【文章內(nèi)容簡介】 落后，遠不能滿足 傳統(tǒng)行業(yè)對濕度測量的要求，大多數(shù)濕度測量儀器還停留在干濕球濕度計，不能實現(xiàn)自動化測量控制，耗費大量人力、物力 及財力；通常濕度傳感器主要分為以下幾種： 高分子電容式濕度傳感器，這種傳感器通常是在玻璃、陶瓷、硅等材料基礎(chǔ)上，電極采用真空鍍膜或絲網(wǎng)漏印等方式做成，電容元件采用浸漬或其他辦法將感濕膠涂在電極上做成的，這種傳感器測濕的主要原理為感濕膜在吸收水分子后其電容值會發(fā)生明顯變化。在實際使用中這種傳感器的溫度系數(shù)不是常數(shù)，會根據(jù)溫度的變化而變化，國內(nèi)的廠家一般可以做到在 10℃ ~60℃ 內(nèi)較小溫度帶來的線性誤差。 聚酰胺樹脂濕度傳感器，國外的優(yōu)秀廠家一般都采用聚酰胺樹脂這種材料制作感濕材料，在硼硅玻璃或藍寶石襯 底上真空蒸發(fā)制作電極，再將前述感濕材料噴涂在電極上形成感濕膜，最后將感濕膜上采用蒸發(fā)方式涂上金電極，采用這種方式制成的傳感器性能優(yōu)良，但其抗腐蝕等性能卻遠不如傳統(tǒng)元件。 陶瓷濕敏傳感器，這種傳感器是今年來各大力發(fā)展研究的一種新型傳感器，耐高溫、相應(yīng)速度快、體積輕便是其顯著優(yōu)點，很適合進行批量生產(chǎn)，但塵埃對該種傳感器的影響較大，需要經(jīng)常維護，在極端環(huán)境下如高溫或低溫會大大降低這種傳感器的壽命 ，還會影響這種傳感器的線性度，目前這一狀況還沒有得到有 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 效解決。 20xx 年 8 月， 國內(nèi) JUCSAN 公司 依托于國家計 量科學研究院、中科院自動化研究所、化工研究院等大型科研單位 的有力技術(shù)，對濕度傳感器進行大力研發(fā)， 選用氯化鋰感濕材料作為主攻方向，生產(chǎn)氯化鋰濕敏傳感器及相關(guān)變送器，自動化儀表等產(chǎn)品，在吸取了國內(nèi)外此項技術(shù)的成功經(jīng)驗的同時，努力克服傳統(tǒng)產(chǎn)品存在的各項弱點，取得實質(zhì)性進展。 論文主要結(jié)構(gòu)及工作安排 本文設(shè)計系統(tǒng)分為現(xiàn)場設(shè)備和監(jiān)控室設(shè)備兩部分，對每一個部分都進行了軟件和硬件的設(shè)計，本系統(tǒng)帶有 RS232 通訊接口電路， CPU 部分選用 AT89S52 單片機 ,溫度傳感器采用 AD590 溫度傳感器，濕度傳感器采用霍尼韋爾的相對濕 度傳感器 HIH36101，通信模塊采用 CAN 總線進行通信遠傳。監(jiān)控室采用 PC 機進行顯示并控制，在軟件部分設(shè)計了下位機主程序、下位機信息采集子程序、下位機 A/D 轉(zhuǎn)化子程序、 CAN 總線通信子程序等程序，對被控對象的控制設(shè)計了PID 算法子程序進行控制，通過軟件和硬件的設(shè)計，實現(xiàn)了一臺實驗箱對溫度的調(diào)控功能并實現(xiàn)了實驗箱內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的遠傳和遠程控制，使得監(jiān)控室內(nèi)的一臺PC 機能同時監(jiān)控 15 臺現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況。 在設(shè)計的第一章主要闡述了當前國內(nèi)外溫濕度控制狀況及今后的發(fā)展趨勢，明確了設(shè)計要求，第一章分兩個部分介紹 ，第一部分介紹了國內(nèi)外溫度控制所采用的方式和方法；第二部分著重介紹了當前國內(nèi)外濕度控制的方式和方法。在第二章中主要介紹了如何選取系統(tǒng)的方案，通過幾點比較了幾種不同的方案優(yōu)缺點，最終確定了一種方案， 即確定了 采用 CAN 總線作為系統(tǒng)總線以 AT89S52 單片機為核心的 系統(tǒng)控制方案；在第三章中介紹了各種器件的選型及其電路，在比較同類器件的優(yōu)缺點以及綜合其性價比后確定了本設(shè)計所用的各種芯片，主電路分兩大塊幾個部分分別介紹，第一板塊為下位機部分，該部分安裝在現(xiàn)場，下位機第一部分是信息采集部分電路，包括溫度信息采集電路、濕 度信息采集電路、液位信息采集電路；第二部分是 A/D 轉(zhuǎn)化電路；第三部分即為本設(shè)計的核心部分，單片機外圍電路設(shè)計，包括單片機的電源電路設(shè)計、單片機的復位電路設(shè)計和單片機的晶振電路設(shè)計，第四部分即為 CAN 總線設(shè)計，第五部分為驅(qū)動電路設(shè)計。