【文章內(nèi)容簡介】 警系統(tǒng)的設(shè)計與制作 8 系數(shù)為 ℃。 濕度 監(jiān)測 模塊 結(jié)構(gòu) 如圖 27所示。 該模塊的中心是將傳感器接入一個 555非穩(wěn)態(tài)電路，輸出一個頻率信號并由單片機(jī)直接采集、處理。 由按鍵輸入極限值，超出該值則觸發(fā)蜂鳴報警。 圖 27 濕度 監(jiān)測 模塊 框 圖 電源模塊設(shè)計 系統(tǒng)供電總共需要 兩 種電源， AD590 的工作電壓為 9V， 小系統(tǒng)及各種芯片的工作電壓為 5V，風(fēng)扇供電 5V。 電源模塊如圖 25 所示，將 220V 交流電經(jīng)變壓器、橋路整流后，通過 78 系列的三端穩(wěn)壓集成芯片獲得相應(yīng)的常用電壓輸出。 圖 25 電源模塊框圖 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 大棚溫濕度監(jiān)測及報警系統(tǒng)的設(shè)計與制作 9 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 及 性能 分析 本章 為 核心內(nèi)容之一 ，主要針對系統(tǒng)的硬件設(shè)計及調(diào)試過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。 溫度測量模塊 溫度測量電路原理 溫度 監(jiān)測 電路 主要由 AD590、 100uf 電容、 9K4 電阻、 1K 電位器、運(yùn)放 LM324 組成 ，原理 如圖 31 所示。 由圖可知電容的作用是 保持 AD590 的工作狀態(tài)，根據(jù) AD590 的特性，其中由 AD590 、電位器 RP、 R 和運(yùn)放組成電流電壓轉(zhuǎn)換電路 ， 運(yùn)放連接為電壓跟隨器形式 ,主要為增加信號的輸入電阻。 圖 31 溫度測量電路 首先介紹下 AD590 的基本工作原理，當(dāng)被測溫度一定時 ， AD590 則成為了一 個恒流源，把它與直流電源相連并在輸出端串聯(lián)一個標(biāo)準(zhǔn) 電阻，此時流經(jīng)該電阻上的電流與被測熱力學(xué)溫度 將 成正比 [16]。 溫度每升高 1K，電流增加 1uA，當(dāng)負(fù)載電阻為 10KΩ，則電 阻上的壓降將增加 10mV。 在室溫 20 oC 時 調(diào)節(jié)電位器使 輸出電壓 為 （對應(yīng) 293 K） ，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)， 通過 軟件編程 將電壓值減去 ，直接 將熱力學(xué)溫度轉(zhuǎn)換為攝氏溫度。 當(dāng)然這一 轉(zhuǎn)換 過程 也可通過硬件實現(xiàn)。 其次是運(yùn)放的選擇，該電路選擇了 LM324，其特點(diǎn)是價格便宜，工作電壓范圍較大，低至 高至 32V, 靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一； 共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性 ,另外具有短路保護(hù)輸出、高增益頻率補(bǔ)償運(yùn)算、真差動輸入級、輸入 端具有靜電保護(hù)功能。 其 引腳排列如圖 32 所示。 由于 LM324 四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于家用電器，工業(yè)儀器，電子玩具，報警裝置，自動控制等電路中。 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 大棚溫濕度監(jiān)測及報警系統(tǒng)的設(shè)計與制作 10 圖 32 LM324引腳排列 溫度測量 模塊性能分析 與評估 通過上述測溫電路將溫度這一非電物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號，調(diào)試過程中還需對溫度 ~電壓進(jìn)行定標(biāo)處理。 