基于单片机的空气湿度检测系统设计.doc

本科生毕业设计（论文） I 摘 要 人体对生存环境的湿度有很高的要求，相对湿度以 50%-70%为好，冬季最好 不低于 40%，夏季不大于 80%。如果湿度过大，极易导致衣服皮革受潮发霉；电 器及精密仪器受潮受损；春季细菌滋生，易诱发呼吸道疾病，风湿病；夏季人体 散热困难，增加中暑机会；冬季会加速热的传导，使人倍觉寒冷。在科研单位或 实验室，生产车间，如果环境湿度控制不好，也将对试验结果和产品质量造成极 大的影响。因此，精确的湿度控制尤为重要。 本设计通过使用湿度传感器 HIH3610 完成湿度信号的采集，通过 A/D 转换电 路将模拟信号转为数字信号后，送给单片机 AT89C51,再由单片机，时钟电路、地 址锁存芯片等对信号进行处理，最后由显示电路显示结果，报警电路实施报警， 从而完成湿度检测系统的全部功能。软件设计部分采用汇编语言完成了系统的软 件编写。 本设计的完成使一定空间内的环境湿度得到有效的控制与调节，满足了人体 对环境湿度的要求，具有很高的价值。 关键词：湿度；单片机；传感器；报警 本科生毕业设计（论文） II Abstract The human have a strict requirement of living environment with humidity, relative humidity of 50% to 70% for good, in winter the humidity not less than 40 percent is best, in summer not more than 80 percent. If the humidity level is too high, leather clothing exposed to moisture easily get to mould and the electrical and precision instruments exposed to moisture easily get to be damaged; in spring, breeding of bacteria and easy-induced respiratory diseases, rheumatism is common; in summer its difficult for human to radiate heat, increasing the chance of heat stroke; in winter, it will speed up the conduction of heat, making people feel chilling. In scientific research units, laboratories, or production plants, if humidity environment is not in control, it will also caused great impact to the test results and product quality. Therefore, the precise humidity control is particularly important. The design collect humidity signal through humidity sensor HIH3610, and the A/D converter circuit will translate analog signals into digital signals, later the digital signals will be sent to SCM AT89C51, The signals will be processed by the microcontroller, the clock-circuit chips, address latches, In the end the final result will be displayed by the show circuit, alarmed by the alarm circuits in order to complete all function of Humidity Detection System. Software design of the design is used to complete the compilation of the systems software capabilities. The completion of this system will be effective for humidity control and regulation to meet the human demands of the environment humidity within some space, is of high value. Key words: Humidity; Single Chip Microcomputer; Sensor; Alarm 本科生毕业设计（论文） III 目目 录录 第 1 章 绪 论.1 1.1 引言：1 1.2 设计意义：1 第 2 章 总体方案设计.3 2.1 总体设计框图：3 2.2 器件选择：3 2.2.1 传感器部分：.3 2.2.2 A/D 转换电路：3 