测控系统专业课程基于单片机的温湿度检测系统设计本科学位论文.docx

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测控系统专业课程基于单片机的温湿度检测系统设计本科学位论文

摘要

随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。

常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。

  温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度采集控制系统的设计与研究有十分重要的意义。

如果用人工进行温湿度测量的话，不仅费时费力，而且效率低，且测试的温度及湿度误差都比较大。

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检测系统。

为了准确获取现场的温、湿度值,提出了基于单片机的温、湿度测试系统的设计。

现场的温、湿度采集分别使用温度传感器AD590和湿度传感器HS1101。

从测试现场采集到的温、湿度经A/D转换送单片机进行处理,然后通过接口芯片与上位机相连,进行串行通信,从而以较低的成本、较高的精度实现了现场温、湿度的测试,具有一定的实用前景。

关键词：

温度传感器；湿度传感器；单片机；温湿度检测

第一章引言

1.1课程设计的目的、意义

本课程设计是测控技术与仪器专业教学中的一个重要专业实践环节。

为了使学生在以后就业中可能接触到的生产现场、生产过程和测控系统的设计有较为深刻的认识，本次实习重点是要求学生能设计完成一个实际的应用系统。

通过设计应用系统，使学生对所学的传感器、微机原理、精密仪器与设备、计算机网络、组态软件、PLC设计等方面的知识有更进一步的深刻的认识和掌握，培养学生综合应用所学专业知识和技能分析解决实际问题的能力，熟悉技术设计工作的一般程序和方法。

1.2课程设计的任务、要求

通过设计，要求学生在指导教师的指导下，独立完成所分担的课题设计内容。

包括：

正确选择方案，正确地进行器件的选择，软硬件设计、模拟调试；可能情况下，根据课题设计需要进行必要的实验、调试；绘制相应的电路图；编制软件程序，实现相应的功能；编写设计说明书；参加答辩。

1.3课程设计的时间安排

第一周：

1、领取任务书，提交本组的实施方案。

要求方案中必须包括：

题目、原理图、功能方框图，必要的计算及所需的元器件清单。

2、学习PROTEL软件，掌握印刷电路板的设计方法；熟悉MCGS及PLC编程软件，掌握其编程方法；

第二周：

1、绘出正式的电路原理图及相应的印刷电路图。

2、认识、检查、测试元器件，制作传感器。

3、编制PLC控制程序及组态监控画面，测试。

第三周：

1、制作印刷电路板；焊接、调试电路；编制软件程序，实现相应的功能；

2、对所设计、制作的装置或系统进行调试给出相应的技术性能指标；对调试中所出现的问题进行记录与总结，记录实验数据。

第四周：

1、编写课程设计总结报告，报告的内容：

（1）课题名称；

（2）电路工作原理图，主要参数计算，印刷电路图设计的主要步骤与方法；（3）电路主要元器件的名称、技术参数、测试仪器、测试方法;（4）电路的安装、调试的方法与步骤，故障分析及解决的办法；（5）测试结果讨论与误差分析；

最后，还要对本次课程设计进行总结，写出在设计中的收获体会，如创新思想、对电路的改进方案、成功的经验、失败的教训等。

2、答辩

3、交设计总结报告

第二章方案的比较和论证

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参量，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℃，XX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℃。

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。

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。

2.2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1%---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0.04pF/℃。

可见精度是较高的。

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-30～50℃的要求，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。

第三章系统总体方案设计

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，此设计以89S51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。

系统总体方框图如图3.0。

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ADC0809、单片机89C51基本系统组成；

（3）信号显示由串行口LED显示器和报警电路组成。

3.1温度传感器简介

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。

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。

3.1.1温度传感器主要特性

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：

Ir/T=1，式中，Ir—流过器件（AD590）的电流，单位为μA；T—热力学温度，单位为K；AD590的测温范围为-55℃~+150℃；AD590的电源电压范围为4～30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；输出电阻为710mΩ；精度高，AD590在-55℃~+150℃范围内，非线性误差仅为±0.3℃。

3.1.2AD590的工作原理

AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流。

其规格如下：

温度每增加1℃，它会增加1μA输出电流。

可量测范围-55℃至150℃。

供应电压范围+4V至30V。

AD590的接脚图及零件符号如图3.1所示：

图3.1AD590的接脚图及零件符号

AD590的输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Io=（273+25）=298μA。

Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为2.98V（10K×298μA）。

量测Vo时，不可分出任何电流，否则量测值会不准。

AD590的输出电流I=（273+T）μA（T为摄氏温度），因此量测的电压V为（273+T）μA×10K=（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，我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。

由于一般电源供应较多零件之后，电源是带噪声的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压零件，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（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果现在为摄氏28℃，输出电压为2.8V，输出电压接A/D转换器，那么A/D转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。

AD590温度传感器使用原理如图3.2。

图3.2AD590温度传感器使用原理图

3.2湿度传感器简介

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。

下面介绍HS1100（顶端接触）/HS1101（侧面接触）湿度传感器及其应用。

3.2.1湿度传感器主要特性

（1）监测速度快；

（2）高精度和高可靠性；（3）快速响应时间和长期稳定性；（4）使用方便体积小；（5）适用于线性电压输出和频率输出两种电路；（6）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1%~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0.04pF/℃，可见精度是较高的。

3.2.2HS1101工作原理

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。

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，常用方法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成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。

HS1100/HS1101湿度传感器在不同的相对湿度中的电容值不同，而容值得改变使输出的频率发出相应的改变，HS1100/HS1101的容值随着相对湿度的增大而增大，因此输出频率随着相