基于单片机的湿度测量控制仪设计

济南大学 泉城学院 毕业设计 - I - 摘 要 本设计为 一种以 AT89C51 单片机 和 HS1101 湿度传感器 为核心的 湿 度控制 系统 。该 系统可以实时检测湿度值 显示出来 并可以进行控制 。硬件电路主要包括 AT89C51单片机最小系统，测湿电路、 时钟电路、 数码 显示电路 、键盘处理电路 以及 控制 电路等 ,本机 选择高精度的 HS1101 电容式湿度传感器，当环境湿度发生变化时，湿度传感器的电容随着湿度的变化而变化，然后将变化的电容通过转换电路转换为与之对应变化的频率，频率经过 光耦电路 消除杂波后送入到单片机中，单片机对采集到的信号进行运算并通过查表得到相应的湿度值，之后 通过单片机的外部接口电路显示该湿度值。本机可以通过键盘设定湿度值，中央控制系统将设定值与检测值进行比较，检测值低于设定值的话，控制系统就会通过继电器接通电路进行加湿。与传统的测试方法相比，本湿度控制系统具有可靠性高、精度高、性价比高等优点。适合湿度的自动测量和控制，使设备和系统运行在最佳状态，从而保证生产、生活的高效、舒适。 关键词： 单片机；湿度； 自动 控制 ； HS1101 济南大学 泉城学院 毕业设计 - II - ABSTRACT In this paper The design is based on AT89C51 MCU and HS1101 humidity sensor as the core of the humidity control system. The system can real-time detect the humidity values are displayed and can be controlled. The hardware circuit mainly includes AT89C51 minimum system microcontroller, humidity measurement circuit, clock circuit, digital display circuit, keyboard circuit and control circuit etc., The selection of HS1101 capacitive humidity sensor with high accuracy, when the environmental temperature changes, capacitive humidity sensor varies with humidity changes, then the change in capacitance through the corresponding conversion circuit for converting and changing frequency, frequency through the optocoupler circuits eliminate clutter into to the MCU, signal microcontroller acquisition of the operation and the look-up table to obtain the corresponding humidity, the humidity value is displayed through the external interface circuit of scm. The humidity value can be set through the keyboard, central control system will set the value was compared with test value, the value is lower than the set value of detection, control system will be connected to the circuit by the relay. Compared with the conventional testing method, the humidity control system has high reliability, high precision, high cost-effective advantages. Automatic measurement and control for the humidity, the equipment and the system run in the best condition, in order to ensure the production, efficient, comfortable life. Key words： SCM； Humidity； automatic control； HS1101 济南大学 泉城学院 毕业设计 - III - 目 录 摘要 . . . . . I ABSTRACT . . . .II 1 前言 . . . .1 1.1 国内外研究 . . . .1 1.2 研究 目的及意义 . . . .1 1.3 设计内容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 2 硬件 电路 设计 原理 和 结构 . . . . . .3 2.1 硬件 电路 总体设计 .3 2.2 硬件 电路 单元设计 原理和结构 . .3 2.2.1 单片机 时钟 电路 . .3 2.2.2 单片机 复位 电路 .4 2.2.3 数据采集单元 . .5 2.2.4 按 键 单元 . .9 2.2.5 数码 显示单元 . .10 2.2.6 控制单元 . .12 2.3 整 机 电路 . .12 2.3.1 整机 电路图 . .13 2.3.2 整机 电路 PCB 板图 . .14 3 软件系统设计 . . . . . .15 3.1 软件系统整体设计 . .15 3.2 软件系统 子程序 流程图 .16 3.2.1 数据采集子程序流程图 .16 3.2.2 按键处理 子程序 流程图 . .17 3.2.3 数码管显示 子程序流程图 .17 3.2.4 控制 子程序流程图 . . . .18 4 误差分析 . . . .20 5 使用说明书 . . . .21 结论 . . . . . . . .22 参考文献 . . . . . .23 致谢 . . . . .24 附录 . . . . . . . . . . . 25 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 1 - 1 前言 1.1 国内外研究 湿度测量技术 的发展 已有 200 多年了 ，人们 偶然发现了人的 头发随空 气 的 湿度变化而 变 短的现象， 并由此 制成了毛发湿度计。但是人们对于湿度传感器的认识，是从1938 年美国 科学家 研制的 氯化锂湿敏元件 开始的。 湿度测 量和控制技术 控的发展 大体经历了三个时期 ： 分立式 的 湿度测量 时代 ；模拟集成湿度传感器 时代 ；智能湿度传感器 时代 。 半导体湿敏元件 和 电阻湿度计 ，都属于 分立式 的 湿度测量元件， 凡是 使用这些元器件测量湿度的 方法 ， 都 称为分立式 的 湿度测量 技术 。 同时， 随着传统的电 容湿度计和电阻 湿度计的出现，湿度测量 技术得到了 较大的发展 。 但 是在 此类测量 湿度的 方法中，元器件 不能 达到 单独完成测量 湿度的功 能 ，还需要配上 各种 仪表，才可以 完成湿度测 量和 控 制的 功能。其 主要 缺点 就是电路十分 复杂、 体积 较大 、测量不够精确 ， 使用起来不 是很 方便。所以，分立式湿度测量 技术 在科学技术 快速 发展的 今天 逐渐被淘汰。随着集成电路技术的快速发展 ，采用硅半导体 工艺 制成 的湿度传感器 也随之 出现，它将湿度传感器 的电路集中在 一 小块 硅片上、基本能够单独 实现湿度 的 测量和 模拟信号 的 输出 功能 ，它 是 最简单的一种集成湿度传感器。这种 集成式的 湿度传感器 在室内湿度测量和控制系统中，外围电路相对 简单，所以这种 湿度的测控方法现在仍被 广泛应用。 智能 传感器 是未来 测量技术 发展的 方向 之一 ， 智能传感器 是 将微电子、计算机和自动控制等技术 结合 在一起构成的。未来的湿度 控 制 仪 也是以 智能 湿度传感器为基础进行 开发 的。 可以 成为未来 智能化 的 湿度 控制 系统 的一部分 。 目前，许多较大的外国公司都十分 重视 湿度 传感器的研制工作 ，例如，日本的Figaro 公司 、瑞典的某些公司等，都在传感器的开发 和完善 方面投入了巨大精力 。在九十年代 末 ，先后出现了 大量的集成式湿度测量套件，新技术的产生大大促进了 传感器的发展。 国内许多 公司也认识到了这一点， 在 传感器的研发上不遗余力的努力 前进 。例如 ，通过传统电子仪器研发的多种动 态测试系统、气体传感器智能测试系统等等，这都体现了我国在传感器领域取得的 进步 。 随着科技的快速发展，传统的湿度 控 制技术在稳定性和精确性 等方面已经无法满足 当前 市场的需求，因此， 需要开发出新的技术 。 1.2 研究目的及意义 在现代社会中，人们的生产生活等各方面都对环境湿度提出了较高的的要求，比如我们常见的电子设备、工厂产品的加工环、生物制药和食品生产等行业，这些行业济南大学 泉城学院 毕业设计 - 2 - 生产品的过程都对环境湿度要求非常严格，经常 要对 空气的 湿度进行测量和 控制。对他们来说准确的湿度 是至关重要的。 在 我们的 日常生活中， 湿度也影响着每一个人的 健康， 高湿 环境容易使人 增加 散热量 、会破坏人体的热蒸发机能，产生 热疲劳。 空气 湿度高于 70%RH 时 为高气湿，人将感到不适； 空气湿度 低于 30%RH 时 为低气湿，人 将会 感到口 鼻 比较 干燥；最 令人感到 舒适的湿度为 40% 60%RH。 