湖南工业大学基于AT89C51单片机湿度检测系统的研究.doc
《湖南工业大学基于AT89C51单片机湿度检测系统的研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《湖南工业大学基于AT89C51单片机湿度检测系统的研究.doc（47页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
（2007届）
本科生毕业设计（论文）
基于AT89C51单片机湿度检测
系统的研究
学院、系：
电气与信息工程学院
专业：
电子信息工程
学生姓名：
关盟
班级：
电信032
学号0340120202
指导教师姓名：
李圣清
职称教授
周汝
职称助教
最终评定成绩
2007年6月
湖南工业大学本科生毕业设计（论文）
基于AT89C51单片机湿度检测系统的研究
院（系）：
电气与信息工程学院
专业：
电子信息工程
学号：
0340120202
学生姓名：
关盟
指导教师：
李圣清教授
周汝助教
2007年6月
湖南工业大学本科生毕业设计（论文）
摘要
湿度检测在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。
利用单片机技术的湿度检测系统以其体积小，可靠性高而被广泛采用。
本文对湿度检测系统进行了分析设计。
首先，对湿度检测技术的应用领域和发展状况做了简单的介绍，同时，列举了目前湿度检测所常用方法以及各自所具有的特点。
本文重点在于对该系统的硬件和软件设计。
在硬件设计过程中，详细介绍了各部分电路的功能和特点。
接下来，对系统中所用的湿度传感器HM1500和A/D转换芯片TLC1549作了简单的介绍。
在软件设计过程中，绘制了各个程序模块的流程图，详细介绍了各个模块的作用。
经过对程序反复的修改，完善了软件系统。
最后，完成了对整个系统的设计。
本系统具有灵敏度高、反映时间短等特点，并且具有智能化、可编程、小型便携等优点，相信本系统具有广泛的应用领域。
关键词：
单片机，湿度检测，硬件系统，软件系统
ABSTRACT
Thehumidityexaminationwhichiswidelyusedinindustry,agriculture,nationaldefenseandsoon.thehumidityexaminationwhichiswidelyusedbecausethatthesystemwhichusesmicrocontrollertechnologyisvolumesmallandreliability.Thisarticlehascarriedontheanalysisdesigntothehumidityexaminationsystem.First,theapplicationanddevelopmentconditionofthehumidityexaminationtechnologyismadeasimpleintroduction.Andthen,thehumidityexaminationofcommonlyusedmethodwhichhasenumeratedthecharacteristicaswellaseachone.Thepointofthearticleisthedesignofthehardwareandsoftware.Intheprocessofhardwaredesigning,thefunctionandthecharacteristicofeachpartofelectriccircuitswhichhasmadeasimpleintroductionindetail.Meanwhile,thehumiditysensorHM1500andthechipoftheA/DtransformationtothesysteminTLC1549havebeenmadethesimpleintroduction.Intheprocessofsoftwaredesigning,Ihavedrawnupeachprogrammoduleflowchart,andintroducedeachmodulefunctionindetail.Thentotheprocedurerepeatedlyrevision,ithasbeenconsummatedthesoftwaresystem.Finally,Ihascompletedtheoverallsystemdesigning.Thissystemhavethecharacteristicofsensitivityhighandthereflectiontimeisshort,andsoon.Ithastheintellectualization,andprogrammableandsmall,thentakesalongshort,andsoon.Itbelievedthatthissystemhasthewidespreadapplication.
