课设基于单片机特殊环境湿度检测电路设计

太原理工大学物理与光电工程学院单片机原理及应用课程设计题目特殊环境湿度检测电路设计专业应用物理学班级1001班姓名黄2013年1月7日2013年1月20日摘要随着科技的发达，以及人民生活水平的提高，人民室内生活环境不断改善，出现了空调、智能温度器、室内净化器等一系列改善人民生活条件的高科技产品。然而这并不能满足人民越来越高的生活需求，有些人提出了湿度的要求，本设计就在此基础上，设计一种基于89C51单片机控制的智能湿度控制系统。此系统采用了精密的检测电路（包刮精密对称方波发生器、对数放大及半波整流、温度补偿及温度自动校正及滤波电路等几部分电路组成），能够自动、准确检测环境空气的相对湿度,并将检测数据通过A/D转换后，送到处理器（AT89C51）中，然后通过软件的编程，将当前环境的相对湿度值转换为十进制数字后，再通过数码管来显示；而且，通过软件编程，再加上相应的控制电路（光电耦合及继电器等部分电路组成），设计出可以自动的调节当前环境的相对湿度当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态；键盘设置及调整湿度的初始值，另外在设计个过程当中，考虑了处理器抗干扰，加入了单片机监视电路。通过对基于单片机的相对湿度控制器设计，加深对传感器技术及检测技术的了解，巩固对单片机知识的掌握，并系统的复习本专业所学过的知识。关键词湿度检测，对数放大，湿度调节，温度补偿目录摘要I绪言111课题背景112课题研究的目的和意义113国内外发展状况12系统设计方案321系统的控制特点与功能概括3211系统控制结构组成及设计方框图3212系统的功能概括322系统的设计原理323系统实现的方案分析4231湿度测量的名词术语4232湿度检测方案分析53系统的结构设计831电源电路的设计832相对湿度电路的设计10321相对湿度检测电路的原理及结构图10322湿敏电阻传感器11323精密对称方波发生器12324对数放大器及相对湿度校正电路13325断点放大器13326温度补偿电路14327相对湿度检测电路的调试及校正1433转换模块的设计15331模数转换器接受15332A/D转换器ICL71351534处理器模块的设计17341单片机AT89C51简介及应用17342单片机与ICL7135接口21343处理器的功能21344CPU监控电路2135湿度的调节模块设计21351湿度调节的原理21352湿度调节的结构框图22353湿度调节硬件结构图22354湿度调节原理实现2336显示模块设计23361LED显示器的介绍23362单片机与LED接口2437按键模块的设计25371键盘接口工作原理25372单片机与键盘接口25373按键产生抖动原因及解决方案25374窜键的处理264软件的设计2741程序设计流程图2742程序流程图说明2843程序设计285总结与展望306个人心得体会31绪言11课题背景在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天以及现代生活的各个方面，经常需要对环境湿度进行测量及控制。对于生物制药、食品加工、造纸等行业，准确的测量湿度更是至关重要的。此外，湿度还直接影响到人们的舒适程度和身体健康，但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其它因素的影响，湿度与大气压、温度呈函数关系。因此，用常规的方法测量湿度的误差可达520，此外，湿度的校准也是一个难题。过去用干湿球度计或毛发湿度计来测量、通过查表得到湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需求。干湿球湿度计和普通的湿度计并能用做标定，就是因为标定后的精度无法保证。湿度的标定对环境条件要求十分严格，而在国外的湿度标定设备（例如过生产的MC741HP型湿度校准仪），价格又十分昂贵。本设计就是在此基础是，提出一种基于AT89C51单片机控制的比较简单而实用的湿度检测及控制方法4。12课题研究的目的和意义（1）讨论一种测量湿度的简单方法，利用我们常用的电子元器件来组成简单而实用的湿度检测电路，并在此基础上讨论湿度检测影响条件呵环境因数的作用以及湿度检测的精确性问题，。（2）在湿度检测的基础上，简单了讨论湿度的控制问题，分析湿度调节的可行性以及怎么样调节的问题。13国内外发展状况早在18世纪人类就发明了干湿球湿度计，干湿球湿度计的准确度还取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。干湿球湿度计的准确度只有5一7RH。干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。后来又出现了滴水法测量相对湿度。而电子式湿度传感器是近几十年，1特别是近20年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2一3RH。电子湿度传感技术由于发展快，精确性高，误差小，现在得到了广泛的应用。近年来，随着电子芯片集成化、小型化速度的加快以及芯片制作技术的提高，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足的进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测以及的方向迅速发展，为开发新一代湿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。