2.2.3 湿度检测电路：.4 2.2.4 时钟电路部分：.4 2.2.5 显示电路：.4 2.2.6 加湿除湿电路：.4 2.2.7 预定值按键电路：.4 2.3 系统工作原理：4 第 3 章 单元电路设计及连接.5 3.1 传感器：5 3.2 A/D 转换电路：.6 3.2.1 ADC0809 功能引脚介绍：.7 3.2.2 ADC0809 与单片机的连接：.9 3.3 地址锁存器：10 3.4 湿度采集电路：11 3.5 单片机：11 3.6 时钟电路：14 3.6.1 时钟芯片功能介绍：.14 3.6.2 时钟芯片与单片机的连接：.18 3.7 按键电路：18 3.8 报警电路：19 3.9 显示电路：19 第 4 章 系统软件设计.21 4.1 系统软件流程图设计：21 本科生毕业设计（论文） IV 4.2 系统各子程序：22 4.2.1 数据采集部分：.22 4.2.2 键盘部分：.23 4.2.3 报警部分：.24 第 5 章 结 论.25 参考文献.26 致 谢.28 附录 I.29 附录 II .41 附录 III42 附录 IV43 本科生毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪 论 1.1 引言 随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著 的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器 技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握 各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人 们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地 存在温漂和非线性等影响因素。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏 直接影响系统的性能。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指 标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控 制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解， 才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发 和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改 革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁 多的新型传感器及传感器系统不断涌现。湿度传感器是其中重要的一类传感器。 其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。 1.2 设计意义 在人的日常生活中，人的居住空间也是一个人工环境。空气污染，直接威胁 人的身体健康；噪音污染，影响人的情绪，工作，休息，饮食，可以导致神经衰 弱；温度过热，过冷，导致人的不适，耗费电能；空气过湿，将使人们感到沉闷 和窒息；空气过燥，又会使人的口腔感到不适，甚至可能发生咽喉炎等疾病。如 果能系统自动控制这个最常见的空间，人的生活将更舒适。所以说，这是一个很 有发展前途的课题，国内外的学者已经进行了相关系统的研制，本也就其中最难 测量的物理量-湿度进行研究。为此我使用专门测量湿度的传感器，对湿度进行 测量。在国外，传感器受到普遍的重视，且不同国家传感器的发展各具特色。如:美 国和日本在产品品种和性能方面不相上下。日本的发展特点是:先占领民用产品 市场，再向高水平发展。日本十分重视研究开发功能材料，并建立了许多专业工 本科生毕业设计（论文） 2 厂;而美国传感器研究水平较高，力图先解决研究中的难题，再转入生产;欧洲在 许多大学设立了传感器研究中心，侧重于理论研究。国外传感器发展的一种倾向 是:制造技术、信息处理技术、新材料的研究开发与应用同时进行，并向集成化、 多功能化、智能化、薄膜化方向发展。 传感器的种类可分为力、热、湿、气、磁、光、电等，国内外已有很多生产 厂家。其中环境湿度的检测与控制越来越受到重视。 众所周知，空气是多种气体的混合物，其主要成分是由氧、氮两种气体以及 总数不到 1%的稀有气体和二氧化碳组成，此外空气中还有一种重要的、数量上经 常变化的成分水汽。通常，空气中水汽的含量用湿度表示。空气湿度与人类关 系密切。人们的日常生活和生产活动以及动植物的生存，都与周围环境的湿度息 息相关，从日常生活、家电、交通、医疗、气象、工农业都需要进行湿度测量。 如:为防止库中的食品、武器弹药、金属材料等物品霉烂、生锈，必须保证环境 的干燥;而水果、种子、肉类等的保存又需要保证一定的湿度，这些都须对湿度 进行测量与控制;茶叶、烟草的加工及纺织行业等都离不开对温度的监控;在家用 电器上湿度测量广泛用于空调机、微波炉、摄像机等电器;在农业生产中，果园、 大棚蔬菜等种植对湿度的要求更加严格。 总之，随着科学技术的发展，要求湿度传感器向微型化和集成化方向发展， 同时要求传感器抗污染、长寿命，对环境湿度的控制将直接影响产品质量和产品 的成败问题。