Keywords：
MCU, humidityexamination，software system, hardware system
目录
第1章绪论 1
1.1湿度的基本概念 1
1.2湿度检测的应用领域 1
1.3常见的湿度检测方法及特点 2
1.4湿度测量技术的发展趋势 2
1.5本课题研究的主要内容和目标 3
第2章湿度检测系统的功能与硬件设计 4
2.1湿度检测方案的选择 4
2.2设计方案的确定 4
2.2.1处理器 5
2.2.2显示电路 5
2.2.3键盘电路 5
2.3湿度检测仪的主电路设计 5
2.3.1系统时钟电路设计 6
2.3.2系统复位电路的设计 6
2.3.3按键与按钮电路的设计 7
2.3.4系统的显示电路设计 8
2.3.5电源设计 9
2.3.6湿度检测传输及A/D转换电路 10
2.3.7硬件电路原理图 11
2.4器件的选择及说明 12
2.4.1AT89C51单片机简介 12
2.4.2湿度传感器HM1500 14
2.4.3A/D转换芯片TLC1549 15
第3章软件系统设计 17
3.1主程序 17
3.2系统各程序模块 18
3.2.1湿度测量采集子程序流程图 18
3.2.2键盘处理子程序流程图 19
3.2.3超湿报警子程序流程图 20
3.3系统抗干扰技术 21
3.3.1软件陷阱 21
3.3.2“看门狗”技术 22
结论 23
参考文献 24
致谢 25
附录1程序（部分） 26
附录2中英文对照 33
IV
第1章绪论
本章首先介绍了湿度这个物理量的基本知识，接下来介绍了湿度检测技术的应用领域，常见的湿度测量方法以及特点。
同时，对湿度传感器的目前的发展状况以及湿度检测技术的发展趋势进行了简单的分析。
最后，简单概括了本文所要做的工作内容。
1.1湿度的基本概念
湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量[1]，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。
所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。
绝对湿度一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为Ha＝mV/V，式中，Ha表示绝对湿度值，mV为待测空气中水蒸气质量，V为待测空气的总体积。
单位为g/。
相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压（）和同温度下饱和水蒸气的分压（）的百分比，即HT＝（/）T×100％RH。
通常，用RH％表示相对湿度。
当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。
日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。
温度高的气体，含水蒸气越多。
若将其气体冷却，即使其中所含水蒸气量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达100％，呈饱和状态，再冷却时，蒸气的一部分凝聚生成露，把这个温度称为露点温度。
1.2湿度检测的应用领域
人工气候室是在环境试验、科学研究（诸如种养殖、植保、组培、生物工程）等领域应用广泛的实验设备[1]。
它能模拟自然界的各种气象条件，按照实验要求精确控制室内的温度、湿度、光照以及CO2等指标，复现各种气候环境。
为研究不同物种的生长、发育、生理、生化过程创造了环境条件。
因此，人工气候室广泛应用在科研、现代农业、医药、冶金、化工、林业、环境科学及生物遗传工程等领域。
在人们的日常生活中，人们的居住空间也是一个人工环境。
空气污染，直接威胁人们的身体健康；噪音污染，影响人的情绪、工作、休息、饮食，可以导致神经衰弱；温度过热、过冷，导致人的不适，耗费电能；空气过湿，将使人们感到沉闷和窒息；空气过燥，又会使人的口腔感到不适，甚至可能发生咽喉炎等疾病。
如果自动控制这个最常见的空间，人的生活将更舒适。
所以说，这是一个很有发展前途的课题，国内外学者已经进行了相关的研究[2]。
本文也就其中最难测量的物理量——湿度进行研究。
1.3常见的湿度检测方法及特点
湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。
但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。
一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理—化学理论分析和计算[3]。
常见的湿度测量方法有：
动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和电子式传感器法。
（1）双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。
由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，主要作为标准计量之用，其测量精度可达到±2%RH以上，但是设备复杂，昂贵，运作费时费工。
（2）静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。
但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。
用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。
特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡6～8小时。
（3）露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。
计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。
但用现代光—电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。
（4）干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。
历史悠久，使用最普遍。
干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：
