【正文】 由于其重要性的日益突出，技術(shù)也越來越成熟。1 大連海事大學(xué) 畢 業(yè) 論 文 二○一四 年六月 ┊┊┊┊┊┊┊裝 ┊┊┊┊┊┊┊訂 ┊┊┊┊┊┊┊線 ┊┊┊┊┊┊┊ 基于單片機(jī)的數(shù)字濕度傳感系統(tǒng) 專業(yè)班級(jí)： 電科 2 班 姓 名： 金美紅 指導(dǎo)教師： 劉劍橋 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 I 摘 要 隨著社會(huì)信息科學(xué)的發(fā)展，控制理論和電子技術(shù)也在不斷更新，基于微控制器的高度智能化測(cè)控技術(shù)逐步成為現(xiàn)實(shí)。其中以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器因其體積小、成本低、功能強(qiáng)、簡(jiǎn)便易行而得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要討論基于AT89C52 單片機(jī)的以 HS1101 作為前端濕敏元件的室內(nèi)濕度檢測(cè)系統(tǒng)。本文在設(shè)計(jì)過程中主要做了以下幾個(gè)方面的工作：一是討論并選擇系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案；二是對(duì)傳感器、 單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇；三是對(duì)各個(gè)模塊 進(jìn)行電路及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)完全滿足一般小實(shí)驗(yàn)室的濕度測(cè)控系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)濕度狀況的全面、實(shí)時(shí)和長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，也實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)濕度檢測(cè)的自動(dòng)化智能化。 Second, design and selection of the sensor, and a singlechip。即在一定的溫度下在一定的體積的空氣里含有的水汽越少，則空氣越干燥 ； 水汽越多，則空氣越潮濕。但是人們對(duì)于濕度傳感器中的濕敏元件的認(rèn)識(shí)，是從 1938 年美國(guó) 研制成功浸涂式氯化鋰濕敏元件才開始的。 為了確 保實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)過程中得到很好的質(zhì)量保證，為了確保實(shí)驗(yàn)室的元器件能夠很好延續(xù)使用生命周期，濕度測(cè)量的提出已經(jīng)引起了工作者的注意。在實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控中，濕度測(cè)量的出現(xiàn)使得元器件的保養(yǎng)達(dá)到更好、使用周期更長(zhǎng)、性能保持更好。 現(xiàn)在技術(shù)中，對(duì)濕度的測(cè)量有方法多種多樣，也較為容易實(shí)現(xiàn)。 課題研究的背景及意義 每個(gè)實(shí)環(huán)境 都有著自己的微小氣候，在其中濕度有著非常重要的影響力。實(shí)驗(yàn)室濕度高于 70%為高氣濕，人將感到不適；低于 30%為低氣濕，人感到口鼻干燥；最舒適的濕度為 40%～ 60%[1]。 基于 單片機(jī)的數(shù)字濕度傳感系統(tǒng) 2 綜上所 述，無論是從人體健康的角度還是從元器件使用的角度上看，對(duì)濕度測(cè)控的意義都是非常重大的。 濕度測(cè)控的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：傳統(tǒng)的分立式濕度測(cè)量；模擬集成濕度傳感器測(cè)量；智能濕度傳感器測(cè)量 [2]。 20 世紀(jì) 50年代以來，隨著傳統(tǒng)的電阻、電容濕度計(jì)的出現(xiàn)，濕度測(cè)量走向了一個(gè)新的臺(tái)階。其主要缺點(diǎn)是外圍電路比較復(fù)雜、測(cè)量精度比較低、分辨力不高，還有就是它們的體積比較大、使用起來不夠方便。到了 20 世紀(jì) 90年代，這種室內(nèi)濕度測(cè)控已經(jīng)很難再找到了 。用這種模擬集成濕度傳感器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)濕度測(cè)控，外圍電路是較為簡(jiǎn)單，所以這種測(cè)量方法最為廣泛應(yīng)用。 智能 濕度傳感器測(cè)量 智能濕度傳感器的未來測(cè)量發(fā)展的一個(gè)重要的方向，也是室內(nèi)濕度測(cè)控的必然發(fā)展，更是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的結(jié)晶。智能濕度測(cè)控器適配各種微控制器，構(gòu)成智能化濕敏控制系統(tǒng)；它們還可以脫離微控制器單獨(dú)工作，自行構(gòu)成一個(gè)溫控儀，既可以工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，亦可選擇單次轉(zhuǎn)換模式。 總之，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)、傳感器智能化技術(shù)、機(jī)械電子一體化技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的發(fā)展，室內(nèi)濕度測(cè)控已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家在保養(yǎng)電子元器件、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)濕度等國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的前沿性研究領(lǐng)域 。環(huán)境的濕度有人們的視野里出現(xiàn)，并其重要性逐漸提高，使?jié)穸鹊臏y(cè)控具有與環(huán)境溫度的測(cè)控有著相同的重要意義 。電路設(shè)計(jì)主要由 HS1101 數(shù)字濕度傳感器與 NE555 時(shí)基電路工作產(chǎn)生一個(gè)方波，將電壓頻率信號(hào)傳送到單片機(jī)，單片機(jī)通過接受方波信號(hào)將頻率轉(zhuǎn)為濕度，并通過數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)濕度。 基于 單片機(jī)的數(shù)字濕度傳感系統(tǒng) 4 第 2 章 系統(tǒng)硬件工作原理 傳感器工作原理 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。 