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酿酒监控系统的设计与实现毕业论文酿酒监控系统的设计与实现毕业论文 目 录 1 引言 1 1 1 开发意义 1 1 2 研究内容 2 1 3 研究目的 3 2 方案的选择与论证 3 2 1 温湿度传感器的选择 4 2 2 酒精浓度传感器的选择 5 2 3 光照传感器的选择 6 2 4 人机交互 6 2 5 输出控制部分 6 2 6 电源设计方案 7 3 系统总体设计 7 3 1 总体设计 7 3 2 系统结构组成 8 3 3 主要芯片介绍 8 4 系统硬件设计与实现 24 4 1 电源电路 25 4 2 数据采集输入模块 25 4 3 主控部分 26 4 4 人机交互部分 27 4 5 串口通信部分 28 4 6 输出控制部分 28 4 7 PROTEL电路图设计与 PCB 制作 29 4 8 电路板的制作与焊接 29 5 系统的软件设计 30 5 1 主程序流程图 30 5 2 按键检测 31 5 3 各参数 温湿度 光照 酒精浓度 测量程序 32 6 系统测试与分析 33 7 总结 35 致谢词 36 独撰声明 37 参考文献 38 1 引言 1 1 开发意义 随着科学技术的飞速发展 自动化技术在工业 农业 医学等各个方面的应用都 越来越广泛 我国是一个农业大国 将农业转化为轻工业是提高我国经济发展的重要 方式之一 但是轻工业在我国的经济发展中也占着举足轻重的地位 现阶段轻工业自 动化程度还比较低 在未来的发展过程中 将自动控制技术应用于轻工业生产当中 有着广阔的发展空间 在四川大部分地区以玉米 高粱 谷物等作为主要的经济作物 农民利用这些农 作物自制酿酒 提高收入 如何提高这些农作物的质量 增加酒农经济效益是一个关 乎民生的重要问题 除规范化栽培和种植优良品种外 先进的酿酒设备和科学的酿酒 技术也是关键的一环 食物的发酵过程是酿酒过程中的一个重要环节 在食物发酵过 程中温度 湿度以及光照直接影响酿酒后的色泽和口感 直接决定了酒在销售过程中 的单价 因此在酿造过程中 要控制酿酒房内的温度 湿度按一定规律变化 才能保 证酿酒质量 提高酒的色泽等级 从而提高收入 因此 改进酿酒设备和引进新的酿 酒技术是一项很重要的工作 现阶段农村酿酒生产过程中 绝大多数酒农都是采用传统的发酵方法 在一个密 封的容器里 以含淀粉物质为原料 如高粱 玉米 大麦 小麦 大米 碗豆等 其酿造过程大体分为两步 首先是用 米曲霉 黑曲霉 黄曲霉等将淀粉分解成糖 类 称为糖化过程 第 2步由酵母菌再将葡萄糖发酵产生酒精 1 这一过程中 都 是由食物自发的进行发酵 不能及时准确的测量控制温度和湿度 当农户需要查看 温湿度时也不方便 酒的种类有很多 不同的酒要求的酒精浓度也不一样 不同的酒 精浓度对温湿度的要求也不一样 这样盲目的酿酒根本不能达到酒农的预期效果 随 着水力发电站的不断建设增多 农村电网改造后 供电方便 电价普遍降低 用电相 对便宜 为电热型酿酒房打下了基础 传统的自发酿酒房正朝着电能自动监控的新型 酿酒房发展 新型酿酒房应运而生 自动监控酿酒房结构简单 操作方便 便于广大 酒农的使用 西昌学院毕业论文 设计 酿酒过程中 必须掌握酿酒房内酿酒容器的实时温湿度以及酿酒房内的光照强度 传统的方法就是采用湿度表 湿度试纸和温度计等测试器进行人工测量 这样不仅浪 费人力财力 而且测量不够准确 查看温湿度时经常打开酿酒容器的盖子 导致通风 影响容器内温湿度 为避免上述人为因素 设计一套用于酿酒房内酿酒容器的温湿度 测量控制系统是很有必要的 结合实际 本文介绍一种基于单片机 传感器和自动控制技术相结合而开发设计 的温湿度 光照以及酒精浓度测量控制系统 采用该控制系统后 实时测量酿酒房内 的光照以及酿酒容器内的温湿度和酒精浓度 农户可以随时掌握酿酒房内的各种参数 该控制系统能自动判断酿酒容器内的温湿度和酒精浓度是否在预定的范围内 另外可 以手动设置酿酒容器内的温度和湿度的上下限 使酿酒容器内的温湿度在酒农要求的 合适的范围内 这样可以减少各种人为引起的不利因素 提高测量精度和控制精度 同时节省了大量的人力物力 本控制系统的灵活性比较好 不仅可以作为酿酒监控系统 只要稍加修改就可以 作为生物培养液温湿度监控系统 温室大棚控制系统 热水器温度调节系统 实验室 温湿度监控系统 电烤箱控制系统等等 1 2 研究内容 单片机在检测和控制系统中有着广泛的应用 温湿度 光照强度等是系统经常需 要测量 控制和存储的参量 而温湿度 光照强度以及酒精浓度都是模拟量 不能直 接与单片机交换信息 采用适当的技术将温湿度 光照强度以及酒精浓度的变化转变 为电信号的变化 同时将模拟量转化为数字量在原理上虽然不困难 但是在实际应用 中有很多需要解决的问题 因此研究温湿度 光照强度 酒精浓度的测量控制系统有 重要的意义 本次设计的主要任务是完成对周围环境温湿度和光照强度的检测以及酒 精浓度的测量 利用输出设备输出显示各物理参数并可以手动设置各种参数的上下限 在本测控系统中 采用单片机作为主控芯片 通过外围电路测量环境的温湿度 光照强度以及酒精浓度 经过模数转换送单片机处理 经过数据处理分析 设定各种 参数的上下限 利用输出设备输出实时温湿度 光照强度以及酒精浓度 与设定的参 西昌学院毕业论文 设计 数上下限进行比较 看是否能达到预定的值 在设计硬件电路时主要考虑数据采集电路 主控部分电路和输出控制电路 用光 敏器件检测光照强度 MQ 3 酒精传感器检查酒精浓度 送 TLC2543 12 位串行 AD 转 