【文章內(nèi)容簡介】 性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正。 2. 長時(shí)間飽和下快速脫濕。 3. 可以自動化焊接，包括波峰焊或水沒 4. 高可靠性與長時(shí)間穩(wěn)定性。 5. 專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)。 6. 可用于線性電壓或頻率輸出回路。 7. 快速反應(yīng)時(shí)間。 可見 HS1101 是不僅具有較高精度，還具有高可靠性的濕度傳感器。它的 濕度 響應(yīng)曲線接近線性，能夠使設(shè)計(jì)更加的方便可靠。 8 圖 34 HS1101 的濕度電容響應(yīng)曲線 HS1101是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，在電路中等效于一 個(gè)電容器，其電容值隨所測空氣的相對濕度的增大而增大。具有極好的線性輸出，在相對濕度為 0%RH～ 100%RH 的范圍內(nèi)，電容的容量由 163 pF 變化到 202 pF，其誤差不超過177。 2%RH；濕度量程為 1%RH～ 99%RH，工作的溫度范圍為 40℃～ +100℃ ；濕度輸出受溫度影響極小 (溫度系數(shù)僅為 pF/℃ )；常溫下使用不需要溫度補(bǔ)償，也不用進(jìn)行校準(zhǔn) [4]。 HS1101 是一種在高分子薄膜上形成的電容。高分子薄膜上的電極是一種很薄的金屬微孔蒸發(fā)膜，水分子被兩端的電極被高分子薄膜吸附或釋放，隨著其水分子的吸附 或釋放，高分子的介電系數(shù)將發(fā)生相應(yīng)的變化。由于介電系數(shù)隨空氣的相對濕度變化而變化，所以只要測定 HS1101 的電容值就可得到相對濕度。其濕度電容響應(yīng)曲線如圖 34 所示。 為了能讓單片機(jī)方便的讀取 HS1101 電容值的變化，將 HS1101 接入 555 非穩(wěn)態(tài)電路，把電容值的變化轉(zhuǎn)換為頻率值的變化，這樣可以直接由單片機(jī)測出，不需要再經(jīng)過 A/D 器件，簡化了電路的設(shè)計(jì)。 圖 35 所示 [5]， HS1101 作為電容變量接在 555 芯片的 TRIG 與 THR 兩引腳上，引腳 DIS 用作電阻 R4 的短路，在 R4 上串聯(lián)一個(gè)可變電阻，用作實(shí)際操作 中調(diào)節(jié)R4 的的阻值，使頻率的計(jì)算更加方便。等量電容 HS1101 通過 R1 與 R4 充電到門限電壓，通過 R4 放電到觸發(fā)電平，然后 R1 通過引腳 7 短路到地， 555 振蕩器輸出口腳 3 與單片機(jī) 14 腳 T0 連接 ,達(dá)到輸出頻率到單片機(jī)的目的。 9 圖 35 濕度傳感器電路模塊 555 電路的非平衡電阻 R2 用作內(nèi)部溫度補(bǔ)償，目的是為了引入溫度效應(yīng)，使他與 HS1101 的溫度效應(yīng)相匹配，由于不同型號的 555 內(nèi)部溫度不常有所不同，R2 的值必須與特定的芯片相匹配，為了保證在 55%RH 的典型濕度值時(shí)頻率為6271HZ， R4 也要做稍許修正。表 31[6]給出了本次設(shè)計(jì)中采用的頻率輸出參數(shù)（參考點(diǎn)： 28℃ ，相對濕度： 50%，輸出頻率： 6271Hz） [7]。 表 31 頻率輸出典型參數(shù) RH/% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 頻率 /HZ 6852 6734 6618 6503 6388 6271 6152 6029 5901 5766 5623 溫度檢測模塊 本次設(shè)計(jì)溫度檢測模塊選用的是 LM75A 溫度檢測芯片。它的特性如下： 提供環(huán)境溫度對應(yīng)的 數(shù) 字信息，直接表示溫度。 對某一特定溫度做出反應(yīng)，可以配置成中斷或者比較器模式。 小型 8 腳封裝。 具有 I178。C 總線接口。 寬電源電壓范圍： ~。 溫度范圍： 55℃ ~+125℃ 。 R1 R4 576K R5 1K R2 909K C8 HS1101 TRIG 2 Q 3 R 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 U2 NE555 VCC C7 CAP T0 R11 10 提供 ℃ 精度的 11 位 ADC。 溫度精度： 25℃ ~+100℃ 時(shí)為 177。 2℃， 55℃ ~+125℃ 時(shí)為 177。 3℃ . 可編程溫度閥值和之后設(shè)定點(diǎn)。 低功耗設(shè)計(jì)，工作電流為 250uA,掉電模式為 。 