通信机房温湿度检测及控制

1、长春工业大学学士学位论文1目 录第一章第一章 概述概述 .3 31.11.1、课题来源及意义、课题来源及意义 .3 31.21.2、国内外机房温湿度控制的发展现状、国内外机房温湿度控制的发展现状 .3 31.31.3、机房环境要求、机房环境要求 .5 51.41.4、论文的主要研究内容、论文的主要研究内容 .5 5第二章第二章 系统方案论证系统方案论证 .8 82.12.1、中央控制单元的确定、中央控制单元的确定 .8 82.1.1、单片机方案 .82.1.2、DSP 方案.92.22.2、温湿度传感器的选择、温湿度传感器的选择 .9 9第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计 .13133.1

2、3.1、系统的工作过程、系统的工作过程 .13133.23.2、单片机最小系统、单片机最小系统 .13133.33.3、温度传感器、温度传感器 .18183.43.4、湿度传感器、湿度传感器 .19193.53.5、A/DA/D 转换转换.21213.63.6、显示、键盘接口电路、显示、键盘接口电路 .23233.73.7、串行通讯接口电路、串行通讯接口电路 .26263.83.8 控制执行电路的设计控制执行电路的设计.2828第四章第四章 PIDPID 控制算法控制算法.31314.14.1、PIDPID 控制算法控制算法.31314.24.2、PIDPID 参数的整定参数的整定.3232第

3、五章第五章 软件设计软件设计 .36365.15.1、主程序流程图、主程序流程图 .3636长春工业大学学士学位论文25.35.3、湿度转换子程序图、湿度转换子程序图 .38385.45.4、PIDPID 算法流程图算法流程图.3939结结 束束 语语 .4040致致 谢谢 .4141参考文献参考文献 .4242附录二：程序附录二：程序 .4545长春工业大学学士学位论文3第一章第一章 概述概述1.11.1、课题来源及意义、课题来源及意义现代社会，在生产过程和科学实验中,温度、湿度、电流、电压、流量、流速等都是普遍而且重要的物理参数。其中温湿度的准确测量和有效控制是保证生产过程优质，高产，低耗

4、和安全生产的重要条件。由于电子技术、通信技术的高度发展及电子设备的普及，使得通信机房大量增加。而许多现代化的通信设备对环境、温湿度等都有特殊要求，并且通信设备都是24 小时不间断运行，从而不可能腾出如此多的人力物力来对通信设备进行看护，造成很多电气设备无人值守。这就需要在其上级局进行集中控制。本文是关于环境监测系统，是为适应对温湿度有特殊要求的通信设备而进行的设计。本设计的作用主要是改善通信机房的温湿度，防止因温湿度的变化而造成通信设备的故障，使通信设备保持在良好的运行状态，达到生产的不间断和安全运行。本文结合生产实际和科研工作，运用 PID 算法和单片机对温湿度进行控制，以求达到较好的控制效

5、果。1.21.2、国内外机房温湿度控制的发展现状、国内外机房温湿度控制的发展现状近年来，温湿度检测系统又有了很大改善和提高，系统在布线上采用了矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路；在传感器方面采用了半导体，热电偶等器件；在数据传输上采用了串行传输方式，从而节省了传输线，采用单板机进行数据处理，提高数据传输与检测速度 ，通过软硬件技术的结合，检测精度与可靠性较前期又有了很大提高。但温度传感器的线性度差，测量精度仍不理想。与国内相比，以美国日本等科技发达国家在温湿度监控技术已经发展到了成熟的地步，高科技数字式温度产感器广泛应用于机房温湿度监测系统。该传感器采用了半导体集成电路誉为控制器的最新技

6、术，在一个管芯上集成了半导体温度测量芯片，数据信号转换芯片，计算机接口芯片，存储器芯片等多个功能模块。除了完成温湿度检测功能外，一些数字温度传感器还可以同时完成预知温湿度范围报警，多路 A/D 转换，温度补偿等功能。由于数字温湿度传感器直接输出数字量从而解决了温湿度信号的长距离传输问题及传输过程中因干扰和衰减导致的精度降低问题。由 Analog Device 公司生产的 AD7418 数字式温度传感器，集成了 A/D 转换器，参考电源，采样保持器，多路开关及温度监控报警电路。温度敏感器件采用带隙式长春工业大学学士学位论文4半导体温度传感器（Bandgap Temperature Sensor）