综上所述，无论是从人体健康的角度 来看 还是从元器件使用 和保养 的角度上看，湿度测控的意义 和重要性 都是非常重大的 。 1.3 设计内容 本设计是 一个 基于 AT89C51 单片机的湿度控制仪 的设计 ， 采用数字化电路 的 设计 方法 ， 以单片机为核心配有传感器和控制器等外设，通过内部程序判断湿度 是否满足要求 并作出相应 的控制。 本机的核心 是对湿度 测 量 方式 的设计， 本机采用的 湿度 测 量 方法是选择高精度的电容式湿度传感器， 当环境湿度发生变化时，湿度传感器的电容随着湿度的变化而变化， 变化的电容通过转换电路转换为与之对应变化的 电压 频率。然后，频率经过消除杂波后送入到单片机中，单片机对输入的频率 的信号进行运算 得出频率值并通过查表得到相应的湿度值。通过单片机的 I/O口 连接外部 电路显示 出 湿度值。本机可以通过键盘设定湿度值，中央控制系统将设定值与检测值进行比较，检测值低于设定值的话，控制系统就会通过继电器接通电路进行加湿。 本湿度控制仪的主 要参数为 控制方式：位式控制 ； 测控范围： 10 99% RH； 显示方式： 2位数码显示 ； 测控精度： 3%RH。 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 3 - 2 硬件电路设计原理和结构 2.1 硬件电路总体设计 本机要实现的功能是：实时显示目前环境空气的 湿度 值，并且 用户 可以 设定 想要的湿度 值，当环境湿度低于设定值时，系统会通过继电器接通加湿电路 对空气加湿，否则，关闭加湿器 。 本方案以 AT89C51 单片机系统 作 为核心 电路加上外接设备，达到对湿度 实时 测量 和控制 的目的，本系统 主要由数据采集单元、按键单元、数码显示单元、控制单元组成。 各 单元能 执行单片机的指 令 ，并 能够 独立完成各自 的任务 。单片机机负责指令的发送，同时对测量结果进行运算、 显示 和 对外接设备进行 控制 。 系统总原理 结构 如图 1所示 。 单 片 机数 据 采 集 单 元按 键 单 元控 制 单 元数 码 显 示 单 元图 2.1 系统总原理图 本设计由数据 采集、 数据 分析和 数据 处理三个部分组成的。 (1) 数据 采集 由 数据采集单元和按键单元 组成； (2) 数据 分析 由 AT89C51单片机 和时钟电路，晶振电路 组成； (3) 数据 处理 由数码显示单元和控制单元 组成。 2.2 硬件电路单元设计原理和结构 湿度控制系统通过传感器采集数 据，将数据送到单片机进行运算 ,然后与设定值进行比较进而实现加湿器的控制功能，按键 用来对设定值进行设定， 指示灯 标志加湿器的工作 状态 ， 显示模块用来显示湿度值和设定值。 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 4 - 2.2.1 单片机 时钟 电路 时钟 电路 在单片机 系统 中 是 非常重要 的 ，单片机 的 各 个 功能部件 的 运行都 以时钟频率为基准。时钟频率 的高低和 单片机的速度 快慢有直接的关系 ，时钟电路的质量也直接影响 单片机系统的稳定性。 目前，有两种 常用的时钟 电路 方式 ，一种是内部 的 时钟方式，一种是 外部 的 时钟方式。 本机采用内 部时钟方式，时钟电路图如图 2.2 所示。 X T A L 2X T A L 11 2 M H z3 0 p F3 0 p F图 2.2 单片机时钟电路图 在 单片机内部有一个用 来 构成振荡器的反相放大器，该反相放大器的输入端为XTAL1 引脚 ，输出端为 XTAL2 引脚 。这两个引脚 连 接石英晶体振荡器和 电容，组 成了 一个自激振荡器电路。电路中的电容 C1 和 C2 值选择为 30PF。虽然对外接电容的大小 没有 十分严格的要求，但 电容的大小会影响振荡器 的频率、起振的速度 和 时钟电路的稳定性 。 石英 晶体的频率越高，系统的时钟频率就 会变得 越高，单片机的运行速度 也 就 会 越快。 2.2.2 单片机 复位 电路 在 每一个单片机控制系统中都 会 有复位电路，复位电路 的功能 是强制单片机系统内部各存储器的值 恢复到 系统 初始状态 的值，使系统重新从初始状态开始工作。本 复位电路如图 2.3 所示。 复位的原理是：复位电路中的电容在电源刚接通时，是没有电的，接通电源后，5V 的电压通过电阻对电容进行充电，电容的电压由原来的 0V 慢慢的升到 +4V 左右，其中的 RC 微分电路在上电的瞬间产生一个正脉冲，宽度不小于两个机器周期，AT89C51 单片机完成复位。正因为这样，复位脚的电压水平由低电位逐渐升到了高电位，引起单片机内部电路的复位动作，之后， RST 端的电压慢慢下降，降到一定电压以下后，属于低电平，单片机便开始正常工作，这个过程就是是单片机的上电复位，也叫初始化。 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 5 - R E S T9P 3 . 01 01 1P 3 . 11 2P 3 . 