单片机控制的温湿度控制仪的设计毕业论文.doc

河南机电高等专科学校毕业设计/论文单片机控制的温湿度控制仪的设计毕业论文 目 录摘要 绪论1 第1章 系统的整体设计方案 21.1 系统总体功能 21.2系统总体结构21.3系统技术指标31.4 系统功能划分 41.5 系统的工作方式4第2章 硬件电路设计 52.1控制系统核心设计52.2输入通道设计 62.3 输出通道设计 112.4人机对话通道设计12第3 章 系统软件设计 143.1程序模块化思想 143.2程序模块划分 153.3程序子模块设计 153.4 软件说明 16第4章 系统抗干扰设计184.1 硬件抗干扰设计 184.2软件抗干扰设计 22第5章 软硬件调试 265.1软件电路的调试 265.2软件调试 285.3联机调试 28第6章 展望29致谢 30参考文献 31附录 3242 绪 论随着工控技术、电子信息技术和现代科学技术的发展，工业生产中对设备自动化程度要求越来越高。在这些自动化生产过程中，电流、电压、温度、压力、流量、转速和一些开关量等都是重要的测控参量，其中温湿度是科研与生产控制对象中的最主要的测控参量。有效地对温湿度进行测控可以节省能源，减轻工人劳动强度，提高产品质量和生产效率。单片机控制的温湿度测控系统凭借其控制方便、编程简单、控制灵活性和价格低廉等诸多优点，在食品、化工、仓储、医药加工等各个领域中，特别是在仓库存储方面得到越来越广泛的应用。 目前，国内大中型库房在仓储管理中由于技术和资金上的原因，多数仅限于只对温度进行监测，当温度超标时进行强制通风和翻仓，即使如此，处理不及时或因设备人力条件有限仍会造成大量损失。实现库房储藏物的温升主要是由于湿度引起的，库房储藏物本身的水分过高或连续的高湿天气将导致储藏物新陈代谢加快而放出热量，放热引起的温升又使代谢进一步加剧以至发霉变质。这种恶性循环一旦形成很难进行有效控制。因此，库房在进行温度监测的同时，必须重视对空气湿度的检测，以利于提前采取有效措施控制库房储藏物升温而霉变。本文设计了一种基于AT89C51嵌入式系统和温度传感器、湿度传感器的温湿度检测控制系统。该系统包括系统硬件和软件设计,可靠性高，结构简单，实现了对温湿度的自动调节。 随着单片机技术已成为电子技术领域中的一个新的亮点，使单片机技术成为一门综合应用技术，成为电子技术改造的重要技术手段之一。采用单片机对它们进行控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等优点，而且还可以大幅度的提高被控温湿度的性能指标，从而能大大提高产品的质量。因此，单片机控制的温湿度测控系统温湿度控制仪已成为首选。 该单片机控制系统主要是针对现实中一些对温度和湿度要求较高的仓库。主要通过单片机与输入通道、输出通道和人机对话通道等各部分设计结合起来实现。本系统是一个具有从多点温湿度检测、多通道模数信号检测、单片机核心控制、智能化输出调控功能的检测、控制型应用系统。 根据实际工作稳定性的要求，该系统无论是在软件上还是硬件上都采取了相应的抗干扰措施。以防止软件系统的跑飞，确保硬件系统乃至整个温湿度控制系统的可靠工作。 第1章 系统的总体设计本次设计的是一个单片机控制的温湿度控制仪。该控制系统主要是针对现实生产中一些对温度和湿度要求较高的仓库，对仓库内温度要求严格、湿度保持在规定的范围内的实际情况而设计。整个控制系统通过单片机与输入、输出电路的有机组结合来实现。本系统是一个仓库温湿湿度的检测、控制型应用系统，它具有温湿度检测功能、温湿度信号处理、输入、运算功能、并具有相应温湿度调控功能。 1.1 系统的总体功能根据现实生产需要，此次设计的单片机控制的湿度控制仪要求具有以下几种基本功能：1 多点温度测量功能：要求能够合理测量仓库多个点温度值，求出平均温度值以减小测量误差；要求在测量时用中断定时方式对各个温度点进行温度值巡检提高单片机利用率。2 智能温湿度调节控制系统：要求具有自动选择温湿度调节方案功能。通过控制抽风机或空调通电或断电来调节仓库内环境，在调节温度时要有对室内外湿度值进行比较判别，并要求能够根据室内外湿度情况分别进行不同的调节方式。3 实时温度值设定功能：根据实际工业现场的需要可以进行不同（实际所需的）温度值设定；要求具有实时温度值设置功能（在任何时候均可以进行温度值设定，其级别高于所有程序，最好使用中断方式）。4 声光报警功能：当温湿度超过要求范围时，进行相应动作的同时发出声光报警信号。5 温度显示系统：按要求实时显示室内的温湿度值；在进行设定时需要显示对应设定值。 本章主要从系统的总体功能进行考虑，选择适当的设计控制方案以便使整个单片机控制系统达到最优性能。 1.2 系统总体结构在一个较好的控制系统中通常有十几个、甚至更多的被测数据即使速度很高的系统也难以满足要求。为此，必须提高系统的可靠性、稳定性和准确性。每个测量点的测量通过单片机进行数据的处理，并分析数据是否超限，若超限则报警显示。