因此，随着工业、农业、国防、科技及整个国民经济的迅猛发展， 对环境湿度的控制和检测越来越受到人们的重视，市场需求也越来越大。 本科生毕业设计（论文） 3 第 2 章 总体方案设计 2.1 总体设计框图 3 个 HIH36 10 湿 度传 感器 A/D 转换 ADC0809 LED 显示电路 预定按键 加湿电路 报警电路 除湿电路 时钟电路AT89C51 单 片机 图 2.1 总体设计框图 2.2 器件选择 2.2.1 传感器部分： 传感器以探头形式安装在车间内，是由湿度传感器及相应调理电路组成。其 中湿度传感器，采用 HIH3610 湿度传感器，测量精度高，响应迅速，能直接将湿 度信号转换为直流电压信号输出。根据湿敏电阻在湿度改变时，阻值发生相应变 化的特性，设计转换电路将采集到的湿度信号转换为电压值，送 A/D 通道处理。 2.2.2 A/D 转换电路： 本系统中，湿度为缓变信号，而且转换成的电平信号为低电平缓变信号， 对 A/D 转换的要求不高，所以选用较为廉价的 ADC0809。该芯片采用的 9 位逐 次逼近型 A/D 转换器，完全可以满足设计需要，并且可以根据需要扩展检测电路。 本科生毕业设计（论文） 4 2.2.3 湿度检测电路： 总线上的电压经二极管整流，电容滤波后给湿度传感器和总线器件供电。三 个湿度传感器 HIH3610 湿度输出电压送入 ADC0809 经 A/D 转换后，送入 AT89C51。 2.2.4 时钟电路部分： 日历时钟 DS12887 内含锂电池，RAM 数据可保存 10 年以上，具有时钟，警 号，12/24 小时制选择等功能。RAM 包括 10B 的时间控制寄存器和 4B 的状态寄 存器及 114B 的通用 RAM 区。 2.2.5 显示电路： 采用 8 位 LED 显示电路对湿度值和温度值进行实时显示。锁存驱动电路选 用了 74LS164 芯片，满足设计要求。 2.2.6 加湿除湿电路： 当检测的湿度值高于设定的湿度值范围时，单片机停止加湿，同时进行除湿； 当湿度值低于设定的湿度范围时，单片机停止除湿进行加湿。为了得到准确的湿 度测量值，还应该在测量湿度的同时测量环境湿度传感器电源电压值。 2.2.7 预定值按键电路： 为了完成预定湿度值的设置，系统中设置了 5 个按键，分别为开始键，加一 键，减一键，设定键和确认键。 2.3 系统工作原理 本次设计的湿度检测系统主要由单片机控制电路，湿度检测电路和外围电路 组成。首先，由湿度检测电路将各个检测点的湿度数据检测出来，然后将模拟信 号送至 A/D 转换电路进行 A/D 转换，A/D 转换电路将转换后的数字信号送如单片 机处理，之后由单片机进行数据比较分析，把实时湿度数值由显示电路中显示出 来。当湿度高于或低于规定数值时，单片机发出指令，由加湿除湿电路进行加湿 除湿，并且同时报警。由键盘电路可改变预设的湿度范围，从而根据季节和时间 等具体需要对湿度检测系统控制的湿度范围进行调节。 本科生毕业设计（论文） 5 第 3 章 单元电路设计及连接 3.1 传感器 湿度采集传感器选用 HIH3610 湿度传感器。传感器以探头形式安装在车间内， 是由湿度传感器及相应调理电路组成。其中湿度传感器 HIH3610 湿度传感器， HIH3610 型湿度传感器为 Honeywell 公司生产的 HIH 系列湿度传感器。其内部装 有相对湿度与温度测量的感测装置，以高聚合物配合多孔性白金属为感测材料， 并以多孔性为带电极，同时在感测器外部利用抗水性的不锈钢多孔性烧结物将其 封装。 HIH3610 型湿度感测器是用以侦测当时空气中水蒸汽度和饱和水蒸气度的比 例关系。其工作原理为将金属氧化物粉末烧结成陶瓷物，由烧结的程度可得到一 多孔状的 物体，而此多空状的物体表面会吸收水分子中的离子，使得湿度感测 器产生物理变化，即使感测部分的材料阻抗发生改变。当湿度高时，在多孔质表 面的吸附层变得更厚，阻抗变得更低，而使电流更容易通过，因此可以很容易测 量到湿度的大小。 HIH3610 测量精度高，响应迅速，能直接将湿度信号转换为直流电压信号输 出。根据湿敏电阻在湿度改变时，阻值发生相应变化的特性，设计转换电路将采 集到的湿度信号转换为电压值，送 A/D 通道处理。HIH3610 是为大批量 OEM 设 计，具有仪表级测量性能，低成本，SIP 封装。线形放大电压输出，驱动电流 200A，适合电池供电，器件一致性好。量程：0100%RH 非凝结，宽工作温度 范围4085，高精度：2%RH，极好的线形输出 5VDC 恒压供电，0.8-3.9VDC 放大线形电压输出，低功耗设计 200A 驱动电流，激光修正互换性，快速响应 15 秒，慢流动的空气中稳定性好,抗化学腐蚀性能高。 HIH-3602-A 性能规格： 湿度感测100k 525 相对湿度精确度2RH，0100RH（非凝结状 态） ，25，5VdcDC supply 相对湿度线性特性0.5RH 相对湿度磁滞规格1.2RH of Span Maximum 相对湿度重现率0.5RH 相对湿度响应时间50s 於緩速流動空氣中25 本科生毕业设计（论文） 6 相对湿度稳定度1RH（5 年內相对湿度 50） 电源供电4.0Vdcd c to 5.8Vdcdc 电流供电2.0mA 操作经济范围0100RH（非凝结状态） 操作温度范围-4085（-40185） 温度感测精确度325 DQ VDD VA D GND DS 2430 VDD OU T GND HIH 3610 100K C202 10PF 201 10PF VD 1 VD 2 图 3.1 HIH3610 湿度传感器内部结构电路图 3.2 A/D 转换电路 本系统中，湿度为缓变信号，而且转换成的电平信号为低电平缓变信号，对 A/D 转换的要求不高，所以选用较为廉价的 ADC0809。