粮仓的温湿度检测2.doc

辽宁科技大学本科毕业设计 第 I 页 基于单片机的粮仓温湿度检测系统 摘要 本系统是通过单片机 来实现对粮仓的温湿度进行自动测量 系统 AT89C51 单片 机为基础 通过数字及模拟式传感器对温度 湿度进行检测 在设计中 51 单片机是整 个系统的心脏 AD590 温度采集放大电路把测量的温度信号发送给 ICL7109 ICL7109 转换器将接受到的电压信号转换成数字信号发送给 89C51 而 HS1101 湿度传感器是直 接测量出数字信号发送给 89C51 89C51 对温湿度信号进行运算控制 由液晶显示器 YM19264 显示出来 设计分别从硬件和软件两个方面对此温湿度检测系统进行了分析 本系统主要由集成温湿度传感器 12 位双积分模数转换器 ICL7109 主芯片 AT89C51 和液晶显示芯片 YM19264 组成 硬件部分介绍了系统总体工作流程 器件选择 芯片 功能及工作原理等 软件部分设计了计数 数据采集 温湿度显示等子程序来完善整 个系统的检测功能 该系统操作简单 安装方便 性能稳定可靠 特别适用于需对温 湿度及时监测的粮仓 库房等场所 目 录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 背景 1 1 2 国内外研究状况和相关领域研究成果 1 1 2 1 粮仓温湿度检测发展状况 1 1 2 2 单片机历史 2 1 3 研究内容和研究方法 3 2 系统的总体设计 4 2 1 系统的组成 4 2 2 系统工作流程 4 2 3 系统的功能介绍 5 3 系统的硬件设计 6 辽宁科技大学本科毕业设计 第 II 页 3 1 AT89C51 单片机功能介绍 6 3 1 1 芯片简介 6 3 1 2 AT89C51 各引脚在设计中的定义 6 3 1 3 上电手动复位电路 8 3 1 4 振荡电路 8 3 2 模数转换器 9 3 2 1 模数转换器的选择 9 3 2 2 AD 转换器 ICL7109 的特点 9 3 2 3 I CL7109 芯片引脚说明及外部连接 10 3 2 4 ICL7109 与 89C51 单片机的硬件接口设计 12 3 3 温度采集系统 14 3 3 1 集成温度传感器的选择 14 3 3 2 AD590 的性能特点 15 3 3 3 温度采集电路 15 3 4 湿度检测 16 3 4 1 湿度传感器的选择 16 3 4 2 HS1101 的性能特点 17 3 4 3 湿度测量电路 18 3 5 键盘及显示接口扩展 19 3 5 1 芯片的选择 19 3 5 2 YM19264 的引脚功能介绍 20 3 5 3 YM19264 与 AT89C51 的连接 21 4系统软件设计 22 4 1 程序开发环境及设计原则 22 4 2 本设计程序功能及流程 22 结 论 26 致 谢 27 参考文献 28 附录 A 英文文献 29 附录 B 中文译文 36 附录 C 程序 41 辽宁科技大学本科毕业设计 第 3 页 1绪论 1 1 背景 由古至今 粮仓粮食的存储是否得当对国家的经济能否正常合理的运行有 很大的影响 但是在以前的经济和科技水平有限 所以我国粮食的存储的环境 很差 管理落后 粮库管理的重点之一就是要合理布置测温点 经常检查温度 变化 以便及时发现粮食的发热点 减少粮食的损失 然而 粮堆的热传递又 是那样的缓慢 使人感知极差 需要管理人员经常进入闷热 呛人的仓房内观 察温 湿度 不断进行翻仓 通风 这种繁重的体力劳动 不仅对人体有极大 地伤害 而且不科学 不及时 所以 粮食虫蛀 霉变的情况时有发生 1 2 国内外研究状况和相关领域研究成果 1 2 1 粮仓温湿度检测发展状况 网络通信技术的发展 使监控系统广泛应用于工农业生产等领域 因此 粮情检测技术粮情检测属监控系统范畴 近年来 由于计算机技术 超大规模 集成电路技术和的研究在软 硬件等方面都有了一定的进展 早期粮情监测主要采用温度计测量法 它是将温度计放入特制的插杆中 根据经验插在粮堆的多个测温点 管理人员定期拔出读数 确定粮温的高 低 决定是否倒粮 这种方法对储粮有一定的作用 但由于温度计精度 人工读数 的人为因素等原因 温度检测不仅速度慢 而且精度低 抽样不彻底 局部粮 温过高不易被及时发现 导致因局部粮食发霉变质引起大面积坏粮的情况时有 