22系统设计方案21系统的控制特点与功能概括211系统控制结构组成及设计方框图湿度检测电路。用于检测空气的湿度9。微控制器。采用ATMEL公司的89C51单片机，作为主控制器。电源温压电路。用于对输入的200V交流电压进行变压、整流。键盘输入电路。用于设定初始值等。LED显示电路。用于显示湿度10。功率驱动电路（湿度调节电路）AT89C51电源电压的设计按键输入电路LED显示电路功率驱动电路吹风机功率驱动电路蒸汽机湿度检测电路湿度传感器图21系统结构方框图212系统的功能概括（1）自动检测室内空气的湿度。（2）当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态。（3）数码管显示当前的湿度。（4）键盘设置及调整湿度的初始值。22系统的设计原理该湿度控制系统由湿度检测电路12、CPU监控电路、显示电路、A/D转换电路、排风与加热控制电路和微处理器等组成，其中微处理器AT89C51是整3个系统的控制核心，它的原理电路如图L所示。工作原理如下湿度检测电路将当前环境湿度信号通过A/D转换后，送到处理器AT89C51中，然后处理器通过软件的运行，将当前湿度信号通过LED显示出来（显示相对湿度值），并且处理器通过程序的运行，判断当前湿度值是否在预先设定的范围之内。假设不是，系统就会自动进行湿度的调节当湿度检测电路检测到当前环境湿度高于设定值的上限的时候，微处理器将使P26输出低电平，起动减湿控制电路使吹风机开始工作，开始排风散热降温；当湿度检测电路检测到当前环境湿度低于湿度设定下限时，P27输出输出低电平，使蒸汽机控制电路工作，开始加热增加湿度。湿度检测电路JJ吹风机控制蒸汽机控制5V5VS1S2S3S4P10P14P23P2089C511A4B1B4ASEL4Y1Y74LS157D5D1R/HORURPOLB8B1ICL7135P00P06P25P26P27MAX813LRESETMRWDORESETP34XLAT1XLAT2VVREFAGND5V5VCLKP16P15手动复位INHIINLOWDIP31P24P35P36P30数码显示图22系统硬件结构图23系统实现的方案分析231湿度测量的名词术语湿度湿度是表示空气中水蒸气的含量。湿度又分为绝对湿度和相对湿度两种。绝对湿度绝对湿度亦称水蒸气密度，它表示水蒸气的质量与总容积的比值，有公式（21）16273ABVTPMD式中,DV代表绝对湿度,它表示每立方米干燥空气与水蒸气的混合物中所含水分的克数；P为水蒸气的压强单位是PA；AB为干燥空气的温度值（单位是）需要指出，国内也有人将空气中所含水蒸气的压强理解为绝对湿度，这与国外关于绝对湿度的定义不相符。相对湿度相对湿度表示在相同湿度下大气中水蒸气的实际压强与饱和水蒸气的4压强之比，通常用百分数来表示。相对湿度的英文缩写为RELATIVEHUMIDITY，有公式（22）102TPPRH式中，P1T代表温度为时的水蒸气压强，P2T表示在温度下的饱和压强。显然，相对湿度是压强和温度的函数。露点在水蒸气冷却过程中最初发生结露的温度。若气温低于露点，水蒸气开始凝结。湿度比它表示水蒸气的质量与干燥空气的质量比。大气压强在单位面积上大气的压力。通常将海平面高度的大气压强称为个标准大气压，P0101325PA。大气压强随高度的增加而降低。设、两点的高度差H2H1H,这两点的大气压强分别为P1,P2。有公式（23）LG1840212PH当距海面高度为1000M、2000M、4000M、8000M时，大气压强就依次降成088P0078P0、16P0037P0。水蒸气压强当空气和水蒸气的混合物与水（或冰）保持平衡时，就处于饱和状态，相对湿度达到100，此时水蒸气对水（或冰）的饱和压强就称做水蒸气压强。其计算公式比较复杂，并且计算水和冰的饱和压强的公式也不同。232湿度检测方案分析干湿球湿度计干湿球湿度计又亦称干湿计。它是基于水在蒸发过程中会吸热降温、并且降温的多少（即蒸发速度）与空气的相对湿度有关的原理制成的。其构造是使用两只温度计，将其中的一只支温度计的球部用白纱布包好，将纱布的另一端浸在水槽中，利用毛细现象使纱布经常保持湿润，此即湿球。另一支温度计直接暴露在空气中，谓之干球，用于测量环境温度。若空气中的水蒸气未达到饱和状态，则湿球的表面不断蒸发水气，因此湿球所指示的温度要低于干球所示的温度，并且空气愈干燥（即湿度越低），蒸发速度越快，湿球与干球的温差也越大。反之，当空气中的水蒸气呈饱和状态时，水分便不再蒸发，湿球与干球所示的温度就会相等。使用干湿球湿度计时，应将它放在距地面1215M的高度上，分别读出干湿球所指示的温度差，再从刻度计所附的温差与湿度对照表中查出当时空气的相对湿度。例如，假定干湿球温度计所示的温度为22，湿度计温度计所示的温度为16，两球的温度差是6，可首先在表中所示温度一行找到22，然后在温差一行找到6，再把22横向与6，竖行对齐，找到数值54，就表示被测相对湿度为54。5由于湿球所包纱布水分蒸发的快慢不仅和当时的空气有关，还与空气的流动速度有关，因此干湿度球湿度计所附的对照表仅使用于定向的风速，不能任意应用，干湿球温度计的优点是成本低廉，缺点是不能直接读出结果并且测量误差较大。