第二塊為上位機電路設(shè)計，該部分安裝在監(jiān)控室。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2章 系統(tǒng)的方案論證 概述 本 論文 設(shè)計了一個溫度濕度可調(diào)的試驗箱，實現(xiàn) 50 組、 20 段可編程調(diào)節(jié)，由 恒速升溫段、保溫段和恒速降溫段三種控溫線段。操作者只需設(shè)定轉(zhuǎn)折點的溫度 Ti 和時間 ti，即可獲得所需程控曲線；每段 時間設(shè)定最大值為 99 小時 59 分。本設(shè)計采用 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律，且具有輸出限幅和防止積分飽和功能，以改善系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)。 試驗線帶有聲光報警功能，當溫濕度超偏時進行聲光報警， 試驗箱的顯示部分采用液晶顯示，試驗箱帶 RS232 計算機接口實行人機對話、聯(lián)機數(shù)據(jù)傳輸及遠程監(jiān)控，補水箱能自動為加濕器加水 。 系統(tǒng)的方案 論證 遠傳方式的選擇 采用 CAN 總線作為數(shù)據(jù)遠傳方式： CAN 總線對于傳輸介質(zhì)要求不高，能夠適應(yīng)多種傳輸介質(zhì)，常見的有雙絞線、光纖等，傳送信號使用差分電壓，通常被稱為 CAN_H 和 CAN_L，靜態(tài)時電壓CAN_H 和 CAN_L 均為 左右，此時表示邏輯狀態(tài)“ 1”；用 CAN_H 比 CAN_L電壓高表示邏輯“ 0”，此時 CAN_H 電壓通常為 ,CAN_L 電壓通常為 。 CAN 總線具有以下特點： CAN 總線網(wǎng)絡(luò)上的任意節(jié)點都可在任意時刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，可靈活方便的構(gòu)成多機備份系統(tǒng)和分布式測控系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)上的接點可分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同實時要求；采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當兩個接點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時，優(yōu)先級高的先發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級低的等優(yōu)先級高的發(fā)送完成后再繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送接收 數(shù)據(jù)的功能；在通信速率為 5Kb/s 時，最遠傳輸距離可達 10Km；通信距離為 40Km 時，最高通信速率為 1Mb/s；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)最高可達110 個；每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8 個，傳輸時間短受干擾概率低；通信介質(zhì)采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求；在傳輸信息嚴重出錯時節(jié)點自動切斷與總線的聯(lián)系，這樣使總線上的其他節(jié)點上的操作不受影響。 