基于AT89S51单片机的以HS1101作为前端湿敏元件的室内湿度检测系统--2012毕业论文文档格式.doc
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目录
第一章 前言 5
1.1 概述 5
1.2 实验室湿度测控的意义 5
1.3 实验室湿度测控的现状与发展 6
1.3.1 传统的分立式湿度测量 6
1.3.2 模拟集成湿度传感器测量 6
1.3.3 智能湿度传感器测量 6
1.4 本课题的设计方案 7
第二章 湿度测量电路设计 8
2.1 传感器的认识 8
2.1.1 传感器的静态特性 8
2.1.2 传感器的动态特性 9
2.2 湿度传感器的选择 10
2.2.1 湿度及其表示方法 10
2.2.2 湿度传感器HS1101 10
2.3 湿度测量电路 12
2.3.1 NE555时基电路 12
2.3.2 基于555振荡电路的湿度测量电路设计 13
第三章 核心电路的设计 14
3.1 ADC0809模数转换器 14
3.1.1 ADC0809应用简介 14
3.1.2 测湿电路与单片机连接 15
3.1.3 湿度误差补偿插值法子程序 16
3.2 单片机电路的设计 17
3.2.1 MCS-51单片机 17
3.2.2 AT89S51单片机 17
3.2.3 时钟晶振电路和复位电路 18
3.3 总体电路系统 19
3.3.1 LED报警设计 19
3.3.2 系统总设计 20
3.4 电路PCB版图设计 22
第四章 单片机与PC间的串行通讯 25
4.1 RS-232-C接口 25
4.2 单片机和PC通信连接 25
4.3 简单软件设计 27
4.3.1 下位机软件设计 27
4.3.2 上位机程序设计 28
第五章 结论 29
参考文献 30
致谢 31
附录 32
第一章前言
1.1概述
湿度，被定义为表示大气干燥程度的物理量。
即在一定的温度下在一定的体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥;
水汽越多，则空气越潮湿。
湿度测量技术的发展已有200多年的历史，人们早就发现了人的头发随大气湿度变化而伸长或缩短的现象，因而制成了毛发湿度计。
但是人们对于湿度传感器中的湿敏元件的认识，是从1938年美国F.W.Dunnore研制成功浸涂式氯化锂湿敏元件才开始的。
无论是在科研、实验生产、粮食储备、军火储备还是植物生长、大学校园里面的实验室元器件的保养，湿度的测量、传输和控制都跟其有着密不分的关系。
环境的湿度有人们的视野里出现，并其重要性逐渐提高，使湿度的测控具有与环境温度的测控有着相同的重要意义。
为了确保实验生产过程中得到很好的质量保证，为了确保实验室的元器件能够很好延续使用生命周期，湿度测量的提出已经引起了工作者的注意。
在现代社会信息科技的不断迅速发展中，计算机技术、网络传输和湿敏元件的高速更新，使得湿度的测量正朝着自动化、网络化发展。
在实验室的监控中，湿度测量的出现使得元器件的保养达到更好、使用周期更长、性能保持更好。
所以实验室湿度测控有着广阔和应用发展空间。
现在技术中，对湿度的测量有方法多种多样，也较为容易实现。
但精度和反应度却是各种方法中的瓶颈，本系统的设计就是从精度上和高反应度上进行测控、选器件、系统的设计，尽可能使做出来的系统可以更好更精确更实时地检测到室内湿度的变化，并及时读取数据进行处理，最终显示在个人电脑终端，使得工作者能够在最短的时间内对环境不断发生变化的湿度有着实时的了解，并可以针对不同的状况做出不同的反应。
1.2实验室湿度测控的意义
每个实验室都有着自己的微小气候，在其中湿度有着非常重要的影响力。
高湿容易使人体散热量增加、容易使人体丧失热蒸发机能，导致热疲劳。
实验室湿度高于70%为高气湿，人将感到不适；
低于30%为低气湿，人感到口鼻干燥；
最舒适的湿度为40%～60%[1]。
在实验室所使用的各种仪器设备中，空气湿度对其影响是非常明显的，无论是使用过程对精度的影响，还是在保养过程中使得容易老化，容易被侵蚀。
综上所述，无论是从人体健康的角度还是从元器件使用的角度上看，对实验室的湿度测控的意义都是非常重大的。
1.3实验室湿度测控的现状与发展
人们研究湿度测量的历史也算是久远，对在实验室中进行湿度测控也更是随着实验信息技术的发展而不断更新换代。
实验室室内湿度测控的发展大致经历了以下三个阶段：
传统的分立式湿度测量；
模拟集成湿度传感器测量；
智能湿度传感器测量[2]。
1.3.1传统的分立式湿度测量
传统的电阻湿度计、半导体湿敏元器件等，都属于分立式湿度测量元件，使用这些元器件来进行测量湿度的，统称为分立式湿度测量。
20世纪50年代以来，随着传统的电阻、电容湿度计的出现，湿度测量走向了一个新的台阶。