毛发湿度计人的头发有一种特性，它吸收空气中的水蒸气的多少是随着相对湿度的增大而增加的，而毛发的长短又与它所含的水分多少有关。基于这一原理制成毛发湿度计。预先用酒精将毛发洗净，除去油脂与污垢，再以10根毛发为一束装到容器中。一种方法是利用杠杆的原理将毛发的伸缩量进行扩大后，带动指针在刻度板上指出相对湿度值。另一种方法是将头发的一端固定，另一端挂一个小砝码，为能看清楚头发长短的变化的情况，将头发绕过滑轮，在滑轮上安装一个长指针。在砝码重量的作用下，头发被紧紧地压在滑轮上。当头发伸长时，滑轮就按照顺时针方向转动，带动指针沿弧形向下偏转，而当头发缩短时，指针则向上偏转。进行标定时，要将空气完全干燥时指针所指位置定为100。最后用干湿球湿度计进行校正，并绘出刻度线，即可直接测出空气的相对湿度了。毛发湿度计的优点是构造简单，使用方便，缺点是准确度低。（2）湿敏元件的特点计产品分类湿敏元件是最简单的湿度传感器，湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。231湿敏电阻湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度，湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。以国产SM1型硅湿敏电阻为例，其相对湿度的测量范围是（1100），测量精度为4。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线行度和产品的一致性差。232湿敏电容湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酸醋酸纤维等。当环境温度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量（简称湿滞）小、便于制造，容易实现小型化和集成化。其精度一般比湿敏电阻要低一些，国外生产湿敏电阻的主要厂家有哈米瑞尔（HUMIREL）公司、飞利浦PHILIPS公司、西门子SIEMENS公司等。以HUMIREL公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（199）RH，在55RH时的电容量是180PF（典型值）。当相对湿度从0变化到100时，电容量的变化范围是163PF202PF。温度系数为004PF/，6湿度滞后量为15，响应时间为5S。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变震荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差。在检测环境温度变化时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染二影响其测量精度及长期稳定性。基于湿敏电阻的相对湿度检测电路的设计湿敏电阻是最常见，价格耶是最低廉的一种湿度传感器，但其线性度差，必须采取补偿措施。下面介绍利用湿敏电阻及相应的外围电路设计而成的相对而成的相对湿度检测电路，该电路采用非线性补偿、温度补偿和湿度校正等项技术，实现电路的优化设计。测量相对湿度的范围为0100，测量精度为2，分辨率可达001。另外也出现了光纤湿度敏感元件及其他高分子聚合物，甚至神经网络湿敏元器件。73系统的结构设计31电源电路的设计稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求，稳压电源的技术指标可以分为两大类一类是特性指标，如输出电压、输出电流及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能，主要有以下四个万面的要求1、定性好，2、输出电阻小，3、电压温度系数小，4、输出电压纹波小。我设计的稳压电源是以78XX和79XX系列稳压器为基础的，这类电源能够产生5V，15V。它是先将来自交流电的电压通过变压器（即将220V转换为20V），然后通过78XX和79XX稳压器，达到设计要求。首先来介绍一下78XX和79XX的基本情况。78XX和79XX系列是常用三端固定电压集成线形稳压器，78XX系列为正电压输出稳压器，79XX系列为负电压输出稳压器。除了输出电压极性不同外，其他方面基本相同，因此，本节以78XX系列为例进行介绍。型号78XX/79XX系列中的XX数字表示集成稳压器的输出电压的数78X123值，以V为单位，例如7805表示输出正电压为5V，7924表示输出负电压24V等。有5V，6V，9V，12V，15V，18V，24V等7种不同的输出电压档，能满足大多数电子设备所用的电源电压。此外，型号中还有英文字母数字前面的字母如LM78XX等，通常表示生产厂家，LM表示美国MULB公司。中间的字母如78LXX等，通常表示电流等级，L表示的是小电流（100MA），M表示中电流（500MA）。图31示出了78XX/79XX的管脚与封装形式，集成稳压作为稳压电源的一般接法如图32所示。1输入端，2输出端，3公共端81公共端，2输入端，3输出端图31图32基于我要得到正负电源同时使用和电路电源要求，我选用正负三种集成稳压器（7805、7812、7815、7905、7912、7915），按图33所示设计781579057805791279157812C1C3C2C4ABCEFDV图33C1、C2是用以抵消其较长接线的电感效应，防止产生自激震荡，界限不长32132179X12378XV79XV时可以不用，C1、C2一般在（011）F，输出端的电容C3、C4用来改善暂态响应，使瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动，削弱电路的高频噪声，C3、C4可用10F。