该芯片完全可以满足设计 需要，并且可以根据需要扩展检测电路。ADC0809 是采样频率为 8 位的、以逐次 逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地 址码锁存译码后的信号，只选通 8 个单断模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。 主要特性： 1）8 路 8 位 AD 转换器，即分辨率 8 位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为 100s。 4）单个5V 电源供电 。 5）模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准。 本科生毕业设计（论文） 7 6）工作温度范围为-4085 摄氏度。 7）低功耗，约 15mW。 3.2.1 ADC0809 功能引脚介绍： IN -0 26 msb2-1 21 2-2 20 IN -1 27 2-3 19 2-4 18 IN -2 28 2-5 8 2-6 15 IN -3 1 2-7 14 lsb2-8 17 IN -4 2 EO C 7 IN -5 3 AD D-A 25 IN -6 4 AD D-B 24 AD D-C 23 IN -7 5 AL E 22 ref(-) 16 EN ABL E 9 ST ART 6 ref(+) 12 CL OCK 10 AD C0809 图 3.2 ADC0809 引脚图 引脚功能： ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8 路模拟量输入端。 2-12-8：8 位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD 转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： AD 转换结束信号，输出，当 AD 转换结束时，此端输出一个高 电平（转换期间一直为低电平） 。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 转换结束时，此端输 入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（+） 、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 本科生毕业设计（论文） 8 内部结构 ： ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 AD 转换器，内部结构如图 3.3 所示， 它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 DA 转换器、 逐次逼近 图 3.3 ADC0809 内部结构图 A/D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题 是如何确认 A/D 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用 下述三种方式。 a 定时传送方式： 对于一种 A/D 转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。 例如 ADC0809 转换时间为 128s，相当于 6MHz 的 MCS-51 单片机共 64 个机器 周期。可据此设计一个延时子程序，A/D 转换启动后即调用此子程序，延迟时间 一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 b 查询方式： A/D 转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如 ADC0809 的 EOC 端。因此 可以用查询方式，测试 EOC 的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据 传送。 c 中断方式： 把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数 EOC 8 路 模 拟 开 关 IN7 IN6 IN5 IN4 IN3 IN2 IN1 IN0 STARTCLOCK A/D 转 换 三 态 锁 存 缓 冲 器 地址锁存 与译码 ADDA ADDB ADDC ALE OE DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 本科生毕业设计（论文） 9 据传送。 不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传 送。首先送出口地址并以/RD 信号有效时，OE 信号即有效，把转换数据送上数 据总线，供单片机接受。 ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地 址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐 次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转 换正在进行。直到 AD 转换完成，EOC 变为高电平，指示 AD 转换结束，结 果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平 时，输出三 态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 3.2.2 ADC0809 与单片机的连接： VC C VC C EA /VP 31 X1 19 X2 18 RE SET 9 RD 17 WR 16 INT 0 12 INT 1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSE N 29 AL E/P 30 TX D 11 RX D 10 AT 89C51 Y 11.059M HZ 33PF 33PF R1 200K R2 1K 22uF IN-0 26 msb2-1 21 2-2 20 IN-1 27 2-3 19 2-4 18 IN-2 28 2-5 8 2-6 15 IN-3 1 2-7 14 lsb2-8 17 IN-4 2 EO C 7 IN-5 3 AD D-A 25 IN-6 4 AD D-B 24 AD D-C 23 IN-7 5 AL E 22 ref(-) 16 EN ABLE 9 STA RT 6 ref(+) 12 CL OCK 10 AD C0809 NO T 1 2 3 A 4 5 6 B P2.7 CL K 3 D 2 SD 4 CD 1 Q 5 Q 6 A 74L S74 VC C VC C 图 3.4 A/D 转换器 ADC0809 与单片机 AT89C51 连接示意图 如图 3.4，ADC0809 与 AT8951 的连接是三方面的连接：数据总线的连接、 地址总线的连接和控制总线的连接。 对于 8 位 CPUAT8951，ADC0809 的数据线 D7D0可直接连至 CPU 的数据 总线。对于 CPU 的地址总线， ADC0809 的通道选择端口 本科生毕业设计（论文） 10 ADDA，ADDB，ADDC 经过 74LS373 与之相连。ADC0809 的引脚 START 与 ALE 接在一起，连到 CPU 的/RD 与片选 CS 经与非门后的输出端，CPU 在执行 OUT 指令时能对 ADC0809 执行写操作。ADC0809 的引脚 ENABLE 连到 CPU 的 /WR 与片选 CS 经与非门后的输出端，CPU 在执行 IN 指令时能对 ADC0809 执 行读操作。 3.3 地址锁存器 地址锁存器选用 74LS373 芯片。该芯片为三态输出的 8 D 透明锁存器，它的 输出端 O0-O7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0-O7 为 正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，O0-O7 呈高阻态， 即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存 允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在已建 立的数据电平。当 LE 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰 度被改善 400mV。 OC 1 C 11 1D 3 1Q 2 2D 4 2Q 5 3D 7 3Q 6 4D 8 4Q 9 5D 13 5Q 12 6D 14 6Q 15 7D 17 7Q 16 8D 18 8Q 19 74L S373 图 3.5 74LS373 引脚图 74LS373 引出端符号： D0D7-数据输入端 OE-三态允许控制端（低电平有效） LE-锁存允许端 O0-O7-输出端 极限值: 电源电压 7V 输出高阻态时高电平电压 5.5V 工作环境温度 ：070 存储温度 ：-65150 本科生毕业设计（论文） 11 3.4 湿度采集电路 IN-0 26 msb2-1 21 2-2 20 IN-1 27 2-3 19 2-4 18 IN-2 28 2-5 8 2-6 15 IN-3 1 2-7 14 lsb2-8 17 IN-4 2 EO C 7 IN-5 3 AD D-A 25 IN-6 4 AD D-B 24 AD D-C 23 IN-7 5 AL E 22 ref(-) 16 EN ABLE 9 STA RT 6 ref(+) 12 CL OCK 10 U1 AD C0809VC C VC C OC 1 C 11 1D 3 1Q 2 2D 4 2Q 5 3D 7 3Q 6 4D 8 4Q 9 5D 13 5Q 12 6D 14 6Q 15 7D 17 7Q 16 8D 18 8Q 19 U4 74L S373 Vcc Uout GND HIH 3610 Vcc Uout GND HIH 3610 Vcc Uout GND HIH 3610 图 3.6 湿度采集系统硬件电路连接图 如图 3.6，3 个湿度传感器 HIH3610 由 VCC 供电后工作，输出电压 Uout 分 别接在 ADC0809 的 3 个输入端 IN-0IN-3。