【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)字電路或單片機、價格低等優(yōu)點。 頻率 /溫度輸出式集成濕度傳感器 。 典型產(chǎn)品為 HTF3223 型。它除具有 HF3223 的功能以外，還增加了溫度信號輸出端，利用負溫度系數(shù)（ NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當環(huán)境溫度變化時，其電阻值也相應改變并且從 NTC 端引出，配上二次儀表即可測量出溫度值。 系統(tǒng)簡介 系統(tǒng)功能簡介 本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如下： 對環(huán)境 溫 、 濕度數(shù)據(jù)的 采集、 處理 、 存儲 、 顯示以及 通過控制器 串行 口 上傳至上位 PC 機 ，并且可以在上位 PC 機 VB 控制 平臺上顯示實時采集到的溫、濕度值 ，繪制 出 溫、濕度波形 。 系統(tǒng)下位機可以和上位機聯(lián)合工 作，又可以單獨工作，即通過矩陣鍵盤可以對系統(tǒng)溫、濕度報警值進行設置并存儲，利用 LCM1602 對系統(tǒng)采集到的溫濕值進行顯示 等功能。 系統(tǒng)設計簡介 7 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 單片機作為控制器。其顯示界面采用 LCM1602 顯示溫濕度傳感器所檢測到的實時數(shù)值 ， 它是 2 行 16 列字符 型 液晶顯示模塊 。并且顯示屏在系統(tǒng)的設置模式下顯示按鍵輸入值，具有顯示輸入對錯提示的功能。數(shù)據(jù)采集部分分別用到 DALLAS 公司的 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 ，用到 Honeywell 公司的 HIH3610 濕度傳感器 配 合 ADC0809 作為 系統(tǒng) 濕度采集 部分 。 系統(tǒng)擴展了一個 片外 存儲器 EEPROM 用以保存系統(tǒng) 設置 的報警 值 ，故而具有掉電數(shù)據(jù) 不丟失 的功能。另外系統(tǒng)的控制器在 處理報警 時，采用 定時器 T0 中斷， 在中斷 程序 中查詢 當前有沒有報警申請、處于哪一類報警申請，從而產(chǎn)生不同 的 控制 信號 ， 驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出不同的報警聲音。 與 PC 機的通信，采用的是串行異步通信 方式 ，從單片機 TXD 和 RXD 端的 TTL 電平到 PC 機的標準 RS232 電平的轉(zhuǎn)換， 系統(tǒng) 采用美信公司的 MAX232 芯片 。 本章小結(jié) 本章主要介紹到系統(tǒng)的設計背 景，溫濕度的檢測技術及發(fā)展前景，另外還簡要介紹了本系統(tǒng)的設計和功能。 8 2 方案選擇 控制模塊 方案一、采用 ATMEL 公司產(chǎn)品 AT89S52 單片機作為系統(tǒng)控制模塊 。 采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 系列的單片機作為主控制器。其特點是 支持 ISP 在線可編程寫入技術 。 串行寫入、 其頻率高達 33MHz,故其 速度更快、內(nèi)部集成看門狗計時器，不再需要像 89C51 那樣外接看門狗計時器單元電路 ， 穩(wěn)定性更好。 AT89S52 是 一款 高性能 、低功耗 8 位單片機 ，片內(nèi)含 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復擦寫 1000次的 Flash 只讀程序存儲器 。 AT89S52 具有如下特點： 40 個引腳 、 8k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器 、 256 bytes 隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） 、 32個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口 、5個中斷 源， 2 層 優(yōu)先級中斷嵌套 、 2個 16 位可編程定時 /計數(shù)器 、 1 個全雙工串行通信口 、看門狗（ WDT）電路。 此外，空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。 同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。 方案二、采用如新華龍公司 C8051 系列或 ATMEL 公司 ATmega 系列等高檔八位單片機作為本系統(tǒng)控制核心。這一類高檔單片機最顯著的特點就是功能全，如空間更大的 FLASH和 SRAM 存儲器、雙串口、更多的硬件定時器資源等。但是其價格往往比普通單片機貴。 根據(jù)系統(tǒng)設計要求和資源預算，并且考慮系統(tǒng)成本， 為了使本系統(tǒng)性價比達到更高，決定選用方案一，即 AT89S52 單片機作為本系統(tǒng)控制 核心 模塊。 2. 2 輸入模塊 方案一：采用獨立式 按鍵作為輸入模塊，其特點：直接用 I/O 口構(gòu)成單個按鍵電路，接口電路配置靈活、軟件結(jié)構(gòu)簡單，但是當 鍵數(shù)較多時，占用 I/O 口較多； 方案二：采用矩陣式鍵盤作為輸入電路，其特點：電路和軟件稍復雜，但相比之下，當鍵數(shù)越多時越節(jié)約 I/O 口。 