温湿度测量系统的软硬件设计 毕业设计（论文） .doc

安徽工程科技学院毕业设计（论文）引 言 温湿度参数是一些生产生活中重要的参数和控制目标，在现代生产生活中，温度和湿度的监测与控制有着十分重要的意义。传统的测试温度和湿度的方法是通过一定的测试仪器人工逐点进行检测，这种方法费时费力，效率低且误差大。本文介绍的检测装置不仅具有可以自动检测温度和湿度的功能，而且还可以通过键盘选择需要检测点对应的通道进行显示功能。不仅提高了传统温度和湿度的检测性能，而且还可以改变初始值对室内或者生产环境的温湿度进行控制，也可以使用于温湿度要求较高的场所，例如实验室，生产车间，仓库等使用都非常方便。近年，随着设施农业的迅猛发展，尤其是温室大棚，无土栽培，节水灌溉，工厂化养殖等在生产上得到前所未有的大发展，实现了农业工厂化生产，企业化运作，但美中不足是智能化程度与智能化普及率过低。虽然也有不少单位或个人引进了一些国外的计算机智能控制系统，如温室环境控制系统，施肥灌溉控制系统，工厂化育苗智能系统等。也真正实现了数字化、智能化、自动化，但投资过大，系统故障维护不便，而且经济效益过低，许多农业高科技园区多存在这个制约瓶颈。实现农业智能化对于大部分农民来说还是可望而不可及。开发低价位实用型的农业智能温湿度控制系统已迫在眉睫，对于推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义，同时也具有很大的市场商机计。本系统是以单片机为核心，配合数字温度传感器、模拟湿度传感器以及报警、显示等相关的电路组成。可以接收所测环境的温度、湿度，检测人员可以通过显示的数据，实时监控环境的温度、湿度情况。所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现。由温度传感器、湿度传感器得到的测量信号，经电路传送到单片机进行数据处理，通过软件分析处理后送到显示装置，cpu根据检测到的温度、湿度结果，判断这时的温度、湿度是否在开始设定好的范围内，若不在，启动系统的报警器进行蜂鸣报警。3第1章 绪 论目前，在生活和生产的各个领域中，在许多情况下都要对环境的温湿度进行限定，其中包括人的生活工作环境、仪器设备的工作环境以及动植物的生长环境等。随着人民生活的改善和工业的发展，安全问题就变的更加重要。环境的温湿度一旦超过限定值，势必会对所处环境的人或设备造成影响，更甚者会给个人和社会造成巨大的损失和社会影响。本课题主要介绍了以单片机at89c52为核心的温湿度测量系统的硬件设计,现场温、湿度信号采集分别使用单线数字温度传感器ds18b20和湿度传感器hih-4000。从测试现场采集到的温、湿度信号经a/d转换器tlc1549送单片机进行处理，经单片机处理后的信号通过接口芯片max1483与上位机相连进行串行通信，从而实现了现场温、湿度信号准确采集。cpu根据检测到的温度、湿度结果，判断这时的温度、湿度是否在开始设定好的范围内，若不在，启动系统的报警器进行蜂鸣报警。1.1课题的背景及意义温度和湿度是现代生产生活中重要的被控参数，特别在仓库、食品储运、医疗卫生事业、图书馆文物档案管理、建筑验收等行业中，更具有举足轻重的作用。对于不同的场所，所需要的温湿度高低范围不同、精度不同，所采用的测量元器件也就不同，另外测量的方法以及对其控制的方式也有所不同；产品工艺不同、控制精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温湿度的测控方式是多种多样的。对温湿度数据进行长期记录和控制，在很多制造过程、存储、运输、观测和试验应用中都是非常必要的。准确测量监控温湿度数值的变化对一些材料和物品的安全提供了重要保障，尤其在药品和食品行业。温湿度测量是现代测量新发展出来的一个领域，尤其是湿度的测量更是不断前进。温度是个独立的被测量，湿度要受到大气压强和温度的影响，经历了伸缩法、干湿球法、泠凝法露点法、氯化锂法露点法、电阻法、电容法、电解法，使湿度测量技术日渐成熟。时至今日，由于我们不再满足于单独的温度或湿度的测量，尤其是一些场所的监控直接要求实时记录其全过程温湿度变化，并依据这些变化认定生产过程的安全性，提高产品质量。在温湿度测量系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用，单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。在工业生产如：用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等，在日常生活中如：热水器、电热毯、温室温湿度控制等等，都用到了单片机的控制原理。随着生产的发展，在工业中，上述设备对温湿度的控制要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足了上述的要求，达到自动控制品质的目的。1.2课题在国内（外）现状及发展趋势科学技术的发展与测量技术的发展是密切相关的。测量技术达到的水平愈高，则科学技术上的成就会愈加深广。而科学技术的发展，特别是新材料、新结构的传感器研制成功，以及微型计算机的广泛开发，在测量系统的准确性、快速性、可靠性和抗干扰性等方面发挥了明显作用。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，被广泛用于工农业生产、国防、科研和生活领域。温湿度测量系统的主要不同之处在于所选用的传感器。温度和湿度传感器按照输出信号的类型分类都可分为模拟式传感器和数字式传感器。采用模拟式传感器的温湿度采集系统电路繁琐，得到的数据精度由于a/d转换等原因不可能提高，另外模拟信号在长距离的传输过程中，抗电磁干扰能力较弱，会对测量结果造成误差。数字式传感器不仅不存在上述问题，同时对系统的设计带来了极大方便。在本设计中，将采用数字式温度传感器和模拟式湿度传感器。