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仓库温湿度的监测系统

第一章绪论

1.1选题背景

防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。

它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。

为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。

但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。

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、基本功能

~检测温度、湿度

~显示温度、湿度

~过限报警

二、主要技术参数

~温度检测范围：

-30℃-+50℃

~测量精度：

0.5℃

~湿度检测范围：

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

第二章方案的比较和论证

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行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佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

2.1温度传感器的选择

方案一：

采用热电阻温度传感器。

热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。

缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。

按IEC标准测温范围-200～650℃，XX电阻比W（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±（0.15℃+0.002|t|），B级为±（0.3℃+0.005|t|）。

铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。

在工业中用于-50～180℃测温。

方案二：

采用AD590，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。

M档在测温范围内非线形误差为±0.3℃。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。

使用可靠。

它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，借口也很简单。

作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。

AD590的测量信号可远传百余米。

综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。

2.2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。

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行湿度测量的。

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，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为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，不能在宽频带范围内检测湿度，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范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结构，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%RH范围内；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。

综合比较方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范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-30～50℃的要求，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。

2.3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，这就需要多通道结构。

方案一、采用多路并行模拟量输入通道。

这种结构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。

总体成本可以作得较低。

（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。

这种结构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，成本低。

（4）软件比较复杂。

综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于模拟量输入的要求，比较其框图，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基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、系统软件等部分的设计。

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部分组成的。

（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基本系统组成；

（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温度传感器

集成温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。

一．主要特性

AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。

根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。

AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图3-2所示，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V＋；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。

集成温度传感器的电路符号如图3-2所示。

图3-2AD590外形（图1）及电路符号（图2）

1、流过器件的电流（μA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：

IT/T=1μA/K

式中：

IT——流过器件（AD590）的电流，单位μA。

T——热力学温度，单位K。

2、AD590的测温范围-55℃-+150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V-30V。

电源电压可在4V-6V范围变化，电流IT变化1μA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。

4、输出电阻为710MΩ。

5、精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线形误差±0.3℃。

2AD590的工作原理

　　在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV／K的电压信号。

其基本电路如图3-3所示。

图3-3AD590内部核心电路

　　图3-3是利用ΔUBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。

其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。

T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔUBE。

因此，电流I1为：

I1＝ΔUBE／R＝（KT／q）（lnn）／R

　　对于AD590，n＝8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。

由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。

图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA／K的I值。

图3-4AD590内部电路

　　图3-4所示是AD590的内部电路，图中的T1～T4相当于图3-3中的T1、T2，而T9，T11相当于图3-3中的T3、T4。

R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。

T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。

T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。

　　T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。

R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。

T1～T4是为热效应而设计的连接防式。

而C1和R4则可用来防止寄生振荡。

该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1／3。

T9和T11的发射结面积比为8：

1，T10和T11的发射结面积相等。

　　T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：

ΔUBE＝（R6－2R5）I／3

　　R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2／3。

　　根据上式不难看出，要想改变ΔUBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使ΔUBE减小，不过，改变R5对ΔUBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。

实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250℃之下使总电流I达到1μA／K。

二．基本应用电路

图3-8是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。

因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压V0随温度的变化为1mV/K。

但由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电路进行调整，调整的方法为：

把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。

但这样调整只保证在0℃或25℃附近有较高的精度。

图3-5　AD590应用电路

三．摄氏温度测量电路

如图3-5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。

四.多路检测信号的实现

本设计系统为八路的温度信号采集，而MC14433仅为一路输入，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3-6所示

图3-6八路分时的模拟量信号采集电路硬件接口

3.1.2湿度传感器

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行湿度测量的。

下面介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其应用。

一、特点

图3-7a为湿敏电容工作的温、湿度范围。

图3-7b为湿度-电容响应曲线。

图3-7a、湿敏电容工作的温、湿度范围图3-7b、湿度-电容响应曲线。

相对湿度在1%---100%RH范围内；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接受的信号，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较器，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达到芯片内比较器的高触发电平，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下降到比较器的低触发电平，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

3．1．3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，作为信号分离器，实现了1线到n线的分离功能。

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、COMS、8通道开关。

该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS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。

XCOM（3）：

该引脚作为输出时，则为公共输出端；作为输入时，则为输入端。

A、B、C（11、10、9）：

地址引脚

INH（6）：

禁止输入引脚。

若INH为高电平，则为禁止各通道和输出端OUT/IN接至；若INH为低电平，则允许各通道按表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，若A、B、C均为逻辑“0”（INH=0），则地址码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

均不显示

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，故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较长，所以A/D转换速度慢，但精度可以做得比较高；对周期信号变化的干扰信号积分为零，抗干扰性能也比较好。

目前，国内外双积分A/D转换器集成电路芯片很多，大部分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完全相同，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:

模拟部分的负电源端，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/结束信号端

EOC：

转换结束信号输出端，正脉冲有效。

DU：

启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转换结束后，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来达到存储器的要求，其结果通过显示器来进行显示输出。

3.2.2.18031的片内结构

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基本组成

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。

还可以对数据进行逻辑和算术的运算。

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行控制。

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。

3.2.2.28031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

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