【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 很高的可靠性。單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。 （3）控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。單片機(jī)是電子計(jì)算機(jī)這個(gè)龐大家族中的一個(gè)特殊品種，體積雖小，但“五臟俱全”，它非常適用于專門(mén)的控制用途。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O 口的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次微型計(jì)算機(jī)。（4）低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。單片機(jī)大量應(yīng)用于攜帶式產(chǎn)品和家用消費(fèi)類產(chǎn)品，低電壓和低功耗的特性尤為重要。許多單片機(jī)已可在 V 的電壓下運(yùn)行，有的已能在 V 或 V 下工作；功耗降至為 μA 級(jí)，一粒紐扣電池就可以長(zhǎng)期使用。 (5) 集成度及可靠性高單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。外部總線增加了 I C（InterIntegrated Circuit）及 SPI（Serial Peripheral Interface）等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。2） 單片機(jī)的應(yīng)用單片機(jī)的應(yīng)用范圍很廣，可以說(shuō)覆蓋了所有領(lǐng)域。其主要在智能儀器和控制中的應(yīng)用。(1) 單片機(jī)在智能儀表中的應(yīng)用單片機(jī)廣泛地用于各種儀器儀表，使儀器儀表智能化，并可以提高測(cè)量的自動(dòng)化程度和精度，簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價(jià)格比。(2) 單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用機(jī)電一體化是械工業(yè)發(fā)展的方向。機(jī)電一體化產(chǎn)品是指集成機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品，例如微機(jī)控制的車床、鉆床等。單片機(jī)作為產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小、可靠性高、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可大大提高機(jī)器的自動(dòng)化、智能化程度。(3) 單片機(jī)在實(shí)時(shí)控制中的應(yīng)用 單片機(jī)廣泛地用于各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中。例如，在工業(yè)測(cè)控、航空航天、尖端武器、機(jī)器人等各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，都可以用單片機(jī)作為控制器。單片機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力和控制功能，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。(3) 單片機(jī)在分布式多機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用 在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機(jī)系統(tǒng)。多機(jī)系統(tǒng)一般由若干臺(tái)功能各異的單片機(jī)組成，各自完成特定的任務(wù)，它們通過(guò)串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機(jī)在這種系統(tǒng)中往往作為一個(gè)終端機(jī)，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量和控制。單片機(jī)的高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前端工作。 (4) 單片機(jī)在人類生活中的應(yīng)用 自從單片機(jī)誕生以后，它就步入了人類生活，如洗衣機(jī)、電冰箱、電子玩具、收錄機(jī)等家用電器配上單片機(jī)后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人們喜愛(ài)。單片機(jī)將使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。 綜合所述，單片機(jī)已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面。另一方面，單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過(guò)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [10]單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（開(kāi)發(fā)）的最終目的是能把它應(yīng)用到實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)以及儀器儀表、家用電器、汽車制造、醫(yī)療器械等各個(gè)領(lǐng)域。