发生 随着科技的发展 从 1978 年开始 采用电阻式温度传感器 采样器 模数转换器 报警器等组成的储粮监测系统出现 它可对各粮库的各个测温点 进行巡回检测 检测速度 精度大大提高 降低了劳动强度 但由于电阻传感 器的灵敏度低 致检测精度 系统可靠性还不够理想 至 1990 年 粮情检测 系统有了很大的改善和提高 系统在布线上采用矩阵式布线技术 简化了数据 采集部分的线路 在传感器方面应用了半导体 热电偶等器件 在线路传输上 采用了串行传输方式 从而减少了传输线根数 采用单板机进行数据处理 并 采用各种手段提高数据传输及检测速度 通过软硬件技术的结合 检测精度和 可靠性较前有很大提高 但温度传感器的线性度差 系统的检测精度仍不理想 辽宁科技大学本科毕业设计 第 4 页 无法大面积推广 近年来 随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用 粮情检测的准确性 稳定性要求越来越高 寻找最佳配置和最好的性价比成为 粮情监测研究的热点国外在粮情监控技术上已达到了很成熟的地步 高科技数 字式传感器广泛应用于粮情检测系统 这种传感器采用了半导体集成电路与微 控制器最新技术 在一个管芯上集成了半导体温度检测芯片 数据信号转换芯 片 计算机接口芯片 转换 温度补偿等功能 由于数字温度传感器直接传出 数字量 从而解决了温度信号长距离传输问题及传输过程中因干扰和衰减而导 致的精度降低等问题 目前 国内出现了丰富的数字传感器配套产品 如远程 控制模块 中继器 接插器 分线器等 技术也比较成熟 数字传感技术 通 信技术 计算机成为当今信息技术的的三大基础 计算机监控技术已成人们关 注的热点 1 2 1 单片机历史 单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计 算机系统集成到一个芯片上 概括的讲 一块芯片就成了一台计算机 它的体 积小 质量轻 价格便宜 为学习 应用和开发提供了便利条件 同时 学习 使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择 可以说 二十世纪跨越了三个 电 的时代 即电气时代 电子时代和现已进入 的电脑时代 不过 这种电脑 通常是指个人计算机 简称 PC 机 它由主机 键盘 显示器等组成 还有一类计算机 大多数人却不怎么熟悉 这种计算机 就是把智能赋予各种机械的单片机 亦称微控制器 顾名思义 这种计算机的 最小系统只用了一片集成电路 即可进行简单运算和控制 因为它体积小 通 常都藏在被控机械的 肚子 里 它在整个装置中 起着有如人类头脑的作用 它出了毛病 整个装置就瘫痪了 现在 这种单片机的使用领域已十分广泛 如智能仪表 实时工控 通讯设备 导航系统 家用电器等 各种产品一旦用 上了单片机 就能起到使产品升级换代的功效 常在产品名称前冠以形容词 智能型 如智能型洗衣机等 现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开 发者搞出来的某些产品 不是电路太复杂 就是功能太简单且极易被仿制 究 其原因 可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上 单片机的历史 辽宁科技大学本科毕业设计 第 5 页 第一代 七十年代后期 4 位逻辑控制器件发展到 8 位 使用 NMOS 工艺 速度低 功耗大 集成度低 代表产品 MC6800 Intel 8048 第二代 八十年代初 采用 CMOS 工艺 并逐渐被高速低功耗的 HMOS 工 艺代替 代表产品 MC146805 Intel 8051 第三代 近十年来 MCU 的发展出现了许多新特点 1 在技术上 由可扩展总线型向纯单片型发展 即只能工作在单片方式 2 MCU 的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线 3 将多个 CPU 集成到一个 MCU 中 4 在降低功耗 提高可靠性方面 MCU 工作电压已降至 3 3V 第四代 FLASH 的使用使 MCU 技术进入了第四代 1 3 研究内容和研究方法 本课题需要研究的内容主要有以下几方面 1 根据系统功能要求并且考虑系统的实用性和可操作性 进行系统的整 