奶粉烘干过程微机控制毕业设计论文.doc

摘 要在21世纪的今天，随着经济的发展，温度及湿度的测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得目标的温度、湿度信息是十分重要的，近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，而在食品行业也在广泛应用者。食品都是有保质期的，所以食品温湿度的保持对其质量的保障显得尤为重要。针对此领域的发展方向，本文介绍了温湿度自动检测系统。本系统是以AT89S51单片机为控制单元、温度传感器AD590、湿度传感器SH1101为主要检测器件，实现温度、湿度的测量、显示、报警、保存。关键词：单片机 温湿度 A/ D 转换IV AbstractIn the 21st century today,With the development of economy, moisture and humidity measurement and control of human daily life, industrial production, weather forecast, material storage and so on all play a very important role. On many occasions, to obtain the target temperature and humidity accurately and timely information is very important, in recent years, the temperature and humidity measurement and control field is developing rapidly, and with the development of digital technology, temperature and humidity measurement and control of the chip also corresponding boarded the stage of history, In the food industry are also widely applicators. Food is a shelf life, so keep food temperature and humidity on the quality of its security is particularly important.For this area of development, this paper, based on the temperature, humidity detection system. AT89S51 SCM is the system for the control unit, temperature and humidity sensor SH1101 as the main detection devices, temperature, humidity measurements, display, alarm and preserve. Keywords： single chip temperature and humidity A/ D transfer目 录第1章 绪 论- 1 -1.1 选题背景及意义- 1 -1.2 设计过程及工艺要求- 2 -1.2.1 基本功能- 2 -1.2.2 主要技术参数- 3 -第2章 方案的比较和论证- 4 -2.1 温度传感器的选择- 4 -2.1.1 采用热电阻温度传感器- 4 -2.1.2 采用AD590温度传感器- 5 -2.2 湿度传感器的选择- 5 -2.2.1 采用HOS-201湿敏传感器- 5 -2.2.2 采用HS1100/HS1101湿度传感器- 6 -2.3 A/D转换器的选择- 6 -2.3.1 采用AD7874转换器- 6 -2.3.2 采用ADC0809转换器- 7 -第3章 系统硬件设计- 8 -3.1 信号采集- 8 -3.1.1 温度传感器- 8 -3.3.2 湿度传感器- 11 -3.2 信号分析与处理- 14 -3.2.1 A/D转换- 14 -3.3 单片机AT89S51- 16 -3.3.1 主要特性- 16 -3.3.2 内部结构- 16 -3.3.3 外部特性（引脚功能）- 18 -3.3.4 工作方式- 19 -3.3.5 数据存储器的掉电保护- 20 -3.3.6 中断系统- 20 -3.4 显示与报警的设计- 21 -3.4.1 显示电路- 21 -3.4.2 报警电路- 22 -第4章 系统软件设计- 24 -4.1 系统软件设计特点- 24 -4.2 温度控制主程序- 24 -4.3 PID控制规律- 25 -4.4 程序框图- 26 -总 结- 30 -致 谢- 31 -参考文献- 32 -附录1：奶粉烘干过程微机控制原理图- 33 -附录2：奶粉烘干过程微机控制程序清单- 34 -第1章 绪 论 1.1 选题背景及意义2000年后，因为我国经济的迅速发展，乳制品市场转变成一个很大的市场，且因巨大消费群体，更可划分为高、中、低三个消费层次。为了调节大陆市场供应与需求，除了从海外的日本、新西兰等国进口将近30万吨乳制品以应付高中消费层次外，中国大陆绝大多数消费群体，包括婴幼儿，还是以我国自主生产的产品为主。在此因素下，知名三鹿牌顺势推出以一袋18元人民币（约3美金），不到进口奶粉价格一半价格婴幼儿配方奶粉以应付大规模的奶业市场，之后并成为大陆重要且知名婴幼儿奶粉品牌，多年蝉联该中国大陆自制乳品市场的首位。2008年9月8日甘肃岷县14名婴儿同时患有肾结石病症，引起外界关注。至2008年9月11日甘肃全省共发现59例肾结石患儿，出现了一些“大头娃娃”，部分患儿已发展为肾功能不全，同时已死亡1人，这些婴儿均食用了三鹿18元左右价位的奶粉。