换器进行模数转换 转换结束送单片机处理 DHT11 采集温湿度信号直接送单片机处 理 不需要进行模数转换 然后输出到显示模块 显示出实时的温湿度 光照强度以 及酒精浓度 硬件电路的正确设计的是整个设计的前提 当完成硬件电路的设计时 必须要有 相应的软件支持 系统方可运行 软件是针对硬件设计的 但是在系统设计的最初有 必要将软件和硬件的设计综合考虑 最大程度的降低软硬件的复杂程度 软硬件设计 时都采用分块设计的思想 1 3 研究目的 本次设计的系统 其核心功能是检测周围环境的温湿度 光照强度以及酒精浓度 并根据要求检测环境的各种参数是否达到预设值以及将环境的各种参数实时的显示出 来 该系统是将温湿度等测控系统应用于酿酒房中 实时监测酿酒容器内的温湿度 使酿酒容器内的参数保持在一个良好的范围内 系统可根据实际需要用户可通过键盘 自行设定酿酒各阶段的温度 湿度的上下限范围 还可以将酿酒过程中不同阶段的温 度 湿度的峰值和谷值进行存储 以供查询参考 该系统通过温湿度 光照强度以及酒精浓度检测电路 测量到各个参数的变化 将其转换为电压信号 经过模数转换 送单片机进行数据处理 并通过液晶显示器显 示当前的温湿度 光照强度以及酒精浓度 单片机将当前的温湿度 光照强度以及酒 精浓度分别与预设值进行比较 看是否超过预设值的上下限 再决定是否启动执行机 构进行报警以便提示管理员检测系统 这样可以使各参数保持在一个良好的范围内 从而达到酿酒过程的自动化 2 方案的选择与论证 在单片机作为主控芯片的测控系统中 系统总要有被测信号输入 通过输入通道 给单片机输入必要的信号 还应有输出通道 改变被测对象的状态 对于测量模块而 言 如何准确快速获得被测信号是其核心任务 而对执行机构来讲 如何改变被控对 西昌学院毕业论文 设计 象状态是设计的重点 同时为了提高测控系统的可用性 人机交互部分也是必不可少 的 下面分别对测量模块 输出控制模块 人机交互部分以及电源部分的方案进行讨 论 对比论证后确定设计方案和所需元件 2 1 温湿度传感器的选择 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 几乎都是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 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 以利用微处理器实现自动测量 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 不仅要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 只有了解传感器的 应用原理 才能将传感器和信息采集 信息处理技术结合起来 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 为了提高工效和时效 各自都在开发研制适用的传感器 于是种类繁多的新型传感器 及传感器系统不断涌现 温度和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 了解传感器的性能和参数 对于选择应用 传感器有着很大的帮助 方案一 温度测量采用 AD590 湿度测量采用 HSM 20R 湿敏传感器 AD590 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 可靠性高 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 接口也 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 AD590 的测量信号可远传百余米 HSM 20R 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 50HZ 1KHZ 测量湿度范围为 0 100 RH 西昌学院毕业论文 设计 工作温度范围为 0 50 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 主要用于判断在一定范围内的湿度 电平 然而 这种传感器在一定范围内使用时具有良好的线性特性 可有效地利用其 线性特性 方案二 温度测量采用热电阻温度传感器 湿度测量采用 HS1100 HS1101 湿度传 感 器 热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件 现在应用较多的有 铂 铜 镍等热电阻 其主要的特点为测量精度高 测量范围大 便于远距离测量 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测量精度高和测量范围大 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 200 650 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 铜电阻的价格相对 便宜 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 50 180 测温 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 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 方案三 