LM75A是一個(gè)使用了內(nèi)置帶隙溫度傳感器和∑ △模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的 溫度 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它也是一個(gè)溫度檢測器，可提供一個(gè)過熱檢測輸出。 LM75A 包含許多數(shù)據(jù)寄存器：配置寄存器（ Conf），用來存儲器件的某些配置，如器件的工作模式、OS 工作模式、 OS 極性和 OS 故障隊(duì)列等（在功能描述一節(jié)中有詳細(xì)描述）；溫度寄存器（ Temp），用來存儲讀取的數(shù)字溫度；設(shè)定點(diǎn)寄存器（ Tos amp。 Thyst），用來存儲可編程的過熱關(guān)斷和滯后限制，器件通過 2 線的串行 I178。C 總線接口與控制器通信。 LM75A 還包含一個(gè)開漏輸出（ OS），當(dāng)溫度超過編程限制的值時(shí)該輸出有效。 LM75A 有 3 個(gè)可選的 邏輯地址管腳，使得同一總線上可同時(shí)連接 8個(gè)器件而不發(fā)生地址沖突。 LM75A 可以在 55℃～ +125℃ 的溫度范圍內(nèi)將溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在內(nèi)部寄存器中，并可實(shí)現(xiàn) ℃ 的精度。 MCU 可以通過I178。C 總線直接讀取其內(nèi)部寄存器中的數(shù)據(jù)，并可通過 I178。C 對 4 個(gè)數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行操作，設(shè)置成不同的工作模式 [8]。 圖 36 溫度傳感器模塊 如圖 36 所示， LM75A 的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)串口及 OS 過熱關(guān)斷輸出與單片機(jī)相接，并且分別接 10K 的上拉電阻， 而 A0， A1， A2 數(shù)字輸出的地址線全部接地，表示只有一個(gè)地址。 R6 10k R8 10k R7 10k C6 VCC VCC SDA 1 SCL 2 OS 3 GND 4 VCC 8 A0 7 A1 6 A2 5 U3 LM75A TXD P16 P17 11 溫度的報(bào)警是由 LM75A 設(shè)置的，由于該芯片中設(shè)定點(diǎn)寄存器（ Tos amp。 Thyst），特定用來存儲可編程的過熱關(guān)斷和滯后限制，器件通過 2 線的串行 I178。C 總線接口與控制器通信。 LM75A 還包含一個(gè)開漏輸出（ OS），當(dāng)溫度超過編程限制的值時(shí)該輸出有效。所以當(dāng)設(shè)置了過熱關(guān)斷點(diǎn)和滯后點(diǎn)以后，檢測溫度達(dá)到設(shè)置溫度值， OS 輸出有效，單片機(jī)收到 OS 是信號后，啟動報(bào)警裝置，當(dāng)檢測溫度下降到滯后點(diǎn)后， OS 輸出無效，報(bào)警接觸。圖 37[9]所示的就是 OS 的響 應(yīng)溫度時(shí)序圖。 圖 37 OS 響應(yīng)溫度 *＝ OS 可通過讀寄存器或使器件進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)來復(fù)位。 假設(shè)故障隊(duì)列在每個(gè) Tos 和 Thyst 交叉點(diǎn)處都被滿足。 數(shù)碼管顯示和鍵盤控制模塊 本設(shè)計(jì)由于 STC89C52RC 單片機(jī) P0 口沒有內(nèi)部上拉電阻，所以在接數(shù)碼管時(shí)需要外接上拉電阻。本設(shè)計(jì)采用一個(gè) 4 位 8 段共陰數(shù)碼管作為顯示，由 P0 口提供段選， 提供位選碼，上拉電阻選用 的排阻。 本設(shè)計(jì)提供一個(gè)按鍵作為溫度和濕度顯示的切換功能。連接的是 口。 12 報(bào)警電路模塊 當(dāng) 前溫度和濕度值分別超過 LM75A 內(nèi)設(shè)定的溫度和單片機(jī)設(shè)定的濕度值時(shí)，單片機(jī)將置低 ，三極管 Q1 導(dǎo)通，蜂鳴器將發(fā)出報(bào)警聲。報(bào)警電路模塊如圖38 所示。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eBD a t e : 30 M a y 2 01 1 S h e e t o f F il e : I : \畢業(yè)設(shè)計(jì) \ pr ot e l \ L i B A C K U P ~ 11 .D D B D r a w n B y:B E L LQ 85 50P N P R 1010 0R910 KV C CP 23 圖 38 報(bào)警電路原理 4 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的另一個(gè)重點(diǎn) ,在此次設(shè)計(jì)中，采用 C 語言進(jìn)行程序的編寫，程序可讀性較高，易理解和修改。