电子毕业论文-电容式湿度测量

2013 届本科毕业设计（论文）绪论温湿度是家庭生活，工农业生产和科学实验中的重要参数，温湿度控制系统广泛应用在工业生产、医药、农作物栽培和科学实验等许多领域，目前温湿度控制系统的种类较多，他们之间的主要区别在于温湿度控制对象、控制范围、控制精度不同；硬件和软件实现的复杂程度不同；附加功能不同等。一般情况下系统的温湿度控制对象和控制范围不能任意改变，利用系统的可编程性能，可以根据用户自定义的温湿度曲线进行温湿度控制，具有可靠性高、抗干扰能力强、有较高的性能、价格比和通用性。当前，在自动化测试与控制领域中，温湿度的测量获得了越来越广泛的应用，而在众多的湿度测量方法中，电容式湿度测量法被普遍采用，电容式湿度测量法的原理是将薄膜电容附在不同材质（如玻璃、陶瓷等）上即可做出传感元件，这种电介质是一个聚合体，它能通过一定比例的水吸收或释放到相对环境温度中来改变电容器的电容量，这种电容量的变化可以通过检测电路来检验，这样就得到了相对空气湿度的数值。但是现有的基于电容式湿度测量的湿度传感器普遍存在着以下的问题。1.极低的长期稳定性：由于电容式湿度传感器产品都是被置于大气环境下，必然会受到一定外部环境的影响，由于传感器电容元件的尺寸较大，同时由于聚合体层的老化，使得这些传感器在相同的外部环境下却显示出了完全不同的灵敏度，因此每一年的变化、即传感器的年变化误差已成为评价传感器质量的重要标准，金属电极的老化也会使湿度的测量误差增加； 2. 极复杂的校准过程：使用前，电容式湿度传感器必须经过一段复杂的校准处理过程，为了实现校准，用户必须拥有复杂且价格昂贵的校准及参考系统。 3. 模拟信号处理技术：电容式湿度测量的信号处理是基于模拟测量原理的，模拟测量还与电源电压、环境温度、传感器的精度等因素有关，以上问题的解决均需要通过模拟电子电路来解决，因此不可避免的使成本增加，同时使得传感器的互换性较差。 2013 届本科毕业设计（论文）第 1 章 元器件原理与应用介绍1.1 引言温湿度是工农业生产和科学实验中的重要参数，温湿度控制系统广泛应用在工业生产、医药、农作物栽培和科学实验等许多领域，目前温湿度控制系统的种类较多，他们之间的主要区别在于温湿度控制对象、控制范围、控制精度不同；硬件和软件实现的复杂程度不同；附加功能不同等。一般情况下系统的温湿度控制对象和控制范围不能任意改变，。利用系统的可编程性能，可以根据用户自定义的温湿度曲线进行温湿度控制，具有可靠性高、抗干扰能力强、有较高的性能、价格比和通用性。12 元器件简介在电路设计中，元器件的选择十分重要，它影响到我们设计产品的质量和应用性能。所以我们选择元器件是要从我们应用领域和应用原则去着手选择。1.2 .1 PIC16C73 单片机性能简介Microchip 公司生产的 PIC16C73 是一款基于 EPROM 的 8 位高性能微控制器。与其它价格相当的微控制器相比，它在执行速度和代码压缩方面都有很大的改进。由于随时可以买到需要的 OPT）产品，因而缩短了利用 PIC16C73 进行产品设计开发的周期。PIC16C73 微控制器所具有的优越性能主要归功于它的精简指令集和所采用的哈佛结构，它具有分离的程序储器空间（12 位宽指令）和数据存储器空间（8 位宽数据） 。同时可运用两级流水线指令进行取数和执行，除了跳转指令需要两个周期外，其余所有的指令都可在单周期内执行。PIC16C73 分离的程序和数据空间可使指令字优化为任意宽度，从而使指令具有单字长的特性，且允许指令码的数据位数多于 8 位，这样，就可达到 2：1 的代码压缩和 4：1 的速度。结构特点及工作原理PIC16xx 系列微控制器中的一种，它由高性能 RISC 结构的 CPU、存储器、I/O 接口和复位电路等组成。外部结构特点是 28 脚双列直插式大规模集成芯片。各引脚功能如下：OSC1/CLKIN：为晶体振荡器输入 /外部时钟源输入引脚。2013 届本科毕业设计（论文）OSC2/CLKOUT：晶体振荡器输出/外部时钟源输出引脚。在晶体振荡器方式下，接晶体或陶瓷振荡器；在 RC 振荡方式，输出 1/4fosc。MCLR/Vpp：芯片复位 /编程电压输入脚，复位时，低电平有效。RA0/AN0RA5/AN4/SS ：复用引脚， RA0RA5 为双向数据线；AN0 AN4为 A/D 输入输出通道；RA5 AN4/SS 还可作为同步串口使用。RB0RB7：B 口双向数据信号线，其引脚含有可控的弱上拉电阻。其中，RB4/INT 可作为外部中断输入端； RB4RB7 可产生变化中断；RB6 可作为串行编程的时钟端；RB7 可作为串行编程的数据端。RC0RC7 ：复用引脚，为 C 口双向数据信号线，C 口引脚均为多功能复用引脚。RC0/T1OS0/T1CK1 可选择 TMR1 振荡器输出或 TMR1 时钟输入；RC1/T1OS1/CCP2 可作为 TMR1 振荡器输入或捕捉器 2 输入/ 比较器输出/PWH2 输出；RC2/CCP1 可作为捕捉器 1 输入/比较器输出/PWH1 输出；RC3/SCK/SCL 可作为同步串行时钟输入 /SPI 的 I2C 方式输入；RC4/SDI/SDA 可作为 SPI 数据输入（SPI）或数据 I/O（I2C） ；RC6/SDO 可作为 SPI 数据输出（SPI ） ；RC6/TX/CK 可以作为异步发送或 SCI 同步时钟线；RC7/RX/DT 可以作为异步接收或 SCI 同步数据线。