李志伟+基于单片机的粮仓温湿度检测系统.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流李志伟+基于单片机的粮仓温湿度检测系统.精品文档.基于单片机的粮仓温湿度检测系统摘 要粮仓作为储备粮食的重要场所，需及时对其内部的温度和湿度进行检测。人工检测粮仓环境存在弊端，准确性低且稳定性差。本文设计了一种基于单片机和传感器技术的粮仓温湿度检测系统，在线实时测量，精度高、稳定性好，系统功能及测量范围能够达到及时准确检测粮仓温湿度的要求。本文分别从硬件和软件两个方面对此温湿度检测系统进行了分析。本系统主要由集成温湿度传感器、12位双积分模数转换器ICL7109、主芯片AT89C51和键盘显示辅助芯片8279组成。硬件部分介绍了系统总体工作流

2、程、器件选择、芯片功能及工作原理等。软件部分设计了计数、数据采集、温湿度显示等子程序来完善整个系统的检测功能。该系统操作简单，安装方便，性能稳定可靠，特别适用于需对温湿度及时监测的粮仓，库房等场所。关键词：单片机，模数转换器，温湿传感器The detection system of warm and humidity of the granary based on one-chip computerAbstractThe granary needs to gauge its inside temperature and humidity in time because it is a impo

3、rtant place where the grain stores. The drawback exists to measure the environment of the granary artificially, accuracy is low and the stability is bad. This text has designed a kind of detection system of warm humidity of granary based on one-chip computer and sensor technology, measure on line, h

4、ave characteristic such as high precision and good stability. Systematic function and the range of measuring can reach the requirement that measure the warm humidity of the granary accurately in time .This text has been analyzed to the warm humidity detection system from two respects of hardware and

5、 software. The part of the systematic hardware is mainly makes up with the integrated warm humidity sensor, 12 total marks modulus converterICL7109, main chip AT89C51 and keyboard and shown the auxiliary chip 8279 ,this text have been discussed such respects as the workflow of the system, device cho

6、osing, the function of the chip and operation principle, etc. The part of the software has been designed such subprograms as the counted, the gathered of data, warm humidity shows, which can perfect the measuring function of the whole system. This system operation is simple, installed conveniently,

7、it is reliable and steady, the granary is especially suitable for the place that needing to monitor to the warm humidity in time, such places as the storehouse, etc.Key words：One-chip computer, Modulus converter, Warm and humid sensor 目 录1绪论11.1 背景11.2 国内外研究状况和相关领域研究成果11.2.1 粮仓温湿度检测发展状况11.2.2 单片机历史2

8、1.3 研究内容和研究方法32 系统的总体设计42.1 系统的组成42.2 系统工作流程42.3 系统的功能介绍53 系统的硬件设计63.1 温度采集系统63.1.1 集成温度传感器的选择63.1.2 AD590的性能特点63.1.3 温度采集电路73.2 模数转换器93.2.1 模数转换器的选择93.2.2 AD转换器ICL7109的特点93.2.3 I CL7109芯片引脚说明及外部连接103.2.4 ICL7109与89C51单片机的硬件接口设计123.3 湿度检测143.3.1 湿度传感器的选择143.3.2 HS1101的性能特点143.3.3 湿度测量电路153.4 AT89C51

9、单片机功能介绍173.4.1 芯片简介173.4.2 AT89C51各引脚在设计中的定义173.4.3 上电手动复位电路193.4.4 振荡电路203.5 键盘及显示接口扩展203.5.1 芯片的选择203.5.2 8279的引脚功能介绍213.5.3 8279与AT89C51的连接224 系统软件设计244.1 程序开发环境及设计原则244.2 本设计程序功能及流程24结 论29致 谢30参考文献31附录A32(1) INTER8279的命令字说明32(2) AT89C51芯片35附录B（其它附录资料）371绪论1.1 背景防潮、防霉、防腐是粮仓日常工作的重要内容，是衡量粮仓管理质量的重要指