由于它的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，技術(shù)要求各不相同，因此應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)可以是各種各樣的，但總體設(shè)計(jì)方法和研制步驟基本相同。有關(guān)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一般開(kāi)發(fā)、研制方法論述如下：1） 組成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基本方法用單片機(jī)組成應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，實(shí)際問(wèn)題的領(lǐng)域很寬，要求各不相同，組成的方案也千差萬(wàn)別，很難有一個(gè)固定的模式適應(yīng)一切問(wèn)題，但考慮問(wèn)題的基本方法大體相似。對(duì)一般的應(yīng)用系統(tǒng)，大都要經(jīng)歷如下步驟：① 提出問(wèn)題，了解現(xiàn)場(chǎng)，明確指標(biāo)。無(wú)論是制作智能儀表還是研制工業(yè)控制系統(tǒng)都要對(duì)應(yīng)用對(duì)象的工作過(guò)程進(jìn)行深入調(diào)查和分析，了解課題的目的要求、信號(hào)的種類和數(shù)量、應(yīng)用的環(huán)境等等，要把課題最終的指標(biāo)明確下來(lái)。② 進(jìn)行可行性論證，提出初步方案。分析所接受任務(wù)的技術(shù)關(guān)鍵，論證能否用計(jì)算機(jī)來(lái)解決，有沒(méi)有別的途徑，用計(jì)算機(jī)合算與否，用什么計(jì)算機(jī)等等。如果可行，應(yīng)對(duì)接受的課題提出初步方案，劃分軟、硬件各分課題的任務(wù)。③ 提出各分課題的設(shè)計(jì)方案。軟、硬件所承擔(dān)的任務(wù)明確之后，則可以分別設(shè)計(jì)出軟、硬件各自的功能及實(shí)現(xiàn)的方案。④ 完成總體設(shè)計(jì)，完成各分課題的任務(wù)，組成計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。⑤ 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、修改、完善。2） 應(yīng)用系統(tǒng)研制進(jìn)程所謂應(yīng)用系統(tǒng)，就是利用單片機(jī)為某應(yīng)用目的而設(shè)計(jì)的單片機(jī)專用系統(tǒng)（在調(diào)試過(guò)程中通常稱為目標(biāo)系統(tǒng)） 。單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)和一般的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)一樣，也是由硬件和軟件所組成。硬件指單片機(jī)、擴(kuò)展的存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備、控制設(shè)備、執(zhí)行部件等組成的系統(tǒng)，軟件是各種控制程序的總稱。硬件和軟件只有緊密相結(jié)合，協(xié)調(diào)一致，才能組成高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。在系統(tǒng)的研制過(guò)程中，軟硬件的功能總是在不斷地調(diào)整，以便相互適應(yīng)，相互配合，以達(dá)到最佳性能價(jià)格比。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過(guò)程包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、在線仿真調(diào)試、程序固化等幾個(gè)階段。各個(gè)階段所完成的主要工作概述如下：總體設(shè)計(jì)主要包括確定技術(shù)指標(biāo)，機(jī)型及器件選擇，軟、硬功能劃分等。硬件設(shè)計(jì)主要包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片的選擇和設(shè)計(jì)；I/O 電路、A/D、D/A 及有關(guān)外圍電路的設(shè)計(jì)；系統(tǒng)地址譯碼電路、總線驅(qū)動(dòng)器等的設(shè)計(jì)等。軟件的主要任務(wù)是定義系統(tǒng)功能，軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，畫(huà)出程序結(jié)構(gòu)框圖及各功能的程序框圖，逐個(gè)編寫(xiě)程序。一般采用匯編語(yǔ)言編程較為適合。也可采用高級(jí)語(yǔ)言編程。軟件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行在線仿真調(diào)試，也即查找程序中的錯(cuò)誤。軟件調(diào)試完成后再進(jìn)行軟、硬聯(lián)機(jī)調(diào)試直至最后生成可用的軟、硬件系統(tǒng)。