内部结构特：a.高性能 CPU 仅 35 条单字指令，采用的时钟频率为 20MHz，指令周期为 200ns；具有 8 级深度的硬件堆栈；具有中断能力，有 11 个中断源；带有片内 RC 振荡器的看门狗（ WDT） ；具有程序保密位，可防止非法拷贝；具有低功耗 SLEEP 方式，功率低，采用高速 CMOSEPROM 工艺制造；可选择不同的振荡器方式；工作电压为 3.0V6.0V 。b.分离的程序和数据空间该 PIC 器件带有 13 位程序存储器，最大寻址能力为 8k14 位，用户存储空间（0000 0FFFh）共 4k14 位。当访问大于以上地址范围的物理存储空间时，可采用滚动循环访问方式。数据存储区分为每个存储体 Bank0 和 Bank1，每个存储体又由通用寄2013 届本科毕业设计（论文）存器和专用寄存器构成。当状态寄存器中的 RP0 位为 0 时，选中Bank0；RP0 为 1 时选中 Bank1。每个存储体最大可以扩展到 7Eh（128 个字节） 。在每个存储体中，专用寄存器被安排在低空间，用 SRAM 实现的通用寄存器被安排在高地址空间。专用寄存器中含有 A/D 的寄存器。c.完善的串行通信接口（SCI）SCI 利用 RC6 和 RC7 两个引脚来作为通信线的二线制串行通信接口。它们可被定义为三种方式：全双工异步方式、半双工同步主控方式和半双工同步从动方式。SIC 部件含有两个 8 位的可读写状态和控制寄存器，分别为发送和控制寄存器 TXSTA、接收和控制寄存器 RCSTA。d.片内器件模块有 3 个定时 /计数器和 3 个双向 I/O 口。含有 16 位捕捉 /比较/PWM 模块。其中捕捉器的最大分辨率为 12.5ns；而比较器的最大分辨率为 200ns；PWM 的分辨率为 10 位。带有 5 路 A/D 转换器和 A/D 中断功能。基于 PIC16C73 的智能售电系统笔者在开发智能电表售电系统时，采用PIC16C73 单片机设计了一个 PIC 通信通道来作为遥控器和 PC 机间的数据通信通道。将红外遥控器插入通信通道即可与 PC 机进行数据交换。首先， PIC 通信通道取红外线遥控器中的用户识别码并送入 PC 机，由 PC 机的数据库管理模块完成用户的注册、注销和售电等工作；然后，再由 PIC 通信通道将 PC 机的 RS232C 串行通信接口输出的用户识别码及所售电量送入红外线遥控制中，最后再由红外线遥控器将售电量送入智能电表。该智能电表售电系统的功能结构框图如图 3 所示。PIC 通信通道的硬件系统设计该智能电表售电系统的 PIC 通信通道的硬件电路结构。PC 机与 PIC 通信通道采用异步串行通信方式，但由于 PC 机的 RS-232C串行通信接口传输的信号为 CMOS 电平，而 PIC16C73 的串行通信接口传输的信号为 TTL 电平，因而通信通道采用 MAX-232 芯片来完成信号电平的自动转换；而 PIC 通信通道与红外线遥控器则采用并行通信方式进行信息传输，此时，PIC16C73 单片机使用 RB 口作为并行 I/O 口。为了能让用户认可售电信息，笔者专门设计了由 MC14499 芯片来完成 7 段显示器的硬件驱动显示电路。PIC 通信通道的软件设计为确保 PIC 单片机与 PC 机之间以及 PIC 单片机与红外线遥控器之间能够准确的进行信息通信，双方制定了一个合理的、可行的通信协议。a.PIC16C73 与 PC 机之间的通信协议 PIC16C73 通信波特率为 9600bps；通信采用查询方式，差错控制采用奇偶校验法；数据的帻格式为 1 位起止位、82013 届本科毕业设计（论文）位数据位、1 位奇偶位、1 位停止位；双方设置的握手信号如下： “FFH”：为 PC机请求接收信号； “01H”：为 PC 机接收信号完毕；b.PIC16C73 与红外线遥控器的通信协议 PIC16C73 与红外遥控器设置的握手信号为： “00H”为红外线遥控器发送数据准备就绪；单片机接收数据准备就绪； “FFH”为单片机发送数据准备就绪；红外线遥控器接收数据准备就绪； “$”为数据传送结束标志。4 结束语 Microchip 公司的 PIC 系列单片机具有实用、低价、易学、省电、高速和体积小等特点。该系列单片机不是单纯的功能堆积，而是以多型号来满足不同层次的需要，并可提供低价的 OTP 芯片。另外，该系列单片机还具有低功耗睡眠功能、掉电复位锁定、上电复位电路、看门狗电路等功能，而且外围器件少、占用空间小；成本低，保密技术也十分可靠，可最大限度地保护开发者的利益。因此，在工业控制、仪器仪表、计算机、家电等诸多领域具有极其广阔的发展前景。1.2.2 DS1820 的特性1 DS1820单线接口：仅需一根口线与 MCU 连接 无需外围元件 由总线提供电源 测温范围为-5575，精度为 0.5 九位温度读数 A/D 变换时间为 200ms 用户自设定温度报警上下限，其值是非易失性的 报警搜索命令可识别哪片 DS1820 超温度限 2 DS1820 引脚及功能 GND：地； DQ：数据输入输出脚（单线接口，可作寄生供电）； VDD：电源电压3） DS1820 的工作原理 64bit 闪速 ROM；温度传感器；非易失性温度报警触发器 TH 和 TL。