【正文】 232 第 3 頁 西華大學(xué)虛擬儀器課程 設(shè)計(jì)說明書 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件電路是保證整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ) ，其性能優(yōu)劣直接影響到整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)工作的可靠性、安全性和連續(xù)性。 本系統(tǒng)能夠獨(dú)立完成對(duì)溫度、濕度的采集、檢測(cè)、計(jì)算和邏輯處理，并能夠與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換， 以完成測(cè)量、監(jiān)控、報(bào)警 等功能，具體如下 : ① 數(shù)據(jù)采集功能 模擬量采集 ： 即實(shí)時(shí)采集室內(nèi) 溫度和濕度等模擬信號(hào)，作為系統(tǒng)執(zhí)行的判斷依據(jù)。 ③ 通訊功能 系統(tǒng)通過 RS232 選擇與上 位機(jī)進(jìn)行串行通訊，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控功能。 時(shí)鐘電路采用的是內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。 外接的電容值的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性，其振的快速性。 復(fù)位電路是外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位電路采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。行列方式是用 4 條 I/O 線組成行輸入口，用 2 條 I/O 線組成列輸出口，在行列線的每一個(gè)交點(diǎn)處，設(shè)置了一個(gè)按鍵，組成一個(gè) 4*2 的矩陣鍵盤。 、 、 、 作行線， P0P04 作列線。 其 電路 原理圖如圖 35所示： GND1TK2OUT3R4CL5TR6TC7VCC8IC3NE555R14R15576KRHIHS1100R16209KGNDVCCR171KT0測(cè)濕度模塊 圖 32 濕度 信號(hào) 測(cè)量電路 HS1100 是 電容濕度傳感器，在電路中 它 等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè) 環(huán)境 濕度的增大而增大。 如 圖 35所示，集成定時(shí)器 555芯片外界電阻 R1 R15與濕敏電容 RH 構(gòu)成了對(duì) C的充電 電路 ，并 將引腳 6 相連引入到片內(nèi)比較器，構(gòu)成一個(gè)典型的多些振蕩器，即 第 5 頁 西華大學(xué)虛擬儀器課程 設(shè)計(jì)說明書 方波發(fā)生器 ，這樣就能將環(huán)境濕度的變化轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)頻率的變化 。 系統(tǒng)的振蕩電路兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源 Vcc 通過 R1 R15向 C充電，經(jīng) T 充電 時(shí)間后 ， Uc 達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約 ，此時(shí)輸出引腳 3又由低電平躍升為高電平。其中，充放電時(shí)間為： T 充電 =C(R14+R15)In2 (31) T 放電 =CR15In2 (32) 因而，輸出的方波頻率為： f=1/(T 充電 +T 放電 )=1/[C(R14+2R15)In2] (33) 通過這種 信號(hào) 轉(zhuǎn)換方式， 濕度測(cè)量 電路 就能將 濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換成 頻率信號(hào) ，并將之 送入單片機(jī) 的計(jì)數(shù)器 T0， 計(jì)數(shù)除 1S 的脈沖個(gè)數(shù)， 即振蕩器的輸出頻率，然后進(jìn)行頻率和相對(duì)濕度信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換 ， 這樣就可以測(cè)出環(huán)境的濕度信號(hào)。一般可采用線性穩(wěn)壓器件（如 78XX 系列三端穩(wěn)壓器件）作為電壓調(diào)節(jié) 器 和穩(wěn)壓器件 ， 來將較高的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?MCU 所需的工作電壓。而開關(guān)電源調(diào)節(jié)器則 是以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作， 工作時(shí)要么是大電流流過低導(dǎo)通電壓的開 關(guān)管，要么是完全截止無電流流過。 .在相同電壓降的條件下，開關(guān)電源調(diào)節(jié)器件與線性穩(wěn)壓器件相比 ， 具有少得多的“熱損失”。 