10、标。它直接影响到储备粮食的使用寿命和工作可靠性。为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强粮仓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粮仓进行通风、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 国内外研究状况和相关领域研究成果1.2.1 粮仓温湿度检测发展状况粮食的安全存储是关系到国计民生的战略大事，科学保粮具有重要的社会意义与经济价值，粮仓管理中最重要的问题是检测粮堆中的温、湿度变化。国

11、家为粮食储藏每年需要支付很高的费用，这主要是因为检测设备成本较高，管理方式不够先进。在理论研究和实地考察实验的基础上，进行了粮食仓库温度和湿度实时在线巡回检测与控制系统的设计和研制。温度和湿度的检测与控制对防止粮食霉变有着重要的意义，讨论粮堆温度和湿度变化的主要原因以及粮食仓库中温度和湿度的允许变化范围。探讨在线测量，计算和控制粮食仓库温度和湿度的原理和方法，基本消灭了粮食霉变事故，同时也节省了大量人力和物力，减轻了粮仓管理的工作强度，提高了粮库管理效率，使粮食管理得到了安全可靠的保障。每到粮食收获季节各粮仓的粮食收购及粮情检测工作压力巨大，如何进行粮食的现代化管理也是每一个储库点的重中之重，

12、若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大浪费。粮仓管理中最重要的问题是检测粮堆中的温、湿度变化。国家为粮食储藏每年支付很高的费用，主要是因为检测测设备成本较高，管理方式不够先进，于是温湿度智能监控系统的研究与应用也日益迫切。粮食温度是能否保证粮食安全储存的重要指标之一,只有及时,准确地测得粮堆各层面的粮温数据,并根据检测的温度数据对粮食储存情况进行分析,作出决策,采取措施,最大限度的减少粮食在储存过程中的损失。正目前,粮库中的温湿度检测,基本上是人工检测,劳动强度大,繁琐,由于检测报警不及时,造成库储粮食损失的现象时有发生,于是,设计并研制性能价格比较高的粮库温湿度自动检测系统迫在眉睫。由于大型粮

13、库分布广、储量大，粮库的管理和监测难度大，基于粮库粮情检测系统上的计算机管理软件的设计，由每个粮仓中配置的下位机将粮情数据通过无线数传模块发送给上位机，上位机将下位机的数据以曲线和表格的形式表示出来，清晰直观地显示出各仓内温湿度状况，由上位机对粮仓进行监视，管理人员在控制室就可以看到实时粮情数据，对粮情数据进行分析，实现粮仓管理自动化、智能化。1.2.2 单片机历史单片机即单片微型计算机，是把中央处理器、存储器、定时/计数器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。它的最大优点是体积小、质量轻、价格便

14、宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器，但是目前在中国大陆仍多沿用“单片机”的称呼。绝大多数现在的单片机都是基于冯诺伊曼结构的，这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分：一个中央处理器核心，程序存储器（只读存储器或者闪存）、数据存储器（随机存储器），一个或者更多的定时/计时器，还有用来与外围设备以及扩展资源进行通信的输入/输出端口所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。说单片机与通用型中央处理单元芯片不同是因为前者一般很容易配合最小型的外部支持芯片制成工作计算机。这样就可以很容易的把单片机系统植入

15、装置内部来控制装置了。第一代：七十年代后期，4位逻辑控制器件发展到8位。使用NMOS工艺(速度低、功耗大、集成度低)。代表产品：MC6800、Intel 8048。第二代：八十年代初，采用CMOS工艺，并逐渐被高速低耗的HMOS工艺代替。代表产品：MC146805、Intel 8051。第三代：近十年来，MCU的发展出现了许多新特点：（1） 在技术上，由扩展总线型向纯单片型发展，即只能工作在单片方式。（2） MCU的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线。（3） 将多个CPU集成到一个MCU中。（4） 在降低功耗，提高可靠性方面，MCU工作电压已降至3.3V第四代：FLASH的使用使MCU技术