2P 0 . 7E A / V PA L E / P R O GP S E N3 23 13 02 9P 1 . 01P 1 . 123P 1 . 24P 1 . 3V c cP 0 . 0P 0 . 1P 0 . 24 03 93 83 7P 1 . 45P 1 . 567P 1 . 68P 1 . 7P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 63 63 53 43 3V c c 18 . 2 k1 0 u f图 2.3 单片机复位电路图 2.2.3 数据采集单元 环境 空气数据 测 量中相对于其他参数， 湿度是最难精确测量的 参数 之一 。相对于温度来讲， 温度是个独立的被测量，而湿度却受 许多的 其他因素 ，比如 大气压强、温度 等 的影响。本设计 中 选用 了 一种 由 独特 的 工艺设计、价格较低廉、精度 较高 、线性输出的 HS1101 型 电容式 湿度传感器， 能够较好的完成 对空气湿度的测量 工作 。 在 本电路中 将 电容 式湿度传感器 作为 一个电容 元 件，其电容 的值随着 空气湿度的增大而 逐渐 增大。 所以在本设计中 需要将电容的变化量 转变为 能够让 单片 机 接收的 电 信号 ， 因此，在 本 设计 中提出了相对 简单的方案：基于 AT89C51 单片机和 555 芯片的电容测量 方案。该方案是 根据 555 芯片的应用特点， 将 HSll01 电容式湿度传感器在电路中作为振荡电容，在加上一些电阻 组成 多谐 振荡电路， 输出不同频率的方波， 从而完成湿度到频率的转换。再 使用 单片机测量输出的频率 。 HS1101 型 湿度传感器采用 固态聚合物 的 结构，具有 可靠性 较高 、 响应 比较 快 和较好的 稳定性 、 并且具 有 不需 校准的完全互换性 等特点 ， 电容随 着 所 测 量 的 空气 湿度的 增大而 逐渐 增大 。 HS1101 的 实 物照 片 如图 2.4 所示。 图 2.4 HS1101的物照图 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 6 - HS1101 湿度传感器 的测量范围为 0%-100%RH，电容的容量 可 由 160pF 增加 到200pF，其 中测量 误差 小 于 2%RH，反应 时间小于 5 秒 ，温度系数为 0.04pF/。可见其精度在同类产品中是比较高的。其电容状态 响应曲线如图 2.5 所示 。 图 2.5 HS1101 电容 状态 响应曲线 HS1101 的一些 常用参数如表 2.1 所示 。 表 2.1 HS1101 常用参数 参数 名称 参数值 单位符号 工作温度 -40 100 储存温度 -40 125 供电电压 1 Vac 湿度范围 0 100 %RH 焊接时间 =260 10 S 数据采集电路由电容式湿度传感器、多谐振荡器和光耦电路等组成，这里采用C/F 变换，电路如图 2.6 所示。 此电路由 555 非稳态电路和光耦合电路构成，产生的频率可直接送到单片机输入口。电源电压工作范围是 +3V+12V，主要使用一个 TLC555 定时器，定时器必须为CMOS，再加上 HS1101 电容和电阻 R2、 R3、 R4， R3 为输出端的限流电阻，在电路中起短路保护的作用。 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 7 - R 1 9 0 9 KT L C 5 5 5C V524673T HRD CT RR 2 5 7 6 KR 4 4 9 . 9 KC x h s 1 0 0 1R 3 1 KV c c 1V c c 11 k图 2.6 频率采集电路图 工作原理：在本电路中，以 5V 交流电作为湿度传感器 hs1101 的工作电源。多谐振荡器只有两个暂稳态。当电源接通瞬间，电容 Cx 来不及充电， 电压 Uc 低于 Vcc/3，RS 触发器状态置 1 输出电压 V3 为高电平， 放电管 T 截止，电源 Vcc 通过 R2 与 R4给电容 Cx 充电。随着电容 Cx 充电过程的进行， Uc 逐渐增高，但只要满足条件Vcc/3Uc2Vcc/3，输出电压 V3 就会一直保持高电平不变，此时称为第一个暂稳态状态。 电容 Cx 上的电压 Uc 继续增加，当 Uc 大于 2Vcc/3 时， RS 触发器状态立即置 0，输出电压 V3 从原来的高电平状态转变为低电平状态， 放电管 T 立即 导通饱和，此时电容 Cx 通过电阻 R2 和 放电管 T 放电。随着电容 Cx 放电的进行，其电压 Uc 逐渐 下降，但只要满足条件 Vcc/3Uc2Vcc/3，输出电压 V3 就会保持低电平状态，此状态称为 第二暂稳态状态。 当 Uc 继续下降，当 Uc 下降到小于 Vcc/3 时， RS 触发器状态立即置 1， 输出 电压 V3 又 由低 电平跳变 变为 高电平 状态 ， 放电管 T 截止，电容 Cx 又开始进行充电，周而复始地 重复上述过程，输出 端 便得到 稳定的 方波 脉冲。 