仓库温湿度的监测系统Word下载.docx
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2%RH；
响应时间小于5S；
温度系数为0.04pF/℃.可见精度是较高地.
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地要求,但其只限于一定范围内使用时具有良好地线性,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℃地要求,因此,我们选择方案二来作为本设计地湿度传感器.
2.3信号采集通道地选择
在本设计系统中,温度输入信号为8路地模拟信号,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.
这种结构地模拟量通道特点为：
（1）可以根据各输入量测量地饿要求选择不同性能档次地器件.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、采用多路分时地模拟量输入通道.
这种结构地模拟量通道特点为：
（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.
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地要求,比较其框图,方案二更具备硬件简单地突出优点,所以选择方案二作为信号地输入通道.
图2-1多路并行模拟量输入通道
图2-2多路分时地模拟量输入通道
第三章系统总体设计
本设计是基于单片机对数字信号地高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号,和A/D模拟数字转换芯片地性能,我设计了以8031基本系统为核心地一套检测系统,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、系统软件等部分地设计.
图3-1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地.
<
一）信号采集由AD590、HS1100及多路开关CD4051组成；
二）信号分析由A/D转换器MC14433、单片机8031基本系统组成；
三）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地集成两端感温电流源.
一．主要特性
AD590是电流型温度传感器,通过对电流地测量可得到所需要地温度值.根据特性分挡,AD590地后缀以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3-2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.集成温度传感器地电路符号如图3-2所示.
图3-2AD590外形<
图1）及电路符号<
图2）
1、流过器件地电流<
μA）等于器件所处环境地热力学温度<
开尔文）度数,即：
IT/T=1μA/K
式中：
IT——流过器件<
AD590）地电流,单位μA.
T——热力学温度,单位K.
2、AD590地测温范围-55℃-+150℃.
3、AD590地电源电压范围为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℃.
2AD590地工作原理
在被测温度一定时,AD590相当于一个恒流源,把它和5～30V地直流电源相连,并在输出端串接一个1kΩ地恒值电阻,那么,此电阻上流过地电流将和被测温度成正比,此时电阻两端将会有1mV／K地电压信号.其基本电路如图3-3所示.
图3-3AD590内部核心电路
图3-3是利用ΔUBE特性地集成PN结传感器地感温部分核心电路.其中T1、T2起恒流作用,可用于使左右两支路地集电极电流I1和I2相等；
T3、T4是感温用地晶体管,两个管地材质和工艺完全相同,但T3实质上是由n个晶体管并联而成,因而其结面积是T4地n倍.T3和T4地发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上,所以R上端电压为ΔUBE.因此,电流I1为：
I1＝ΔUBE／R＝<
KT／q）<
lnn）／R
对于AD590,n＝8,这样,电路地总电流将与热力学温度T成正比,将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比地输出电压.因为利用了恒流特性,所以输出信号不受电源电压和导线电阻地影响.图3中地电阻R是在硅板上形成地薄膜电阻,该电阻已用激光修正了其电阻值,因而在基准温度下可得到1μA／K地I值.
图3-4AD590内部电路
图3-4所示是AD590地内部电路,图中地T1～T4相当于图3-3中地T1、T2,而T9,T11相当于图3-3中地T3、T4.R5、R6是薄膜工艺制成地低温度系数电阻,供出厂前调整之用.T7、T8,T10为对称地Wilson电路,用来提高阻抗.T5、T12和T10为启动电路,其中T5为恒定偏置二极管.
T6可用来防止电源反接时损坏电路,同时也可使左右两支路对称.R1,R2为发射极反馈电阻,可用于进一步提高阻抗.T1～T4是为热效应而设计地连接防式.而C1和R4则可用来防止寄生振荡.该电路地设计使得T9,T10,T11三者地发射极电流相等,并同为整个电路总电流I地1／3.T9和T11地发射结面积比为8：
1,T10和T11地发射结面积相等.
T9和T11地发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上,因此可以写出：
ΔUBE＝<
R6－2R5）I／3
R6上只有T9地发射极电流,而R5上除了来自T10地发射极电流外,还有来自T11地发射极电流,所以R5上地压降是R5地2／3.
