【正文】 轉(zhuǎn)換 ADC0809 核心處理器 MCU51 個(gè)人 PC 電腦 終端 7 第二章：濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì) 傳感器是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心軌蛑苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換元件指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵鲛D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。應(yīng)該說(shuō)明，并不是所有的傳感器都能明顯分清敏感元件與轉(zhuǎn)換元件兩個(gè)部分，而是二者全為一體。 傳感器的靜態(tài)特性 所謂傳感器的靜態(tài)特性，是指在穩(wěn)態(tài)信號(hào)作用下，傳感器輸出－輸入之間的關(guān)系特性。 1. 線性度 傳感器的線性度用傳感器的輸出與輸入之間的線性程度表示。 20 1 2 + nny a a x a x a x? ? ? ? … 式中： y――輸出量； x――輸入物理量； 0a ――零 位輸出； 1a ――傳感器線性靈敏度； 23, na a a… , ――待定常數(shù)。 2. 靈敏度 靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)下輸出變化對(duì)輸入變化的比值，一般用 nS 來(lái)表示，即 式中： yd ――輸出量的變化； xd ――輸入量的變化。非線性傳感器的靈敏度為一變量。 3. 遲滯 在相同工作條件下做全量程范圍校準(zhǔn)時(shí)，下行程（輸入量由小到大）和反xdydnS ? 8 行程（輸入量由大到小）所得輸出輸入特性曲線往往不重合。遲滯（或稱回程誤差）正 是用來(lái)描述傳感器在正反行程期間特性曲線不重合程度的。 4. 重復(fù)性 重復(fù)性是指在相同工作條件下，輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試時(shí)，所得傳感器特性曲線不一致性的程度。重復(fù)特性的好壞是與許多因素有關(guān)的，與產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象具有的原因。 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器動(dòng)態(tài)特性是指輸入量隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化時(shí)，其輸出與輸入的關(guān)系。只要輸入量是時(shí)間的函數(shù)，則其輸出量也將是時(shí)間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動(dòng)態(tài)特性來(lái)說(shuō)明。實(shí)際中，輸入信號(hào)隨時(shí)間的變化形式多種多樣，無(wú)法統(tǒng)一 研究，所以通常只分析傳感器在標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)作用下的輸出。由于輸入信號(hào)的時(shí)候函數(shù)形式是多種多樣的，在時(shí)域內(nèi)研究傳感器的響應(yīng)特性時(shí)，只能研究幾種特定的輸入時(shí)間函數(shù)如階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等的響應(yīng)特性。 大氣中含有水汽的多少，表示大氣中的干、濕程度，用濕度來(lái)表示，也就是說(shuō)，濕度表示大氣干濕程度的物理量。 絕對(duì)濕度 絕對(duì)濕度表示單位體積空氣里所含水汽的質(zhì)量，其表示為 式中： ? ――被測(cè) 空氣的絕對(duì)（ g / 3m ， mg / 3m ）； VM ――被測(cè)空氣中水汽的質(zhì)量（ g ， mg ）； V――被測(cè)空氣的體積（ 3m ）。即 式中： vP ――待測(cè)氣體的水汽分壓； WP ――同一溫度下水蒸汽的飽和水汽壓 [3]?？梢詰?yīng)用于辦公室自 動(dòng)化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，家電，工業(yè)控制系統(tǒng)等。 VMV?? RHPPTWV %100??????????相對(duì)濕度 10 HS1101實(shí)物照 相對(duì)濕度在 0%～ 100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 162pF 變到 200pF,其誤差不大于? 2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于 5s；溫度系統(tǒng)為 ℃。其濕度－電容響應(yīng)曲線如圖 22： ： HS1101濕度－電容響應(yīng)曲線 HS1101 的一些常用參數(shù)如： ： HS1101常用參數(shù) 參數(shù) 符號(hào) 參數(shù)值 單位 工作溫度 Ta 40～ 100 ℃ 儲(chǔ)存溫度 Tstg 40～ 125 ℃ 供電電壓 Vs 10 Vac 濕度范圍 RH 0～ 100 %RH 焊接時(shí)間 =260℃ t 10 S 濕度測(cè)量電路 HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨 著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。另一種是將 HS1101 置于 555 振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。在多諧振蕩器工作方式時(shí)，其輸出的脈沖占空比由兩個(gè)外接電阻和一個(gè)外接電容 確定；在單穩(wěn)態(tài)工作方式時(shí)，其延時(shí)時(shí)間由一個(gè)外接電阻和一個(gè)外接電容確定，它可以延時(shí)數(shù)微秒到數(shù)小時(shí)。NE555 的框圖如圖所示 [5]。