采用数字温湿度DHT11 DHT11相对湿度和温度测量全部校准 输出的是 数字信号 卓越的长期稳定性 无需额外部件 超长的信号传输距离 超低能耗 4 引脚安装 完全互换 综合比较上述方案 采用 DHT11 数字温湿度传感器 其操作方便 而且输出的是 位数字信息 便于处理 价格合理 性价比高 所以我们选择 DHT11 作为温湿度的测 量传感器 2 2 酒精浓度传感器的选择 西昌学院毕业论文 设计 方案一 采用气体传感器 MQ 2 MQ 2 具有广泛的探测范围 快速响应恢复 优 异的稳定性以及简单的驱动电路等特点 它可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置 适宜于液化气 丁烷 丙烷 甲烷 酒精 氢气 烟雾等的探测 MQ 2 气敏元件由微 型 AL2O3陶瓷管 SnO2敏感层 测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈 钢制成的腔体内 加热器为气敏元件提供了必要的工作条件 封装好的气敏元件有 6 只针状管脚 其中 4 个用于信号取出 2 个用于提供加热电流 它的使用温度是 10 50 存储温度是 20 70 相对湿度小于 95 RH 其标准工作条件是 温度 20 2 相对湿度 65 5 另外它的预热时间不少于 24 小时 方案二 采用酒精传感器 TP 3C 它的检测范围 30 500ppm 酒精工作电压为 2 5 3V 0 2V DC 预热时间为 10S 其响应时间 5S 静态电流 120mA 工作条件 0 40 95 RH 它的测试条件是 Tem 20 2 Hum 65 5 RH 它的贮藏 条件是贮藏 20 70 湿度 70 RH 方案三 采用气体传感器 MQ 3 MQ 3 对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择 性 具有快速响应恢复 长期的寿命和可靠的稳定性以及简单的驱动回路等特性 综合比较上述方案 虽然 MQ 2 和 MQ 3 的参数特性都差不多 但是 MQ 3 对于 测量酒精浓度更为敏感 MQ 2 则适合其他气体的浓度测量 MQ 3 气体传感器灵敏度 和各种参数都比较符合本系统的要求 因此酒精传感器就选择 MQ 3 气体传感器 2 3光照传感器的选择 方案一 采用红外线接收管 利用红外接收管测量光线的强弱 利用 LM324 四运 放进行放大处理 输出数据单片机处理容易 电路相当简单 但是这种方案接收到的 只是高低电平 只能测量光线是否超过预定值 不能测量光线的具体大小 方案二 采用光敏电阻 光敏电阻器是利用 半导体的光电效应制成的一种电阻 值随入射光的强弱而改变的电阻器 入射光强 电阻减小 入射光弱 电阻增大 光敏电阻器一般用于光的测量 光的控制和光电转换 将光的变化转换为电的变化 利用光敏电阻测量光线值 再通过 TLC2543 进行模数转换 经过比较 单片机可以 接收到具体的光线大小 适合本设计的要求 综上比较上述方案 决定采用光敏电阻进行光线值测量的方案 2 4 人机交互 西昌学院毕业论文 设计 在系统中 可用数码管和液晶显示模块 数码管只能显示数字和简单的字母 采 用液晶显示不仅能显示数字和字母 还能显示汉字 人机交互友好 本系统需要显示 实时的温湿度 光照强度及酒精浓度 显示内容较多 采用数码管显示 在硬件和程 序上的设计都比较复杂 因此只有选用液晶显示模块才能满足系统的要求 同时也提 高了显示含义的清晰度 本系统中用了五个按键 按键较少 因此不采用矩阵式键盘 而采用独立按键的 方式 容易编码和简化硬件电路 2 5 输出控制部分 由于采用稳压电源电路 直接将 12V 的直流电压稳压为 5V 为系统所用 有两种 方式来达到输出控制的目的 一种是采用光耦加可控硅 另一种采用光耦和继电器 本系统采用的是光耦和继电器 这样可以将强电和弱电隔离 避免破坏弱电系统 当系统运行时 检测到温湿度不在预置的的范围内 驱动执行机构进行报警 通 过蜂鸣器发声 提醒管理员 2 6 电源设计方案 方案一 该系统可采用干电池作为整个控制系统的电源 虽然控制系统耗电量不 太大 电池基本能满足 但是在制作电路板时需要另加接口 使用时需更换电池 使 用不太方便 方案二 采用 12V 直流稳压电源作为系统电源 不仅可以为控制系统供电 同时 也为外围电路供电 功率上可以满足系统需要 不需要更换电池 一个电源即可为整 个控制系统供电 并且比较轻便 使用更加安全可靠 基于以上分析 决定采用方案二 通过上述的方案论证 确定本次设计所采用的方案 为元器件选择和绘制电路原 理图提供了可靠的依据 温湿度传感器采用 DHT11 数字温湿度传感器 光照传感器采 用光敏电阻 酒精传感器采用 MQ 3 气体传感器 将测量的电压信号直接送模数转换 器 TLC2543 进行转换 用 AT89S52 作为核心芯片 用一个液晶显示模块来显示数据 采用普通按键来调整系统所需参数 输出控制部分采用光耦和继电器的电路来控制外 围设备 电源是系统中极其重要的一部分 本次设计的电源是稳压电源电路 通过稳 西昌学院毕业论文 设计 压输出稳定的 5V 直流电供控制系统使用 3 系统总体设计 3 1 总体设计 本文介绍一种基于单片机和传感器相结合的技术 而开发设计的温湿度 光照强 度以及酒精浓度的监控系统 有必要对温湿度传感器 光敏电阻 酒精传感器进行深 入研究 掌握其用法与用途 本系统将传感器理论与单片机实际应用有机结合 基于 实用 广泛和典型的原则而设计了本系统 采用集成温湿度传感器探测环境的温湿度 