经检测，奶粉中掺入了大量的三聚氰胺。奶粉中蛋白质的含量尤为重要，而蛋白质的基本单位是氨基酸，质检部门主要通过检测氨基酸中氮元素的含量来确定蛋白质的多少。但是蛋白质价值不菲，而三聚氰胺中的氮元素含量较高，于是一些不法奶粉生产厂家就通过大量添加三聚氰胺来提高蛋白质的含量。三聚氰胺是一种化工原料，人如果长期食用会导致人体泌尿系统膀胱、肾、产生结石，并可诱发膀胱癌。这场非常严重的奶粉污染事件经过国家政策的干预，终于得以解决。以上事件证明奶粉污染和奶粉的烘干没有任何关系，是生产的环节出了问题，但是奶粉的烘干过程同样重要。奶粉是将牛奶除去水份后制成的粉末，它适宜保存。奶粉是以新鲜牛奶或羊奶为原料，用冷冻或加热的方法，除去乳中几乎全部的水分，干燥后添加适量的维生素、矿物质等加工而成的食品。提高奶粉烘干效率，降低烘干费用，从而降低成本，以进一步扩大淀粉的工业应用等要求显的日益紧迫。奶粉烘干的质量，直接影响到后道工序奶粉的正常生产，包括奶粉生产的出率、质量和产量。因此，奶粉烘干是奶粉生产工艺中非常重要的工序之一。奶粉烘干的目的是把湿润的奶粉烘干加工来得到干燥的优质奶粉，以便奶粉的存放。1.原料用于生产奶粉的牛乳必须在一级品以上，酸度超过20T会严重影响奶粉的溶解度，在保藏过程中容易发生酸败。奶粉在复水后应还原到鲜乳状态，因此，原料乳需标准化到鲜乳国标要求。2.预热杀菌由于奶粉在常温的保藏期长，脂肪酶、蛋白酶、过氧化物酶的残留会对产品的风味、色泽造成严重影响，必须加以钝化；此外，产品中不得有致病菌检出，大肠杆菌和杂菌数也有严格标准。3.真空浓缩牛乳的87以上都是水，未经浓缩直接干燥的奶粉有许多缺点，通过浓缩可以约能源和设备，喷雾干燥时蒸发1Kg水需耗用2.83.2Kg蒸汽，真空浓缩只需11.2Kg；未浓缩乳喷干需要的干燥室体积比正常的大三分之一，设备投资高；便于包装，直接干燥奶粉因颗粒小、密度低，包装过程中容易发生粉尘飞扬和粘滞，包装材料也需多耗10。4.干燥 这是本文研究的重点问题，其工艺将在后文中具体介绍。5.冷却干燥后奶粉的温度通常都在6072，温度的高低是根据颗粒大小与在干燥室中滞留位置及工艺条件而定。传统的冷却方法是将奶粉放入专用的不锈钢箱内，在室温下自然冷却数小时之后筛粉，更先进的是通过干燥室内附带的冷却装置冷却，或使奶粉在卸粉过程中通过自动筛网，并用符合食品卫生要求的冷风进行冷却，使奶粉温度降至2530，低于脂肪熔点。单片机是本系统的核心，它控制本系统的各种功能，因此选择性能可靠的单片机就显得尤为重要，考虑到满足功能要求、性价比、货源保证、开发手段等因素,本次设计采用软件技术成熟、性价比高的一种低功耗、高性能的8位单片机AT89S51。 1.2 设计过程及工艺要求1.2.1 基本功能检测温度、湿度显示温度、湿度控制温度、湿度温湿度过限报警1.2.2 主要技术参数 温度检测范围 ： -30-+150测量精度 ： 0.5湿度检测范围 ： 10%-100%RH检测精度 ： 2%RH显示方式 ： 四位数码管LED显示 报警方式 ： 三极管驱动的蜂鸣器报警第2章 方案的比较和论证单片机AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,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8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51。当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。2.1 温度传感器的选择2.1.1 采用热电阻温度传感器热电阻（thermal resistor）是中低温区最常用的一种温度检测器。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。金属热电阻常用的感温材料种类较多，最常用的是铂丝。工业测量用金属热电阻材料除铂丝外，还有铜、镍、铁、铁镍等。铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。按IEC标准测温范围-200650，百度电阻比W（100）=1.3850时，R0为100和10，其允许的测量误差A级为（0.15+0.002 |t|），B级为（0.3+0.005 |t|）。铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。在工业中用于-50180测温。2.1.2 采用AD590温度传感器AD590适用于150C以下,目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用，它的测温范围在-55+150之间，而且精度高。M档在测温范围内非线形误差为0.3。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，借口也很简单。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。综合比较上述两种方案，发现AD590更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。2.2 湿度传感器的选择和测量重量、温度一样，选择湿度传感器首先要确定测量范围。除了气象、科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程(0-100%RH)测量。在当今的信息时代，传感器技术与计算机技术、自动控制技术紧密结合着。测量的目的在于控制，测量范围与控制范围合称使用范围。多数情况下，如果没有精确的控温手段，或者被测空间是非密封的，5%RH的精度就足够了。对于要求精确控制恒温、恒湿的局部空间，或者需要随时跟踪记录湿度变化的场合，再选用3%RH以上精度的湿度传感器。国家标准物质研究中心湿度室的文章认为：“相对湿度测量仪表，即使在2025下，要达到2%RH的准确度仍是很困难的。”