【正文】 單，但不適合高速采集。 ADC0809 一、 A/D在本系 統(tǒng)中的運用 系統(tǒng)的濕度采集模塊主要是利用模擬器件 HIH3610，它采集的數(shù)據(jù)是模擬量，不能被本系統(tǒng) AT89S52 單片機直接識別。 I2C 總線數(shù)據(jù)傳送最高速率為 400Kbps，標準速率為 100Kbps。在此設計中 AT24C02 用 于 保存 用戶 所設置的溫度 、 濕度上下限報警值。 圖 6 CD4024BE 的內部結構圖 AT24C02 為防止數(shù)據(jù)掉電丟失 ，本系統(tǒng) 擴展 了一片片外 EEPROM 存儲器 ， ATEML 公司 AT24C02存儲器芯片 ， 其標準封裝為 8 腳 DIP 封裝，它內含 256*8bit 的存儲空間， 每個字節(jié)可重復擦寫 100 萬次， AT24C02 工作于從器件方式。又因為 ADC0809 工作頻率范圍為 480KHz～ 1MHz，所以，如果要利用單片機 ALE 信號 給 ADC0809 提供時鐘信號， 16 中間必須經(jīng)過二分頻。 在數(shù)據(jù)轉換模塊上 CD4024與 ADC0809結合構成將濕度采集的模擬信號轉換為數(shù)字量。加入與門 ，并且用一個 I/O 口 作為 單片機 ALE 端輸出信號的閘門，即可解決此問題。由于 ALE 端與 單片機的 P2端口 有關聯(lián) （單片機地址鎖存為 ALE 及地址線高 8位為 P2口） 。 其中 各引腳功能如下 ： Q0～ Q7： 并行輸出端 A、 B： 串行輸入端 MR： 清除 端 CP： 時鐘輸入端。 74LS164是一個串行輸入并行輸出的移位寄存器。 本章內容介紹到系統(tǒng)中所用到的三種數(shù)字濾波方法，并對其進行一一分析。 為了 使單片機能夠采集更穩(wěn)定、更 準 確的數(shù)據(jù)， 固然離不開 數(shù)字信號處理 ， 鑒于 本設計 曾出現(xiàn)的干擾及誤差 ，決定 數(shù)據(jù)采集模塊的終端加入了數(shù)字濾波。 對系統(tǒng)濕度值采集所出現(xiàn)的跳變干撓，和因溫度跳變 等原因 引起的數(shù)據(jù)波動進行了相應的處理， 濾除了脈沖干擾 ，并且輸出信號平滑 。 缺點：比較浪費 RAM。 每次采樣到的新數(shù)據(jù)先進行限幅處理，再送入隊列進行遞推平均濾波處理。 根據(jù)干撓出現(xiàn)的現(xiàn)象分析， 加入 限幅濾波 能很好地將隨機出現(xiàn)的一 些 跳變干擾濾除。 缺點：無法抑制那種周期性的干擾 ， 平滑度差。如果本次值與上次值之差 大于 A， 則本次值無效 ， 放棄本次值 ， 用上次值代替本次值 。 缺點：靈敏度低，對偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合，比較浪費 RAM。 列舉三種 數(shù)字濾波 技術 及在本文中的使用 遞推平均濾波法 方法：把連續(xù)取 N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為 N，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾 ， 并扔掉原來隊首的一次數(shù)據(jù) .(先進先出原則 )， 把隊列中的 N 個數(shù)據(jù)進行算術平均運算 ， 就可獲得新的濾波結果。 B．可以對頻率很低的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波的缺陷。與此對應的就是模擬濾波，由于模擬濾波牽扯到的其他知識太多 ，在此不詳細介紹了 ， 模擬濾波主要無源 濾 波（直接用電阻、電容、電感等不外接電源的元件組成的）與有源濾波（如運算放大器等需要外接電源組成的），其目的是將信號中的噪音和干擾濾 去或者將希望得到的頻率信號濾出為我所用。 這也是設計本系統(tǒng)的一項原則。 數(shù)字濾波 技術簡介 數(shù)據(jù)濾波技術的實現(xiàn)意義 數(shù)字濾波 在數(shù)據(jù)采集過程中非常重要 ，它 主要適用于隨機干擾信號的 過濾 處理，對于系統(tǒng)誤差無能為力，對于硬件設計來說，由于集成度越來越高，所以數(shù)字濾波的價值越 來越大，每減少一個硬件器件就可以節(jié)省可觀的成本，如果又運用了合理的算法的話 。 數(shù)字信號處理的算法需要利用計算機或專用處理設備如數(shù)字信號處理器（ DSP） 和 專用集成電路（ ASIC）等。 數(shù)字信號處理的目的是對真實世界的連續(xù)模擬信號進行測量或 濾波 。數(shù)字信號處理與 模擬信號 處理是信號處理的子集。 本設計 還有部分模塊 ， 見論文的硬件 設計 。 根據(jù)設計要求中的技術指標，采用方案二完全可以實現(xiàn)系統(tǒng)設計 ， 且 HIH3610 內部集成了信號處理電路， 故省去復雜的信號處理步驟，所以 選擇 Honeywell 公司生產(chǎn)的HIH3610 實現(xiàn)本設計相對濕度值的采集。 方案二、采用 集成濕度傳感器 作為濕度采集模 塊主要部分。濕敏元件主要電阻式、電容式兩大類。 