由此得到稳压电源的设计图34781579057805791279157812C1C3C2C4ABCEFD图34电源电路图9在图中A端输出15V，B端输出12V，C端输出5V，D端输出15V，E端输出12V、F端输出5V，这6种电源可以供我们后来设计器件的备用电源，如湿度检测电路、单片机电源、A/D转换ICL7135、继电器的电源等。32相对湿度电路的设计321相对湿度检测电路的原理及结构图（1）相对湿度检测电路框图如图35所示主要包刮9部分精密对称方波发生器；湿敏电阻；对数放大器（兼做半波整流）；湿度校正电路及滤波器；输出放大器；断点补偿电路；温度补偿电路；15V稳压电源。（精密对称方波发生器湿敏电阻对数放大器兼半波整流温度校正及滤波器输出放大器（A/D）转换12V15V温度补偿电路（恒温器）断点补偿电路稳压电源图35相对湿度检测电路结构图2）该检测电路有下列特点鉴于当直流电流通过湿敏电阻时会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，因此必须采用交流信号或对称方波信号来驱动湿敏电阻。在这里选用具有稳幅作用的精密对称方波发生器作为信号源，其输出信号中不包含直流分量。为解决湿敏电阻的非线性问题，由晶体管（VT1）和运算放大器构成对数放大器，对湿敏电阻的指数型特性曲线进行线性化，利用湿敏校正电路对40RH、100RH两点进行校正，再通过滤波器产生一个代表相对湿度的直流输出电压，输出电压范围是010V，所对应的相对变化范围是（0100）RH。输出信号送至位A/D转换器，通过ICL7135A/D转换将模拟量转换位214BCD码送至微处理器进行数据处理。利用断点放大器专门对40RH以下的相对湿度信号再进行一次线性补偿，使其输出信号尽可能呈线性。利用集成恒流源的正温度系数去补偿热敏电阻的负温度系数，大大降低了温漂。然后选用一片廉价的集成音频放大器对VT1进行温度补偿，使VT1的直流工作点不随环境温度的变化而变化。10（3）相对湿度检测电路的工作原理相对湿度检测电路如图所示包刮一只PCRC55型湿敏电阻和7片集成电路块。其中，IC1（IC1AIC1B）采用以结型场效应管（JEFT）为输出级的四运放LF347。IC2为三端可调式集成恒流源LM334。IC3（IC3AIC3B）为宽带JFET输入的双运放LF353。IC4为695V精密基准电压LM329。IC5为低压音频放大器LM389。IC6为12V输出的三端集成稳压器7812。IC7为12基准电压源LM385。除了IC5选用12V的电源，其余芯片均用15V电源供电。VD1VD7均采用1N4148型高速开关二极管。VT1VT3采用NPN型晶体管，下面分析各单元电路的工作原理。322湿敏电阻传感器11PCRC55型湿敏电阻是用化学方法处理的聚苯乙烯聚合物制成的，其电阻值（R）与相对湿度（RH）的响应曲线如图37所示，该曲线近似为指数曲线，当相对湿度从20变化到100时，电阻值就从1000M迅速减小到35K，电阻变化超过4个数量级。因此，构成相对湿度检测时必须进行线性化，才能获得线性输出电压，再送至4（1/2）DVM显示出相应的湿度值。PCRC55的温度系数为036RH/，精度为1。323精密对称方波发生器精密对称方波发生器由运放IC1A1/4LF347、三端可调电流源IC2（LM334）和二极管桥路（VD1VD4）组成。利用二极管桥路和电阻R2、R3构成的正反馈电路使IC1A产生震荡。该方波发生器具有对称输出、限流和稳幅的特性。R1为设定电阻（RSET），取R115时，可将LM334的输出电流限定在5MA左右。利用二极管桥路的正、反向钳位作用，能把输出方波电压UO1的幅度限制在8V。用示波器观察对称方波发生器的震荡波形如图所示，震荡频率为100HZ。图中的UC1代表C1上的电压。由图可见，随着震荡电容C1不断进行充、放电，在UO1端便形成了以零伏为对称轴的方波信号，其直流分量为零。R2、R3组成分压器，用于设定IC1的阈值电压（亦称门限电压），进而控制IC1A的翻转状态。利用LM334的正温度系数（033/）去补偿热敏电阻的负温度系数（036/），实际温度系数仅为033/，它与传感器的1精度指标相比可以完全忽略不计。LM334的安装位置应尽可能靠近湿敏电阻。需要指出的的是，LM334既可以够成恒流源，还可作为电压灵敏度为227V/K的温度传感器使用，在这里只用其恒流特性，从而大大提高方波幅度的稳定性。对称方波发生器输出的UO1信号通过缓冲器（IC1B）驱动湿敏电阻，再接至12对数放大器IC1C的反相输入端A。A点亦称为求和点或虚地点，该点的电位可视为0V。设湿敏电阻R上的电流IRH,很容易求出（31）UOH1324对数放大器及相对湿度校正电路对数放大器由晶体管VT1和运放IC1C构成。将VT1的基极接地，集电极接A点（虚地）时，相当于把集电极与基极短接，VT1就等效于硅二极管。VT1的发射极电压（UBE）与集电极电流（IC）呈对数关系，其表达式为STBEIQKULN（32）式中K为波尔兹曼常数，K863105QV/K，Q为电子电量（Q1602191019C）,T为热力学温度（K），IS为晶体管反向饱和电流。