(基于AT89C51的濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究)
摘要:人工氣候室是在環(huán)境試驗(yàn)、科學(xué)研究(諸如種養(yǎng)殖、植保、組培、生物工程)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。它能模擬自然界的各種氣象條件,按照實(shí)驗(yàn)要求精確控制室內(nèi)的溫度、濕度、光照以及CO2等指標(biāo),復(fù)現(xiàn)各種氣候環(huán)境。為研究不同物種的生長(zhǎng)、發(fā)育、生理、生化過(guò)程創(chuàng)造了環(huán)境條件。因此,人工氣候室廣泛應(yīng)用在科研、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、冶金、化工、林業(yè)、環(huán)境科學(xué)及生物遺傳工程等領(lǐng)域。
在人的日常生活中,人的居住空間也是一個(gè)人工環(huán)境??諝馕廴荆苯油{人的身體健康;噪音污染,影響人的情緒、工作、休息、飲食,可以導(dǎo)致神經(jīng)衰弱;溫度過(guò)熱、過(guò)冷,導(dǎo)致人的不適,耗費(fèi)電能;空氣過(guò)濕,將使人們感到沉悶和窒息;空氣過(guò)燥,又會(huì)使人的口腔感到不適,甚至可能發(fā)生咽喉炎等疾病。如果能系統(tǒng)自動(dòng)控制這個(gè)最常見(jiàn)的空間,人的生活將更舒適。所以說(shuō),這是一個(gè)很有發(fā)展前途的課題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)系統(tǒng)的研制[3]、[5]。本文也就其中最難測(cè)量的物理量——濕度進(jìn)行研究。
1濕度檢測(cè)的原理無(wú)線
本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)AT89C51[1]及其各種接口電路來(lái)實(shí)現(xiàn)濕度的檢測(cè)。其工作原理是:電容式相對(duì)濕度傳感器的容值隨著濕度的變化而線性的變化,通過(guò)信號(hào)檢測(cè)和轉(zhuǎn)換電路將變化的電容轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的變化的電壓,再由A/D轉(zhuǎn)換器把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并送入到單片機(jī)中,單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理并通過(guò)查表得到實(shí)際測(cè)量的濕度值,之后通過(guò)單片機(jī)的各外部接口電路顯示該濕度值,或通過(guò)其與上位機(jī)的接口把此值送入到上位機(jī)進(jìn)行保存及打印等操作。
2系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及功能設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的濕度傳感器采用高精度的HS電容式相對(duì)濕度傳感器[2],它采用電容式濕度敏感元件,其特點(diǎn)是尺寸小、響應(yīng)時(shí)間快、線性度好、溫度系數(shù)小、可靠性高和穩(wěn)定性好。在相對(duì)濕度為0%~100%RH范圍內(nèi),電容量由162pF變到200pF時(shí),其誤差不大于±2%RH,而且響應(yīng)時(shí)間小于5s,溫度系數(shù)為0.04pF/℃,可見(jiàn)該濕度傳感器受溫度的影響是很小的。為了保存數(shù)據(jù)的原始記錄,
AT89C51單片機(jī)作為檢測(cè)儀的核心部分。主要負(fù)責(zé)將A/D轉(zhuǎn)換模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并送至LED顯示模塊實(shí)時(shí)顯示;響應(yīng)鍵盤輸入,查看或修改用戶設(shè)定的濕度上限值。文獻(xiàn)[4]采用DSP實(shí)現(xiàn)了溫濕度控制器的設(shè)計(jì),但是由于DSP的價(jià)格較高,不宜應(yīng)用在各種場(chǎng)合中。
2.1A/D轉(zhuǎn)換
A/D轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),本系統(tǒng)采用了以10位開關(guān)電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)而構(gòu)造的CMOSA/D轉(zhuǎn)換器TLC1549,它具有片內(nèi)采樣-保持電路,還有差分高阻抗基準(zhǔn)電壓輸入,抗干擾,可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍,總不可調(diào)整誤差達(dá)到±1LSBMax(4.8mV)等特點(diǎn)。它通過(guò)一個(gè)三態(tài)輸出端(DATAOUT)和2個(gè)輸入端(包括I/OCLOCK(I/O時(shí)鐘)和CS(片選))與AT89C51的P10~P12接口相連,這樣不僅簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì),減少電路板的占用面積,而且提高了可靠性,分辨率也較高。
2.2看門狗復(fù)位
