第1章 课程设计的方案
1.1 概述
温湿度监测系统是在环境试验、科学研究(诸如种植、养殖、生物工程、化工工程)、工业生产等领域应用广泛的现场环境控制系统。它能模拟各种环境条件，即按照实际要求精确控制环境的温度和湿度，为研究不同的生化过程创造了良好的环境条件。因此，温湿度监测系统广泛应用在科研、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。 1.2 系统组成总体结构
系统由温度采集电路，湿度采集电路，多路开关电路，A/D转换电路，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89c51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。
1
图1.1系统结构框图 第2章 课程设计内容
2.1方案的比较和论证 2.1.1. 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℃，百度电阻比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℃，精度可达1℃。AD590的电源电压范围为4~30V，可以承受44V正向电压
2
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。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HIH3610湿度传感器。由于常用湿度传感器的非线性输出及一致性较差，使湿度的测量方法和手段相对较复杂，
3
且给电路的调试带来很大的困难。为此，采用Honeywell公司的湿度传感器HIH3610。它为大信号输出且线性度良好，因此，可省去复杂的信号放大及调理电路，仅需一片A/D转换器将与湿度值成正比的电压值转换成数字量并与单片机接口即可。输出信号电压范围为0.8~3.9V，可省去信号放大电路。
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0～100℃的要求，因此，选择方案二来作为本设计的湿度传感器。 2.1.3. 信号采集通道的选择
在本设计系统中，温度输入信号为4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。
4
（2） 处理速度慢。 （3） 硬件简单，成本低。
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。
信号调理电路采样/保持器A/D转换器接口信号调理电路采样/保持器A/D转换器接口CPU信号调理电路采样/保持器A/D转换器接口 图2-1多路并行模拟量输入通道
信号调理电路多路切换器采样/保持器A/D转换器信号调理电路接口CPU信号调理电路 图2-2多路分时的模拟量输入通道
2.2系统子电路的设计 2.2.1、单片机最小系统设计 1、时钟电路 (1)机器周期
MCS-51规定一个机器周期为6个状态，且依次表示为S1、
5
S2、„、S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此一个机器周期共12个节拍，分别记作：S1P1、S1P2、„、S6P2。也就是一个机器周期等于12个振荡周期。当振荡频率为12MHz时，则一个机器周期就是1μs。 (2)指令周期
执行一条指令所需的时间称指令周期。它是机器周期的整倍数，最短的是一个机器周期称单周期指令，还有2个和3个机器周期的，最长的是4个机 器周期。 2、复位电路
RST引脚是复位端，高电平有效。在该引脚输入至少连续两个机器周期以上的高电平，单片机复位。
RST引脚内部有一个斯密特ST触发器以对输入信号整形，保证内部复位电路的可靠，所以外部输入信号不一定要求是数字波形。
使用时，一般在此引脚与VSS引脚之间接一个8.2kΩ的下拉电阻，与VCC引脚之间接一个约10μF的电解电容，即可保证上电自动复位。推荐电路如图2.3所示。
6
图2.3时钟电路及复位电路
2.2.2.温度采集电路设计
温度采集电路的核心采用美国AD公司生产的二端式集成温度-电流传感器，该器件体积小、重量轻、性能稳定，且非线性误差小和校准方便、互换性好、功耗极低、适合于动态温度测试和远距离测温。 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。具有较强的抗干扰的能力。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，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2.4所示。
7
图2.4 AD590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：
I T/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℃。 AD590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。
8
二． 基本应用电路
图2.5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2.5 AD590应用电路
三． 摄氏温度测量电路
如图2.6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，
9
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4路的温度信号采集，而MC14433仅为一路输
入，故采用CD4051
图2.6四路分时的模拟量信号采集电路硬件接口
2.2.3.湿度采集电路设计 一、湿度采集电路
湿度传感器选择的型号为HIH3610。温湿度的测量在工农业生产、日常生活及科学研究中有着广泛的应用，查技术手册得到：
1）精度 ±2%RH，13%～100%RH 非凝结，25℃（供电电压=5VDC）
10
2）线性误差 ±0.5%RH典型值 3）反应时间 30s，慢流动的空气中
4）稳定性 ±1%RH典型值，50%RH，5年时间内 5）供电电压 4～5.8VDC（传感器在5VDC下标定） 6）输出电压 Vout Vsupply0.0062(sensor%RH)0.16
按绝对值和的方式进行误差综合，则湿度传感通道的总误
差为：
2%0.5%2.5%
用方根综合方式，其误差为：
(2%)2(0.5%)22.1%
图2.7 HIH3610外形（左）及HIH3610引脚图(右)
频率输出的555测量振荡电路如图2.8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。
11
图2.8、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=CR2 Ln2 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2-1给出了其中的一组典型测试值。
表2-1、空气湿度与电压频率的典型值
12
湿度%RH01020304050频率HZ735172247100697668536728 湿度%RH60708090100频率HZ66006468633061686033
二、多路检测信号的实现
本设计系统为两路的湿度信号采集，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2.9所示
图2.9 两路分时的模拟量信号采集电路硬件接口
2.2.4. 多路开关电路设计