7、,具有较好的稳定性和精度。该器件可以在片内将温度传感器的模拟量通过 A/D 转换器转换成数字量。片内具有可预置的温度报警寄存器，可以通过外部程序控制来设定报警的上限温度和下限温度，当传感器温度超出该温度范围时，OTI 引脚输出报警信号通知控制系统或直接用于控制。National Semiconducor 公司生产的 LM74 数字式温度传感器，集成了带隙式温度传感器，Delta-Sigma 型数模转换器，并具有 SPI/Microwrite 兼容总线接口。在传感器通电工作后，自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，可以在任意时刻读出传感器的温度值。LM74 具有休眠模式

8、，在休眠时消耗的电流不超过 10uA，功率消耗低。LM74 的数模转换器为 12 位外加符号位，因此在其有效工作范围内可以达到 0.0625 摄氏度的分辨率。由于采用了SPI/microwrite 兼容总线接口，可以将多个传感器挂接在总线上，通过片选信号对特定器件进行读写操作。由美国 Dallas Semiconductor 公司推出的单线数字化测温集成电路数字温度传感器 DS1820，采用单线接口式，可通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式，测温范围-55125 摄氏度，温度转换值以九位数字方式串行输出。微控制器与DS1820 仅需一条线，每一 DS1820 在出厂时已给出了唯一序号，因此

9、，在同一条单总线上可挂接任意多个 DS1820 . DS1820 的序号值存放在内部 ROM 中。传感器内部还有两个八位的用于存放温度数据的 RAM，1 号 存放温度数据的正负符号，0 号存放温度值的补码，采用塑封的 DS1820 易于封装在测温电缆中。与外国同类产品相比较，国内的温湿度检测系统还有很大差距，系统采用的温湿度传感器的测量精度和灵敏度，温湿度传感器测得的环境温度模拟量信号转换成数字量信号时产生的误差，信号在长距离传输过程中因干扰和信号衰减导致的精度降低。不可否认，国内电子元器件的制造技术水平和国外电子元器件的过高价格制约了环境检测系统向更高精度的发展。单片微型计算机是随着超大规模

10、集成电路的技术的发展而诞生的。由于它具有体积小，功能强，性价比高等优点，所以广泛应用于电子仪表，家用电器，节能装置，军事装置，机器人，工业控制等诸多领域，使产品小型化，智能化，既提高了产品的功能和质量又降低了成本，简化了设计。本文主要涉及 AT-89C51 单片机在温湿度控制中的应用。应用单片机实现 PID 控制算法和 PID 参数的整定。长春工业大学学士学位论文5PID 控制是最早发展起来的控制策略之一, 由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点, 被广泛应用于工业过程控制。当用计算机实现后, 数字 PID 控制器更显示出参数调整灵活、算法变化多样、简单方便的优点。随着生产的发展, 对控制的

11、要求也越来越高, 随之发展出许多以计算机为基础的新型控制算法, 如自适应 PID 控制、模糊 PID 控制、智能 PID 控制等等。1.31.3、机房环境要求、机房环境要求根据 YD 500394电信专用房屋设计规范的有关规定。第 10 条：机房室内温湿度应符合设计环境指标要求，并且配备温湿度计、温度、湿度告警设备。其中机房温度湿度要求：1. 机房温度： 213，相对湿度：40%60%2. 温度、湿度的测量点为空调回风口处。其主要控制参数如下：温度传感器工作指标：温度：0oC-60oC 精度：2oC制冷加热指标：当温度降至 5oC 时，启动加热器；加热至 10oC 时停止加热。当温度升至 25

12、oC 时，启动制冷机；制冷至 15oC 时停止制冷。湿度传感器工作指标：相对湿度：40%60% 精度：2%干燥增湿指标：当湿度降至 20%时，启动增湿器；加热至 30%时停止增湿。当湿度升至 80%时，启动干燥机；干燥至 30%时停止干燥。1.41.4、论文的主要研究内容、论文的主要研究内容本论文主要是完成一种低成本、低价格、功能齐全、及温湿度测量、显示、控制于一体的单片机温湿度控制系统的理论设计。该设计主要包括硬件电路和主要的控制算法。研究的关键问题是：通信机房温湿度的精确测量；双向可控硅控制的温湿度控长春工业大学学士学位论文6制电路设计；温湿度控制算法的选择,本设计采用 PID 控制算法；