由于本设计中要同时对温度和湿度进行测量，可以采用两个独立的传感器，即温度传感器和湿度传感器，分别检测温度和湿度。5温湿度传感器正朝着集成化、智能化、系统化的方向发展，与此同时，温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件。在温湿度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等项新技术。温湿度测量系统的研究具有广阔的前景，将会给人类带来巨大的经济效益和社会效益，它不仅推动企业技术进步，也会推动人类在其他领域的进步。随着控制技术的不断发展,pid调节成为主要的控制策略，它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，被广泛用于工业工程控制。各个应用场合的温度和湿度都在一定范围内波动，由于它们的热容量很大，温度和湿度的动态响应惯性大，是一个非线性、大滞后的复杂系统，所以既难测，难控，又难以获得精确的数学模型，采用传统pid控制方法难以达到人们提出的控制要求，随着智能控制理论的发展，智能控制与常规的pid控制相组合，形成所谓的智能pid控制，这种新型的控制器已得到广泛的应用，它具有不依赖精确数学模型的特点，对系统的参数变化具有更好的鲁棒性。模糊控制正成为越来越热门的控制技术。模糊控制器不依赖于对象的模型，但是其自适应能力有限，调整比较困难，需要经验丰富的专家或设计者。自适应控制是在控制对象未知的情况下，或者控制对象的参数发生变化时调整控制器的控制方法或参数，使控制系统达到预定的控制品质，自适应pid控制具有自适应控制和普通pid控制器两方面的优点。它有自动辩识被控过程参数，自动整定控制器参数，能够适应被控过程参数的变化等一系列优点，它又具有pid控制器结构简单，鲁棒性好，可靠性高，为现场工作人员和设计工程师们所熟悉的优点，自适应pid控制中要求系统能够根据被测参数，环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节，使系统随时处于最佳状态，因此它是微机控制系统的发展方向。1.3 课题的目的和主要内容 在温湿度测量系统的硬件设计中，设计者可能会根据不同的现场环境采用不同原理的传感器来设计采集系统，若采用的传感器工作原理上有很大的不同，则系统的设计方案和结构也有很大的差异。这样就造成不必要的重复性劳动以及物力财力上的浪费。基于此考虑，本课题尝试设计一种通用的温湿度检测系统，根据不同的检测环境，只需要更换不同型号的传感器并调整与之相适应的参数即可完成不同环境的检测。本设计的主要内容有：1）比较目前常用的温湿度检测方案，选择满足系统要求的方案。2）以atmel公司的at89c52为核心，设计其外围工作电路。3）完成键盘输入、led显示、存储器及rs485串行通信等外围电路的设计。4）根据系统方案和硬件结构来设计软件系统，使用keil开发环境来编写和调试汇编源代码，完成指定的功能。第2章 系统方案比较及确定2.1 方案的比较 温湿度采集系统的主要不同之处在于所选用的传感器，所选用的传感器不同，系统的设计方案将会有很大的不同。温度和湿度传感器按照输出信号的类型分类都可分为模拟式传感器和数字式传感器。由于本设计中要同时对温度和湿度进行测量，这样还将对采用两个分立的传感器和采用集成温湿度传感器这两种方案进行比较。2.1.1 采用模拟式传感器和数字式传感器的比较模拟传感器输出的信号是模拟量信号，对于温度传感器，模拟式传感器的一般输出与温度成一定关系的电阻值或电压差；对于模拟量输出的湿度传感器，可分为电阻和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜，其中以电容式湿度传感器最为常见。数字式传感器输出的信号是数字量信号，数字式湿度传感器一般都是带温度补偿和频率转换的，用户将不必再关心传感器与cpu之间的连接问题，而只要掌握此类传感器的数据读写操作即可。采用模拟式传感器的温湿度采集系统电路繁琐，得到的数据精度由于a/d转换等原因不可能提高，另外模拟信号在长距离的传输过程中，抗电磁干扰能力较弱，会对测量结果造成误差。数字式传感器不仅不存在上述问题，同时对系统的设计带来了极大方便。通过比较，在本设计中，采用数字式温度传感器和模拟式湿度传感器。 2.1.2 采用两个分立的传感器和采用集成温湿度传感器的比较很多时候，温度和湿度都是分开进行检测的，日常生活中，可以看到温度采集系统或湿度采集系统。但在本设计中，将对温度和湿度进行同时检测。这样，在系统设计中，可以采用两个单独的传感器，即温度传感器和湿度传感器。也可以采用集成了温度传感器和湿度传感器的一个传感器。综合考虑，本设计采用两个分立的传感器。122.1.3 控制器的选择单片机是设计中的核心部分，有了它可以编出不同的程序。单片机种类很多，包括microchip公司的pic系列单片机，motorola公司的m68系列单片机，其中最常用的单片机是intel 公司的51系列单片机，它包括8031、8051、8751等几种类型。由于8031片内不带程序存储器rom，使用时需要扩展外部程序存储器，首先浪费了一些口线，其次增加了产品的开发和生产成本。而且用户若想对eprom中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯照射将其内容擦除之后才可写入。这种擦除方式延长了实验中程序调试的时间，即延长了开发周期。8051片内有4k的rom，虽然无须扩展外部存储器，但是自己无法将程序烧写到其rom中，只能由芯片厂商代工，并且是一次性的。因此其不适合产品的开发与设计，只适合产品的成批量生产。8751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，但eprom改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写，在系统开发中同样不适用。