同时单片机循环检测，考虑输出距离采用串行通讯的方法实现信息传输。综上所述，系统总体结构图如图1-1所示：图1-1 系统结构图综合考虑系统的适用性，可靠性，可维护性操作简便等，系统还应采用以下技术措施：1. 对粮仓内多点和环境温湿度自动巡视或人为选测，定时间隔可调。测温点数扩展方便。2. 检测时间、监测点编号和检测结果可显示或记录。3. 系统采用软硬件抗干扰技术。4. 系统采用模块化设计思想，提高系统的可维护性。5. 系统部分采用UPS不间断电源，保证该系统工作的连续行。1.3 系统技术指标1.温湿度测量点数：测量点越多越能反映工业现场实际温度情况。2.测量方式：单片机对各测量点巡回检测，出现问题即时发出报警信号并进行相应处理。3.温湿度设定范围：温度控制设定范围：030，最小区分度：1；湿度控制设定范围：4055，最小区分度：0.1。4.通讯距离：测量点和单片机之间的距离不超过100米。5 .显示方法：8位LED数码管循环显示，实时显示当前温度，显示温度范围：099 。6.报警方式：在室内（和控制室内）声光报警。7.电源要求：条件允许的情况下采用UPS不间断电源。 1.4 系统功能划分为了简化系统硬件、降低成本，提高系统灵活性和可靠性，输入信号滤波及大部分控制过程都可由软件来完成。硬件的主要功能是信号的采集、传送、A/D转换及输出信号的功率放大。另外，系统软件、硬件合理配合，可以降低成本，降低软件设计的复杂性及缩短系统的研制周期。在绝大多数单片机应用系统中，系统功能的软件、硬件划分往往是由系统对控制速度的要求决定的，在没有速度限制的情况下可以考虑以软件取硬件电路的简化，以求降低硬件成本。过程控制是对生产过程中各种工艺参数实施的控制，这是单片机控制系统的重要应用领域。温湿度控制系统便是最常见的控制系统。硬件电路制作包括印制电路板制作，焊接和系统连接等几个方面。印制电路板的设计一般都在计算机上利用PROTEL软件进行辅助设计，设计完交由厂家制作出所需要的印制电路板，经焊接和系统连接完成硬件电路的制作过程来控制温度。为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可靠性，输入信号滤波及大部分控制过程都可由软件来完成，硬件的主要功能是信号的检测、放大、A/D转换及输出信号的功率放大。单片机基本系统是整个控制系统的核心，它完成整个系统的信息处理及协调控制功能.由于系统对控制速度、精度及功能要求都无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的MCS-51系列单片机AT89C511.5 系统的工作方式系统以温湿度监控为核心，温湿度参数和设备运行状态由主机根据用户要求定时向从机查询，各控制模块的设置参数修改时，将新的参数发送到从机。主机可以对从机进行参数设置及控制，从机也可以独立工作。从机通过数据采集装置不间断地采集温湿度数据，根据控制模块的设置参数做出控制决策，驱动设备运行，并随时准备接受主机的指令，当受到询问时，将库房的各项数据编码通过串行通信方式传输到主机。主机接收到数据后，进行数据处理，在监控界面上显示当前的状态信息，并将此信息实时地存储到数据库中，为用户维护和管理准备数据。对数据可以进行查询，也可以将一段时期的数据信息汇集成报表，报表包括各项统计数据，还可以将数据处理绘制成图形曲线，实现对数据的分析与管理。 第2章 系统硬件设计本设计主要是以单片机控制为核心，来检测和调试温湿度。单片机对温湿度控制系统的主要设计过程包括：主芯片、A/D转换器的选择及性能要求、硬件电路、软件电路的设计与配合、键盘显示电路的控制与显示。其中硬件电路主要由主芯片与A/D转换器的连接加上温湿度传感器的控制来实现，软件部分则主要通过编程和程序流程图来实现。这样整个系统才能按照预定的计划运行并进行控制和检测。单片机控制的温湿度控制仪应用系统中，包括MCU控制核心、前向通道（数据采集部分）、后向通道（控制输出部分）和人机对话通道等四部分。而每一部分又都有各自的信号接口，本章将介绍组成该单片机应用系统的这几个基本组成部分，以实现设计任务基本要求为重点，力求满足主要性能指标的基础上实现系统的最优性能/价格比。2.1 控制系统核心设计2.1.1 单片机控制芯片选择单片机基本系统以AT89系列单片机89S51为核心。考虑到单片机在进行PID运算时需要调用浮点数运算程序库，程序需占用较大内存空间。为保证程序内存有足够空间并适当留有余地以便进一步扩展功能，因此选用了容量较大的存储芯片27256。由于AT89S51内部已集成了128个字节的RAM单元，而系统运行中需要存放的中间变量只有给定温度、实测温度、PID运算中间结果及输出结果等十几个变量，因而AT89S51的片内RAM已能满足存放要求，可不必再扩充外部RAM。2.1.2 复位及看门狗电路复位及看门狗电路的作用使CPU从死循环，死机和弹飞状态中返回到正常的程序流程，该电路可以大大提高系统的抗干扰能力，当然也是我们必须考虑的抗干扰电路之一。