其 工作波形如图 2.7 所示。 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 8 - 图 2.7 多谐振荡器波形图 整个 振荡周期 T 为两个暂稳态 时间 之和 ， T=T1+T2。求得电容 Cx 的充电时间 T1和放电时间 T2 分别用公式表示 为 1 2 4( ) l n 2xT R R C（ 2.1） 22ln 2xT R C（ 2.2） 因此，振荡周期 1 2 4 2l n 2 ( 2 )T T T R R C （ 2.3） 4 2 x11l n 2 2F T R R C （ 2.4） 式中， F 为输出频率。 12422TRD T R R （ 2.5） 式中， D 为占空比。 为了 便于计算应尽量 使 占空比为 50%，则 应该调节 R2 的阻值使其 远小于 R4 的阻值 ，但不要低于最小值。 实际 上，在生产应用中，测量 精确度除了与湿度传感器 有关 外，还与电路其他元件 的选择 相关。为了 减小温度对本电路的影响，电阻应 与 传感器的温度系数相似 ，R1 数值应取为 1精度，且最大温漂不超过 100ppm。 由于 不同型号的 555 芯片 内部的 温度补偿 电路 不 相 同，为了保证 在 55 RH 时 电路的 输出频率 能够 达到 6660Hz。R1、 R2 与 555 选择 应 参照 下表： 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 9 - 表 2.2 器件参数选择表 555 R1 R2 TLC555 909K K576 TS555 100nF 523K 7555 1732K 549K LMC555 1238K 562K 实验 室测量得 方波频率 值 与相对湿度 数据 的 对照 表 如 2.3 所示 。 表 2.3 频率输出典型参数表 RH 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fr 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033 RH： 百分比相对湿度 ， Fr：频率 Hz 频率和湿度转换 公式 3 6 2 8 355 1 . 1 0 3 8 1 . 9 3 6 8 1 0 3 . 0 1 1 4 1 0 3 . 4 4 0 3 1 0H z H zF F R H R H R H （ 2.6） 式中， F55 为 55%RH 时的方波频率， 取值 6660Hz。 然后， 通过单片机 的运算将频率值转换为所对应 湿度 的值 ，得到 的值即为 所测 量 的湿度值。 2.2.4 按 键单元 本机采用的按键电路图如图 2.8 所示。 V c c 1k 1k 2k 31 0 k 3图 2.8 按键电路图 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 10 - 按键可以比较方便的实现人对机器的控制。在本机中我们可以设计不同的按键实现对本加湿仪的控制。我们所使用的键盘是多个按键的组合，按键是一种常用开关，正常状态下，按键的两个触点处于断开状态，按下就是让开关闭合，将电路接通。通常键盘组要分为编码和非编码两种键盘，在实际设计中，会有专用的译码芯片对按键进行识别，分辨编码和非编码键盘的方式就 是看键盘能不能产生键编号或键值，在大多数的单片机组成的电路系统中，用的最多的按键是非编码键盘。在一般的独立键盘中，在按键没有按下的时候，输出的是高电平，当按键按下去的时候，输出的低电平。 本机 系统 电路中 所采用的是独立式非编码键盘， 主要是因为 此种 按键 电路硬件 设计比较 简单。 为了完成预定值 ,系统中设置了 3 个按键 K1、 K2、 K3 ，作为 设置湿度按键 。 K1 为设置键，也就是切换键。 K2 设置为加一键，用来使设定的湿度 下限值增大 ,当 设定值 增大到 99 时再 返回 0 开始增加。 K3 设置为 保存键， 按下该键后， 系统会 将 之前设置的湿度 的 下限值保存 起来 。 操作方式为： 当设置 键 K1 被按下时 ,数码管显示设置湿度的下限 ，并且处于可调状态 ，按 K2 键使该值加 1，当值符合要求后，按下 K3 键 ，系统将进入 实时测控 状态，数码管显示当前的湿度值。 2.2.5 数码 显示单元 显示装置采用七段数码管，数码管是电子设计中使用的十分普遍的 一种显示设备，每个数码管 均 由 7 个发光二极管按照一定的排列 顺序构 成， 目前使用的数码管中根据 二极管的正负极 的连接方式，分为共阴极数码管、 共阳极数码管两种， 共阳极数码管 就是将那些 二极管的阳极 共同接到一块形成同一个 阳极的数码管，共阳极数码管在 应用时将公共极接到电源端。共阴极数码管 就是 指 那些将二极管的阴极连接到一起的 数码管，从整体上看他们使用同一个阴极的 数码管，共阴极 的 数码管在 实际使用时要将阴极 极接到地线上， 不同的 数码管， 使用时在程序设计上有一些 的差别。