在众多的51系列单片机中，较为常用的是atmel 公司的at89c51单片机，因它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4k程序存储器是flash工艺的，使用专用的编程器就可以随时对单片机进行擦除和编写程序。其片内还有128字节的随机存取数据存储器。显而易见，这种单片机对开发设备的要求较低，开发时间也大大缩短。本设计中控制器选用的是atmel公司at89c52单片机，at89c52是一个低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（eprom）和256 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元。at89c52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，at89c52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。12.1.4 温度传感器的选择dallas 半导体公司的数字化温度传感器ds18b20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，再其内部使用了在板（on-board）专利技术。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。温度数字量转换时间200ms（典型值），应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统，并以9位数字量的形式反映器件的温度值。现在，新一代的ds18b20体积更小、更经济、更灵活，使您可以充分发挥“一线总线”的长处。适用电压为3v5v，与ds1820软件略有不同，912位分辨率可调，to-92、soic及csp封装可选，经济型版本无e2prom适合自己的经济的测温系统。同ds1820一样，ds18b20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55+125，在-10+85范围内,精度为0.5。ds1820 的精度较差为2。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与ds1820不同，新的ds18b20支持3v5.5v的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。ds18b20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5。可以选择更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在e2prom 中，掉电后依然保存。ds18b20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！因此，在本次设计中采用的温度传感器是ds18b20。2.1.5 湿度传感器的选择在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题,国外生产的湿度标定设备十分昂贵。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。(1)湿敏元件的特性湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。(2)湿敏电阻湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。(3)湿敏电容湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主要厂家有humire公司、philips公司、siemens公司等。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。(4)集成湿度传感器的性能特点及产品分类目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为honeywell公司（hih-3602、hih-3605、hih-3610型），humirel公司（hm1500、hm1520、hf3223、htf3223型），sensiron公司（sht11、sht15型）(5)线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有hih-3610/4000、hm-1500/1520。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。在本次湿度信号采集电路设计中采用的是hih-4000，它具有湿敏电阻电容的优点，同时也去除了它的缺点，商家在采用时也比较经济。132.2 总体设计方案的确定按照系统设计功能要求，确定传感器采用数字式温度传感器ds18b20和模拟式湿度传感器hih4000，控制器选用通用型单片机at89c52，充分利用其廉价和高性能的特点，实现数据的实时显示、采样记录以及与pc机的通信，串行通信采用rs485接口max1483，显示采用串行接口的显示驱动芯片zlg7289实现led的驱动显示，同时采用通用看门狗监控芯片x5045实现对系统进行监控，系统总体结构框图如图2-1所示。 串行通信电路电源电路报警电路温度信号采集电路系统监控电路湿度信号采集电路电压基准电路路a/d转换led显示电路单片机at89c52键盘扫描电路图2-1 系统设计总框图本系统是以单片机为核心，配合数字温度传感器、模拟湿度传感器以及报警、显示等相关的电路组成。可以接收所测环境的温度、湿度，检测人员可以通过显示的数据，实时监控环境的温度、湿度情况。