【正文】 7)也設(shè)計(jì)制造了一種溫度計(jì)。他認(rèn)為水銀的膨脹系數(shù)太小，不宜做測(cè)溫物質(zhì)。他專(zhuān)心研究用酒精作為測(cè)溫物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。他反復(fù)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，含有 1/5 水的酒精，在水的結(jié)冰溫度和沸騰溫度之間，其體積的膨脹是從 1000 個(gè)體積單位增大到 1080 個(gè)體積單位。因此他把冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之間分成 80 份，定為自己溫度計(jì)的溫度分度，這就是列氏溫度計(jì)。 華氏溫度計(jì)制成后又經(jīng)過(guò) 30 多年，瑞 典人攝爾修斯于 1742 年改進(jìn)了華倫海特溫度計(jì)的刻度，他把水的沸點(diǎn)定為零度，把水的冰點(diǎn)定為 100 度。后來(lái)他的同事施勒默爾把兩個(gè)溫度點(diǎn)的數(shù)值又倒過(guò)來(lái)，就成了現(xiàn)在的百分溫度，即攝氏溫度，用℃表示。華氏溫度與攝氏溫度的關(guān)系為 ： ℉＝ 9/5℃ +32，或℃＝ 5／ 9(℉ 32)。 現(xiàn)在英、美國(guó)家多用華氏溫度，德國(guó)多用列氏溫度，而世界科技界和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，以及我國(guó)、法國(guó)等大多數(shù)國(guó)家則多用攝氏溫度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的需要，測(cè)溫技術(shù)也不斷地改進(jìn)和提高。由于測(cè)溫 范圍越來(lái)越廣，根據(jù)不同的要求，又制造出不同需要的測(cè) 溫儀器。 167。 濕度計(jì)的由來(lái) 濕度計(jì)是測(cè)量空氣內(nèi)含水分多少的儀器。《史記天官書(shū)》中即有測(cè)濕的記載。我國(guó)漢朝初年就已出現(xiàn)濕度計(jì)，它是利用天平來(lái)測(cè)量空氣干燥或潮濕的。天平濕度計(jì)的使用方法，是把兩個(gè)重量相等而吸濕性不同的物體，例如灰和鐵，分別掛在天平兩端。當(dāng)空氣濕度發(fā)生變化時(shí)，由于兩個(gè)物體吸入的分水不同，重量也就起了變化，于是天平發(fā)生偏差，從而指示出空氣潮濕的程度。 這就是濕度計(jì)的由來(lái)。 167。 露點(diǎn)意義 氣溫愈低，飽和水氣壓就愈小。所以對(duì)于 含有一定量水汽的空氣，在氣壓不變的情況下降低溫度，使飽和水汽 壓降至與當(dāng)時(shí)實(shí)際的水汽壓相等時(shí)的溫度，稱(chēng)為露點(diǎn)（ Dew point）。 露點(diǎn)溫度是指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時(shí) 4 的溫度。形象地說(shuō)，就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度叫露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)溫度本是個(gè)溫度值，可為什么用它來(lái)表示濕度呢？這是因?yàn)?，?dāng)空氣中水汽已達(dá)到飽和時(shí)，氣溫與露點(diǎn)溫度相同；當(dāng)水汽未達(dá)到飽和時(shí)，氣溫一定高于露點(diǎn)溫度。所以露點(diǎn)與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。在 100%的相對(duì)濕度時(shí)，周?chē)h(huán)境的溫度就是露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)溫度越小于周?chē)h(huán)境的溫度，結(jié)露的可能性就越小，也就意味 著空氣越干燥，露點(diǎn)不受溫度影響，但受壓力影響。 濕球溫度的定義是在定壓絕熱的情況下，空氣與水直接接觸，達(dá)到穩(wěn)定熱濕平衡時(shí)的絕熱飽和溫度。 第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)分析及方案論證 167。 設(shè)計(jì)總體方案及方案論證 按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，確定系統(tǒng)由 5 個(gè)模塊組成：主 控制 器 ，溫濕度傳感器，報(bào)警電路，按鍵電路 及顯示電路。 圖 21 總體電路框圖 主控制 器 的 功能有單片機(jī)來(lái) 完成，主要負(fù)責(zé)處理由 溫濕度傳感器送來(lái)數(shù)據(jù)，并把處理好的數(shù)據(jù)送向顯示模塊。