16、进入了第四代。1.3 研究内容和研究方法本课题需要研究的内容主要有以下几方面： (1)根据系统功能要求并且考虑系统的实用性和可操作性，进行系统的整体方案设计。该方案采用模块化设计方法，以方便系统调试和用户的使用。 (2)系统硬件设计。主要内容包括芯片的选择、芯片的功能介绍、芯片外围电路的设计等。 (3)系统软件设计。主要包括系统主程序，记数程序，采样子程序，读显示子程序，写显示RAM子程序。本设计以实用为出发点，力求设计原理简单，开发成本低，易于实现。器件选择上，也考虑到实际应用的具体情况。单片机控制可靠性高，温湿度传感器采集信号误差小，稳定度高，整个系统使用简单，经济实用，有很强实用性。2

17、系统的总体设计本章从系统组成、工作原理、工作范围等方面作了系统介绍。2.1 系统的组成根据系统总体功能，将其划分为以下几个功能模块：微处理器CPU、模数转换器A/D、温度传感器、湿度传感器、键盘、数码显示组成，整个系统的构成如图所示。温度信号采集电路12位双积分模数转换 器湿度信号采集系统单 8片9机 C51键 盘显 示图2.1温湿度控制系统框图2.2 系统工作流程本文设计过程可以分为三个阶段，即分析阶段，设计阶段和实现阶段。分析阶段。分析阶段：为本论文的开始，作为系统设计的前提阶段，分析系统的设计总括，初步了解系统硬软件部分的主要性能，并初步的确定系统的设计方案。设计阶段：在已经分析好的基础

18、上开始着手系统的总体设计，包括系统的硬件部分的设计和软件部分的设计。实现阶段：到了此阶段说明系统基本上已经设计完成，并确定了系统的全部安装连接工作，这时只要验证系统的可行性。具体的流程可概括如下：(1)了解系统的总体概况，初步确定系统的设计方案。(2)对系统进行全面的设计，主要由两部分：硬件的设计，软件的设计。(3)系统的实现：对已设置连接好的系统进行调试制作，确定系统的可行性。整个检测系统的核心器件是单片机，它是整个系统的“心脏”由它来接收温湿信号并控制协调各功能模块的正常工作。一方面AD590集成传感器采集温度信号，信号经过整理放大后送ICL7109A/D转换器，由此将模拟信号转变成数字信

19、号后送至CPU进行运算处理，另一方面湿度传感器HS1101将采集的湿度信号通过以555定时器为主的单稳态电路转换成数字信号直接送至89C51进行处理，在单片机内部，CPU根据模拟量与数字量的对应关系，把收到的数字量与温湿度值一一对照，找出合适的温湿度值进行显示，达到测温测湿的目的。显示部分由专用键盘、显示器控制芯片8279辅助单片机来完成，并可通过键盘输入指令进行控制，充分提高了单片机的工作效率。因89C51内含4KB的EEPROM，不需外扩展存储器，可使系统整体结构简单。2.3 系统的功能介绍本系统可对温湿度值进行实时检测，测温范围可为-55+150。C，根据粮仓内实际温度变化情况，将测温范

20、围设定为0-70。C。可测湿度测量范围是（0-100）%RH，这也足以满足对湿度的测量要求。所测温湿度值通过8279键盘显示芯片在数码管上进行显示，并可根据需要设定键盘功能控制温湿度的显示和消隐。整个系统测量精度高、稳定性好，性能上能够达到远距离测量温湿度的要求，适于安置在粮仓内进行检测。3 系统的硬件设计本章从器件选择、性能特点、电路分析等方面对硬件系统进行了讨论。3.1 温度采集系统3.1.1 集成温度传感器的选择集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测。集成温度变换器把作为感温元件的结型温

21、敏器件与外围电路集成在同一芯片上, 实现了温度变换器的小型化。由于附加了线性化电路, 因此变换器线性极好, 解决了温敏器件非线性问题。集成温敏变换器还具有高灵敏度、高电平输出、稳定性好, 易于与读出电路和控制电路接口等优点。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0。C时输出为0，温度25。C时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1A/ K。温度检测在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要地位。AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。这种器件在被测温度一定时, 相当于一个恒流源。该器

