單片機畢業(yè)設計--多功能空氣濕度計設計

1、<p>　　多功能空氣濕度計的設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　濕度是表示大氣干濕程度的物理量。空氣的濕度與我們的生活、工作、生產(chǎn)都有著直接的聯(lián)系，為了獲得和測量濕度值，就必須對濕度的測量進行研究。</p><p>　　本文介紹了一種新型多功能空氣濕度計的原理和測量方法，采用CHR-01濕敏電

2、阻作為濕度敏感元件，設計出溫濕度檢測模塊來測量空氣中的溫濕度值。運用單片機對經(jīng)過AD轉化后的測量信號進行運算處理，再由LED顯示模塊顯示出當前空氣溫濕度值，并通過語音報警模塊對其進行實時監(jiān)控。同時，還對傳感器進行非線性補償，對測量數(shù)據(jù)進行修正以減少測量誤差。本文在設計過程中主要做了以下幾個方面的工作：一是討論并選擇系統(tǒng)的總體設計方案；二是對傳感器、A/D轉換器和單片機進行設計和選擇；三是對單片機及其接口進行電路及軟件的設計。</p

3、><p>　　實驗測試結果表明：該空氣濕度計的性能指標基本達到了設計要求。</p><p>　　關鍵詞：濕度；濕敏電阻；AD轉換器；單片機；</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的目的及意義</p><p>　　濕度是表示大氣干濕程度的物理量。有絕對濕度、

4、相對濕度、露點等多種表示方式。絕對濕度是單位體積空氣中所含水蒸汽的質量。一般用1立方米空氣中所含水蒸汽的克數(shù)來表示。對于干燥過程的控制熱平衡的調整等，都必須了解絕對濕度。相對濕度為空氣中實際所含水蒸汽的密度與同溫度下飽和水蒸汽密度的百分比，它是一個無量綱的數(shù)。在貯存或加工與周圍空氣處于濕度平衡的材料時，相對濕度有著很大的意義?？諝庠谝欢囟葧r只能吸收一定量的水汽，空氣中的水蒸氣達到飽和狀態(tài)時的溫度，叫做露點溫度。</p>

5、<p>　　研究表明：濕潤的空氣才能保持生機盎然。為防止家具、木質裝修、書籍或樂器老化、變形甚至干裂的情況出現(xiàn)，儲存以上物品時室內(nèi)濕度應保持在45%~55%RH之間，而冬季北方家庭室內(nèi)濕度僅為10%~15%RH，干燥使我們可能帶上2000~7000伏的高壓靜電，由于家用和辦公電器的普及，靜電更是無處不在。嚴重的靜電會使人心情煩躁、頭暈胸悶、喉鼻不適。只有檢測出空氣濕度后，才能運用相應的方法調節(jié)空氣濕度，有效消除靜電，創(chuàng)造森林、

6、海濱般的清新空氣?？梢娍諝鉂穸鹊臋z測對于我們的身心健康和工作學習的重要性。</p><p>　　溫度、濕度監(jiān)測在人們現(xiàn)實生活生產(chǎn)中應用已日漸廣泛，在發(fā)電廠、紡織、食品、醫(yī)藥、建筑、倉庫、農(nóng)業(yè)大棚等眾多的應用場所，對溫度、濕度參量的要求都非常嚴格，因此能否有效對這些領域的溫、濕度數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和控制是一個必須解決的重要前提。</p><p>　　本課題即以上述問題為出發(fā)點，設計實現(xiàn)了對空氣

7、溫度、濕度的實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能檢測出當前空氣的溫濕度，并當濕度超出用戶設定的濕度值時，進行自動報警。</p><p>　　1.2 濕度傳感器的現(xiàn)狀</p><p>　　傳感器屬于多學科交叉、技術密集的高技術產(chǎn)品，其技術水平?jīng)Q定于科學研究的水平，而我國在傳感器研究方面科研投資強度偏低，科研設備落后，加之我國存在科研和生產(chǎn)脫節(jié)的現(xiàn)象，所以影響了傳感器科研成果的轉化，造成了我國傳感器產(chǎn)品綜合