单片机AT89S51的CPU复位信号RESET有手动复位，看门狗复位和硬件复位三种信号组合产生，这三种复位信号任何一种都将复位CPU，其中硬件复位信号在PC大于3FFFH时产生。由于系统中有看门狗电路，所以在编程时要特别注意，传统的等待按键释放的方法容易造成看门狗电路输出复位信号。解决方法是，在主程序中，当检测到有键按下后置键按下标志位，在主程序的循环中则反复判断键按下标志位是否被清零，如果被清零则说明键已释放，然后才能进行下一轮的键盘按下判断。在T0中断处理程序中，每次中断均要检测键是否按下。若无键按下，有两种情况，一是系统中无键按下(此时键按下标志为0)，处于监控状态；二是键按下释放后的情况(此时键按下标志为1)，这时要清键按下标志，以便主程序中进行下一轮的键按下检测。这样既可以保证当键按下后不论按下多长时间只响应一次，又可以保证不使看门狗电路输出复位信号。2.2 输入通道设计输入通道是信息采集的信道，主要包括传感器、信号放大、A/D转换等电路。由于温湿度变化是一个相对缓慢的过程，输入通道中使用采样保持电路。另外，信号的滤波可由软件实现，以简化硬件、降低硬件成本。按设计要求，可以采用8位A/D转换器实现前向通道组成，温湿度值经过温湿度传感器和信号放大电路产生（05）V的模拟电压信号送入A/D转换器的输入端，A/D转换器将模拟量转换为数字量，通过系统总线送入单片机内进行运算处理。 2.2.1 模数转换器 A/DC0809模数转换器 A/D0809在本设计中将温湿度传感器产生的模拟电压信号分时序转换为相应的数字信号送入单片机进行处理。A/D0809可以选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换。地址锁存与译码电路完成分时对A、B、C三个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择。其通道选择如表2-1所示： C B A选择的通道0 0 0 INT00 0 1 INT10 1 0 INT20 1 1 INT31 0 0 INT41 0 1 INT51 1 0 INT61 1 1 INT7表2-1通道选择表2.2.2 集成温度传感器AD5901温度传感器选择温度传感器的种类较多。热电偶由于热电势较小，因而灵敏度较低，热敏电阻由于非线性而影响其精度，铂电阻温度传感器由于成本高，在一般小系统中很少使用，传感器采用热敏电阻，相对于热电阻而言，热敏电阻采用NTC负温度系数型做温度检测用。它检测0100的测温电路，相应输出电压为05V，其灵敏度50mV/.它可以与A/D转换器连接，灵敏度低、精度不高。但采用集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。在本设计中我们考虑到系统对元件的要求，我们主要选择用集成温度传感器AD590，在这方面他具有比别的传感器更好的性能，也更适应系统的要求。2AD590摄氏温度测量电路本设计是由集成温度传感器AD590构成的多点测温系统，用最少的引线将许多AD590的信号引到测量仪表或计算机上。本系统充分利用了AD590的传输距离远（因为输出是电流信号）的优点，而且巧妙地进行了引线的组合分配，以达到用最少的引线连接最多的AD590数量的目的。 AD590的典型使用方法如图所示，AD590的供用电压为330v，输出电流为278uA（25度），灵敏度1Ua/c。挡在回路中串接采用电路R时，R两端的电压可作为输出电压。注意R放入阻值不能太大以保证AD590两端电压不低于3V。由于AD590输出信号为电流信号，所以传输距离远，可以达到1km以上。图21AD590应用电路图AD590摄氏温度测量电路如图22所示，电位器R2用于调整零点，R4用于调整运放LF355的增益。调整方法如下：在0时调整R2，使输出V0=0，然后在100时调整R4使V0=100mV。如此反复调整多次直到调至0时，V0=0mV，100时V0=100mV为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为25，那么V0应为25mV。冰水混合物是0环境，沸水为100环境。图2-2 用于测量摄氏温度的电路要使图2-2中的输出为200mV/C，可通过增大反馈电阻（图中反馈电阻由R3与电位器R4串联而成）来实现。另外，测量华氏温度（符号为）时，因华氏温度等于热力学温度减去255.4再乘以9/5，故若要求输出为1Mv/F，则调整反馈电阻约为180kW，使得温度为0时，V0 =17.8mV；温度为100时，V0=197.8mV。AD581是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V，此时输出为10V。