采用開關(guān)穩(wěn)壓電源來替代線性穩(wěn)壓電源作為 MCU 電源的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是：開關(guān)管的高頻通斷特性 和 串聯(lián)濾波電感的 使用對(duì)來自于電源的高頻干擾具有較強(qiáng)的抑制作用。 因此系統(tǒng)采用以開關(guān)穩(wěn)壓電源芯片 LM2576 為核心的電源電路。系統(tǒng)選用了美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的開關(guān)穩(wěn)壓集成電路 LM2576， LM2576 內(nèi)部集成了一個(gè)固定 的振蕩器，只須極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的穩(wěn)壓電路。 電源的輸出部分上所接的電感和電容起濾波的作用，當(dāng) output 輸出為高電平時(shí)，電感電流達(dá)到平衡。輸出電容 C4 是用來對(duì)輸出濾波以及提高環(huán)路的穩(wěn)定的。繼電器的驅(qū)動(dòng)可以通過晶體管、放大器和多路模擬開關(guān)，考慮到系統(tǒng)的成本和穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用多路模擬開關(guān) CD4066 去控制繼電器的吸合和釋放。 CPU發(fā)送一個(gè)控制信號(hào)控制蜂鳴器響。 其原理設(shè)計(jì)圖如圖 315 所示 ： 系統(tǒng)采用 RS232 總線，進(jìn)行上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信。故下位機(jī)選用的 RS232 通信芯片為 Maxim公司的 MAX232 B1VCC2RO3/RE4A8GND7DI6DE5MAX485_112 34IC652111234IC85211R29680VCCVCCR3010KGNDVCCR31680VCCTXDGNDR3210KVCC1234IC75211R33680VCCGNDRXDR34680VCCGNDVCCGNDC16104R3522R3622T8TVSB1VCC2RO3/RE4A8GND7DI6DE5MAX485_2R41120VCCGNDR1in13R2in8T1in11T2in10V+2V6VCC16R1out12R2out9T1out14T2out7C1+1C1 3C2+4C2 5GND15RS232RS232TTLTTLIC12MAX232VCCR4312KR4412KGNDT49013R4512KVCCGNDR4610KC17104C18104GNDC19104C20104VCC GNDC21104123456789COM_9RS485 轉(zhuǎn) RS232 電路 38 串口通信電路 第 9 頁 西華大學(xué)虛擬儀器課程 設(shè)計(jì)說明書 4 軟件設(shè)計(jì) 本章將介紹軟件的總體設(shè)計(jì)。 軟件設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的思想就是采用模塊化設(shè)計(jì)， 所謂模塊化，就是 把一個(gè)大的任務(wù)分解成若干個(gè)小任務(wù)，分別編制實(shí)現(xiàn)這些小任務(wù)的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)大任務(wù)了。 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)包括管理程序和控制程序兩部分，管理程序包括 LED 顯示的動(dòng)態(tài)刷新、控制指示燈、處理鍵盤的掃描和響應(yīng)?？刂瞥绦虬〝?shù)據(jù)采樣，數(shù)字處理、上下限報(bào)警處理等。 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用 。另外重要的一點(diǎn)， Keil C51 軟件編譯后生成的匯編代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。 uVision4 是 keil c 的 Windows 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，可以完成編輯、編譯、 連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。然后分別由 C51 或 A51 編譯器編譯生成目標(biāo)文件 (.OBJ)。 主程序軟件流程 初始化程序 系統(tǒng)初始化是為了在 系統(tǒng)進(jìn)入主程序循環(huán)之前，做好必要 的準(zhǔn)備工作。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際需求，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了初始化配置，通 過對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器或狀態(tài)寄存器的讀寫，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。然后周而復(fù)始地進(jìn)行主循環(huán)程序。