對頻率的計(jì)數(shù)采用中斷方式，節(jié)省 CPU 資源，讀出的頻率轉(zhuǎn)換為濕度值輸出時(shí)采用查表方式，提高運(yùn)算速度，降低運(yùn)算難度。 主程序的設(shè)計(jì) 主程序流程圖如圖 41 所示。 在主程序中，首先對中斷及各類寄存器狀態(tài)進(jìn)行初始化，將 T0 作 為計(jì)數(shù)器，對測濕度的振蕩電路進(jìn)行計(jì)數(shù)， T1 作為定時(shí)器每隔 1/20 秒產(chǎn)生一次中斷，在中斷程序中讀取計(jì)數(shù)器的值并對其進(jìn)行處理，計(jì)算出濕度。 初始化完成后主程序?qū)⒁来芜\(yùn)行溫度采集、數(shù)碼管顯示、報(bào)警控制、按鍵判斷等子例程并不斷循環(huán)。 溫度采集時(shí)通過 I178。C 總線與 LM75A 通信，采集到 LM75A 的寄存器中存儲的相關(guān)數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為溫度值。 報(bào)警控制則是判斷濕度值是否超出或低于正常值以及 LM75A 的 OS 端是否發(fā) 13 出報(bào)警。如果超出范圍或者 OS 端發(fā)出報(bào)警的話，就把控制蜂鳴器的端口置 1，使得蜂鳴器工作。 圖 41 主流程圖 開始 初始化寄存器、 IO 口狀態(tài) 初始化 LM75A 的報(bào)警溫度和報(bào)警延滯溫度 從 LM75A 讀出溫度數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)溫度 控制蜂 鳴器工作 顯示溫度 顯示濕度 轉(zhuǎn)換模式 檢查 LM75A是否報(bào)警 檢查按鍵是否按下 顯示模式是否為溫度 是 是 是 14 顯示子程序?qū)︼@示模式標(biāo)志進(jìn)行判斷，根據(jù)顯示模式的不同則顯示不同的單位以及數(shù)值（溫度值或者濕度值 ） 。 進(jìn)行按鍵判斷時(shí)如果發(fā)現(xiàn)按鍵被按下則首先進(jìn)行軟件延時(shí)去抖。如果判斷是按鍵按下的話，若顯示模式是顯示溫度則換為顯示濕度；若顯示模式是顯示濕度的話則換為顯示溫度。 中斷函數(shù)設(shè)計(jì) 圖 42 中斷流程圖 開始 結(jié)束 關(guān)中斷，定時(shí)器 1 復(fù)位，賦定時(shí) 1/20 秒初值 計(jì)數(shù)器 0是否溢出 清除溢出標(biāo)志 采集計(jì)數(shù)值 計(jì)算濕度 計(jì)數(shù)器 0 復(fù)位 重新開中斷 是 15 中斷流程圖 42 所示。當(dāng)定時(shí)器 1 中斷到來時(shí)， 將調(diào)用中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序執(zhí)行后，先關(guān)閉中斷，防止因?yàn)閯e的事情產(chǎn)生的中斷影響此服務(wù)程序。然后判斷計(jì)數(shù)器 0 是否溢出。若果計(jì)數(shù)器 0 溢出的話則是不正常，因?yàn)楦鶕?jù)設(shè)計(jì)振蕩器頻率不過超過 8000Hz。所以如果溢出的話就放棄本次的數(shù)據(jù)。如果正常的話就對其進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，計(jì)算出相應(yīng)的濕度。為了方便并且簡化運(yùn)算，本程序使用分段的一次函數(shù)來逼近實(shí)際的濕度 頻率曲線。 5 調(diào)試與測試 測試過程分為硬件調(diào)試和軟件測試。硬件部分采用萬用表對硬件進(jìn)行靜態(tài)分析，檢查各電路是否能夠正常工作。之后使用示波器，觀察晶振與頻率產(chǎn)生是否正常。 軟件部分使用 Keil 軟件進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試，并通過 Proteus 與 Keil 軟件進(jìn)行濕度模塊的仿真連調(diào)（由于在 Proteue 軟件里沒有 LM75A 芯片，所以無法進(jìn)行溫度模塊的仿真），修改程序中的錯(cuò)誤。最后進(jìn)行軟件與硬件的連調(diào)工作，檢查能否達(dá)到技術(shù)要求，并實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能， 軟件調(diào)試 將程序調(diào)入 Proteus 原理圖，運(yùn)行仿真。由于 Proteus 中無 HS1101 和 LM75A，所以只能用以電容代替 HS1101 做濕度功能的仿真，通過對照電容值 濕度值表格，改變替代 HS1101 的電容值，觀察輸出頻率變化是否正常，數(shù)碼管濕度