NE555 電路功能的簡(jiǎn)單概括為 :當(dāng) 6端和 2端同時(shí)輸入為“ 1”時(shí) ,3 端輸出為“ 0”；當(dāng) 6 端和 2端同時(shí) 輸入為“ 0”時(shí) ,3端輸出為“ 1”。 當(dāng)電源接通時(shí) ,由于 6 和 2 端的輸入為“ 0” ,則定時(shí)器 3 腳輸出為“ 1”；又由于 C1 兩端電壓為 0,故 ccV 通過(guò) R2 和 R3 對(duì) C1 充電 ,當(dāng) C1 兩端電壓達(dá)到2 ccV /3 時(shí) ,定時(shí)電路翻轉(zhuǎn) ,輸出變?yōu)椤?0”。其工作循環(huán)中的充電時(shí)間為 hT =(R2+R3)C1；放電時(shí)間為 1T = *C1； 輸出脈沖占空比為 q ＝ (R2+R3)/(R2+2R3),為了使輸出脈沖占空比接近 50％ ,R2應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 R3。因此只要測(cè)出 555 的輸出頻率 ,并根據(jù)濕度與輸出頻率的關(guān)系 ,即可求得環(huán)境的濕度 [6]。反之，也需要將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)為連續(xù)變化的模擬量，用心控制調(diào)節(jié)一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。用以實(shí)現(xiàn)這類轉(zhuǎn)換的器件，叫做模 /數(shù)（ A/D）轉(zhuǎn)換器或數(shù) /模（ D/A）轉(zhuǎn)換器 [7]。其主要性能有：逐次比較型； CMOS 工藝制造；單電源供電；無(wú)需外部進(jìn)行零點(diǎn)和滿量度調(diào)整；可鎖存三態(tài)輸出，輸出與 TTL 兼容；易與各種微控制器接口；具有鎖存控制的 8 路模擬開(kāi)關(guān)；分辨率為 8 位；功耗為15mW；轉(zhuǎn)換時(shí)間（ kHzfCLK 500? ）為 128 s? ；轉(zhuǎn)換精度為 %? [8]。 ： ADC0809引腳圖 測(cè)濕電路與單片機(jī)連接 NE555 的輸出端跟 ADC0809 的 IN0 通道相接，則 ADC0809 芯片的地址選通為ADDR0,ADDR1,ADDR2 都接地。 ADC0809 14 的典型轉(zhuǎn)換頻率為 640kHz， ALE 信號(hào)頻率與晶振頻率有關(guān)，如果晶振頻率取12MHz，則 ALE 的頻率為 2MHz，所以 ADC0809 的時(shí)鐘端 CLK與單片機(jī)的 ALE 端相接時(shí)，要考慮分頻。測(cè)濕電路與單片機(jī)的連接圖如圖 32 所示。這時(shí)所用到的計(jì)算機(jī)思想就 是插值法 [9]。將 x的值分成幾個(gè)小段區(qū)間，每個(gè)區(qū)間的端點(diǎn)kx 都對(duì)就一個(gè)輸出 ku ，把這些 kx 、 ku 編成表格存儲(chǔ)起來(lái)。插值法的思想就是用一段簡(jiǎn)單的曲線近似代替這段區(qū)間的實(shí)際曲線，然后用近似曲線公式計(jì)算出 ??xu 。 15 ： ADC0809操作流程圖 單片機(jī)電路的設(shè)計(jì) MCS51 單片機(jī) 所謂的單片機(jī)就是把中央處理器 CPU、存儲(chǔ)器 ROM/RAM、輸入輸出接口電路以及定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等部件制作在一塊集成電路芯片中，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)――單片微型計(jì)算機(jī)。 MCS51單片機(jī)包括 803 805 8751 等很多型號(hào)，其代表型號(hào)為 8051。它具有以下特點(diǎn)： 40 個(gè)開(kāi)始 初始化 ADC0809（ 1） 發(fā)送 ADC0809（ 1）地址 啟動(dòng) ADC0809（ 1） 發(fā)送讀 A/D命令 讀 A/D 發(fā)送 ADC0809（ 2）地址 啟動(dòng) ADC0809（ 2） 發(fā)送讀 A/D命令 讀 A/D 16 引腳， 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），32個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器， 2 個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)有時(shí)鐘振蕩器。圖 34是 AT89S51 的 PDIP 封裝引腳圖 [10]。 時(shí)鐘晶振電路和復(fù)位電路 AT89S51 單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)是單片機(jī)內(nèi)部各種各樣的微小操作的時(shí)間基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，控制器按照指令的功能產(chǎn)生一系列在時(shí)間上有一定次序的信號(hào)，這些信號(hào)用來(lái)控制相關(guān)的邏輯電路工作，實(shí)現(xiàn)指令的功能。 17 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上對(duì)復(fù)位電路設(shè)計(jì)成上電復(fù)位加手動(dòng)復(fù)位。其 Protel DXP 電路圖如圖 [11]。當(dāng)濕敏元件 HS1101 對(duì)室內(nèi)的濕度檢測(cè)時(shí)，達(dá)到某個(gè)值，就會(huì)在 端口輸出高電平，使得 LED 發(fā)亮，以及時(shí)通知工作人員進(jìn)行相關(guān)的操作。 18 ：系統(tǒng)報(bào)警電路 系統(tǒng)總設(shè)計(jì) 基于 51 單片機(jī)的 HS1101 傳感器濕度測(cè)控系統(tǒng)，主要由幾個(gè)部分組成 ：傳感器數(shù)據(jù)采集電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路， LED報(bào)警電路，單片機(jī)主板電路等。 