13、以及温湿度标度转换、数字滤波环境温湿度采样等软件设计。根据本设计所要完成的任务完成了如下工作：1 介绍了研究和设计的背景和意义,调查并综述了当前温湿度控系统市场的国内外现状。2 提出了符合设计要求的高精度温湿度控制系统方案,并阐述了其工作原理。3 完成了硬件电路的设计,它包括：1) 温湿度检测放大传送电路；2) 包含 MCS-51 系列单片机 AT-89C51,外围扩展并行接口 8155,程序存储扩展2732,模数转换器 ADC8089，数模转换器 DAC0832 等芯片的接口电路；3) 输入信号口采用光电耦合器，使抗干扰能力增强；4) 输出信号设计有两路继电器控制；5) 通过双向可控硅管实现

14、的温湿度控制电路；6) 键盘接口和两位 7 段数码显示管用来显示温度。 温度传感器 A/D 转换 电路 湿度 传感器 AT89C51 显示电路 LED 上位机通讯 图 1.1 系统的原理图4 基本完成了软件部分设计,它包括：1) 键盘扫描；长春工业大学学士学位论文72) 温湿度控制显示；3) 温湿度采样；4) 数字滤波；5) 数据处理；6) PID 计算；长春工业大学学士学位论文8第二章第二章 系统方案系统方案论证论证本设计是环境温度实时监测控制系统，其中通信机房内的监控单元为主要设计目标。2.12.1、中央控制单元的确定、中央控制单元的确定2.1.1、单片机方案单片机已成为电子系统中进行数据

15、采集、信息处理、通信联络和实施控制的重要器件。通常利用单片机技术在各种系统、仪器设备或装置中，形成嵌入式智能系统或子系统。中央处理器的选择直接关系到所做系统的性能，要选择既便宜又实用的单片机款型。常见几种单片机的比较：Intel 公司早期的产品 8031/8051/8751。80318031 片内不带程序存储器 ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为 EPROM 的 2764 系列。用户若想对写入到 EPROM 中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。80518051 片内有

16、 4K 的 ROM，无须外接外存储器和 373，更能体现“单片”的简练。但是你编的程序你无法烧写到其 ROM 中，只有将程序交芯片厂代你烧写，并是一次性的，今后你和芯片厂都不能改写其内容。87518751 与 8051 基本一样，但 8751 片内有 4k 的 EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的 EPROM 中进行现场实验与应用，EPROM 的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。后来很多芯片厂商以各种方式与 Intel 公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工

17、艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。我们统称这些与 8051 内核相同的单片机为“51 系列单片机” 。长春工业大学学士学位论文9在众多的 51 系列单片机中，要算 ATMEL 公司的 AT89C51AT89C51 更实用，因他不但和8051 指令、管脚完全兼容，而且其片内的 4K 程序存储器是 FLASHFLASH 工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL AT89Cx 做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，

18、这又很好地保护了你的劳动成果。重要的一点 AT89C51 目前的售价比 8031 还低，市场供应也很充足。从多方的因素考虑论证。硬件的核心选用 Atmel 公司生产的 AT89C51 单片机。它是一种低功耗、低电压、高性能的 8 位单片机，片内带有一个数 KB 的 FLASH 可编程、可擦除、只读存储器；它采用了 CMOS 工艺和 Atmel 公司的高密度非易失性存储器技术,而且其输出引脚和指令系统都与 MCS-51 兼容。2.1.2、DSP 方案如果采用 TMS320F240 DSP 实现，其主要优点有：1.速度快，执行速度达到 20MIPS，几乎所有的指令可以在 50s 的单周期内完成，如

19、此高的性能非常适合实时数据采集。2.硬件结构简单，DSP 片内具有十位 A/D 转换器，不需要外接 A/D 转换器，并且还具有丰富的可编程多路复用 I/O 引脚。3.软件编程灵活，可采用 C 语言与汇编语言混合编程。本设计仅仅是简单的温度检测控制，不需要功能太强大的控制单元，单片机已经足够用，而且单片机的价格便宜，容易购买，所以决定用 AT89C51 单片机。2.22.2、温湿度传感器的选择、温湿度传感器的选择百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器控制器；(3)智能温度传感器。 温敏传感器中最主要的元件就是热电阻，热