采用工業(yè)以太網(wǎng)為總線的系統(tǒng) 工業(yè)以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低功耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢； 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 其用于網(wǎng)絡(luò)控制具有以下優(yōu)點 ：具有相當高的傳輸速率，能提供足夠的帶寬；由于具有相同的通信協(xié)議， Ether 和 TCP/IP 很容易集成到企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)；能在同一總線上運行不同傳輸協(xié)議，從而能建立企業(yè)的公共網(wǎng)絡(luò)平臺或基礎(chǔ)構(gòu)架；在整個網(wǎng)絡(luò)中運用了交互式和開放式的數(shù)據(jù)存取技術(shù)；沿用多年，已成為眾多技術(shù)人員所熟悉，市場上能夠提供廣泛軟件資源、維護和診斷工具，成為事實上的統(tǒng)一標準；允許使用不同的物理介質(zhì)和構(gòu)成不同的拓撲結(jié)構(gòu)。 綜合以上 數(shù)據(jù)遠傳 方案，在實時性要求較高的場合，重要數(shù)據(jù)的傳輸過程工業(yè)以太網(wǎng)會產(chǎn)生傳輸延遲，因而導致數(shù)據(jù)傳輸不確定性。但該項缺點可通過智能集線器的使用、主動功能的實現(xiàn)、優(yōu)先權(quán)的引入以及雙工的布線來 解決。對于本設(shè)計要求而言，使用工業(yè)以太網(wǎng)較為繁瑣且會提高生產(chǎn)成本，因此本設(shè)計采用CAN 總線作為系統(tǒng)的總線方式。 CPU 字長 的選擇 單 片 機是一種集成電路芯片， 它的位數(shù)表示它一次可以處理的數(shù)據(jù)的長度，通常有 4 位、 8 位、 32 位等幾種， 通常位數(shù)越高的單片機其內(nèi)部資源越豐富，以51 單片機為例， 它是八位 COU,其內(nèi)部有兩個定時器、 128BRAM、 4KBROM、 64KB可編程擴展、一對串行 I/O 口、三組并行 I/O 口，高位 CPU 內(nèi)部資源更加豐富 但成本較高，本設(shè)計要求較為簡單，有 8 位 單片機即可滿足要求。 系統(tǒng)方案 組成 系統(tǒng) 總體組成如圖 所示 圖 系統(tǒng)總體組成框圖 PC 主機 1 主機 2 ………… 主機 15 CAN 總線 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 如圖 所示， PC 機可同時監(jiān)控 15 臺試驗箱的運行狀況，通過 PC 機對現(xiàn)場參數(shù)進行設(shè)置，主機通過總線形式進行遠傳，實現(xiàn)現(xiàn)場主機與監(jiān)控室 PC 機通信的功能。 試驗箱的系統(tǒng)組成如圖 所示。 如圖 所示，信息采集部分功能需要溫度、濕度和液位傳感器來完成，通常傳感器輸出信號為較為微弱的模擬信號，不能直接被單片機使用，需要進行放大并進行 A/D 轉(zhuǎn)化，因此本系統(tǒng)設(shè)計了信號放大電路和 A/D 轉(zhuǎn)換電路。微小信號經(jīng)放大后變?yōu)?15V 的連讀模擬信號，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)化后變?yōu)閿?shù)字信號被送入主機內(nèi)，經(jīng)主機的運算產(chǎn)生相應(yīng)輸出信號，分別控制系統(tǒng)的加熱、降溫、加濕、除濕、水箱補水等功能，同時將試驗箱內(nèi)的溫度、濕度等情況送入顯示電路進行顯示，顯示的同時還要將試驗箱內(nèi)的溫度、濕度情況進行遠傳送給 PC 機進行顯示并控制，因此本設(shè)計設(shè)計了通信接口電路，鍵盤接口電路主完成對溫度和濕度的現(xiàn)場設(shè)置。 圖 試驗箱的系統(tǒng)組成 如圖 所示，信息采集部分功能需要溫度、 濕度和液位傳感器來完成，通常傳感器輸出信號為較為微弱的模擬信號，不能直接被單片機使用，需要進行放溫度傳感器 濕度傳感器 液位傳感器 信號放大電路 A/D轉(zhuǎn)換電路 主機 鍵盤接口電路 顯示電路 通信接口 電源電路 PC 加熱模塊 降溫模塊 加濕模塊 除濕模塊 液位補償模塊 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 大并進行 A/D 轉(zhuǎn)化，因此本系統(tǒng)設(shè)計了信號放大電路和 A/D 轉(zhuǎn)換電路。