基于51单片机的湿度控制器.docx
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基于51单片机的湿度控制器
河南工业职业技术学院
HenanPolytechnicInstitute
毕业设计〔论文〕
题目湿度控制器
班级
姓名
指导教师
任务书
1、设计一种能够检测农村塑料大棚内控制湿度的控制器。
2．电路要求能够对当空气湿度到达一定的数值时，能发出报警或者自动调节空气湿度。
。
3．要求用PROTEL或者DXP画出完整的电路构造。
（不要求画PCB电路图。
）
4．要求尽量用PROTEL或者DXP进展仿真，并画出仿真结果。
5.写出详细毕业设计说明书。
包括设计任务书、摘要、前言、目录、正文〔含需求分析、总体设计、电路选择设计、模块设计、仿真测试等〕、电路参数、完毕语、参考文献等，要求10000字以上。
指导教师〔签字〕：
第一章绪论
1.1选题背景
通风和温度是大棚日常工作的重要内容，是衡量大棚管理质量的重要指标。
它直接影响到农作物生长。
为保证日常工作的顺利进展，首要问题是加强大棚温度与湿度的监测工作。
但传统的方法是用与湿度表和湿度试纸等测试器材，通过人工进展检测，对不符合温度和湿度要求的大棚进展通风、降温等工作。
这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。
1.2设计过程及工艺要求
一、根本功能
~检测温度、湿度
~显示温度、湿度
~过限报警
二.主要技术参数
~温度检测X围：
-30℃-+50℃
~测量精度：
0.5℃
~湿度检测X围：
10%-100%RH
~检测精度：
1%RH
~显示方式：
温度：
四位显示湿度：
四位显示
~报警方式：
三极管驱动的蜂鸣音报警
第二章方案的比拟和论证
当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。
对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。
传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进展准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最正确状态，从而保证生产的高效率和高质量。
2.1湿度传感器的选择
测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
方案一：
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50HZ～1KHZ，测量湿度X围为0～100%RH，工作温度X围为0～50℃，阻抗在75%RH〔25℃〕时为1MΩ。
这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带X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。
然而，这种传感器只限于一定X围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。
方案二：
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。
不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物构造，由顶端接触〔HS1100〕和侧面接触〔HS1101〕两种封装产品，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。
相对湿度在1%---100%RHX围内；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0.04pF/℃。
可见精度是较高的。
综合比拟方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度X围的要求，但其只限于一定X围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。
而且还不具备在本设计系统中对温度5～28℃的要求，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。
2.2信号采集通道的选择
在本设计系统中，温度输入信号为8路的模拟信号，这就需要多通道构造。
方案一、采用多路并行模拟量输入通道。
这种构造的模拟量通道特点为：
（1）可以根据各输入量测量的饿要求选择不同性能档次的器件。
总体本钱可以作得较低。
（2）硬件复杂，故障率高。
（3）软件简单，各通道可以独立编程。
方案二、采用多路分时的模拟量输入通道。
这种构造的模拟量通道特点为：
（1）对ADC、S/H要求高。
（2）处理速度慢。