体方案设计 该方案采用模块化设计方法 以方便系统调试和用户的使用 2 系统硬件设计 主要内容包括芯片的选择 芯片的功能介绍 芯片外 围电路的设计等 3 系统软件设计 主要包括系统主程序 记数程序 采样子程序 读显 示子程序 写显示 RAM 子程序 本设计以实用为出发点 力求设计原理简单 开发成本低 易于实现 器 件选择上 也考虑到实际应用的具体情况 单片机控制可靠性高 温湿度传感 器采集信号误差小 稳定度高 整个系统使用简单 经济实用 有很强实用性 2 系统的总体设计 本章从系统组成 工作原理 工作范围等方面作了系统介绍 2 1 系统的组成 根据系统总体功能 将其划分为以下几个功能模块 微处理器 CPU 模数 转换器 A D 温度传感器 湿度传感器 键盘 数码显示组成 整个系统的构 成如图所示 辽宁科技大学本科毕业设计 第 6 页 温度信号 采集电路 12 位 双积 分模 数转 换 器 湿度信号 采集系统 单 8 片 9 机 C 5 1 YM19264 图 2 1 温湿度控制系统框图 2 2 系统工作流程 整个检测系统的核心器件是单片机 它是整 个系统的 心脏 由它来接收温 湿信号并控制协调各功能模块的正常工作 一方面 AD590 集成传感器采集温度 信号 信号经过整理放大后送 ICL7109A D 转换器 由此将模拟信号转变成数 字信号后送至 CPU 进行运算处理 另一方面湿度传感器 HS1101 将采集的湿度 信号通过以 555 定时器为主的单稳态电路转换成数字信号直接送至 89C51 进行 处理 在单片机内部 CPU 根据模拟量与数字量的对应关系 把收到的数字量 与温湿度值一一对照 找出合适的温湿度值进行显示 达到测温测湿的目的 显示部分由液晶芯片 YM19264 辅助单片机来完成 并可通过键盘输入指令进 行控制 充分提高了单片机的工作效率 因89C51内含4KB的EEPROM 不需外扩展存储器 可使系统整体结构简 单 2 3 系统的功能介绍 本系统可对温湿度值进行实时检测 测温范围可为 55 150 C 根据粮 仓内实际温度变化情况 将测温范围设定为 0 70 C 可测湿度测量范围是 0 100 RH 这也足以满足对湿度的测量要求 所测温湿度值通过 YM19264 键 盘显示芯片显示 整个系统测量精度高 稳定性好 性能上能够达到远距离测 量温湿度的要求 适于安置在粮仓内进行检测 辽宁科技大学本科毕业设计 第 7 页 3 系统的硬件设计 本章从器件选择 性能特点 电路分析等方面对硬件系统进行了讨论 3 1 AT89C51 单片机功能介绍 3 1 1 芯片简介 AT9C51 是一个低电压 高性能 CMOS8 位单片机 片内含 4k bytes 的可反 复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 128 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 内置功 能强大的微型计算机的 AT89C51 提供了高性价比的解决方案 AT89C51 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 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 AT89C51 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 3 1 2 AT89C51 各引脚在设计中的定义 本设计中 单片机引脚功能定义如下 如图 3 1 所示 图 3 1 AT89C51 在本设计中的引脚 89C51 各管脚说明如下 Vcc 电源引脚 接 5V 电源 辽宁科技大学本科毕业设计 第 8 页 Vss 接地 RST Vpd RST 是复位信号输入端 高电平有效 Vpd 为备用电源输入端 XTAL1 XTAL2 时钟引脚 两引脚间外接晶体与片内反相放大器构成一 个振荡器 为单片机提供时钟控制信号 本设计根据需要外接 6MHZ 晶体 外部中断 0 输入 本设计中与 ICL7109 的 STATUS 相连接受0INT0INT 中断请求信号 外部中断 1 输入 1INT T1 定时器 计数器 T1 外部输入 本设计中将湿度检测电路产生的频率输入 T1 口 用 T1 