8、實力較低，阻礙了傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。</p><p>　　高分子濕度傳感器的研究始于1938年，由美國的達姆(F.W.Dummore)在金屬絲狀電極的上面浸涂一層聚乙烯醇和氯化鋰的混合感濕膜，而研制出的浸涂式氯化鋰濕度傳感器。此后，電解質、有機高分子、各種感濕材料組成的傳感器相繼出現(xiàn)。自從1978年芬蘭Vaisala公司成功地研制了Humicap以來，高分子濕度傳感器優(yōu)異性能在國際上獲得了越來越多領域的承認，特別是

9、濕度量程寬、響應時間短、濕滯回差小、制作簡單、成本低等優(yōu)點，成為其它濕度傳感器激烈的競爭對手。在氣象、紡織、集成電路生產(chǎn)、家用電器、食品加工及蔬菜保鮮等方面得到了廣泛的應用。我國從1980年開始研制高分子濕度傳感器。隨著應用的深入和擴大，我國研制的高分子濕度傳感器的某些性能已得到了很大的提高，有的接近或趕上了國外有的廠家生產(chǎn)的濕度傳感器。</p><p>　　敏感元件與傳感器發(fā)展的總趨勢是集成化、多功能化、智能化

10、和系統(tǒng)化。傳感器領域的主要技術正在現(xiàn)有基礎上予以延伸和提高，加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，可以預期：</p><p>　　(1) 微機械加工技術（MEMT技術）將高速發(fā)展，成為新一代微傳感器、微系統(tǒng)的核心技術，是21世紀傳感器技術領域中帶有革命性變化的高新技術。它不僅可以制成簡單的三維結構，而且可以做成三維運動結構與復雜的力平衡結構。采用MEMT技術形成的微傳感器和微系統(tǒng)，具有劃時代微小體積、低成本、高可靠等獨

11、特的優(yōu)點。</p><p>　　(2) 新型敏感材料將加速開發(fā)，微電子、光電子、生物化學、信息處理等各種學科，各種新技術的互相滲透和綜合利用，可望研制出一批先進傳感器。</p><p>　　(3) 傳感器應用領域得到新的拓展，二次傳感器和傳感器系統(tǒng)的比例大幅度增長，集成化、智能化傳感器與變送器將會呈現(xiàn)暢銷勢。</p><p>　　近年來，濕度傳感器的研究主要集中在感

12、濕機理以及應用新材料、新工藝提高感濕特性和穩(wěn)定性等方面。目前，日本、美國等國在濕度傳感器的研究上已走在世界前列。濕度傳感器可以分為三大類：電解質濕度傳感器、半導體陶瓷濕度傳感器和有機高分子聚合物傳感器。</p><p>　　由于濕度是比較難檢測的物理量，而且檢測濕度時濕度傳感器必須直接暴露于待測環(huán)境中，因此至今還沒有制成抗污染、長期穩(wěn)定可靠的濕度傳感器。在今后比較長的一段時間內(nèi)，開發(fā)具有抗污染性和長期穩(wěn)定性好的濕

13、敏傳感器仍然是一項重要的研究課題。</p><p>　　1.3 本課題的主要研究內(nèi)容</p><p>　　濕度的測量具有一定的復雜性，人們熟知的毛發(fā)濕度計、干濕球濕度計等己不能滿足現(xiàn)代要求的實際需要，為此，人們研制了各種濕度傳感器。濕度按照其測量的原理，一般可分為電容型、電阻型、離子敏型、光強型、聲表面波型等。</p><p>　　電阻式濕度傳感器是利用某些吸濕性能

14、較好的物質吸附水汽后，其電阻率變化的原理來測定相對濕度，一般在中濕度（20%～70%RH）使用電阻型濕度傳感器。電阻式濕度傳感器根據(jù)所用的吸濕材料來分，有固體電解質濕度傳感器、高分子有機物濕度傳感器、半導體陶瓷濕度傳感器等。本設計以CHR-01阻抗型高分子濕敏電阻作為濕敏元件來獲取濕度信號，從而完成對空氣濕度的測量。同時以溫度傳感器LM35來實現(xiàn)對空氣溫度的檢測。</p><p>　　通過研究分析，本設計分別采用

