【正文】 到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景，溫濕度的檢測(cè)技術(shù)及發(fā)展前景，另外還簡(jiǎn)要介紹了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和功能。采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52系列的單片機(jī)作為主控制器。串行寫入、其頻率高達(dá)33MHz,故其速度更快、內(nèi)部集成看門狗計(jì)時(shí)器，不再需要像89C51那樣外接看門狗計(jì)時(shí)器單元電路，穩(wěn)定性更好。AT89S52具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳、8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、256 bytes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)中斷源，2層優(yōu)先級(jí)中斷嵌套、2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1個(gè)全雙工串行通信口、看門狗（WDT）電路。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。這一類高檔單片機(jī)最顯著的特點(diǎn)就是功能全，如空間更大的FLASH和SRAM存儲(chǔ)器、雙串口、更多的硬件定時(shí)器資源等。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和資源預(yù)算，并且考慮系統(tǒng)成本，為了使本系統(tǒng)性價(jià)比達(dá)到更高，決定選用方案一，即AT89S52單片機(jī)作為本系統(tǒng)控制核心模塊。本設(shè)計(jì)使用鍵盤輸入預(yù)置報(bào)警溫、濕度值，若采用獨(dú)立按鍵，對(duì)數(shù)值進(jìn)行遞增遞減需頻繁按鍵，為軟件設(shè)計(jì)增加負(fù)擔(dān)，且操作界面不友好。通過(guò)對(duì)比，方案二為系統(tǒng)輸入模塊最佳方案。特點(diǎn)：成本較低，顯示內(nèi)容局限，需要外圍驅(qū)動(dòng)電路；方案二、采用LCD顯示?？紤]到本設(shè)計(jì)要顯示的內(nèi)容較多，且要達(dá)到同樣的顯示效果，采用數(shù)碼管顯示方法很可能要比LCM1602顯示成本更高，且目前市場(chǎng)上的LCM1602模塊已經(jīng)十分普及，LCM1602是兩行十六列字符型液晶顯示屏。2. 4 數(shù)據(jù)采集模塊 溫度采集模塊方案一：用模擬溫度傳感器，比如普通的熱敏電阻。為此常在要求不高的一般應(yīng)用中，作出在一定的溫度范圍內(nèi)溫度與阻值成線性關(guān)系的假定，才能簡(jiǎn)化計(jì)算。方案二：采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度傳感器模塊，它具有獨(dú)特的單總線接口方式，需一根總線就能實(shí)現(xiàn)控制模塊與DS18B20之間的半雙工通信?！?。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。綜上分析，DS18B20大大節(jié)約了I/O口資源，且軟件實(shí)現(xiàn)方便，它有精確的轉(zhuǎn)換電路直接送出直觀的數(shù)據(jù)，（采用默認(rèn)的12位精度時(shí)），在價(jià)格方面，單個(gè)DS18B20市場(chǎng)價(jià)7元，與模擬溫度傳感器加A/D轉(zhuǎn)換器的組合價(jià)格相差不大。 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。濕敏元件主要電阻式、電容式兩大類。方案二、采用集成濕度傳感器作為濕度采集模塊主要部分。根據(jù)設(shè)計(jì)要求中的技術(shù)指標(biāo)，采用方案二完全可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，且HIH3610內(nèi)部集成了信號(hào)處理電路，故省去復(fù)雜的信號(hào)處理步驟，所以選擇Honeywell公司生產(chǎn)的HIH3610實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)相對(duì)濕度值的采集。本設(shè)計(jì)還有部分模塊，見(jiàn)論文的硬件設(shè)計(jì)。數(shù)字信號(hào)處理與模擬信號(hào)處理是信號(hào)處理的子集。數(shù)字信號(hào)處理的目的是對(duì)真實(shí)世界的連續(xù)模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量或?yàn)V波。 數(shù)字信號(hào)處理的算法需要利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備如數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）等。 數(shù)字濾波技術(shù)簡(jiǎn)介 數(shù)據(jù)濾波技術(shù)的實(shí)現(xiàn)意義數(shù)字濾波在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中非常重要，它主要適用于隨機(jī)干擾信號(hào)的過(guò)濾處理，對(duì)于系統(tǒng)誤差無(wú)能為力，對(duì)于硬件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，由于集成度越來(lái)越高，所以數(shù)字濾波的價(jià)值越來(lái)越大，每減少一個(gè)硬件器件就可以節(jié)省可觀的成本，如果又運(yùn)用了合理的算法的話。這也是設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的一項(xiàng)原則。與此對(duì)應(yīng)的就是模擬濾波，由于模擬濾波牽扯到的其他知識(shí)太多，在此不詳細(xì)介紹了，模擬濾波主要無(wú)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(yùn)算放大器等需要外接電源組成的），其目的是將信號(hào)中的噪音和干擾濾去或者將希望得到的頻率信號(hào)濾出為我所用。B．可以對(duì)頻率很低的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波的缺陷。 