烟草仓库温度、湿度单片机测控装置的设计.doc

烟草仓库温度、湿度单片机测控装置的设计.txt3努力奋斗，天空依旧美丽，梦想仍然纯真，放飞自我，勇敢地飞翔于梦想的天空，相信自己一定做得更好。4苦忆旧伤泪自落，欣望梦愿笑开颜。5懦弱的人害怕孤独，理智的人懂得享受孤独 本文由hexin635492943贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 学科分类号： 湖南人文科技学院 本科生毕业设计 题 目：烟草仓库温度、湿度单片机测控裝 置的设计 学生姓名： 系 部： 廖可义 学号： 07416207 通信与控制工程系 通信工程 2007 级 谢四莲 副教授 专业年级： 指导教师： 职 称： 湖南人文科技学院教务处制 湖南人文科技学院本科毕业设计诚信声明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经 注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 年 月 日 湖南人文科技学院毕业设计 烟草仓库温度、湿度单片机测控裝置的设计 烟草仓库温度、湿度单片机测控裝置的设计 摘 要：现代农业生产离不开环境控制，本文在对国内外温室智能控制进行深入分析 的基础上， 针对温室智能化控制存在的诸多因子， 将智传感器监测和单片机控制相结合， 提出了基于单片机的温湿度检测系统设计方案。 本系统采用层次化、模块化设计，整个系统由数据采集系统、单片机控制系统、计 算机监控系统组成。系统以单片机为核心，以多个温度、湿度传感器作为测量元件，通 过单片机与智能传感器相连，采集并存储智能传感器的测量数据。在单片机系统中，还 要实现程序的扩展存储、数据的实时显示、超限语音报警和数据辅助存储功能。单片机 作为监控计算机与智能传感器连接的中心，另一方面通过 RS232 总线与监控计算机通 信，将采集到的数据传输给监控计算机。监控计算机将单片机传输的数据进行记录、存 储、处理和报警，供工作人员浏览、记录和进行相关处理。 本设计主要做了如下几方面的工作:一是确定系统的总体设计方案。 包括系统要完成 的设计功能，达到的技术指标，系统的设计原则，由此简要介绍系统的整个组成和系统 工作原理;二是进行智能传感器的硬件电路和软件系统的设计。 包括传感器的静动态特征 介绍，采用单总线技术的 DS1820 数字温度传感器测温时序、测温原理、测温电路以及 测温系统软件设计，湿敏电容传感器 HS1101 的湿度测量电路，为防止模拟传感器采集 湿度数据的失真， 采用了线形插值算法:三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设 计。内容包括采用的 AT89S52 单片机的介绍，I2C 总线的 AT24C04 的存储扩展，4 数码 管显示输出， 超限数据的语音报警， 模拟 SPI 总线辅助数据存储;四是对计算机软件系统 的设计思路、 工作原理和实现方法进行了阐述。 首先通过 RS-232C 协议实现单片机和计 算机的连接，借助 Windows 下串行通信编程的 ActiveX 控件通过串行接口收发数据，然 后计算机作为监控机实现数据的显示、存储、查询、打印和系统设置功能。 本系统将信息采集、信息传输、信息处理等多种信息技术相互融合，采用了多种总 线技术，将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行的温室 环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将 有关信息根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对监测系统进 行远程控制。满足了对作物生长状态实行全面、实时、长期监测的要求。实现了对温室 I 南人文科技学院毕业设计 环境的温湿度实时监测和控制，实现了温室环境温湿度检测的自动化和智能化。 关键词:AT89S52; DS1820; HS1101; MMC; ISD2560 键词:AT89S52; :AT89S52 II 湖南人文科技学院毕业设计 The Design of Tobacco Warehouse Temperature, Humidity Microcontroller Measure-control Device Abstract: Modern agricultural production is inseparable from the environmental control.in Based on thorough analysis about our the light of the causes of greenhouse intelligent control， national and abroad greenhouse intelligent control，combining intelligent sensors test with mcu control.This thesis proposes a design scheme on mcu temperature and humidity testinf system. This system adopts hierarchical， modular design. It consists of data acquisition system, mcu control system, computer monitoring system, and centers around the mcu, with many temperature, humidity sensors as measurement components.It collects and stores intelligent sensor measurement data by connecting mcu with intelligent sensors.In mcu system, some functions of the expansion storage of procedures, real 一 time display of data, overrun auto alarm and auxiliary data storage are realized. As the center of the monitoring computer and intelligent sensor, mcu monitoring computer by the transmits the gathered data the to means of the communication between 232 bus and monitoring computer.The monitoring computer will record, store，process and alarm the data, so that the operators can browse and record it,then take