所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现。由温度传感器、湿度传感器得到的测量信号，经电路传送到单片机进行数据处理，通过软件分析处理后送到显示装置，cpu根据检测到的温度、湿度结果，判断这时的温度、湿度是否在开始设定好的范围内，若不在，启动系统的报警器进行蜂鸣报警。614第3章 硬件电路的设计无论是软件的设计还是硬件的设计，通常都采用模块化的设计思想，即将系统分成若干个独立的模块来设计。本系统可分为七大模块：主控制模块、传感器模块、系统监控电路、存储器模块、键盘输入、led显示和串行通信模块。在本章中，将详细介绍各个模块的硬件电路设计。3.1 主控制模块3.1.1 at89c52单片机性能at89c52是美国atmel公司生产的低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，功能强大的at89c52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场。 1主要性能有： 兼容mcs-51指令系统 8k可反复擦写(1000次）flash rom 32个双向i/o口 256x8bit内部ram 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24mhz 2个串行中断 2个外部中断源 2个读写中断口线 可编程uart串行通道 共6个中断源 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能2at89c52引脚说明 vcc: 供电电压 gnd：接地p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每位能以吸收电流的方式驱动8个ttl逻辑门电路，对端口p0写“1”时，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。flash编程时，p0口接收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。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能驱动（收或输出）4个ttl门电路。p1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高电平。可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时将输出电流，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拉低时会输出一个电流。与at89c51不同之处是，p1.0和p1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（p1.0/t2）和输入（p1.1/t2ex）。如表3-1所示。如图3-1所示是单片机at89c52的引脚图。 图3-1 at89c52的引脚图表3-1 p1.0和p1.1的第二功能引脚号功能特性p1.0t2（定时/计数器2外部脉冲输入），时钟输入p1.1t2ex（定时/计数器2捕获/重装触发和方向）p2口：p2口为一个内部有上拉电阻的8位双向i/o口，p2作为缓冲器可接收，输出 4个ttl门电路，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当作为外部程序地址存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高8位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部8位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高8位地址信号和控制信号。p3口：p3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向i/o口。p3口输出缓冲可驱（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对p3口写入“1”时，它们被内部上拉电 阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低p3口将有上拉电阻输出电流。p3口除了作为一般的i/o口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3-2所示。rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst引脚两个机器周期的高电平时间。本设计中，由于采用了看门狗芯片x5045，将rst引脚与x5045的rst输出连接，由x5045完成对系统上电的复位和电源不正常及程序跑飞时的复位。/psen：外部程序存储器的选通信号。在 外部程序存储器取址期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部存储器。注意加密方式“1”时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。表3-2 p3口引脚的第二功能 端口引脚第二功能p3.0rxd(串行输入口)p3.1txd (串行输出口) p3.2/int0(外中断0)p3.3/int1(外中断1)p3.4t0(定时/计数器0)p3.5t1(定时/计数器1)p3.6/wr(外部数据存储器写选通)p3.7/rd(外部数据存储器读选通) xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。23. 