地址锁存器 74LS373D0D8 分别与 ADC0809 的 2-12-7 相连，输出端 1Q，2Q，7Q 分别与 ADC0809 的 ADD- 1,ADD-B,ADD-C 相连，目的是进行地址选择和地址锁存，从而分别选取 3 个湿 度传感器的输出信号，保证数据选取准确。 3.5 单片机 本次设计选用 AT89C51 单片机。AT89C51 单片机是美国 ATMEL 公司生产 的带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压,高性能 CMOS8 位微处理器,俗称单片机。 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的 可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储 器制造技术制造,与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控 制器。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 本科生毕业设计（论文） 12 主要特性： 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 管脚说明： EA /VP 31 X1 19 X2 18 RE SET 9 RD 17 WR 16 IN T0 12 IN T1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PS EN 29 AL E/P 30 TX D 11 RX D 10 AT 89C51 图 3.7 AT8951 引脚图 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口,每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时,被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器, 本科生毕业设计（论文） 13 它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时,P0 口作为原码输入口,当 FIASH 进行校验时,P0 输出原码,此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P1 口缓冲器能接收 输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后,被内部上拉为高,可用作输入,P1 口被外部 下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时, P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口,P2 口缓冲器可接收,输出 4 个 TTL 门电流,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 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时,P2 口输 出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数 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 和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口,可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入, 由于外部下拉为低电平,P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口,如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（记时器 0 外部输入） P3.5 T1（记时器 1 外部输入） 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） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时,要保持 RST 脚两个机器周期的高电平 时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。在 FLASH 编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE 端以不变 的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输 出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时,将跳过 一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时, ALE 只 本科生毕业设计（论文） 14 有在执行 MOVX,MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果 微处理器在外部执行状态 ALE 禁止,置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,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）,不管是否有内部程序存储器。