基于AT89C51的濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計與研究
摘要：人工氣候室是在環(huán)境試驗(yàn)、科學(xué)研究（諸如種養(yǎng)殖、植保、組培、生物工程）等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。它能模擬自然界的各種氣象條件，按照實(shí)驗(yàn)要求精確控制室內(nèi)的溫度、濕度、光照以及CO2等指標(biāo)，復(fù)現(xiàn)各種氣候環(huán)境。為研究不同物種的生長、發(fā)育、生理、生化過程創(chuàng)造了環(huán)境條件。因此，人工氣候室廣泛應(yīng)用在科研、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、冶金、化工、林業(yè)、環(huán)境科學(xué)及生物遺傳工程等領(lǐng)域。
在人的日常生活中，人的居住空間也是一個人工環(huán)境。空氣污染，直接威脅人的身體健康；噪音污染，影響人的情緒、工作、休息、飲食，可以導(dǎo)致神經(jīng)衰弱；溫度過熱、過冷，導(dǎo)致人的不適，耗費(fèi)電能；空氣過濕，將使人們感到沉悶和窒息；空氣過燥，又會使人的口腔感到不適，甚至可能發(fā)生咽喉炎等疾病。如果能系統(tǒng)自動控制這個最常見的空間，人的生活將更舒適。所以說，這是一個很有發(fā)展前途的課題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)系統(tǒng)的研制[3]、[5]。本文也就其中最難測量的物理量——濕度進(jìn)行研究。
1 濕度檢測的原理無線
本系統(tǒng)通過單片機(jī)AT89C51[1]及其各種接口電路來實(shí)現(xiàn)濕度的檢測。其工作原理是: 電容式相對濕度傳感器的容值隨著濕度的變化而線性的變化，通過信號檢測和轉(zhuǎn)換電路將變化的電容轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的變化的電壓，再由A/D轉(zhuǎn)換器把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并送入到單片機(jī)中，單片機(jī)對采集到的信號進(jìn)行濾波處理并通過查表得到實(shí)際測量的濕度值，之后通過單片機(jī)的各外部接口電路顯示該濕度值，或通過其與上位機(jī)的接口把此值送入到上位機(jī)進(jìn)行保存及打印等操作。
2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及功能設(shè)計
本系統(tǒng)的濕度傳感器采用高精度的HS11000電容式相對濕度傳感器[2]，它采用電容式濕度敏感元件，其特點(diǎn)是尺寸小、響應(yīng)時間快、線性度好、溫度系數(shù)小、可靠性高和穩(wěn)定性好。在相對濕度為0％~100％RH范圍內(nèi)，電容量由162pF變到200pF時，其誤差不大于±2％RH，而且響應(yīng)時間小于5s，溫度系數(shù)為0.04pF/℃，可見該濕度傳感器受溫度的影響是很小的。為了保存數(shù)據(jù)的原始記錄，
AT89C51單片機(jī)作為檢測儀的核心部分。主要負(fù)責(zé)將A/D轉(zhuǎn)換模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并送至LED顯示模塊實(shí)時顯示；響應(yīng)鍵盤輸入，查看或修改用戶設(shè)定的濕度上限值。文獻(xiàn)[4]采用DSP實(shí)現(xiàn)了溫濕度控制器的設(shè)計，但是由于DSP的價格較高，不宜應(yīng)用在各種場合中。
2.1 A/D轉(zhuǎn)換
A/D轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，本系統(tǒng)采用了以10位開關(guān)電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)而構(gòu)造的CMOS A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549,它具有片內(nèi)采樣-保持電路，還有差分高阻抗基準(zhǔn)電壓輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，總不可調(diào)整誤差達(dá)到±1LSB Max（4.8mV）等特點(diǎn)。它通過一個三態(tài)輸出端（DATAOUT）和2個輸入端（包括I/OCLOCK（I/O時鐘）和CS（片選））與AT89C51的P10～P12接口相連，這樣不僅簡化系統(tǒng)的設(shè)計，減少電路板的占用面積，而且提高了可靠性，分辨率也較高。
2.2 看門狗復(fù)位