振荡器的特性xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出，该放大器可以配置为片内振荡器，晶体振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。由输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4. 芯片擦除 整个eprom阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ale管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。5. 时钟电路at89c52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两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3-2。图3-2 振荡电路石英晶体时：c1、c2=30pf10pf陶瓷谐振器：c1、c2=40pf10pf本设计中使用片内振荡电路，需在单片机的xtal1和xtal2两管脚之间连接一个晶体振荡器或陶瓷振荡器。当外接晶体振荡器时，c1=c2=3010pf；当外接陶瓷振荡器时，则c1=c2=4010pf。当选择外部振荡器时，则外部振荡器输出信号接xtal1脚，而xtal2脚悬空不用。本设计选用的是晶体振荡器，简称为晶振，它的两个管脚分别与单片机的xtal1、xtal2管脚相连，两个电容分别接在晶振的两个管脚上，两个电容并联后接地，线路连接如图3-3所示：4图3-3 时钟电路3.2 系统监控电路设计3.2.1 x5045芯片介绍为提高系统的抗干扰能力,选用x5045作为系统监控芯片。x5045（即x25045）性能可靠，使用简单，价格低廉，是在单片机系统中广泛应用的一种看门狗芯片。它把上电复位、看门狗定时器、电压监控和e2prom四种功能组合在单个芯片里.以降低系统成本、节约电路板空间、增加可靠性。其看门狗定时器和电源电压监控功能可对系统起到保护作用：5128位的e2prom可用来存储单片机系统的重要数据。x25045是带有串行e2prom的cpu监控器。现在型号改为x5045，性能相同。图3-4是它的引脚图。1. x5045主要功能有：（1）上电复位：向x5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使reset引脚有效。该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当vcc超过器vtrip门限值时，电路将在200ms(典型)延时后释放reset以允许系统开始工作。 图3-4 x5045引脚图（2）低电压监视：工作过程中，x5045对vcc电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小vtrip以下时， 系统即确认reset，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当reset被确认后，该reset信号将一直保持有效，直到电压跌到低于1v。而当vcc返回并超过vtrip 达200ms时，系统重新开始工作。（3）看门狗定时器：芯片内部状态寄存器的wd1、wd0是看门狗定时设置位，通过状态寄存器写指令wrsr修改这2个标志位，就能在3种定时间隔中进行选择或关闭定时器。对看门狗的复位由cs输入电平的下降沿完成。（4）串行e2prom：芯片内含512字节存储单元，10万次可靠写，数据保持时间100年。xicor设计了3种保护方式防止误写。包括：wp写保护引脚，当引脚被拉低时，内部存储单元状态寄存器都禁止写入；存储区域写保护模式，通过对状态寄存器的bl1、bl0位的设置，可以选择对不同的存储区域进行写保护；在进行任何写操作前都必须打开写使能开关，而且在上电初始化写操作完成时，写使能开关自动关闭。显然，在几方面的保护之下产生误写的可能性极小。对x5045的操作是通过4根口线/cs、sck、si和so进行同步串行通信来完成的。sck是外部输入的同步时钟信号；在对芯片定改指令或数据时，时钟前沿将si引脚信号输入；在读邮数据时，时钟后沿将数据位输出到so引脚上。数据的输入/输出都是高位在先。2. x5045引脚说明：x5045共有8个引脚，各引脚的功能如表3-3：表3-3 x5045引脚功能cs电路选择端，低电平有效so串行数据输出端si串行数据输人端sck串行时钟输入端wp写保护输人端，低电平有效reset复位输出端vcc电源端 vss接地端x5045的状态寄存器描述器件的当前状态，如表3-4所示。表3-4状态寄存器格式7654321000wd1wd0bl1bl0welwip其中，wd1、wd0是看门狗定时时间设置位；bl1、bl0是存储单元写保护区设置位；wel是只读标志，“1”表明写使能开关打开；wip也是只读标志，“1”代表芯片内部正处于写周期。电复位时，各位都被清零。163.2.2 x5045与at89c52的接口电路x5045与微处理器的硬件接口非常简单，x5045的信号线可与at89c52的32根口线任意4根连接（主要考虑硬件接线，软件编程现不考虑），用软件控制读写及选通。x5045与at89c52单片机的接口电路如图3-5所示。图中，at89c52为主器件，x5045为从器件。主器件在总线上产生时钟脉冲、寻址信号、数据信号等，而从器件则相应接收数据、产生数据。x5045与at89c52相连，其中p1.0与片选/cs相连，p1.1与图3-5 x5045与at89c52单片机连接电路图串行输出so相连，p1.2与串行时钟输入sck相连，p1.3与串行输入si相连。x5045电路具有的多功能、反应速度快、抗干扰能力强等特点在产品设计时表现的淋沥尽致。可以说x5045是一种性能价格比较高的电路芯片，并可非常方便地与许多常用cpu系列器件接口，非常适用于智能仪器、实时控制、微型化等场合。