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,此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间,此引脚 也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。 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。 振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置 为片内振荡器。石晶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。有余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。 芯片擦除： 整个 PEROM 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。 此外,AT89C51 设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种 软件可选的掉电模式。在闲置模式下,CPU 停止工作。但 RAM,定时器,计数器,串 口和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存 RAM 的内容并且冻结振荡器,禁止所 用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。 3.6 时钟电路 3.6.1 时钟芯片功能介绍： 时钟芯片选择 DS12B887，它满足设计需要。 它的主要特点有： 可作为 IBM AT 计算机的时钟日历 与 MC14681B 和 DS1287 的管脚兼容 在没有外部电源的情况下可工作 10 年 自带晶体振荡器及电池 本科生毕业设计（论文） 15 可计算早 2100 年前的秒，分，小时，星期，日期，月，年七种日历信息 并带闰年补偿 用二进制码或 BCD 码代表日历和闹钟信息 有 12 和 24 小时两种制式，12 小时制式有 AM 和 PM 提示 可选用夏令时模式 可以应用与 MOTOTOLA 和 INTEL 两种总线 数据/地址总线复用 内建 128 字节 RAM，14 字节时钟控制寄存器，114 字节通用 RAM 可编程方波输出 总线兼容中断 三种可编程中断 时间性中断可产生每秒一次直到每天一次中断 周期性中断 122ms 到 500ms 时钟更新结束中断 管脚说明： SQ W 23 IRQ 19 AD 0 4 AD 1 5 AD 2 6 AD 3 7 AD 4 8 AD 5 9 AD 6 10 AD 7 11 DS 17 RC LR 21 CS 13 AS 14 R/W 15 NC 1 NC 2 NC 3 NC 16 NC 18 NC 20 NC 22 DS 12B887 图 3.8 DS12B887 引脚图 MOT(总线模式选择):当此引脚接到 VCC 时，选用的是 MOTORALA 总线时 序：当它接到地或者不接时，选用的是 INTEL 总线时序。 SQW（方波输出）：当 VCC 低于 4.25V 时没有作用。 AD0AD7：双向数据、地址复用总线。 AS：地址所存。 DS：当系统选择的是 INTEL 总线模式时，DS 被称作 RD。当它有效时表示 DS12887 正在往总线输出数据。RD 信号线在有寄存器芯片上称作 OE 信号线。 本科生毕业设计（论文） 16 CS：片选输入。当 VCC 低于 4.25V 时，DS12887 从内部禁止对外部 CS 的 操作，此时时钟和 RAM 都被保护起来。 IRQ：中断请求输出。当中断状态位和对应的中断允许位有效时，IRQ 的输 出保持为低。复位和读 C 寄存器都可以清除 TRQ 中断信号。没有中断时，IRQ 呈高阻状态，其他中断源还可以挂接到中断总线上，由于 IRQ 是漏极输出，所以 需要外接上拉电阻。 RESET：复位引脚。系统上电时复位脚要保持低电平 200ms 以上 DS12887 才可以正常工作。当复位引脚为低并且 VCC 高于 4.25V 时，一下情况发生： A 周期中断允许位清 0 B 闹钟中断允许位清 0 C 更新完成中断标志位清 0 D 中断请求状态标志位清 0 E 周期中断标志位清 0 F 当 RESET 为低时 DS12887 不可操作 G 闹钟 UIP：更新位用来标志芯片是否即将进行更新。 当 UIP 位为 1 时，更新即将开始，当它为 0 时，表示在至少 0.244ms 内芯片不会更新，此时时钟，日历和闹钟信息可以通过读写相应的字 节获得和设置。 UIP 位为只读位且不受复位信号的影响。通中断标志位清 0 H IRQ 呈高阻状态 I 方波输出允许位清 0 J 更新完成中断允许位清 0 DS12b887 有四个控制寄存器，他们可以在任何时候读写。 过吧寄存器 B 中的 SET 位设置为 1 可以禁止更新并将 UIP 位清零。 