基于A(yíng)T89C51的濕度檢測系統設計與研究

　　摘要：人工氣候室是在環(huán)境試驗、科學(xué)研究（諸如種養殖、植保、組培、生物工程）等領(lǐng)域應用廣泛的實(shí)驗設備。它能模擬自然界的各種氣象條件，按照實(shí)驗要求精確控制室內的溫度、濕度、光照以及CO2等指標，復現各種氣候環(huán)境。為研究不同物種的生長(cháng)、發(fā)育、生理、生化過(guò)程創(chuàng )造了環(huán)境條件。因此，人工氣候室廣泛應用在科研、現代農業(yè)、醫藥、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(gè)人工環(huán)境?？諝馕廴?，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，可以導致神經(jīng)衰弱；溫度過(guò)熱、過(guò)冷，導致人的不適，耗費電能；空氣過(guò)濕，將使人們感到沉悶和窒息；空氣過(guò)燥，又會(huì )使人的口腔感到不適，甚至可能發(fā)生咽喉炎等疾病。如果能系統自動(dòng)控制這個(gè)最常見(jiàn)的空間，人的生活將更舒適。所以說(shuō)，這是一個(gè)很有發(fā)展前途的課題，國內外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)系統的研制[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(wú)線(xiàn)

　　本系統通過(guò)單片機AT89C51[1]及其各種接口電路來(lái)實(shí)現濕度的檢測。其工作原理是:電容式相對濕度傳感器的容值隨著(zhù)濕度的變化而線(xiàn)性的變化，通過(guò)信號檢測和轉換電路將變化的電容轉換成與之對應的變化的電壓，再由A/D轉換器把模擬電壓信號轉換為數字信號并送入到單片機中，單片機對采集到的信號進(jìn)行濾波處理并通過(guò)查表得到實(shí)際測量的濕度值，之后通過(guò)單片機的各外部接口電路顯示該濕度值，或通過(guò)其與上位機的接口把此值送入到上位機進(jìn)行保存及打印等操作。

　　2系統的硬件構成及功能設計

　　本系統的濕度傳感器采用高精度的HS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、響應時(shí)間快、線(xiàn)性度好、溫度系數小、可靠性高和穩定性好。在相對濕度為0％~100％RH范圍內，電容量由162pF變到200pF時(shí)，其誤差不大于±2％RH，而且響應時(shí)間小于5s，溫度系數為0.04pF/℃，可見(jiàn)該濕度傳感器受溫度的影響是很小的。為了保存數據的原始記錄，

　　AT89C51單片機作為檢測儀的核心部分。主要負責將A/D轉換模塊采集到的數據進(jìn)行處理并送至LED顯示模塊實(shí)時(shí)顯示；響應鍵盤(pán)輸入，查看或修改用戶(hù)設定的濕度上限值。文獻[4]采用DSP實(shí)現了溫濕度控制器的設計，但是由于DSP的價(jià)格較高，不宜應用在各種場(chǎng)合中。

　　2.1A/D轉換

　　A/D轉換電路負責把模擬電壓信號轉換為數字信號，本系統采用了以10位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近A/D轉換器為基礎而構造的CMOSA/D轉換器TLC1549,它具有片內采樣-保持電路，還有差分高阻抗基準電壓輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉換范圍，總不可調整誤差達到±1LSBMax（4.8mV）等特點(diǎn)。它通過(guò)一個(gè)三態(tài)輸出端（DATAOUT）和2個(gè)輸入端（包括I/OCLOCK（I/O時(shí)鐘）和CS（片選））與AT89C51的P10～P12接口相連，這樣不僅簡(jiǎn)化系統的設計，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(mén)狗復位

　　看門(mén)狗復位電路選用X芯片。它集斷電數據保存功能、看門(mén)狗功能、上電掉電復位功能、電源電壓監控功能于一身，這種組合大大簡(jiǎn)化了硬件設計，降低了成本和系統功耗。當系統故障時(shí)，在選定的超時(shí)時(shí)間之后，X的看門(mén)狗將以RESET信號作為響應，利用X低VCC檢測電路，可以保護系統使之免受低電壓的影響；當VCC降到最小VCC轉換點(diǎn)以下時(shí)，系統復位一直到VCC返回規定值且穩定為止。

　　2.3串口通信

　　為了對采集到的數據進(jìn)行進(jìn)一步的處理，需要將數據從單片機傳送至計算機。AT89C51具有串行通訊接口（SCI）,SCI是為能與CRT終端及計算機等外設通訊的全雙工異步系統，本系統采用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TTL電平和RS-232C接口電平之間的轉換，也就是可以把5V電平表示為“1”，0V電平表示“0”的邏輯，轉換成－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機的串行口是RS-232C標準的接口，其輸入輸出在電平上和采用TTL電平的AT89C51在接口時(shí)會(huì )產(chǎn)生電平不同的問(wèn)題。因此PC機和AT89C51單片機串行通信便可以順利進(jìn)行。

　　2.4鍵盤(pán)控制

　　鍵盤(pán)電路是單片機應用系統最常用的人機接口電路，用它可以完成濕度值的設定、移位、加1、減1、清零、前翻頁(yè)、和后翻頁(yè)等功能。但它往往要占用較多的I/O端口。在本濕度檢測系統中，除了把一個(gè)獨立的按鍵用作開(kāi)始鍵外，利用了一種新型的鍵盤(pán)電路，它可以最大限度地減少鍵盤(pán)電路對I/O端口的占用。