光敏电阻检测光照强度 酒精传感器检测酒精浓度 实现热电转换和湿电转换的过程 通过单片机分析处理 从而实现对监测范围内温湿度 光照强度 酒精浓度的控制 本系统通过传感器检测当前温湿度 光照强度以及酒精浓度 送单片机进行处理 通过按键设定各个参数的上下限 把检测到的各参数的电信号经过标度变换后送给显 示部分 显示实时温湿度 光照强度以及酒精浓度 单片机将采集到的数据与设定的 各个参数的上下限进行比较 当各参数超过或者低于预置值 单片机驱动外围控制电 路 采取相应措施进行报警 以便通知管理人员 3 2 系统结构组成 本控制系统主要由电源模块 数据采集模块 主控模块 人机交互部分 数据存 储和输出控制等六部分组成 系统框图如图 1 所示 西昌学院毕业论文 设计 图 1 系统框图 3 3 主要芯片介绍 本系统采用 AT89S52 单片机作为主控芯片 进行数据处理 用 TLC2543 进行模数 转换 将模拟信号转换为数字信号 用 24C08 作为存储器 存储测控系统测量到的峰 谷值 为了更好 更方便的为该系统提供工作电压 另外本设计增加了串口通信模块 设计 使用了单电源电平转换芯片 MAX232MJE 提高系统的扩展性 下面分别对以 上几种芯片进行介绍 3 3 1 AT89S52 单片机 如果在一块芯片上 集成了一台微型计算机的四个基本在组成部分 则这种芯片 就被称为单片微型计算机 Single Chip Microcomputer 简称单片机 2 AT89S52 单片机是一种低功耗 高性能 CMOS 8 位微控制器 具有 8K 在系统可 编程 Flash 存储器 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程 器 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在线可编程 Flash 使得 AT89S52 单片机为 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 高效率的解决方案 AT89S52 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 一个看门狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位定时器 计数器 一个 6 向量 2 级中断 结构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑 操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时 器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻 结 单片机停止一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 AT89S52 引脚图如 图 2 所示 AT89S52 西昌学院毕业论文 设计 图 2 单片机引脚图 单片机的引脚结构及功能 3 VCC 和 GND 即第 40 脚和 20 脚分别接 5V 直流电的正负 P0 口 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和数据存 储器时 P0 口也被作为低 8 位地址 数据复用 在这种模式下 P0 具有内部上拉电阻 在 flash 编程时 P0 口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出指令字节 程序校验 时 需要外部上拉电阻 本设计就利用了 P0 端口的输入功能 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作 为输入口使用 此外 P1 0 和 P1 2 分别作定时器 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和时器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2EX 在 flash 编程和校验时 P1 口 接收低 8 位地址字节 本设计中 P1 端口作为输出口使用 与液晶显示器接口相连 P1 口引脚第二功能见表 1 表 1 P1 口引脚功能 引脚号第二功能 P1 0 T2 定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1 T2EX 定时器 计数器 T2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5 MOSI 在系统编程用 P1 6 MISO 在系统编程用 P1 7 SCK 在系统编程用 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱 2021 西昌学院毕业论文 设计 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作 为输入口使用 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种应用中 P2 口使用很强的内部上拉 发送 1 在使用 8 位地址 如 MOVX RI 访问外部数据存储器时 P2 口输出 P2 锁存器 的内容 在 flash 编程和校验时 P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号 