本設計 使 用鍵盤輸入預置報警溫 、濕 度值，若采用獨立按鍵，對數(shù)值進行遞增遞減需頻繁按鍵，為軟件設計增加負擔，且操作界面不友好。若采用矩陣式按鍵，可以方便地輸 9 入一個溫度值，使操作界面更具人性化，節(jié)約了寶貴的 I/O 口資源。 通過對比， 方案二 為系統(tǒng)輸入模塊 最佳方案 。 2. 3 顯示模塊 方 案一、采用 LED 數(shù)碼管顯示。特點：成本較低，顯示內(nèi)容局限 ，需要外圍驅(qū)動電路 ； 方案二、采用 LCD 顯示。特點：成本相對 LED 較高，顯示內(nèi)容豐富 ，與單片機可以直接接口 。 考慮到本設計要顯示的內(nèi)容 較多 ， 且要達到同樣的顯示效果，采用數(shù)碼管顯示方法很可能要比 LCM1602 顯示成本更高，且目前市場上的 LCM1602 模塊已經(jīng)十分普及， LCM1602是兩行十六列字符型液晶顯示屏。顯示亮度高，可顯示的內(nèi)容豐富，故 采用 LCM1602 作為輸出顯示將是最佳的 解決 方案。 2. 4 數(shù)據(jù)采集 模塊 溫度 采集 模塊 方案一： 用模擬溫度傳 感 器，比如普通的熱敏電阻。熱敏電阻的溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性度較大，因此在使用時要進行線性化處理，線性化處理雖然能改善熱敏電阻的特性曲線，但比較復雜。為此常在要求不高的一般應用中，作出在一定的溫度范圍內(nèi)溫度與阻值成線性關系的假定，才能簡化計算。另外， 溫度與輸出電壓量是非線性的，讀出的是模擬量， 需要 A/D 轉(zhuǎn)換器 進行轉(zhuǎn)換才能送給數(shù)碼管顯示 ， 從而 增加了軟硬件的負擔。 方案二：采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 作為溫度傳感器模塊，它具有獨特的單總線接口方式，需一根總線就能實現(xiàn)控制模塊與 DS18B20 之間的半雙工通信。 DS18B20 是集傳感元件和轉(zhuǎn)換電路于一體的小芯片上。 另外， DS18B20 也支持 “ 一線總線 ” 接口，測量溫度范圍為 55℃ ～ +125℃ ，在 10～ +85℃ 范圍內(nèi)， 誤差 為177。 ℃ ?，F(xiàn)場溫度直接以 “一線總線” 的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持 3V～ 的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便，體積更小。 綜上分析， DS18B20 大大節(jié)約了 I/O 口資源，且 軟件 實現(xiàn)方便 ，它有 精確的轉(zhuǎn)換電路 10 直接送出直觀的數(shù)據(jù)，并且 DS18B20 擁有較高的溫度分辨率 度（采用默認的 12 位精度 時），在價格方面，單個 DS18B20 市場價 7 元，與 模擬溫度傳感器 加 A/D 轉(zhuǎn)換器的組合價格相差不大。用它作為本設計傳感器模塊最恰 當不過， 故 選擇方案二。 濕度 采集 模塊 方案一、采用普通的濕敏元件作為濕度采集模塊主要部分。普通的 濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要電阻式、電容式兩大類。 但其抗腐蝕能力都不是很理想，且濕度的檢定法較為復雜 ，線性都不好。 方案二、采用 集成濕度傳感器 作為濕度采集模 塊主要部分。 線性電壓輸出式集成濕度傳感器 HIH3610， 采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關系的伏特級電壓信號，響應速度快，重復性好，抗污染能力強。 根據(jù)設計要求中的技術指標，采用方案二完全可以實現(xiàn)系統(tǒng)設計 ， 且 HIH3610 內(nèi)部集成了信號處理電路， 故省去復雜的信號處理步驟，所以 選擇 Honeywell 公司生產(chǎn)的HIH3610 實現(xiàn)本設計相對濕度值的采集。 本章小結(jié) 本 章 主要闡述了系統(tǒng)的幾大模塊的方案比較， 充分考慮設計的成本，和在確保系統(tǒng)的精度的前提之下 ，來選擇一些硬件資源， 進而做 出了最合適系統(tǒng)的設計方案選擇。 本設計 還有部分模塊 ， 見論文的硬件 設計 。 11 3 數(shù)字信號處理 數(shù)字信號處理 簡介 數(shù)字信號處理是將 信號 以數(shù)字方式表示并處理的理論和技術。數(shù)字信號處理與 模擬信號 處理是信號處理的子集。 本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集的終 端均加入了數(shù)字信號處理。 數(shù)字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量或 濾波 。因此在進行數(shù)字信號處理之前需要將信號從模擬域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，這通常通過 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 實現(xiàn) 。 數(shù)字信號處理的算法需要利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O備如數(shù)字信號處理器（ DSP） 和 專用集成電路（ ASIC）等。數(shù)字信號處理技術及設備具有靈活、精確、抗干擾強、設備尺寸小、造價低、速度快等突出優(yōu)點，這些都是模擬信號處理技術與設備所無法比擬的。 