根据这一特性可设计成对数放大器，用来补偿湿敏电阻的的指数曲线，使之近似于线性关系。利用电路实现线性化的原理如下湿敏电阻的电阻值于相对湿度的关系式可近似表示为RAERH（33）式中的A为一变量，RH代表相对湿度（单位是），令VT1发射极输出电压为UO2，显然，UO2UBE。考虑ICIRH，然后将式（31）和式（33）一并代入式（32）中，化简后得到（34）RHUQKTOBEO12LN不难看出，UO2与相对湿度成正比，这就实现了对湿敏电阻的线性化。在方波信号的正半周，UO18V，使VD5截止，UO1途径湿敏电阻、求和点A，接VT1的集电极，再利用电路中的VT1对IRH求对数。因IC1C作为反向放大器使用，故UO2输出的是负向方波信号。在负半周时，UO18V，使VD5导通，对数放大器不工作，因此，对数放大器兼有半波整流作用。UO2送至IC1D的反相输入端。由IC1D和电位器RP1、RP2组成的相对湿度校正电路。其中，RP1用以校正40RH的刻度，RP2则用来校正100RH的刻度。校正后的信号通过滤波电容（C3）得到直流信号，再经过输出放大器IC3A1/2LF352放大，获得010V的输出电压。325断点放大器所谓“断点”（BREAKPOINT）就是指40RH这一点。由图423可见，PCRC55型湿敏电阻在RH40时的非线性失真最为显著，针对这种情况可通过断13点放大器再做一次局部线性化处理。断点放大器（IC3B）就并联在输出放大器（IC3A）的两端。当RH40时，利用IC3B可以改变IC3A的增益，使相对湿度曲线在040的范围内更接近于线性。设IC3AD同相输入端电压为U1（这也是IC3B的反相输入端电压），IC3B的同相输入端电压为U2。根据图422所示电路不难算出U2037V，该电压即为IC3B的参考电压。当RH40时，因U1U2，IC3B输出为低电平，故VT4和VD6均截止，断点放大器不工作，对（40100）相对湿度的线性化任务全部由对数放大器来完成。仅当RH40时，U1036U2，IC3B输出变成高电平，使VT4、VD6导通，断点放大器才开始工作，可使040相对湿度范围内的输出电压与相对湿度仍然保持线性关系。电路中R13和VD6的作用的防止在断点附近产生抖动现象。326温度补偿电路当环境温度发生变化时，VT1的直流工作点也会改变，这必将影响对数放大器的输出特性。因此，必须对VT1采取一定的温度补偿措施。温度补偿电路实际上是由IC4IC6和VT2、VT3等组成的小型恒温槽式控制器，并且需将VT2、VT3与VT1紧贴在一起。将VT2的集电极短接，利用其发射极作为温度传感器使用。IC5是温控电路。VT3作为加热器，给VT1提供一个50（典型值）的工作温度，使之不受外界环境温度变化的影响。IC6（7812）给IC5提供12V的稳压电源。IC5的参考电压U3063V，该电压所对应的VT1管壳温度恰好为50。一旦VT1温度偏离50，VT2就通过放大器来改变VT3的基极电流，调节VT3的发热量，使VT1始终工作在50恒温状态，从而消除环境温度变化对VT1工作点的影响。VDZ为3伏稳压管。327相对湿度检测电路的调试及校正（1）将VT3置于50的环境中并将VT3的基极接地。（2）给电路通电后，用数字万用表测量VT2的基极电压U3，适当调节R19的电阻值使IC3的反相输入端电压也接近于U317。（3）将VT3的基极与地脱开后，该电路即具有50的恒温特性。相对湿度的校正方法（1）在输出端U0与地之间接一块满量程电压为20V的4（1/2）为DVM。（2）用一只35K的电阻代替湿敏电阻，调节电位器RP1使仪表读数为100RH。（3）用一只8M的电阻代替湿敏电阻，调节电位器RP2使仪表读数为40RH。（4）重复第（2）（3）两步，直到调节RP1和RP2时互步影响读数。（5）用一只60M的电阻来代替湿敏电阻，适当调节断点放大器R12的电阻（其标称值为40K），使仪表读数为24RH。该仪表经过测试及校正后，即壳测量相对湿度。旦需要说明两点第一，14在更换湿敏电阻时，应重新校正仪表；第二，图423所给出的曲线是在室温（TA25）下测相互来的，当湿敏电阻的实际工作温度为T时，还应根据厂家给出的PCRC55的温度特性对RH读数值进行修正，计算出实际相对湿度值18。33转换模块的设计331模数转换器接受能够完成将模拟量转换成数字量的器件叫模/数转换器，简称A/D转换器。A/D转换器的种类很多，按位数来分，有8位、10位、12位、16位。位数越高，其分辨率也越高，但价格也越高。A/D转换器就其结构来分，有单独的A/D转换器；有的A/D转换器带多路开关；有的带多数开关、数据放大器、采样/保持及A/D转换器，其本身就是一个完整的数据采集系统。A/D转换器按转换原理分计算器式A/D转换、逐次逼近型A/D转换、双积分式A/D、并行A/D转换、串并行A/D转换等。在这些转换方式中，计数器式A/D线路比较简单，但转换速度比较慢，所以现在应用很少。双积分式A/D转换精度高，多用于数据采集系统及精度比较高的场合。并行及串并A/D转换速度比较快，多用于雷达及图象处理等要求比较高的场合。逐次逼近型A/D转换既照顾了转换速度，有具有一定的精度，是目前工业过程控制系统中应用最多的一种。目前，绝大多数A/D转换器都采用这种转换方法。332A/D转换器ICL7135ICL7135是目前市场上广泛流行的单片集成4位半双积分A/D转换器。