relative measures. This design has mainly done the following several works. First, it establishes the general design of the system, including the design function of the system to be completed, the technical specifications to be reached, design principles of the system, and introduces the entire system components and work principle of the systems. Secondly, it designs the hardware circuit and software design of intelligent sensors,including the introduction of the static and dynamic characteristics of sensors. The software designing of temperature measurement phase, temperature measurement principle, temperature measurement circuit and temperature measurement system of digital temperature sensor DS1820 which adopts one-wire bus technology,humidity sensor circuit of sensor HS1101，in order to prevent the distortion of humidity data gathered by mock sensor, the linear interpolation algorithm is adopted. Thirdly,it designs hardware circuit of communication interface and software system, including the introduction of adopted AT89S52 SCM, storage expansion of AT24C04 of IC Bus,display output of 4 digital tubes, audio alarm of overrun data, auxiliary data storage of mock SPI Bus.The last，it elaborates the working principle，designing thoughts and realizing III 南人文科技学院毕业设计 methods of computer software system. At first, through RS 一 232C protocol SCM and computer inferface are connected, and data is received and sent by serial with communication the in help of ACTIVE X programmed by serial windows environment. computer can display，store, inquire and print the data and setting as a monitor. This system integrates modern signal gathering technology, signal transmitting technology, information processing technology, combines many parameters in greenhouse environment monitoring and control theory of SCM and by many bus technologies，proposes one kind of practical feasible greenhouse environmental monitoring system. which can automatically record, storge and handle data, completely,real 一 time, and automaticly, and input the relative information into the computer in an effective way according to reality. Besides, it can control the monitoring system long 一 distace.It meets the equirement of monitoring on crop growth state completely, real 一 t ime, long 一 term. It can monitor and control the greenhouse environment timely and realize automation and intelligentize of temperature and humidity testing in greenhouse. Keywords:AT89S51; DS1820;HS1101;MMC;ISD2560 IV 湖南人文科技学院毕业设计 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 课题的提出和意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.2.1 国外温室环境控制 1 1.2.2 我国温室控制技术 2 1.2.3 温室环境控制技术三个发展阶段 2 1.2.4 温室控制存在的问题 3 1.3 主要研究内容 3 第二章 方案的比较和论证 5 2.1 温度传感器的选择 5 2.2 湿度传感器的选择 5 2.3 信号采集通道的选择 6 第 3 章 系统总体设计与实现 8 3.1 系统功能设计 8 3.2 系统设计原则 8 3.3 系统组成与工作原理 9 第 4 章 传感器设计 11 4.1 传感器基本特性 11 4.1.1 传感器的静态特性 11 4.1.2 传感器的动态特性 12 4.2 DS1820 温度传感器 12 4.2.1 DS1820 数字温度传感器概述 12 4.2.2 DS1820 温度传感器 13 4.2.3 DS1820 测温电路图 15 4.3 湿度传感器 16 V 南人文科技学院毕业设计 第 5 章 单片机设计 19 5.1AT89S52 单片机 19 5.2 存储器的设计 21 5.3 数据存储器的掉电保护 22 5.4 系统时钟的设计 23 5.5 显示与报警的设计 23 5.5.1 显示电路 23 5.5.2 报警电路 24 第 6 章 软件设计 26 第 7 章 总结 31 参考文献 32 VI 湖南人文科技学院毕业设计 第 1 章 绪论 1.1 课题的提出和意义 抽烟有害健康这已成为不争的事实，如果抽发霉的烟，则对人的健康损害更大。