濕度 采集 模塊 方案一、采用普通的濕敏元件作為濕度采集模塊主要部分。 綜上分析， DS18B20 大大節(jié)約了 I/O 口資源，且 軟件 實現(xiàn)方便 ，它有 精確的轉換電路 10 直接送出直觀的數(shù)據(jù)，并且 DS18B20 擁有較高的溫度分辨率 度（采用默認的 12 位精度 時），在價格方面，單個 DS18B20 市場價 7 元，與 模擬溫度傳感器 加 A/D 轉換器的組合價格相差不大。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。 ℃ 。 DS18B20 是集傳感元件和轉換電路于一體的小芯片上。另外， 溫度與輸出電壓量是非線性的，讀出的是模擬量， 需要 A/D 轉換器 進行轉換才能送給數(shù)碼管顯示 ， 從而 增加了軟硬件的負擔。熱敏電阻的溫度特性曲線是一條指數(shù)曲線，非線性度較大，因此在使用時要進行線性化處理，線性化處理雖然能改善熱敏電阻的特性曲線，但比較復雜。顯示亮度高，可顯示的內容豐富，故 采用 LCM1602 作為輸出顯示將是最佳的 解決 方案。特點：成本相對 LED 較高，顯示內容豐富 ，與單片機可以直接接口 。 2. 3 顯示模塊 方 案一、采用 LED 數(shù)碼管顯示。若采用矩陣式按鍵，可以方便地輸 9 入一個溫度值，使操作界面更具人性化，節(jié)約了寶貴的 I/O 口資源。 2. 2 輸入模塊 方案一：采用獨立式 按鍵作為輸入模塊，其特點：直接用 I/O 口構成單個按鍵電路，接口電路配置靈活、軟件結構簡單，但是當 鍵數(shù)較多時，占用 I/O 口較多； 方案二：采用矩陣式鍵盤作為輸入電路，其特點：電路和軟件稍復雜，但相比之下，當鍵數(shù)越多時越節(jié)約 I/O 口。但是其價格往往比普通單片機貴。 方案二、采用如新華龍公司 C8051 系列或 ATMEL 公司 ATmega 系列等高檔八位單片機作為本系統(tǒng)控制核心。 此外，空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。 AT89S52 是 一款 高性能 、低功耗 8 位單片機 ，片內含 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復擦寫 1000次的 Flash 只讀程序存儲器 。其特點是 支持 ISP 在線可編程寫入技術 。 8 2 方案選擇 控制模塊 方案一、采用 ATMEL 公司產(chǎn)品 AT89S52 單片機作為系統(tǒng)控制模塊 。 與 PC 機的通信，采用的是串行異步通信 方式 ，從單片機 TXD 和 RXD 端的 TTL 電平到 PC 機的標準 RS232 電平的轉換， 系統(tǒng) 采用美信公司的 MAX232 芯片 。 系統(tǒng)擴展了一個 片外 存儲器 EEPROM 用以保存系統(tǒng) 設置 的報警 值 ，故而具有掉電數(shù)據(jù) 不丟失 的功能。并且顯示屏在系統(tǒng)的設置模式下顯示按鍵輸入值，具有顯示輸入對錯提示的功能。 系統(tǒng)設計簡介 7 圖 1 系統(tǒng)結構圖 系統(tǒng)采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 單片機作為控制器。 系統(tǒng)簡介 系統(tǒng)功能簡介 本系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如下： 對環(huán)境 溫 、 濕度數(shù)據(jù)的 采集、 處理 、 存儲 、 顯示以及 通過控制器 串行 口 上傳至上位 PC 機 ，并且可以在上位 PC 機 VB 控制 平臺上顯示實時采集到的溫、濕度值 ，繪制 出 溫、濕度波形 。它除具有 HF3223 的功能以外，還增加了溫度信號輸出端，利用負溫度系數(shù)（ NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。 頻率 /溫度輸出式集成濕度傳感器 。它采用模塊式結構，屬于頻率輸出式集成濕度傳感器，在 55%RH 時的輸出頻率為 8750Hz（型值），當上對濕度從 10%變化到 95%時，輸出頻率就從 9560Hz 減小到 8030Hz。 線性頻率輸出集成濕度傳感器 。 典型產(chǎn)品有 HIH3605/36 HM1500/1520。 目前，國外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家及典型產(chǎn)品分別為 Honeywell 公司（ HIH360 HIH360 HIH3610 型）， Humirel 公司（ HM1500、 HM15 HF322 HTF3223型）， Sensiron 公司（ SHT1 SHT15 型）。 電容式濕敏元件抗腐蝕能力也較欠缺，往往對環(huán)境的潔凈度要求較高，有的產(chǎn)品還存在光照失效、靜電失效等現(xiàn)象，金屬氧化物為陶瓷濕敏電阻，具有濕敏電容相同的優(yōu)點，但塵埃環(huán)境下，陶瓷細孔被封堵元件就會失效，往往采用通電除塵的方法來處理，但效果不夠理想，且在易燃易爆環(huán)境下不能使用，氧化鋁感濕材料無法克服其表面結構 “ 天然老化 ” 的弱點，阻抗不穩(wěn)定，金屬氧物陶瓷濕敏電阻也同樣存在長期穩(wěn) 定性差的弱點。