看門狗復(fù)位電路選用X25045芯片。它集斷電數(shù)據(jù)保存功能、看門狗功能、上電掉電復(fù)位功能、電源電壓監(jiān)控功能于一身，這種組合大大簡化了硬件設(shè)計，降低了成本和系統(tǒng)功耗。當(dāng)系統(tǒng)故障時，在選定的超時時間之后，X25045的看門狗將以RESET信號作為響應(yīng)，利用X25045低VCC檢測電路，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓的影響；當(dāng)VCC降到最小VCC轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時，系統(tǒng)復(fù)位一直到VCC返回規(guī)定值且穩(wěn)定為止。
2.3 串口通信
為了對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，需要將數(shù)據(jù)從單片機(jī)傳送至計算機(jī)。AT89C51具有串行通訊接口（SCI） , SCI是為能與CRT終端及計算機(jī)等外設(shè)通訊的全雙工異步系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用RS-232-C接口方式，傳送波特率為9600比特。接口芯片采用MAX232，這種芯片可以實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS-232C接口電平之間的轉(zhuǎn)換，也就是可以把5V電平表示為“1”，0V電平表示“0”的邏輯，轉(zhuǎn)換成－3～15V電平表示“1”，＋3～15V電平表示“0”的邏輯，從而解決了由于PC機(jī)的串行口是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的接口，其輸入輸出在電平上和采用TTL電平的AT89C51在接口時會產(chǎn)生電平不同的問題。因此PC機(jī)和AT89C51單片機(jī)串行通信便可以順利進(jìn)行。
2.4 鍵盤控制
鍵盤電路是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的人機(jī)接口電路，用它可以完成濕度值的設(shè)定、移位、加1、減1、清零、前翻頁、和后翻頁等功能。但它往往要占用較多的I/O端口。在本濕度檢測系統(tǒng)中，除了把一個獨(dú)立的按鍵用作開始鍵外，利用了一種新型的鍵盤電路，它可以最大限度地減少鍵盤電路對I/O端口的占用。
這種電路可以使按鍵次數(shù)達(dá)到16個，其軟件處理使用了端口訪問和掃描檢測兩種方法，同時由于采用了組合邏輯來直接對端口進(jìn)行讀取，因此極大地簡化了程序的處理過程，同時也節(jié)省了寶貴的存儲器和CPU運(yùn)算資源。
在本系統(tǒng)中，由于該濕度計還要進(jìn)行信息的實(shí)時顯示，所以設(shè)計了LED顯示電路。該電路由三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器（LM317）、晶體管（NPN）、串行輸入/8位并行輸出的移位寄存器（74LS164）、顯示器（共陽極LED）和電阻構(gòu)成。
該顯示控制電路中單片機(jī)串行口工作方式為0，即為8位移位寄存器，TXD為同步信號輸出端，RXD為串行數(shù)據(jù)輸出端，選用在串行口接串行輸入/8位并行輸出的移位寄存器74LS164來驅(qū)動LED顯示器。但是由于74LS164無并行輸出控制端，在串行輸入過程中，其輸出端的狀態(tài)會不斷變化，故在某些使用場合，在74LS164與輸出裝置之間還應(yīng)加上可控的緩沖級（如三態(tài)緩沖器74LS244），以使串行輸入過程結(jié)束后再輸出。而這里是通過控制NPN晶體管的導(dǎo)通與截止和LM317，來控制顯示器（LED）共陽極電位的高低，從而控制顯示器的亮暗，也就是在數(shù)據(jù)傳輸過程中顯示器暗、在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時顯示器亮。由于74LS164在低電平輸出時，允許通過的電流可達(dá)8mA，故不需要再加驅(qū)動電路。通過電位器RP2調(diào)整腳2的輸出電壓，可使LED的顯示亮度均勻在線可調(diào)，而且可以節(jié)約大量限流電阻。
2.6 時鐘控制
系統(tǒng)時鐘由實(shí)時日歷時鐘芯片PCF8563提供，該芯片是一款工業(yè)級內(nèi)含I2C 總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。PCF8563的多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復(fù)雜的定時服務(wù)。內(nèi)部時鐘電路內(nèi)部振蕩電路內(nèi)部低電壓檢測電路（1.0V） 以及兩線制I2C 總線通訊方式，不但使外圍電路及其簡潔，而且也增加了芯片的可靠性。