由于ICL7135具有4位半的精度（相当于14位二进制数）、自动校零、自动极性输出、单一参考电压、动态字位扫描BCD码输出、自动量程控制信号输出、价格低等特点，所以广泛应用于微控制器的应用系统和各种精度较高的数字仪器等领域19。（1）主要参数CMOS集成电路；双积分转换技术；单一参考电压；采用BCD码扫1234描输出；能用闪烁显示的方式表示超量程状态；具有六路输入/输出56（I/O）辅助信号，可以和微处理器相连，进行复杂的控制；具有自动转换量7程的过和欠量程信号；允许差分输入；具有自动极性辨别功能和自动校零89电路；双电源供电；准确度高00051个字；输入漏电流低1PA；101112分辨率高14位；零读数漂移05V/；输入阻抗高109；转换13141516速度慢3次/秒；噪声低15V。1715（2）引脚排列合引脚说明V负电源输入端，典型值为5V。VREF参考电源输入端，典型值为1V，参考电压的精度合稳定度将直接影响转换精度。D5、D4、D3、D2、D1BCD码数据的位选通信号输出端，分别分位万、千、百、十、个位。B1、B2、B4、B8BCD码数据输出线。BUSY转换状态标志输出端。积分器在积分过程中（对信号积分和反向积分）BUSY输出高电平，积分器反向积分过零后输出低电平。CLK时钟输入端。双极性模式最高时钟频率为125HZ,转换速度为3次/秒；单极性模式最高频率为1MHZ，这时转换速度为25次/秒。AGND模拟地，INTOUT积分器输出。AZIN自调零输入端。BUFOUT缓冲放大器输出端。REFCAP外接参考电容引脚。REFCAP外接参考电容引脚。INLO信号输入低端。INHI信号输入高端。V正电源输出端，典型值为5V。DGND数字接地。POL极性输出端。当信号为正时，POL极性输出为高电平；输入信号为负时，POL极性输出为低电平。16R/启动转换/保持控制端。该端接高电平时，ICL7135为自动连续转换状态，H1/2。一次A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD码数据输出，可利用该信号把数据打入到并行接口中供CPU读取，这在和微处理接口时显得非常重要。OVERRANG过量标志输入端。当输入信号读数超过转换记数范围时，该引脚输出高电平。UNDER欠量程标志输入端。当输入信号读数小于9或者更小时，该端输出高电平。34处理器模块的设计341单片机AT89C51简介及应用（1）AT89C51性能及特点20AT89C51是一种与MCS51单片机相兼容的、高性能的8位CMOS微控制芯片，采用40引脚DIP封装，片内带有4KB的快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM）。是当前较先进的一种电擦除8位单片机，它与MCS51指令系统完全兼容，片内FPEROM允许对程序存储器在线重新编程。也可用常规的EPROM编程器编程。具有超强的加密功能。ATMEL公司生产的这种89C51微控制器，将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在同一芯片上，可完全替代87C51和8751/8752，为很多嵌入式控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案，深受用户欢迎。此外,AT89C51还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式,在空闲模式下,CPU停止工作,但RAM,定时/计数器,串行口和中断系统仍然工作在掉电模式下,只保存RAM的内容,振荡器停振,关闭芯片的图38ICL7135引脚排列图所有其它功能,直到下一次硬件复位为止其空闲和掉电两种工作方式以及静态逻辑运作等情况,与MCSC51相同AT89C51主要特性如下17与MCS51产品兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命1000写/擦循环；数据保留时间10年；全静态工作0HZ24HZ；三级程序存储器锁定；1288位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；可编程全双工串行；4KB的在线可重复编程快闪存储器，写/檫可达1000次以上。（2）AT89C51内部结构说明AT89C51的FLASH存储器有4KB，RAM只有128字节，加密位有三位，加密位为LB1，LB2。AT89C51是一带有2KB字节的闪速可编程可擦除的只读存储器（PEOM），低电压，高性能的8位CMOS微型计算机，有如下特性；和MCS51图39AT89C51引脚图系列产品完全兼容，2KB的FLASH的程序存储器，可擦写1000次，276电压范围，静态工作方式，可外接024MHZ的晶体振荡器，；两级程序存储器，；128字节SRAM；32根可编程I/O引线；三个16位定时/计数器，六个中断源，可编程UART串行口，直接LED驱动输出，片内模拟比较器，低功耗空闲方式和掉电工作方式。AT89C51是ATMEL微控器家族中廉价的成员，它含有2KB字节的快闪存储器和MCS51结构兼容并可用MCS51指令集进行编程，89C51程序存储器大小的物理范围为000H7FFH，且89C2051中已保留了标准中断服务的子程序的地址，AT89C51包含128字节内部数据存储器，这样8951中堆栈的深度局限于内部RAM的128字节范围内，它既不支持外部数据存储器的访问，也不支持外部程序存储器的访问的执行，因此，程序中不应该包含MOV指令。