22、件具有良好的线性和互换性,测量精度高, 测温范围宽而且容易实现。并具有消除电源波动的特性。即使电源在515V之间变化,其电流只是在1A以下作微小变化。因为AD590是恒流器件, 所以适合远距离传送, 也容易实现智能数字化显示1。3.1.2 AD590的性能特点AD590是电流型温度传感器,一般用于精密温度测量电路,其电路外形如图3.1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Io；3脚为管壳,一般不用。集成温度传感器的电路符号如图3.2所示图3.1 AD590 的外形电路图3.2 集成温度传感器电路符号AD590的主要特性如下：1、两端器件：电压输入。 2、灵敏度：

23、1A/ K。即电流输出温度每增加1。C，它会增加1A输出电流。3、较宽的检测范围：-55+155。C。4、较宽的工作电压：+4+30V。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被损坏。5、输出电阻为710MW。6、精度高，线形好：AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55。C+150。C范围内，非线性误差为0.3。C。3.1.3 温度采集电路首先，我们根据AD590的特性，找出其输出电流值与温度值的关系。具体说明如下：AD590输出电流是以绝对温度零度(273。C)为基准，每增加1。C，它会增加1A输出电流，例如在室温25。C时，其输出电流Io

24、=(273+25)=298A。故AD590的输出电流I=(273+T)A(T为摄氏温度)。温度采集电路分析图3.3 AD590温度采集放大电路如图3.3所示因此量测的电压V为(273+T)A10K= (2.73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来,我们使用电压跟随器，其输出电压V2等于输入电压V。由于一般电源供应较多零件之后，电源是带杂讯的，因此我们使用齐纳二极体作为稳压零件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V。接下来我们使用差动放大器，其输出Vo为(50K/10K)(V2V1)=T/20V。如果现在为摄氏100度，输出电压为5V。图中用到两个LM3

25、24集成运算放大器，前一个起跟随作用，防止测电压时分流，第二个起放大作用，将电压信号放大5倍后送至模数转换器2，此电路的最终目的是实现信号的放大并将输出电压与测量温度的关系设定为V=。这样输入模数转换器的电压不会超过满度电压，同时所测温度的范围也满足要求。本设计设定的测温范围是0。C70。C，那么输入ADC的模拟电压范围为0V3.5V。3.2 模数转换器3.2.1 模数转换器的选择 在测量系统中,常常需要将检测到的连续变化的模拟量如：温度、压力、流量、速度、光强等转变成离散的数字量，才能输入到计算机中进行处理。这些模拟量经过传感器转变成电信号（一般为电压信号），经过放大器放大后，就需要经过一定

26、的处理变成数字量。实现模拟量到数字量转变的设备通常成为模数转换器（ADC），简称A/D。双积分式A/D转换器的基本原理是：先对输入模拟电压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压的反相积分，直至积分输入返回初始值，这两个积分时间的长短正比于二者的大小，进而可以得出对应模拟电压的数字量。这种A/D转换器对消除共模干扰性能特别优异，虽然转换速度较慢，但不影响这种变化速度不高的温度信号的检测，且精度较高。 ICL7109是一种价格低廉的双积分式12位模/数变换器。该芯片由模拟电路和数字电路两部分组成，其中模拟电路由模拟信号输入、振荡电路、积分、比较电路和基准电压源组成。数字电路由时钟振荡器、异步通信握

27、手逻辑、转换控制逻辑、计数器、锁存器、三态门组成。其最大的特点是数据输出为12位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。3.2.2 AD转换器ICL7109的特点ICL7109主要有如下特性：(1) 高精度(精确到1/212=1/4096)，低漂移(1V/。C)；(2) 低噪声(典型值为15VP-P)，低功耗(20mw)；(3) 高输入阻抗(典型值1012欧姆)；(4) 转换速度最快达30次/秒，当采用3.58MHz晶振作振源时，速度为7.5次/秒；(5) 片内带有振荡器，外部可接晶振或RC电路以组成不同频率的时钟电路；(6) 12位二进制输出，同时还有一位极性位和一位溢出

28、位输出； (7) 输出与TTL兼容，以字节方式(分高低字节)三态输出，并且具有VART挂钩方式，可以用简单的并行或串行口接到微处理系统； (8) 可用RVN/（运行/保持）STATUS(状态)信号监视和控制转换定时；(9) 所有输入端都有抗静电保护电路。 (10) ICL7109工作电压为双电源5V，基准电压典型值为外部分压输入的2.8V3。3.2.3 I CL7109芯片引脚说明及外部连接图3.4 ICL7109引脚说明及外部连接ICL7109的引脚功能如下： GND：数字地,0V。 V-：负电源，接-5V。 V+：正电源，接+5V。STATUS：状态输出，ICL7109转换结束时，该脚发出