计数 同时用 T0 设置 1S 的定时 从而实现计数功能 外部数据存储器写脉冲输入线 WR 外部数据存储器读脉冲输入线 设计中 7109 的片选端负责数据的读RD 写 ALE 地址锁存允许信号输出端 设计中此端接到 74LS373 地址锁PROG 存器的锁存允许端实现锁存功能 Vpp 程序存储器地址允许输入端 当为高电平时 CPU 执行片内EAEA 程序存储器指令 当为低电平时 CPU 只执行片外程序存储器的指令 本EA 设计不用外扩程序存储器 固此脚接高电平 P3 口为多功能口 每一位都可以分别被定义为复用的输入功能或复用的输 出功能 当 P3 口某一位的锁存器被置 1 后 输出端可由复用的输出功能信号控 制 作复用的输出功能的输出线使用 而实际上 如果把复用输出功能控制端 置 1 则 P3 x 端可实现复用的输入功能 P2 口是一个准双向 I O 口 它有两种使用功能 一种是作普通的 I O 口使 用 另一种是作系统扩展的地址总线口 输出高 8 位的地址 当口电路中的多 路开关接通锁存器的 Q 端输出时 P2 口作普通输入输出使用 当开关接通地址 时 作地址总线口使用 P2 口的引脚状态由所输出的地址确定 本系统中用 辽宁科技大学本科毕业设计 第 9 页 P2 4 和 P2 5 对 ICL7109 的高低位数据输出进行控制 P0 口为双向 I O 口 它的结构与 P2 口相似 可作输入 输出口使用 也可 作系统扩展的地址 数据总线口 P0 口作地址 数据总线口使用时 由控制线控 制将电子开关接通至地址 数据端 分时输出扩展外存的低 8 位地址 3 1 3 上电手动复位电路 AT89C51 单片机复位信号是高电平有效的 其有效时间应持续 2 个机器周 期以上 为了保证应用系统可靠地复位 在设计复位电路时 通常使复位引脚 保持 10ms 以上的高电平 图中 RESET 按键未按下时 单片机刚接通电源 就 进入了上电复位状态 在单片机开始工作了以后 如按下 RESET 由两电阻组 成的串联分压电路使 RST 得到一个高电平 从而使单片机重新复位 松开按键 复位信号消失 单片机可开始正常工作 图 3 2 上电手动复位电路 3 1 4 振荡电路 根据本设计需要 AT89C51 的振荡电路由一个 6MHZ 和两个 20PF 的电容 组成 这个电路是一个典型的单片振荡电路 图 3 3 振荡电路 辽宁科技大学本科毕业设计 第 10 页 3 2 模数转换器模数转换器 3 2 1 模数转换器的选择 即 A D 转换器 或简称 ADC 通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的 电子元件 通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信 号 由于数字信号本身不具有实际意义 仅仅表示一个相对大小 故任何一个 模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准 比较常见的参考标准为最 大的可转换信号大小 而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小 模数转换器最重要的参数是转换的精度 通常用输出的数字信号的位数的多少 表示 转换器能够准确输出的数字信号的位数越多 表示转换器能够分辨输入 信号的能力越强 转换器的性能也就越好 例如 对于一个 2 位的电压模数转换器 如果将参考设为 1V 那么输出的信号有 00 01 10 11 四种可能 分别代表输入电压在 0V 0 25V 0 25V 0 5V 0 5V 0 75V 0 75V 1V 时的对应输入 当一个 0 8V 的信号输入时 转换器输出的数据为 11 3 2 2AD 转换器 ICL7109 的特点 ICL7109主要有如下特性 1 高精度 精确到1 212 1 4096 低漂移 1 V C 2 低噪声 典型值为15 VP P 低功耗 20mw 3 高输入阻抗 典型值1012欧姆 4 转换速度最快达30次 秒 当采用3 58MHz晶振作振源时 速度为7 5次 秒 5 片内带有振荡器 外部可接晶振或RC电路以组成不同频率的时钟电路 6 12位二进制输出 同时还有一位极性位和一位溢出位输出 7 输出与TTL兼容 以字节方式 分高低字节 