微小信號經(jīng)放大后變?yōu)?15V 的連讀模擬信號，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)化后變?yōu)閿?shù)字信號被送入主機內(nèi)，經(jīng)主機的運算產(chǎn)生相應(yīng)輸出信號，分別控制系統(tǒng)的加熱、降溫、加濕、除濕、水箱補水等功能，同時將試驗箱內(nèi)的溫度、濕度等情況送入顯示電路進行顯示，顯示的同時還要將試驗箱內(nèi)的溫度、濕度情況進行遠傳送給 PC 機進行顯示并控制，因此本設(shè)計設(shè)計了通信接口電路，鍵盤接口電路主完成對溫度 和濕度的現(xiàn)場設(shè)置。 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第 3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 器件的選型 單片機的選型 目前市場上主流的單片機主要有 ： intel公司推出的 8051/31 類單片機。也是世界上用量最大的機種單片機之一 ，客觀事實證明 80C51 已成為 8 位單片機的主流，成了事實上的標注 MCU 芯片。 MOTOROLA 單片機是 MOTOROLA 公司生產(chǎn)的單片機， MOTOROLA 是世界上最大的單片機廠商，在 8 位單片機方面有 68HC08 和升級產(chǎn)品 68HC08， 16位單片機 68HC16 也有十多個品種，其 32 位單片機 683XXX 系列也有幾十種。MOTOTOLA單片機 特點之一是在同樣的速度下所用的時鐘頻率較 intel類單片機低得多，因而使得高頻噪聲低、抗干擾能力強； Microchip 單片機是市場上份額增長最快的單片機它的主要產(chǎn)品是 16C 系列的 8 位單片機， CPU 采用 RISC 結(jié)構(gòu)，僅 33 條指令，功耗低、高速度、 低電壓是此類單片機的顯著特點，但 Microchip 單片機沒有掩膜產(chǎn)品，全都是 OTP 器件（近年已推出 FLASH 型單片機）。 Atmel 公司生產(chǎn)的 90 系列單片機是增強 RISC 內(nèi)載 Flash 的單片機，通常成為 AVR 單片機， 90 系列單片機是基于新的精簡指令 RISC 結(jié)構(gòu)的。這 種結(jié)構(gòu)使得在 8 位微處理器市場上 AVR 單片機具有最高的 MIPS mw 能力。 NEC 單片機以 8 位單片機 78K 系列產(chǎn)量最高，也有 16 位、 32 位單片機。 16位以上單片機采用內(nèi)部倍頻技術(shù)，以降低外時鐘頻率 ，有的單片機采用內(nèi)置操作系統(tǒng)。 東芝單片機從 4 位到 64 位單片機，門類齊全。 4 位單片機在家電領(lǐng)域有較大的市場。 8 位單片機主要有 870 系列、 90 系列等，該類單片機允許使用慢模式，采用 32K 時鐘時功耗降低至 10uA 數(shù)量級。 CPU 內(nèi)部多組寄存器的使用，使得中斷響應(yīng)與處理更加快捷。東芝的 32 位單片機采用 MIPS3000A RISC 的 CPU 結(jié)構(gòu)，面向 VCD、數(shù)字相機、圖像處理等市場。 富士通有 8 位、 16 位和 32 位單片機，其中 8 位 單片機主要有 3V產(chǎn)品和 5V產(chǎn)品， 3V 產(chǎn)品應(yīng)用于消費類及便攜設(shè)備， 5V 產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)及汽車電子。 8 位單片機有 8L 和 8FX 兩個系列，是市場上常見的兩個系列。 16 位主流單片機有MB90F387， MB90F462， MB90F548 等，這些單片機采用 64 腳或 100 腳 QFP 封 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 裝 ， 1 路或多路 CAN 總線，并可向外擴展總線； 32 位單片機采用 RISC 結(jié)構(gòu)，主要有 MB91101 等 。 基于成本和設(shè)計要求，本設(shè)計采用 Atmel 公司生 產(chǎn)的 AT89S52 單片機，AT89S52 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 Atmel 公司高密度非易失性存儲技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)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，亦適用于常規(guī)編程器，在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在