（3）硬件简单，本钱低。
（4）软件比拟复杂。
综合比拟方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于模拟量输入的要求，比拟其框图，方案二更具备硬件简单的突出优点，所以选择方案二作为信号的输入通道。
图2-1多路并行模拟量输入通道
图2-2多路分时的模拟量输入通道
第三章系统总体设计
本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，我设计了以8031根本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等局部的设计。
图3-1系统总体框图
本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个局部组成的。
〔一〕信号采集由AD590、HS1100及多路开关CD4051组成；
〔二〕信号分析由A/D转换器MC14433、单片机8031根本系统组成；
〔三〕信号处理由串行口LED显示器和报警系统等组成。
3.1信号采集
3.1.1湿度传感器
测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进展湿度测量的。
下面介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其应用。
一、特点
不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物构造，由顶端接触〔HS1100〕和侧面接触〔HS1101〕两种封装产品，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。
图3-7a为湿敏电容工作的温、湿度X围。
图3-7b为湿度-电容响应曲线。
图3-7a、湿敏电容工作的温、湿度X围
图3-7b、湿度-电容响应曲线
相对湿度在1%---100%RHX围内；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0.04pF/℃。
可见精度是较高的。
二、湿度测量电路
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。
如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于承受的信号，常有两种方法：
一是将该湿敏电容置于运方与租蓉组成的桥式振荡电路中，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3-7所示。
集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C，构成了对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C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比拟器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。
另外，R3是防止输出短路的保护电阻，R1用于平衡温度系数。
图3-7、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Vs通过R4、R2向C充电，经t充电时间后，Uc到达芯片内比拟器的高触发电平，约0.67Vs，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经t放电时间后，Uc下降到比拟器的低触发电平，约0.33Vs
此时输出，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
t充电=C〔R4+R2〕Ln2
t放电=CR2Ln2
因而，输出的方波频率为
f=1/（t放电+t充电）=1/[C〔R4+R2〕Ln2]
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3-1给出了其中的一组典型测试值。
表3-1、空气湿度与电压频率的典型值
三、多路检测信号的实现
本设计系统为八路的湿度信号采集，故采用CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图3-8所示
图3-8八路分时的模拟量信号采集电路硬件接口
3.1.2多路开关
多路开关，有称“多路模拟转换器〞。
多路开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输入端，并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出，实现有n线到一线的接通功能。
反之，当模拟信号有公共输出端输入时，作为信号别离器，实现了1线到n线的别离功能。
