【文章內(nèi)容簡介】 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測鄭州大學(xué)本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 10 空氣濕度的增大而增大。將電容的變化量準確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運方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)為與之成反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。頻率輸出的 555測量振蕩電路如圖 。 圖 頻率輸出的 555振蕩電路 集成定時器 555芯片外接電阻 R R2 與濕敏電容 C，構(gòu)成了對 C的充電回路。 7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對 C 的放電回路，并將引腳 6 端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外， R3 是防止輸出短路的保護電阻， R1用于平衡溫度系數(shù)。 該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源 Vs 通過 R R2 向 C 充電，經(jīng) t充電時間后， Uc 達到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約 ，此時輸出引腳 3 端由高電平突降為低電平，然后通過 R2放電，經(jīng) t放電時間后， Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約 。 空氣濕度通過 555 測量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，表 給出了其中的一組典型測試值。 倉庫溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計 11 表 空氣濕度與電壓頻率的典型值 溫度 頻率 溫度 頻率 %RH HZ %RH HZ 0 7351 60 6600 10 7224 70 6468 20 7100 80 6330 30 6976 90 6168 40 6853 100 6033 50 6728 多路開關(guān) 本系統(tǒng)設(shè)計的溫度信號采集和濕度信號采集為八路，而 A/D轉(zhuǎn)換僅為一路輸入，因此需要采用由 CD4051 組成的多路分時的模擬信號采集電路。 CD4051 多路開關(guān)，它是一種單片、 COMS8 通道開關(guān)。該芯片由 DTL/TTLCOMS 電平轉(zhuǎn)換器，帶有禁止端的 8選 1 譯碼器輸入，分別加上控制的 8 個 COMS 模擬開關(guān) TG 組成。 一、 溫度多路檢測信號的實現(xiàn)電路 其電路結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 鄭州大學(xué)本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 12 每路溫度檢測電路的輸出接入模擬開關(guān) CD4051 的 S0~S7，而 模擬開關(guān) CD4051 的選通地址 A、 B、 C由 單片機 8031 的 P3 口的低位地址 ～ 控制，而 CD4051 的片選信號 INH 由 單片機 8031 P2 口 來控制。 二、 濕度多路檢測信號的實現(xiàn)電路 其電路結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 每路溫度檢測電路的輸出接入模擬開關(guān) CD4051 的 S0~S7，而模擬開關(guān) CD4051 的選通地址 A、 B、 C由單片機 8031 的 P3 口的低位地址 ～ 控制，而 CD4051 的片選信 號INH 由 8031 的 P2口 來控制。 信號分析電路 信號分析電路由 A/D轉(zhuǎn)換器和單片機的基本系統(tǒng)組成 A/D 轉(zhuǎn)換電路 為了把溫度、濕度檢測電路測出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送 CPU 處理，本系統(tǒng)選用了雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433，它精度高，分辨率達 1/1999。由于 MC14433 只有一路輸入，而本系統(tǒng)檢測的多路溫度與濕度信號輸入，故選用多路選擇電子開關(guān)，可輸入多路模擬量。 一、 MC14433 A/D 轉(zhuǎn)換器特點 倉庫溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計 13 MC14433 是三位半雙積分型的 A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高，抗干擾性能好的優(yōu)點，其缺點是轉(zhuǎn)換速 率低，約 1— 10 次 /秒。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場合，例如，在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛采用。 MC14433A/D 轉(zhuǎn)換器的被轉(zhuǎn)換電壓量程為 或 。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)以 BCD 碼的形式分四次送出。 MC14433 的內(nèi)部電路如圖 所示。其管腳如圖 所示，各引腳的功能見表 。 