测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。2.2.1 采用HOS-201湿敏传感器HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ1KHZ，测量湿度范围为0100%RH，工作温度范围为050，阻抗在75%RH（25）时为1M。这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效利用其线性特性。2.2.2 采用HS1100/HS1101湿度传感器HS1100/HS1101电容传感器，基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。在需要湿度补偿的场合它也可以得到很大的应用。在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在1%-100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/。可见精度是较高的。HS1101湿度传感器特点：1.全互换性 在标准环境下不需要进行校正；2.长时间饱和下能够快速降低湿度；3.可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸的焊接；4.具有高可靠性与长时间稳定性；5.专利的固态聚合物结构；6.可用于线性电压或频率输出回炉；7.反应时间比较迅速；综合比较方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。而且还不具备在本设计系统中对温度10150的要求，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。2.3 A/D转换器的选择2.3.1 采用AD7874转换器A/D转换器能够很好的满足交流采样的技术，具有10V的输入范围，4个模拟信号输入通道，4通道可以同时进行采样，每通道内置跟踪保持器，从而消除由于各通道不同而产生的舍入误差。小于2n的孔隙延迟，允许多片联合，以扩展模拟通道的数目，但是会造成相位误差。2.3.2 采用ADC0809转换器 ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。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路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。但是由于本设计中只用到了一个温度传感器和一个湿度传感器，所以用A/D转换器ADC0809即可，而且价格也低于AD7874转换器。 综上所述，选择ADC0809转换器更为合适。第3章 系统硬件设计本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以AT89S51基本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、显示、报警电路、系统软件等部分的设计。系统总体框图如图31所示。图3-1 系统总体框图 本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。 信号采集：由AD590温度传感器和HS1101湿度传感器组成； 信号分析：由A/D转换器ADC0809、单片机AT89S51基本系统组成； 信号处理：由串行口LED数码管显示器和报警系统等组成。3.1 信号采集3.1.1 温度传感器AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。1.主要特性在4 V至30 V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1 A/K。片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K (25C)时输出298.2 A电流。AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图3-2所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。图3-2 集成温度传感器的电路流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：I T/T=1A /K式中：IT 流过器件（AD590）的电流，单位A。T热力学温度，单位K。AD590的测温范围-55- +150。AD590的电源电压范围为4V-30V。电源电压可在4V-6V范围变化，电流IT变化1A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。输出电阻为710M。精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线形误差0.3。2.AD590的工作原理在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和530V的直流电源相连，并在输出端串接一个1k的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mVK的电压信号。对于AD590，n8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图3-3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1AK的I值。3.基本应用电路图3-3是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1k时，输出电压V0随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电路进行调整，调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只保证在0或25附近有较高的精度。