（3）端口介绍ALE端口地址锁存使能在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节在正常18情况下ALE输出信号恒定为1/6振荡频率并可用作外部时钟或定时注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略ALE可以通过置位SFR的AUXLILARY0禁止置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。PSEN端口程序存储使能当执行外部程序存储器代码时PSEN每个机器周期被激活两次在访问外部数据存储器时PSEN无效访问内部程序存储器时PSEN无效。EA/VPP外部寻址使能/编程电压在访问整个外部程序存储器时EA必须外部置低如果EA为高时将执行内部程序除非程序计数器包含大于片内FLASH的地址该引脚在对FLASH编程时接5V/12V编程电压VPP如果保密位1已编程EA在复位时由内部锁存。（3）端口介绍RST为复位输入端，振荡器工作时，该引脚上两个周期的高电平复位AT89C2051。XTAL1振荡器反相放大器内部工作时钟电路输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。P0口P0口是开漏双向口可以写为1使其状态为悬浮，用作高阻输入P0也可以在访问外部程序存储器时作地，址的低字节在访问外部数据存储器时作数据总线此时，通过内部强上拉输出1。P1口P1口是带内部上拉的双向I/O口向P1口写入1，时P1口被内部上拉为高电平可用作输入口当作为，输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电，流见DC电气特性P1口第2功能，T2P10定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出见可编程输出，T2EXP11定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制。P3口第二功能P3口第二功能P30RXD串行口输入P31TXD串行口输出P32INTO外部中断0P33INT1外部中断1P34T0外部定时输入0P35T1外部定时输入1表31P3口特殊功能P2口P2口是带内部上拉的双向I/O口向P2口写入1，时P2口被内部上拉为高电平可用作输入口当作为，输入脚时被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电，流见DC电气特性在访问外部程序存储器和外部数据，时分别作为19地址高位字节和16位地址MOVXDPTR，此时通过内部强上拉传送1当使用8位寻址方式MOVRI访问外部数据存储器时,P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。P3口P3口是带内部上拉的双向I/O口向P3口写入1时P3口被内部上拉为高电平可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流见DC电气特性P3口还具有以下特殊功能。图310复位电路设计（4）8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见下图。此外，RESET/VPD还是一复用脚，VCC掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失21。（5）AT89C51特殊功能寄存器表1014中给出了AT89C2051中的所有特殊功能寄存器SFR，它们分布在地址范围为80HF8H中，工19个，比AT89C2051少了P0和P2两个专用寄存器，因为它没有这两个相应的端口。P0口P0口是开漏双向口可以写为1使其状态为悬浮，用作高阻输入P0也可以在访问外部程序存储器时作地，址的低字节在访问外部数据存储器时作数据总线此时，通过内部强上拉输出1。AT89C51中的所有特殊功能寄存器与MCS51系列的单片机相同，特殊功能寄存器也称专用寄存器，专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作，用户在编程时可以置数设定，却不能自由移动它用。在51系列单片机中，将各专用寄存器与片内RAM统一编址，且作为直接寻址字节，可直接寻址。51系列有18个专用寄存器，其中3个为双字节寄存器，共占21个字节。（5）对8951指令系统的说明89C51指令系统与MC51指令系统标准在某些地方有所不同。AT89C51只包含20128B的片内RAM数据存储器，这样，栈地址空间就相应为128B有效范围。AT89C51有片外存储器接口，它支持外部RAM器件和外部编程器件，分支指令。342单片机与ICL7135接口单片机与ICL7135接口（如硬件结构图）（图221）ICL7135的A/D转换结果是动态分时轮流输出的BCD码，因此它与89C51只能通过并行I/O接口或扩展I/O接口与其相连。这里采用并行I/O接口连接，为了节省I/O接口的开销，使用了74LS157四2选1的选择器，使万位输出及其它的三个标志信号（过量程、欠量程、极性输出）与BCD码数据输出的B8、B4、B2、B1公用89C51的P20P23四条I/O接口线。