軟件和硬件聯(lián)調(diào)完成以后，反復(fù)運(yùn)行正常則可將用戶系統(tǒng)程序固化到 EPROM 中，插入用戶樣機(jī)，用戶系統(tǒng)即可脫離開(kāi)發(fā)系統(tǒng)獨(dú)立工作。詳細(xì)的開(kāi)發(fā)過(guò)程可以參閱有關(guān)的資料。本章主要分析了國(guó)內(nèi)外溫度測(cè)試的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)，系統(tǒng)的介紹了本課題主要用到單片機(jī)。在回顧了單片機(jī)發(fā)展歷史，分析了其分類和特點(diǎn)之后，重點(diǎn)介紹了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為下一步課題設(shè)計(jì)做了充分的準(zhǔn)備。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過(guò)程 [14]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(kāi)發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。選擇器件時(shí)應(yīng)考慮其性能是否滿足設(shè)計(jì)需求，是否具有良好的技術(shù)支持和文檔支持，是否具有良好的性價(jià)比等，其核心是單片機(jī)的選型。在大多情況下，理應(yīng)選擇性價(jià)比高的單片機(jī)及其它器件，但在某些特殊場(chǎng)合，當(dāng)性能成為決定因素時(shí)，應(yīng)以性能優(yōu)先原則選擇所需的單片機(jī)或其它器件。單片機(jī)一般分為51系列和52系列，本次設(shè)計(jì)用到的是52系列即8051單片機(jī)。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過(guò)程如圖所示21：接受設(shè)計(jì)任務(wù)明確任務(wù)、歸并要求選 機(jī)，劃 分 軟 硬 件硬件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)聯(lián) 機(jī) 仿 真 調(diào) 試排 除 故 障，修 改 程 序固 化 程 序應(yīng) 用 系 統(tǒng) 獨(dú) 立 運(yùn) 行研 制 完 成 圖 第 2 章 基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 課題主要內(nèi)容在掌握《傳感器與傳感器技術(shù)》和《單片機(jī)原理與應(yīng)用》等教材內(nèi)容和教學(xué)要求的基礎(chǔ)上，分析國(guó)內(nèi)外濕溫度的發(fā)展情況，研究分析測(cè)溫測(cè)濕的一些基本方法，確定單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)，制定檢測(cè)溫濕的基本檢測(cè)設(shè)計(jì)方案，確定硬件并寫(xiě)出程序藍(lán)本。再在軟件上模擬實(shí)現(xiàn)要求的功能，調(diào)試出結(jié)果。本文介紹了該測(cè)量?jī)x的研制，包括溫度傳感器、濕度傳感器、單片機(jī)接口及其應(yīng)用軟件，其主要內(nèi)容如下:簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)溫濕度的檢測(cè)方法及其未來(lái)發(fā)展方向。根據(jù)實(shí)際測(cè)量要求制定出一次儀表一傳感器的選擇、使用和安裝方案。根據(jù)實(shí)際使用要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的單片機(jī)硬件系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、溫濕度值的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)等。對(duì)該儀器的功能進(jìn)行了初步認(rèn)定，從原理和實(shí)際意義上分析了該儀器的測(cè)量誤差。介紹本儀器的優(yōu)點(diǎn)及不足，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展提出了展望。 系統(tǒng)功能根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的主要內(nèi)容（功能）如下：（1） 根據(jù)要求設(shè)計(jì)時(shí)鐘并顯示；（2） 自動(dòng)檢測(cè)溫濕度并顯示；（3） 用LED顯示方式；（4） 溫度以℃為單位； 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案將集成傳感器因外部溫濕度的狀況產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換之后，其值由8751處理，最后將其顯示在D4，D3，D2，D1共四個(gè)七段顯示器。其中包含了時(shí)鐘顯示電路。該測(cè)量?jī)x可以實(shí)現(xiàn)溫濕度的測(cè)量，數(shù)據(jù)的顯示、儲(chǔ)存以及日歷時(shí)間的顯示。在微機(jī)控制系統(tǒng)中，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的被測(cè)控參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、成份、速度等都是連續(xù)變化的量，習(xí)慣上稱為模擬量，而計(jì)算機(jī)所需要的則是離散的數(shù)字量。