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； a0――零位輸出； a1――傳感器線性靈敏度； a2,a3， ? ,an――待定常數(shù)。 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 Sn 來表示，即 基于 單片機(jī)的數(shù)字濕度傳感系統(tǒng) 5 () 式中： dy――輸出量的變化； dx――輸入量的變化。非線性傳感器的靈敏度為一變量。 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）和反行程（輸入量由大到?。┧幂敵鲚斎胩匦郧€往往不重合。遲滯（或稱回程誤差）正是用來描述傳感器在正反行程期間特性曲線不重合程度的。 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)特性來說明。實(shí)際中，輸入信號(hào)隨時(shí)間的變化形式多種多樣，無法統(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)研究傳感器基于 單片機(jī)的數(shù)字濕度傳感系統(tǒng) 6 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，用濕度來表示，也就是說，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： ρ ――被測(cè)空氣的絕對(duì)（ g/m3， mg/m3）； MV ――被測(cè)空氣中水汽的質(zhì)量（ g， mg）； V――被測(cè)空氣的體積（ m3）。 其中 ρ v――待測(cè)氣體的水汽分壓； ρ W――同一溫度下水蒸汽的飽和水汽壓 [4]?？梢詰?yīng)用于辦公室自動(dòng)化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，家? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ???? t dtxhtxthty 0 ???VMV??基于 單片機(jī)的數(shù)字濕度傳感系統(tǒng) 7 電，工業(yè)控制系統(tǒng)等。 圖 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 ： 圖 HS1101 濕度－電容響應(yīng)曲線 基于 單片機(jī)的數(shù)字濕度傳感系統(tǒng) 8 HS1101 的一些常用參數(shù)如表 ： 表 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)量電路工作原理 NE555 時(shí)基電路 NE555 是一個(gè)能產(chǎn)生精確定時(shí)脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá) 200mA.。其工作電壓范圍為： ≤ VCC≤ 16V。 圖 NE555 框圖 基于 單片機(jī)的數(shù)字濕度傳感系統(tǒng) 9 基于 555 振蕩 電路的濕度測(cè)量電路設(shè)計(jì) 如圖 為系統(tǒng)測(cè)濕電路圖。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 VCC 通過 R2 和 R3 對(duì) C1充電 ， 當(dāng) C1 兩端電壓達(dá)到 2 VCC /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 Th=(R2+R3)C1；放電時(shí)間為 T1 = *C3； 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]。由于單片機(jī)把各種功能部件集成在一塊芯片上，因此它的結(jié)構(gòu)緊湊、超小型化、可靠性高、價(jià)格低廉、易于開發(fā)應(yīng)用。 AT89C52 單片機(jī) 本課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的核心采用的是 89C52 單片機(jī)， 89C52 是 INTEL公司MCS51 系列單片機(jī)中基本的產(chǎn)品，它采用 ATMEL 公司可靠的 CMOS 工藝技術(shù)制造的高性能 8 位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51的 HCMOS 產(chǎn)品。89C52 內(nèi)置 8 位中央處理單元、 512 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM、 8k 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ ROM） 32 個(gè)雙向輸入 /輸出 (I/O)口、 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器和 5 個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。在空閑模式下凍結(jié) CPU 而 RAM 定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。 89C52 有 PDIP(40pin)和 PLCC(44pin)兩種封裝形式。 基于 單片機(jī)的數(shù)字濕度傳感系統(tǒng) 11 圖 89C52 的 PDIP 封裝 AT89C52 單片機(jī)功能介紹 （ 1）引腳功能 電源引腳 —— VCC 正常運(yùn)行和編程校驗(yàn)時(shí)為 5V電源， VSS 為接地端。 XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相器的輸出端，也是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。當(dāng) CPU訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE用來鎖存 P0 輸出的地址信號(hào)的低 8 位。在對(duì) 8751 編程時(shí)，此引腳輸入編程脈沖信號(hào)。 EA/VPP：訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的控制信號(hào)。此外，當(dāng)對(duì) 8751 內(nèi)部EPROM 編程時(shí)， 21V編程電源由此端輸入。當(dāng)該引腳上出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。 （ 2） AT89C52 單片機(jī)功能概述： AT89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存基于 單片機(jī)的數(shù)字濕度傳感系統(tǒng) 12 儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央