在本 设计中 P2 端口主要用于数据的采集以及输出控制 它与数据采集模块 TLC2453 和输 出控制模块相连接 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作 为输入口使用 P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能 第二功能 使用 如下表 2 所示 在 flash 编程和校验时 P3 口也接收一些控制信号 在本设计中 采用了 P3 口的第二功 能 即作为外部数据存储器 与存储器 24C08 相接 P3 口引脚的第二功能见表 2 表 2 P3 口引脚功能 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 外部数据存储器读选通 RST 复位输入 晶振工作时 复位引脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位 看门狗计时完成后 RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平 特殊寄存器 AUXR 地址 8EH 上的 DISRTO 位可以使此功能无效 DISRTO 默认状态下 高电平有效 ALE PROG 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存低 8 位地 址的输出脉冲 在 flash 编程时 此引脚 PROG 也用作编程输入脉冲 在一般情况 下 ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲 可用来作为外部定时器或时钟使用 西昌学院毕业论文 设计 然而 特别强调 在每次访问外部数据存储器时 ALE 脉冲将会跳过 如果需要 通过 将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置 1 ALE 操作将无效 这一位置 1 ALE 仅在执 行 MOVX 或 MOVC 指令时有效 否则 ALE 将被微弱拉高 这个 ALE 使能标志位 地址 为 8EH 的 SFR 的第 0 位 的设置对微控制器处于外部执行模式下无效 PSEN 外部程序存储器选通信号 PSEN 是外部程序存储器选通信号 当 AT89S52 从外部程序存储器执行部代码时 PSEN 在每个机器周期被激活两次 而在访 问外部数据存储器时 PSEN 将不被激活 EA VPP 访问外部程序存储器控制信号 为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序 存储器读取指令 EA 必须接 GND 为了执行内部程序指令 EA 应该接 VCC 在 flash 编程期间 EA 也接收 12 伏 VPP 电压 XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 单片机的内部定时器 AT89S52 单片机内部有 2 个 16 位可编程定时器 计时器 定时器 计器 0 1 它 们具有四种工作方式 其控制字和状态均在相应的特殊功能寄存器中 通过对控制寄 存器的编程 就可以方便地选择适当的工作方式 定时器 计时器 0 1 内部结构主要由以下几部分组成 16 位加 1 计数器 TH0 T0L1 和 TH0 TL1 定时器控制器 TCON 和工作方式控制 寄存器 TMOD 时钟分频器 输入引脚 T0 T1 INT0 INT1 TCON 定时器 计数器控制寄存器如表 3 所示 表 3 定时器控制存器 位地址位 符功 能 8FHTF1 定时器 计数器 T1 溢出标志位 8EHTR1 定时器 计数器 T1 运行控制位 1 启动 8DHTF0 定时器 计数器 T0 溢出标志位 8CHTR0 定时器 计数器 T0 运行控制位 8BHIE1 外部中断 1 请求标志位 8AHIT1 外部中断 1 触发类型选择位 89HIEO 外部中断 0 请求标志位 西昌学院毕业论文 设计 GATEC TM10MGATE C T1M0M 控 制 T1控 制 T0 89H 和T 类同0 1M0M 00 01 10 11 方 式 方式0 方式1 方式2 方式3 0 1 定时器模式 计数器模式 0 1 与INT 无关0 0与INT 有关 88HIT0 外部中断 0 触发类型选择位 TMOD 工作方式控制寄存器如图 3 图 3 定时器工作方式控制寄存器 M1 M0是工作方式选择位 决定定时器的4种工作方式 方式 0 M1 0 M0 0 13 位定时 计数器 方式 1 M1 0 M0 1 16 位定时 计数器 方式 2 M1 1 M0 0 8 位定时 计数器 定时常数自动装入 方式 2 是将 16 位加 1 计数器组成一个可自动重新再装的 8 位加 1 计数器 方式 3 M1 1 M0 1 把 T0 分为两个 8 位计数器 方式 3 只适用于定时 计数器 0 如果定时 计数器 1 也设定为方式 3 时 则它停止 计数 其效果与置 TR1 0 相同 即关闭定时 计数器 1 定时 计数器 0 工作于方式 3 时 TL0 和 TH0 变成 3 个分开的 8 位加 1 计数器 单片机串行通讯功能 AT89S52 串行口是由发送缓冲寄存器是 SBUF 发送控制器 发送控制门 接收缓 冲寄存器 SBUF 接收控制寄存器 移位寄存器和中断等部分组成 与通讯有关的控制 西昌学院毕业论文 设计 寄存器有四个 SBUF SCON