20、电阻是利用导体的电阻值随温度变化的特性而制成的测温元件。所以，要求导体的温度系数尽可能地大和稳定，电阻率大，电阻与温度之间最好呈线性关系，并在较宽的范围内有稳定的物理化学性质。长春工业大学学士学位论文10目前用的较多的热电阻材料有铂、铜等。铂电阻的物理化学性质能在高温和氧化性介质中最稳定，它能用做工业测温元件和作为温度标准。很多检测电路中采用铜电阻，是因为测量精度要求不高（2oC） ，测量范围不大（0oC-60oC）时，可用铜热电阻代替铂热电阻，这样可以降低成本。在-50oC-150oC 时，铜电阻与温度呈线性关系：Rt=R0（1+t）,式中 =4.25x10-3-4.28x10-3/oC,为

21、铜的温度系数。但是铜电阻经测量后还要经过 ADC 的模数转化，给设计本身增加了成本，还造成一定的繁琐。本设计采用了智能温度传感器 DS1820 系列。DS1820 是美国达拉斯(DALLAS) 公司研制的单线数字温度计。它采用单线总线结构,用一根 I/ O 线传送数据与命令, 并可兼作电源线。DS1820 内含集成温度传感器、CPU 、ROM、RAM 和 I/ O 接口, 属于新一代智能传感器。它具有微型化(外形尺寸仅为 4. 6mm 9. 0mm 3. 0mm) 、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器(P) 等优点, 适于构成多路温控仪或大型分布式温度测控系统, 是一种有推广价值的新型

22、器件。并且，和传统的采集模拟量通过外接 A/D 转换电路采集数据的方式相比，DS1820 自己本身就可以完成温度模拟量的 A/D 转换，不需要外接A/D 转换电路。这就在设计时大大简化了电路及外围器件的数量，使设计简单并可靠。空气湿度是表示空气干湿程度的物理量。空气湿度是反映空气中水蒸汽含量多少的尺度，对空气湿度的测量，也就是对空气中水蒸汽含量的测量。空气湿度常用相对湿度和露点温度来表示。相对湿度是指空气中水蒸汽的分压了与同温度下饱和水蒸汽压力之比。常用的湿度测量方法有:1、毛发测湿法毛发的长度会随着所处环境的湿度而变化。这种变化在机械意义方面指为相对湿度。该方法简单，成本低，但是维修费用高，

23、要频繁地对毛发进行长度还原;最大相对湿度测量范围只为15%RH-85%RH，最大测量温度只为50;高误差，测量慢。2、露点镜法一面镜子降温并达到露点时，其表面上将出现水凝滴。于是通过监视镜面上的凝滴即可测得露点。这种方法测量范围宽、测量准确，但是费时、昂贵、笨重、时间适应慢。长春工业大学学士学位论文113、湿度传感器测湿 湿度传感器分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件.湿度传感器要达到土2%-13%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温(20士10C)和洁净

24、的气体中测最的。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间长了，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在土2%左右，甚至更高。湿敏元件除了对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2-O.8%RH的范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往

25、补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。多数湿敏元件难以在40以上正常工作。金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化铿等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。必须是交流电供电。国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见。感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化铿和金属氧化物.电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低

26、价产品，往往达不到需求的水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH以下及80%RH以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现“阶跃性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为pF级，1%RH的变化不足0. 5pF，容值的漂移改变往往引起几十RH%的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。电容式湿敏元件抗腐蚀能力也较欠缺，往往对环境的洁净度要求较高，有的产品还存在光照失效、静电失效等现象，金属氧化物为陶瓷湿敏电阻，具有湿敏电容相同的优点，

27、但尘埃环境下，陶瓷细孔被封堵元件就会失效，往往采用通电除尘的方法来处理，但效果不够理想，且在易燃易爆环境下不能使用，氧化铝感湿材料无法克服其表面结构“天然老化，的弱点，阻抗不稳定，金属氧物陶瓷湿敏电阻也同样存长春工业大学学士学位论文12在长期稳定性差的弱点。4、干湿球测湿法该方法利用干、湿球温度差效应来测量空气相对湿度。选用线性度好的热敏元件，能够实现宽范围、高精度测量，而且性价比高，反映也很快。在本设计中，湿度传感器选择了HM1500。HM1500是专门适用于需要精确可靠检测湿度的OEM用户。它的特点是有很小的易于安装的接头可以非常节省成本的机械自动安装。由于它是线性的电压输出湿度检测模块，