因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件。
在本设计中，由于采用了温湿度双量控制，所以在信号采集中将有两个模拟量被提取，这时选用多路开关就是很必要的。
我选用的是CD4051多路开关，它是一种单片、S、8通道开关。
该芯片由DTL/TTL-S电平转换器，带有制止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个S模拟开关TG组成。
CD4051的内部原理框图如图3-9所示。
图3-9、CD4051的内部原理框图
图中功能如下：
通道线IN/OUT〔4、2、5、1、12、15、14、13〕：
该组引脚作为输入时，可实现8选1功能，作为输出时，可实现1分8功能。
X〔3〕：
该引脚作为输出时，那么为公共输出端；作为输入时，那么为输入端。
A、B、C〔11、10、9〕：
地址引脚
INH〔6〕：
制止输入引脚。
假设INH为高电平，那么为制止各通道和输出端OUT/IN接至；假设INH为低电平，那么允许各通道按表3-2关系和输出段OUT/IN接通。
VDD〔16〕和VSS〔8〕：
VDD为正电源输入端，极限值为17V；VSS为负电源输入端，极限值为-17V。
VGG〔7〕；电平转换器电源，通常接+5V或-5V。
CD4051作为8选1功能时，假设A、B、C均为逻辑“0”〔INH=0〕，那么地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。
其它情况下，输出端OUT/IN输出端OUT/IN和各通道的接通关系如下
表3-2
输入状态
接通
通道
输入状态
接通
通道
INH
C
B
A
INH
C
B
A
0
0
0
0
0
0
1
0
1
5
0
0
0
1
1
0
1
1
0
6
0
0
1
0
2
0
1
1
1
7
0
0
1
1
3
1
x
x
x
均不显示
0
1
0
0
4
3.2信号分析与处理
3.2.1A/D转换
一．A/D转换器的特点
为了把温度、湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处理，本系统选用了双积分A/D转换器MC14433，它精度高，分辨率达1/1999。
由于MC14433只有一路输入，而本系统检测的多路温度与湿度信号输入，应选用多路选择电子开关，可输入多路模拟量。
MC14433A/D转换器
由于双积分方法二次积分时间比拟长，所以A/D转换速度慢，但精度可以做得比拟高；对周期信号变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也比拟好。
目前，国内外双积分A/D转换器集成电路芯片很多，大局部是用于数字测量仪器上。
常用的有3.5位双积分A/D装换器MC14433和4.5位双积分A/D转换器ICL7135
二．MC14433A/D转换器件简介
MC14433是三位半双积分型的A/D转换器，具有精度高，抗干扰性能好的优点，其缺点是转换速率低，约1—10次/秒。
在不要求高速转换的场合，例如，在低速数据采集系统中，被广泛采用。
MC14433A/D转换器与国内产品5G14433完全一样，可以互换。
MC14433A/D转换器的被转换电压量程为199.9mV或1.999V。
转换完的数据以BCD码的形式分四次送出〔最高位输出内容特殊，详见表3-3〕。
图3-10MC14433A/D转换器的内部逻辑框图
图3-11MC14433引脚图
MC14433的框图〔图3-10〕和引脚〔图3-11〕功能说明
各引脚的功能如下：
电源及共地端
VDD：
主工作电源+5V。
VEE:
模拟局部的负电源端，接-5V。
VAG：
模拟地端。
VSS：
数字地端。
VR：
基准电压。
外界电阻及电容端
RI：
积分电阻输入端，VX=2V时，R1=470Ω；VX=200Mv时，R1=27KΩ。
C1：
积分电容输入端。
C1一般为0.1µF。
C01、C02：
外界补偿电容端，电容取值约0.1µF。
R1/C1：
R1与C1的公共端。
CLKI、CLKO：
外界振荡器时钟调节电阻Rc，Rc一般取470KΩ左右。
转换启动/完毕信号端
EOC：
转换完毕信号输出端，正脉冲有效。
DU：
启动新的转换，假设DU与EOC相连，每当A/D转换完毕后，自动启动新的转换。
过量程信号输出端
/OR：
当|Vx|›VR，过量程/OR输出低电平。
位选通控制线
DS4----DS1：
选择个、十、百、千位，正脉冲有效。
DS1对应千位，DS4对应个位。
每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。
图3-12MC14433选通脉冲时序图
BCD码输出线
Q0---Q3：
BCD码输出线。
其中Q0为最低位，Q3为最高位。