看門狗復(fù)位電路選用X芯片。它集斷電數(shù)據(jù)保存功能、看門狗功能、上電掉電復(fù)位功能、電源電壓監(jiān)控功能于一身,這種組合大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì),降低了成本和系統(tǒng)功耗。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí),在選定的超時(shí)時(shí)間之后,X的看門狗將以RESET信號(hào)作為響應(yīng),利用X低VCC檢測(cè)電路,可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓的影響;當(dāng)VCC降到最小VCC轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時(shí),系統(tǒng)復(fù)位一直到VCC返回規(guī)定值且穩(wěn)定為止。
2.3串口通信
為了對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理,需要將數(shù)據(jù)從單片機(jī)傳送至計(jì)算機(jī)。AT89C51具有串行通訊接口(SCI),SCI是為能與CRT終端及計(jì)算機(jī)等外設(shè)通訊的全雙工異步系統(tǒng),本系統(tǒng)采用RS-232-C接口方式,傳送波特率為9600比特。接口芯片采用MAX232,這種芯片可以實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS-232C接口電平之間的轉(zhuǎn)換,也就是可以把5V電平表示為“1”,0V電平表示“0”的邏輯,轉(zhuǎn)換成-3~15V電平表示“1”,+3~15V電平表示“0”的邏輯,從而解決了由于PC機(jī)的串行口是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的接口,其輸入輸出在電平上和采用TTL電平的AT89C51在接口時(shí)會(huì)產(chǎn)生電平不同的問(wèn)題。因此PC機(jī)和AT89C51單片機(jī)串行通信便可以順利進(jìn)行。
2.4鍵盤控制
鍵盤電路是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的人機(jī)接口電路,用它可以完成濕度值的設(shè)定、移位、加1、減1、清零、前翻頁(yè)、和后翻頁(yè)等功能。但它往往要占用較多的I/O端口。在本濕度檢測(cè)系統(tǒng)中,除了把一個(gè)獨(dú)立的按鍵用作開始鍵外,利用了一種新型的鍵盤電路,它可以最大限度地減少鍵盤電路對(duì)I/O端口的占用。
這種電路可以使按鍵次數(shù)達(dá)到16個(gè),其軟件處理使用了端口訪問(wèn)和掃描檢測(cè)兩種方法,同時(shí)由于采用了組合邏輯來(lái)直接對(duì)端口進(jìn)行讀取,因此極大地簡(jiǎn)化了程序的處理過(guò)程,同時(shí)也節(jié)省了寶貴的存儲(chǔ)器和CPU運(yùn)算資源。
在本系統(tǒng)中,由于該濕度計(jì)還要進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)顯示,所以設(shè)計(jì)了LED顯示電路。該電路由三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器(LM317)、晶體管(NPN)、串行輸入/8位并行輸出的移位寄存器(74LS164)、顯示器(共陽(yáng)極LED)和電阻構(gòu)成。
該顯示控制電路中單片機(jī)串行口工作方式為0,即為8位移位寄存器,TXD為同步信號(hào)輸出端,RXD為串行數(shù)據(jù)輸出端,選用在串行口接串行輸入/8位并行輸出的移位寄存器74LS164來(lái)驅(qū)動(dòng)LED顯示器。但是由于74LS164無(wú)并行輸出控制端,在串行輸入過(guò)程中,其輸出端的狀態(tài)會(huì)不斷變化,故在某些使用場(chǎng)合,在74LS164與輸出裝置之間還應(yīng)加上可控的緩沖級(jí)(如三態(tài)緩沖器74LS244),以使串行輸入過(guò)程結(jié)束后再輸出。而這里是通過(guò)控制NPN晶體管的導(dǎo)通與截止和LM317,來(lái)控制顯示器(LED)共陽(yáng)極電位的高低,從而控制顯示器的亮暗,也就是在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中顯示器暗、在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)顯示器亮。由于74LS164在低電平輸出時(shí),允許通過(guò)的電流可達(dá)8mA,故不需要再加驅(qū)動(dòng)電路。通過(guò)電位器RP2調(diào)整腳2的輸出電壓,可使LED的顯示亮度均勻在線可調(diào),而且可以節(jié)約大量限流電阻。
2.6時(shí)鐘控制
系統(tǒng)時(shí)鐘由實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘芯片PCF8563提供,該芯片是一款工業(yè)級(jí)內(nèi)含I2C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片。PCF8563的多種報(bào)警功能、定時(shí)器功能、時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能能完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)。內(nèi)部時(shí)鐘電路內(nèi)部振蕩電路內(nèi)部低電壓檢測(cè)電路(1.0V)以及兩線制I2C總線通訊方式,不但使外圍電路及其簡(jiǎn)潔,而且也增加了芯片的可靠性。