图3-3 AD590应用电路如图34为AD590的温度与电流对应关系表。表3-4 AD590温度与电流的对应关系表摄氏温度（单位：）AD590电流（单位：uA）经10K电压（单位：V）-10263.22.6320273.22.73210283.22.83220293.22.93230303.23.03240313.23.13250323.23.23260333.23.332100373.23.7324.AD590主要特性1、流过器件的电流(A) 等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数：Ir/T=1 (1)式中，Ir流过器件(AD590) 的电流，单位为A；T热力学温度，单位为K；2、AD590的测温范围为- 55+150；3、 AD590的电源电压范围为430 V，可以承受44 V正向电压和20 V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；4、 输出电阻为710 m；5、精度高，AD590在- 55+-150范围内，非线性误差仅为0.3。5.摄氏温度测量电路如图3-3所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0时调整R2，使输出V0=0，然后在100时调整R4使V0=100mV。如此反复调整多次，直至0时，V0=0mV，100时V0=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25，那么V0应为25mV。冰水混合物是0环境，沸水为100环境。3.3.2 湿度传感器测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。下面 介绍HS1101湿度传感器及其应用。1.特点不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。图3-5a为湿敏电容工作的温、湿度范围。图3-5b为湿度-电容响应曲线。图3-5a 湿敏电容工作的温、湿度范围 图3-5b 湿度-电容响应曲线相对湿度在1%-100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/。可见精度是较高的。2.特征参数最大反应参数：工作温度 Ta -40100 储存温度 Tstg -40125 供电电压 Vs 10 Vac湿度范围 RH 0100 %RH焊接时间 T=260 t 10 S湿度测量范围 RH 1 99 5供电电压 Vs 5 10 V标称电容 55%RH C 177 180 183 pF温度效应 Tcc 0.04 pF/平均灵敏度 (33%75%RH) C/%RH 0.34 pF/%RH漏电流 Ix 1 nA恢复时间 150小时结露 tr 10 s迟滞 +/-1.5 %长时间稳定性 0.5 %RH/yr反应时间 ta 5 S曲线精度 （10%90%） +/-2 %RH3.湿度测量电路HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于运方与租蓉组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集19。频率输出的555测量振荡电路如图3-6所示。集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C，构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，R3 是防止输出短路的保护电阻，R1 用于平衡温度系数。图3-6 频率输出的555振荡电路该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源Vs通过R4、R2 向C充电，经t充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67Vs，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33us。此时输出，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。其中，充放电时间为t充电=C（R4+R2）Ln2t放电=CR2 Ln2因而，输出的方波频率为f=1/(t放电+t充电)=1/ C（R4+R2）Ln2可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表3-2给出了其中的一组典型测试值。表3-7 空气湿度与电压频率的典型值湿度(RH%) 频率(HZ) 湿度(RH%) 频率(HZ)0 7351 60 6600 10 7224 70 646820 7100 80 630030 6976 90 616840 6853 100 603350 67283.2 信号分析与处理3.2.1 A/D转换ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。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路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。所以本次设计选择ADC0809A/D转换器。1.主要特性(1)8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。(2)具有转换起停控制端。(3)转换时间为100s(时钟为640KHz时)，130s（时钟为500KHz时）。(4)单个+5V电源供电。