【正文】 常運(yùn)第二章 濕度檢測(cè)系統(tǒng)的功能與硬件設(shè)計(jì) 本章主要介紹了本濕度檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法的選擇以及硬件設(shè)計(jì)兩方面內(nèi)容。首先從整體上初步分析了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。接下來(lái)，繪制了濕度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件框架圖，根據(jù)該圖進(jìn)行各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。詳細(xì)分析了各個(gè)模塊的功能和作用，根據(jù)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框架對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，畫(huà)出了系統(tǒng)硬件原理圖。并介紹所用的芯片資料，簡(jiǎn)述了芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。現(xiàn)代濕度測(cè)量方法最主要的有兩種：一是干濕球測(cè)濕法，二是電子式濕度傳感器測(cè)濕法[6]。下面簡(jiǎn)單介紹一下干濕球濕度計(jì)的特點(diǎn)。早在18世紀(jì)人類就發(fā)明了干濕球濕度計(jì)，干濕球濕度計(jì)的準(zhǔn)確度取決于干球、濕球兩支溫度計(jì)本身的精度；濕度計(jì)必須處于通風(fēng)狀態(tài)：只有紗布水套、水質(zhì)、風(fēng)速都滿足一定要求時(shí)，才能達(dá)到規(guī)定的準(zhǔn)確度。干濕球濕度計(jì)的準(zhǔn)確度只有5％～7％RH。而且，干濕球測(cè)濕法采用間接測(cè)量方法，通過(guò)測(cè)量干球、濕球的溫度經(jīng)過(guò)計(jì)算得到濕度值，因此對(duì)使用溫度沒(méi)有嚴(yán)格限制，在高溫環(huán)境下測(cè)濕不會(huì)對(duì)傳感器造成損壞。干濕球測(cè)濕法的維護(hù)相當(dāng)簡(jiǎn)單，在實(shí)際使用中，只需定期給濕球加水及更換濕球紗布即可。接下來(lái)，簡(jiǎn)單介紹一下電子式濕度傳感器的特點(diǎn)。電子式濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長(zhǎng)期穩(wěn)定性去判斷。濕度傳感器是采用半導(dǎo)體技術(shù)，因此對(duì)使用的環(huán)境溫度有要求，超過(guò)其規(guī)定的使用溫度將對(duì)傳感器造成損壞。所以電子式濕度傳感器測(cè)濕方法更適合于在潔凈及常溫的場(chǎng)合使用。而電子式濕度傳感器是近幾十年，特別是近20年才迅速發(fā)展起來(lái)的。濕度傳感器生產(chǎn)廠在產(chǎn)品出廠前都要采用標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器來(lái)逐支標(biāo)定，電子式濕度傳感器的準(zhǔn)確度可以達(dá)到2％～3％RH。通過(guò)上述兩種濕度檢測(cè)方法的分析，不難發(fā)現(xiàn)：電子式傳感器測(cè)濕法和干濕球測(cè)濕法相比具有精度高、操作簡(jiǎn)單、易于控制等特點(diǎn)。另外，前者可外加單片機(jī)等控制器來(lái)構(gòu)成一個(gè)智能檢測(cè)系統(tǒng)，而后者不能直觀準(zhǔn)確的顯示出濕度值，造成使用上的不方便。因而本文采用電子式傳感器測(cè)濕法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)方案的確定本設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為電路的核心部件,采用軟件編程和硬件相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了一種對(duì)空氣濕度進(jìn)行精確測(cè)量的模塊?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面來(lái)確定濕度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案。 處理器 采用ATMEL的AT89C51微處理器，是基于以下幾個(gè)因素：（1）89C51為51內(nèi)核，仿真調(diào)試軟硬件資源豐富；（2）性價(jià)比高，貨源充足；（3）DIP封裝，體積小，便于產(chǎn)品小型化；（4）為程序存儲(chǔ)介質(zhì)，1000次以上擦/寫(xiě)周期，便于程序調(diào)試；（5）具有兩種節(jié)能模式：閑置模式和掉電模式，便于進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)；（6）工作電壓范圍寬：～6V，便于交直流供電。 顯示電路在仿真時(shí)需要借助數(shù)碼管，來(lái)直觀的表現(xiàn)測(cè)量值。本系統(tǒng)選用串行輸入并行輸出的74LS164移位寄存器連接數(shù)碼管顯示方式。數(shù)碼管作為一種主動(dòng)顯示器件，具有亮度高、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，而且市場(chǎng)上也有專門(mén)的顯示組合數(shù)碼管。 該系統(tǒng)要求用單片機(jī)檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)空氣信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理，以實(shí)現(xiàn)濕度的測(cè)量。 (1)通過(guò)傳感器檢測(cè)環(huán)境空氣濕度。 濕度檢測(cè)儀的主電路設(shè)計(jì)濕度檢測(cè)儀的主電路包括：（1）A/D轉(zhuǎn)換電路（2）濕度檢測(cè)電路（3）RS485通信電路（4）顯示電路四部分組成。其硬件系統(tǒng)框圖如圖21所示。濕度測(cè)量系統(tǒng)框圖 傳感器 （濕度）A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)485接口 顯示圖21 濕度測(cè)量系統(tǒng)框圖 電路主要由濕度傳感器、溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和RS485組成。