【文章內容簡介】 被控對象狀態(tài)的測試和對控制條件的監(jiān)察也是不可缺少的環(huán)節(jié)。 傳感器是實現測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉換，一切準確的測量和控制都將無法實現。工業(yè)生產過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產過程中的各種參量，使設備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產的高效率和高質量。 溫度傳感器 采用 DS18B20， 溫度測量范圍從 55℃ ~+125℃， 10~+85℃時測量精度為177。 ℃，測量分辨率為 ℃，電源電壓范圍從 ~5V 。它支持“一線總線”的數字方式傳輸，可組建傳感器網絡。而且，無需進行線性校正，使用非常方便，接口簡單，成本低廉。 與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過簡單的編程實現 9~12 位的數字值讀數方式，可以分別在 和 750ms 內將溫度值轉化9 位和 12 位的數字量。它具有體積小、接口方便、傳輸距離遠等特點，內含寄生電源。 系統(tǒng)有如下特點： (1)不需 要備份電源，可通過信號線供電； (2)送串行數據，不需要外部元件； (3)零功耗等待； (4)系統(tǒng)的抗干擾性好，適合于惡劣環(huán)境的現場溫度測量，如環(huán)境控制、設備過程控制、基于單片機的溫濕度采集器的設計 10 測溫類消費電子產品等。 濕度傳感器 采用 CHR01 濕敏電阻。 CHR01 濕敏電阻適用于阻抗型高分子濕度傳感器，它的工作電壓為交流 1V，頻率為 50Hz~2kHz，測量濕度范圍為 20%~90%RH，測量精度177。 5%，工作溫度范圍為 0~+85℃，最高使用溫度 120℃，阻抗在 60%RH（ 25℃）時為 30（ 21~） KΩ。采用 555 時基 或 RC 振蕩電路，將濕度傳感器等效為阻抗值，測量振蕩頻率輸出，振蕩頻率在 1k Hz 左右。 控制芯片的介紹與分析 單片機 在多數電子設計當中，基于性價比的考慮， 8 位單片機仍是首選。目前， 8 位單片機在國內外仍占有重要地位。在 8 位單片機中又以 MCS－ 51 系列單片機及其兼容機所占的份額最大。 MCS－ 51 的硬件結構決定了其指令系統(tǒng)不會發(fā)生變化，設計人員可以很容易的對不同公司的單片機產品進行選型，他們只需將重點放在芯片內部資源的比較上。使用 MCS－ 51 單片機系列完全可以實現產品要求的指標，電路簡單 ，調試容易，所以本設計采用MCS－ 51 單片機。下面是我所采用的方案。 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位 CPU 和在線系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 基于單片機的溫濕度采集器的設計 11 輸出顯示設備的介紹與分析 電子設計中常用的輸出顯示設 備有兩種：數碼管和 LCD。 本設計需要顯示溫度值和濕度值，還可顯示設置溫濕度數值報警數值的上下限，顯示數字較多，因此我選用 LCD 做輸出設備。 液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等特點，用戶可以根據自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動手設計的圖案。當需要顯示的數據比較復雜的時候，它的優(yōu)點就突現出來了，并且當硬件設計完成時，可以通過軟件的修改來不斷擴展系統(tǒng)顯示能力。外圍驅動電路設計比較簡單，顯示能力的擴展將不會涉及到硬件電路的修改，可擴展性很強。字符型液晶顯示屏已經成為了單片機應用設計中最常用的信息 顯示器件之一。不足之處在于其價格比較昂貴，驅動程序編寫比較復雜。 基于單片機的溫濕度采集器的設計 12 第 3章 系統(tǒng)整體設計 本方案以 STC89C52 單片機系統(tǒng)為核心來對溫度、濕度進行實時控制和巡檢。各檢測單元能獨立完成各自功能，并根據主控機的指令對溫濕度進行實時采集。主控機負責控制指令的發(fā)送，并控制各個檢測單元進行溫度采集，收集測量數據，同時對測量結果進行整理和顯示。 其中包括單片機、復位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設計。 圖 系統(tǒng)總方框圖 本 設計由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的。 (1)信號采集 由溫度傳感器模塊和濕度傳感器模塊組成； (2)信號分析 由單片機 STC89C52 組成； 設定模塊 串口模塊 溫度傳感器模塊 濕度傳感器模塊 單片機 STC89C52 液晶模塊 繼電器模塊 提醒模塊 基于單片機的溫濕度采集器的設計 13 (3)信號處理 由液晶顯示模塊、繼電器模塊和蜂鳴器模塊組成。 信號采集 溫度傳感器 新一代的數字化溫度傳感器“ DS18B20”體積更小、更經濟、更靈活。 DS18B20 內部結構主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的管腳排列如下 : DQ 為數字信號輸入 /輸出端 ； GND 為電源地； VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 64 位 ROM 和單線端口 圖 DS18B20 方框圖 DS18B20 依靠一個單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立 ROM 操作協(xié)議，才能進行存儲器和控制操作。