所 以烟草仓库对湿度有较高的要求， 目前都是由人工根据干湿计显示的湿度决定是否让去 湿机工作。设计一个单片机测控装置对烟草仓库的湿度、温度进行检测、显示并自动控 制去湿机和空调机的工作，是有现实意义的。 防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要 指标。它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。为保证日常工作的顺利进行， 首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度 表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度 要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测 试的温度及湿度误差大，随机性大。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确 的温湿度测量仪。 1.2 国内外研究现状 温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化 和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或 其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育， 防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的 最终目标是提高控制与作业精度。 1.2.1 国外温室环境控制 国外对温室环境控制技术研究较早，始于 20 世纪 70 年代。先是采用模拟式的组合 仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80 年代末出现了分布式控制系统。目前 正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。 现在世界各国的温室控 制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发 展。 像园艺强国荷兰， 以先进的鲜花生产技术著称于世， 其玻璃温室全部由计算机操作。 1 南人文科技学院毕业设计 英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术， 可以观测 50km 以外温室内的光、 温、 湿、气和水等环境状况，并进行遥控。 1.2.2 我国温室控制技术 我国对于温室控制技术的研究较晚，始于 20 世纪 80 年代。我国工程技术人员在吸 收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限 于温度、湿度和 COZ 浓度等单项环境因子的控制。我国温室设施计算机应用，在总体 上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以 单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达 国家相比，存在较大差距。我国温室现状还远远没有达到工厂化农业的境地，生产实际 中仍然有许多问题困扰着我们，存在着温室装备配套能力差，产业化程度低，环境控制 水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。 1.2.3 温室环境控制技术三个发展阶段 从国内外温室控制技术的发展状况来看， 温室环境控制技术大致经历三个发展阶段: 1、手动控制。这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义 上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物 进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作 物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。但 这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要。 2、自动控制。利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子如温度、 光照、湿度、C02 浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。人为 创造适宜作物生长最佳环境的自动控制技术手段成为主流。 此时的温室有比较完整的控 制系统，有各种传感器采集温室环境数据，监控系统实时监测环境变化及控制执行机构 的动作，良好的人机界面使种植者的操作过程形象而且简便。计算机自动控制的温室控 制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。目前我国绝大部分 自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。 3、智能化控制。智能化的控制技术将农业专家系统与温室自动控制技术有机结合， 以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过专家系统的咨询与决策，给出不同时期 作物生长所需要的最佳环境参数，并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处 2 湖南人文科技学院毕业设计 理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机构的相应动作，实现温室的智能化管 理与生产。能够根据温室环境条件和作物生长状况，应用适当的知识表达和规则化，推 理决策出最适合作物生长的温室环境。这种控制方式既能体现作物生长的内在规律，发 挥农业专家在农业生产中的指导作用，又可充分利用计算机技术的优势，使系统的调控 非常方便和有效，实现温室的完全智能化控制。 1.2.4 温室控制存在的问题 首先是农业专家系统自身的问题，农业专家系统的技术还不十分成熟。各种专家系 统在收集、 整理农业专家知识时并没有把专家是如何学习和获得这些知识的过程整理出 来，这样开发的专家系统并不具有真正的学习能力。其次是采集数据的束缚，温室控制 技术主要停留在对温室环境因子的监控上，并没有考虑温室作物本身的生理过程。还有 就是农业专家系统在温室实时控制中的应用的局限性， 农业专家系统对温室环境因子进 行实时监控，不同于开发单纯的农业专家系统，其中涉及与控制系统的“接口”问题。 