当DS2、DS3和DS4选通期间，输出三位完整的BCD码数，但在DS1选通期间，输出端Q0-------Q3除了表示个位的0或1外，还表示了转化值的正负极性和欠量程还是过量程其含意见表3-3
表3-3、DS1选通时Q3～Q0表示的结果
由表可知Q3表示1/2位，Q3=“0〞对应1，反之对应0。
Q2表示极性，Q2=“1”为正极性，反之为负极性。
Q0=“1”表示超量程：
当Q3=“0”时，表示过量程；当Q3=“1”时，表示欠量程；
一．MC14433与8031单片机的接口设计
由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码，Q0～Q3HEDS1～DS4都不是总线式的。
因此，MCS-51单片机只能通过并行I/O接口或扩展I/O接口与其相连。
对于8031单片机的应用系统来说，MC14433可以直接和其P1口或扩展I/O口8155/8255相连。
下面是MC14433与8031单片机P1口直接相连的硬件接口，接口电路如图3-13所示
图3-13MC14433与8031单片机P1口直接相连的硬件接口
3.2.2单片机8031
为了设计此系统，我们采用了8031单片机作为控制芯片，在前向通道中是一个非电信号的电量采集过程。
它由传感器采集非电信号，从传感器出来经过功率放大过程，使信号放大，再经过模/数转换成为计算机能识别的数字信号，再送入计算机系统的相应端口。
由于8031中无片内ROM，且数据存储器也不能满足要求，，经扩展2762和6264来到达存储器的要求，其结果通过显示器来进展显示输出。
〔1〕8031的片内构造
8031是有8个部件组成，即CPU，时钟电路，数据存储器，并行口〔P0～P3〕串行口，定时计数器和中断系统，它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上，即组成了单片微型计算机，
8031就是MCS-51系列单片机中的一种。
图3-148031根本组成
CPU中央处理器：
中央处理器是8031的核心，它的功能是产生控制信号，把数据从存储器或输入口送到CPU或CPU数据写入存储器或送到输出端口。
还可以对数据进展逻辑和算术的运算。
时钟电路：
8031内部有一个频率最大为12MHZ的时钟电路，它为单片机产生时钟序列，需要外接石英晶体做振荡器和微调电容。
内存：
内部存储器可分做程序存储器和数据存储器，但在8031中无片内程序存储器。
定时/计数器：
8031有两个16位的定时/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式，但只能用其中的一个功能，以定时或计数结果对计算机进展控制。
并行I/O口：
MCS-51有四个8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以实现数据的并行输出。
串行口：
它有一个全双工的串行口，它可以实现计算机间或单片机同其它外设之间的通信，该并行口功能较强，可以做为全双工异步通讯的收发器也可以作为同步移位器用。
中断控制系统：
8031有五个中断源，既外部中断两个，定时计数中断两个，串行中断一个，全部的中断分为高和低的两个输出级。
〔2〕8031的引脚图
3-158031引脚图
8031的制作工艺为HMOS，采用40管脚双列直插DIP封装，引脚说明如下：
VCC〔40引脚〕正常运行时提供电源。
VSS〔20引脚〕接地。
XTAL1〔19引脚〕在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的震荡器，可以提供单片机的时钟信号，该引脚也是可以接外部的晶振的一个引脚，如采用外部振荡器时，对于8031而言此引脚应该接地。
XTAL2〔18引脚〕在内部，接至上述振荡器的反向输入端，当采用外部振荡器时，对MCS51系列该引脚接收外部震荡信号，即把该信号直接接到内部时钟的输入端。
RST/VPD〔9引脚〕在振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的电平将单片机复位，复位后应使此引脚电平保持不高于0.5V的低电平以保证8031正常工作。
在掉电时，此引脚接备用电源VDD，以保持RAM数据不丧失，当BVCC低于规定的值时，而VPD在其规定的电压X围内时，VPD就向内部数据存储器提供备用电源。
ALE/PROG〔30引脚〕当8031外部存储器时，包括数据存储器和程序存储器，ALE9地址锁存允许0输入的脉冲的下沿用于锁存16位地址的低8位，在不外部存储器的时候，ALE仍有两个周期的正脉冲输出，其频率为振荡器的频率的1/6，在外存储器的是候，在两个周期中，ALE只出现一次，ALE断可驱动8个LSTTL负载，对于有片内EPROM的而言，在EPROM编程期间，此脚用于输入编程脉冲PROG。
〔29引脚〕此脚输出为单片机内外部程序存储器的读选通信号，在读取外部指令期间，PSEN非有两次在每个周期有效，在此期间，每当外部存储器时，两个有效的PSEN非将不再出现，同样这个引脚可驱动8个LSTTL负载。
