相同工作條件下做全量程范圍校準(zhǔn)時(shí)，下行程（輸入量由小到大）和反xdydnS ? 8 行程（輸入量由大到?。┧幂敵鲚斎胩匦郧€往往不重合。也就是說，對(duì)應(yīng)同一大小的輸入信號(hào)，傳感器正反行程的輸出信號(hào)大小不相等，此即遲滯現(xiàn)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 maxy? 對(duì)滿量程輸出 SFy. 的百分比來表示的 [4]。 4. 重復(fù)性 重復(fù)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(cè)試時(shí)，所得傳感器特性曲線不一致性的程度。多次重復(fù)測(cè)試的曲線重復(fù)性好，誤差也小。重復(fù)特性的好壞是與許多因素有關(guān)的，與產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象具有的原因。 其它的特性還有分辨力，傳感器能檢測(cè)到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閾 值；零漂，傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化零漂，零漂可用相對(duì)誤差表示，也可用絕對(duì)誤差表示。 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化時(shí)，其輸出與輸入的關(guān)系。很多傳感器要在動(dòng)態(tài)條件下檢測(cè)，被測(cè)量可能以各種形式隨時(shí)間變化。只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出量也將是時(shí)間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動(dòng)態(tài)特性來說明。為研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性，可建立其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)中的邏輯推理和運(yùn)算方法，分拆傳感器在動(dòng)態(tài)變化的輸入量作用下，輸出量如何隨時(shí)間改變。實(shí)際中，輸入信號(hào)隨時(shí)間的變化形式多種多樣，無法統(tǒng)一 研究，所以通常只分析傳感器在標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)作用下的輸出。 研究動(dòng)態(tài)特性可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面采用瞬態(tài)響應(yīng)法和頻率響應(yīng)法來分析。由于輸入信號(hào)的時(shí)候函數(shù)形式是多種多樣的，在時(shí)域內(nèi)研究傳感器的響應(yīng)特性時(shí)，只能研究幾種特定的輸入時(shí)間函數(shù)如階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等的響應(yīng)特性。 對(duì)于任意輸入 ??tx 所引起的響應(yīng) ??ty ，可以利用兩個(gè)函數(shù)的卷積關(guān)系，即系統(tǒng)的響應(yīng) ??ty 等于沖激響應(yīng)函數(shù) ??th 同激勵(lì) ??tx 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? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ???? t dtxhtxthty 0 ??? 9 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(duì)濕度與相對(duì)濕度。 絕對(duì)濕度 絕對(duì)濕度表示單位體積空氣里所含水汽的質(zhì)量，其表示為 式中： ? ――被測(cè) 空氣的絕對(duì)（ g / 3m ， mg / 3m ）； VM ――被測(cè)空氣中水汽的質(zhì)量（ g ， mg ）； V――被測(cè)空氣的體積（ 3m ）。 相對(duì)濕度： 相對(duì)濕度是氣體 的絕對(duì)濕度（ v? ）與同一溫度下，水蒸汽已達(dá)到飽和的氣體的絕對(duì)濕度（ W? ）之比，常用 %RH 來表示。即 式中： vP ――待測(cè)氣體的水汽分壓； WP ――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(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，這些相對(duì)濕度傳感器可以大批量生產(chǎn)?？梢詰?yīng)用于辦公室自 動(dòng)化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，家電，工業(yè)控制系統(tǒng)等。它有以下幾個(gè)顯著的特點(diǎn)： 全互換性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正 長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕 可以自動(dòng)化焊接，包括波峰或水浸 高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性 專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu) 可用于線性電壓或頻率輸出回路 快速反應(yīng)時(shí)間 HS1101 的簡(jiǎn)單物照?qǐng)D如圖 21[5]。 VMV?? RHPPTWV %100??????????相對(duì)濕度 10 HS1101實(shí)物照 相對(duì)濕度在 0%～ 100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 162pF 變到 200pF,其誤差不大于? 2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于 5s；溫度系統(tǒng)為 ℃?？梢娖渚仁禽^高的。其濕度－電容響應(yīng)曲線如圖 22： ： HS1101濕度－電容響應(yīng)曲線 HS1101 的一些常用參數(shù)如： ： HS1101常用參數(shù) 參數(shù) 符號(hào) 參數(shù)值 單位 工作溫度 Ta 40～ 100 ℃ 儲(chǔ)存溫度 Tstg 40～ 125 ℃ 供電電壓 Vs 10 Vac 濕度范圍 RH 0～ 100 %RH 焊接時(shí)間 @=260℃ t 10 S 濕度測(cè)量電路 HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨 著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。涉及如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)時(shí)，常用兩種方法 :一是將 HS1101 置于運(yùn)放與阻容組成的橋式振蕩電路 200 190 180 170 電容 F 20 40 60 80 100 相對(duì)濕度 % 11 中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 。