根据上式不难看出,要想改变ΔUBE,可以在调整R5后再调整R6,而增大R5地效果和减小R6是一样地,其结果都会使ΔUBE减小,不过,改变R5对ΔUBE地影响更为显著,因为它前面地系数较大.实际上就是利用激光修正R5以进行粗调,修正R6以实现细调,最终使其在250℃之下使总电流I达到1μA／K.
二．基本应用电路
图3-8是AD590用于测量热力学温度地基本应用电路.因为流过AD590地电流与热力学温度成正比,当电阻R1和电位器R2地电阻之和为1kΩ时,输出电压V0随温度地变化为1mV/K.但因为AD590地增益有偏差,电阻也有偏差,因此应对电路进行调整,调整地方法为：
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℃附近有较高地精度.
图3-5 AD590应用电路
三．摄氏温度测量电路
如图3-5所示,电位器R2用于调整零点,R4用于调整运放LF355地增益.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.
四.多路检测信号地实现
本设计系统为八路地温度信号采集,而MC14433仅为一路输入,故采用CD4051组成多路分时地模拟量信号采集电路,其硬件接口如图3-6所示
图3-6八路分时地模拟量信号采集电路硬件接口
3.1.2湿度传感器
测量空气湿度地方式很多,其原理是根据某种物质从其周围地空气吸收水分后引起地物理或化学性质地变化,间接地获得该物质地吸水量及周围空气地湿度.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地介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量地.下面介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其应用.
一、特点
不需校准地完全互换性,高可靠性和长期稳定性,快速响应时间,专利设计地固态聚合物结构,由顶端接触<
图3-7a为湿敏电容工作地温、湿度范围.图3-7b为湿度-电容响应曲线.
图3-7a、湿敏电容工作地温、湿度范围图3-7b、湿度-电容响应曲线.
二、湿度测量电路
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地增大而增大.如何将电容地变化量准确地转变为计算机易于接受地信号,常有两种方法：
一是将该湿敏电容置于运方与租蓉组成地桥式振荡电路中,所产生地正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；
另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中,将电容值地变化转为与之成反比地电压频率信号,可直接被计算机所采集
频率输出地555测量振荡电路如图3-7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地充电回路.7端通过芯片内部地晶体管对地短路又构成了对C地放电回路,并将引脚2、6端相连引入到片内比较器,便成为一个典型地多谐振荡器,即方波发生器.另外,R3是防止输出短路地保护电阻,R1用于平衡温度系数.
图3-7、频率输出地555振荡电路
该振荡电路两个暂稳态地交替过程如下：
首先电源Vs通过R4、R2向C充电,经t充电时间后,Uc达到芯片内比较器地高触发电平,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下降到比较器地低触发电平,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=CR2Ln2
因而,输出地方波频率为
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地频率信号,表3-1给出了其中地一组典型测试值.
表3-1、空气湿度与电压频率地典型值
三、多路检测信号地实现
本设计系统为八路地湿度信号采集,故采用CD4051组成多路分时地模拟量信号采集电路,其硬件接口如图3-8所示
图3-8八路分时地模拟量信号采集电路硬件接口
3．1．3多路开关
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地模拟输入端,并通过地址线上不同地地址信号把n个通道中任一通道输入地模拟信号输出,实现有n线到一线地接通功能.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线地分离功能.因此,多路开关通常是一种具有双向能力地器件.
在本设计中,因为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地.
我选用地是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,带有禁止端地8选1译码器输入,分别加上控制地8个COMS模拟开关TG组成.CD4051地内部原理框图如图3-9所示.
图3-9、CD4051地内部原理框图
图中功能如下：
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3-2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.
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和各通道地接通关系如下
表3-2
输入状态
接通
通道
输入状态
INH
C
B
A
1
5
6
0
2
7
3
x
均不显示
4
3．2信号分析与处理
3．2．1A/D转换
一．A/D转换器地特点
为了把温度、湿度检测电路测出地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.因为MC14433只有一路输入,而本系统检测地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.
MC14433A/D转换器
因为双积分方法二次积分时间比较长,所以A/D转换速度慢,但精度可以做得比较高；
对周期信号变化地干扰信号积分为零,抗干扰性能也比较好.
目前,国内外双积分A/D转换器集成电路芯片很多,大部分是用于数字测量仪器上.常用地有3.5位双积分A/D装换器MC14433和4.5位双积分A/D转换器ICL7135
二．MC14433A/D转换器件简介
MC14433是三位半双积分型地A/D转换器,具有精度高,抗干扰性能好地优点,其缺点是转换速率低,约1—10次/秒.在不要求高速转换地场合,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转换器地被转换电压量程为199.9mV或1.999V.转换完地数据以BCD码地形式分四次送出<
最高位输出内容特殊,详见表3-3）.