28、因此能直接与微控制器相接。长春工业大学学士学位论文13第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计3.13.1、系统的工作过程、系统的工作过程控制过程如下：温度传感器采集数据后，将数据送入单片机中，因为温度传感器 DS1820 是数字传感器，所以，其输出量为数字量，可直接由中央处理器处理。一个湿度传感器通过多路开关 CD4051 接到 A/D 转换器 AD574 上，经过模/数转换，将数字量送入单片机。这样，单路温度和单路湿度的测量数据就被采集到了中央处理器中。通过显示电路，经 LED 数码管直观地显示给观测人。这是温室智能控制系统的数据采集部分，但在本设计中，加入了 RS-232 电路，即和上位机

29、的通讯串口电路，这样，此系统就可以和 PC 机相连，便于直接控制。并且，在本设计中还加入了键盘，这是给控制部分设置的，在和上位机发生通讯故障时，可以手动输入控制量，以达到要求。3.23.2、单片机最小系统、单片机最小系统1、单片机(1)主要性能参数：与 MCS-51 产品指令系统完全兼容4K 字节可重擦写 Flash 闪速存储器1000 次擦写中期全静态操作：0Hz24MHz三级加密程序存储器128*8 字节内部 RAM32 个可编程 I/O 口线2 个 16 位定时/计数器6 个中断源可编程串行 UART 通道低功耗空闲和掉电式 (2)功能特性概述：AT89C51 提供以下标准功能：4K 字

30、节 Flash 闪存存储器，128 字节内部 RAM，32个 I/O 口线，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许长春工业大学学士学位论文14RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容。但振荡器停止工作并禁止其它所有不见工作直到下一个硬件复位。(3)AT89C51 引脚及说明：图 3.1 89C51 双列直插封装方式的引脚图（一）电源引脚：（1）Vcc（40 脚）：电源端

31、，接+5V。（2）Vss（20 脚）：接地端。（二）时钟引脚 ：（1）XTAL1（19 引脚）：接外部晶体的一个引脚。该引脚内部是 1 个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。（2）XTAL2（18 引脚）：接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。（三）控制引脚：（1）RST/Vpd(9 脚)：RST（RESET）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机长春工业大学学士学位论文15运行时，在此引脚加上持续时间大于 2 个机器周期（

32、24 个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。Vpd 为本引脚的第二功能，即备用电源的输入端。（2）ALE/PROG 非（30 引脚）：ALE 引脚输出为地址锁存允许信号。PROG 非为本引脚的第二功能。在对片内 EPROM 型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。（3）PSEN 非（29 引脚）：程序存储器允许输出控制端。（4）EA 非/Vpp(31 引脚)：EA 非功能为内外程序存储器选择控制端。Vpp 在对EPROM 型单片机 8751 片内 EPROM 固化编程时，用于施加较高的编程电压（例如+21V或+12V） 。对于 89C51，则加在 Vpp 引脚的编程电压为+12

33、V 或+5V。（四）I/O 口引脚：（1）P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对断口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时，P0 接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。（2）P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1

34、” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流（I） 。Flash 编程和程序校验期间，P1 口接受底 8 位地址。（3）P2 口：P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流（I） 。 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR长春工业大

35、学学士学位论文16指令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVX RI 指令）时，P2 口行上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中 R2 寄存器的内容） ，在整个访问期间不改变。Flash 编程或校验时，P2 亦接受高位地址和其它控制信号。（4）P3 口：P3 是一组带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P3 口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（I） 。P3 口除了作为一般的

36、I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能： (1) P3.0 RXD(串行输入端口) (2) P3.1 TXD(串行输出端口) (3) P3.2 /INT0(外部中断 0) (4) P3.3 /INT1(外部中断 1) (5) P3.4 T0(记数器 0 外部输入) (6) P3.5 T1(记数器 1 外部输入) (7) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) (8) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) (9) P3 端口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3 口还接受一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输

37、入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2、时钟振荡器:AT89C51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图 3-3。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 C1、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外电容 C1、C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用 30pF+/-10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF+

38、/-10F。长春工业大学学士学位论文17 用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如下图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到 XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬空。由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，电脑最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。图 3.2 时钟振荡电路3、Flash 闪速存储器的编程: AT89C51 单片机内部有 4K 字节的 Flash PEROM,这个 Flash 存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为 FFH） ，用户随时可对其进行编程。

39、编程接口可接受高电压（+12V）或低电压（）的允许编程信号。低电压编程模式适合于ccV用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用 EPROM 编程器兼容。AT89C51 单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号而后读取芯片内的签名字节获得该信息。AT89C51 的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片 PERROM 程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。AT89C51 的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片 PERROM 程序存储器写入一个非空字节，必须使