另一種是將 HS1101 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(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。 時(shí)基電路 NE555 是一個(gè)能產(chǎn)生精確定時(shí)脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200mA.。在多諧振蕩器工作方式時(shí)，其輸出的脈沖占空比由兩個(gè)外接電阻和一個(gè)外接電容 確定；在單穩(wěn)態(tài)工作方式時(shí)，其延時(shí)時(shí)間由一個(gè)外接電阻和一個(gè)外接電容確定，它可以延時(shí)數(shù)微秒到數(shù)小時(shí)。其工作電壓范圍為： ?? ccV 16V。NE555 的框圖如圖所示 [5]。 ： NE555 框圖 基于 555 振蕩電路的濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì) 12 圖：測(cè)濕電路圖 把 HS1101 和 NE555 同時(shí)接入電路中的電路設(shè)計(jì)原理圖如圖 24 所示。NE555 電路功能的簡(jiǎn)單概括為 :當(dāng) 6端和 2端同時(shí)輸入為“ 1”時(shí) ,3 端輸出為“ 0”；當(dāng) 6 端和 2端同時(shí) 輸入為“ 0”時(shí) ,3端輸出為“ 1”。在此電路中 ,555 定時(shí)器正是根據(jù)這一功能用作多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出頻率信號(hào)的。 當(dāng)電源接通時(shí) ,由于 6 和 2 端的輸入為“ 0” ,則定時(shí)器 3 腳輸出為“ 1”；又由于 C1 兩端電壓為 0,故 ccV 通過 R2 和 R3 對(duì) C1 充電 ,當(dāng) C1 兩端電壓達(dá)到2 ccV /3 時(shí) ,定時(shí)電路翻轉(zhuǎn) ,輸出變?yōu)椤?0”。此時(shí) 555 定時(shí)器內(nèi)部的放電 BJT 的基極電壓為“ 1” ,放電 BJT 導(dǎo)通 ,從而使電容 C1 通過 R3 和內(nèi)部放電 BJT 進(jìn)行放電 ,當(dāng) C1 兩端電壓降低到 ccV /3 時(shí) ,定時(shí)器又翻轉(zhuǎn) ,使輸出變?yōu)椤?1” ,內(nèi)部放電BJT 截止 ,VCC 又開始通過 R2 和 R3 對(duì) C1 充電 ,如此周而復(fù)始 ,形成振蕩。其工作循環(huán)中的充電時(shí)間為 hT =(R2+R3)C1；放電時(shí)間為 1T = *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(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 R3。當(dāng)外界濕度變化時(shí) ,HS1101 兩端電容值發(fā)生改變 ,從而改變定時(shí)電路的輸出頻率。因此只要測(cè)出 555 的輸出頻率 ,并根據(jù)濕度與輸出頻率的關(guān)系 ,即可求得環(huán)境的濕度 [6]。 13 第三章：核心電路的設(shè)計(jì) ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 在單片機(jī)應(yīng)用中，特別是在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，常常需要把外界連續(xù)變化的物理量（如濕度、濕度、壓力、流量），變成數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行加工處理。反之，也需要將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)為連續(xù)變化的模擬量，用心控制調(diào)節(jié)一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。這種由模擬量變?yōu)閿?shù)字量，或由數(shù)字量轉(zhuǎn)為模擬量的轉(zhuǎn)換，通常叫做模 /數(shù)，或數(shù) /模轉(zhuǎn)換。用以實(shí)現(xiàn)這類轉(zhuǎn)換的器件，叫做模 /數(shù)（ A/D）轉(zhuǎn)換器或數(shù) /模（ D/A）轉(zhuǎn)換器 [7]。 應(yīng)用簡(jiǎn)介 ADC0809 具有 8路模擬量輸入，可在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，輸出 8 位二進(jìn)制數(shù)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(jìn)行零點(diǎn)和滿量度調(diào)整；可鎖存三態(tài)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(guān)；分辨率為 8 位；功耗為15mW；轉(zhuǎn)換時(shí)間（ kHzfCLK 500? ）為 128 s? ；轉(zhuǎn)換精度為 %? [8]。 ADC0809 的引腳圖如圖所示。 ： ADC0809引腳圖 測(cè)濕電路與單片機(jī)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(zhuǎn)換時(shí)鐘由單片機(jī)的 ALE 提供。 ADC0809 14 的典型轉(zhuǎn)換頻率為 640kHz， ALE 信號(hào)頻率與晶振頻率有關(guān)，如果晶振頻率取12MHz，則 ALE 的頻率為 2MHz，所以 ADC0809 的時(shí)鐘端 CLK與單片機(jī)的 ALE 端相接時(shí)，要考慮分頻。 8051 通過地址線 和讀寫控制線 RD 、 WR 來控制模擬輸入通常地址鎖存、啟動(dòng)和輸出允許。測(cè)濕電路與單片機(jī)的連接圖如圖 32 所示。 測(cè)濕電路與單片機(jī)連接圖 濕度誤差補(bǔ)償插值法子程序 從 NE555 時(shí)基電路中輸出的是一個(gè)模擬信號(hào)， ADC0809 的作用就是要把這個(gè)單片機(jī)不能識(shí)別的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以讀取的數(shù)字信號(hào)。這時(shí)所用到的計(jì)算機(jī)思想就 是插值法 [9]。即當(dāng) ADC0809 的輸入與輸出特性為非線性時(shí)，可以用一個(gè)單調(diào)非線性函數(shù) ? ?xfu? 來表示。將 x的值分成幾個(gè)小段區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的端點(diǎn)kx 都對(duì)就一個(gè)輸出 ku ，把這些 kx 、 ku 編成表格存儲(chǔ)起來。實(shí)際的測(cè)量值 ix 一定會(huì)落在某個(gè)區(qū)間 ? ?1, ?kk xx 內(nèi)，即 kx ix 1?kx 。插值法的思想就是用一段簡(jiǎn)單的曲線近似代替這段區(qū)間的實(shí)際曲線，然后用近似曲線公式計(jì)算出 ??xu 。 是對(duì) ADC0809