本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)及其各種接口電路來(lái)實(shí)現(xiàn)溫、濕度的檢測(cè)，利用溫、濕度傳感器將測(cè)得到的物理量轉(zhuǎn)變成模擬電信號(hào)，經(jīng)過(guò)輸出電阻轉(zhuǎn)換為變化的電壓信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器是對(duì)采樣獲得的模擬量(被測(cè)信號(hào)在時(shí)間上離散化)進(jìn)行離散取樣數(shù)字化(在數(shù)值上離散化)，單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理并通過(guò)計(jì)算得到實(shí)際測(cè)量的溫、濕度值，之后通過(guò)單片機(jī)的各外部接口電路顯示該測(cè)量值，或通過(guò)其與上位機(jī)的接口把此值送入到上位機(jī)進(jìn)行保存及打印等操作。一、AT89C51的總體功用在此設(shè)計(jì)中，AT89C51主要用于讀取ADC0809送來(lái)的數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理并通過(guò)計(jì)算得到實(shí)際測(cè)量的濕度值，之后通過(guò)單片機(jī)的各外部接口電路顯示該濕度值，或通過(guò)其與上位機(jī)的接口把此值送入到上位機(jī)進(jìn)行保存及打印等操作，如485通信協(xié)議。二、系統(tǒng)中各引腳的功能各引腳在本設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)功能分述如下（參照?qǐng)D22）: (1)主電源引腳,VCC接+5V電源正端。GND接+5V電源地端。 (2)時(shí)鐘震蕩電路引腳XTAL1和XTAL2。 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)由外部提供，在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器構(gòu)成了內(nèi)部震蕩方式，晶震頻率為典型的12MHｚ。(3)控制或與其它電源復(fù)用引腳RST。 當(dāng)89C51單片機(jī)的復(fù)位引腳RST（全稱RESET）出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位時(shí)靠外圍電路實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)選用上電及按鈕復(fù)位，上電時(shí)，+5V電源立即對(duì)單片機(jī)芯片供電，同時(shí)經(jīng)電阻R對(duì)電容C3充電。C3上電壓建立的過(guò)程就產(chǎn)生一定寬度的負(fù)脈沖，經(jīng)反相后，RST上出現(xiàn)正脈沖使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位。按鈕按下時(shí)，RST同樣出現(xiàn)高電平，實(shí)現(xiàn)了按鈕復(fù)位。 (4)輸入/— , P , 。P0口是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線。P1口是準(zhǔn)雙向口，專門(mén)供用戶使用的I/O口。P2口也是準(zhǔn)雙向口。P3口是雙功能口。P0、P2口分別為ADC0809提供外部地址，P0口為低八位，P2口為高八位。、選通譯碼器上的Y1口，用來(lái)控制讀寫(xiě)信號(hào)的輸入。P0口與A/D轉(zhuǎn)換器的8位輸出口相連，通過(guò)RD讀信號(hào)將A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)接收至單片機(jī)進(jìn)行處理。（5）輸入、輸出引腳RXD、TXD。RXD為串行口輸入端，TXD為串行口輸入信號(hào)，分別與RS485的發(fā)送和接收模塊相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在AT89C51與上位機(jī)之間的傳輸。 A/D電路的設(shè)計(jì)一、A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)（1）、分辨率分辨率是指輸入數(shù)字量的最低有效位（LSB）發(fā)生變化時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸出模擬量（電壓或電流）的變化量。它反映了輸出模擬量的最小變化值。分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有確定的關(guān)系，可以表示成FS /。FS表示滿量程輸入值，n為二進(jìn)制位數(shù)。對(duì)于5V的滿量程，采用8位的DAC時(shí)，分辨率為5V/256＝；當(dāng)采用12位的DAC時(shí)，分辨率則為5V/4096＝。顯然，位數(shù)越多分辨率就越高。（2）、線性度線性度（也稱非線性誤差）是實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想直線特性之間的最大偏差。常以相對(duì)于滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。如177。１％是指實(shí)際輸出值與理論值之差在滿刻度的177。１％以內(nèi)。（3）、絕對(duì)精度和相對(duì)精度絕對(duì)精度（簡(jiǎn)稱精度）是指在整個(gè)刻度范圍內(nèi)，任一輸入數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的模擬量實(shí)際輸出值與理論值之間的最大誤差。絕對(duì)精度是由DAC的增益誤差（當(dāng)輸入數(shù)碼為全1時(shí)，實(shí)際輸出值與理想輸出值之差）、零點(diǎn)誤差（數(shù)碼輸入為全０時(shí)，DAC的非零輸出值）、非線性誤差和噪聲等引起的。絕對(duì)精度（即最大誤差）應(yīng)小于1個(gè)LSB相對(duì)精度與絕對(duì)精度表示同一含義，用最大誤差相對(duì)于滿刻度的百分比表示。（4）、量化誤差A(yù)DC把模擬量變?yōu)閿?shù)字量，用數(shù)字量近似表示模擬量，這個(gè)過(guò)程稱為量化。量化誤差是ADC的有限位數(shù)對(duì)模擬量進(jìn)行量化而引起的