40、用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。长春工业大学学士学位论文183.33.3、温度传感器、温度传感器1、DS1820 的主要特性DS1820 数字温度器件可提供9 个二进制位的温度信号指示, 无论输入或输出DS1820 的信息都是通过一根接口线实现的, 因此, 在DS1820 和中央CPU 处理器之间只需一根连线。在读、写和执行温度转换期间所需要的电能可通过数据线自身获取, 也可由外部电源来提供, 因此, 使DS1820 的外部电源输入是可选的。由于每个DS1820 包含唯一的数字系列, 所以使多个DS1820 的数据可同时在一根公共线上存在。这样允许我们将温度传感器放在不同的地点实现分布式

41、的温度控制, 如楼宇自控系统中的温控, 某个工业过程的温控以及设备和机器内部的温控等。DS1820 有两种封装形式, 其三脚封装的管脚图如图所示, 该器件的主要特性是:(1) 唯一的一个管脚线用于与计算机的通讯。(2) 不需要任何外围器件。(3) 多测点性能简化了分布式温度的测量。 (4) 测温范围从- 55到+ 125, 温度分度为0. 5。(5) 温度值以92b it 数字量输出。(6) 被测温度每一秒钟完成一次转换。(7) 用户可定义固定的温度点报警。图3.3 DS1820封装图长春工业大学学士学位论文19Vcc40P1.01P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P

42、0.534P0.633P0.732-EA/VP31P3.010ALE30P3.111P2.728P3.212P2.627P3.313P2.526P3.414P2.425P3.515P2.32429P2.223XTAL218P2.122XTAL119P2.021Vss20P3.7 RD17P3.6 WR16P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78REST9U189C51GNDVccINT0RXD2TXD2RESTP11P12P13P14P15P16P171GND2I/O3VDDDS18206+5V4.7K+5VC1530pC1630pY16MHZGND 图3.4 D

43、S1820与单片机的接线图DS1820的管脚功能说明如下: (1) 管脚1GND: 地端。(2) 管脚2DQ: 数据输入输出端。(3) 管脚3VDD: 外部+ 5V 电源输入端。2、DS1820 的组成及工作原理DS1820 的内部结构框图如图所示, 图中表明DS1820 主要是由三部分组成: (1) 642b it的激光ROM ; (2) 温度传感器; (3) 温度报警触发器TH 和TL。3、DS1820和AT89C51的接口 DS1820寄生电源电路当I/O 或VDD 引脚为高电平时这个电路便取得.电源只要符合指定的定时和电压要求，I/O 将提供足够的功率为单总线系统供电。3.43.4、湿

44、度传感器湿度传感器长春工业大学学士学位论文20 图3.5 湿度传感器实物图和其的表示符号1、其主要的特点是（1）尺寸小（2）浸水无影响（3）互换性好（4）可靠性高、漂移小（5）在5VDC供电时，0100%RH典型输出14VDC（6）标定2%RH55%RH（7）极低的温度依赖性（8）比例输出于电源电压（9）适合37V供电2、湿度传感器的特点（1）在长时间处于饱和状态后快速脱湿（2）专利固态聚合物结构（3）对化学品的高抵抗性（4）响应时间短3、测量环境（1）HM1500特别适用于1095%RH环境的精确测量（2）超过上述范围（95%RH，包括饱和）将不会对HM1500的稳定性造成影响。9、HM15

45、00和AT89C51的接口因为HM1500是线性的电压输出湿度检测模块，因此，需要将其输出的模拟量转换为数字量，才能送到单片机中进行处理，所以，在其与单片机的接口电路中，需要A/D转换器，其接口电路图如下所示：长春工业大学学士学位论文21Vcc40P1.01P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732-EA/VP31P3.010ALE30P3.111P2.728P3.212P2.627P3.313P2.526P3.414P2.425P3.515P2.32429P2.223XTAL218P2.122XTAL119P2.021Vss20P3.7

46、RD17P3.6 WR16P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78REST9U189C51GNDVccALEINT0RXD2TXD2RESTP11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P26P27GND15VCC1REF-IN10lsbDB016DB117AN-GND9DB218DB319DB420BPLRof12DB521DB622DB72310Vspn13DB824DB92520Vspn14DB1026msb-1127REFout8STATUS28CE6CS3+Vs7A0/SC4R/C5-Vs1112/82U2AD574Vcc