在开发温室农业专家控制系统时，对农业知识的表达及推理策略等要认真考虑。同时， 将更多的农业知识用于温室生产的实时控制中，不仅仅局限于对环境因子的专家指导。 总之，随着计算机技术、农业应用电子技术、传感器智能化技术、机械电子一体化 技术和计算机网络技术研究的发展， 温室技术体系己经成为各个国家为合理利用农业资 源、提高农产品产量、降低生产成本、保护生态环境、提高农产品在国际市场竞争力的 前沿性研究领域。 1.3 主要研究内容 本设计主要做了如下几方面的工作:一是确定系统的总体功能设计方案;二是进行智 能传感器的硬件电路和软件系统的设计;三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统 设计;四是对连接单片机的上位管理计算机软件系统的设计思路、 工作原理和实现方法进 行了阐述。 本文将信息采集技术、信息传输技术、信息存储技术及信息处理技术等相互融合， 将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合， 提出一种切实可行的温室环境监测 系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息 根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对监测系统进行远程控 3 南人文科技学院毕业设计 制。满足了对作物生长状态实行全面、实时、长期监测的要求。 与传统监测系统相比，本系统具有以下优点: 传感器设计成智能型，可以增加系统数据采集速度，减轻监 控计算机的负担。 增加了辅助存储功能，在监控计算机不工作的时候，采用多 媒体存储卡存储采集数据。 单片机的设计提高了系统的监测速度，系统的可靠性、实时 性都有很大提高 对模拟设备采集到的数据，为防止失真，采用了数据插值算 法。 利用语音芯片，超限报警，实现了人性化管理。 4 湖南人文科技学院毕业设计 第2章 方案的比较和论证 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 2.1 温度传感器的选择 方案一：采用热电阻温度传感器。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。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、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。 IEC 标准测温范围-200650， 按 百度电阻比 W （100） =1.3850 时， 为 100和 10， R0 其允许的测量误差 A 级为 （0.15 +0.002 |t|） 级为（0.3+0.005 |t|） ，B 。 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。 方案二：采用 DS1820，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。DS1820 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。DS1820 的测量信号可远传百余米。综合比 较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。 2.2 2.2 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。 5 南人文科技学院毕业设计 方案一：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，可有效地利用其线性 特性。 方案二：采用 HS1100/HS1101 湿度传感器。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。 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-3050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 2.3 信号采集通道的选择 在本设计系统中，温度输入信号为 8 路的模拟信号，这就需要多通道结构。 方案一、采用多路并行模拟量输入通道。 这种结构的模拟量通道特点为： （1） 可以根据各输入量测量的要求选择不同性能档次的器件。总体成本可以作得较 低。 （2） 硬件复杂，故障率高。 （3） 软件简单，各通道可以独立编程。 方案二、采用多路分时的模拟量输入通道。 这种结构的模拟量通道特点为： （1） 对 ADC、S/H 要求高。 （2） 处理速度慢。 （3） 硬件简单，成本低。 （4） 软件比较复杂。 综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于模拟量输入的要求， 比较其框图， 方案二更具备硬件简单的突出优点， 所以选择方案二作为信号的输入通道。 6 湖南人文科技学院毕业设计 图 2-1 多路并行模拟量输入通道 图 2-2 多路分时的模拟量输入通道 7 南人文科技学院毕业设计 第 3 章 系统总体设计与实现 系统总体设计与实现 总体 3.1 系统功能设计 系统要完成的设计功能如下: 实现对温室温湿度参数的实时采集， 测量空间多点的温度和湿度:根据测量 空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点 进行测量，由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温 湿度的智能、多空间点的测量。 实现超限数据的及时报警。 现场监测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力并具有存储、远 程通信功能。 通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。与计算 机通讯功能，采用 RS232 串行通讯方式最远传输距离为 20 米。 长时间测量数据记录功能:可以根据需要设置数据记录时间间隔， 数据存入 数据存储器。 监控计算机软件设计管理软件既要具有完成数据采集、处理的功能，其软 件编程应具有功能强大、界面友好、便于操作和执行速度快等特点。 要求达到的技术指标： 控制温度为 28 度 测温精度为正负 2 度 湿度为百分之五十 湿度的精度为正负三个百分点 3.2 系统设计原则 要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。 1、可靠性 高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠 性作为首要的设计准则。 提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑:使用可靠性高的元 器件;设计电路板时布线和接地要合理;对供电电源采用抗干扰措施;.输入输出通道抗干 8 湖南人文科技学院毕业设计 扰措施;进行软硬件滤波:系统自诊断功能等。 