数码管显示的内容 相对比较直观，一位数码管 可以 显示从 0 到 9 中的任意一个 数字， 多个数码管就可以显示多 个数字 ，在显示位数比较少的 设计 电路中， 在实际得到产品设计构成中 程序 的 编写 和整体 电路 系统 的 设计都比较简单 。 本系统 数码显示单元显示设备主要是 采用共阳极数 的 码管，用来显示湿度值。 本设计采用 74LS164 驱动 4 位 LED 显示的动态扫描驱动方式。 74LS164 串入并出的特点大大节省了单片机的 I/O，也使功耗降低。每一位数码管都由一个 74LS164 芯片控制，后一位 74LS164 的串行数据输入端与前一级 74LS164 的最后一个并行输出端相连，这样就可以控制两个数码管。 本机 使用的 数码显示电路如图 2.9 所示。 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 11 - 2 2 0 7 V c c 1abcdV c cefgV c c 1abcdV c cefgA1B2V c cQ AQ BQ C1 41 31 21 1C L R3Q D1 0C L K4G N D5Q EQ FQ GQ H98767 4 L S 1 6 4V c c 1C L R3Q D1 07 4 L S 1 6 4A1B2V c cQ AQ BQ C1 41 31 21 1C L K4G N D5Q EQ FQ GQ H98762 2 0 7 V c c 1图 2.9 数码显示电路 图 74LS164 是 8 位 串入和并出的 移位寄存器， 其芯片引脚如图 2.10 所示。 图 2.10 74LS164 芯片 的外部 引脚 图 芯 片 引脚功能如下： A、 B 的功能是：该引脚作为数据的串行输入端输入 数据， 其中 每个输入 又 可以当 作 其他 输入的有效输入 值 。 CLK 的功能是： 时钟信号， 作为 高电平 时 有效。 MR 的功能是： 复位端， 作为 低电平 时 有效。 Q0 Q7 的功能是： 数据 的并行 输出端。 在 实际的设计应用构成中 ， 大部分要 将 A、 B 端连在一起作为数据输入的端口 ，CLK 引脚一般情况下将 作为时钟端 口使用 。 在进行数据 串行输入时， 首先要 将数据在 A、 B 引脚端口 准备好， 应用时当 CLK 端产生一 个脉冲的 上升沿 则 就会将一位数济南大学 泉城学院 毕业设计 - 12 - 推送到 Q0 位 ； 与此同时，机器会准备好下一位 数据 ， 当 CLK 引脚端再次产生脉冲的 上升沿 时 ， 那么下一位数将会被推送到 Q1 位 ， 其他的数据的传送同样是这样的方式 按照顺序从低位向高位缓慢移动 。 2.2.6 控制单元 本机中， 由 单片机 的 I/O 控 输出 控制信号 控制外部电路 ， 单片机将采集到的数据进项运算， 当 机器测量到的 湿度值低于 我们设定的 设定值时继电器 就会发生动作 ， 驱动固态继电器的开关部分， 接通主电路 加湿器开始加湿。 主动加湿的方法，加热源不是用来加湿环境。因为加湿过程是独立的温度，所以它可以即使在低的温度达到一个高的湿度水平，超声波雾化器产生的湿度不会产生额外加热的，适 合加湿有限体积的环境如孵化器。术语雾化可以被定义为一种将液体变成雾气的仪器，特别是在药物治疗使用时 驱动电路与单片机的连接电路如图 2.11 所示。 V c c 11 0 k1 0 kV c c 22 . 5 k图 2.11 控制电路图 固态继电器 采用本设计选用的继电器型号为 ：欧姆龙 G2RL-1A-CF-DC5，实物如图 2.12 所示 。 图 2.12 G2RL-1A-CF-DC5 实物 图 G2RL-1A-CF-DC5 继电器属性：触点数量： 1； 操作 线圈电压： DC-5V； 线圈电阻： 62； 额定负载： AC250V， 10A； 接点电流最大值： 10A。 2.3 整机 电路 本次的设计中我们采用了比较常用的 VISIO 作图软件，因为画出来的图比较干济南大学 泉城学院 毕业设计 - 13 - 净整洁，方便观看，并且使用起来也很简单。 2.3.1 整机 电路图 如图 2.13 所示。 R 1 9 0 9 KT L C 5 5 5C V524673T HRD CT RR 2 5 7 6 KR 4 4 9 . 9 KC x h s 1 0 0 1R 3 1 KV c c 1V c c 11 kP 3 . 31 3P 3 . 41 41 5P 3 . 51 6P 3 . 6P 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 42 82 72 62 51 7P 2 . 32 41 9P 2 . 12 21 8P 2 . 22 32 0P 2 . 02 1P 3 . 7A T 8 9 C 5 1V c c 11 0 k1 0 kV c c 22 . 5 k1 0 k 3R E S T9P 3 . 01 01 1P 3 . 11 2P 3 . 