29、转换结束信号。POL：极性输出，高电平表示ICL7109的输入信号为正。OR：过量程状态输出，高电平表示过量程。B1B12：三态转换结果输出，B12为最高位，B1为最低位。TEST：此引脚仅用于测试芯片，接高电平时为正常操作，接低电平时则强迫所有位B1B12输出为高电平。：低字节使能端。当MODE和CE/LOAD均为低电平时，此信号将作为低位字节（B1B8）输出的辅助选通信号；当MODE为高电平时，此信号将作为低位字节输出。：高字节使能端。当MODE和CE/LOAD均为低电平时，此信号将作为低电平时，此信号将作为高位字节（B8B12）以及POL、OR输出的辅助的选通信号；当MODE为高电平时，

30、此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。：片选端。当MODE为低电平时，它是数据输出的主选通信号，当本脚为低电平时，数据正常输出；当本脚为高电平时，则所有数据输出端（B1B12，POL、OR）均处于高阻状态。MODE：方式选择。当输入低电平信号时，转换器为直接输出工作方式。此时，可在片选和数据使能的控制下直接读取数据。当输入高电平脉冲时，转换器处于UART方式，并在输出的两个字节的数据后，返回到直接输出方式。当输入高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。OSC IN、OSC OUT：振荡器输入、输出端。OSC SEL：振荡器选择。输入高电平时，采用RC振荡器；当输入低

31、电平时采用晶体振荡器。BUF OSC OUT：缓冲振荡器输出。RUN/：运行/保持输入。输入高电平时，每经8192个时钟脉冲均完成一次转换。当输入低电平时，转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调零阶段，从而缩短了消除积分阶段的时间，提高了转换速度。SEND：是输入信号。用于数据信号传送时的信号交换方式，以指示外部器件能够接受数据的能力。REF OUT：基准电压输出，一般为+2.8V。 BUF：缓冲器输出。AZ：自动调零电容CAZ连接端。INT：积分电容CINT连接端。COMMON：公共模拟端。INLO、INHI：差分输入低端、高端。REFIN+、REFIN-：正、负差分基准输入端。REFCA

32、P+：正差分电容连接端。REFCAP-：负差分电容连接端。ICL7109外部电路连接元件参数选择：基准电压的供给：ICL7109片内含有参考电压源，由REFOUT(29端)输出，一般为2.048V伏，经电阻分压输出。基准电压输入为差分输入，分别从REFIN+(36端)、REFIN-(39 端)引入。一般来说对模拟输入如果满度输出4096个数，则VIN =2VREF，即2.048V基准电压对应于4.096满度输入模拟电压，当输入模拟电压为5.0V，因此基准电压为2.5V，通过片内参考电压源经电位器分压得到。时钟电路的选择：ICL7109时钟电路选择晶体振荡器，为了使电路具有抗50Hz串模干扰能力

33、，A/D转换应选择积分时间（2048个时钟数）等于50Hz的整数倍，系统选择3.58MHz晶振。本设计中，ICL7109接成晶体振荡器时，内部时钟为58分频后的振荡器频率。ICL7109每转换一次所需的时间为8192个时钟周期，转换时间的计算公式为：转换时间=(819258)/晶振频率。本系统中所用晶振频率为3.58MHz，则转换时间为133ms，即一秒转换7.5次。积分电容CINTZ选择：积分电压根据积分器给出的最大输出摆幅电压选择。此电压应使积分器不饱和(大约低于电源0.3V)。对于ICL71095V电源，0.15uF比较合适。通常CINT=。自动调零电容CAZ选择：在模拟输入信号较小时，