2.2.3 湿度传感器1 湿度传感器概述在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制，但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/ 温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。2 HS1101湿度传感器湿敏传感器采用电容式湿敏元件HS1101。HS1101有响应快、线性度好、可靠性高和长时间饱和下快速脱湿等优点。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。HS1101 是基于独特工艺设计的固态聚合物结构，如图2-5所示。在电路中等效于一个电容器Cx，其电容随所测空气的相对湿度增大而增大。具有极好的线性输出，在相对湿度为0%100%RH的范围内，电容的容量由163pF 变化到202pF，其误差不大于2%RH；湿度量程1%99%RH，工作温度范围为- 40100；湿度输出受温度影响极小(温度系数仅为0.04pF/)；常温使用无需温度补偿，无需校准；相对湿度在33%75% RH之间，电容与相对湿度的变化为0.34pF/%RH，相对湿度为55%RH时的典型电容值约182pF；高可靠性及长期稳定性，年漂移量0.5%RH/年；响应时间小于5S。图2-5 HS1101的电容值与相对湿度的关系3. 湿度信号传感器的应用湿敏电容是将空气中湿度的变化转换成电容的变化。要想将湿度信号转换成电信号，需要将湿敏电容Cx 置于电路中，通过电路将湿度变化转换成对应的电压或电流变化，以便于测量、显示或控制。目前，常用的湿度测量方法有两种：一种是将湿敏电容Cx 置于振荡电路之中，将湿度的变化转换为与之成反比的振荡频率变化，该频率信号可以直接被微处理器采集或通过频率/电压变换被采集；另一种是将湿敏电容Cx 置于可调脉冲发生器中，将湿度的变化直接转换成脉冲宽度的变化，然后通过低通滤波器，将脉冲宽度的变化转换为与之成正比的直流电压输出。2.2.4 湿度变送器湿度信号传感器产生的输出信号是一个频率信号或电压信号，在实际应用中，除了频率信号可通过单片机进行采集外，常将频率信号或电压信号变换成为一个具有一定范围的标准电压或标准电流信号输出，比如常见的输出：电压信号： 0V5V，0.8V 4V 电流信号： 4mA20mA，1mA10mA 这些信号的最小值对应相对湿度为0%RH ，最大值对应相对湿度为100%RH。图2-6电路是采用LM324 (四运放) 实现的电压变送器，其中IC1将湿度传感器得到的电压信号(2.5V3V) 进行缓冲，再与IC2 输出的参考电压UR进行比较后通过IC3 放大，将2.5V3V的信号变换成0.8V4V ，也可以根据实际需要2.5V3V 的信号变换成0V5V。调整RP 使UR=2V ，则输出电压 ：图2-6 电压型湿度变送器输出电路2.3 输出通道设计输出通道实现控制信号输出的通道，单片机系统产生的控制信号经功率放大电路放大控制抽风机或空调，以实现控制库内温湿度达到稳定的目的。根据系统总误差要求，后向信道的控制温湿度也应控制在0.83%之内。该单片机温湿度控制系统的后向通道包括应用系统的伺服驱动控制通道和报警输出通道组成。2.3.1 伺服驱动控制电路 伺服驱动控制电路主要有空调机和抽风机控制电路构成。在选择输出控制开关器件时应考虑以下两点因素：1. 要求具有弱电信号控制强电的功能。考虑到单片机输出的控制信号属于弱电信号，而空调机和抽风机属于强电，所以中间不仅需要开关控制器件而且还需要功率放大设备属于典型的有弱电信号控制强电路。2. 要求具有防火防爆的功能.在实际仓储中多数是易燃、易爆的物品，比如说棉花和弹药，而且在空调机和抽风机启动和断开时会产生大量火花，可能会引燃或者引爆仓储物，造成巨大的损失，有严重的火灾隐患。综合以上考虑，我们选择绝缘栅双极性晶体管IGBT作为输出控制开关器件。2.3.2 报警输出电路 报警电路只需一位开关量输出控制即可。考虑到89S51的I/O口线已基本被使用，报警装置的端口与一位数据线连接锁存器和驱动器组成。报警装置采用蜂鸣器。整个电路如图27所示：图2-7 报警电路2. 人机对话通道设计人机通道设计主要由键盘、LED显示。为了完成设定温湿度、显示等功能，并满足温度设定范围为030、最小区分度为1的功能要求，键盘可由10个数字键及2个功能键组成(启动、确定).LED显示由四个8位数码管组成，显示给定值和实测温湿度，显示范围为099。对于人机对话部分的电路主要包括以下几个部分：温度设定电路、矩阵式键盘以及显示接口电路等。2.4.1温度设定电路可以采用按钮、转换开关、拨码盘等来实现.利用P1口的高4位作为数值输入。这样P1口就具有输入和输出双重功能。P1.0P1.4作为输出，分别控制风机、空调、警报器作为输入拨盘设定值。2.4.2 矩阵式键盘扫描输入与显示器的扫描输出可以直接有单片机来承担，但考虑到键盘与显示接口需要较多的I/O线，如果直接由单片机控制，一方面必须扩充I/O口，另一方面键盘与LED显示的扫描处理需要占用大量的机时，增加软件编程负担，为此在组成系统人机对话通道时，采用了可编程键盘、显示接口芯片，由显示接口芯片负责键盘的扫描、延时消抖处理和显示输出，这样大大减轻了CPU在扫描键盘或刷新显示时的负担，也简化了应用软件的编程。