3.3 温度信号采集模块3.3.1 ds18b20的主要特性 ds18b20是美国达拉斯(dallas)半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、a/d转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件ds18b20，是在经过多方面比较和考虑后决定的，主要特性如下： (1)适应电压范围更宽,电压范围:3.05.5v,在寄生电源方式下可由数据线供电;(2)独特的单线接口方式, ds18b20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯; (3) ds18b20 支持多点组网功能,多个ds18b20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温;(4) ds18b20在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内;(5)测温范围-55+125,在-10+85时精度为士0.5;(6)可编程的分辨率为912位,对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度转换为数字;(8)测量结果直接输出数字温度信号,以“一线总线”串行传送给cpu，同时可传送crc校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.3.2 ds18b20的内部结构ds18b20内部结构如图3-6所示，主要由4部分组成：64位rom、温度传感器、非挥发的温度报警触发器th和tl、配置寄存器。c64位rom和单线接口高速缓存存储器、控制逻辑温度传感器高温触发器th低温触发器tl配置寄存器8位crc发生器vdddq图3-6 ds18b20内部结构64位rom的位结构如图3-7所示。开始8位是产品类型的编号（ds18b20为10h），接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的crc校验码。非易失性温度报警触发器th与tl，可通过软件写入用户报警上下限数据。8bit检测crc48bit序列号8bit工厂代码（10h） msb lsb msb lsb msb lsb图3-7 64位rom结构框图ds18b20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存ram和一个非易失性的可电檫除的e2prom。高速暂存ram的结构为9字节的存储器，前2字节包含测得的温度信息。第3和第4字节是th和tl的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5字节为配置寄存器，其内容用于确定温度值的数字转换分辨率，ds18b20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如图3-8所示，其中，低5位一直为1；tm是测试模式位，用于设置ds18b20在工作模式还是在测试模式，在ds18b20出厂时，该位被设置为0，用户不要去改动；r1和r0决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率，其定义方法见表3-5。高速暂存ram的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节是前面所有8字节的crc码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。 tmr1r011111图3-8 配置寄存器位定义 ds18b20的管脚排列如图3-9所示，dq为数字信号输入输出端；gnd为电源地；vdd为外接供电电源输入端。图3-9 ds18b20的管脚排列表3-5 ds18b20分辨率的定义和规定r1r0分辨率位温度最大转换时间ms00993.750110187.5101137511127503.3.3 ds18b20测温原理和温度测量 如图3-10所示，图中低温度系数振荡器的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数振荡器随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。计数器1低温度系数振荡器高温度系数振荡器斜率累加器计数器2-0-0比 较预 置预 置温度寄存器lsb置位/清除图3-10 温度测量电路图中还隐含着计数门，当计数门打开时，ds18b20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的一个基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被置入在-55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，并重新开始对低温度系数振荡器产生的脉冲信号进行计数。如此循环，直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。图3-10中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线形性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值达到被测温度值。另外，由于ds18b20单线通信功能是分时完成的，有严格的时隙概念，因此读/写时序很重要。系统对ds18b20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化ds18b20（发复位脉冲）发rom功能命令发存储器操作命令处理数据。