此类测量方法所使用的元件通常不能单独完成测量任务，使用时还需要配上二次仪表，才能完成湿度测量及控制功能。
其主要缺点是外围电路比较复杂、测量精度比较低、分辨力不高，还有就是它们的体积比较大、使用起来不够方便。
所以，传统的分立式湿度测量方法受到了现在科学技术发展的挑战，已经逐渐被淘汰。
到了20世纪90年代，这种室内湿度测控已经很难再找到了。
1.3.2模拟集成湿度传感器测量
在20世纪80年代中，采用硅半导体集成工艺的集成湿度传感器问世，它是将湿度传感器集成在一个芯片上、可完成湿度测量及模拟信号输出功能的专用IC，它属于最简单的一种集成湿度传感器。
用这种模拟集成湿度传感器来进行实验室室内湿度测控，外围电路是较为简单，所以这种测量方法最为广泛应用。
本系统也是基于这样集成IC的传感器HS1101来进行设计的。
1.3.3智能湿度传感器测量
智能湿度传感器的未来测量发展的一个重要的方向，也是室内湿度测控的必然发展，更是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。
智能湿度测控器也是在智能湿度传感器的基础上发展起来的。
智能湿度测控器适配各种微控制器，构成智能化湿敏控制系统；
它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪，既可以工作在连续转换模式，亦可选择单次转换模式。
进入21世纪的第一个年代，智能湿度测控技术正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器测量和网络传感器测控、研制单片测量系统等高科技的方向迅速发展。
总之，随着计算机技术、应用电子技术、传感器智能化技术、机械电子一体化技术和计算机网络技术研究的发展，室内湿度测控已经成为各个国家在保养电子元器件、实时监测室内湿度等国际市场竞争力的前沿性研究领域。
1.4本课题的设计方案
本课题所设计的系统有三个原则：
1、操作维护方便，为了利于系统的推广，在设计时应该充分采用操作内置或简化的方法，以尽量减少对操作人员专用知识的要求，也便于进行维修。
2、可靠性，本系统所有的环节中，都应该有着可靠性的思想，从选用可靠性高的元器件；
供电电源采用抗干扰措施；
进行多向滤波等作为出发点。
3、性价比，本课题所设计的系统的核心是单片机，它本身有着多个优势，要使得系统能够广泛地应用，在充分考虑可靠性的同时，尽可能降低成本，提高系统的性价比。
本文将从以下几个方面展开工作：
一是确定测湿电路的设计方案；
二是进行单片机核心电路的设计；
三是对单片机及通信接口进行简单的概述；
四是对所有的工作进行总结。
本次课题的设计系统的示意图如图1-1。
湿敏元件
HS1101
振荡电路
NE555
模数转换
ADC0809
核心处理器
MCU-51
个人PC电脑
终端
图1-1：
系统示意图
第二章湿度测量电路设计
2.1传感器的认识
传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
通常由敏感元件和转换元件组成。
其中，敏感元件是指传感器中能够直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。
有些国家和有些科学领域，将传感器称为变换器、检测器或探测器等。
应该说明，并不是所有的传感器都能明显分清敏感元件与转换元件两个部分，而是二者全为一体。
例如半导体气体、湿度传感器等，它们一般都是将感受的被测量直接转换为电信号，没有中间转换环节[3]。
2.1.1传感器的静态特性
所谓传感器的静态特性，是指在稳态信号作用下，传感器输出－输入之间的关系特性。
衡量传感器静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞和重复性。
1.线性度
传感器的线性度用传感器的输出与输入之间的线性程度表示。
如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般可用下面的多项式表示。
（2.1）
式中：
y――输出量；
x――输入物理量；
――零位输出；
――传感器线性灵敏度；
――待定常数。
在使用非线性特性的传感器时，如果非线性项的方次不高，在输入量变化范围不大条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段。
2.灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值，一般用来表示，即
（2.2）
式中：
――输出量的变化；
――输入量的变化。
对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率。