多 路 選 擇 開 關(guān)鎖 存 器個 位 十 位 百 位 千 位極 性判 別溢 出控 制 電 路 C M O S 線 性 電 路時 鐘 / O R 過 量 程V R 基 準 電 壓V A G 模 擬 地V X 被 測 電 壓D UE O C R 1R 1 / C 1C 1C 0 1C 0 2Q 0 ～ Q 3 D S 1 ～ D S 4實 時 顯 示 轉(zhuǎn) 換 周 期 圖 圖 引腳圖 鄭州大學(xué)本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 14 表 MC14433 各引腳的功能 管腳號 名稱 功能 24 VDD 主工作電源 +5V 12 VEE 模擬部分的負電源端，接 5V 1 VAG 模擬地端 13 VSS 數(shù)字地端 2 VR 基準電壓 4 R1 積分電阻輸入端 6 C1 積分電容輸入端 8 C0 C02 外界補償電容端，電容取值約 5 R1/C1 R1 與 C1 的公共端 11 CLKI、 CLKO 外界振蕩器時鐘 14 EOC 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，正脈沖有效 9 DU 啟動新的轉(zhuǎn)換 15 /OR 過量程信號輸出端 1619 DS1DS4 選擇個 、 十 、 百 、 千位， 正脈沖有效 2023 Q0Q3 BCD 碼輸出線 DS1 對應(yīng)千位， DS4 對應(yīng)個位。每個選通脈沖寬度為 18 個時鐘周期，兩個相應(yīng)脈沖之間間隔為 2個時鐘周期。見圖 所示。 ～～～～～～1 / 2 C L K 周 期1 6 4 0 0 個 時 鐘 脈 沖 周 期1 8 個 時 鐘 脈 沖 周 期E O CD S 1D S 2D S 3D S 4( 最 高 位 ) 1 / 2 位 2 個 時 鐘 脈 沖 周 期最 低 位 圖 MC14433 選通脈沖時序圖 Q0Q3 中 Q0 為最低位， Q3 為最高位。當(dāng) DS DS3 和 DS4 選通期間，輸出三位完整的 BCD 碼數(shù)，但在 DS1 選通期間，輸出端 Q0Q3 除了表示個位的 0 或 1 外，還表示了轉(zhuǎn)化值的正負極性和欠量程還是過量程其含意見 表 32 倉庫溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計 15 表 DS1 選通時 Q3～ Q0表示的結(jié)果 Q3 Q2 Q1 Q0 表示結(jié)果 1 0 千位數(shù)為 0 0 0 千位數(shù)為 1 1 0 結(jié)果為正 0 0 結(jié)果為負 0 1 輸入過量程 1 1 輸入欠 由表 ： ? Q3 表示 1/2位， Q3=“ 0”對應(yīng) 1，反之對應(yīng) 0； ? Q2 表示極性， Q2=“ 1”為正極性，反之為負極性 ； ? Q0=“ 1”表示超量程：當(dāng) Q3=“ 0”時，表示過量程； ? 當(dāng) Q3=“ 1”時，表示欠量程 。 二、 MC14433 與 8031 單片機 的接口電路 由于 MC14433 的 A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果是動態(tài)分時輸出的 BCD 碼， Q0~Q3 和 DS1~DS4 不是總線式的，因此 MCS51 系列的單片機只能通過并行 I/O 接口或者擴展 I/O 接口與其相連。對 8031單片機應(yīng)用系統(tǒng)來說， MC14433 可以直接和其 P1口或者擴展 I/O 口 8155/8255 相連。經(jīng)分析，本系統(tǒng)中 MC14433 與單片機 8031 的 P1口直接相連，其電路結(jié)構(gòu)如圖 示。 圖 MC14433 與 8031 單片機的接口電路 鄭州大學(xué)本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 16 單片機 8031 基本電路 本系統(tǒng)采用了 8031 單片機作為控制芯片，在前 向通道中是一個非電信號的電量采集過程。它由傳感器采集非電信號，從傳感器出來經(jīng)過放大過程，使信號放大，再經(jīng)過模 /數(shù)轉(zhuǎn)換成為計算機能識別的數(shù)字信號，再送入計算機系統(tǒng)的相應(yīng)端口。 一、 8031 的概述 8031 是有 8個部件組成，即 CPU、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲器、并行口（ P0～ P3）、串行口、定時計數(shù)器和中斷系統(tǒng)，它們均由單一總線連接并被集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，即組成了單片微型計算機，其基本組成見圖 。 8031 就是 MCS51 系列單片機中的一種。 圖 8031 基本組成 8031 的引腳圖見圖 所示 圖 8031 引腳圖 倉庫溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計 17 各引腳說明如下： ? VCC（ 40 引腳）：正常運行時提供電源。 ? VSS（ 20 引腳）：接地。 ? XTAL1（ 19引腳）：在單片機內(nèi)部，它是一個反向放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片內(nèi)的震蕩器，可以提供單片機的時鐘信號，該引腳也是可以接 外部的晶振的一個引腳，如采用外部振蕩器時，對于 8031而言此引腳應(yīng)該接地。 ? XTAL2（ 18引腳）：在內(nèi)部，接至上述振蕩器的反向輸入端，當(dāng)采用外部振蕩器時，對 MCS51 系列該引腳接收外部震蕩信號，即把該信號直接接到內(nèi)部時鐘的輸入端。 ? RST/VPD（ 9引腳）：在振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的電平將單片機復(fù)位，復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平保持不高于 的低電平以保證 8031 正常工作。在掉電時，此引腳接備用電源 VDD，以保持 RAM 數(shù)據(jù)不丟失，當(dāng) BVCC低于規(guī)定的值時，而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時， VPD 就向內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器提供備用電源 。 ? ALE/PROG（ 30 引腳）：當(dāng) 8031 訪問外部存儲器時，包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，ALE9 地址鎖存允許 0輸入的脈沖的下沿用于鎖存 16 位地址的低 8位，在不訪問外部存儲器的時候， ALE仍有兩個周期的正脈沖輸出，其頻率為振蕩器的頻率的1/6，在訪問外存儲器的是候，在兩個周期中， ALE只出現(xiàn)一次， ALE斷可驅(qū)動 8個 LS TTL 負載，對于有片內(nèi) EPROM 的而言，在 EPROM 編程期間，此腳用于輸入編程脈沖 PROG。 ? PSEN（ 29引腳）：此腳輸出為單片機內(nèi)訪問外部程序存儲器的讀選通信號，在讀取外部指令期間， PSEN非有兩次在每個周期有效，在此期間，每當(dāng)訪問外部存儲器時，兩個有效的 PSEN 非將不再出現(xiàn)，同樣這個引腳可驅(qū)動 8 個 LSTTL 負載。 ? /EAVPP （ 31 引腳）：當(dāng) EA 保持高電平時，單片機訪問內(nèi)部存儲器，當(dāng) PC值超過 0FFFH 時，將自動轉(zhuǎn)向片外存儲器。當(dāng) EA 保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，對 8031 而言，此腳必須接地。 ? P0， P1， P2， P3： 8031 有四個并行口，在這四個并行口中，可以在任何一個輸出數(shù)據(jù)，又可以從它們那得到數(shù)據(jù)，故它們都是雙向的，每一個 I/O 口內(nèi)部都有一個 8位數(shù)鄭州大學(xué)本科畢業(yè)（設(shè)計）論文 18 據(jù)輸出鎖存器和一個 8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，各成為 SFR 中的一個。 P0口通常用做通用 I/O口為 CPU 傳送數(shù)據(jù)， P2 口除了可以用做通用口以外，還具有第一功能，除 P0口以外其余三個都是準雙向口 。 二、 單片機復(fù)位電路 根據(jù)應(yīng)用的要求，復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和上電或開關(guān)復(fù)位。 上電復(fù)位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。常用的上電復(fù)位電路如圖 （ a)中左圖所示。圖中電容 C1 和電阻 R1 對電源十 5V 來說構(gòu)成微分電路。上電后，保持 RST一段高電平時間，由于單片機內(nèi)的等效電阻的作用，不用圖中電阻 R1，也能達到上電復(fù)位的操作功能，如圖 （ a） 中 所示。 上電或開關(guān)復(fù)位要求電源接通后，單片機自動復(fù)位，并且在單片機運行期間，用開關(guān)操作也能使單片機復(fù)位。常用的上電或開關(guān)復(fù)位電路如圖 （ b)所示。上電后，由于電容 C3 的充電和反相門的作用，使 RST 持續(xù)一段時間的高電平。當(dāng)單片機已在運行當(dāng)中時，按下復(fù)位鍵 K后松開，也能使 RST為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關(guān)復(fù)位的操作。 圖 單片機的復(fù)位電路 三、 系統(tǒng)時鐘的設(shè)計 時鐘電路是用來產(chǎn)生 8031 單片機工作時所必須的時鐘信號， 8031 本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現(xiàn)， 8031 在唯一的時鐘信號的控制下嚴格的按時序執(zhí)行指令進行工作 ，時鐘的頻率影響單片機的速度和穩(wěn)定性。通常時鐘由于兩種形式：內(nèi)部時鐘和外部時鐘。 我 們系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號。 8031 內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為 XTAL1 和 XTAL2，它們跨接在晶體振倉庫溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計 19 蕩器和用于微調(diào)的電容，便構(gòu)成了一個自激勵振蕩器。電路如圖 。 圖 時鐘電路 電路中的 C C2 的選擇在 30PF 左右，晶振頻率為在 12MHZ。 單片機外圍的設(shè)計 在 8031 芯片的外圍電路中必須對其進行程序存儲器的擴展，和根據(jù)系統(tǒng)的需要對其進行數(shù)據(jù)存儲器的擴展。 8031 對程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器均可進行 0000H～ FFFFH 的 64K字節(jié) 地址內(nèi)容的有效尋址。由 1片 2764EPROM、 1片 6264RAM。 1 片 74LS138 譯碼器及一些必要的邏輯器件構(gòu)成。其框圖如圖 所示。由于檢測系