三态输出 并且具有VART 挂钩方式 可以用简单的并行或串行口接到微处理系统 辽宁科技大学本科毕业设计 第 11 页 8 可用RVN 运行 保持 STATUS 状态 信号监视和控制转换定时 HOLD 9 所有输入端都有抗静电保护电路 10 ICL7109 工作电压为双电源 5V 基准电压典型值为外部分压输入的 2 8V 3 3 2 3 ICL7109 芯片引脚说明及外部连接 图 3 4 ICL7109 引脚图 ICL7109 的引脚功能如下 GND 数字地 0V V 负电源 接 5V V 正电源 接 5V STATUS 状态输出 ICL7109转换结束时 该脚发出转换结束信号 POL 极性输出 高电平表示ICL7109的输入信号为正 OR 过量程状态输出 高电平表示过量程 B1 B12 三态转换结果输出 B12 为最高位 B1 为最低位 TEST 此引脚仅用于测试芯片 接高电平时为正常操作 接低电平时则强 迫所 辽宁科技大学本科毕业设计 第 12 页 有位B1 B12输出为高电平 低字节使能端 当 MODE 和 CE LOAD 均为低电平时 此信号将LBEN 作为低位字节 B1 B8 输出的辅助选通信号 当 MODE 为高电平时 此信号 将作为低位字节输出 高字节使能端 当 MODE 和 CE LOAD 均为低电平时 此信号将HBEN 作为低电平时 此信号将作为高位字节 B8 B12 以及 POL OR 输出的辅助 的选通信号 当 MODE 为高电平时 此信号将作为高位字节输出而用于信号交 换方式 片选端 当MODE为低电平时 它是数据输出的主选通信号 LOADCE 当本脚为低电平时 数据正常输出 当本脚为高电平时 则所有数据输出端 B1 B12 POL OR 均处于高阻状态 MODE 方式选择 当输入低电平信号时 转换器为直接输出工作方式 此时 可在片选和数据使能的控制下直接读取数据 当输入高电平脉冲时 转 换器处于UART方式 并在输出的两个字节的数据后 返回到直接输出方式 当输入高电平时 转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据 OSC IN OSC OUT 振荡器输入 输出端 OSC SEL 振荡器选择 输入高电平时 采用RC振荡器 当输入低电平时 采用晶体振荡器 BUF OSC OUT 缓冲振荡器输出 RUN 运行 保持输入 输入高电平时 每经8192个时钟脉冲均完HOLD 成一次转换 当输入低电平时 转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调 零阶段 从而缩短了消除积分阶段的时间 提高了转换速度 SEND 是输入信号 用于数据信号传送时的信号交换方式 以指示外部 器件能够接受数据的能力 REF OUT 基准电压输出 一般为 2 8V BUF 缓冲器输出 AZ 自动调零电容CAZ连接端 INT 积分电容CINT连接端 辽宁科技大学本科毕业设计 第 13 页 COMMON 公共模拟端 INLO INHI 差分输入低端 高端 REFIN REFIN 正 负差分基准输入端 REFCAP 正差分电容连接端 REFCAP 负差分电容连接端 ICL7109外部电路连接元件参数选择 基准电压的供给 ICL7109片内含有参考电压源 由REFOUT 29端 输出 一般为2 048V伏 经电阻分压输出 基准电压输入为差分输入 分别从 REFIN 36端 REFIN 39 端 引入 一般来说对模拟输入如果满度输出4096个 数 则VIN 2VREF 即2 048V基准电压对应于4 096满度输入模拟电压 当输入 模拟电压为5 0V 因此基准电压为2 5V 通过片内参考电压源经电位器分压得 到 时钟电路的选择 ICL7109 时钟电路选择晶体振荡器 为了使电路具有抗 50Hz 串模干扰能力 A D 转换应选择积分时间 2048 个时钟数 等于 50Hz 的 整数倍 系统选择 3 58MHz 晶振 本设计中 ICL7109 接成晶体振荡器时 内 部时钟为 58 分频后的振荡器频率 ICL7109 每转换一次所需的时间为 8192 个 时钟周期 转换时间的计算公式为 转换时间 8192 58 晶振频率 本系统中 所用晶振频率为 3 58MHz 则转换时间为 133ms 即一秒转换 7 5 