64bit 闪速 ROM 的结构如表 1.1 所示：表 1.1 闪速 ROM 的结构8bit 检验 CRC 48bit 序列号 8bit 工厂代号（10H）2013 届本科毕业设计（论文）USB LSB USB LSB USB LSB它既可寄生供电也可由外部电源供电。在寄生供电情况下，当总线为高电平时，DS1820 从总线上获得能量并储存在内部电容上 当总线为低电平时，由电容向 DS1820 供电。DS1820 的测温原理：内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为-55时的值，如果计数器到达0 之前，门电路未关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于-55。同时，计数器复位在当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。温度表示值为 9bit，高位为符号位，其结构如下：MSB LSB1 1 1 0 0 1 1 1 0符号位 次数代表-25对 DS1820 的使用，多采用单片机实现数据采集。处理时，将 DS1820 信号线与单片机一位口线相连，单片机可挂接多片 DS1820，从而实现多点温度检测系统。系统对 DS1820 的操作以 ROM 命令和存储器命令形式出现。 1.3 DS1820 命令简介DS1820 在本设计中的应用非常重要，要想很好的应用 DS1820 必须对它的各个代码指令有所了解。1.3.1ROM 命令代码及其含义 READROM 命令代码33H：如果只有一片 DS1820，可用此命令读出其序列号，若在线 DS1820 多于一个，将发生冲突。 MATCHROM 命令代码55H：多个 DS1820 在线时，可用此命令匹配一个给定序列号的 DS1820，此后的命令就针对该 DS1820。 SKIPROM 命令代码CCH：此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820。 SEARCHRDH 命令代码F0H：用以读出在线的 DS1820 的序列号。 ALARMSEARCH 命令代码ECH：当温度值高于 TH 或低于 TL 中的数值时，2013 届本科毕业设计（论文）此命令可以读出报警的 DS1820。1.3.2 存储器操作命令代码及其含义 WRITESCRATCHPAD 命令代码4EH：写两个字节的数据到温度寄存器。READSCRATCHPAD 命令代码BEH：读取温度寄存器的温度值。 COPYSCRATCHPAD 命令代码48H：将温度寄存器的数值拷贝到 EERAM 中，保证温度值不丢失。 CONVERT 命令代码44H：启动在线 DS1280 做温度 A/D 转换。 RECALL EE 命令代码B8H：将 EERAM 中的数值拷贝到温度寄存器中。 READPOWERSUPPLY 命令代码B4H：在本命令送到 DS1280 之后的每一个读数据间隙，指出电源模式：“0”为寄生电源；“1”为外部电源。DS1820 单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对DS1820 的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化 DS1820（发复位脉冲）发 ROM 功能命令发存储器操作命令处理数据。1.4 原理及程序流程图原理图很流程图在设计中可以帮助我们对电路的了解和分析有帮助，它能清楚直观的将电路表示出来。1.4.1 温度检测系统原理及程序流程图 温度检测系统原理图如图 1-1 所示，采用寄生电源供电方式。为保证在有效的 DS1820 时钟周期内，提供足够的电流，我们用一个 MOSFET 管和 89C51 的一个I/O 口（P1.0）来完成对 DS1820 总线的上拉。当 DS1820 处于写存储器操作和温度 A/D 变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为 10s。采用寄生电源供电方式时 VDD 必须接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的，为了操作方便我们用 89C51 的 P1.1 口作发送口 Tx,P1.2 口作接收口 Rx。通过试验我们发现此种方法可挂接 DS1820 数十片，距离可达到米，而用一个口时仅能挂接 10 片 DS1820，距离仅为 20 米。同时由于读写在操作上是分开的故不存在信号竞争问题。2013 届本科毕业设计（论文）图 1-1 采用寄生电源供电的 DS1820 温度检测系统DS1820 测量温度时使用特有的温度测量技术。DS1820 内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号 f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。当计数门打开时，DS1820 对 f0 计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为 9 位（符号点 1 位），但因符号位扩展成高8 位，故以 16 位被码形式读出，表 1.2 给出了温度和数字量的关系。