PCON 和 IE SBUF 在逻辑上只有一个 即表示发送寄存器又表示接收寄存器 具有用一个单元 地址 99H 在物理上 SBUF 有两个 一个是发送寄存器 一个是接收寄存器 SCON 串行控制寄存器 可进行位寻址 用与串行通讯的控制 单元地址为 98H 位地址 9FH 98H 位地址和为符号对应如下表 4 表 4 为地址和符号 位地址9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H 为符号SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI 其中 SM0 SM1 用来选择串行口工作方式 可组合四种工作方式如表 5 表 5 串口通信工作方式 SM0 SM1工作方式功能波特率 00方式08位同步移位寄存器fosc 12 01方式110位UART可变 常用 T1 控制 10方式211位UARTfosc 32或fosc 64 11方式311位UART可变 常用T1控制 其中是晶振频率 osc f 3 3 2 TLC2543 AD 转换器 TLC2543 是 TI 公司的 12 位串行模数转换器 使用开关电容逐次逼近技术完成 A D 转换过程 由于是串行输入结构 能够节省 51 系列单片机 I O 资源 且价格适中 分 辨率较高 因此在仪器仪表中有较为广泛的应用 TLC2543 的特点 1 12 位分辩率 A D 转换器 2 在工作温度范围内 10 s 转换时间 3 11 个模拟输入通道 4 3 路内置自测试方式 5 采样率为 66kbps 6 线性误差 1LSBmax 7 有转换结束输出 EOC 8 具有单 双极 西昌学院毕业论文 设计 性输出 9 可编程的 MSB 或 LSB 前导 正是因为 TLC2543 具有以上功能特点 因此 采用 TLC2543 来完成本设计的模数转换模块 TLC2543 有两种封装形式 DB DW 或 N 封装以及 FN 封装 4 不同的封装形式其外 观和引脚分布也不一样 这两种封装的引脚排列如图 4 图 4 TLC2543 的封装 在本设计中 采用的 TLC2543 的封装形式 就是 N 封装 即如图 4 中的左图所示 TLC2543 引脚分布及其功能说明如下 引脚 1 至 9 以及 11 12 AIN0D 到 AIN10 模拟量输入端 11 路输入信号由内部 多路器选通 在本设计中只用了端口 AIN0 和 AIN1 与 MQ 3 气体传感器和光敏电阻相连 接 作为输入端口 对于 4 1MHz 的 I OCLOCK 驱动源阻抗必须小于或等于 50 而 且用 60pF 电容来限制模拟输入电压的斜率 引脚 15 片选端 在端由高变低时 内部计数器复位 由低变高时 在 设定时间内禁止 DATAINPUT 和 I O CLOCK 引脚 17 DATAINPUT 串行数据输入端 由 4 位的串行地址输入来选择模拟量输入 通道 西昌学院毕业论文 设计 引脚 16 DATA OUT A D 转换结果的三态串行输出端 为高时处于高阻抗状态 为低时处于激活状态 引脚 19 EOC 转换结束端 在最后的 I OCLOCK 下降沿之后 EOC 从高电平变为 低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止 引脚 10 GND GND 是内部电路的地回路端 除另有说明外 所有电压测量都相 对 GND 而言 引脚 18 I O CLOCK 输入 输出时钟端 I OCLOCK 接收串行输入信号并完成以下 四个功能 1 在 I O CLOCK 的前 8 个上升沿 8 位输入数据存入输入数据寄存器 2 在 I OCLOCK 的第 4 个下降沿 被选通的模拟输入电压开始向电容器充电 直到 I OCLOCK 的最后一个下降沿为止 3 将前一次转换数据的其余 11 位输出到 DATA OUT 端 在 I OCLOCK 的下降沿时数据开始变化 4 I OCLOCK 的最后一个下降沿 将转换的控制信号传送到内部状态控制位 引脚 14 REF 正基准电压端 基准电压的正端 通常为 Vcc 被加到 REF 最 大的输入电压范围由加于本端与 REF 端的电压差决定 引脚 13 REF 负基准电压端 基准电压的低端 通常为地 被加到 REF 引脚 20 Vcc 电源 TLC2543 的接口时序 可以用四种传输方法使 TLC2543 得到全 12 位分辩率 每次 转换和数据传递可以使用 12 或 16 个时钟周期 一个片选 脉冲要插到每次转换 的开始处 或是在转换时序的开始处变化一次后保持为低 直到时序结束 每次转 换和数据传递使用 16 个时钟周期和在每次传递周期之间插入的时序的状态图如图 5 所示 每次转换和数据传递使用 16 个时钟周期 仅在每次转换序列开始处插入一次 时序的状态图如图 6 所示 西昌学院毕业论文 设计 图 5 16 时钟传送时序图 使用 MSB 在前 图 6 16 时钟传送时序图 不使用 MSB 在前 3 3 3 存储器 AT24CXX 系列存储芯片是 Atmel 公司生产的高度集成的串行 EEPROM 可进行电擦 除 提供的接口形式是 I2C 总线 I2C 总线采用时钟和数据两根线进行数据传输 接口 十分简单 下面对 AT24CXX 系列芯片进行介绍 AT24C08 的引脚分步如图 7 所示 西昌学院毕业论文 设计 图 7 AT24C08 引脚分布图 引脚定义如下 5 VCC 和 GND 分别接电源正负 SCL 串行时钟 该引脚为一输入引脚 为数据输入或读出提供时钟信号 