2、操作维护方便 在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作 人员专用知识的要求， 以利于系统的推广。 因此在设计时， 要尽可能减少人机交互接口， 多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保 证有效地对故障进行定位，以便进行维修。 3、性价比 单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。一个单片机应 用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。因此，在设计时，除了保持高性 能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能 用软件功能取代硬件功能等。 3.3 系统组成与工作原理 以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿 度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。该系统，可分为温度测量电路，湿 度测量电路，A/D 转换及滤波电路，数据存储及显示电路，语音报警电路，见图 3.1。 选用的主要器件有：温度传感器 DS1820，湿度传感器 HS1101, AT89S52, A/D 转换器 TLC0834，数据存储器 AT24C04, MMC 存储卡，6 数码管显示模块，语音报警芯片 ISD2560, MAX232，集成定时器 555 芯片等。 数据存储 数据采集 AT89S52 单片机 数据显示 报警指示 数据处理 图 3.1 硬件结构图 9 南人文科技学院毕业设计 本系统以单片机 Atme189S52 为核心，数据采集、存储、显示、报警以及上传至计 算机进行数据处理都要通过单片机。 数据采集通过单总线的智能温度传感器 DS 1820 和 模拟的湿度传感器 HS110I 完成；当采集数据超出预警值时，有语音报警芯片 ISD2560 实时报警， 然后进行相应处理;数据存储可以在计算机完成， 在计算机不工作时还设置了 辅助的多媒体卡 MMC 存储;由数码管实时显示接收的数值:数据处理主要是上位机完成 的数据曲线显示、数据存储、数据打印等功能。 在整个系统中采用了多种总线、协议技术，如智能温度传感器 DS 1820 的单总线技 术， 存储扩展的 I2C 总线技术， MMC 的模拟 SPI 总线技术， 单片机和计算机连接的 RS232 协议技术等。为防止模拟传感器数据采集的失真，采用了线形插值算法。在这个系统中 单片机部分采用 C 语言编程。 10 湖南人文科技学院毕业设计 第 4 章 传感器设计 4.1 传感器基本特性 在监控系统中有各种不同的物理量需要监测和控制，这就要求传感器 能感受被测非电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量。传感器 所测量的非电量是处在不断的变化之中，传感器能否将这些非电量的变化 不失真地转换成相应的电量，取决于传感器的输入一输出特性。传感器这 一基本特性可用静态特性和动态特性来描述。 4.1.1 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下， 传感器的输入与输出值之间的关 系。传感器静态特性的主要技术指标有:线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 1、线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出一输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差 与输出满度值之比。 2、灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下， 输出量的变化量与输入量的变化量 之比。对于线性传感器来说，其灵敏度是个常数。 3、迟滞 传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中，输出输入特性曲线不重合的 程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出 YFN 的百分数表示。迟滞特性一般由实验 方法确定。 4、重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得 输出一一输入曲线的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示。 重复性特性也用实验方法确定，常用绝对误差表示。 5、分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力， 在输入零点附近的分辨力称 11 南人文科技学院毕业设计 为阂值。 6、零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表 示，也可用绝对误差表示。 4.1.2 传感器的动态特性 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程 不受时间限制。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器 的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的 规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。 动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动 态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态 特性参数如:最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率 等。 动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时 间的变化规律，即它们具有同一时间函数。但是，除了理想情况以外，实 际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此引起动态 误差。 4.2 DS1820 温度传感器 4.2.1 DS1820 数字温度传感器概述 美国 DALLAS 公司生产的 DS 1820 数字温度传感器，可以直接将被测温度转化为 串行数字信号供微机处理，通过简单的编程实现 9 位的温度读数。并且多个 DS 1820 可 以并接到多个地址线上与单片机实现通信。由于每一个 DS1820 出厂时都刻有唯一的一 个序列号并存入其 ROM 中， 因此 CPU 可用简单的通信协议就可以识别， 从而节省大量 的引线和逻辑电路。