因此，在過(guò)程控制及微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)中，必須首先把模擬量變成數(shù)字量。這樣才能送到微機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算，然后顯示打印結(jié)果，或通過(guò)控制電路對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制。單片機(jī)控制的一般模式如圖需測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)傳感器 放大多路開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換采樣保持A/D單片機(jī)系統(tǒng)顯示打印控制 圖22單片機(jī)用于測(cè)量控制系統(tǒng)原理示意圖第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體原理框圖系統(tǒng)總體原理框圖如圖 31 所示： 溫度傳感器測(cè)量放大放大器A/D轉(zhuǎn)換輸出單片機(jī)系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換器復(fù) 位 與 時(shí) 鐘鍵盤(pán)控制LED顯示濕度傳感器測(cè)量放大A/D轉(zhuǎn)換圖 31 系統(tǒng)總體原理框圖 信號(hào)輸入部分總體設(shè)計(jì)信號(hào)輸入部分總體設(shè)計(jì)如圖 32傳感器緩沖器放大器A/D裝換8051單片機(jī)系統(tǒng)圖 32 信號(hào)輸入部分總體設(shè)計(jì) 集成溫度傳感器 [1]常用的熱電傳感器有熱電阻、熱電偶、集成溫度傳感器等。集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路，它是利用晶體管的 be 結(jié)壓降的不飽和值 VBE 與熱力學(xué)溫度 T 和通過(guò)發(fā)射極電流 I 的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)： （）lneBEsJkTUaq?式中，k—波爾茲常數(shù)； q—電子電荷絕對(duì)值。集成溫度傳感器按輸出信號(hào)可分為電壓型和電流型兩種，其輸出電壓或電流與絕對(duì)溫度成線性關(guān)系。電壓型集成溫度傳感器一般是三線制，其溫度系數(shù)約為 10mV/℃，電流 型集成溫度傳感器一般為兩線制，其溫度系數(shù)越為 mV/K，常用的有LM134/23TMP1AK590、AD592 等，電流型傳感器信號(hào)適合于遠(yuǎn)距離傳輸而無(wú)衰變。本次設(shè)計(jì)用到電流型兩線制集成溫度傳感器 AD590（0℃時(shí)為 ） 。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。它的主要特性如下：a、流過(guò)器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)，即：Ir/T=1mA/K式中：Ir—流過(guò)器件（AD590）的電流，單位為 mA； T—熱力學(xué)溫度，單位為 K。b、AD590 的測(cè)溫范圍為55℃～+150℃。c、AD590 的電源電壓范圍為 4V～30V。電源電壓可在 4V~6V 范圍變化，電流 變化1mA，相當(dāng)于溫度變化 1K。AD590 可以承受 44V 正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。d、輸出電阻為 710M?。e、精度高。AD590 共有 I、J、K、L、M 五檔，其中 M 檔精度最高，在55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為177。℃。集成溫度傳感器是利用晶體管 PN 結(jié)的電流和電壓特性與溫度的關(guān)系，把敏感元件、放大電路和補(bǔ)償電路等部分集化，并把它們裝封在同一殼體里的一種一體化溫度檢測(cè)元件。它除了與半導(dǎo)體熱敏電阻一樣有體積小反應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)外，還具有線形好、性能高、價(jià)格低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，雖然由于 PN 結(jié)受耐熱性能和特性范圍的限制，只能用來(lái)測(cè) 150℃以下的溫度，但在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其工作原理如下：AD590 屬于電流型集成溫度傳感器，電流型集成溫度傳感器是一個(gè)輸出電流與溫度成比例的電流源，由于電流很容易變成電壓，因此這種傳感器應(yīng)用十分方便。要指出的是，AD590 集成溫度傳感器的輸出電流是整個(gè)電路的電源電流，而這個(gè)電流與施加在這個(gè)在這個(gè)電路上的電源電壓幾乎無(wú)關(guān)。 集成濕度傳感器集 成 濕 度 傳 感 器 的 測(cè) 量 范 圍 一 般 可 達(dá) 到 0～ 100%。 但 有 的 廠 家 為 保 證 精 度 指標(biāo) 而 將 測(cè) 量 范 圍 限 制 為 10%～ 95%。 設(shè) 計(jì) + 低 壓 供 電 的 濕 度 /溫 度 測(cè) 試 系 統(tǒng) 時(shí) ，可 選 用 SHT1 SHT15 傳 感 器 。 這 種 傳 感