列舉三種數(shù)字濾波技術(shù)及在本文中的使用 遞推平均濾波法方法：把連續(xù)取N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并扔掉原來(lái)隊(duì)首的一次數(shù)據(jù).(先進(jìn)先出原則)，把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，就可獲得新的濾波結(jié)果。缺點(diǎn)：靈敏度低，對(duì)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(yán)重的場(chǎng)合，比較浪費(fèi)RAM。如果本次值與上次值之差大于A，則本次值無(wú)效，放棄本次值，用上次值代替本次值。缺點(diǎn)：無(wú)法抑制那種周期性的干擾，平滑度差。根據(jù)干擾出現(xiàn)的現(xiàn)象分析，加入限幅濾波能很好地將隨機(jī)出現(xiàn)的一些跳變干擾濾除。每次采樣到的新數(shù)據(jù)先進(jìn)行限幅處理，再送入隊(duì)列進(jìn)行遞推平均濾波處理。缺點(diǎn)：比較浪費(fèi)RAM。對(duì)系統(tǒng)濕度值采集所出現(xiàn)的跳變干擾，和因溫度跳變等原因引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)進(jìn)行了相應(yīng)的處理，濾除了脈沖干擾，并且輸出信號(hào)平滑。為了使單片機(jī)能夠采集更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，固然離不開(kāi)數(shù)字信號(hào)處理，鑒于本設(shè)計(jì)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。本章內(nèi)容介紹到系統(tǒng)中所用到的三種數(shù)字濾波方法，并對(duì)其進(jìn)行一一分析。74LS164是一個(gè)串行輸入并行輸出的移位寄存器。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(shí)鐘輸入端。由于ALE端與單片機(jī)的P2端口有關(guān)聯(lián)（單片機(jī)地址鎖存為ALE及地址線高8位為P2口）。加入與門，并且用一個(gè)I/O口作為單片機(jī)ALE端輸出信號(hào)的閘門，即可解決此問(wèn)題。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊上CD4024與ADC0809結(jié)合構(gòu)成將濕度采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。又因?yàn)锳DC0809工作頻率范圍為480KHz～1MHz，所以，如果要利用單片機(jī)ALE信號(hào)給ADC0809提供時(shí)鐘信號(hào)，中間必須經(jīng)過(guò)二分頻。圖6 CD4024BE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 AT24C02為防止數(shù)據(jù)掉電丟失，本系統(tǒng)擴(kuò)展了一片片外EEPROM存儲(chǔ)器，ATEML公司AT24C02存儲(chǔ)器芯片，其標(biāo)準(zhǔn)封裝為8腳DIP封裝，它內(nèi)含256*8bit的存儲(chǔ)空間，每個(gè)字節(jié)可重復(fù)擦寫100萬(wàn)次，AT24C02工作于從器件方式。在此設(shè)計(jì)中AT24C02用于保存用戶所設(shè)置的溫度、濕度上下限報(bào)警值。 I2C總線數(shù)據(jù)傳送最高速率為400Kbps，標(biāo)準(zhǔn)速率為100Kbps。 ADC0809一、A/D在本系統(tǒng)中的運(yùn)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(jī)直接識(shí)別。二、A/D的原理、分類及特性三、單片機(jī)并行A/D擴(kuò)展的方式延遲法：?jiǎn)纹瑱C(jī)啟動(dòng)A/D后，延遲，再讀到正確的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，這種方法連線和編程簡(jiǎn)單，但不適合高速采集。單片機(jī)啟動(dòng)A/D后不斷檢測(cè)EOC，若EOC=0，則A/D轉(zhuǎn)換沒(méi)有結(jié)束，繼續(xù)檢測(cè)EOC，直到EOC=1，當(dāng)EOC=1時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)果，單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，這種方法占用CPU，但程序簡(jiǎn)單。單片機(jī)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后可以做其他工作，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC由0變?yōu)?，經(jīng)過(guò)非門傳到INT端，AT89S52收到中斷請(qǐng)求信號(hào)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。6）工作溫度范圍為40～＋85攝氏度7）低功耗，約15mW。因此，ADC0809可處理8路模擬量輸入，且有三態(tài)輸出能力，既可與各種微處理器相連，也可單獨(dú)工作。六、引腳說(shuō)明IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。典型值是640KHZ。Vcc：電源＋5V。 硬件設(shè)計(jì)及原理圖 LCM1602液晶顯示及驅(qū)動(dòng)LCM1602為兼容的液晶顯示模塊，本設(shè)計(jì)中采用2行16字符的模式，顯示亮度可調(diào)，是一種使用較方便、價(jià)格較便宜的液晶顯示器件。圖8為液晶顯示部分的原理圖，它的外圍驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)具有串轉(zhuǎn)并功能的74LS164芯片。圖8 LCM1602顯示模塊考慮到本設(shè)計(jì)中AT89S52單片機(jī)的I/O口資源緊張，且AT89S52單片機(jī)唯一的UART串行口要用來(lái)與上位PC機(jī)通信，而LCD1602與AT89S52單片機(jī)的普通接法占用十個(gè)I/O口，為了節(jié)約一部分I/O口資源，本設(shè)計(jì)中采用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的兩個(gè)普通I/O口進(jìn)行串行口模擬，這樣可以將原來(lái)需要八根并行數(shù)據(jù)線的LCD1602模塊通過(guò)配置一片74LS164作為驅(qū)動(dòng)，只需要兩個(gè)普通I/O口即可以解決LCM1602的八位數(shù)據(jù)線輸入，有效地節(jié)約了I/O口。