【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 值的計(jì)算得到濕度值。 本課題所選用的二氧化碳傳感器是FIGARO(弗加羅 )公司生產(chǎn)的固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件 TGS4 通過監(jiān)測(cè) S（＋）、 S（－）兩個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢(shì)值 EMF，就可以測(cè)量 CO2的濃度值。 在這里溫度及二氧化碳濃度需要模數(shù)轉(zhuǎn)換。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，可以通過單片機(jī)直接控制來達(dá)到需要的數(shù)值。顯示部分由單片機(jī)分時(shí)把溫度濕度及二氧化碳濃度值送到數(shù)碼管顯示。通過鍵盤 可以設(shè)定參數(shù)的上限值下限值，當(dāng)當(dāng)前參數(shù)超過設(shè)定值時(shí)，由單片機(jī)控制報(bào)警電路報(bào)警。同時(shí)單片機(jī)控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行相應(yīng)的動(dòng)作，使得溫度濕度及二氧化碳濃度恢復(fù)到正常水平。 圖 2. 2 總體方案框圖 單 片 機(jī) AT89C51 驅(qū)動(dòng)顯示 鍵盤 X25045 濕度測(cè)點(diǎn) CO2 濃度測(cè)點(diǎn) 溫度測(cè)點(diǎn) AD590 HS1101 報(bào)警 ADC 0809 光電隔離 驅(qū)動(dòng)放大 執(zhí)行機(jī)構(gòu) TGS4160 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件元器件的選擇，必須考慮到功能的實(shí)現(xiàn)，必須考慮到到期間的實(shí)施性，價(jià)格和通用性等幾個(gè)方面。在電路的設(shè)計(jì)中，在實(shí)現(xiàn)其所要求的功能基礎(chǔ)上，盡量使電路簡(jiǎn)單。 單片機(jī)的選擇及其特性 單片機(jī)的概述 單片機(jī)又稱單片微控制器它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 單片機(jī)也被稱為微控制器（ Microcontroller），是因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有 CPU 的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU 集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì) 體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。 INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。、 本設(shè)計(jì)選用了 AT89C51 單片機(jī)，它是一種低功耗，低價(jià)格，高性能 8 位微處理器。 AT89C51 簡(jiǎn)介 AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C51 單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。 8051 單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器（ ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)、定時(shí)計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口、和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。 中央處理器 (CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是把為數(shù)據(jù)寬度的處理器能處理 8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單片機(jī)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出 功能等工作。 內(nèi)部有 128 個(gè) 8 位用戶存儲(chǔ)單元，他們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的 RAM 只有 128 個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。 共有 4096 個(gè)八位 ROM，用于存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)或表格。 4．定時(shí) /計(jì)數(shù)器 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 有兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生的用語程序控制轉(zhuǎn)向。 引腳圖如 ： 圖 AT89C51 引腳圖 1．主要性能參數(shù) AT89C51 系列單 片機(jī)主要性能參數(shù)如下： 8k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲(chǔ)器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作： 0Hz24MHz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 256 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個(gè)可編程 I/O 口線 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 8 個(gè)中斷源 可編程串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式。 2．功能特性 8k 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 256 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè) I/O 口線， 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài) 邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 3．并行口簡(jiǎn)介 Vcc：電源電壓 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 GND：接地端 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口 P0 寫“ 1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址 （低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash 編程時(shí)， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 表 引腳 和 的第二功能 引腳號(hào) 功能特性 T2(定時(shí) \計(jì)數(shù)器 2 外部計(jì)數(shù)脈沖輸入 ),時(shí)鐘輸出 T2EX（定時(shí) \計(jì)數(shù)器 2 捕獲 \重裝載觸發(fā)和方向控制 P1 口： P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉 到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 (IIL)。 和 還可分別作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和輸入（ ），參見表 。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P1 接收低 8 位地址。 P2 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口 P2 寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部 存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 (IIL)。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR 指令）時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行 MOVX @RI 指令）時(shí)， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。 Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。 P3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì) P3 口寫入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉 高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表 所示： 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 表 引腳 P3 口的第二功能 端口引腳號(hào) 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INTO（外中斷 0） /INT1（外中斷 1） T0（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0） T1（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外 部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 圖 AT89C51 編程圖 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 此外， P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG： 當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于 定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè) ALE 脈沖。對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。 如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 禁止位無效。 PSEN：程序儲(chǔ)存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩 次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次 PSEN 信號(hào)。 EA/VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000H— FFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘 發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 中斷寄存器： AT89C51 有 6 個(gè)中斷源， 2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)， IE 寄存器控制各中斷位， IP 寄存器中 6 個(gè)中斷源的每一個(gè)可定為 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器： AT89C51 有 256 個(gè)字節(jié)的內(nèi)部 RAM， 80HFFH 高 128 個(gè)字節(jié)與特殊功能寄存器（ SFR）地址是重疊的，也就是高 128 字節(jié)的 RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它們是分開的。 溫度傳感器的選擇及其電路設(shè)計(jì) 在實(shí)際的工作當(dāng)中，溫度檢測(cè)的方法一般用熱電偶、熱敏電阻以及集成溫度傳感 器等測(cè)溫元件。熱點(diǎn)偶的工作原理：兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。熱敏電阻工作原理： 熱敏電阻是對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體元件，主要特征是隨著外界環(huán)境溫度的變化，其阻值會(huì)相應(yīng)發(fā)生較大改變。煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 電阻值對(duì)溫度的依賴關(guān) 系稱為阻溫特性。熱敏電阻根據(jù)溫度系數(shù)分為兩類：正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。正溫度系數(shù)熱敏電阻簡(jiǎn)稱 PTC（是Positive Temperature Coefficient 的縮寫），超過一定的溫度 (居里溫度 )時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。其原理是在陶瓷材料中引入微量稀土元素，如 La、 Nb 等，可使其電阻率下降到 10 以下，成為良好的半導(dǎo)體陶瓷材料。這種材料具有很大的正電阻溫度系數(shù)，在居里溫度以上幾十度的溫度范圍內(nèi)，其電阻率可增大 4~10 個(gè)數(shù)量級(jí)，即產(chǎn)生所謂 PTC 效應(yīng)。 熱電偶 和熱敏電阻的測(cè)量精度都比較高，成本比較低，而且測(cè)量的范圍也比較廣，但是它容易收到測(cè)量場(chǎng)所及環(huán)境的限制，高溫和長(zhǎng)期使用時(shí)由于環(huán)境的限制會(huì)使其性能下降，需要定期檢查與更換，給實(shí)際應(yīng)用帶來很大不便。而由 AD公司生產(chǎn)的 AD590 溫度傳感器，具有線性好、精度高、靈敏度高、體積小、使用方便、價(jià)格比較低，并具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。所以本設(shè)計(jì)采用了 AD 公司生產(chǎn)的 AD590 集成溫度芯片。 溫度傳感器 AD590 簡(jiǎn)介 AD590 是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上 是一種半導(dǎo)體集成電路 . 集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、價(jià)格總體上較低、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分以為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度 0℃時(shí)輸出為 0，溫度 25℃時(shí)輸出 。電流輸出型的靈敏度一般為 1mA/KAD590 正是基于這些特點(diǎn)，工作時(shí)它就是利用晶體管的 be 結(jié)壓降的不飽和值 VBE 與熱力學(xué)溫度