實際操作過程 如下：（ 1）準(zhǔn)備一 燒 杯冷水，一 燒 杯熱水，一支溫度計及萬能表；（ 2）將溫度計放入冷水中，再把熱水加入冷水中，待溫度到達(dá) 15℃便把 絕緣處理后的 AD590 放入杯中，然后用萬能表測量 圖 31 中 out 端 輸出電壓值；（ 3）緩慢將熱水加入冷水， 均勻攪拌，待熱平衡后，測量溫度值并記錄 當(dāng)時的輸出電壓值。 由于 實驗條件有限 ，定標(biāo)過程中只 測量 了 10 組數(shù) 據(jù)； 考慮到 大棚內(nèi)一般的溫度要求，定標(biāo)范圍選擇 1525℃ 。測量數(shù)據(jù) 如 表 31 所示。 表 31 溫度測量電路電壓對應(yīng)溫度值 電壓值（ V） 溫度值 (℃ ) 圖 33 溫壓曲線 將表格所記錄的值繪成 溫度與輸出電壓關(guān)系 曲線，如圖 33所示。其中 A 為實際測量 曲溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 大棚溫濕度監(jiān)測及報警系統(tǒng)的設(shè)計與制作 11 線， B 為 模擬的 理想 情況下 AD590 的溫度與電壓 關(guān)系曲線。由圖可以看出，在溫度范圍為~ oC時，輸出電壓與溫度基本保持線性關(guān)系。在 oC 時曲線 A 出現(xiàn)拐點(diǎn)，且隨溫度進(jìn)一步上升，線性度將有所下降。 分析原因，我們認(rèn)為 主要 是由于整個定標(biāo)過程在室溫環(huán)境下進(jìn)行，當(dāng)杯中水溫較高時，加入冷水 后 溫度下降過快 所致 。 當(dāng)然電源不穩(wěn)定或者其他的一些人為因素，也會影 響定標(biāo)結(jié)果。這些問題可以通過后續(xù)軟件調(diào)試克服，比如采集多次數(shù)據(jù)做平均值或者改變算法等方式來彌補(bǔ)。 濕度測量模塊 濕度測量電路 原理 濕度測量電路 主要由濕度傳感器 HS110 NE555 芯片及一系列電阻組成。 HS1100 濕度傳感器是一種基于電容原理的濕度傳感器 ,相對濕度的變化和電容值呈線性規(guī)律。在自動測試系統(tǒng)中 ,電容值 會 隨著空氣濕度的變化而變化 ,因此將電容值的變化轉(zhuǎn)換成電壓或頻率的變化 ,才能進(jìn)行有效地數(shù)據(jù)采集。 本次濕度測量模塊采 用 以 555 芯片為中心的 振蕩電路 ,將 HS1100 濕度傳感器充當(dāng)振 蕩電容 ,從而完成濕度到頻率的轉(zhuǎn)換 ,電路 如圖 34所示。 集成定時器 555 芯片外接電阻 R R R3 與濕敏電容 HS1101 ,構(gòu)成了對 HS1101 的充電回路。 7 端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對 HS1101 的放電回路 ,并將引腳 2 、6 端相連引入到片內(nèi)比較器 ,便成為一個典型的多諧振蕩器 ,即方波發(fā)生器。另外 , R6 是防止輸出短路的保護(hù)電阻 , R4 和 R5 用于平衡溫度系數(shù)。 圖 34 濕度測量電路圖 該 電路的核心是 NE555 芯片， 其 內(nèi)部功能原理框圖如圖 35 所示 。 NE555 具 有如下特點(diǎn)： 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 大棚溫濕度監(jiān)測及報警系統(tǒng)的設(shè)計與制作 12 ，可與 TTL， CMOS 等邏輯電路配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合； 、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久； 、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜； 4. 其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負(fù)載； 最大值 VCC = 5 V, RL = ∞ =6mA VCC =15 V, RL = ∞ =15mA 。 