34、如00.5伏时，自动调零电容可选比积分电容CINT大一倍，以减小噪声，CAZ的值越大，噪声越小，如果CINT选为0.15F，则CAZ=2CINT=0.33F。当传感器传来的微弱信号经放大器放大后为05V，这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容CINT选大一些，使CINT=2CAZ，选CINT=0.33F，CAZ=0.15F，本系统正属于这种情况。积分电阻RINT选择：缓冲放大器和积分器能够提供20A的推动电流，积分电阻要选的足够大。以保证在输入电压范围内的线性。积分电阻RINT等于满度电压时对应的电阻值(当电流为20A、输入电压=4.096V时，RINT=200千欧)，此时基准电压V+RI和V

35、-RI之间为2V，由电阻R1、R3和电位器R2分压取得。 基准电容CREF一般取值1uF 较好。如果存在一个大的共模电，要求电容值较大，以防止滚动误差。3.2.4 ICL7109与89C51单片机的硬件接口设计ICL7109内部有一个14位(12位数据和一位极性、一位溢出)的锁存器和一个14位的三态输出寄存器，同时可以很方便地与各种微处理器直接连接，而无需外部加额外的锁存器。ICL7109有两种接口方式，一种是直接接口，另一种是挂钩接口。在直接接口方式中，当ICL7109转换结束时，由STATUS发出转换结束指令到单片机，单片机对转换后的数据分高位字节和低位字节进行读数。在挂钩接口方式时，IC

36、L7109提供工业标图3.5 ICL7109与89C51的接口电路准的数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统4。本系统采用直接接口方式，7109的MODE端接地，使7109工作于直接输出方式。ICL7109与AT89C51的连接如图3.5所示，两者间关系如下：RUN/(运行/保持)引脚接+5V，使A/D转换连续进行。B1B12输出高低位数据，POL、OR输出极性和溢出位，这些数据分时送至89C51的P0口。将STATUS线与89C51的INT0相连，这样每完成一次转换便向89C51发一次中断请求。A/D转换正在进行时，STATUS引脚输出高电平。当一次AD结束时，STATUS引脚降为低电平，

37、由P2.6输出低电平信号到ICL7109的，读高位数据、极性和溢出位；由P2.5输出低电平信号到，读低位数据，实现了数据的分时传输。这种方法可简化设计，节省硬件和软件。为7109片选端，低电平时数据数据正常输出，接至89C51的读选通端。其中ICL7660是5V输入5V输出的电源极性变换器，用来为ICL7109提供双极性电压。3.3 湿度检测3.3.1 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中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，电容式、电阻式和湿涨式湿敏元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。HS1101是一种

38、高分子湿敏电容传感器, 湿敏电容是一种在高分子薄膜上形成的电容，高分子薄膜上的电极是很薄的金属微孔蒸发膜，水分子可通过两端的电极被高分子薄膜吸附或释放，随着这种水分子的吸附或释放，高分子的介电系数将发生相应的变化。由于介电系数随空气的相对湿度变化而变化。所以只要测定电容C值就可得相对湿度。其具有不需校准的完全互换性、高可靠性和长期稳定性，响应时间快速。专利设计的固态聚合物结构，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。3.3.2 HS1101的性能特点HS1101的主要性能特点如下：(1) 相对湿度在0%100%RH范围内, 相对湿度为55%RH时的典

39、型电容值约182pF温度系数为0.04pF/。C可见精度是较高的，常温使用无需温度补偿，无需校准。相对湿度在(3375) %RH 之间时平均灵敏度为0.34pF/%RH 。(2) HS1101有响应快(响应时间小于5S)、线性度高、高可靠性及长期稳定性(年漂移量0.5 %RH/年)、常时间饱和下快速脱湿等优点。(3) 供电电压一般选+5V最高不超过+10V。+5V供电时间的漏电仅为1nA，工作温度范围为- 40。C100。C。(4) 产品具有良好的互换性。在标准条件下（10KHZ、+25。C），更换HS1101时不需要重新标定。湿度值与电容值的关系如下图所示：图3.6 湿度- 电容响应曲线相对

40、湿度为55 %RH时的典型电容值约182pF，相对湿度从0%变化到100%时，电容量由162pF变到200pF。湿度传感器工作范围如下图： 图3.7 HS1101湿敏电容工作的温湿度范围HS1101的工作范围包含三个区域，长期稳定区，正常工作区和非正常区。在长期工作区可长期连续工作，正常稳定区仅供短期测量使用。3.3.3 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。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，常用两种方法：一是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