SDA 双向数据端口 这是一个漏极开路的引脚 满足 线与 的条件 在使用 程中需要加上拉电阻 典型值 100KHz 时为10k 400KHz 时为1k 对于一般的 数据传输 仅在 SCL 低电平时 SDA 才允许变化 在 SCL 为高电平期间变化 指示开始 和停止条件 A0 A1 A2 为地址输入端口 这些输入端口用于多个器件级联时设置器件地址 这些脚悬空时默认值为 0 WP 写保护 当该引脚脚接地或悬空时 芯片可以进行正常的读 写操作 当该引 脚接高电平时所有的内容只能进行读操作 该芯片的接口简单 容量满足要求 因此在本次设计中采用 AT24CXX 系列芯片作 为存储器 用来存储系统工作中采集到的数据的峰值和谷值 供查询使用 3 3 4 单电源电平转换芯片 MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS 232 标准串口设计的单电源电平转换 芯片 使用 5v 单电源供电 MAX232 的引脚分布 图 8 西昌学院毕业论文 设计 图 8 MAX232 引脚分布 引脚介绍如下 6 第一部分是电荷泵电路 由 1 2 3 4 5 6 脚和 4 只电容构成 功能是产 生 12v 和 12v 两个电源 提供给 RS 232 串口电平的需要 第二部分是数据转换通道 由 7 8 9 10 11 12 13 14 脚构成两个数 据通道 其中 13 脚 R1IN 12 脚 R1OUT 11 脚 T1IN 14 脚 T1OUT 为第一数据通道 8 脚 R2IN 9 脚 R2OUT 10 脚 T2IN 7 脚 T2OUT 为第二数据通道 TTL CMOS 数据从 T1IN T2IN 输入转换成 RS 232 数据从 T1OUT T2OUT 送到 电脑 DB9 插头 DB9 插头的 RS 232 数据从 R1IN R2IN 输入转换成 TTL CMOS 数据 后从 R1OUT R2OUT 输出 第三部分是供电 15 脚 GND 16 脚 VCC 5v 该芯片符合所有的 RS 232C 技术标准 它只需要单一 的 5V 电源供电 片载 电荷泵具有升压 电压极性反转能力 能够产生 10V 和 10V 电压 V V 它具 有功耗低 典型供电电流 5mA 本系统采用 MAX232 单电源电平转换 芯片作为本系 统的串口通信模块 用于提供系统的可扩展性 3 3 5 DHT11 温湿度模块 DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器 它 应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 确保产品具有极高的可靠性与卓越 的长期稳定性 传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件 并与一个高性 能 8 位单片机相连接 因此该产品具有品质卓越 超快响应 抗干扰能力强 性价比 极高等优点 每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准 校准系数以 程序的形式储存在 OTP 内存中 传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准 西昌学院毕业论文 设计 系数 单线制串行接口 使系统集成变得简易快捷 超小的体积 极低的功耗 信号 传输距离可达 20 米以上 使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则 产 品为 4 针单排引脚封装 连接方便 特殊封装形式可根据用户需求而提供 接口说明 建议连接线长度短于 20 米时用 5K 上拉电阻 大于 20 米时根据实际情况 使用合适的上拉电阻 因为上拉电阻的阻值与总线的状态有关 后面将作详细介绍 其典型的应用电路图 9 图9 DHT11典型应用电路图 DHT11 的供电电压为 3 5 5V 传感器上电后 要等待 1s 以越过不稳定状态在此 期间无需发送任何指令 电源引脚 VDD GND 之间可增加一个 100nF 的电容 用以 去耦滤波 7 DHT11是串行接口 单线双向 DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步 采用单总线数据格式 一次通讯时间4ms左右 数据分小数部分和整数部分 具体格式在 下面说明 当前小数部分用于以后扩展 现读出为零 操作流程如下 一次完整的数据传输为 40bit 高位先出 数据格式 8bit 湿度整数数据 8bit 湿度小数数据 西昌学院毕业论文 设计 8bi 温度整数数据 8bit 温度小数数据 8bit 校验和 数据传送正确时校验和数据等于 8bit湿度整数数据 8bit湿度小数数据 8bi温度 整数数据 8bit温度小数数据 所得结果的末8位 用户MCU发送一次开始信号后 DHT11从低功耗模式转换到高速模式 等待主机开始 信号结束后 DHT11发送响应信号 送出40bit的数据 并触发一次信号采集 用户可选择 读取部分数据 从模式下 DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集 如果没有接收到 主机发送开始信号 DHT11不会主动进行温湿度采集 采集数据后转换到低速模式 通讯 过程如图10所示 图10 DHT11的通讯过程 总线空闲状态为高电平 主机把总线拉低等待DHT11响应 主机把总线拉低必须大于 18毫秒 保证DHT11能检测到起始信号 