表 1.2 DS1820 温度数字对应关系表温度 输出的二进制码 对应的十六进制码+125 0000000011111010 00FAH+25 0000000000110010 0032H+1/2 0000000000000001 0001H0 0000000000000000 0000H-1/2 1111111111111111 FFFFH-25 1111111111001110 FFCEH-55 1111111110010010 FF92H1.4.2 64 位激光 ROM64 位 ROM 的结构如下：2013 届本科毕业设计（论文）8bit 检验 CRC 48bit 序列号 8bit 工厂代号（10H）USB LSB USB LSB USB LSB开始 8 位是产品类型的编号（DS1820 为 10H），接着是每个器件的唯一的序号，共有 48 位，最后 8 位是前 56 位的 CRC 校验码，这也是多个 DS1820 可以采用一线进行通信的原因。主机操作 ROM 的命令有五种，如表 1.3 所列。表 1.3 DS180 的 ROM 命令指 令 说 明读 ROM（33H ）读 DS1820 的序列号匹配 ROM（55H ）继读完 64 位序列号的一个命令，用于多个DS1820 时定位跳过 ROM（CCH）此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有 DS1820搜 ROM（F0H）识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备报警搜索（ECH）仅温度越限的器件对此命令作出响应1.4.3 高速暂存器它由便笺式 RAM 和非易失性电擦写 EERAM 组成，后者用于存储 TH、TL 值。数据选写入 RAM，经校验后再传给 EERAM。便笺式 EAM 点 9 个字节，包括温度信息（第 1、2 字节）、TH 和 TL 值（3、4 字节）、计数寄存器（7、8 字节）、CRC（第 9 字节）等，第 5、6 字节不用。暂存器的命令共 6 条，见表 1.4 所列。2013 届本科毕业设计（论文）表 1.4 DS1820 贮控制命令指 令 说 明温度转换（44H） 启动在线 DS1820 做温度 A/D 转换读数据（BEH） 从高速暂存器读 9bits 温度值和 CRC 值写数据（4EH） 将数据写入高速暂存器的第 2 和第 3 字节中复制（48H）将高速暂存器中第 2 和第 3 字节复制到EERAM读 EERAM（B8H）将 EERAM 内容写入高速暂存器中第 2 和第3 字节读电源供电方式（B4H ） 了解 DS1820 的供电方式在正常测温情况下，DS1820 的测温分辨力为 0.5，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用 DS1820 提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分 Tz，然后现用 BEH 指令取计数器 1 的计数剩余值 Cs和每度计数值 CD。考虑到 DS1820 测量温度的整数部分以 0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度 Ts 可用下式计算：Ts=（Tz-0.25）+(CD-Cs)/CD1.4.4 告警信号DS1820 完成温度转换后，就把测得的温度值与 TH、TL 作比较。若 TTH 或TTL，则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只 DS1820 同时测量温度并进行告警搜索。一旦某测温点越限，主机利用告警搜索命令即可识别正在告警的器件，并读出其序号，而不必考虑非告警器件。1.4.5 CRC 的产生在 64 位 ROM 的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM 的前 56 位来计算 CRC 值，并和存入 DS1820 中的 CRC 值作比较，以判断主机收到的 ROM 数据是否正确。CRC 的函数表达式为：CRC=X8+X5+X3+1。此外，2013 届本科毕业设计（论文）DS1820 尚需依上式为暂存器中的数据来产生一个 8 位 CRC 送给主机，以确保暂存器数据传送无误。1.5 多路温度测控仪的电路设计用单片机控制的多路测度测控仪的电路。现用 6 只 DS1820 同时测控 6 路温度（视实际需要还可任意扩展通道数）。采用 89C51 单片机，其 P1.1 口接单线总线。DS1820 采用寄生电源供电方式。为保证在有效的 DS1820 时钟周期内能提供足够的电流，图 4 中采用一个 MOSFET 管和 89C51 的 H.0 口来完成对 DS1820 的总线上拉。P1.2P1.7 口用来输出温度测控信号，经驱动器 MC1413 后分别驱动6 只固态继电器，通过改变加热或致冷系统的工作状态，可实现对被监测系统的实时控制。为提高系统的可靠性，该系统设计了由硬件与软件组成的“看门狗”。