圖 35 NE555 內(nèi) 部功能框圖 因為濕度測量的不穩(wěn)定性，所以記錄很難在一個準(zhǔn)確的值上，顧采用多次測量取平均值的方法來做這次定標(biāo) 濕度 模塊性能分析 與評估 濕度測量電路輸出的是一個 與環(huán)境濕度相對應(yīng)的 56KHZ 的方波 信號 ， 由示波器采集的信號波形 如圖 36 所示。 濕度測量也需進(jìn)行相應(yīng)的定標(biāo)處理，具體過程 如下 ： (1)準(zhǔn)備一個濕度計 、電吹風(fēng)、噴霧器、示波器；（ 2）將電路輸出端接入示波器，先長時間置于一般環(huán)境內(nèi) （濕度計需要較長時間響應(yīng)） ，待頻率在某個值左右浮動時每隔一分鐘記錄一個數(shù)據(jù) ，一共記錄 5 次，然后做平均值；（ 3）增加濕度用 噴霧器，減小濕 度用電吹風(fēng)并盡量維持在一個恒定的環(huán)境內(nèi)，再按前面的步驟記錄數(shù)據(jù)， 測量 數(shù)據(jù)記錄如表 32 所示 。 表 32 濕度測量電路頻率對應(yīng)濕度值 濕度（ %） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 頻率（ HZ） 6642 6516 6392 6268 6145 6020 5892 5760 5622 5478 5325 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 大棚溫濕度監(jiān)測及報警系統(tǒng)的設(shè)計與制作 13 圖 36 濕度波形圖 圖 37 濕度 頻率曲線 按照表格繪制了濕度 頻率曲線，如圖 37 所示。由圖可見兩者之間 基本成線性關(guān)系 。數(shù)據(jù)測量時發(fā) 現(xiàn)，在某一實驗條件下，示波器顯示頻率值會出現(xiàn)小抖動，因此我們采用在一段時間內(nèi)取平均值的辦法來處理。造成這一現(xiàn)象的原因經(jīng)分析后，認(rèn)為主要應(yīng)該是由于在實驗過程中對環(huán)境的濕度控制比較難以掌握、以及傳感器的靈敏度造成。 單片機(jī)小系統(tǒng) 及 相關(guān) 電路 單片機(jī)小系統(tǒng) 主要負(fù)責(zé)執(zhí)行控制程序及各部件的驅(qū)動 、 數(shù)據(jù) 存儲 、 環(huán)境 參數(shù)調(diào)節(jié) 等。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換本系統(tǒng) 選用 的是 10 位 的 A/D 集成 芯片 TLC1549，其引腳排列如圖 38 所示。溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 大棚溫濕度監(jiān)測及報警系統(tǒng)的設(shè)計與制作 14 TLC1549 系列是美國德州儀器公司生產(chǎn)的具有串行控制、連續(xù)逐次逼近型的 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 , 它采用兩個差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入和一個三態(tài)輸出構(gòu)成三線接口，其中三態(tài)輸出分別為片選(CS 低電平有效 ) ，輸入 /輸出時鐘 ( I/O CLOCK)，數(shù)據(jù)輸出 (DATA OUT) 。 TLC1549 能以串行方式送給單片機(jī)。由于 TLC1549 采用 CMOS 工藝，內(nèi)部具有自動采樣保持、可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍、抗噪聲干擾功能，而且開關(guān)電容設(shè)計使在滿刻度時總誤差最大僅為177。 1LSB( )，因此可廣泛應(yīng)用于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路。 A/D 轉(zhuǎn)換電路原理如圖39 所示。 圖 38 TLC1549 引腳排列示意圖 圖 39 AD轉(zhuǎn)換電路 TLC1549 工作原理： TLC1549 具有 6 種串行接口時序模式 , 這些模式是由 I/O CLOCK 周期和 CS 定義。