即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。
普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有5～7%RH,干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。
（5）电子式湿度传感器法。
电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业,近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。
1.4湿度测量技术的发展趋势
（1）广泛采用新技术、新工艺
随着科技的进步，许多新技术和新工艺被应用到湿度测量领域中[4]。
例如，瑞士Sensiron公司采用CMOSens（Ce-mo-Sens）专利技术为高精度湿度传感器系统设置精度。
其特征是将半导体芯片（CMOS）与传感器技术融合，为开发高集成度、智能化、高精度、高可靠性的湿度检测系统提供了解决方案。
该项技术亦称“Sensmitter”，它代表传感器（sensor）与变送器（transmitter）的有机结合。
尽管SHT11/15属于传感器范畴，但具有创新性的CMOSens技术使之兼有变送器的功能，便于实现系统集成。
Honeywell公司生产的HIH－3610型湿度传感器，能在高温，有化学液体或气体的环境下正常工作，例如可以测量含有氨、苯、甲醛等有害气体的鸡棚或猪舍中的相对湿度。
即使在饱和状态下，传感器也很容易从短期凝结中恢复过来。
HIH－3610芯片上有一层起保护作用的亚硝酸盐钝化层，在安装过程中不易损坏。
（2）提高测量精度和分辨力
目前，国内外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能湿度传感器，SHT11/15型智能化湿度传感器系统测量相对湿度的范围是0～100％，分辨力达0.03％RH，最高精度为±2％RH。
测量露点的精度＜±1℃。
在测量湿度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位。
利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗。
SHT11/15的产品互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，不需要外部元件，适配各种单片机，可广泛用于医疗设备及温度／湿度调节系统中。
（3）增加测试功能
新型智能湿度传感器的测试功能也在不断增强[5]。
例如，DS1629型单线智能湿度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。
DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的存储器，可存储用户的短信息。
另外，智能湿度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路湿度测控系统创造了良好条件。
1.5本课题研究的主要内容和目标
研究本系统包括两方面任务：
其一是对硬件系统的设计，保证系统的检测精度不小于±2％RH，响应时间小于5S，检测湿度范围为0％～100％RH等。
使其具有很强的实用性。
其二是软件系统的设计，使其实现报警显示等功能，保证系统的正常运行。
41
湖南工业大学本科生毕业设计（论文）
第2章湿度检测系统的功能与硬件设计
本章主要介绍了本湿度检测系统的检测方法的选择以及硬件设计两方面内容。
首先从整体上初步分析了系统的设计方法。
接下来，绘制了湿度检测系统的硬件框架图，根据该图进行各个模块的设计。
详细分析了各个模块的功能和作用，根据系统的硬件系统框架对各个部分进行设计，画出了系统硬件原理图。
最后介绍所用的芯片资料，简述了芯片的内部结构和工作原理。
2.1湿度检测方案的选择
现代湿度测量方法最主要的有两种：
一是干湿球测湿法，二是电子式湿度传感器测湿法[6]。
下面简单介绍一下干湿球湿度计的特点。
早在18世纪人类就发明了干湿球湿度计，干湿球湿度计的准确度取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：
只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。
干湿球湿度计的准确度只有5％～7％RH。
而且，干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。
干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。
接下来，简单介绍一下电子式湿度传感器的特点。
电子式湿度传感器的准确度可以达到2％～3％RH。
电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断。
湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。
所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。
而电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。
湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2％～3％RH。
通过上述两种湿度检测方法的分析，不难发现：
电子式传感器测湿法和干湿球测湿法相比具有精度高、操作简单、易于控制等特点。
另外，前者可外加单片机等控制器来构成一个智能检测系统，而后者不能直观准确的显示出湿度值，造成使用上的不方便。
因而本文采用电子式传感器测湿法进行系统设计。
2.2设计方案的确定
可以从以下几个方面来确定湿度检测仪的设计方案。
2.2.1处理器
采用ATMEL的AT89C51微处理器，是基于以下几个因素：
（1）89C51为51内核，仿真调试软硬件资源丰富；
（2）性价比高，货源充足；
（3）DIP封装，体积小，便于产品小型化；
（4）为程序存储介质，1000次以上擦/写周期，便于程序调试；
（5）具有两种节能模式：
闲置模式和掉电模式，便于进行低功耗设计；
（6）工作电压范围宽：
2.7～6V，便于交直流供电。
2.2.2显示电路
就显示而言，通常可采用液晶显示或数码管显示。
