毕业论文基于51单片机的环境监测系统.docx
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毕业论文基于51单片机的环境监测系统
摘要
21世纪是信息化时代，电子产品如雨后春笋般迅猛发展，电子测量设备也逐渐丰富起来。
模拟产品逐渐被数字化产品取代，并且使用变得越来越方便。
虽然现今市面上有很多环境测试仪，但针对人们学习生活需要的环境测试仪却很少，因此设计出一个简单实用的环境测试仪是很有意义的。
本环境测试仪由温度采集电路，湿度采集电路，光强度采集电路，多路开关电路，A/D转换电路，LCD动态显示电路，时钟电路，复位电路及处理器单片机组成，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，设计了以8051基本系统为核心的一套检测系统，系统由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。
（一）信号采集由AD590、HM1500、GL5537及多路开关CD4051组成；
（二）信号分析由A/D转换器MC14433、ADC0804、单片机8051基本系统组成；
（三）信号处理由LCD12864显示等组成
通过硬件的焊接、静态和动态调试和程序的编写和修改，作品最终很好地实现了实验任务和要求。
关键词：
单片机8051；A\D转换；采集；12864显示
1.课题的任务与要求
1.1任务..........................................................3
1.2任务目标......................................................3
1.3课题要求......................................................3
2.系统概述
2.1方案的比较和论证..............................................................................................4
.1温度传感器的选择...................................................................................4
2.1.2湿度传感器的选择................................................................................5
2.1.3光电传感器的选择....................................................................................6
.4信号采集通道的选择................................................................................7
3.系统的总体设计
3.温度采集电路设计.....................................................................................8
3.湿度采集电路设计.................................................................................10
3.1.3光电采集电路设计....................................................................................12
3.多路开关电路设计..............................................................................13
3.2.1A\D转换.....................................................................................................13
3.2.2单片机MCS-51.....................................................................................14
3.3显示............................................................................................................18
4.程序及设计...................................................................................................19
5.参考文献..........................................................................................................24
第一部分课题的任务和要求
:
设计出一个简单实用的环境测试仪。
1、巩固所学的知识，学会通过各种途径查找资料；
2、理论知识联系实际，解决实际问题；
3、通过实物制作，掌握相关芯片的功能，锻炼动手能力及分析思考能力。
本设计利用MCS-51系列单片机，配合传感器，设计出一款人性化环境测试仪，可以检测周围环境的温度、湿度和光线强弱，通过LCD以简单直观的方式显示出来。
温度、湿度和光线强弱依次轮流显示（每5秒左右刷新一次）或同时显示，测量的误差不超过1%。
第二部分系统概述
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。
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±℃+0.002|t|），B级为±℃+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±℃。
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。
2.1.2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。
方案一：
采用光敏电阻、二极管和555定时器构成多谐振荡电路，利用多谐振荡电路的两个暂稳态输出由此产生矩形波脉冲信号。
而光敏电阻阻值会随着光照强度的变化而发生变化，进而使得多谐振荡电路的周期变化，其输出波形频率也随之改变。
将其输出模拟信号波形输入到一个简易数字式频率计通过两位数码管显示出来，数字式频率计主要由时基电路、闸门电路计数器、锁存器、译码显示电路和逻辑控制电路组成。
本方案采用性能稳定且便宜的光敏电阻作为光照传感器，通过光敏电阻值变化影响多谐振荡电路的周期而检测光强，性能较稳定一些，灵敏度也较高，但是电路结构比较复杂，所用元器件种类较多，实现和调试工作会比较困难，造价也较高，虽然能满足稳定性和灵敏度的要求，但不宜采用。
方案二：
采用三路光敏电阻支路并联检测光照强度，通过每一路可以得到一个模拟采样电压，将这三路电压通过CD4051单8通道数字控制模拟电子开关循环输入到模数转换器ADC0804将模拟信号转换为数字信号，将数字信号通过通信模块输送给MCS-51单片机，通过比较后得出最大值，将最大值输出并利用LCD显示出来。
对于光强的方位，则通过控制LCD的显示出来。
至此，可以将光照的强度以及光照的方位通过LCD显示出来，完成了本设计选题的任务及要求。
本方案采用性能稳定且便宜的光敏电阻作为光照传感器，MCS-51单片机作为主控制器。
性能稳定，抗干扰能力强，不易受外界环境温度等因素影响，灵敏度也较高，但是由于光照传感器采用光敏电阻且为三条支路并联采集模拟电压信号，会存在一定的误差。
总体上来说，本方案电路结构简单、所用元器件供给充足、成本造价低、性能稳定且误差范围也在设计选题的要求之内，能在简单低成本的基础上很好的完成设计选题的任务，故实验中采用本方案。
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
第三部分系统总体设计
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8051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MCS-51（8051）基本系统组成；
（三）信号处理由串行口LCD显示。
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。
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±℃。
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。
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。
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行湿度测量的。
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。
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
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
3.1.3光电采集
（1）用途:
根据光电控制的原理,随着外界光线的变化,对产品的工作状态进行自动控制.
（2）性能:
A环氧树脂B反应速度快
C灵敏度高D体积小E可靠性好F光谱特性好
（3）型号:
GL5537-1
（4）主材组成：
CdSCdSe环氧树脂陶瓷基片镀锡铜线2电气特性产品型号Partno
亮电阻LightResistance10Lux（KΩ）2856k
暗电阻DarkResistance最小值（MΩ）
Y10Gamma最小值
最大功耗PowerDissispstion25℃（mW）
最大电压ImpressedVoltageDC（V）
温度Tamp（℃）
工作Operation
存储Storage
GL5537-1
120-300
2
0.6
100
150
-30~+70
-30~+80
多路开关
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
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
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。
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。
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
MC14433与8051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8051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8051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8051单片机P1口直接相连的硬件接口
3.2.2单片机MCS51
为了设计此系统，我们采用了8051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。
3.2.2.18051的引脚图
3-158051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8051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8051正常工作。
在掉电时，此引脚接备用电源VDD，以保持RAM数据不丢失，当BVCC低于规定的值时，而VPD在其规定的电压范围内时，VPD就向内部数据存
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