按键电路的按键适用于数量较多的场合，按键位于行，列的交点线上，行线、列线分别连接到按键开关的两端。一个43的行、列结构，可以构成一个含有12个按键的场所，矩阵式键盘与独立式按键键盘相比，要节省很多的I/O口线。2.4.3 显示接口技术单片机应用系统中，常用的显示系统有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。这两种器都具有配制灵活、与单片机接口方便的特点。但该温湿度检测需要循环扫描显示，采用LED（发光二机管显示器）更为简便。 第3章 系统软件设计软件的设计是根据功能要求设计的，通过利用单片机的指令系统功能及应用系统进行的。 3.1 程序模块化思想应用程序采用中断方式，由定时器发出定时中断申请。主程序进行系统初始化，包括定时器、I/O口和中断系统的初始化，等待定时中断。在中断服务程序中，先判断是否到30秒。若不到则返回，若到则进行以下操作：图3-1 软件流程图键盘设定值检测、温度检测、标度变换、温度显示和温度控制，并根据温度检测值决定是否报警。程序采用模块化设计思想中断程序流程图如图3-1所示。3.2 程序模块划分 3.2.1软件设计的要求根据以上已经具体的硬件设计，进一步明确对于软件设计的要求：温度检测：定时启动A/DC0809进行A/D转换，以检测温度值。为了保证数据的可靠性，采用四点均值滤波法软件滤波，即每次测温度都使A/DC0809进行四次采样，取其平均值作为这一次的温度检测值。温湿度控制：比较温度的检测值和设定值按照总体设计确定的控制规律，控制定时利用MCS51系列单片机的片内定时器T0或T1，进行30秒定时以满足采样周期的要求。温湿度显示：在每次检测温湿度后，进行一次温湿度显示更新，即将新的温度测值经过标度变换后由串行口输出给LED显示器。报警：将每次温湿度检测值与设定值作比较，如果其差值超出允许范围P1.4输出报警信号，并将程序转入事故处理程序，以便及时的处理事故。3.2.2 子程序模块 在应用程序总体结构中，将以下几个功能程序作为模块：1温湿度设定子程序。2温湿度检测子程序。3温湿度值标度变换子程序。4温湿度显示子程序。5温湿度控制子程序。6报警子程序。3.3 程序子模块设计3.3.1 主程序和中断服务程序根据模块化编程思想，可编写主程序和中断服务程序。在定时中断服务程序中，各功能程序模块都可直接调用。在列出程序清单之前，先说明30s定时的实现方法。我们选用的8051单片机振荡频率为11.0592HZ，8051内部定时器工作方式1时的时基为1微秒最大值为65.536ms，要实现30s定时，需另外设置一个软件计数器，则软件计数器的数值为：30/0.065536457=1C9H。 .3.2 非正常复位后系统自恢复运行的程序设计 对顺序要求严格的一些过程控制系统，系统非正常复位否，一般都要求从失控的那一个模块或任务恢复运行。所以测控系统要作好重要数据单元、参数的备份，如系统运行状态、系统的进程值、当前输入、输出的值，当前时钟值、观测单元值等，这些数据既要定时备份，同时若有修改也应立即予以备份。当在已判别出系统非正常复位的情况下，先要恢复一些必要的系统数据，如显示模块的初始化、片外扩展芯片的初始化等。其次再对测控系统的系统状态、运行参数等予以恢复，包括显示界面等的恢复。之后再把复位前的任务、参数、运行时间等恢复，再进入系统运行状态。 应当说明的是，真实地恢复系统的运行状态需 要极为细致地对系统的重要数据予以备份，并加以数据可靠性检查，以保证恢复的数据的可靠性。3.4 软件说明： 3.4.1 应用程序主要功能1.根据键盘的设定值自动进行温湿度控制。当启动键按下时调用温湿度设定程序，用键盘上的1-9号键输入规定值，输入结束后按确定键返回主程序。2.能实时显示温度，显示形式为2位十进制数，2位整数。3.如果实际温度与设定温度的差值大于3，发出报警信号。差值小于3，报警信号自动撤除。3.4.2 温湿度控制方式简介 温湿度控制采用继电控制方式，通过风机或空调的启停进行调节，采样周期为30s。3.4.3 应用程序占用资源情况程序长度约400字节,占用内部RAM及SFR情况：44H温度设定值存放单元；45H温度检测值存放单元；46H室内湿度检测值存放单元；47H室外湿度设定值存放单元；5DH5FH显示缓冲区；60H7FH堆栈；A、B、R0、R6、DPTR工作寄存器；R7软件计数器。使用内部定时器/计数器0作采样周期定时器，采用中断方式。 第4章 系统抗干扰设计4.1 硬件抗干扰设计单片机应用系统经常应用于工业生产过程，而工业生产的工作环境往往比较恶劣，干扰严重，就本设计而言，大多数粮仓位于基层，这些地方的供电质量一般较差。另外，其大功率用电设备启停时引起电网电压较大波动，这些还产生较强的辐射干扰。