/VPP〔31引脚〕当
保持高电平时，单片机内部存储器，当PC值超过0FFFH时，将自动转向片外存储器。
当
保持低电平时，那么只外部程序存储器，对8031而言，此脚必须接地。
P0，P1，P2，P3：
8031有四个并行口，在这四个并行口中，可以在任何一个输出数据，又可以从它们那得到数据，故它们都是双向的，每一个I/O口内部都有一个8位数据输出锁存器和一个8位数据输入缓冲器，各成为SFR中的一个，因此CPU数据从并行I/O口输出时可以得到锁存，数据输入时可以得到缓冲，但他们在功能和用途上的差异很大，P0和P2口内部均有个受控制器控制的二选一选择电路，故它们除可以用做通用I/O口以外还具有特殊的功能，P0口通常用做通用I/O口为CPU传送数据，P2口除了可以用做通用口以外，还具有第一功能，除P0口以外其余三个都是准双向口。
8031有一个全双工串行口，这个串行口既可以在程序下把CPU的8位并行数据变成串行数据一位一位的从发送数据线发送出去，也可以把串行数据承受进来变成并行数据给CPU，而且这种串行发送和接收可以单独进展也可以同时进展。
8031的串行发送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3.1做串行数据接收线，串行接口的电路构造还包括了串行口控制存放器SCON，电源及波特率选择存放器PCON和串行缓冲存放器SBUF，他们都属于SFR，PCON和SCON用于设置串行口工作方式和确定数据发送和接收，SBUF用于存放欲发送的数据起到缓冲的作用。
〔3〕8031程序存储器
MCS-51系列单片机的内部ROM是不同的，8051有4K的ROM，而8751那么是4K光可擦写EPROM，而我们所采用的8031那么没有片内的ROM，但是无论那种型号的芯片都可以在片外扩展多达64K的片外程序存储器，外部程序存储器扩展的大小以满足系统要求即可，或有特殊要求或为了以后升级方便采用大容量的片外程序存储器。
当外接程序存储器的时候，单片机通过P2口和P0口输出16位的地址，即可寻址的外部程序存储器单元的地址，使用ALE作为低8位地址锁存器信号，再由P0口读回指令的代码，用PSEN非作为外部程序存储器的选通信号。
单片机有一个程序计数器PC，它始终存着CPU要读取的机器码的所在地址，单片机工作时，PC自动加一，此时程序开场顺序执行，因为单片机程序空间是64K，故需要16条地址线，当
接“0〞那么8031在片外程序存储器中读取指令，此时片外程序存储器从0000H开场编址，因为8031无片内程序存储器，故在此系统中
必须接地使CPU到外部ROM中去寻址。
在程序存储器中有六个单元有特定的含义：
0000H单元：
单片机复位后，PC=0000H即从此处开场执行指令。
0003H单元：
外部中断0入口地址。
000BH单元：
定时器0溢出中断入口地址。
0013H单元：
外部中断1入口地址。
001BH单元：
定时器溢出中断入口地址。
0023H单元：
串行口中断入口地址。
使用时常在这些入口外安放一条绝对跳转指令，使程序跳转到拥护安排的中断处理程序的起始地址，或从0000H外执行一跳转指令，跳转到用户设计的初始程序入口。
〔4〕8031数据存储器
数据存储器用于存放运算中间的结果、数据暂存、缓冲、标志位、待测程序等功能。
片内的128B的RAM地址为00H～7FH，供用户做RAM用，但是在这中间的前32单元，00H～1FH即引用地址寻址做用户RAM用，常常做工作存放器区，分做四组，每组由8个单元组成通用存放器R0～R7，任何时候都由其中一组作为当前工作存放器，通过RS0，RS1的内容来决定选择哪一个工作存放器。
低128字节中的20H～2FH共16字节可用位寻址方式各位，共128个位地址，30H～7FH共80个单元为用户RAM区，作堆栈或数据缓冲用，片内RAM不够用时，须扩展片外数据存储器。
此时单片机通过P2口和P0口选出6位地址，使用ALE作低8位的锁存信号，再由P0口写入或读出数据。
写时用
，读时用
做外部数据存储器的选通信号
〔5〕特殊功能存放器SFR
8031有21个专用存放器，他们是用来管理CPU和I/O口以及内部逻辑部件的，在指令中专用存放器是以存储单元方式被读写的，专用存放器虽有名称，但寻址时都做专用存放器用，它们的地址是与片内RAM的地址相连的。
下面就专用存放器作以简单的介绍：
累加器A：
在绝大多数情况下它参与运算的一方并存放运算的结果。
存放器B：
进展乘除运算时，存放器B有特定的用途，在乘时存放一个乘数以及积的最高位，A中存放另一个乘数以及积的低位。
除法时，B中存放除数及余数，而在A中存放被除数和商，其他情况可作为普通存放器用。
堆栈指针SP：
在子程序调用或中断时，用来暂存数据和地址，它按先进后出的原那么存储数据，它是一个八位存放器它指出堆栈
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