【正文】 常運第二章 濕度檢測系統(tǒng)的功能與硬件設(shè)計 本章主要介紹了本濕度檢測系統(tǒng)的檢測方法的選擇以及硬件設(shè)計兩方面內(nèi)容。首先從整體上初步分析了系統(tǒng)的設(shè)計方法。接下來，繪制了濕度檢測系統(tǒng)的硬件框架圖，根據(jù)該圖進行各個模塊的設(shè)計。詳細分析了各個模塊的功能和作用，根據(jù)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框架對各個部分進行設(shè)計，畫出了系統(tǒng)硬件原理圖。并介紹所用的芯片資料，簡述了芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。現(xiàn)代濕度測量方法最主要的有兩種：一是干濕球測濕法，二是電子式濕度傳感器測濕法[6]。下面簡單介紹一下干濕球濕度計的特點。早在18世紀人類就發(fā)明了干濕球濕度計，干濕球濕度計的準確度取決于干球、濕球兩支溫度計本身的精度；濕度計必須處于通風狀態(tài)：只有紗布水套、水質(zhì)、風速都滿足一定要求時，才能達到規(guī)定的準確度。干濕球濕度計的準確度只有5％～7％RH。而且，干濕球測濕法采用間接測量方法，通過測量干球、濕球的溫度經(jīng)過計算得到濕度值，因此對使用溫度沒有嚴格限制，在高溫環(huán)境下測濕不會對傳感器造成損壞。干濕球測濕法的維護相當簡單，在實際使用中，只需定期給濕球加水及更換濕球紗布即可。接下來，簡單介紹一下電子式濕度傳感器的特點。電子式濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長期穩(wěn)定性去判斷。濕度傳感器是采用半導體技術(shù)，因此對使用的環(huán)境溫度有要求，超過其規(guī)定的使用溫度將對傳感器造成損壞。所以電子式濕度傳感器測濕方法更適合于在潔凈及常溫的場合使用。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)展起來的。濕度傳感器生產(chǎn)廠在產(chǎn)品出廠前都要采用標準濕度發(fā)生器來逐支標定，電子式濕度傳感器的準確度可以達到2％～3％RH。通過上述兩種濕度檢測方法的分析，不難發(fā)現(xiàn)：電子式傳感器測濕法和干濕球測濕法相比具有精度高、操作簡單、易于控制等特點。另外，前者可外加單片機等控制器來構(gòu)成一個智能檢測系統(tǒng)，而后者不能直觀準確的顯示出濕度值，造成使用上的不方便。因而本文采用電子式傳感器測濕法進行系統(tǒng)設(shè)計。 設(shè)計方案的確定本設(shè)計以單片機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)計了一種對空氣濕度進行精確測量的模塊。可以從以下幾個方面來確定濕度檢測儀的設(shè)計方案。 處理器 采用ATMEL的AT89C51微處理器，是基于以下幾個因素：（1）89C51為51內(nèi)核，仿真調(diào)試軟硬件資源豐富；（2）性價比高，貨源充足；（3）DIP封裝，體積小，便于產(chǎn)品小型化；（4）為程序存儲介質(zhì)，1000次以上擦/寫周期，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，便于進行低功耗設(shè)計；（6）工作電壓范圍寬：～6V，便于交直流供電。 顯示電路在仿真時需要借助數(shù)碼管，來直觀的表現(xiàn)測量值。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)碼管作為一種主動顯示器件，具有亮度高、價格便宜等特點，而且市場上也有專門的顯示組合數(shù)碼管。 該系統(tǒng)要求用單片機檢測來實現(xiàn)空氣信息數(shù)據(jù)的實時采集、處理，以實現(xiàn)濕度的測量。 (1)通過傳感器檢測環(huán)境空氣濕度。 濕度檢測儀的主電路設(shè)計濕度檢測儀的主電路包括：（1）A/D轉(zhuǎn)換電路（2）濕度檢測電路（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。濕度測量系統(tǒng)框圖 傳感器 （濕度）A/D轉(zhuǎn)換單片機485接口 顯示圖21 濕度測量系統(tǒng)框圖 電路主要由濕度傳感器、溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機和RS485組成。本系統(tǒng)通過單片機及其各種接口電路來實現(xiàn)溫、濕度的檢測，利用溫、濕度傳感器將測得到的物理量轉(zhuǎn)變成模擬電信號，經(jīng)過輸出電阻轉(zhuǎn)換為變化的電壓信號，A/D轉(zhuǎn)換器是對采樣獲得的模擬量(被測信號在時間上離散化)進行離散取樣數(shù)字化(在數(shù)值上離散化)，單片機對采集到的信號進行濾波處理并通過計算得到實際測量的溫、濕度值，之后通過單片機的各外部接口電路顯示該測量值，或通過其與上位機的接口把此值送入到上位機進行保存及打印等操作。一、AT89C51的總體功用在此設(shè)計中，AT89C51主要用于讀取ADC0809送來的數(shù)字信號，單片機對采集到的信號進行濾波處理并通過計算得到實際測量的濕度值，之后通過單片機的各外部接口電路顯示該濕度值，或通過其與上位機的接口把此值送入到上位機進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)計中的各項功能分述如下（參照圖22）: (1)主電源引腳,VCC接+5V電源正端。GND接+5V電源地端。 (2)時鐘震蕩電路引腳XTAL1和XTAL2。 單片機的時鐘信號由外部提供，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用引腳RST。 當89C51單片機的復位引腳RST（全稱RESET）出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)。復位時靠外圍電路實現(xiàn)的。本設(shè)計選用上電及按鈕復位，上電時，+5V電源立即對單片機芯片供電，同時經(jīng)電阻R對電容C3充電。C3上電壓建立的過程就產(chǎn)生一定寬度的負脈沖，經(jīng)反相后，RST上出現(xiàn)正脈沖使單片機實現(xiàn)了上電復位。按鈕按下時，RST同樣出現(xiàn)高電平，實現(xiàn)了按鈕復位。 (4)輸入/— , P , 。P0口是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線。P1口是準雙向口，專門供用戶使用的I/O口。P2口也是準雙向口。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，用來控制讀寫信號的輸入。P0口與A/D轉(zhuǎn)換器的8位輸出口相連，通過RD讀信號將A/D轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)接收至單片機進行處理。（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，分別與RS485的發(fā)送和接收模塊相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在AT89C51與上位機之間的傳輸。 A/D電路的設(shè)計一、A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標（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，所對應(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為二進制位數(shù)。對于5V的滿量程，采用8位的DAC時，分辨率為5V/256＝；當采用12位的DAC時，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。常以相對于滿量程的百分數(shù)表示。如177。１％是指實際輸出值與理論值之差在滿刻度的177。１％以內(nèi)。（3）、絕對精度和相對精度絕對精度（簡稱精度）是指在整個刻度范圍內(nèi)，任一輸入數(shù)碼所對應(yīng)的模擬量實際輸出值與理論值之間的最大誤差。絕對精度是由DAC的增益誤差（當輸入數(shù)碼為全1時，實際輸出值與理想輸出值之差）、零點誤差（數(shù)碼輸入為全０時，DAC的非零輸出值）、非線性誤差和噪聲等引起的。絕對精度（即最大誤差）應(yīng)小于1個LSB相對精度與絕對精度表示同一含義，用最大誤差相對于滿刻度的百分比表示。（4）、量化誤差ADC把模擬量變?yōu)閿?shù)字量，用數(shù)字量近似表示模擬量，這個過程稱為量化。量化誤差是ADC的有限位數(shù)對模擬量進行量化而引起的