19 圖系統(tǒng)總流程圖 從流程圖可以知道，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中包括了幾個(gè)子程序：讀濕度子程序，濕度轉(zhuǎn)換子程序，計(jì)算濕度子程序，比較子程序。 首先， AT89S51 單片機(jī)具有許多特點(diǎn)，其功能強(qiáng)大、 I/O 接口多，但其內(nèi)部的數(shù)據(jù)暫存存儲(chǔ)器的空間其實(shí)是比較小的，當(dāng)用于多位的外圍外接芯片時(shí)，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部 RAM 使用不足 的狀況。在實(shí)際編程中實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能應(yīng)該沒(méi)有太大的障礙。本文進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)只是用到了其中的部分接口，與本系統(tǒng)的其它部分進(jìn)行連接，分別實(shí)現(xiàn)了不同的功能。 8051 的 0INT 接口通過(guò) 非門與 ADC0809 的 EOC 接口相接， RDWR和 通過(guò)兩個(gè)或非門跟 ADC0809 的 START、 ALE 和 OE相連，這樣就可以使得 8051 可以通過(guò)讀寫控制線來(lái)控制輸入通道地址的鎖存、啟動(dòng)和輸出允許。其中 R1 與 555 的頻率輸出引腳相連，起輸出短路保護(hù)作用，防止輸出電流過(guò)大。由于這里采用的是 Texas Instruments 生產(chǎn)的 NE555，所以根據(jù)微調(diào) R4 和 R3 取值分別為 909K和 576K。本原理圖在 Protel 中進(jìn)行編譯后，然后確定元件的封裝沒(méi)有問(wèn)題，再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)表的制作。元件的布局一般從以下幾個(gè)方面考慮： 1. 高頻元件之間的連 線要短，易受干擾的元件不能離得太近。 3. 易發(fā)熱元件要遠(yuǎn)離熱敏元件。 5. 預(yù)留出電路板的安裝孔和支架的安裝孔。 本設(shè)計(jì)所用的 PCB 版圖如圖 39 所示： 圖：系統(tǒng) PCB版圖 系統(tǒng)的 PCB 版圖所用的是二層布線，用的是 Protel 自帶的自動(dòng)布線工具。其中串行通訊基于它本身的使用線路少、成本低等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。它是 1970年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。噪聲容限為2V。 RS232C 接口也有其不足的地方，主要有：接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片；傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為 20Kbps；接口的共地傳輸模式容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性比較弱；傳輸距離有限等。本系統(tǒng)在實(shí)際設(shè)計(jì)和編程過(guò)程中，對(duì) AT89S51 和 PC 機(jī)的通信采用了單電源電平轉(zhuǎn)換器ICL232。 2. 系統(tǒng)采用串行口方式 3,字符格式為 1位起始位、 8位數(shù)據(jù)位（低位在前）、1位停止們和 TB8=0。 4. 8051 串行口以中斷方式進(jìn)行發(fā)送和接收，發(fā)送時(shí)先發(fā)數(shù)據(jù)塊起始地址低字節(jié)和高字節(jié)，然后發(fā)送數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度的低字節(jié)和高字節(jié) ，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。 其發(fā)送和接收子程序的流程圖如圖所示。 發(fā)送子程序的清單： ORG 1000H MOV R0,03H ORL PCON,80H 。設(shè)定 T1為方式 2 MOV TH1,0F3H 。啟動(dòng) T1工作 MOV SCON,0E0H 。開(kāi)串行口中斷 MOV SBUF,77 。等待串行口中斷 RET 接收子程序的清單： MOV R0,03H MOV TMOD,20H 。設(shè)定 T1 初值 MOV TL1,0F3H SETB TR1 MOV SCON,0FOH 。開(kāi)串行口中斷 WAIT2: JB ES,ATIT2 。兩機(jī)如何通訊，一般取決于下位機(jī)。但是下位機(jī)一般具有更可靠的獨(dú)有通訊協(xié)議。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)通常先進(jìn)行初始化，如設(shè)置中斷、定時(shí)器、外部可編程器件的初始等，然后循環(huán)執(zhí)行主要功能，并將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī) [12]。為防止程序跑飛，上位機(jī)下位機(jī)分別設(shè)計(jì)看門狗電路保證 ST89S51 正常工作。 ：系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)流程圖 開(kāi)始 系統(tǒng)初始化 采 集濕度 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)正常？ 啟動(dòng) LED 是否向上位機(jī) 送數(shù)據(jù)？ 送上位機(jī) Y Y N 26 上位機(jī)程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件的程序流程圖 [13]如圖 43 所示。命令輸入模塊，從鍵盤獲取命令進(jìn)行分析、處理；命令分析處理模塊，按不同命令要求或修改系統(tǒng)工作模式、調(diào)整運(yùn)行參數(shù)或整理數(shù)據(jù)送串行發(fā)送緩沖區(qū)，由通信中斷服務(wù)發(fā)送到下位機(jī)。濕度測(cè)控雖然提出較早，但由