硬件看门狗由 MAX813L 及其外围电路组成，同时还具有电源监控和复位功能。P1.1 定时输出喂狗，按键 S1 为手动复位。键盘扫描和动态扫描的显示共用一片可编程接口芯征 8279，显示采用 8 位共阴极 LED 数码管，它可用来显示通道数、温度测量值以及 TH、TL 的值。无论是单点还是多点温度检测，在系统安装及工作之前，应将主机逐个与DS1820 挂接，读出其序列号。其工作过程为：主机 Tx 发一个脉冲，待“”电平大于 480s 后，复位 DS1820，待 DS1820 所发响应脉冲由主机 Rx 接收后，主机 Tx 再发读 ROM 命令代码 33H（低位在前），然后发一个脉冲（15s） 并接着读取 DS1820 序列号的一位。用同样方法读取序列号的 56 位。对于图系统的DS1820 操作的总体流程图。它分三步完成：系统通过反复操作，搜索 DS1820序列号；启动所有在线 DS1820 做温度 A/D 变换；逐个读出在线 DS1820 变换后的温度数据。主机启动温度变换并读取温度值的详细流程图.；主机写入存储器数据详细流程图。当有更多的检测点需要测温时，可利用 89C51 的其它口进行扩展。同时，也可利用 89C51 的串行通信口（RXD，TXD）与上位计算机进行通信，从而构成微机温度测量系统网需要注意的是，在系统安装及工作之前应将主机逐个与 DS1820 挂接，以读出其序列号。其工作过程为：主机发出一个脉冲，待“0”电平大于 480s 后，复位 DA1820，在 DS1820 所发响应脉冲由主机接收后，主机再发读 ROM 命令代码 33H，然后发一个脉冲（15s），并接着读取 DS1820序列号的一位。用同样方法读取序列号的 56 位。另外，由于 DS1820 单线通信功能是分时完成的，遵循严格的时隙概念，因此，系统对 DS1820 和各种操作必须按协议进行，即：初始化 DS1820（发复位脉冲）发 ROM 功能命令发存储器操作命令处理数据。2013 届本科毕业设计（论文）2013 届本科毕业设计（论文）第 2 章 硬件设计21 系统简介该装置可实现的功能如下：在 050和 20%98%RH 间任意设定温湿度控制点；可以对环境温湿度的控制可满足指标可实时监测环境温湿度的变化情况，并记录、存储相关数据；温湿度的控制精度分别为：温度（050）+0.5；湿度（20%98%RH）+2%3%RH。该装置的扩展功能具有多点定时控制电路；设有语音提示功能，可方便地实现仪器操作和工作管理提示；配有通信接口，可方便地与计算机进行通信； 22 硬件设计该装置的硬件框图如图 2-1 所示。他主要由单片机 PIC16C73 及外部电路构成。PIC16C73 是由美国 M i c r o h i p 公司生产的 8 位单片微机，采用 h a r v a r d 结构，这种结构可使指令执行和取指操作重叠进行，因而具有很高的执行速度。他只有 35 条单字节指令，除了跳转指令是 2 周期指令外，其他指令都是单周期指令。这些特点使它较之于别的 8 位单片机节省了 1/2 的程序空间，并且有 4：1的速度优势。PIC16C73 在芯片内集成了一个 8 位算术逻辑单元和工作寄存器、4K 程序存储器、192 个数据寄存器、22 个 I/O 口、3 个定时/计数器及 2 个扑捉/比较/PWM 模块和 2 个串行口。其中 A/D 转换器具有 5 路模拟量输入端，同时还具有时钟、复位、看门狗定时等。这五路模拟量输入通道共同复用一个采样/保持和 A/D 转换器。PIC16C73 外接温湿度采样电路及电器驱动电路，因而可实现对温度的控制。该系统硬件主要包括本机地址设定电路、采样电路、键盘显示电路、看门狗电路、电器驱动电路、时间设置及定时驱动电路、RS232 通信等电路。2013 届本科毕业设计（论文）图 2-1 电路图2.3 电路设计设计出合理而用的电路是我们设计的目的，为我们以后学习电路和应用电路十分常重要的。电路的设计要使用很简单，避免元器件的浪费而增加成本。231 温度检测电路温度检测电路温度检测电路选用公司生产的一线式数字温度传感器作为温度检测器件，该器件只有个引脚（即电源、地线、数据线），且不需要外部元件，而是共用一条数据线进行通信，使用一根线通信时，的电源电压是以寄生方式供电的，因此，只需将其和端接地即可。该电路的检测温度范围为；精度为；用数字量来表示温度；每次将温度转换成数字量需。笔者采用三块来实现对实验室环境温度的检测，之所以2013 届本科毕业设计（论文）用三块，是为了更好地保持温度的恒定。使用时可分别将这三块放置在房间的不同位置。获得温度信息时，先由的脚发送一个的复位脉冲，以使复位后将向发送一个回应脉冲，接到回应脉冲后将发送读序列号的读命令，以分别读取三个的序列号（每一块有唯一的序列号）；然后，再发出定位命令以选择在线的并进行温度转换。此时的脚应输出一个保持以上的高电平信号来使导通，从而提供在总线供电下进行温度转换时所需的电流。当温度转换完成后，的脚会发送的存储命令，从而完成温度信息数据的转换和读取。