41、为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于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。本设计采用频率输出形式，采集电路如图3.8所示。图3.8 湿度信号采集电路通电后，电源沿着UCCR4R2C地的途径给C充电，经过t1时间后湿敏电容的压降UC就被充电到TLC555的高触发电平(UH=0.67UCC)，使内部比较器翻转，OUT端的输出变成低电平。然后C开始放电，放电回路为CR2D端内部放电管地。经过t2时间，UC降至低触发电平（UL=0.33UCC）,内部比较器再次翻转，使OUT端输出高电平。这样周而复始的进行充、放电，就形成了震荡。充电，放电时间分别为： 输出

42、波形的频率（f）和占空比（D）的计算机公式如下： 通常取R4R2,使D50%，输出接近于方波。例如，取R2=576k、R4=49.9k时，D=52%。当C=C0=181.5pF时，求出f=6668Hz,这与6660Hz非常接近。输出方波频率与相对湿度的数据对照见表3.1。湿敏电容经振荡电路变换后的脉冲频率信号，送入单片机的定时/计数器T1，T1工作于方式1为16位计数器，同时用T0定时1S，实现计数功能，记录脉冲数并存入内存缓冲区。表3.1 输出方波频率与相对湿度的数据对照表湿度 频率 湿度 频率 %RH Hz%RH Hz 0 7351 10 7224 20 7100 30 6976 40 6

43、853 50 672860 660070 646880 633090 6186100 60333.4 AT89C51单片机功能介绍3.4.1 芯片简介AT9C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断

44、口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。3.4.2 AT89C51各引脚在设计中的定义本设计中，单片机引脚功能定义如下，如图3.4.1所示：图3.4.1 AT89C51在本设计中的引脚89C51各管脚说明如下：Vcc：电源引脚，接+5V电源。 Vss：接地。RST/Vpd：RST是复位信号输入端，高电平有效。Vpd为备用电源输入端。XTAL1，XTAL2：时钟引脚。两引脚间外接晶体与片内反相放大器构成一个振荡器，为单片机提

45、供时钟控制信号。本设计根据需要外接6MHZ晶体。：外部中断0输入，本设计中与ICL7109的STATUS相连接受中断请求信号。：外部中断1输入，本设计中接收来自8279的中断请求。T1：定时器/计数器T1外部输入。本设计中将湿度检测电路产生的频率输入T1口，用T1计数。同时用T0设置1S的定时，从而实现计数功能。：外部数据存储器写脉冲输入线。：外部数据存储器读脉冲输入线。设计中与8279和7109的片选端相连负责数据的读写。ALE/：地址锁存允许信号输出端，设计中此端接到74LS373地址锁存器的锁存允许端实现锁存功能。/Vpp：程序存储器地址允许输入端。当为高电平时，CPU执行片内程序存储器

46、指令，当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器的指令。本设计不用外扩程序存储器，固此脚接高电平。P3口为多功能口，每一位都可以分别被定义为复用的输入功能或复用的输出功能。当P3口某一位的锁存器被置1后，输出端可由复用的输出功能信号控制，作复用的输出功能的输出线使用。而实际上，如果把复用输出功能控制端置1，则P3.x端可实现复用的输入功能。P2口是一个准双向I/O口，它有两种使用功能：一种是作普通的I/O口使用；另一种是作系统扩展的地址总线口，输出高8位的地址。当口电路中的多路开关接通锁存器的Q端输出时，P2口作普通输入输出使用，当开关接通地址时，作地址总线口使用，P2口的引脚状态由所输出的地址确定。本系统中用P2.6和P2.5对ICL7109的高低位数据输出进行控制，P2.7接到8279的片选端。P0口为双向I/O口，它的结构与P2口相似，可作输入/输出口使用，也可作系统扩展的地址/数据总线口。P0口作地址/数据总线口使用时，由控制线控制将电子开关接通至地址/数据端，分时输出扩展外存的低8位地址。本设计中，P