次 积分电容 CINTZ选择 积分电压根据积分器给出的最大输出摆幅电压选择 此电压应使积分器不饱和 大约低于电源 0 3V 对于 ICL7109 5V 电源 0 15uF 比较合适 通常 CINT 积分器输出摆幅 时钟周期A 202048 自动调零电容 CAZ选择 在模拟输入信号较小时 如 0 0 5 伏时 自动调 零电容可选比积分电容 CINT大一倍 以减小噪声 CAZ的值越大 噪声越小 如果 CINT选为 0 15 F 则 CAZ 2CINT 0 33 F 当传感器传来的微弱信号经放大 器放大后为 0 5V 这时噪声的影响不是主要的 可把积分电容 CINT选大一些 使 CINT 2CAZ 选 CINT 0 33 F CAZ 0 15 F 本系统正属于这种情况 积分电阻RINT选择 缓冲放大器和积分器能够提供20 A的推动电流 积分 电阻要选的足够大 以保证在输入电压范围内的线性 积分电阻RINT等于满度 辽宁科技大学本科毕业设计 第 14 页 电压时对应的电阻值 当电流为20 A 输入电压 4 096V时 RINT 200千欧 此 时基准电压V RI和V RI之间为2V 由电阻R1 R3和电位器R2分压取得 基准电容CREF一般取值1uF 较好 如果存在一个大的共模电 要求电容值 较大 以防止滚动误差 3 2 4 ICL7109 与 89C51 单片机的硬件接口设计 ICL7109 内部有一个 14 位 12 位数据和一位极性 一位溢出 的锁存器和一 个 14 位的三态输出寄存器 同时可以很方便地与各种微处理器直接连接 而无 需外部加额外的锁存器 ICL7109 有两种接口方式 一种是直接接口 另一种 是挂钩接口 在直接接口方式中 当 ICL7109 转换结束时 由 STATUS 发出转 换结束指令到单片机 单片机对转换后的数据分高位字节和低位字节进行读数 在挂钩接口方式时 ICL7109 提供工业标 图 3 5 ICL7109 与 89C51 的接口电路 准的数据交换模式 适用于远距离的数据采集系统 4 本系统采用直接接 口方式 7109 的 MODE 端接地 使 7109 工作于直接输出方式 ICL7109 与 AT89C51 的连接如图 3 5 所示 两者间关系如下 RUN 运行 保持 引脚接 5V 使A D转换连续进行 HOLD B1 B12 输出高低位数据 POL OR 输出极性和溢出位 这些数据分时 辽宁科技大学本科毕业设计 第 15 页 送至 89C51 的 P0 口 将STATUS线与89C51的INT0相连 这样每完成一次转换便向89C51发一次 中断请求 A D转换正在进行时 STATUS引脚输出高电平 当一次AD结束时 STATUS引脚降为低电平 由P2 6输出低电平信号到ICL7109的 读高位HBEN 数据 极性和溢出位 由P2 5输出低电平信号到 读低位数据 实现了LBEN 数据的分时传输 这种方法可简化设计 节省硬件和软件 为7109片选端 低电平时数据数据正常输出 接至89C51的读选LOADCE 通端 其中 ICL7660 是 5V 输入 5V 输出的电源极性变换器 用来为 ICL7109 提供双极性电压 3 3 温度采集系统 3 3 1 集成温度传感器的选择 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路 它是利用晶体管的b e结压 降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测 集成温度变换器把作为感温元件的结型温敏器件与外围电路集成在同一芯片上 实现了温度变换器的小型化 由于附加了线性化电路 因此变换器线性极好 解 决了温敏器件非线性问题 集成温敏变换器还具有高灵敏度 高电平输出 稳 定性好 易于与读出电路和控制电路接口等优点 集成温度传感器的输出形式 分为电压输出和电流输出两种 电压输出型的灵敏度一般为10mV K 温度0 C 时输出为0 温度25 C时输出2 982V 电流输出型的灵敏度一般为1 A K 温 度检测在工农业生产 国防 科研以及日常生活等领域占有重要地位 AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端 温度传感器 这种器件在被测温度一定时 相当于一个恒流源 