DV0,DV1,DV2: 这 3 位是用来开关晶体振荡器和复位分频器。 当DV0 DV1 DV2=010时，晶体振荡器开启，并且保持时钟运行。 当DV0 DV1 DV2=11X时，晶体振荡器开启，但分频器保持复位状态。 RS3,RS2,RS1,RS0 作用： 设置周期中断允许位，设置方波输出允许位，两位同时设置为有效并且设置 频率，全部禁止。 周期性终端率和方波中断率表列出了可通过 RS 寄存器选择的周期中断的频 率和方波的频率。这四个可以读写的位不受复位信号影响。 本科生毕业设计（论文） 17 SET:当 SET=0，芯片更新正常进行 当 SET=1,芯片更新被禁止 SET 位可读写，并不会受复位信号影响 PIE:当 PIE=0，禁止周期中断输出到 IRQ 当 PIE=1，允许周期中断输出到 IRQ AIE:当 AIE=0，禁止闹钟中断输出到 IRQ 当 AIE=1，允许闹钟中断输出到 IRQ UIE:当 UIE=0，禁止更新结束中断输出到 IRQ 当 UIE=1,允许更新结束中断输出到 IRQ 此位在复位或设置 SET 为高时清 0 SQWE:当 SQWE=0，SQW 脚为低 当 SQWE=1，SQW 输出设定频率的方波 DM:DM=1,BCD DM=1,二进制，此位不受复位信号影响 24/12:此位为 1，24 时制 为 0，12 小时制 IRQF：当一下情况中的一种或几种发生时，中断请求标志位置高 PF=PIE=1 AF=AIE 1 UF=UIE=1 IRQF=PFPIE+AFAIE+UFUIE IRQF 且为高 IRQ 脚输出低 所有标志位在读寄存器 C 或复位后清 0 PF：周期中断标志 AF：闹钟中断标志 UF：更新中断标志 VRT：当 VRT=0 时表示内置电池能量耗尽，此时 RAM 中的数据的正确性就 不能保证了 本科生毕业设计（论文） 18 3.6.2 时钟芯片与单片机的连接： VC C VC C EA /VP 31 X1 19 X2 18 RE SET 9 RD 17 WR 16 IN T0 12 IN T1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PS EN 29 AL E/P 30 TX D 11 RX D 10 AT 89C51 Y 11.059M HZ 33PF 33PF R1 200K R2 1K 22uF SQ W 23 IRQ 19 AD 0 4 AD 1 5 AD 2 6 AD 3 7 AD 4 8 AD 5 9 AD 6 10 AD 7 11 DS 17 RC LR 21 CS 13 AS 14 R/W 15 NC 1 NC 2 NC 3 NC 16 NC 18 NC 20 NC 22 DS 12B887 RD AL E/P P2.3 WR P2.3 图 3.9 时钟电路 DS12B887 与单片机 AT89C51 连接示意图 单片机 AT89C51 的 P00P07 分别与 DS12B887 的 AD0AD7 相连， DS12B887 的 IRQ，DS，AS 和 R/W 相连。 3.7 按键电路 为了完成预定湿度值的设置，系统中设置了 5 个按键，分别为复位键，加一 键，减一键，设定键和确认键。通过按键电路可以在不同的季节及不同的天气对 室内所需要湿度检测电路控制湿度的范围进行有效的调节。在本湿度检测系统中， 除了把一个独立的按键用作开始键外，利用了一种新型的键盘电路，它可以最大 限度地减少键盘电路对 I/O 端口的占用。 这种电路可以使按键次数达到 16 个，其软件处理使用了端口访问和扫描检 测两种方法，同时由于采用了组合逻辑来直接对端口进行读取，因此极大地简化 了程序的处理过程，同时也节省了宝贵的存储器和 CPU 运算资源。 本科生毕业设计（论文） 19 3.8 报警电路 当所检测室内湿度超过或低于所设定值时，报警电路便发出报警，提醒工作 人员对湿度进行控制。 VC C EA /VP 31 X1 19 X2 18 RE SET 9 RD 17 WR 16 INT 0 12 INT 1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSE N 29 AL E/P 30 TX D 11 RX D 10 AT 89C5 1 VC C R1 200 K R2 1K Y 11.059M HZ 33PF 22u F 33PF 10K R6 10K R4 10K R5 10K R3 VC C S2 S3 S4 S5 VC C 10K R7 LS1 Q1 R8 300 图 3.10 键盘电路 报警电路和单片机 AT89C51 连接示意图 键盘电路 4 个输出口分别接在 AT89C51 的 P10P134 个输入口，报警电路的 输入口与 AT89C51P2 口其中一个相连。 3.9 显示电路 显示电路采用 8 位 LED 显示电路对湿度值和温度值进行实时显示。锁存驱 动电路选用了 74LS164 芯片。在单片机系统中， 如果并行口的 IO 资源不够，而 串行口又没有其他的作用， 那么我们可以用 74LS164 来扩展并行 IO 口，节约单 本科生毕业设计（论文） 20 片机资源。74LS164 是一个串行输入并行输出的移位寄存器。并带有清除端。 其中; Q0Q7 并行输出端 。 A,B 串行输入端。MR 清除端，为 0 时，输出 清零。CP 时钟输入端。 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7