因此，为了保证单片机系统在应用中可靠的工作，必须要考虑和解决干扰的问题。4.1.1 干扰的形式干扰源：指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt， di/dt大的地方就是干扰源。如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。传播路径：指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。敏感器件：指容易被干扰的对象。如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC， 弱信号放大器等。4.1.2 串模干扰串模干扰指的是干扰电压与有效信号串联叠加后作用到系统上的信号，如图4-1所示。串模干扰通常来自高电压输电线，与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。由于传输过来信号的信号线有时长达100200m，干扰源通过电磁感应和静电耦合作用加上如此之长的信号线上的感应电压数值是相当可观的。 图4-1 串模干扰示意图由此可知：第一，由于测量控制系统的信号线较长，通过电磁和静电耦合所产生的感应电压有可能大到与被检测信号相同的数量级，甚至比后者大得多；第二，对测量控制系统而言，由于采样时间短，工频的感应电压也相当于缓慢变化的干扰电压，这种干扰信号与有效直流信号一样被采样和放大，造成有效信号失真。除了信号线引入的串模干扰外，信号源本身固有的飘逸、纹波和噪声，以及电源变压器不良屏蔽或稳压效果不良等也会引入串模干扰。4.1.3 共模干扰共模干扰是指输入通道两个输入端上有的干扰电压。这种干扰可以是直流电压，也可以是交流电压，其幅值可达几伏甚至更高，取决于现场产生干扰的环境条件和仪表的接地情况。因为在测控系统中，检测元件和传感器是分散在生产现场的各个地方，因此，被测信号Vs的参考接地点和仪表输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位Vnm，如图4-2所示：图4-2 共模干扰示意图由图可见，对于输入通道的两个输入端来说，分别由Vs+Vnm两个输入信号。显然，Vnm是转换器输入端上共有的干电压，故称共模干扰电压。 （a）双端不对地输入方式 (b) 单端对地输入方式 图4-3 被测信号的输入方式在测量电路中，被测信号由单端对地输入和双端不对地输入两种输入方法，如图4-3所示,图中ZS，ZS1，ZS2为信号源内阻；ZI，ZCm1，ZCm2为输入通道的输入阻抗，对于存在共模干扰的场合，不能采用单端对地输入方式，因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压，见图4-3（a），此时必须采用双端不对称对地输入方式，如图4-3（b）所示。由图4-3（b）可见，共模干扰电压Vnm对两个输入端形成两个电流回路。 4.1.4电源干扰 除了串模干扰和共模干扰外，还有一些是从电源引入的，电源干扰一般有以下几种：1当同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的尖峰，通过变压器的初级和次级之间的电容耦合到直流电源中去产生干扰。2附近断电器动作时产生的涌浪电压，当电源线经变压器级间电容耦合产生的干扰。3共用同一个电源时，附近设备接通或断开时产生干扰。4.1.5 抗干扰设计的一般原则1. 抑制干扰源 抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。 抑制干扰源的常用措施如下： （1）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可 动作更多的次数。 （2）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几千欧姆到几十千欧姆，电容选0.01F），减小电火花影响。 （3）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。 （4）电路板上每个IC要并接一个0.01F0.1F高频电容，以减小IC对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。 （5）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。 （6）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。2. 两类干扰所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰。高频干扰噪声和有用信号的频带不同，可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播，有时也可加隔离光耦来解决。