(5)模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。(6)工作温度范围为-40+85摄氏度。(7)低功耗，约15mW。2.芯片引脚图表3-8 ADC0809A/D转换器芯片引脚图3.引脚功能及外部特性(1)IN0IN7：8路模拟量输入端。(2)2-12-8：8位数字量输出端。(3)ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。(4)ALE：地址锁存允许信号，输入端，高电平有效。(5)START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。(6)EOC： A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。(7)OE：数据输出允许信号，输入端，高电平有效。当A/D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。(8)CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。(9)REF（+）、REF（-）：基准电压。(10)Vcc：电源，单一+5V。(11)GND：地。4.工作方式转换数据的传送 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。(1)定时传送方式对于一种A/D转换器来说，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。(2)查询方式A/D转换芯片有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，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。(3)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，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，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。3.3 单片机AT89S51AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。3.3.1 主要特性与AT89S51单片机产品兼容，采用0.35新工艺，降低成本具有带电源关闭标识4K字节在系统可编程Flash存储器烧写寿命更长 1000次擦写周期全静态工作：0Hz33MHz32个可编程I/O口线2个16位定时器/计数器6个中断源全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式掉电后中断可唤醒内部集成看门狗计时器双数据指示器及全新加密算法，程序的保密性大大加强，保护知识产权灵活的ISP编程（字或字节模式） 4.0-5.5V电压工作范围3.3.2 内部结构它可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时/计数器和中断逻辑几个部分。 CPU由运算器和控制逻辑构成。其中包括若干特殊功能寄存器（SFR） AT89S51时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式。 AT89S51在物理上有四个存储空间：片内/片外程序存储大路、片内/片外数据存储器。片内有256B数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。除此之外，还可以在片外扩展RAM和ROM，并且和有64KB的寻址范围。 AT89S51内部有一个可编程的、全双工的串行接口。它串行收发存储在特殊功能寄存器SFR的串行数据缓冲器SBUF中的数据。AT89S51共有4个（P0、P1、P2、P3口）8位并行I/O端口，共32个引脚。P0口双向I/O口，用于分时传送低8位地址和8位数据信号；P1、P2、P3口均为准双向I/O口；其中P2口还用于传送高8位地址信号；P3口每一引脚还具有特殊功能，用于特殊信号的输入输出和控制信号。AT89S51内部有两个16位可编程定时器/计数器T0、T1。最大计数值为216-1。工作方式和定时器或计数器的选择由指令来确定。如图39、310所示。图3-9 AT89S51时钟电路表3-10 P3口引脚的特殊功能引脚号 第二功能P3.0 RXD(串行输入)P3.1 TXD(串行输出)P3.2 INT0(外部中断0)P3.3 INT0(外部中断0)P3.4 T0(定时器0外部输入)P3.5 T1(定时器1外部输入)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器写选通)中断系统允许接受5个独立的中断源，即两个外部中断，两个定时器/计数器中断以及一个串行口中断。3.3.3 外部特性（引脚功能）AT89S51芯片有40条引脚，双列直插式封装引脚图如3-11所示：Vcc(40)：电源+5VVss(20): 接地XTAL1（19）和XTAL2（18）：使用内部振荡电路时，用来接石英晶体和电容；使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。P0口（3932）：双向I/O口，既可作地址/数据总线口用，也可作普通I/O口用。P1口（18）：准双向通用I/O口。P2口（2128）：准双向口，既可作地址总线口输出地址高8位，也可作普通I/O口用。P3口（1017）：多用途口，既可作普通I/O口，也可按每位定义的第二功能操作。ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出端。在访问片外丰储器时，若ALE为有效高电平，则P0口输出地址低8位，可以用ALE信号作外部地址锁存信号。