对于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，而且液晶显示作为一种被动显示，可视性相对比较差；对于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块（字符或点阵），一般多采用并行接口，对微处理器的接口要求较高，占用资源多。
另外AR89C51本身无专门的液晶驱动接口，因此，本系统采用数码管显示方式。
数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、价格便宜等特点，而且市场上也有专门的显示组合数码管。
2.2.3键盘电路
键盘是一组开关的集合，是最常用的输入设备之一，智能仪器在面板上均使用键盘输入取代各种传统的开关旋钮，因为键盘控制有简单可靠、经济、易于修改便于远程监控等特点。
在设计中为了精简系统，本系统只用了一个键，其作用主要就是用来清屏和刷新数据。
2.3湿度检测仪的主电路设计
湿度检测仪的主电路包括：
（1）系统时钟电路；
（2）系统复位电路；（3）按键电路；（4）显示电路；（5）电源控制电路；（6）湿度检测传输及A/D转换电路六部分组成。
其硬件系统框图如图2.1所示。
图2.1系统硬件框图
2.3.1系统时钟电路设计
系统时钟电路的设计如图2.2所示。
对于时间精度要求不是很高的系统，只要按图2.2进行设计就能使系统可靠起振并稳定运行，但是由于图中的C11、C12电容起着系统时钟频率调和稳定的作用，因此，在本系统的实际应用一定要注意选择参数为30pF，并保证电路具有良好的对称性。
同时，要保证其温度系数要尽可能的低。
实验证明，这两个电容元件对系统的检测误差有较大的关系。
图2.2系统时钟电路
2.3.2系统复位电路的设计
智能系统一般应有手动和上电复位电路。
复位电路的实现通常有两种实现方式：
即用RC电路和μP监控电路。
前者电路实现简单，成本低，但复位可靠性相对较低；后者成本比较高，但复位可靠性高。
对于复位要求高,并对电源电压进行监视的场合，大多采用这种方式。
（1）μP监控电路
专用μP监控电路又称电源监视电路，具有上电时可产生复位信号和电源电压跌落到“门槛值”时可产生复位信号等功能。
按有效电平分，有高电平输出、低电平输出两种；按功能分，有简单的电源监视复位电路、带“看门狗”定时器（WATCHDOGTimer,WAT）的监控电路等多种类型。
比较常见的生产厂家有MAXIM,Plilips,IMP及DALLS等，51系列微处理器中常用的型号有MAX831L、MAX809、X25043/5等。
（2）RC复位电路
本系统采用的是RC复位方式。
RC复位电路的实质是一阶充放电电路。
该电路提供有效的复位信号RST（高电平）直至系统电源稳定后撤消复位信号（低电平）。
从理论上说，51系列单片机复位引脚只要外加两个机器周期的有效信号即可复位，设t为保持高电平的时间，只要保证t=RC>2M（M为机器周期）便可。
但是在实际设计中，通常C1取值为10μF以上，R1通常取值10KΩ左右。
实践发现，R1如果取值太小，例如1KΩ，则会导致RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。
另外，实验证明，图2.3中的虚线所接的续流二极管D1对于改善复位性能，起了重要的作用。
它的作用是在电源电压瞬间下降时，电容迅速放电，因此一定宽度的电源毛刺也可使系统可靠复位。
图2.3RC复位电路
2.3.3按键与按钮电路的设计
按键与按钮电路的设计见系统原理图中S1。
按键与按钮电路设计中关键要考虑的就是按键去抖动问题（简称“去抖”）。
一般有硬件去抖和软件去抖两种方式。
过去硬件去抖电路通常采用分立元件或触发器实现，目前时常上已有硬件去抖专用接口芯片，例如：
MAXIM公司MAS6815～1818，均为单电源供电，电压为2.7～5.5V，分别为单输入、双输入等形式，输出端具有欠压锁定功能。
这里考虑到系统的硬件简化和成本，没有采用硬件去抖，而采用软件去抖。
2.3.4系统的显示电路设计
发光二极管LED（LightEmittingDoide）是智能化测量仪器中简单而常用的输出设备，通常用来指示机器的状态或其他信息。
它的优点是价格低、寿命长，对电压电流的要求低及容易实现多路显示等，因此在智能测量仪中获得了广泛的应用[7]。
LED是近似于恒压的元件，导电时（发光）的正向压降一般约为1.6V或2.4V左右，反向击穿电压一般大于等于5V。
工作电流通常在10～20mA左右，故电路中需串联适当的限流电阻。
发光强度基本上与正向电流成正比。
发光频率和颜色取决于制造的材料，一般常用红色，偶尔也用绿色或黄色。
多个LED可接成共阳极或共阴极形式，通过驱动器接到系统的并行输出口上，由CPU输出适当的代码来点亮或熄灭相应的LED。
发光二极管显示器驱动（点亮）方法有两种。
一种是静态驱动法，即给欲点亮的LED通以恒定的电流。
这种驱动方法需要有寄存器、译码器、驱动电路等逻辑部件。
当需要显示的位数增加时，所需的逻辑部件以及连接线也相应增加，成本也增加。
另一种是动态驱动法，这种方法是给欲点亮的LED通以脉冲电流，此时LED的亮度是通断的平均亮度。
为保证亮度，通过LED的脉冲电流应数倍于其额定电流值。
利用动态驱动法可以减少系统需要的逻辑部件和连线，智能化测量控制仪通常采用动态驱动法。
本文正是采用动态驱动法来实现显示电路的设计。
本系统显示采用共阳极数码管，其目的是为了简化显示电路的设计和实现亮度可调的要求。
四位数码管显示电路如图2.4所示。
从图中可知，该显示电路采用了与一般的电阻限流方式不同的实现方式，由此减少了48=32个限流电阻，简化了硬件系统。
每笔画段二极管正常发光时的电流一般为10mA左右（当然，电流大小取决于选用数码管是普亮、高亮还是超高亮类型的不同），其两端压降约为2.0V，也就是说只要数码管的公共端加上+2.0V以上的电压，即可满足每笔画段发光二极管的发光要求，而且适当调节此电压值即可改变发光二极管的电流，从而达到可调节亮度的目的。
此电压采用三端可调稳压电路LM317来实现。
为了节省CPU的端口数，显示电路采用了串行通信口的串行显示接口方式，利用串口0工作方式，在发送TXD端口（P3.1）的时钟信号的作用下，通过接收RXD端口（P3.0）将显示段码串行数据送入8位并行输出移位寄存器74LS164，控制响应的数码管。
端口P3.2的作用是通过LM317控制数码管显示的开启与关闭，当P3.2为低电平时，Q1关断，LM317的输出电压低于1.5V，不足
升级会员 