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
13
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。
图2.10 CD4051芯片电路
2.2.5信号分析与处理 一．A/D转换器的特点
在为了把温度、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。
1．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
14
用。MC14433A/D转换器与国内产品5G14433完全相同，可以互换。
图2.9 MC14433引脚图 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 470 KΩ
15
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。 BCD码输出线
Q0---Q3： BCD码输出线。
表2-2、DS1选通时Q3～Q0表示的结果
Q310××01Q2Q1Q0×0××0×1×00×0××1××1表示结果千位数为0千位数为1结果为正结果为负输入过量程输入欠
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；
二. MC14433与89c51单片机的接口设计
16
由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码，Q0～Q3HE DS1～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89c51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89c51单片机P1口直接相连的硬件接口，接口电路如图2.10所示：
图2.10 MC14433与89c51单片机接口电路
2.3软件流程图及程序设计 一、软件流程图
17
1.主程序流程图程图
18
2.T0中断程序流 二、程序设计 1，主程序设计 ORG 000H LJMP MAIN ORG 000BH
3.温湿度采样子程序流程图
19
LJMP T0 ORG 001BH LJMP T1 ORG 0100H MAIN： CLR EA MOV A ,#80H MOV @DPTR ,A
MOV TMOD ,#11H ;T0,T1作方式一
MOV THO ，#3CH T1定时100ms
MOV TLO,#OBOH MOV TH1 ,#3CH MOV TL1 ,#0B0H
MOV 70,#96H 单元
MOV 71，#14H 单元 RET
2.定时器0中断服务程序TO：MOV TH0，#03H MOV TL0，#0B0H
20
初始化，工；置时间常数，TO，；T0中断次数计数；TI中断次数计数；重置时间常数
DJNZ 70H，FH0
MOV 70，#96H ；重装计数值 PUSH 0E0H PUSH 03H ACALL DTCT POP 03H POP 0E0H FH0：RETI
3，定时器1中断服务程序
T1：MOV TH1，#3CH MOV TH1，#0B0H
DJNZ 71H，FH1 MOV 71H，#14H INC R2
CJNE R2，#03H，CAL MOV R1，00H FH1：RETI 5，温度采集子程序
DTCT：MOV A，R1 采集的通道口
RL A RL A
21
；重置时间常数 ；定时2s ；重装计数值 ；读入
ADD A，#06H MOV R0，A MOV A，R1 MOV @R0，A INC R0 MOV R5，#00H MOV R6，#30H
START：CJNE R1，#00H，AD01 容选择通道口
MOV DPTR，#IN0 SJMP TRAN
AD01：CJNE R1，#01H，AD02 MOV DPTR，#IN1 SJMP TRAN AD02：MOV DPTR，#IN2 TRAN：MOVX @DPTR,A
NOP NOP JNB P2.7, $ 等待转换完毕
MOV A,@DPTR CLR C
22
；根据R1的内；启动A/D转换 ；延时 EOC信号，；读取转换结果 ；检测RRC A CLR C RRC A ADD A，R5 MOV R5，A
DJNZ R6，TRAN MOV A，R5 MOV B，#03H DIV AB MOV R3，B RET
5，湿度采集子程序
TEM：MOV A，R1 采集的通道口
RL A RL A ADD A，#06H MOV R0，A MOV A，R1 MOV @R0，A INC R0 MOV R5，#00H
23
4次 ；读入；是否采集；保存平均值；标度变换
MOV R6，#30H
START：CJNE R1，#00H，AD01 ；根据R1的内容选择通道口
MOV DPTR，#IN0 SJMP TRAN
AD01：CJNE R1，#01H，AD02 MOV DPTR，#IN1 SJMP TRAN AD02：MOV DPTR，#IN2 TRAN：MOVX @DPTR
NOP NOP JNB P2.7, $ 等待转换完毕
MOV A,@DPTR CLR C RRC A CLR C RRC A ADD A，R5 MOV R5，A
DJNZ R6，TRAN
24
A/D转换
；检测EOC信号， 2次
；启动；延时；读取转换结果；是否采集
MOV A，R5 ；保存平均值 MOV B，#03H ；标度变换 DIV AB MOV R3，B RET
第3章 课程设计总结
此次课程设计中我投入了最大的热情和精力，从设计电路图，选择元器件，使用protel99，其过程中出现了不少的问题，我没有气馁，没有退缩，积极向老师和同学请教，并且一遍又一遍的重复实践，直到我们期望的结果实现。事实也证明我们的努力没有
25
白费，认真严谨的实习态度给我们带来了成功的喜悦！
这短短一周的实践，我感觉到自己在课本上学到的理论知识和实践仍有一定的差距。有的知识，自己感觉已经掌握得差不多了，但是实际操作起来就有问题出现了。 我还遇到了不少，花费了很多的时间。这让我们重新反思我们的学习，觉得这与自己当时不注意实验课是分不开的。
通过这次电子系统设计，我们掌握了设计一个数字电路的基本方法和基本步骤，实际解决了设计中出现的问题，增强了寻找问题，解决问题的能力。此次电子设计的成功不仅帮助我们更好地掌握书本知识，尤其重要的是增强了我们的自信，培养了我们独立思考的能力！本次实习是我到目前为止最头疼也是收获最大的一次实习。设计是我们将来必需的专业技能，这次恰恰提供我们一个应用自己所学的知识的机会。从到图书馆、网络中查找资料到电路的设计，都对我们以前所学过的知识进行了一次检验。
总体来说，这次实习我受益匪浅。在摸索该如何设计电路使之实现所需功能的过程中，特别有趣，培养了我们的设计思维，增加了实际操作能力。在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。
26
参考文献
[1] 梅丽凤，单片机原理及接口技术，北京：清华大学出版社，2004：19-48，81-93
[2] 何立民，单片机应用系统设计，北京：航空航天大学出版社，1990：45—56
[3] 张毅刚，单片机原理及应用，北京：高等教育出版社，2003：126—135
[4] 顾兴源，计算机控制系统，北京：冶金工业出版社, 1981：25—40
[5] 余永权，计算机控制系统，北京：电子工业出版社, 2003：10—27
[6] 朱定华，单片机微机原理与应用[M]_北京：清华大学出版社，2003．
20
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容