图3-10MC14433A/D转换器地内部逻辑框图
图3-11MC14433引脚图
MC14433地框图<
图3-10）和引脚<
图3-11）功能说明
各引脚地功能如下：
电源及共地端
VDD：
主工作电源+5V.
VEE:
模拟部分地负电源端,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0.1µ
F.
C01、C02：
外界补偿电容端,电容取值约0.1µ
R1/C1：
R1与C1地公共端.
CLKI、CLKO：
外界振荡器时钟调节电阻Rc,Rc一般取470KΩ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：
启动新地转换,若DU与EOC相连,每当A/D转换结束后,自动启动新地转换.
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.
图3-12MC14433选通脉冲时序图
BCD码输出线
Q0---Q3：
BCD码输出线.其中Q0为最低位,Q3为最高位.当DS2、DS3和DS4选通期间,输出三位完整地BCD码数,但在DS1选通期间,输出端Q0-------Q3除了表示个位地0或1外,还表示了转化值地正负极性和欠量程还是过量程其含意见表3-3
表3-3、DS1选通时Q3～Q0表示地结果
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；
一．MC14433与8031单片机地接口设计
因为MC14433地A/D转换结果是动态分时输出地BCD码,Q0～Q3HEDS1～DS4都不是总线式地.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8031单片机地应用系统来说,MC14433可以直接和其P1口或扩展I/O口8155/8255相连.下面是MC14433与8031单片机P1口直接相连地硬件接口,接口电路如图3-13所示
图3-13MC14433与8031单片机P1口直接相连地硬件接口
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地电量采集过程.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地数字信号,再送入计算机系统地相应端口.
因为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来达到存储器地要求,其结果通过显示器来进行显示输出.
3.2.2.18031地片内结构
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系列单片机中地一种.
图3-148031基本组成
CPU中央处理器：
中央处理器是8031地核心,它地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地运算.
时钟电路：
8031内部有一个频率最大为12MHZ地时钟电路,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位地定时/计数器,每个定时器/计数器都可以设置成定时地方式和计数地方式,但只能用其中地一个功能,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位地并行I/O口,P0,P1,P2,P3,以实现数据地并行输出.
串行口：
它有一个全双工地串行口,它可以实现计算机间或单片机同其它外设之间地通信,该并行口功能较强,可以做为全双工异步通讯地收发器也可以作为同步移位器用.
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,全部地中断分为高和低地两个输出级.
3.2.2.28031地引脚图
3-158031引脚图
8031地制作工艺为HMOS,采用40管脚双列直插DIP封装,引脚说明如下：
VCC<
40引脚）正常运行时提供电源.
VSS<
20引脚）接地.
XTAL1<
19引脚）在单片机内部,它是一个反向放大器地输入端,该放大器构成了片内地震荡器,可以提供单片机地时钟信号,该引脚也是可以接外部地晶振地一个引脚,如采用外部振荡器时,对于8031而言此引脚应该接地.
XTAL2<
18引脚）在内部,接至上述振荡器地反向输入端,当采用外部振荡器时,对MCS51系列该引脚接收外部震荡信号,即把该信号直接接到内部时钟地输入端.
RST/VPD<
9引脚）在振荡器运行时,在此引脚加上两个机器周期地电平将单片机复位,复位后应使此引脚电平保持不高于0.5V地低电平以保证8031正常工作.在掉电时,此引脚接备用电源VDD,以保持RAM数据不丢失,当BVCC低于规定地值时,而VPD在其规定地电压范围内时,VPD就向内部数据存储器提供备用电源.
ALE/PROG<
30引脚）当8031访问外部存储器时,包括数据存储器和程序存储器,ALE9地址锁存允许0输入地脉冲地下沿用于锁存16位地址地低8位,在不访问外部存储器地时候,ALE仍有两个周期地正脉冲输出,其频率为振荡器地频率地1/6,在访问外存储器地是候,在两个周期中,ALE只出现一次,ALE断可驱动8个LSTTL负载,对于有片内EPROM地而言,在EPROM编程期间,此脚用于输入编程脉冲PROG.
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