溫濕傳感器 主 要用來(lái)采集周?chē)h(huán)境參數(shù)，并把所采集來(lái)的參數(shù)送向主控制器。按鍵電路主要用來(lái)完成單片機(jī)的復(fù)位操作和溫濕度初始值的設(shè)定。這里需要四個(gè)按鍵，一個(gè)用來(lái) 溫度設(shè)定的累顯示模塊 模塊 報(bào)警電路 按鍵電路 溫濕度傳感器 主 控 制 器 5 加 ， 一個(gè)是用來(lái)溫度設(shè)定的遞減， 一個(gè)用來(lái) 設(shè)定濕度的累加，一個(gè)用來(lái)設(shè)定濕度的遞減 。報(bào)警電路就是用一個(gè)發(fā)光二極管 顯示 ， 而且外加一個(gè)繼電器來(lái)驅(qū)動(dòng)外電路， 用來(lái)判斷周?chē)h(huán)境的溫度或者濕度是否超出設(shè)定值了，任何一個(gè)超出設(shè)定值發(fā)光二極管就會(huì)被點(diǎn)亮。 而且繼電器會(huì)發(fā)出聲響，鎖存器用來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示電路主要用來(lái)驅(qū)動(dòng) 4 位數(shù)碼管發(fā)光的。由于單片機(jī)的輸出電流太?。ㄖ挥袔?mA）不能驅(qū)動(dòng)繼電器 ， 所以這里必須增加一個(gè)驅(qū)動(dòng)顯示模塊。 167。 元器件的選擇 167。 主控制器芯片 STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期 (1T)的單片機(jī)，是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 812 倍。內(nèi)部集成 MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路 ,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換 (250K/S),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。 1. 增強(qiáng)型 8051 CPU， 1T，單時(shí)鐘 / 機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 2. 工作電壓： STC12C5A60S2 系列工作電壓： （ 5V 單片機(jī)） STC12LE5A60S2 系列工作電壓： （ 3V 單片機(jī)） 3. 工作頻率范圍： 0 35MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 420MHz 4. 用戶應(yīng)用程序空間 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字節(jié) ...... 5. 片上集成 1280 字節(jié) RAM 6. 通用 I/O 口（ 36/40/44 個(gè)）， 復(fù)位 后為： 準(zhǔn)雙向口 / 弱上拉（普通 8051傳統(tǒng) I/O 口） 可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 / 弱上拉，推挽 / 強(qiáng)上拉，僅為輸入 / 高阻，開(kāi)漏 每個(gè) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò) 55mA 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程）， 無(wú)需專(zhuān)用編程器，無(wú)需專(zhuān)用仿真器可通過(guò)串口（ ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 8. 有 EEPROM 功能 (STC12C5A62S2/AD/PWM 無(wú)內(nèi)部 EEPROM) 9. 看門(mén)狗 6 集成 MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路（外部晶體 12M 以下時(shí)，復(fù)位腳可直接 1K 電阻到地） 11. 外部掉電檢測(cè)電路 : 在 口有一個(gè)低壓門(mén)檻比較器 5V 單片機(jī)為，誤差為 +/5%, 單片機(jī)為 ，誤差為 +/3% ：外部高精度晶體 / 時(shí)鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 (溫漂為 +/5%到 +/10%以內(nèi) )用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 / 時(shí)鐘常溫下內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： 單片機(jī)為： 11MHz ～ 單片機(jī)為： 8MHz ～ 12MHz 精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)。 