市場上出售的一些電容式濕敏元件低價產(chǎn)品，往往達不到上述水平，線性度、一致性和重復性都不甚理想， 30%RH 以下， 80%RH 以上感濕段變形嚴重。 電容式濕敏元件的優(yōu)點在于響應速度快、體積小、線性度好、較穩(wěn)定，國外有些產(chǎn)品還具備高溫工作性能。溫度標定往往用一根標準溫度計作標準即可，而濕度的標定標準較難實現(xiàn)，干濕球溫度計和一些常見的指針式濕度計是不能用來作標定的，精度無法保證，因其要求環(huán)境條件非常嚴格，一般情況，（最好在濕度環(huán)境適合的條件下）在缺乏完善的檢定設備時，通常用簡單的飽和鹽溶液檢定法，并測量其溫度。多數(shù)濕敏元件難以在 40℃以上正常工作。采用單片機軟件補償，或無溫度補償?shù)臐穸葌鞲衅魇潜ＷC不了全溫范圍的精度的，濕度傳感器溫漂曲線的線性化直接影 響到補償?shù)男Ч蔷€性的溫漂往往補償不出較好的效果，只有采用硬件溫度跟隨性補償才會獲得真實的補償效果。 濕敏元件除對環(huán)境濕度敏感外，對溫度亦十分敏感，其溫度系數(shù)一般在 ～%RH/℃范圍內，而且有的濕敏元件在不同的相對濕度下，其溫度系數(shù)又有差別。在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影 5 響，使用時間一長，會產(chǎn)生老化，精度下降，濕度傳感器的精度水平要結合其長期穩(wěn)定性去判斷，一般說來，長期穩(wěn)定性和使用壽命是影響濕度傳感器質量的頭等問題，年漂移量控制在 1%RH 水平的產(chǎn)品很少，一般都在177。 3%RH 的精度是比較困難的，通常產(chǎn)品資料中給出的特性是在常溫（ 20℃177。 5%RH，達不到這個水平很難作為計量器具使用，濕度傳感器要達到177。 濕度傳感器具有如下特點： 濕度傳感器的精度應達到177。 濕度傳感器分為電阻式和電容式兩種，產(chǎn)品的基本形式都為在基片涂覆感濕材料形成感濕膜。 近年來，國內外在濕度傳感器研發(fā)領域取得了 很大的 進步。 隨著時代的發(fā)展，科研、農(nóng)業(yè)、暖通、紡織、機房、航空航天、電力等工業(yè)部門，越來越需要采用濕度傳感器，對產(chǎn)品質量的要求越 來 越高，對環(huán)境溫、濕度的控制以及對工業(yè)材料水份值的監(jiān)測與分析都已成為比較普遍的技術條件之一。 濕度檢測技術 相比之下，測量濕度要比測量溫度更復雜，這是因為溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受大氣壓強和 溫度的影響。 本 文將介紹智能集成溫度傳感器 DS18B20 的結構特征及控制方法，并對以此傳感器 和AT89S52 單片機為控制器構成的溫度測量裝置的工作原理及 軟硬件 設計 ， 作了詳細的介紹和研究 。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量 ，適配各種微控制器（ MCU）；并且它是在硬件的基礎上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、 A/D 轉換器、信 號處理器、存儲器（或寄存器）和接口電路。它是微電子技術、計算機技術和自動測試技術（ ATE）的結晶。其典型產(chǎn)品有 AD590、 AD59 TMP1 LM135 4 等。模擬集成溫度傳感器是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用 IC。測量溫度的關鍵是溫度傳感 器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了 以下 三個發(fā)展階段： ① 傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器 ② 模擬集成溫度傳感器 ③ 智能集成溫度傳感器 目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式 、 從集成化向智能化、網(wǎng)絡化的方向飛速發(fā)展。因此如何擴寬控濕的范圍和精度一直是人們 迫切的希 望。 據(jù)報道 ， 我國每年有相當物品因存放在較高的溫度環(huán)境 或 潮濕環(huán)境 下，因 侵害而受巨大損失。 1 目 錄 1 緒論 ............................................................................................................................................ 3 設計背景 ............................................................................................................................ 3 溫、濕度檢測技術的發(fā)