其分时传送通过D5控制74LS157的选择端SEL实现。SEL输入低电平时选择1A3A输出，输出电平选择1B3B输出。因为万位只能输出0或1，是半个位，所以正好和OR（过量程）、UR（欠量程）和POL（正负极性）三位构成四位数据输出，供89C51读取，这样就可以使用7135的“万”位选通位信号D5作为74LS157的选择端控制信号22。343处理器的功能AT89C51单片机作为控制仪的核心部分主要完成以下功能根据采集到的湿度信号，通过LED显示湿度值；当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态。344CPU监控电路为了提高系统工作的可靠性23，测控仪增加了微处理器工作的监控电路，如图1中左边的中部所示，在这里采用MAX813L实现，以防程序跑飞使系统失控。如果在165S内微处理器AT89C51不给MAXSL3L的“看门狗”输入端WDI触发信号，说明程序已跑飞或程序已进入了死循环，MAX813L将发出复位信号，使系统复位重新运行。另外，用于控制加热和排风的电路如图1中右下方所示。由于该电路很简单，在这里就不介绍了。值得一提的是加热控制和吹风扇控制用的接触器，其触点容量选取应视控制对象的功率而定，至少在220WROA以上，以确保控制仪的可靠工作。35湿度的调节模块设计351湿度调节的原理当环境的湿度超出我们预先设定的湿度范围时，通过湿度检测电路以及A/D转换，把相应的信号送入主处理器AT89C2051中，通过软件的判断，确定当前的湿度值是否在合适的范围，如果不是，就自动的发出信号，启动湿度调节，例如21当相应环境湿度大于预先设定的湿度值时，通过单片机发出信号，经功率驱动放大电路，启动抽风机的工作，减少空气中水蒸气的含量，以达到降低空气湿度的目的；当环境相应湿度小于预先给定的湿度值时，仍然的通过单片机发出信号，经功率放大电路，启动加湿器的工作（其实也就是一个蒸汽机相关的机械），增加空气中的水蒸气，以达到增加空气中湿度的目的。总之，我们所要做的工作就是要使空气湿度保持在我们需要的理想状态。352湿度调节的结构框图湿度调节电路的设计如图311单片机输出信号继电器吹风机/蒸汽机电源图311湿度调节的结构框图353湿度调节硬件结构图如图312为湿度控制硬件结构图，图中采用了两只光电耦合器件、两个继电器、和两只发光二极管。其中光电耦合器件是将处理器（单片机）输出的信号转换为继电器的输入信号，而继电器又与吹风机和蒸汽机的电源线相连24，这样，处理器输出的信号就可以通过光电耦合电路和继电器电路来控制机械（吹风机或蒸汽机）的动作。22354湿度调节原理实现本湿度调节电路包含两个方面，一方面就是增加湿度的蒸汽机，也就是用来增加空气湿度的加湿设备，另一方面就是降低湿度的的吹风机，也就是用来减小空气中的湿度，这两个方面合起来，就是实现空气湿度的自动调节。现以吹风机为例，来说明湿度的自动调节过程。首先，我们可以人为的设定合适的湿度值，例如可以根据温湿度之间的联系，在知道当天温度的情况下设置合适的湿度值，然后湿度检测电路将所检测到的当前湿度信号通过A/D转换送到控制器（AT89C51），在控制器里面，通过软件的编程，将所检测到的湿度信号与预先设定的湿度值相比较，当检测到的湿度值大于预先设定的湿度值时，仍然是经过软件的处理，从处理器的端口P26（开始运行时，P26人为设定为高电平）输出低电平信号（见硬件结构图），这样，与P26相连光电隔离器件就开始工作，带动继电器的吸合，而继电器的长闭开关又控制着吹风机的电源开关，这样，继电器工作之后，吹风机就开始工作。在吹风机工作的同时，湿度检测电路仍然是不断的将湿度信号送到单片机处理器中，处理器也不断的进行比较，（当然这期间，P26一直为低电平），如果当前湿度仍然大于预先设定的湿度值，P26继续为低电平，吹风机继续工作，只有当检测到的当前湿度信号不大于预先设定的湿度值时，P26返回为高电平输出，随之，吹风机也停止工作。这一过程就实现了降低湿度的自动调节。当然，增加湿度的调节过程与此相似，在次不做介绍。这样就实现了空气湿度的自动调节。在本设计中，湿度的的调节除了自动调节外，还可以手动调节，以满足不同用户的要求（或者说在湿度自动调节失灵的情况下，可以进行人为调节，使湿度仍然保持在理想状态）。例如，当你按下S3键时，吹风机就会立即工作，而不管湿度检测信号，并且在此过程中，湿度检测电路还是不断的将湿度信号送入处理器中，并将当前湿度值通过数码管显示出来，但此时湿度检测信号不会影响吹风机的工作，直到用户觉得满意的时候，再按下S3键，吹风机就会停止工作。同理，人为加湿操作与此工程相似。36显示模块设计361LED显示器的介绍LED显示器是由发光二极管组，其结构如图所示，其中7个发光二极管按“8”行排列，用于显示数字，字母等符号，一个发光二级管圆点形状，右下角用于显示小数点，LED显示器共阴极和共阳极两种类型25。当发光二极管导通时，相应的一段笔画成小数点亮，对共阴极显示器，将共阴极COM接地，在A_Q段加驱动信号，当驱动信号是高电平时，相应段发光；对共阳极显示器，将共阳极COM极接高电平，在A_Q段几加驱动信号，当驱动信号23是低电平时，相应段发光，从而显示相应字符。不同的显示字符其驱动代码是不一样的，发光二极管每段流过5MA的平均电流就可以有较满意的亮度，最大电流不得超过30A，由于发光二极管是电流驱动设备，一般的I/O接口驱动能