DS1820 虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： (1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 DS1820 与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对 DS1820 进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用 PL/M、C 等高级语言进行系统程序设计时，对 DS1820 操作部分最好采用汇编语言实现。 (2)在 DS1820 的有关资料中均未提及单总线上所挂 DS1820 数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个 DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820 超过 8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。 (3)连接 DS1820 的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过 50m 时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用 DS1820 进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 2.3.2 湿度检测电路1. SHT15 传感器的特点如下： 全校准数字输出，相对湿度、温度传感器； 温度值分辨率为 14 位，湿度值分辨率为 12 位，可编程降至 12 位和 8 位； 具有露点计算输出功能； 无需外围元件； 小体积（753mm），可表面贴装； 2013 届本科毕业设计（论文）卓越的长期稳定性； 自动断电功能； 工业标准 I2C 总线接口； 可靠的 CRC 传输校验。2. 传感器信号输出 湿度值输出 HT15 的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，可按如下公式修正湿度值： RHlinear=c1c2SORHc3SORH2 (1) 式中 SORH 为传感器相对湿度测量值，系数取值如下： 12 位 SORH ： c1=-4 c2=0.0405 c3=-2.8*10-6 8 位 SORH ： c1=-4 c2=0.648 c3=-7.2*10-4 温度值输出 由设计决定的 SHT15 温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值： 温度=d1d2*SOT 当电源电压为 5V、温度传感器的分辨率为 14 位时，d1=-40,d2=0.01 ，当温度传感器的分辨率为 12 位时， d1=-40,d2=0.04。 露点计算 空气的露点值可根据相对湿度和温度值由下面的公式计算。 LogEW=（0.660777.5*T/（237.3T ）（log10（RH）2） Dp=（0.66077-logEW）*237.3）/（logEW 8.16077） 2.3.3 命令与接口时序 SHT15 传感器共有 5 条用户命令，具体命令格式见表 2.1。2013 届本科毕业设计（论文）表 2.1SHT15 传感器命令列表 命令 编码 说明测量温度 00011 温度测量测量湿度 00101 湿度测量读寄存器 00111 “读”状态寄存器状态写寄存器 00110 “写”状态寄存器状态软启动 11110 重启芯片，清除状态记录器的记录 11m 秒后进入自动状态下面介绍一下具体的命令顺序及命令时序。 传输开始 初始化传输时，应发出“传输开始”命令，命令包括 SCK 为高时，DATA 由高电平变为低电平，并在下一个 SCK 为高时将 DATA 升高。 后一个命令顺序包含三个地址位（目前只支持“000”）和 5 个命令位，通过 DATA脚的 ack 位处于低电位表示 SHT15 正确收到命令。 连接复位顺序 如果与 SHT15 传感器的通讯中断，下列信号顺序会使串口复位： 当使 DATA 线处于高电平时，触发 SCK 9 次以上（含 9 次），并随后发一个前述的“传输开始” 命令。 温湿度测量时序 当发出了温（湿）度测量命令后，控制器就要等到测量完成。使用 8/12/14 位的分辨率测量分别需要大约 11/55/210 毫秒。为表明测量完成，SHT15 会使数据线为低，此时控制器必须重新启动 SCK。然后传送两字节测量数据与 1 字节 CRC校验和。控制器必须通过使 DATA 为低来确认每一字节，所有的量中从右算MSB 列于第一位。通讯在确认 CRC 数据位后停止。如果没有用 CRC-8 校验和，则控制器就会在测量数据 LSB 后，保持 ack 为高来停止通讯， SHT15 在测量和通讯完成之后会自动返回睡眠模式。需要注意的是，为使 SHT15 温升低于 0.1。2013 届本科毕业设计（论文）第三章 应用设计 3.1 硬件接口电路设计 这里以 AT89C2051 单片机为例给出 SHT15 与单片机的接口电路。由于 AT89C2051 不具备 I2C 总线接口，故使用单片机通用 I/O 口线来虚拟I2C 总线，利用 P1.0 来虚拟数据线 DATA，利用 P1.1 口线来虚拟时钟线，并在DATA 端接入一只 4.7K 的上拉电阻，同时在 VDD 及 GND 端接入一只 0.1f 的去耦电容。 