电源噪声的危害最大，要特别注意处理。所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰。一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离，用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩。3. 切断干扰传播路径的常用措施（1）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。许多单片机对电源噪声很敏感，要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。比如，可以利用磁珠和电容组成形滤波电路，当然条件要求不高时也可用100欧姆电阻代替磁珠。 （2）如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件，在I/O口与噪声源之间应加隔离（增加形滤波电路）。 （3）注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定，此措施可解决许多疑难问题。 （4）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。 （5）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰，大功率器件尽可能放在电路板边缘。 （6）在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。4. 提高敏感器件的抗干扰性能 提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声 的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。 提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下： （1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。 （2）布线时，电源线和地线要尽量粗。除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。 （3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。 （4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813， X25043，X25045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。 （5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。 （6）IC器件尽量直接焊在电路板上。 4.2 软件抗干扰设计在高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好越来越受到重视，这时就应该充分发挥单片机软件编程方面的灵活性，软件抗干扰措施，与硬件措施相结合，提高单片机系统工作的可靠性。4.2.1 指令冗余 CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当PC受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“跑飞”，当跑飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。若“飞” 到了三字节指令，出错机率更大。 在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使跑飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。 4.2.2 软件陷阱的设计 当跑飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱，拦截跑飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的跑飞程序引向复位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序区填入以下指令作为软件陷阱： NOP NOP LJMP 0000H 其机器码为0000020000。陷阱的安排：通常在程序中未使用的EPROM空间填0000020000。最后一条应填入020000，当跑飞程序落到此区，即可自动入轨。