數(shù)字濾波 技術簡介 數(shù)據(jù)濾波技術的實現(xiàn)意義 數(shù)字濾波 在數(shù)據(jù)采集過程中非常重要 ，它 主要適用于隨機干擾信號的 過濾 處理，對于系統(tǒng)誤差無能為力，對于硬件設計來說，由于集成度越來越高，所以數(shù)字濾波的價值越 來越大，每減少一個硬件器件就可以節(jié)省可觀的成本，如果又運用了合理的算法的話 。不僅節(jié)約了硬件資源，更加完善了設計系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 這也是設計本系統(tǒng)的一項原則。 數(shù)字 濾波 與模擬濾波的區(qū)別 所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比重，故實質(zhì)上是一種程序濾波。與此對應的就是模擬濾波，由于模擬濾波牽扯到的其他知識太多 ，在此不詳細介紹了 ， 模擬濾波主要無源 濾 波（直接用電阻、電容、電感等不外接電源的元件組成的）與有源濾波（如運算放大器等需要外接電源組成的），其目的是將信號中的噪音和干擾濾 去或者將希望得到的頻率信號濾出為我所用。數(shù)字濾波的出現(xiàn)克服了模擬濾波的很多不足， 它 具有以下優(yōu)點： A．是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。 B．可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波的缺陷。 12 C．可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或參數(shù)，具有靈活、方便、功能強的特點 。 列舉三種 數(shù)字濾波 技術 及在本文中的使用 遞推平均濾波法 方法：把連續(xù)取 N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為 N，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾 ， 并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù) .(先進先出原則 )， 把隊列中的 N 個數(shù)據(jù)進行算術平均運算 ， 就可獲得新的濾波結(jié)果。 優(yōu)點：對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。 缺點：靈敏度低，對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合，比較浪費 RAM。 限幅濾波法 方法：根據(jù)經(jīng)驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設為 A），每次檢測到新值時判斷：如果本次值與上次值之差 小于等于 A,則本次值有效。如果本次值與上次值之差 大于 A， 則本次值無效 ， 放棄本次值 ， 用上次值代替本次值 。 優(yōu)點 ：能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。 缺點：無法抑制那種周期性的干擾 ， 平滑度差。 在系統(tǒng)的溫度采集 終端加入了 程序判斷濾波 。 根據(jù)干撓出現(xiàn)的現(xiàn)象分析， 加入 限幅濾波 能很好地將隨機出現(xiàn)的一 些 跳變干擾濾除。 限幅平均濾波法 方法：相當于 “ 限幅濾波法 ”+“ 遞推平均濾波法 ” 。 每次采樣到的新數(shù)據(jù)先進行限幅處理，再送入隊列進行遞推平均濾波處理。 優(yōu)點：融合了兩種濾波法的優(yōu)點，對于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差 。 缺點：比較浪費 RAM。 在本設計中，對于濕度數(shù)據(jù)的采集，采用 了 限幅 平均濾波法 ，它 溶 入了兩種濾波的 思 13 想 。 對系統(tǒng)濕度值采集所出現(xiàn)的跳變干撓，和因溫度跳變 等原因 引起的數(shù)據(jù)波動進行了相應的處理， 濾除了脈沖干擾 ，并且輸出信號平滑 。 本章小結(jié) 由于本系統(tǒng)要 將 溫度、濕度數(shù)據(jù) 被單片機 采集 ，再 用 單片機來 控制各模塊實現(xiàn)相應功能 。 為了 使單片機能夠采集更穩(wěn)定、更 準 確的數(shù)據(jù)， 固然離不開 數(shù)字信號處理 ， 鑒于 本設計 曾出現(xiàn)的干擾及誤差 ，決定 數(shù)據(jù)采集模塊的終端加入了數(shù)字濾波。 在溫度數(shù)據(jù)采集之后加限幅濾波，有效地 濾除了系統(tǒng) 隨機 脈沖 干撓引起的數(shù)據(jù)采集出錯； 在濕度數(shù)據(jù)采集終端加入了限幅平均濾波，處理因采 集所出現(xiàn)的跳變干撓，和溫度跳變等原因引起的采集數(shù)據(jù)波動，使輸出更為平滑。 本章內(nèi)容介紹到系統(tǒng)中所用到的三種數(shù)字濾波方法，并對其進行一一分析。 14 4 硬件設計 系統(tǒng)外圍器件介紹 74LS164 利用軟件實現(xiàn)模擬串行口，外接 74LS164 來擴展并行 IO 口，節(jié)約單片機資源 ，具體應用見 LCM1602液晶顯示及驅(qū)動 。 74LS164是一個串行輸入并行輸出的移位寄存器。并帶有清除端。 其中 各引腳功能如下 ： Q0～ Q7： 并行輸出端 A、 B： 串行輸入端 MR： 清除 端 CP： 時鐘輸入端。 VCC： +5V 電源 GND：地 圖 2 74LS164 引