3.2 非线性校正及温度补偿 公式(1)给出的相对湿度的非线性补偿计算公式，对于单片机系统而言，由于计算量大而过于复杂，下面给出简化的计算方法。 为了避免复杂的计算工作量，可根据系统要求的测量精度分别采用以下的小计算量修正算法。 线性 当系统对湿度测量精度要求不高时，可采用以下的线性计算公式。 RHsimple=c1c2SORH 这里 c1=0.5； c2=0.5 2*线性 当系统对湿度测量精度要求较高时，可采用以下的 2*线性计算公式，即用最小的计算复杂性来提高精确度。 RHreal=（a*SOb ）/256 这里的 SO 表示 8 位湿度传感器输出湿度值，当 0SO107 时，a=143 ，b=512 ，当 108SO255 时，a=143 ，b=512。 温度补偿 上述湿度计算公式是按环境温度为 25进行计算的，而实际的测量温度值则在一定的范围内变化，所以应考虑湿度传感器的温度系数，按如下公式对环境温度进行补偿。 RH true=（T-25）（t1 t2SORH）RHlinear 2013 届本科毕业设计（论文）当 SORH 为 12 位时 t1=0.01；t2=0.00008 ，当 SORH 为 8 位时，t1=0.01；t2=0.00128。 3.3 高级应用 SHT15 一些高级功能可通过控制内部寄存器状态获得，内部状态寄存器为 8 位。表 3.1 SHT15 状态寄存器的类型及含义7 类型说明保留缺省065读 工作极限 (低电压检查 )保留X04 保留 03 只用于试验，不可使用02 读 /写 加热 0 关10读 /写读 /写003.3.1 加热控制 使传感器芯片中的加热开关接通，传感器温度大约增加 5，这会使能耗增加至8mA5v，加热用途如下： 通过对启动加热器前后的温、湿度进行比较，可以正确地区别传感器的功能； 在相对湿度较高的环境下，传感器可通过加热来避免冷凝。 3.3.2 低电压检测 SHT15 的工作极限功能可以检测 VDD 电压是否低于 2.45V，准确度为0.1V。 3.3.3 下载校准系数 为了节省能量并提高速度，OTP 在每次测量前都要重新下载校准系数，每一次测2013 届本科毕业设计（论文）量都会节省 8.2 毫秒。 3.3.4 测量分辨率设定 可以将测量分辨率由 14 位（温度）、 12 位（湿度）分别减少到 12 位和 8 位。主要应用于高速或低功耗场合。 也可自制温度传感器，它的核心是温度传感器 HPR，其具体做法是：取一块15mm*20mm 的单面环氧树脂铜箔板，表面最好能经渡金处理，以防止湿度膜与电极之间的化学反应。然后在指叉状电极上刷一层市售化学胶水，待干后再刷上第二层胶水，这样反复刷 3，4 次胶水。一块自制高分子湿敏传感器就制成了。它的直流电阻随电极的形状、湿敏薄膜的厚度以及环境的相对湿度而变化，约在数百欧倒数兆之间。传感器的直流电阻大小是随相对湿度的增加按对数规律而减小的。3.3.5 定时及控制电器驱动电路定时功能主要用于主人下班前提前启动空调 加湿器等设备，使房间内温盘度提前达到预设定要求。定时的实现由单片机来完成，时钟频率选用32.768kHz，该频率可使单片机工作在最小功耗状态以及简化分频、定时程序的编写。电器驱动电路控制的设备可以包括空调机、加湿机、吸湿机、通风机等，分别采用过零型固态继电器来控制其工作。利用 PICl6C73 的 RA3 口作控制口继电器采用交流固态继电器 H220Dl5，其内部采用光电隔离方式可有效地避免电磁干扰，当单片机检测到温湿度信号超过设定值时，从 RA3 口发出控制信号，由光耦产生大于 5mA 的触发电流使固态继电器启动相应的电器得电工作，从而实现对相应设备的控制。设计时应注意各个电器不要同时启动以免冲击电网，这部分工作由软件延时完成。3.3.6 语音电路台湾 Windand 公司生产的语音处理芯片 W5l3000，除了支持按键直接控制话筒和喇叭的随录随放功能和快速搜索放音模式外，还具有完善的 CPU 微处理器控制模式，用单片机能控制它的所有功能。主要提供的晤音信息为加湿器、吸湿器水箱的水满和缺水报警。语音的录制等操作由键盘和 PICl6C73 完成。3.3.7 键盘和显示2013 届本科毕业设计（论文）键盘没有 16 个按键：0-9 为 10 个数字键：A 为设定功能选择键，B 为设定完成确定键，C 显示选择键，DF 键是完成语音处理、通信等功能。对温湿度的显示采用 4 位 LED 动态分时完成。第四章 软件设计软件用汇编语言编程，采用模块化设计方法。主要包括王程序、中断服务程序、温湿度检测程序、语音处理程序、定时驱动程序、显示子程序等。4.1 主程序设计该系统软件可采用模块化设计方法，用汇编语言来实现。包括主程序、中断服务程序、温湿度检测程序、语音处理程序、定时驱动程序、显示子程序等。主程序以循环方式工作，主要完成中断初始化、键盘扫描、温湿度检测、语音处理及显示子程序的循环调用等功能。 主程序设计主程序是控制和管理的核心，主要完成在系统上电后进行定时器和中断处理操作的初始化。初始化主要完成对温湿度的设定和检查除定时器外的所有中断禁止，同时断开各电器的电源。初始化完成后，系统将开始正常运行，并进行温湿度检测、键盘扫描及定时处理等操作，其软件流程如图 4-1 所示。