湿度显示器设计方案2.doc

目录一、总体设计思路1二、硬件电路设计22.1 湿度传感器的选择22.2 湿度检测电路设计22.3 CPU单元的设计42.4 时钟信号设计52.5 复位电路设计62.6 按键单元的设计72.7 报警单元的设计7三、软件系统设计思想8四、材料清单及报价9I一、 总体设计思路本方案主要是设计一个集测量、显示为一体的湿度控制系统。它能够有效的测量空气当中的湿度值，并在液晶显示器上显示出来。同时当湿度超过预先设定的上下限时，系统能自动报警。在元器件的选择上，选取HS1101湿敏电容作为湿度信号的采集传感器。选取1602液晶显示屏显示湿度值。HS1101湿敏电容是将空气的湿度值转化为该湿敏电容的电容值，电容值随湿度值的增大而增大，将该湿敏电容置于555振荡电路中，电容值的变化可转为与之成反比的电压频率信号的变化，并可以直接送入单片机。系统结构框图如图1-1所示。湿度传感器单 片 机显示键盘报警图1-1 系统结构框图本方案的优势突出，首先就测量而言，测量值已经相当准确。其次，本方案的操作是采用按键，操作方便简单。并且，本方案大胆采用报警设计，只需预先设定上下限值，一旦湿度超过上下限，系统就能自动启动报警装置。二、 硬件电路设计2.1 湿度传感器的选择方案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。方案2：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。具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速，精度较高。综合比较方案一，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，其工作电压为交流1V以下，实现叫困难，而且还不能在系统要求的温度条件下工作，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。2.2 湿度检测电路设计HS1100/HS1101电容传感器具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速的特点，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。其测量的范围相对湿度在1%-100%RH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。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。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。频率输出的555测量振荡电路如图2所示。集成定时器555芯片外接电阻、与湿敏电容C，构成了对湿敏电容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湿敏电容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，是防止输出短路的保护电阻，用于平衡温度系数。图2-1 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Vcc通过、向湿敏电容C充电，经充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过放电，经放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，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=C(+)ln2 （2-1）=Cln2 （2-2）因而，输出的方波频率为f=1/(+)=1/C(+2)ln2 （2-3）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2-1给出了其中的一组典型测试值。湿度频率频率湿度%RH%RHHZHZ010203040507351722471006976685367286600646863306168603360708090100表2-1 空气湿度与电压频率的典型值2.3 CPU单元的设计单片机是整个系统的核心，在此装置中选择8位微处理器AT89C52，该微处理器是一种CMOS工艺的低功耗、高性能8位嵌入式微控制器。该器件与MCS-51系列的同类产品（如80C52等）在指令系统及引脚上完全兼容。微处理器具有8K可写/擦1000次的Flash内部程序存储器，对系统开发过程中的程序编写和调试可以提供极大的方便。另外，微处理器内部还有256字节的RAM、3个16位定时器/计数器、8个中断源和可编程串行口。在该系统的单片机模块中，还有一路由11.0592MHz晶振和电容组成的振荡电路用于构成系统时钟。如图2-2所示：图2-2 CPU单元电路图2.4 时钟信号设计时钟引脚为XTAL1、XTAL2。时钟引脚外接晶体与片内的反向放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端。这个放大器构成了片内振荡器。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至内部反向放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。本系统采用晶振时钟电路。外部晶振以及电容C2和C3构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和稳定性。外接晶振时，C1和C2通常选择30pf,晶振采用12MHz。时钟电路如下图2-3所示。图2-3 时钟电路图2.5 复位电路设计本系统采用的复位电路如图3.5所示。图2-4 复位电路图本复位电路必须确保系统上电时能够自动复位。上电自动复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为了可靠起见电源稳定后，还要经一定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。为了实现这种功能，本设计采用了一种RC定时电路。其时间常数=RC，系统上电时，C两端的电压为零，单片机的复位端的电平为高电平，单片机复位，经过45个后，C两端的电压约等于电源电压，单片机的复位端的电平为低电平，单片机退出复位状态。2.6 按键单元的设计本设计采用6个独立按键完成对温、湿度上下限的设定。6个按键的功能分别是：按键1：进入湿度上下限设定；按键2：进入上限设定；按键3：进入下限设定；按键4：湿度的上限或下限值加1；按键5：湿度的上限或下限值减1；按键6：退出湿度上下限设定。2.7 报警单元的设计在监测系统中，对于重要的参数一般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，与该参数上下限设定值进行比较，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。本设计采用峰鸣音报警电路。峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过单片机的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。在图中，P3.2接晶体管基极输入端。当P3.2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P3.2输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。 图2-5是运用三极管驱动的峰鸣音报警电路。图2-5 三极管驱动的峰鸣音报警电路三、软件系统设计思想为了方便于编写、调试，将整个系统程序分为主程序、DS18B20温度子程序、键盘子程序几个主要部分。主程序流程图如图3-1所示。更改湿度上限更改湿度下限确认并退出湿度上下限修改开始初始化显示当前湿度值按键扫描键值处理 图3-1 主程序流程图四、材料清单及报价表4-1 材料清单及报价表器件名称器件型号器件个数市场报