仓库温湿度的监测系统设计Word文件下载.docx
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multi-channel
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principle
of
design
and
concrete
performance
index.
Because
has
high
precision,
reaction
rate
quick
may
long-distance
range
centralism
monitor,
very
good
application
prospect
environment
survey
side.
Key
word:
control
temperature；
examines
humidity；
monitor；
multichannel
1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
（1）基本功能；
①
检测温度、湿度；
②
显示温度、湿度；
③
过限报警。
（2）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；
④
检测精度
1%RH；
⑤
显示方式
温度：
四位显示
湿度：
四位显示；
⑥
报警方式
三极管驱动的蜂鸣音报警。
2
设计方案
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
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性误差为±
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。
2.2
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。
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10%---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0.04
pF/℃。
可见精度是较高的。
2.3信号采集通道
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。
采用多路分时的模拟量输入通道，如图1所示。
图1
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。
3
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，总体框图如图2所示。
图2
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。
（1）信号采集
由AD590、HS1100及多路开关CD4051组成；
（2）信号分析
由A/D转换器MC14433、单片机8031基本系统组成；
（3）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。
（1）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。
根据特性分档，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（a）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（b）所示。
a、AD590的外形
b、集成温度传感器的电路符号
图
集成温度传感器
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。
AD590的测温范围-55℃-
+150℃。
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。
输出电阻为710MΩ。
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，非线性误差±
（2）基本应用电路
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。
AD590应用电路如图4所示。
图4
AD590应用电路
AD590应用电路
（3）摄氏温度测量电路
如图4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。
3.1.2
本设计采用的是HS1100/HS1101湿度传感器。
（1）HS1100/HS1101湿度传感器的特点
图5（a）为湿敏电容工作的温、湿度范围。
图5（b）为湿度-电容响应曲线。
a、湿敏电容工作的温、湿度范围
b、
湿度-电容响应曲线
5
湿敏电容特性
（2）湿度测量电路
将该湿敏电容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,将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号。
3.1.3
多路开关
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。
本设计选用的是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6所示。
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1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。
图6、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。
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1所示。
3.2信号分析与处理
3.2信号分析与处理
3.2.1
A/D转换
（1）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。
（2）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。
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。
（1）
8031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。
基本组成如图7所示。
图7
8031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。
⑦
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则是4K光可擦写EPROM，而我们所采用的8031则没有片内的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，此时程序开始顺序执行，因为单片机程序
访问空间是64K，故需要16条地址线，当
接“0”则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开始编址，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即从此处开始执行指令；
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。
（3）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，常常做工作寄存器区，分做四组，每组由8个单元组成通用寄存器R0～R7，任何时候都由其中一组作为当前工作寄存器，通过RS0，RS1的内容来决定选择哪一个工作寄存器。
低128字节中的20H～2FH共16字节可用位寻址方式访问各位，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。
（4）
特殊功能寄存器SFR
8031有21个专用寄存器，他们是用来管理CPU和I/O口以及内部逻辑部件的，在指令中专用寄存器是以存储单元方式被读写的，专用寄存器虽有名称，但寻址时都做专用寄存器用，它们的地址是与片内RAM的地址相连的。
下面就专用寄存器作以简单的介绍：
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。
寄存器B：
进行乘除运算时，寄存器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寄存器用。
堆栈指针SP：
在子程序调用或中断时，用来暂存数据和地址，它按先进后出的原则存储数据，它是一个八位寄存器它指出堆栈顶部在片内RAM中的位置，系统复位后，SP变成07H，使堆栈从00单元开始。
数据指针DPTR：
由两个字节组成，DPH字地址由83H，DPL由82H，存放一个16位的二进制数做地址用。
程序状态PSW：
七位用来表征各种标志，另一位无意义。
C
AC
FO
RS1
RS0
OV
P
C：
进位标志位，用于表示加减运算时最高位有无进位和借位，在加法运算中，若累加器最高位有进位则CY=1，否则CY=0，在减法时则有借位CY=1，否则CY=0，在执行算术逻辑运算时可以被硬件或软件置位或清除，CPU在进行移位操作也会影响该位。
AC：
当进行加法或减法运算时并产生由低四位向高四位的进位或借位时，AC置1，否则清0。
若AC=0时则在加减过程中A3没有向A4进位或借位，否则正好相反。
F0：
F0常不是由机器来指令执行中形成的，而是用户根据程序的需要进行设置的，这个位一经确定就可通过软件测试来决定用户程序的流向。
RS1，RS0：
8031有四个8位工作寄存器R0～R7，用户可以改变RS1和RS0的状态来决定R0～R7的物理地址。
OV：
用以指示运算是否发生溢出，由机器执行指令自动形成，若机器在执行指令过程中累加器A超过8位，则OV=1否则为0。
P：
用来来表示累加器A中的值为1的二进制位的奇偶数，若‘1’的个数为奇数P=1，为偶数P=0。
在串行通信中常用奇偶校验数据传输结果的正确性。
（5）
工作方式
它的工作方式可以分做复位，掉电和低功耗方式等。
本设计采用的是复位方式。
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。
根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：
上电复位和上电或开关复位。
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
常用的上电复位电路如图
8（a）中左图所示。
图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。
上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如图
8（a）中所示。
上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。
常用的上电或开关复位电路如图8（b）所示。
上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。
当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。
（a）上电复位电路
（b）上电或开关复位电路
图8
单片机的复位电路
根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。
图8（a）中：
Cl
＝10-30uF，R1＝1kΩ
图8（b）中：
＝1uF，Rl＝lkΩ，R2＝10kΩ
3.3显示与报警的设计
3.3.1
显示电路
在单片机应用系统设计中，一般都是把键盘和显示器放在一起考虑。
本设计是利用8031的串行口实现键盘/显示器接口。
当8031的串行口未作它用时，使用8031的串行口来外扩键盘/显示器。
应用8031的串行口方式0的输出方式，在串行口外接移位寄存器74LS164，构成键盘/显示器接口。
3.3.2
报警电路
本设计采用峰鸣音报警电路。
峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过MCS-51的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。
压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。
在图中，P3.2接晶体管基极输入端。
当P3.2输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；
当P3.2输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。
三极管驱动的峰鸣音报警电路如图9所示。
图9
三极管驱动的峰鸣音报警电路
4
软件设计
温度控制主程序的设计应考虑以下问题：
（1）键盘扫描、键码识别和温度显示；
（2）温湿度采样，数字滤波；
（3）越限报警和处理；
（5）温度标度转换。
通常，符合上述功能的温度控制程序由主程序和T0中断服务程序两部分组成。
这里所需要注意的是标度变换，下面简单的介绍一
升级会员 