2013 届本科毕业设计（论文）图 4-1 流程图4.2 温湿度处理子程序 温度传感器选用了 DSl820 后，软件的编写相对简单，DSl820 输入单片机的信号为 9 位数字信号，不需要进行转换。这里应注意的是软件控制单片机向 DSl820 发送的复位脉冲一定要大于 1ms。否则软件将无法正常运行。主要由于 DS1822013 届本科毕业设计（论文）0 的写时间的关系，在用软件进行写 0 后再写 l 之前必须有 800s的低脉冲，写1 后再写 l 也是如此，否则将出现数据写错误。PICl6C73 内含 AD 转换器，参考电压由软件设置为器件的正电源电压，由 RA0引脚接入的模拟电压经 A/D 转换成数字信号。AD 模块有 3 个寄存器：AD转换结果寄存器(ADRES)，AD 控制寄存器 0(ADCONO)和 AD 控制寄存器 1(ADCONl)。A/D 控制寄存器 0：控制 AD 模块的工作，寄存器的上电复位值是 00H，未用位执行读操作时为 0，不能执行写操作，其它位均可读写。A/D 控制寄存器 l：只用了 02 位，这 3 位是 A D 转换口配置位，这些位将模拟口配置成不同的工作方式，包括模拟量输入输出、数字量输入输出以及参考电压。以 RAO 通道为例，可写出 AD 转换程序如下。BSF STATUS，RPO ；选择页面 lCLRF ADCONl ；配置 AD 输入BSF PIEl，ADIE ；使能 AD 中断BCF STATUS，RP0 ；选择页面 OMOVLW OXCl ；时钟、AD 接通MOVWF ADCONO ; BCF PIRl，ADIF： ；清除 AD 中断标志BCF INTCON，PEIE ；使能外围功能BCF INTCON，GIE ；使能所有中断2013 届本科毕业设计（论文）结束语随 着 现 代 家 庭 生 活 水 平 的 不 断 提 高 要 使 居 室 主 人 感 觉 舒 适 ， 需 要 对房 间 内 的 温 度 、 湿 度 等 进 行 检 测 ， 进 而 进 行 自 动 控 制 ， 以 提 高 居 室 内 环 境的 舒 适 度 。传感技术和自动化控制技术的不断进步，促使各行各业都在发生着日新月异的变化。伴随着网络技术的发展，可实现远程控制。电子产品在家庭中的地位越来越重要，本产品的设计是为了使人们家庭生活跟舒适，满足人们对现代生活水平的要求。相信不久的将来电子厂品将趋于更人性的智能化，智能化的电子产品也将被更多人热爱和使用。本课题是为了提高人们生活水平而设计，本设计注重理论分析，和设计的可行性。注重元器件的功能和使用。但因水品和条件问题，并未作出产品是设计的一大缺憾。本设计在语音设计和存储设计并不完全，留待以后扩展。2013 届本科毕业设计（论文）致谢我首先感谢感谢我的指导老师，她在这次毕业设计中给了我很多帮助。感谢同学们在这三年里给我的帮助。感谢河南机电高等专科学校给了我上大学的机会，圆了我上大学的梦。感谢学校的各位老师他们这在这四年了教会了我许多专业知识，使我有能力进入社会去实践，用知识武装自己，使自己更充实。感谢我的父母是他们辛辛苦苦把我养大供我上学，让我成为一名大学生。这份恩情我将永记在心，毕业后，我将以自己的实际行动来回报老师和领导给予我的关心和帮助，回报父母多年的养育之恩，回报社会为我提供的这一切。 2013 届本科毕业设计（论文）参考文献1 无线电编辑部.无线电制作精汇 .人民邮电出版社 2 袁宇正.电子爱好者实用电子制作 .人民邮电出版社 3 王喜中，于才渊，周才君编著.喷雾干燥。化学工业出版社 4 电子爱好者报编辑部. 电子爱好者报 .电子爱好者报社5 宋佳友集成电子线路设计手册福建：福建科技出版社，20026 金伟正 单线数字温度传感器的原理与应用.7 胡振宇，刘鲁源，杜振辉 DS18B20 接口的 C 语言程序设计单片机与嵌入式系统应用8 /productindex_IAQ.htm9 /165v/div/2005-1-20/393-1.htm 10 /disp_art/1240010/ 2969.html 2013 届本科毕业设计（论文）附录在 DS1820 测温程序设计中，向 DS1820 发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820 的返回信号，一旦某个 DS1820 接触不好或断线，当程序读该 DS1820 时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行 DS1820 硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。测温电缆线建议采用屏蔽 4 芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接 VCC 和地线，屏蔽层在源端单点接地。+5V 和信号线之间有一个 4.7K 的上拉电阻，硬件就这么简单。软件如下：;这是关于 DS18B20 的读写程序,数据脚 P2.2,晶振 12MHZ;温度传感器 18B20 汇编程序,采用器件默认的 12 位转化,最大转化时间 750 微秒;可以将检测到的温度直接显示到 AT89C51 开发实验板的两个数码管上;显示温度 00 到 99 度。;单片机内存分配申明!TEMPER_L EQU 29H;用于保存读出温度的低 8 位TEMPER_H EQU 2