根據(jù) TLC1549 的功能結(jié)構(gòu)和工作時序 , 其工作過程可分為 3 個階段 : 模擬量采樣、模擬量轉(zhuǎn)換和數(shù)字量傳輸。圖 310 所示為 TLC1549 的時序圖。 圖 310 TLC1549 時序圖 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 大棚溫濕度監(jiān)測及報警系統(tǒng)的設(shè)計與制作 15 系統(tǒng)時鐘電路 系統(tǒng)時鐘電路由兩個 30 pf電容及一個 12兆晶振構(gòu)成。 時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時所需的時鐘控制信號（如圖 311所示），本電路采用了非固定式的設(shè)計，因為在軟件編寫過程中，對程序的運(yùn)行時間是有要求的，這時就需要根據(jù)實際情況更換晶振。 AT89C52芯片最高時鐘頻率可達(dá) 80MHZ，根據(jù)單片機(jī)的每十二個時鐘周期為一個機(jī)器周期，即 Tcy =12Tosc ，所以時鐘周期范圍為： 1μs（ 12M晶振），可滿足本課題 需求。 圖 311 時鐘電路 圖 312 復(fù)位電路 系統(tǒng)復(fù)位電路 系統(tǒng)復(fù)位電路主要由一個按鍵、 一 個二級管、 一個 10uf 電容及一個 10K 電阻構(gòu)成。 復(fù)位電路用于單片機(jī)的初始化操作，可 以使單片機(jī)由于程序運(yùn)行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時能夠重新啟動。因此復(fù)位電路必不可少。復(fù)位方式有上電自動復(fù)位和手動按鈕復(fù)位兩種， 本系統(tǒng) 選用的是手動按鈕復(fù)位電路，圖中 312 所示。該復(fù)位電路能夠在電源因某種干擾瞬間斷電時使電容迅速放電，在二極管 DMCU1 上產(chǎn)生一個壓降，從而保證了電源恢復(fù)后單片機(jī)可靠復(fù)位，使其適用于現(xiàn)場干擾強(qiáng)、電壓波動大的工作環(huán)境。 系統(tǒng)報警電路（蜂鳴電路） 蜂鳴電路主要由兩個 10K 電阻，三極管 9012 和一個蜂鳴器組成。 蜂鳴器在多種場合被作為發(fā)聲器件，他可以實現(xiàn)報警、音樂演 奏等。蜂鳴器分為有源和無源兩種。也稱為直流蜂鳴器和交流蜂鳴器。有源蜂鳴器通上電就會發(fā)出預(yù)定的聲音，控制比較簡單，但是發(fā)出的聲音較局限。電路如圖 313 所示。通過 CON1 接到 腳上，也可根據(jù)實際需要，用跳線跳接到其他接口上 ，實際電路中接 口 。 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 大棚溫濕度監(jiān)測及報警系統(tǒng)的設(shè)計與制作 16 圖 313 蜂鳴電路 4 4 鍵盤和 8 位數(shù)碼管顯示電路 4 4 鍵盤和八位 LED 顯示電路用于輸入數(shù)據(jù)、控制信號和顯示數(shù)字、字符。該電路采用了數(shù)碼管驅(qū)動及鍵盤控制芯片 CH451， CH451 是一個整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制以及 up 監(jiān)控的多 功能外圍芯片。 CH451 內(nèi)置 RC 振動電路，可以動態(tài)驅(qū)動 8 位數(shù)碼管或者 64 位 LED，具有 BCD 譯碼、閃爍、移位等功能；同時還可以進(jìn)行 64 鍵的鍵盤掃描；CH451 通過 1 線或者可以級聯(lián)的 4 線串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)；并且提供上電復(fù)位和看門狗等監(jiān)控功能。 CH451 引腳排列如圖 314，引腳定義見表 33。 圖 314 CH451 引腳排列 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 大棚溫濕度監(jiān)測及報警系統(tǒng)的設(shè)計與制作 17 表 33 CH451 引腳 定義 整體電路設(shè)計如圖 315, 其中 DOUT 引腳最好連接到單片機(jī)的中斷輸入引腳 , 這樣可