因此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有接口線路簡(jiǎn)單、體積小、檢測(cè)控制方便、傳輸距離遠(yuǎn)等方面優(yōu)越性。DS18B20性能特點(diǎn)①采用單總線專用技術(shù)，既可通過(guò)串行口線，也可通過(guò)其它I/O口與控制器接口，無(wú)須經(jīng)過(guò)其它變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值（16位二進(jìn)制數(shù)，含符號(hào)位）。③內(nèi)含64位經(jīng)過(guò)激光修正的只讀存儲(chǔ)器ROM。⑤用戶可分別設(shè)定各路溫度的上、下限。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM，溫度傳感器，非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，高速暫存器。 圖9 DS18B20的兩種封裝表3 引腳功能描述序號(hào)名稱引腳功能描述1GND地信號(hào)2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。寄生電源工作模式可以向器件提供電源。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，；如果溫度小于0，這5位為1。無(wú)論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5KΩ左右的上拉電阻。 DS18B20有六條控制命令。 令 約定代碼 操 說(shuō)DS18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通信協(xié)議。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為“0”。表7 配置寄存器與DS18B20精度對(duì)應(yīng)表R1R0分辨率(位)溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間(ms)009011010113751112750高速暫存存儲(chǔ)器高速暫存存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成，其分配如表5所示。單片機(jī)可通過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表1所示。表7是對(duì)應(yīng)的一部分溫度值。表8 DS18B20暫存寄存器分布寄存器內(nèi)容字節(jié)地址溫度值低位(LS Byte)0溫度值高位(MS Byte)1高溫限值(TH)2低溫限值(TL)3配置寄存器4保留5保留6保留7CRC校驗(yàn)值8根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。 表9 ROM指令表指令約定代碼功能讀ROM33H讀DS18B20溫度傳感器ROM中的編碼（即64位地址）匹配ROM55H發(fā)出此命令后接著發(fā)64位ROM編碼，訪問(wèn)單總線上與該編碼對(duì)應(yīng)的DS18B20使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該DS18B20的讀寫作準(zhǔn)備搜索ROM0F0H用于確定掛接在同一總線上DS18B20的個(gè)數(shù)和識(shí)別64位ROM地址跳過(guò)ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20發(fā)溫度變換命令告警搜索命令0ECH執(zhí)行后只有溫度超過(guò)設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應(yīng)DS18B20時(shí)序?qū)τ贒S18B20的讀時(shí)隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。圖10 DS18B20與單片機(jī)的接口由于DS18B20的獨(dú)特的單線接口方式，它在與微處理器連接時(shí)僅需要一口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。使用外部電源供電方式，比寄生電源方式只多接一根VCC引線。二、濕度采集模塊濕度傳感器HIH3610介紹本設(shè)計(jì)中采用相對(duì)濕度傳感器HIH3610。圖11 HIH3610濕度傳感器外觀圖輸出電壓與相對(duì)濕度的關(guān)系曲線如圖12所示。24～200～40～+85線性電壓輸出線，性能最好，抗污染能力最強(qiáng)由輸出電壓與相對(duì)濕度關(guān)系曲線可得出如下結(jié)論：⑴HIH3610在供電電壓為5V時(shí)，其消耗電流僅為200181。Vi[+]⑶HIH3610測(cè)量的濕度值還與環(huán)境溫度有關(guān)，故應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償公式為： (公式2）式中：T為環(huán)境攝氏溫度值。一般僅需取出 200μA電流， HIH3610 系列測(cè)濕傳感器就能理想地用于低引出、電池供電系統(tǒng)。RH傳感器可用在二引線間有間距的配量中，它是一個(gè)熱固塑料型電容傳感元件，其芯片內(nèi)具有信號(hào)處理功能。 圖13 數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換模塊 串口通信模塊系統(tǒng)的串行通信中，使用單片機(jī)的串口TXD和RXD。MAX232芯片內(nèi)帶有升壓電路。圖14 通信模塊電平轉(zhuǎn)換電路 電源模塊：本系統(tǒng)中為了方便供電，采用了一片7812和一片7805做出了一個(gè)簡(jiǎn)單獨(dú)立的電源。下面是其硬件原理圖。當(dāng)I/O口輸出0時(shí)，三極管導(dǎo)通，基極電流得到放大，蜂鳴器發(fā)出聲音；當(dāng)I/O口輸出1時(shí)，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)聲。系統(tǒng)中主要的外設(shè)有AD,LCD1602,EEPROM,PC機(jī)，7812和7805等。4．4 本章小結(jié)本章重點(diǎn)介紹了硬件設(shè)計(jì)的部分模塊圖及其說(shuō)明，同