公式fALE=1/6fOSC ,也可作系统中其它芯片的时钟源。第二功能PROG是对EPROM编程时的编程脉冲输入端。 RST/VPD（9）：复位信号输入端。AT89S51接能电源后，在时钟电路作用下，该脚上出现两个机器周期以上的高电平，使内部复位。第二功能是VPD，即备用电源输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，VPD将为RAM提供备用电源，发保证存储在RAM中的信号不丢失。 EA/Vpp(31):内部和外部程序存储器选择线。EA=0时访问外部ROM 0000HFFFFH；EA=1时，地址0000H0FFFH空间访问内部ROM，地址1000HFFFFH空间访问外部ROM。 PSEN（29）：片外程序存储器选通信号，低电平有效。 图3-11 AT89S51芯片引脚图3.3.4 工作方式它的工作方式可以分做复位，掉电和低功耗方式等。1.复位方式当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。 根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。如图312。 图3-12 单片机的复位电路2.掉电和低功耗方式人们往往在程序运行中系统发生掉电的故障，使RAM和寄存器中的数据内容丢失，使人们丢失珍贵的数据而束手无策，AT89S51有掉电保护，是先把有用的数据保存，再用备用电源进行供电。3.3.5 数据存储器的掉电保护单片机系统内的RAM数据是非常容易丢失的，特别是一些珍贵的科研数据，一旦丢失后果不堪设想，因此掉电保护是必须要做的，一旦电源发生掉电现象，在掉电的瞬间系统能自动保护RAM中的数据和系统的运行状态，当电源恢复正常供电后能恢复到掉电前的工作状态。3.3.6 中断系统1中断：程序执行过程中，允许外部或内部事件通过硬件打断程序的执行，使其转向为处理内部事件的中断服务程序中去；完成中断服务的程序后，CPU继续原来被打断的程序，这样的过程称为中断过程。2中断源：能产生中断的外部和内部事件。AT89S51有5个中断源：1. INT0：外部中断0请求，低电平有效。通过P3.2引脚输入。2.INT1：外部中断1请求，低电平有效。通过P3.3引脚输入。3.T0：定时器/计数器0溢出中断请求。4.TI：定时器/计数器1溢出中断请求。5.TXD/RXD：串行口中断请求。当串行口完成一帧数据的发送或接收时，便请求中断。每一个中断源都对应一个中断请求标志位，它们设置在特殊功能寄存器TCON和SCON中。当这些中断源请求中断时，相应的标志分别有TCON和SCON中的相应位来锁存。3.4 显示与报警的设计3.4.1 显示电路在单片机应用系统设计中，一般都是把按键和显示器放在一起考虑。本设计是利用AT89S51的串行口实现按键/显示器接口。当AT89S51的串行口未作它用时，使用AT89S51的串行口来外扩键盘/显示器。应用AT89S51的串行口方式0的输出方式，其硬件接口电路如图3-13所示。图3-13 按键及显示与单片机的硬件接口3.4.2 报警电路蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管和一个电源滤波电容。1蜂鸣器发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流/方波）等。这些都可以根据需要来选择。2续流二极管蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬变，因此必须有一个续流二极管提供续流。否则，在蜂鸣器两端会产生几十伏的尖峰电压，可能损坏驱动三极管，并干扰整个电路系统的其它部分。3滤波电容滤波电容C1的作用是滤波，滤除蜂鸣器电流对其它部分的影响，也可改善电源的交流阻抗，如果可能，最好是再并联一个220uF的电解电容。4三极管三极管Q1起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声1。峰鸣器报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过AT89S51的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动，而本设计采用三极管来增加蜂鸣器的电流。在图中，P3.4接晶体管基极输入端。当P3.4输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P3.4输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。报警电路如图3-15所示： 图3-15 三极管驱动的峰鸣音报警电路本设计是为在温湿度测量中对温湿度的上下限超出是的提示报警，接口位于单片机AT89C51的P3.4口，但温湿度过限时，P3.4口被置0，本系统开始工作。第4章 系统软件设计4.1 系统软件设计特点应用系统中的应用软件是根据系统功能要求设计的，应可靠的实现系统得各项功能。应用系统种类繁多，应用系统软件各不相同，但是一个优秀的应用软件都应具有下列特点：软件结构清晰，简洁，流程合理。各功能程序实现模块化，子程序化，便于调试，链接，又便于移植，修改。程序存储区，数据存储区规划合理，既能节约内存容量，又使操作方便。运行状态实现标志化管理，各功能程序运行状态，运行结果以及运行，要求设置状态标志以便查询，程序的转移运行，控制都可以通过状态标志条件来控制。经过调试修改后的程序应进行规范，除去修改的痕迹，规范化的程序便于交流、借鉴，也为今后的软件模块化，标准化打下基础。实现全面软件干扰设计，软件干扰是计算机应用系统提高可靠性的有力措施。4.2 温度控制主程序 温度控制主程序的设计应考虑以下问题：键盘扫描、键码识别和温度显示；温湿度采样，数字滤波；越限报警和处理；温度标度转换。通常，符合上述功能的温度控制程序由主程序和T0中断服务程序两部分组成。这