2P 0 . 7E A / V PA L E / P R O GP S E N3 23 13 02 9P 1 . 01P 1 . 123P 1 . 24P 1 . 3V c cP 0 . 0P 0 . 1P 0 . 24 03 93 83 7P 1 . 45P 1 . 567P 1 . 68P 1 . 7P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 63 63 53 43 3V c c 18 . 2 k1 0 u fV c c 1k 1k 2k 32 2 0 7 V c c 1abcdV c cefgV c c 1abcdV c cefgA1B2V c cQ AQ BQ C1 41 31 21 1C L R3Q D1 0C L K4G N D5Q EQ FQ GQ H98767 4 L S 1 6 4V c c 1C L R3Q D1 07 4 L S 1 6 4A1B2V c cQ AQ BQ C1 41 31 21 1C L K4G N D5Q EQ FQ GQ H98762 2 0 7 V c c 1G N D3 0 p F1 2 M H z3 0 p FX T A L 2X T A L 1图 2.13 整机 电路图 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 14 - 2.3.2 整机 电路 PCB 板图 PCB 电路 板 设计使用 Proteus 设计软件 ， Proteus 软件是英国 的一家 公司 开发 的EDA 工具软件。 本机 的设计中各 元件的布局一般 遵循 以下几个方面： 1. 高频元件之间的 连线要短，易受干扰的元件不能离得太近 ； 2. 重量太大的元件要用 支架固定 ； 3. 易发热 的 元 器 件要远离热敏元件 ； 4. 电路中的 可调元件 在设计时 要考虑 到 整机的结构 ； 5. 预留出电路板 的装 支架的安装孔。 本设计中的 PCB 板图，如图 2.16 所示 。 图 2.16 PCB 版图 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 15 - 3 软件系统设计 3.1 软件系统整体设计 在 任何一个 单片机 的 系统中，硬件与软件 都是一体的 。 由 根据硬件电路的不同，射线的功能也不同，所以需要 每次都要编写出 相应的软件系统， 系统 软件程序的设计是根据硬件电路图的连接 状况和要实现的 的功能设计 的 。 本机 软件 系统 设计采用 了总分的结构，由主程序按照一定的顺序调用子程序 的设计方法， 这样的程序结构的好处就是 便于程序的编写 和 维护。 本机 的 软件 系统 程序主要 是以 下 几 个 部分 ： 主程序、数据采集子程序、按键处理子程序、 数码显示子程序和继电器控制子程序 。 本机 主程序流程如图 3.1所示。 开 始初 始 化按 键 处 理 子 程 序数 据 采 集 子 程 序数 码 显 示 子 程 序继 电 器 控 制 子 程 序图 3.1 主程序流程 图 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 16 - 3.2 软件系统子程序流程图 整个程序的 设计 思路是：主程序以“查询键盘 采集湿度数据 显示湿度值 继电器控 制” 的顺序循环调用子程序。 主程序的主要功能是负责 调用子程序，通过对各个子程序的调用来实现整个软件系统。 3.2.1 数据采集子程序流程图 当主程序进行到数据采集的时候就会发出调用本程序的指令，在本程序中主要是对输入的方波频率进行计数，通过单片机内部的定时器和计数器，定时一秒钟的时间，查看在一秒钟有多少个上升脉冲，并将其进行查表得出相应的湿度值。 本子程序流程图 如图 3.2所示。 YN开 始将 定 时 器 、 计 数器 初 始 化定 时 器 是 否 到 1 秒 ？停 止 定 时 器 和 计数 器读 出 计 数 器 的 值运 算 得 出 湿 度 值返 回图 3.2 数据采集流程图 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 17 - 3.2.2 按键处理 子程序流程图 当主程序发出调用本 程序的指令时，计算机就会跳转到本子程序执行，首先饥检测是否有按键按下，然后，通过程序辨别是不是设置键，如果是，则进行数据的处理，通过加一键对湿度的设定值进行修改。得到目标值后再按下保存键，保存数据。 键盘扫描流程图如图 3.3所示。 开 始按 键 处 理设 置 键 是 否 按 下 ?返 回保 存 键 是 否 按 下 ？NYNY图 3.3 按键处理流程图 3.2.3 数码显示子程序流程图 当系统需要输出当前湿度值时，主程序就会发出调用显示子程序，程序首先会根据要显示的数字，从 数据表中取得对应的段码，然后将段码通过 I/O 口输出，最终数济南大学 泉城学院 毕业设计 - 18 - 码管将湿度值显 示出来。 如图 3.4所示。 