非线性传感器的灵敏度为一变量。
一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出－输入特性为直线。
3.迟滞
在相同工作条件下做全量程范围校准时，下行程（输入量由小到大）和反行程（输入量由大到小）所得输出输入特性曲线往往不重合。
也就是说，对应同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，此即迟滞现象。
迟滞（或称回程误差）正是用来描述传感器在正反行程期间特性曲线不重合程度的。
迟滞的大小常用正反行程最大输出差值对满量程输出的百分比来表示的[4]。
4.重复性
重复性是指在相同工作条件下，输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得传感器特性曲线不一致性的程度。
多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。
重复特性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象具有的原因。
其它的特性还有分辨力，传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值；
零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。
2.1.2传感器的动态特性
传感器动态特性是指输入量随时间动态变化时，其输出与输入的关系。
很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。
只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间的关系要用动态特性来说明。
为研究传感器的动态特性，可建立其动态数学模型，用数学中的逻辑推理和运算方法，分拆传感器在动态变化的输入量作用下，输出量如何随时间改变。
实际中，输入信号随时间的变化形式多种多样，无法统一研究，所以通常只分析传感器在标准输入信号作用下的输出。
研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。
由于输入信号的时候函数形式是多种多样的，在时域内研究传感器的响应特性时，只能研究几种特定的输入时间函数如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等的响应特性。
对于任意输入所引起的响应，可以利用两个函数的卷积关系，即系统的响应等于冲激响应函数同激励的卷积，即
（2.3）
2.2湿度传感器的选择
2.2.1湿度及其表示方法
在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。
大气中含有水汽的多少，表示大气中的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度表示大气干湿程度的物理量。
大气湿度有两种表示方法：
绝对湿度与相对湿度。
绝对湿度
绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表示为
（2.4）
――被测空气的绝对（/，/）；
――被测空气中水汽的质量（，）；
V――被测空气的体积（）。
相对湿度：
相对湿度是气体的绝对湿度（）与同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度（）之比，常用%RH来表示。
即
（2.5）
――待测气体的水汽分压；
――同一温度下水蒸汽的饱和水汽压[3]。
2.2.2湿度传感器HS1101
湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。
可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。
它有以下几个显著的特点：
1、全互换性，在标准环境下不需校正
2、长时间饱和下快速脱湿
3、可以自动化焊接，包括波峰或水浸
4、高可靠性与长时间稳定性
5、专利的固态聚合物结构
6、可用于线性电压或频率输出回路
7、快速反应时间
HS1101的简单物照图如图2-1[5]。
图2-1：
HS1101实物照
相对湿度在0%～100%RH范围内；
电容量由162pF变到200pF,其误差不大于2%RH；
响应时间小于5s；
温度系统为0.04pF/℃。
可见其精度是较高的。
其湿度－电容响应曲线如图2-2：
20406080100
相对湿度%
200190180170
电容F
图2-2：
HS1101湿度－电容响应曲线
HS1101的一些常用参数如表2-1：