DHT11接收到主机的开始信号后 等待主机开始 信号结束 然后发送80us低电平响应信号 主机发送开始信号结束后 延时等待20 40us 后 读取DHT11的响应信号 主机发送开始信号后 可以切换到输入模式 或者输出高电 平均可 总线由上拉电阻拉高 总线状态为高电平时 与DHT11的通讯过程如图11所示 西昌学院毕业论文 设计 图11 总线状态为高电平时 与DHT11的通讯过程 总线为低电平 说明DHT11发送响应信号 DHT11发送响应信号后 再把总线拉高80us 准 备发送数据 每一bit数据都以50us低电平时隙开始 高电平的长短定了数据位是0还是1 格 式见下面图示 如果读取响应信号为高电平 则DHT11没有响应 请检查线路是否连接正 常 当最后一bit数据传送完毕后 DHT11拉低总线50us 随后总线由上拉电阻拉高进入 空闲状态 数字0信号表示方法如图12所示 图 12 DHT11 数字 0 信号的表示方法 数字1信号表示方法如图13所示 西昌学院毕业论文 设计 图13 DHT11数字1信号的表示方法 DHT11的测量分辨率分别为8bit 温度 8bit 湿度 DHT11的电气特性 VDD 5V T 25 除非特殊标注 DHT11的引脚及其功能说明如下 引脚1 VDD 供电3至5 5V直流 引脚2 DATA 串行数据 单总线 引脚3 NC 空脚 请悬空 引脚4 GND 接地 电源负极 DHT11的封装图如图14所示 西昌学院毕业论文 设计 图14 DHT11的封装图 在本系统中采用DHT11温湿度模块测量温湿度 该模块完成温湿度的采集后不需要 送给TLC2543进行模数转换 直接将数据送至单片机进行处理 3 3 6 酒精浓度传感器 MQ 3 MQ 3 对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性 具有快速响应恢复 长期的寿 命和可靠的稳定性以及简单的驱动回路等特性 MQ 3 气敏元件由微型 AL2O3陶瓷管 SnO2敏感层 测量电极和加热器构成的敏感元 件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内 加热器为气敏元件提供了必要的工作条件 8 封装好的气敏元件有 6 只针状管脚 其中 4 个用于信号取出 2 个用于提供加热电流 MQ 3 的结构 外形及测试电路如图 15 所示 图 15 MQ 3 的结构 外形及测试电路 MQ 3 的灵敏度特性曲线如图 16 所示 西昌学院毕业论文 设计 图 16 MQ 3 的灵敏度曲线 MQ 3 型气敏元件对不同种类 不同浓度的气体有不同的电阻值 因此 在使用此 类型气敏元件时 灵敏度的调整是很重要的 当精确测量时 报警点的设定应考虑温 湿度的影响 通过本节的讨论 介绍了系统中所用到的芯片 对所用到的芯片及元器件的功能 和性能参数有了全面的了解 在设计硬件电路时有了比较清晰的思路 结合前面的讨 论 根据系统框图完成各模块的设计 再进行总体调整 完成整个电路板的设计 4 系统硬件设计与实现 本控制系统分六部分 分别是电源模块 数据采集输入 主控制部分 人机交互 部分 存储部分和输出控制 本节主要讨论各部分电路的具体实现方式并绘制电路原 理图 绘制原理图时 按照信号的流向来布局各模块电路 使各模块电路接口清晰 并确保整个系统的电路正确 4 1 电源电路 本系统采用的是直流稳压电源电路 稳压电源 stabilized voltage supply 是能 为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置 本系统通过 1117 5 将电压从 12V 或 15V 或 9V 稳压到 5V 为整个系统提供工作电压 1117 系列是低压差芯片 也就 是输入和输出之间压差较小 它也能比较好的稳定输出 像本系统所采用的 1117 5 输入只要大于 6V 左右就可以正常工作了 9 电源电路原理图如图 17 所示 西昌学院毕业论文 设计 1 2 P3 DC光光 C10 470uf C12 470uf S6 SW PB VCC GND GND R14 560 D1 C11 104 IN 3 G 1 OUT 2 TAB 4 U31117 5 R11 1k R133k GND VCC 图 17 电源电路原理图 4 2 数据采集输入模块 在本系统中采用集成温湿度传感器 DHT11 采集温度和湿度信号 直接将采集到的 温湿度信号转换成数字信号后再单片机进行数据处理 光敏电阻检测当前的光照强度 信号 MQ 3 气体传感器检测当前酒精浓度 分别将光照强度信号和酒精浓度信号转换 为电压信号 TLC2543 将模拟电压信号转换为数字信号送单片机进行数据处理 经数据 处理后再驱动显示模块进行显示 同时和预设的各参数的上下限进行比较 看是否超 过预先设定的范围 如果是就驱动执行机构 提醒用户 数据转换模块电路原理图如 图 18 所示 数据采集模块电路原理图如图 19 所示 西昌学院毕业论文 设计 AIN0 1 AIN1 2 AIN2 3 AIN3 4 AIN4 5 AIN5 6 AIN6 7 AIN7 8 AIN8 9 GND 10 AIN9 11 AIN10 12 DATAI 17 REF 13 REF 14 CS 15 DATAO 16 CLOCK 18 EOC 19 VCC 20 U1 TLC2543GND VCC VCC GND CS OUT IN CLK EOC AD0 C2104 C1 104 GND AD1 图 18 数据转换模块 1 2 3