ds18b20的核心功能是其数字温度传感器，其温度与数字量的关系如表3-6所示。表3-6 ds18b20温度和数字量的关系 温度输出的二进制码对应的十六进制码+1250000 0111 1101 0000b07d0h+850000 0101 0101 0000b0550h+25.06250000 0001 1001 0001b0191h+10.1250000 0000 1010 0010b00a2h+0.50000 0000 0000 1000b0008h00000 0000 0000 0000b0000h-0.51111 1111 1111 1000bfff8h-10.1251111 1111 0101 1110bff5eh-25.06251111 1110 0110 1111bfe6fh-551111 1100 1001 0000bff90h当ds18b20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存ram的第1、2字节中。单片机可以通过单线接口读出该数据。读数据时，低位在先，高位在后，数据格式以0.0625lsb形式。温度值格式如图3-11所示。 低字节232221202-12-22-32-4高字节sssss262524图3-11 温度数据值格式图中，s表示符号位。当s=0，表示测得的温度值为正，可以直接将二进制转换为十进制；当s=1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制值。 ds18b20完成温度转换后，就把测得的温度值与ram中的th、tl字节内容作比较，若tth或ttl,则将该期器件的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只ds18b20同时测量温度并进行报警搜索。3.3.4 ds18b20与单片机的接口电路 ds18b20可以采用两种方式供电：一种是采用电源供电方式，此时ds18b20的第1脚接地，第2脚作为信号线，第3脚接电源；另一种是寄生电源供电方式，如图3-12所示。单片机端口接单线总线,为保证在有效的ds18b20时钟周期内提供足够的电流，可用一个mosfet管来完成对总线的上拉。图3-12 ds18b20采用寄生电源的电路图当ds18b20处于写存储器操作和温度a/d转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最长500ms。采用寄生电源供电方式时，vdd和gnd端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。15在本设计中采用外部供电方式实现ds18b20传感器与单片机的连接，其接口电路如图3-13所示。图3-13 ds18b20与at89c52的接口电路3.4 湿度信号采集模块在湿度信号采集模块中，由于湿度传感器hih-4000芯片内没有集成的a/d转换器、存储器等电路，因而与单片机相连接时，需要通过跟随放大器lm258电路将检测到的信号放大比较，然后经过a/d转换器tlc1549，将模拟信号转换成数字信号后，单片机才能识别。hih-4000与tlc1549 的连接电路如图3-14所示。8hih-4000图3-14 hih-4000与tcl-1549的连接电路3.4.1 hih-4000相对湿度传感器美国honeywell的相对湿度传感器是热固聚酯电容式具有信号处理功能的传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常好地抵抗环境的侵蚀，诸如湿气、尘埃、脏物、油、及一些化学品。它的特点是低成本，大批量 oem设计、精度 2%，激光修正互换性至 5%、低功耗设计：200ua驱动电流、快速反应：15秒、稳定性好、低漂移、抗化学腐蚀性能，sip封装。线性放大的电压输出可使器件直接与控制器或其他器件一致性好，减少和消除了 oem生产时标定费用，并且厂家可提供单个传感器标定数据（后缀-cp)。精度：2% 工作电压hih4000系列是吸收式湿度传感器可以同时提供温度和%rh（相对湿度）输出。片载信号处理功能可保证与相对湿度对应的线性电压输出。传感器激光修正使精确度达到+5%相对湿度，校准后精确度可达2%相对湿度。本产品的封装可以防护化学物质，工作温度范围为-4085(华氏-40度到185度)，可在恶劣的环境中正常工作，具有精度高、响应快速、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点，其性能指标如表3-7所示。表3-7 hih-4000性能特点参数最小值典型值最大值单位 互换性(最佳配合直线)0 至 60%rh -5 5%rh 60%至 100% -8 8%rh 互换性(二阶曲线)3.5 %rh *精度(最佳配合直线)3.5%rh*精度电压输出(二阶曲线)2.5%rh滞后性3%rh重复精度0.5 %rh整定时间70ms 响应时间 l/e 指在缓慢流动的空气中 15sec*稳定性(在 1 年内 50%rh 的条件下) 1.2%rh *稳定性(50%rh条件下 ) %rh 供电要求 tbd供电电压45.8vdc 供电电流500a 电压输出(一阶配合) v输出=v供电(0.0062(传感器 rh)+0.16) 电压输出(二阶曲线配合) v输出= 0.00003 (传感器 rh) + 0.0281 (传感器rh) + 0.820，在 25c 时的典型数据温度补偿v 输出=(0.0305+0.000044t-0.0000011t ) (传感器 rh) + (0.9237-0.0041t+0.000040t ) t=温度单位为c 工作温度-40-4085185c f工作湿度0100%rh储存温度-40-40125257c f储存湿度%rh3.4.2 hih-4000湿度传感器的引脚图如图3-15所示为hih-4000