表2-1：
HS1101常用参数
参数
符号
参数值
单位
工作温度
Ta
-40～100
℃
储存温度
Tstg
-40～125
供电电压
Vs
10
Vac
湿度范围
RH
0～100
%RH
焊接时间@=260℃
t
S
2.3湿度测量电路
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。
涉及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时，常用两种方法:
一是将HS1101置于运放与阻容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HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。
2.3.1NE555时基电路
NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200mA.。
在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；
在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微秒到数小时。
其工作电压范围为：
4.5V16V。
NE555的框图如图2-3所示[5]。
图2-3：
NE555框图
2.3.2基于555振荡电路的湿度测量电路设计
图2-4：
测湿电路图
把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图2-4所示。
NE555电路功能的简单概括为:
当6端和2端同时输入为“1”时,3端输出为“0”；
当6端和2端同时输入为“0”时,3端输出为“1”。
在此电路中,555定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的。
当电源接通时,由于6和2端的输入为“0”,则定时器3脚输出为“1”；
又由于C1两端电压为0,故通过R2和R3对C1充电,当C1两端电压达到2/3时,定时电路翻转,输出变为“0”。
此时555定时器内部的放电BJT的基极电压为“1”,放电BJT导通,从而使电容C1通过R3和内部放电BJT进行放电,当C1两端电压降低到/3时,定时器又翻转,使输出变为“1”,内部放电BJT截止,VCC又开始通过R2和R3对C1充电,如此周而复始,形成振荡。
其工作循环中的充电时间为=0.7（R2+R3）C1；
放电时间为=0.7R3*C1；
输出脉冲占空比为q＝（R2+R3）/（R2+2R3）,为了使输出脉冲占空比接近50％,R2应远远小于R3。
当外界湿度变化时,HS1101两端电容值发生改变,从而改变定时电路的输出频率。
因此只要测出555的输出频率,并根据湿度与输出频率的关系,即可求得环境的湿度[6]。
第三章核心电路的设计
3.1ADC0809模数转换器
在单片机应用中，特别是在实时控制系统中，常常需要把外界连续变化的物理量（如湿度、湿度、压力、流量），变成数字量送入计算机内进行加工处理。
反之，也需要将计算机输出的数字量转为连续变化的模拟量，用心控制调节一些执行机构，实现对被控对象的控制。
这种由模拟量变为数字量，或由数字量转为模拟量的转换，通常叫做模/数，或数/模转换。
用以实现这类转换的器件，叫做模/数（A/D）转换器或数/模（D/A）转换器[7]。
3.1.1ADC0809应用简介
ADC0809具有8路模拟量输入，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，输出8位二进制数字量。
其主要性能有：
逐次比较型；
CMOS工艺制造；
单电源供电；
无需外部进行零点和满量度调整；
可锁存三态输出，输出与TTL兼容；
易与各种微控制器接口；
具有锁存控制的8路模拟开关；
分辨率为8位；
功耗为15mW；
转换时间（）为128；
转换精度为[8]。
ADC0809的引脚图如图3-1所示。
图3-1：
ADC0809引脚图
3.1.2测湿电路与单片机连接
NE555的输出端跟ADC0809的IN0通道相接，则ADC0809芯片的地址选通为ADDR0,ADDR1,ADDR2都接地。
ADC0809的转换时钟由单片机的ALE提供。
ADC0809的典型转换频率为640kHz，ALE信号频率与晶振频率有关，如果晶振频率取12MHz，则ALE的频率为2MHz，所以ADC0809的时钟端CLK与单片机的ALE端相接时，要考虑分频。
8051通过地址线P2.0和读写控制线、来控制模拟输入
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