為了使單片機(jī)在將濕度值提供給顯示器顯示的同時能將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入外部數(shù)據(jù)區(qū)供批處理打印和主系統(tǒng)共享或以備傳輸和處理之用，在電路中還擴(kuò)展了一片16K的ATMEL公司的E2PROM存儲卡——AT24C16。單片機(jī)將數(shù)據(jù)采集處理后，讀取PCF8563時間數(shù)據(jù)與采集到的數(shù)據(jù)一同存儲到AT24C16中。
2.7 電源控制
電源電路是給電子設(shè)備提供必要的電源能量的電路，就輸入和輸出而言，在集成電路中主要使用的是由交流（AC）220V，50/60Hz的市電轉(zhuǎn)換成直流電。該部分電路由降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分組成。
在設(shè)計穩(wěn)壓部分時，根據(jù)電路對電源要求的不同而選擇不同的穩(wěn)壓電路，由于A/D轉(zhuǎn)換器（TLC1549）、看門狗定時器（X25045）、三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器（LM317）、單片機(jī)（AT89C51）要求電源電壓的穩(wěn)定性較高，所以采用了三端固定式集成穩(wěn)壓電路(78H05)；由于測量電路和頻率/電壓轉(zhuǎn)換器對電源要求不太高，所以分別采用穩(wěn)壓管給它們供電；由于A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓（REF+）對電源要求非常高，所以采用精密基準(zhǔn)電壓源（LM336-5.0V）供電。
3 濕度檢測和傳送電路的設(shè)計
濕度檢測和傳送電路的作用是將被檢測出的濕敏元件參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化成電壓變化使其能滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的要求。該部分電路由自激多諧振蕩器、脈寬調(diào)制電路和頻率/電壓轉(zhuǎn)換器LM2917電路組成。
LM2917是一種單片集成頻率/電壓轉(zhuǎn)換器，芯片中包含了一個高增益的運(yùn)算放大器/比較器，內(nèi)含的轉(zhuǎn)速計使用充電泵技術(shù)，對低紋波具有頻率倍增功能。雖然如果對頻率量f直接由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行頻率檢測，而省去f/v轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換是可行的。但對于電容放大后，使得7555時基IC的輸出頻率在6～4.48kHz，總有一基值頻率為4kHz，使得直接測頻計數(shù)的有效位減少。再者電容放大器又存在溫漂問題使得頻率值有所波動。造成測量誤差而影響精度。因此本檢測系統(tǒng)還是選用了f/v轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換電路。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
濕度檢測系統(tǒng)是一個智能化的系統(tǒng)，它的軟件所完成的功能主要包括：
② 顯示：單片機(jī)AT89C51把采樣來的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波、二—十進(jìn)制轉(zhuǎn)換并以十進(jìn)制4位精度顯示的程序。
③ 通信：單片機(jī)AT89C51能夠把顯示的數(shù)據(jù)通過串行通信口傳送到管理級的上位IBM-PC機(jī)，然后上位機(jī)把接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
5 結(jié)論
本系統(tǒng)采用了高精度的電容式相對濕度傳感器，在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時，濕度測量范圍為0～100%RH。系統(tǒng)還充分利用了AT89C51單片機(jī)自身的軟硬件資源，具有智能化、可編程、小型便攜等優(yōu)點(diǎn)，因此只要選用不同的濕度傳感器，并修改相應(yīng)的軟件控制程序，本檢測系統(tǒng)就可應(yīng)用在環(huán)境保護(hù)、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及軍事等方面，可見其具有非常廣泛的應(yīng)用前景。由于該系統(tǒng)主要是濕度的檢測而涉及濕度的控制比較少，所以在控制方面有待進(jìn)一步研究。
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