13. 共 4 個(gè) 16 位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 ,16 位定時(shí)器 T0 和 T1，沒(méi)有定時(shí)器 2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器，再加上 2 路 PCA 模塊可再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè) 16 位定時(shí)器。 14. 2 個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出在 。 15. 外部 中斷 I/O 口 7 路 ,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ,并新增支持上升沿中斷的 PCA 模塊， Power Down 模式可由外部中斷喚醒， INT0/, INT1/, T0/, T1/, RxD/, CCP0/(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到 ), CCP1/ (也可通過(guò)寄存器設(shè)置到 ) 16. PWM(2 路） /PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列 ,2 路） 也可用來(lái)當(dāng) 2 路 D/A使用 也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)定時(shí)器 也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)外部中斷 (上升沿中斷 / 下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持 ) 17. A/D 轉(zhuǎn)換 , 10 位精度 ADC，共 8 路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S(每秒鐘 25 萬(wàn)次 ) 18. 通用全雙工異步串行口 (UART)，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再 7 用定時(shí)器或 PCA 軟件實(shí)現(xiàn)多串口。 19. STC12C5A60S2 系列有雙串口，后綴有 S2 標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/(可通過(guò)寄存器設(shè)置到 )， TxD2/(可通過(guò)寄存器設(shè)置到 ) 20. 工作溫度范圍： 40 +85℃ (工業(yè)級(jí) ) / 0 75℃ (商業(yè)級(jí) ) 21. 封裝： PDIP40,LQFP44,LQFP48 I/O 口不夠時(shí)，可用 2 到 3 根普通 I/O口線外接 74HC164/165/595（均可級(jí)聯(lián)）來(lái)擴(kuò)展 I/O 口 ,還可用 A/D 做按鍵掃描來(lái)節(jié)省 I/O 口，或用雙 CPU,三線通信，還多了串口。 167。 溫濕度傳感器 測(cè)濕模塊選用濕度傳感器 SHT15。 而溫度傳感器則用 PT100，本來(lái) SHT15也有 測(cè)溫的功能，但是它不能滿足設(shè)計(jì)的要求，且他的線性度沒(méi)有 PT100 好，因此測(cè)溫傳感器就用 PT100，測(cè)濕的傳感器用 SHT15。下面圖說(shuō)明它的線性度好。 SHTxx 系列單芯片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專(zhuān)利的工業(yè) COMS 過(guò)程微加工技術(shù)（ CMOSens174。） ,具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與一個(gè) 14 位的 A/D 器以及串行接口電路在 同一芯片上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接，從而具有超快響應(yīng)，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比 高等優(yōu)點(diǎn)。 其內(nèi)部機(jī)構(gòu)圖如下圖 22 所示。 8 圖 22 SHT15 結(jié)構(gòu)圖 ]7[ 167。 驅(qū)動(dòng)顯示電路 驅(qū)動(dòng) 顯示模塊選用 2 個(gè) 4 位共 陰 極數(shù)碼管和 3 個(gè)鎖存器 74573。由于單片機(jī)的端口輸出電流太小，這里必須 加鎖存器來(lái)使數(shù)碼管顯示，使顯示的效果更好 。 LED 數(shù)碼管也稱(chēng)半導(dǎo) 體數(shù)碼管，是目前數(shù)字電路中最常用的顯示器件。