因此，控制操作必須首先提供下面 5 個 ROM 操作存儲器和控制邏輯 暫存器 8 位CRC 產生器 溫度傳感器 上 線觸發(fā) TH 下線觸發(fā) TL 64 位ROM 和單線端口 電源探測 基于單片機的溫濕度采集器的設計 14 指令之一： (1)讀 ROM,(2)匹配 ROM, (3)搜索 ROM, (4)跳過 ROM, (5)報警搜索。 這些指令操作作用在沒有一個器件的 64 位光刻 ROM 序列號，可以在掛在一線上 多個器件選定某一個器件，同時，總線也可以知道總線上掛有有多少，什么樣的設備。若指令成功地使DS18B20 完成溫度測量，數據存儲在 DS18B20 的存儲器。一個控制功能指揮指示 DS18B20的演出測溫。測量結果將被放置在 DS18B20 內存中，并可以讓閱讀發(fā)出記憶功能的指揮，閱讀內容的片上存儲器。溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL 都有一字節(jié) EEPROM 的數據。 DS18B20 工作原理 DS18B20的測溫原理如圖 ，圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器 1。高溫度系數 晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產生的信號作為計數器 2 的脈沖輸入。計數器 1 和溫度寄存器被預置在 55℃所對應的一個基數值。計數器 1 對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數當計數器 1的預置值減到 0,如此循環(huán)直到計數器 2 計數到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，其輸出用于修 正計數器 1 的預置值。 斜坡累加器 預置 比較 低溫度系數振蕩器 計數器 預置 =0 溫度寄存器 高溫度系數振蕩器 計數器 =0 基于單片機的溫濕度采集器的設計 15 圖 原理圖 濕度傳感器 濕敏元件簡介 電阻型濕度傳感器可分為兩類：電子導電型和離子導電型。電子導電型濕度傳感器，也稱為“漲縮型濕度傳感器”，它通過將導電體粉末（金屬、石 墨等）分散于膨脹性吸濕高分子中制成濕敏膜。隨濕度變化，膜發(fā)生膨脹或收縮，從而使導電粉末間距變化，電阻隨之改變。但是這類傳感器長期穩(wěn)定性差，且難以實現規(guī)模化生產，所以應用較少。離子導電型濕度傳感器，它是高分子濕敏膜吸濕后，在水分子作用下，離子相互作用減弱，遷移率增加；同時吸附的水分子電離使離子載體增多，膜電導隨濕度增加而增加，由電導的變化可測知環(huán)境濕度。本設計選用阻抗型高分子濕度電阻，型號 CHR01。 CHR01 型高分子濕度電阻的工作原理：由于水附在有極性基的高分子膜上，在低濕度下，因吸附量少，不能產生荷 電離子，電阻值較高。當相對濕度增加時，吸附量也增加，吸附水就成為導電通道，高分子電解質的正負離子主要起到載流子作用，另外，由吸附水自身離解出的質子、水和氫離子也起電荷載流子作用，使高分子濕敏電阻的電阻值下降。它的工作電壓為交流 1V，頻率為 50Hz~2kHz，測量濕度范圍為 20%~90%RH，測量精度177。 5%，工作溫度范圍為 0~+85℃，最高使用溫度 120℃，阻抗在 60%RH（ 25℃）時為 30（ 21~）kΩ。 3. CHR01 濕敏元件應用電路 在實際工作環(huán)境中，溫度不是一個恒值，隨著環(huán)境的變化而變化， 變化的范圍很寬。而濕敏元件受溫度的影響不能忽略。濕敏元件的濕度溫度系數就是表示器件的感濕特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性參數。環(huán)境的溫度變化越大，由感濕特征量表示的環(huán)境相對濕度與實際的相對濕度之間的誤差就越大。另外， 一切電阻式濕度傳感器都必須使用交流電源，否則性能會劣化甚至失效。電解質濕度傳感器的電導是靠離子的移動實現的，在直流電源作用下，正、負離子必然向電源兩極運動，產生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞；在交流電源作用下，正負離子往返運動，不會產生電解作用，感濕膜不會被破壞。交流電基于單片機的溫濕度采集器的設計 16 源的頻率選擇是，在不產生正 、負離子定向積累情況下盡可能低一些。 但加交流電壓后會產生一定的熱量，所以，交流電壓值不能過高，要有一定的限度， 在高頻情況下，測試引線的容抗明顯下降，會把濕敏電阻短路。另外，濕敏膜在高頻下也會產生集膚效應，阻值發(fā)生變化，影響到測濕靈敏度和準確性。 除此之外，響應時間、濕滯回線、濕滯回差等也不容忽略。響應時間越短，表明濕敏元件的吸濕過程和脫濕過程越快，濕滯回差越小，濕敏元件的性能越好。故采用振蕩電路作為濕敏元件的測試電路。 圖 振蕩電路原理圖 信號分析 單片機專業(yè)名稱 — Micro Controller Unit(微控制器件 )它是由 INTEL 公司發(fā)明的，基于單片機的溫濕度采集器的設計 17 最早的系列是 MCS48 后來有了 MCS51 我們經常說的 51 系列單片機就是 MCS51micro controller system，它是一種 8 位的單片機。 在單片機應用系統(tǒng)開發(fā)過程中，單片機是整個設計的核心，因此選擇合適的單片機型號很重要。根據實現系統(tǒng)功能需要的單片機硬件資源，在性能指標滿足的情況下，該系統(tǒng)的單片機型號選擇 8051 系列的 STC89C52 芯片。 本系統(tǒng)中，選擇 STC89C52 單片機為該系統(tǒng)的總控芯片， STC89C52 單片機可把由溫 度、濕度檢測電路檢測出的信號數據傳輸到 LED 顯示模塊，實現