為了使單片機(jī)在將濕度值提供給顯示器顯示的同時(shí)能將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入外部數(shù)據(jù)區(qū)供批處理打印和主系統(tǒng)共享或以備傳輸和處理之用,在電路中還擴(kuò)展了一片16K的ATMEL公司的E2PROM存儲(chǔ)卡——AT24C16。單片機(jī)將數(shù)據(jù)采集處理后,讀取PCF8563時(shí)間數(shù)據(jù)與采集到的數(shù)據(jù)一同存儲(chǔ)到AT24C16中。
2.7電源控制
電源電路是給電子設(shè)備提供必要的電源能量的電路,就輸入和輸出而言,在集成電路中主要使用的是由交流(AC)220V,50/60Hz的市電轉(zhuǎn)換成直流電。該部分電路由降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分組成。
在設(shè)計(jì)穩(wěn)壓部分時(shí),根據(jù)電路對(duì)電源要求的不同而選擇不同的穩(wěn)壓電路,由于A/D轉(zhuǎn)換器(TLC1549)、看門狗定時(shí)器(X)、三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器(LM317)、單片機(jī)(AT89C51)要求電源電壓的穩(wěn)定性較高,所以采用了三端固定式集成穩(wěn)壓電路(78H05);由于測(cè)量電路和頻率/電壓轉(zhuǎn)換器對(duì)電源要求不太高,所以分別采用穩(wěn)壓管給它們供電;由于A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓(REF+)對(duì)電源要求非常高,所以采用精密基準(zhǔn)電壓源(LM336-5.0V)供電。
3濕度檢測(cè)和傳送電路的設(shè)計(jì)
濕度檢測(cè)和傳送電路的作用是將被檢測(cè)出的濕敏元件參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化成電壓變化使其能滿足A/D轉(zhuǎn)換電路的要求。該部分電路由自激多諧振蕩器、脈寬調(diào)制電路和頻率/電壓轉(zhuǎn)換器LM2917電路組成。
LM2917是一種單片集成頻率/電壓轉(zhuǎn)換器,芯片中包含了一個(gè)高增益的運(yùn)算放大器/比較器,內(nèi)含的轉(zhuǎn)速計(jì)使用充電泵技術(shù),對(duì)低紋波具有頻率倍增功能。雖然如果對(duì)頻率量f直接由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行頻率檢測(cè),而省去f/v轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換是可行的。但對(duì)于電容放大后,使得7555時(shí)基IC的輸出頻率在6~4.48kHz,總有一基值頻率為4kHz,使得直接測(cè)頻計(jì)數(shù)的有效位減少。再者電容放大器又存在溫漂問(wèn)題使得頻率值有所波動(dòng)。造成測(cè)量誤差而影響精度。因此本檢測(cè)系統(tǒng)還是選用了f/v轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換電路。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
濕度檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)智能化的系統(tǒng),它的軟件所完成的功能主要包括:
?、俨蓸樱?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51能夠控制TLC1549正常工作采樣的采樣程序。
?、陲@示:?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51把采樣來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波、二—十進(jìn)制轉(zhuǎn)換并以十進(jìn)制4位精度顯示的程序。
③通信:?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51能夠把顯示的數(shù)據(jù)通過(guò)串行通信口傳送到管理級(jí)的上位IBM-PC機(jī),然后上位機(jī)把接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
5結(jié)論
本系統(tǒng)采用了高精度的電容式相對(duì)濕度傳感器,在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí),濕度測(cè)量范圍為0~100%RH。系統(tǒng)還充分利用了AT89C51單片機(jī)自身的軟硬件資源,具有智能化、可編程、小型便攜等優(yōu)點(diǎn),因此只要選用不同的濕度傳感器,并修改相應(yīng)的軟件控制程序,本檢測(cè)系統(tǒng)就可應(yīng)用在環(huán)境保護(hù)、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及軍事等方面,可見(jiàn)其具有非常廣泛的應(yīng)用前景。由于該系統(tǒng)主要是濕度的檢測(cè)而涉及濕度的控制比較少,所以在控制方面有待進(jìn)一步研究。
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