它是以發(fā)光二極管作 段并按共陰極方式或共陽(yáng)極方式連接后封裝而成的。圖22 所示是兩種 LED 數(shù)碼管的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，＋、－分別表示公共陽(yáng)極和公共陰極， a～ g 是 7 個(gè) 段電極， DP為小數(shù)點(diǎn)。 LED 數(shù)碼管型號(hào)較多，規(guī)格尺寸也各異，顯示顏色有紅、綠、橙等。 LED 數(shù)碼管的主要特點(diǎn)如下： (1)能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動(dòng)發(fā)光，能與 CMOS、 ITL 電路兼容。 (2)發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短 (小于 0． 1μ s)，高頻特性好，單色性好，亮度高。 (3)體積小，重量輕，抗沖擊性能好。 (4)壽命長(zhǎng)，使用壽命在 10 萬(wàn)小時(shí)以上，甚至可達(dá) 100 萬(wàn)小時(shí)。成本低。 因此它被廣泛用作數(shù)字儀器儀表、數(shù)控裝置、計(jì)算機(jī)的數(shù)顯器件 。 9 圖 23 LED 數(shù)碼管外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 鎖存器的功能下表顯示 167。 溫濕度測(cè)量的方 法及分析 SHT15 是一個(gè)兩線串行接口的數(shù)字溫濕度傳感器，一個(gè)接口是時(shí)鐘線，一個(gè)接口是數(shù)據(jù)線（支持雙向傳輸）。它是四針單排封裝， 一個(gè)接電源，一個(gè)接地線，另兩個(gè)直接和單片機(jī)的 P2_5和 P2_6 相連。 、 單片機(jī)通過(guò) P2_5 和 P2_6向 SHT15 發(fā)送命令， SHT15 接收到命令后做出相應(yīng)的 應(yīng)答。由于 SHT15 內(nèi)部包含一個(gè) 14 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，所以單片機(jī)接收到就是數(shù)字信號(hào)，只需要做相應(yīng)的處理就能得到所需要的數(shù)據(jù)。這里減少了很多外部的電路的連接，用起來(lái) 10 比較方便。 第三章 硬件電路的設(shè)計(jì) 167。 主控制電路和 測(cè)溫濕控制電路 本次硬件設(shè)計(jì)的核心就是 STC12C5A60S2，其他部件都是圍繞它設(shè)計(jì)的。濕度傳感器 SHT15的 DATA口和 SCK 口分別與 STC12C5A60S2 的 P2_5口和 P2_6口相連。 測(cè)溫的 PT100 則在電橋的微弱的變化產(chǎn)生的信號(hào)放到運(yùn)放中放大等處理再接到 P1_0。 預(yù)置數(shù)電路就是 4 個(gè)按鍵 ，進(jìn)行行列掃描， 分別與STC12C5A60S2 的 P1_1,P1_2 P1_3 和 P1_4 口相連 。 當(dāng)有按鍵按下時(shí)單片機(jī)收到有效的信號(hào) ， S1 鍵 是 用來(lái) 設(shè)置溫度的加 1， S2 鍵 是 用來(lái)設(shè)置溫度 減 1，S3 鍵用來(lái)設(shè)置濕度的加 %， S4 鍵是用來(lái)設(shè)置濕度減 %。 報(bào)警電路就是把 兩 個(gè)發(fā)光二極管和 STC12C5A60S2 的 P2_3， P2_4 口相連， 因?yàn)橐玫娘@示出控制外電路工作，所以要大點(diǎn)的電流驅(qū)動(dòng)外電路，那么在電路中要顯示出來(lái)，那么要加一個(gè)繼電器才能顯示有足夠大的電流。如下圖顯示 同樣濕度也一樣，只是把 P23 改為 P24. 單片機(jī)復(fù)位有兩種：一種是上電復(fù)位 ，一種是按鍵復(fù)位。 這次用的 就是 11 按鍵復(fù)位，當(dāng)按鍵按下時(shí) 單片機(jī)的 RST 口從低電平變?yōu)楦唠娖剑瑥亩M(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)按鍵松開(kāi)后， VCC 給 10Uf 電容充電，從而把 RST 口拉至電平，單片機(jī)進(jìn)入 工作狀態(tài)。 STC12C5A60S2 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端 和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器 構(gòu)成自激振蕩器。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，對(duì)外接電容 C C2雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用 30pF 士 10p