　　這種電路可以使按鍵次數達到16個(gè)，其軟件處理使用了端口訪(fǎng)問(wèn)和掃描檢測兩種方法，同時(shí)由于采用了組合邏輯來(lái)直接對端口進(jìn)行讀取，因此極大地簡(jiǎn)化了程序的處理過(guò)程，同時(shí)也節省了寶貴的存儲器和CPU運算資源。

　　在本系統中，由于該濕度計還要進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)顯示，所以設計了LED顯示電路。該電路由三端可調集成穩壓器（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(yáng)極LED）和電阻構成。

　　該顯示控制電路中單片機串行口工作方式為0，即為8位移位寄存器，TXD為同步信號輸出端，RXD為串行數據輸出端，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(lái)驅動(dòng)LED顯示器。但是由于74LS164無(wú)并行輸出控制端，在串行輸入過(guò)程中，其輸出端的狀態(tài)會(huì )不斷變化，故在某些使用場(chǎng)合，在74LS164與輸出裝置之間還應加上可控的緩沖級（如三態(tài)緩沖器74LS244），以使串行輸入過(guò)程結束后再輸出。而這里是通過(guò)控制NPN晶體管的導通與截止和LM317，來(lái)控制顯示器（LED）共陽(yáng)極電位的高低，從而控制顯示器的亮暗，也就是在數據傳輸過(guò)程中顯示器暗、在數據傳輸結束時(shí)顯示器亮。由于74LS164在低電平輸出時(shí)，允許通過(guò)的電流可達8mA，故不需要再加驅動(dòng)電路。通過(guò)電位器RP2調整腳2的輸出電壓，可使LED的顯示亮度均勻在線(xiàn)可調，而且可以節約大量限流電阻。

　　2.6時(shí)鐘控制

　　系統時(shí)鐘由實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘芯片PCF8563提供，該芯片是一款工業(yè)級內含I2C總線(xiàn)接口功能的具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片。PCF8563的多種報警功能、定時(shí)器功能、時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復雜的定時(shí)服務(wù)。內部時(shí)鐘電路內部振蕩電路內部低電壓檢測電路（1.0V）以及兩線(xiàn)制I2C總線(xiàn)通訊方式，不但使外圍電路及其簡(jiǎn)潔，而且也增加了芯片的可靠性。

　　為了使單片機在將濕度值提供給顯示器顯示的同時(shí)能將轉換后的數據存入外部數據區供批處理打印和主系統共享或以備傳輸和處理之用，在電路中還擴展了一片16K的ATMEL公司的E2PROM存儲卡——AT24C16。單片機將數據采集處理后，讀取PCF8563時(shí)間數據與采集到的數據一同存儲到AT24C16中。

　　2.7電源控制

　　電源電路是給電子設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的市電轉換成直流電。該部分電路由降壓、整流、濾波、穩壓四部分組成。

　　在設計穩壓部分時(shí)，根據電路對電源要求的不同而選擇不同的穩壓電路，由于A(yíng)/D轉換器（TLC1549）、看門(mén)狗定時(shí)器（X）、三端可調集成穩壓器（LM317）、單片機（AT89C51）要求電源電壓的穩定性較高，所以采用了三端固定式集成穩壓電路(78H05)；由于測量電路和頻率/電壓轉換器對電源要求不太高，所以分別采用穩壓管給它們供電；由于A(yíng)/D轉換器的基準電壓（REF+）對電源要求非常高，所以采用精密基準電壓源（LM336-5.0V）供電。

　　3濕度檢測和傳送電路的設計

　　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的變化轉化成電壓變化使其能滿(mǎn)足A/D轉換電路的要求。該部分電路由自激多諧振蕩器、脈寬調制電路和頻率/電壓轉換器LM2917電路組成。

　　LM2917是一種單片集成頻率/電壓轉換器，芯片中包含了一個(gè)高增益的運算放大器/比較器，內含的轉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直接由單片機系統進(jìn)行頻率檢測，而省去f/v轉換和A/D轉換是可行的。但對于電容放大后，使得7555時(shí)基IC的輸出頻率在6～4.48kHz，總有一基值頻率為4kHz，使得直接測頻計數的有效位減少。再者電容放大器又存在溫漂問(wèn)題使得頻率值有所波動(dòng)。造成測量誤差而影響精度。因此本檢測系統還是選用了f/v轉換和A/D轉換電路。

　　4系統軟件設計

　　濕度檢測系統是一個(gè)智能化的系統，它的軟件所完成的功能主要包括：

　?、俨蓸樱?jiǎn)纹瑱CAT89C51能夠控制TLC1549正常工作采樣的采樣程序。

　?、陲@示：?jiǎn)纹瑱CAT89C51把采樣來(lái)的數據經(jīng)過(guò)濾波、二—十進(jìn)制轉換并以十進(jìn)制4位精度顯示的程序。

　?、弁ㄐ牛?jiǎn)纹瑱CAT89C51能夠把顯示的數據通過(guò)串行通信口傳送到管理級的上位IBM-PC機，然后上位機把接收的數據進(jìn)行處理。

　　5結論

　　本系統采用了高精度的電容式相對濕度傳感器，在系統運行穩定時(shí)，濕度測量范圍為0～100%RH。系統還充分利用了AT89C51單片機自身的軟硬件資源，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，并修改相應的軟件控制程序，本檢測系統就可應用在環(huán)境保護、工業(yè)控制、農業(yè)生產(chǎn)以及軍事等方面，可見(jiàn)其具有非常廣泛的應用前景。由于該系統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。

　　參考文獻

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