与其它温度传感器相比，DS 1820 具有以下特性: 12 湖南人文科技学院毕业设计 独特的单线接口方式，DS1820 在与微处理器连接时仅需要一 条口线即可实现微处理器与 DS1820 的双向通讯。 DS1820 支持多点组网功能，多个 DS1820 可以并联在唯一的 三线上，实现多点测温。 DS 1820 在使用中不需要任何外围元件。 温范围一 SS一+12 5 0C，固有测温分辨率 0 . 5 0C o 测量结果以 9 位数字量方式串行传送 DS 1820 采用 3 脚 TO-92 封装或 8 脚 SO 封装，管脚排列如图 4.1 所示： 图 4.1 DS1820 的封装和引脚 对图 4.1 中 DS1820 的引脚功能说明如下： NC：空引脚，不连接外部信号。 VDD：接电源引脚，电源供电 3.0-5.5V. GND：接地。 DQ：数据的输入和输出引脚。 DQ：引肚口的 1/O 为数据输入/输出端(即单线总线)，该引脚为漏极开路输出，常 态下呈高电平。 4.2.2 DS1820 温度传感器 温度传感器选用一总线温度传感器 DS1820。DS1820 是美国 DALLAS 半导体公司 生产的可组网数字式温度传感器，与其它温度传感器相比，DS1820 具有以下特性：独 特的单线接口方式，DS1820 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS1820 的双向通讯。DS1820 支持多点组网功能，多个 DS1820 可以并联在唯一的三线 上，实现组网多点测温。DS1820 在使用中不需要任何外围元件，全部传感器元件及转换 电路集成在形如一只三极管的集成电路内。温度范围55125，固有测温分辨 13 南人文科技学院毕业设计 率0.5；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给 CPU，同时可 传送 CRC 效验码，具有极强的抗干扰纠错能力；测量结果以 9 位数字量方式串行传送。 DS1820 虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但 在实际应用中也应注意以下几方面的问题： （1） 系统的硬件虽然简单但需要相对复杂的软件进行补偿， 由于 DS1820 与微处理 器间采用串行数据传送，因此，在对 DS1820 进行读写编程时，必须严格的保证读写时 序，否则将无法读取测温结果。 （2）在 DS1820 的有关资料中均未提及单总线上所挂 DS1820 数量问题，容易使人 误认为可以挂任意多个 DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂 DS1820 超 过 8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要 加以注意。 (3)连接 DS1820 的总线电缆有长度限制。 由于信号电缆本身存在电阻， 距离过长时 将导致信号衰减。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过 50m 时，读取的测温数据 将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m。 DS1820 有 PR-35 和 SOIC 两种封装形式， 管脚排列如表 4.1 所示。 本系统选用 PR-35 封装形式。DS1820 返回温度值虽然只有 9 位，如图 4.2 所示。 表 4.1 DS1820 管脚排列 管脚 8 脚 SOIC 2 1 8 34567 3 脚 PR-35 1 2 3 GND I|O VCC NC 地 数据输入端 电源 空脚 管脚定义 说明 图 4.2 DS1820 温度值表示方法 D9 为符号位，0 表示正，1 表示负，高字节的其他位（D10D15）是以符号位的扩 展位表示的；D0D8 为数据位，以二进制补码表示。温度是以 1/2LSB 形式表示的。 表 4.2 为数值和温度的关系。 14 湖南人文科技学院毕业设计 表 4.2 DS1820 数值和温度的关系 温度 +125 +25 +0.5 0 +0.5 -25 -55 数据（二进制） 0000 0000 1111 1010 0000 0000 0011 0010 0000 0000 0000 0001 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100 1110 1111 1111 1001 0010 数据（十六进制） 00FAH 0032H 0001H 0000H FFFFH FFCEH FF92H 因到烟草仓库内环境温度不能出现负温情况，因此本系统不考虑负温情况，这样， 在硬件选取上可以考虑选用商业级器件， 不必要选用工业级器件， 可以大幅度降低成本。 因此单片机读取温度信息后，只需将低字节（D0D8）送入上位机和控制电路即可。 4.2.3 DS1820 测温电路图 DS1820 测量温度时使用特有的温度测量技术。 DS1820 内部的低温度系数振荡器能 产生稳定的频率信号 f0,高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号 f。 当计数门打 开时,DS1820 对 f 0 计数,计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。 芯片内部还有斜率 累加器,可对频率的非线性予以补偿。测量结果存入温度寄存器中。 在 64 位 ROM 的最高有效字节中存有循环冗余校验码(CRC)。 主机根据 ROM 的前 56 位来计算 CRC 值,并和存入 DS1820 中的 CRC 值作比较,以判断主机收到的 ROM 数 据是否正确。CRC 的函数表达式为:CRC=X8+X5+X3+1（占君等.2006） 。此外，DS1820 尚需依上式为暂存器中的数据来产生一个 8 位 CRC 送给主机,以确保暂存器数据传送无 误。 在系统安装及工作之前应将主机逐个与 DS1820 挂接,以读出其序列号。 其工作过程 为:主机发出一个脉冲,待“0”电平大于 480s 后,复位 DS1820,在 DS1820 所发响应脉 冲由主机接收后,主机再发读 ROM 命令代码 33H,然后发一个脉冲(15s),并接着读取 DS1820 序列号的一位。用同样方法读取序列号的 56 位。另外,由于 DS1820 单线通信 功能是分时完成的,遵循严格的时隙概念,因此,系统对 DS1820 和各种操作必须按协议 进行,即:初始化 DS1820(发复位脉冲)，发 ROM 功能命令，发存储器操作命令，处理 数据。 15 南人文科技学院毕业设计 DS1820 单点测温电路框图如图 4.3 所示，其中，网络定义 P3.4 为 89S52 的 P3.4 引 脚。 图 4.3 DS1820 单点测温电路图 4.3 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 HS1100/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 4.4a 为湿敏电容工作的温、湿度范围。图 4.4b 为