在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。当使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断。如某应用系统虽未用到外部中断1，外部中断1的中断服务程序可为如下形式： NOP NOP RETI 返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP 0000H”。如果故障诊断程序与系统自恢复程序的设计可靠、完善，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接进入故障诊断程序，尽早地处理故障并恢复程序的运行。 4.2.3 软件“看门狗”技术 若失控的程序进入“死循环”，通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。“看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现。用定时器T0监视定时器T1，用定时器T1监视主程序，主程序监视定时器T0。采用这种环形结构的软件“看门狗”具有良好的抗干扰性能，大大提高了系统可靠性。对于需经常使用T1定时器进行串口通讯的测控系统，则定时器T1不能进行中断，可改由串口中断进行监控（如果用的是MCS-51系列单片机，也可用T2代替T1进行监视）。这种软件“看门狗”监视原理是：在主程序、T0中断服务程序、T1中断服务程序中各设一运行观测变量，假设为MWatch、T0Watch 、T1Watch，主程序每循环一次，MWatch加，同样T0、T1中断服务程序执行一次，T0Watch、 T1Watch加。在T0中断服务程序中通过检测T1Watch的变化情况判定T1运行是否正常，在T1中断服务程序中检测MWatch的变化情况判定主程序是否正常运行，在主程序中通过检测T0Watch的变化情况判别T0是否正常工作。若检测到某观测变量变化不正常，比如应当加1而未加1，则转到出错处理程序作排除故障处理。当然，对主程序最大循环周期、定时器T0和T1定时周期应予以全盘合理考虑，限于篇幅不赘述。4.2.4 系统故障处理、自恢复程序的设计 前面列举的各项措施只解决了如何发现系统受到干扰和如何捕捉“跑飞”程序，但仅此还不够，还要能够让单片机根据被破坏的残余信息自动恢复到正常状态。 但是单片机系统因干扰复位或掉电后复位均属非正常复位，应进行故障诊断并能自动恢复非正常复位前的状态。1. 非正常复位的识别 程序的执行总是从0000H开始，导致程序从 0000H开始执行有四种可能：(1) 系统开机上电复位。(2) 软件故障复位。(3) 看门狗超时硬件复位。(4) 任务正在执行中掉电后来电复位。四种情况中除第一种情况外均属非正常复位，需加以识别。2. 硬件复位与软件复位的识别 此处硬件复位是指开机复位与看门狗复位，硬件复位对寄存器有影响，如复位后PC=0000H，SP07H，PSW00H等。而软件复位则对SP、SPW无影响。故对于微机测控系统，当程序正常运行时，将SP设置地址大于07H，或者将PSW的第5位用户标志位在系统正常运行时设为1那么系统复位时只需检测PSW.5标志位或SP值便可判此时是否硬件复位。3. 开机复位与看门狗故障复位的识别 开机复位与看门狗故障复位因同属硬件复位， 所以要想予以正确识别，一般要借助非易失性RAM或者EEROM。当系统正常运行时，设置一可掉电保护的观测单元。当系统正常运行时，在定时喂狗的中断服务程序中使该观测单元保持正常值（设为 AAH），而在主程中将该单元清零，因观测单元掉电可保护，则开机时通过检测该单元是否为正常值可判断是否看门狗复位。 4.2.5 非正常复位后系统自恢复运行的程序设计 对顺序要求严格的一些过程控制系统，系统非正常复位否，一般都要求从失控的那一个模块或任务恢复运行。所以测控系统要作好重要数据单元、参数的备份，如系统运行状态、系统的进程值、当前输入、输出的值，当前时钟值、观测单元值等，这些数据既要定时备份，同时若有修改也应立即予以备份。 当在已判别出系统非正常复位的情况下，先要恢复一些必要的系统数据，如显示模块的初始化、片外扩展芯片的初始化等。其次再对测控系统的系统状态、运行参数等予以恢复，包括显示界面等的恢复。之后再把复位前的任务、参数、运行时间等恢复，再进入系统运行状态。 应当说明的是，真实地恢复系统的运行状态需 要极为细致地对系统的重要数据予以备份，并加以数据可靠性检查，以保证恢复的数据的可靠性。其次，对多任务、多进程测控系统，数据的恢复需考虑恢复的次序问题。 第5章 软硬件调试 单片机控制系统设计好后,为了确保系统能够稳定可靠工作,需要对控制系统进行硬件方面和软件方面的调试。5.1 硬件电路的调试硬件电路的调试主要是静态的调试，应按照关于系统硬件设计与调试原则的有关内容进行，依次对单片机基本系统，人机信道，前项信道和后项信道分别进行调试。调试是可利用仿