该器件具有良 好的线性和互换性 测量精度高 测温范围宽而且容易实现 并具有消除电源波 动的特性 即使电源在5 15V之间变化 其电流只是在1 A以下作微小变化 因为AD590是恒流器件 所以适合远距离传送 也容易实现智能数字化显示 辽宁科技大学本科毕业设计 第 16 页 3 3 2AD590 的性能特点 AD590是电流型温度传感器 一般用于精密温度测量电路 其电路外形如图3 6 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Io 3 脚为管壳 一般不用 集成温度传感器的电路符号如图3 7所示 图3 6 AD590 的外形电路 图3 7 集成温度传感器电路符号 AD590的主要特性如下 1 两端器件 电压输入 2 灵敏度 1 A K 即电流输出温度每增加1 C 它会增加1 A输出电流 3 较宽的检测范围 55 155 C 4 较宽的工作电压 4 30V 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被损坏 5 输出电阻为710MW 6 精度高 线形好 AD590共有I J K L M五档 其中M档精度最高 在 55 C 150 C范围内 非线性误差为 0 3 C 3 3 3 温度采集电路 首先 我们根据AD590的特性 找出其输出电流值与温度值的关系 具体 说明如下 AD590输出电流是以绝对温度零度 273 C 为基准 每增加1 C 它会增加1 A输出电流 例如在室温25 C时 其输出电流Io 273 25 298 A 故AD590的输出电流I 273 T A T为摄氏温度 温度采集电路分析 辽宁科技大学本科毕业设计 第 17 页 图3 8 AD590温度采集放大电路 如图3 8所示因此量测的电压V为 273 T A 10K 2 73 T 100 V 为了将 电压量测出来又需使输出电流I不分流出来 我们使用电压跟随器 其输出电压 V2等于输入电压V 由于一般电源供应较多零件之后 电源是带杂讯的 因此 我们使用齐纳二极体作为稳压零件 再利用可变电阻分压 其输出电压V1需调 整至2 73V 接下来我们使用差动放大器 其输出Vo为 50K 10K V2 V1 T 20V 如果现在为摄氏100度 输出电压为5V 图中用到两个LM324集成运 算放大器 前一个起跟随作用 防止测电压时分流 第二个起放大作用 将电 压信号放大5倍后送至模数转换器 2 此电路的最终目的是实现信号的放大并将 输出电压与测量温度的关系设定为V 这样输入模数转换器的电压不会超 20 T 过满度电压 同时所测温度的范围也满足要求 本设计设定的测温范围是 0 C 70 C 那么输入ADC的模拟电压范围为0V 3 5V 3 4 湿度检测 3 4 1 湿度传感器的选择 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中吸收 水分后引起的物理或化学性质的变化 电容式 电阻式和湿涨式湿敏元件分别 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 HS1101 是一种高分子湿敏电容传感器 湿敏电容是一种在高分子薄膜上形 成的电容 高分子薄膜上的电极是很薄的金属微孔蒸发膜 水分子可通过两端 辽宁科技大学本科毕业设计 第 18 页 的电极被高分子薄膜吸附或释放 随着这种水分子的吸附或释放 高分子的介 电系数将发生相应的变化 由于介电系数随空气的相对湿度变化而变化 所以 只要测定电容 C 值就可得相对湿度 其具有不需校准的完全互换性 高可靠性 和长期稳定性 响应时间快速 专利设计的固态聚合物结构 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 3 4 2 HS1101 的性能特点 HS1101 的主要性能特点如下 1 相对湿度在 0 100 RH 范围内 相对湿度为 55 RH 时的典型电容 值约 182pF 温度系数为 0 04pF C 可见精度是较高的 常温使用无需温度补偿 无需校准 相对湿度在 33 75 RH 之间时平均灵敏度为 0 34pF RH 2 HS1101 有响应快 响应时间小于 5S 线性度高 高可靠性及长期稳定 性 年漂移量 0 5 RH 年 常时间饱和下快速脱湿等优点 