47、+12V-12VW20.1KGNDC134.7uGNDVCC100kW20.1K0.1k-15V+15VC140.1uC1530pC1630pY16MHZGNDVccGND1A11B21Y32A42B52Y6GND73Y83A93B104Y114A124B13VCC14U674LS00HM15009+5VGND 3.6图 单片机与HM1500接线图3.53.5、A/DA/D 转换转换 在本设计中，我采用了AD574转换器，它可以将多路转换器输入的模拟量进行A/D转换。AD574是美国Analog Device公司生产的12位逐次逼近式模数转换器，其主要特点是：有参考电压基准和时钟电路，不需外部

48、时钟就可以工作；转换速率高，12位转换25us，8位转换16us；8位或16位微处理器接口，自带三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连而无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容；温度适应范围大，在-55至+125摄氏度范围内满足线性要求。是目前我国应用最为广泛，价格适中的A/D转换器，加之内部含有三态输入缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口电路，内部设置的高精参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能完成A/D转换功能，应用非常方便。1、AD574简介AD574为28脚双列直插式封装，其管脚排列如图所示 。 图3.7 AD57

49、4的管脚排列长春工业大学学士学位论文22AC：模拟地DC：数字地：片选信号，低电平有效CSCE：片使能，高电平有效R/：读/启动信号，高电平读数据，低电平转换 C12/ ：数据格式选择，高电平12位数据同时有效，低电平时第一次输出高8位，第8二次输出低四位有效，中四位为零。A0：字节选择控制线。在转换期间：A0 =0,AD574进行全12位转换，转换时间为25s；当A0=1时，进行8位转换，转换时间为16s。在读出期间：当A0=0时时，高8位数据有效；A0=1时，低4位数据有效，中间4位为“0” ，高4位为三态，因此当采用两次读出12位数据时，应遵循左对齐原则，如下所示：表3.1 AD574地

50、址表 高8位 低4位+4位尾0 MSB LSB0000(4位)STS：工作状态输出端。转换开始时，STS达到高电，转换过程中保持高电平，转换完成时返回低电平STS可以作为状态信息被CPU查询，也可以用它的下降沿向CPU发出中断申请，通知A/D转换已完成，CPU可以读取转换结果。2、AD574的状态由CE、R/、12/ 、A0五个控制信号决定。CSC8表3.2 AD574控制信号真值表CECS R/C 12/8 A0 操 作 0 无操作 1 无操作 1 0 0 0初始化为 12 位转换器 1 0 0 1初始化为 8 位转换器 1 0 1 5V 允许 12 位并行输出 1 0 1 接地 0允许高

51、8 位输出 1 0 1 接地 1允许低 4 位+4 位尾 0 输出由表可见，当CE=1，=0同时满足时，AD574才能处于工作状态。当AD574处于CS工作状态时，R/=0时启动A/D转换；R/=1时进行数据读出。 12/ 和A0端用来控CC8制转换字长和数据格式。A0=0时启动转换，则按完整的12位A/D转换方式工作，如果按A0=1启动转换，则按8位A/D转换方式工作。当AD574处于数据读出工作状态时， 长春工业大学学士学位论文23A0和12/ 成为数据输出格式控制端。12/ =1，对应12位并行输出；12/ =0则对应8888位双字节输出。其中A0=0时输出高8位。A0=1时输出低4位，

52、并以4个0不足尾随的4位。必须指出12/ 端与TTL电平不兼容，只能直接接至+5V或0V上。另外A0在数据输出期8间不能变化。如果要求AD574以独立方式工作，只要将CE、12/ 端接入+5V，和A0接至0V，将8CSR/作为数据读出和数据转换启动的控制。当R/=1时，数据输出端出现被转换后CC的数据，R/=0时，即启动一次A/D转换。在延时0.5s后STS=1表示转换正在进行。C经过一次转换周期后STS跳回低电平表示A/D转换完毕，可以从数据输出端读取新cT的数据。4、AD574与AT89C51的接线Vcc40P1.01P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534

53、P0.633P0.732-EA/VP31P3.010ALE30P3.111P2.728P3.212P2.627P3.313P2.526P3.414P2.425P3.515P2.32429P2.223XTAL218P2.122XTAL119P2.021Vss20P3.7 RD17P3.6 WR16P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78REST9U189C51GNDVccALEINT0RXD2TXD2RESTP11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P26P27GND15VCC1REF-IN10lsbDB016DB117AN-GN