开 始返 回断 码 输 出 结 束 ？取 段 码输 出 段 码取 段 码 结 束 ？NYYN图 3.4 数码显示流程图 3.2.4 控制子程序流程图 当主程序发出调用控制子程序的指令时，程序会按照设计的流程运行。首先，取当前值和设定值，然后进行 减法运算，单片机对结果进行判断 ，若当前值低于设定值时，单片机就会输出高电平，继电器将加湿电路导通，开始加湿。否则，单片机输出低电平，加湿电路关断。 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 19 - 流程 如图 3.5所示。 YN开 始将 湿 度 值 与 设 定值 对 比湿 度 值 设 定 值 ？输 出 高 电 平 ，继 电 器 闭 合返 回输 出 低 电 平 ，继 电 器 断 开图 3.5 继电器控制流程图 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 20 - 4 误差分析 任何设计都有不完美的地方， 本设计中 也是有不足的地方， 从 外部来 看 是 由于本机只采用了一个传感器，所以会导致所测量的结果只代表某一小空间的环境湿度值，对大的环境湿度的测量会不太精确，这是由于本机的设计目的是对小空间进行湿度测控决定的 ，在此不做讨论。从本机内部来分析，测量误差主要产生在三个方面，首先，是湿度传感器本身的测量精度，本机采用 hs1101 型电容式湿度传感器，该传感器 的相对湿度值 在 0%到 100%RH 范围内 变化， 传感器的反应时间不大于 5s，温漂为每摄氏度变化 0.04pF，在同类 产品中精度处于比较高的水平 其 误差 1 不大于 2%RH 可表示为 1=2%。 第二，是频率测量方面产生的误差， 本机采用 12M 时钟频率和 16位计数器 ，其主要测量方法是测量脉冲数量，主要 是由于 计数器只 能进行整数计数 而导致 的 误差 2 不大于 1%可表示为 2=1%。第三，是由于计算中，四舍五入产生的误差 3，不大于 0.5%，即 3=0.5%。 可以认为此三个误差互不相关，则仪器的总误差可 用公式计算 2 2 21 2 3+=2 （ 4.1） 可得 =1.62%，即本仪器总误差为 1.62%，满足设计要求。 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 21 - 5 使用说明书 本机 设计 为湿度 测量 控制仪， 主要由 基于 AT89C51单片机的控制系统和主动超声波加湿器构成。在本机中，主要结构包括 ： 单片机最小系统、数据采集 部分 、按键 部分 、 显示部分和控制部分构成。 操作步骤：第一步，接通电源 ，并向水箱中加入适量的纯净水 。本机使用 220v， 50Hz的 交流电。 第二步，通过键盘设定湿度值。湿度设定方式为先按下设置键，进入设置状态，按下加一键， 数码管显示从 00 开始加一，多次加一，直至加 到预定的值。然后按下保存键。 之后，加湿仪会检测当前湿度值显示出来，并在单片机内部与设定值进行对比，若当前湿度值低于设定值，加湿器就会喷出水雾对空气进行加湿。直至 达到设定的湿度值。 第三 步 ，不用时，请拔出电源，定时对水箱进行清理，保证雾化器正常工作。 济南大学 泉城学院 毕业设计 - 22 - 结 论 经过三个多月的努力， 湿度控制仪的设计已经基本完成。通过这次毕业设计， 我掌握了一些实际的设计产品的基本方法和 步骤：首先 要 ，明确 自己的设计是什么 ， 第二，是要对市场现有的同类产品有一定的了解，看看 别人是怎么做的 有什么需要改 进的 ， 第三，是初步提出自己的设计方案 。 第四，是 要对整个设计 方案 进行 全面的论证并最终 确立自己的设计方案， 第五 ，就是进行硬件 系统的 设计，包括 各种元件的选择 ，和控制电路的设计，并绘制出整个系统的总体电路图。我们还需要进行软件的编程设计，在本设计中选择了主程序和子程序的结构模式，需要画出主程序流程图和各个子程序的基本流程图，先要弄清楚各个子程序的功能，最后才可以对整个软件系统进行编程。到此，这个湿度控制仪的设计基本完成。 本文 还 设计 了 以 TLC555 芯片为核心的振荡电路，该电路产生的方波的变化与电路中的电容的变化有线 性关系，所以本设计通过检测频率的变化来测量电容值。而该电容型传感器得到电容值与空气湿度呈线性关系， 所以本设计根据检测的频率来计算相对湿度。由于本人经验不足所以本机也存在许多不足之处，首先 ， 是湿度传感器受温度的影响，说明书中的 测量精度 为在 25 摄氏度时的结果，在实际应用中会 有 不同的 温度， 虽然电路中采取了温度补偿措施，但 测量 结果仍然可能会 不精确 。 其次，是在频率测量和湿度转换单元也可能会因为计算函数等人为原因导致结果出现一定的误差，但是，总的来说，能满足 3%的精度要求 。 并且， 本机结构简单，价格便宜，加上经过优化的程 序，使得本机具有很高的智能化水平，在相同的价格上相对其他产品控制精度较高， 在相同的精度水平上价格相对比较便宜，所以总的来讲在市场上 比较有竞争力。 济