矩陣的行線和列線分別通過 并行接口和 CPU通信。兩個(gè)并行口中，一個(gè)輸出掃描碼，使按鍵逐行動(dòng)態(tài) 的 接地，另一個(gè)并行口輸入按鍵狀態(tài)，由行掃描值和回饋信號(hào)共同形成鍵編碼而識(shí)別按鍵，通過軟件查表，查出該鍵的功能。行線初始狀態(tài)全為“ 1”。在有鍵按下后， 逐行檢查哪根行線為“ 0”狀態(tài)，即可查出是哪個(gè)按鍵。其濕度信號(hào)采集 及顯示程序如圖 43 所示： 第 12 頁 西華大學(xué)虛擬儀器課程 設(shè)計(jì)說明書 開 始判 斷 按 鍵是 否 按下 ？延 時(shí) 消 抖確 認(rèn) 按 鍵按 下 ？等 待 按 鍵 釋 放返 回 按 鍵 值結(jié) 束YYNN 圖 43 濕度信號(hào)采集子程序 濕 度信號(hào)采集子程序： void ad_tem(void)； 功能：讀出計(jì)數(shù)器 T0 中 頻率信號(hào)，根據(jù) HS1101 的特性將之轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的濕度信號(hào)。 在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分，主要是確定頻率與相對(duì)濕度值之間的計(jì)算關(guān)系。但由于頻率與相對(duì)濕度的 關(guān)系曲線是非線性的， 第 13 頁 西華大學(xué)虛擬儀器課程 設(shè)計(jì)說明書 STC89C52 對(duì)其采取分段 線 性化處理。 溫度信號(hào)采集及顯示 系統(tǒng)的溫度信號(hào)是由數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 采集， DS18B20 是一種一線溫度傳感器，它的輸出信號(hào) 就是數(shù)字信號(hào)，不需要經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換。 DS18B20 轉(zhuǎn)化后得到的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 DS18B20 的兩個(gè) 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 1 位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于 0， 這位為 0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這位為 1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實(shí)際 溫度。本實(shí)驗(yàn)沒有考慮溫度小于 0 的情況，為了方便后面程序的編寫，這里乘的是 ，處理時(shí)只要在顯示程序中加入小數(shù)點(diǎn)即可。所以在數(shù)據(jù)讀出后， 第 14 頁 西華大學(xué)虛擬儀器課程 設(shè)計(jì)說明書 應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間的延時(shí)，才能 將讀得的數(shù)據(jù)返回給主程序。然后在將 DQ 拉高，為寫下一位做準(zhǔn)備。寫字節(jié)程序及讀字節(jié)程序如圖所示： D Q = 1i = 8i 0取 一 位 數(shù)D Q = 0該 位 數(shù) 是 否 為 1D Q = 1延 時(shí) 4 5 u sD Q = 1數(shù) 據(jù) 右 移 1 位i 延 時(shí) 2 0 u sNY返 回開 始 i = 8i 0數(shù) 據(jù) 右 移 一 位D Q = 1 并 延 時(shí)D Q = 0 并 延 時(shí)D Q = 1 并 延 時(shí)D Q = = 1 ?該 位 數(shù) 據(jù) 為 1延 時(shí)并 i 返 回 讀 出 的 數(shù) 據(jù)YYN開 始返 回 圖 47 寫字節(jié)子程序 圖 48 讀字節(jié)子程序 圖 413 濕度比較及報(bào)警子程序 第 15 頁 西華大學(xué)虛擬儀器課程 設(shè)計(jì)說明書 5 上位機(jī) 軟件設(shè)計(jì) 上位機(jī)設(shè)計(jì)是基于 NI(美國國家儀器公司 )的 LabVIEW 進(jìn)行設(shè)計(jì)的， LabVIEW 是一種 上位 機(jī) 程序開發(fā)環(huán)境，類似于 C和 BASIC 開發(fā)環(huán)境，但是 LabVIEW 與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而 LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言 G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。操作方便、界面美觀、顯示直觀、控制精細(xì)。在 界面的左方有三個(gè)框圖，用于配置串口、發(fā)送控制信號(hào)按鈕、顯示環(huán)境因子及設(shè)置報(bào)警門限。 LabVIEW 相應(yīng)的通信協(xié)議設(shè)置，波特率設(shè)置為 9600，數(shù)據(jù)位 8，校驗(yàn)位 0，停止位 LabVIEW