54、D9DB218DB319DB420BPLRof12DB521DB622DB72310Vspn13DB824DB92520Vspn14DB1026msb-1127REFout8STATUS28CE6CS3+Vs7A0/SC4R/C5-Vs1112/82U2AD574Vcc+12V-12VW20.1KGNDC134.7uGNDVCC100kW20.1K0.1k-15V+15VC140.1uC1530pC1630pY16MHZGNDVccGND1A11B21Y32A42B52Y6GND73Y83A93B104Y114A124B13VCC14U674LS00 图3.8 AD574与单片机的接线图由于A

55、D574片内有时钟，故无须外加时钟信号。采用单极性输入，可对010V或020V模拟信号进行转换。转换结果的高8位从DB11DB4输出，低4位从DB3DB0输出，并直接和单片机的数据总线相连，如果遵循左对齐原则，DB3DB0应接单片机数据总线的高半字节。为了实现启动A/D转换和转换结果的读出，AD574的片选信CS号由地址总线的次低位A1提供，在读写时，A1设置为低电平；AD574的CE信号由单片机和A7经一级或非门产生，可见在读写时，A7也应为低电平。输出状态信号STSWR接P3.2端供单片机查询，以判断A/D转换是否结束。12/ 端接地，AD574的A0由地址8总线最低位A0控制，以实现A/

56、D全12位转换，并将12位数据分为两次送入数据总线上。接口电路如图所示。3.63.6、显示、键盘接口电路、显示、键盘接口电路长春工业大学学士学位论文241、芯片介绍HD7279A是一种管理键盘和LED显示器的专用智能控制芯片。它能对8位共阴极LED显示器或64个LED发光管进行管理和驱动，同时能对多达88的键盘矩阵的按键情况进行监视，具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能，从而可以提高CPU工作的效率。HD7279A和微处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路简单，占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域中日益获得广泛的应用。HD727

57、9A是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可以连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。HD7279A内部含有译码器，可直接接受BCD码或者16进制码，并同时具有2种译码方式，此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。HD7279A具有片选信号可方便地实现多于8位的显示或多于64位的键盘接口。特点：串行接口，无需外围元件可直接驱动LED各位独立控制译码、不译码、消隐以及闪烁等属性左右移动指令具有段寻址指令，方便控制独立的LED64键键盘控制器，内含去抖动电路。图3.9 HD7279A管脚示意图2、管脚说明

58、HD7279A的硬件电路如图3-21所示，它共有28个引脚。 RC引脚用于连接HD7279A的外接振荡元件，其典型值为R=1.5k,C=15pF。RESET为复位端。该端由低电平变长春工业大学学士学位论文25成高电平并保持25ms即复位结束。通常，该端接+5V即可。DIG0DIG7分别为8个LED管的位驱动输出端。SASG分别为LED数码管的A段G段的输出端。DP为小数点的驱动输出端。HD7279A片内具有驱动电路，它可以直接驱动1英吋及以下的LED数码管，使外围电路变得简单可靠。 DIG0DIG7和SASG同时还分别是64键盘的列线和行线端口，完成对键盘的监视、译码和键码的识别。在88阵列中

59、每个键的键码是用十六进制表示的，可用读键盘数据指令读出，其范围是00H3FH。 HD7279与微处理器仅需4条接口线，其中CS为片选信号（低电平有效） 。当微处理器访问HD7279A（读键号或写指令）时，应将片选端置为低电平。DATA为串行数据端，当向HD7279A发送数据时，DATA为输入端；当HD7279A输出键盘代码时，DATA为输出端。CLK为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效。KEY为按键信号输出端，在无键按下时为高电平；而有键按下时此引脚变为低电平并且一直保持到键释放为止。表3.3 HD7279A的电特性参数符号测试条件最小值典型值最大值电源电压Vcc/V.4.

60、55.05.5工作电流Icc/mA不接 LED.35工作电流Icc/mALED 全亮， ISEG=10mA.60100逻辑输入高电平Vih/V.2.0.5.5逻辑输入低电平Vil/V.0.0.8按键响应时间Tkey/ms 含去抖时间101840KEY 引脚输入电流Iki/mA.10KEY 引脚输出电流IKO/mA.73、显示电路长春工业大学学士学位论文26100K100k100K100K100K100K100K100K1.5K15uF5v/CS6CLK7DATA8KEY9VCC1VCC2RESET28RC27VSS4DIG018DIG119DIG220DIG321DIG422DIG523DIG