3 供电电压一般选 5V 最高不超过 10V 5V 供电时间的漏电仅为 1nA 工作温度范围为 40 C 100 C 4 产品具有良好的互换性 在标准条件下 10KHZ 25 C 更换 HS1101 时不需要重新标定 湿度值与电容值的关系如下图所示 图3 9 湿度 电容响应曲线 相对湿度为 55 RH 时的典型电容值约 182pF 相对湿度从 0 变化到 100 时 电容量由 162pF 变到 200pF 湿度传感器工作范围如下图 辽宁科技大学本科毕业设计 第 19 页 图 3 10 HS1101 湿敏电容工作的温湿度范围 HS1101 的工作范围包含三个区域 长期稳定区 正常工作区和非正常区 在长期工作区可长期连续工作 正常稳定区仅供短期测量使用 3 4 3 湿度测量电路 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 常用两种方法 一是将该湿敏电容置于运放与阻容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呈反比的电 压频率信号 可直接被计算机所采集 本设计采用频率输出形式 采集电路如 图3 11所示 图 3 11 湿度信号采集电路 通电后 电源沿着 UCC R4 R2 C 地的途径给 C 充电 经过 t1时间后湿 敏电容的压降 UC就被充电到 TLC555 的高触发电平 UH 0 67UCC 使内部比较 辽宁科技大学本科毕业设计 第 20 页 器翻转 OUT 端的输出变成低电平 然后 C 开始放电 放电回路为 C R2 D 端 内部放电管 地 经过 t2 时间 UC降至低触发电平 UL 0 33UCC 内部 比较器再次翻转 使 OUT 端输出高电平 这样周而复始的进行充 放电 就形 成了震荡 充电 放电时间分别为 2ln 42 1 RRCt 2ln2 2 CRt 输出波形的频率 f 和占空比 D 的计算机公式如下 21 11 ttT f 2ln 422 1 RRC 422 42 21 11 RR RR tt t T t D 通常取 R4 R2 使 D50 输出接近于方波 例如 取 R2 576k R4 49 9k 时 D 52 当 C C0 181 5pF 时 求出 f 6668Hz 这 与 6660Hz 非常接近 输出方波频率与相对湿度的数据对照见表 3 1 湿敏电容经振荡电路变换后的脉冲频率信号 送入单片机的定时 计数器 T1 T1 工作于方式 1 为 16 位计数器 同时用 T0 定时 1S 实现计数功能 记 录脉冲数并存入内存缓冲区 表表 3 1 输出方波频率与相对湿度的数据对照表 湿度 频率 湿度 频率 RH Hz RH Hz 0 7351 10 7224 20 7100 30 6976 40 6853 50 6728 60 6600 70 6468 80 6330 90 6186 100 6033 辽宁科技大学本科毕业设计 第 21 页 3 5 键盘及显示接口扩展 3 5 1 芯片的选择 键盘及显示部分扩展选择YM19264液晶显示 YM19264是深圳市耀宇科技 有限公司 单个芯片就能完成键盘输入和LCD显示控制两种功能 由于它本身 可提供扫描信号 因而可代替CPU完成键盘和显示器的控制 从而减轻了CPU 的负担 提高了运算速度 而且接口方便 显示稳定 程序简单 可靠性高 使用方便 3 5 2 YM19264 的引脚功能介绍 1 VSS 0V 电源地 2 VDD 5 0V 电源电压 3 VEE 5 0V 13V 液晶显示器驱动电压 4 D I H L D I H 表示 DB7 DB0 为显示数据 D I L 表示 DB7 DB0 为 显示指令数据 5 R W H L R W H E H 数据被读到 DB7 DB0 R W L E H L DB7 DB0 的数据被写到 IR 或 DR 6 E H L 使能信号 R W L E 信号下降沿锁存 DB7 DB0 R W H E H DRAM 数据读到 DB7 DB0 7 DB0 7 H L 数据线 8 CS1 L 19264A 选择 IC1 即 左 64 列 9 RESET L 复位控制信号 RST 0 有效 10 CS2 L 19264A 选择 IC2 即 中 64 列 11 CS3 L 19264A 选择 IC3