15、CHR-01、LM35為濕度、溫度敏感元件來完成溫濕度數(shù)據(jù)的采集。本文主要闡述了如何選擇和設計溫濕度模塊、A/D模塊、LED顯示模塊、語音報警等方面的問題，以及如何對傳感器檢測的信號進行非線性補償，和標度的變化。最后以單片機為核心通過硬件結合軟件的方法將檢測出來的信號由LED顯示器直觀地顯示出來。</p><p>　　2 系統(tǒng)總體設計方案</p><p>　　本章主要介紹了此系統(tǒng)設計的研究

16、思路、系統(tǒng)設計的原則以及系統(tǒng)總體設計方案。讓我們從整體上了解此系統(tǒng)的結構模塊，明白該系統(tǒng)設計的理論基礎和系統(tǒng)的基本功能。</p><p>　　2.1 系統(tǒng)設計思路及原則</p><p>　　本課題的總體思路是：在現(xiàn)有實驗條件下，應用較常見元件自行設計溫濕度檢測電路，通用該電路采集到的溫濕度信號經(jīng)過A/D轉換電路變?yōu)閿?shù)字信號，然后利用AT89S51單片機，通過LED顯示出當前空氣中的溫濕度值

17、，當溫濕度超出用戶設定的范圍時，自動執(zhí)行語音報警。</p><p>　　系統(tǒng)設計原則具體如下：</p><p>　　(1) 測控系統(tǒng)能夠實現(xiàn)溫度、濕度值2路輸出。</p><p>　　(2) 硬件設計在滿足功能要求的前提下，要留有余地，易于功能擴展。</p><p>　　(3) 軟件設計采用模塊化，以利于調試、連接和開發(fā)。盡量以軟代硬，簡化電

18、路。</p><p>　　(4) 要求實用化，簡易化，易于操作和維護，可靠性，穩(wěn)定性較高。</p><p>　　(5) 盡可能選用成熟電路，元器件國產(chǎn)化，以求降低系統(tǒng)造價獲得較高的性價比。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體設計</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)工作原理</p><p>　　本系統(tǒng)是通過濕度傳感器

19、將空氣中的濕度值轉化為電信號，利用AT89S51單片機作為系統(tǒng)的總控模塊，AT89S51單片機可把由溫濕度檢測電路檢測出的電壓信號經(jīng)過A/D轉換后的數(shù)據(jù)利用軟件計算出溫濕度，再把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示模塊，實現(xiàn)溫度、濕度的顯示；然后通過串口把溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硗庖黄珹T89S51單片機上，用戶通過按鍵自行設置溫濕度的報警值，當溫度或濕度值超出用戶設定的范圍時，本系統(tǒng)可以自動執(zhí)行語音報警。</p><p>　　2.2

20、.2 系統(tǒng)總體結構框圖</p><p>　　整個測控系統(tǒng)由信息數(shù)據(jù)的采集、單片機控制和數(shù)據(jù)輸出三部分構成。在設計本系統(tǒng)硬件時，主要有以下電路模塊：</p><p>　　(1)、溫度采集模塊選用LM35溫度傳感器，濕度采集模塊選用CHR-01濕敏電阻；</p><p>　　(2)、基于AD0809的模擬量向數(shù)字量轉換模塊；</p><p>　　

21、(3)、系統(tǒng)硬件單片機采用AT89S51單片機；</p><p>　　(4)、語音播報采用ISD4002語音模塊；</p><p>　　(5)、數(shù)碼管顯示電路模塊。</p><p>　　系統(tǒng)硬件總體結構框圖見圖2.1：</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)總體結構框圖</p><p>　　本系統(tǒng)以AT89S51單片機為核

22、心，信號數(shù)據(jù)的采集由設計的溫濕度模塊及傳感器信號處理轉換（A/D）電路構成；數(shù)據(jù)輸出由LED數(shù)字顯示模塊和語音模塊來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)的采集和輸出由軟件編程來協(xié)調控制。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)硬件設計</b></p><p>　　本章主要介紹了溫濕度模塊設計、A/D轉換電路設計、單片機模塊設計、LED數(shù)字顯示模塊設計和語音模塊設計等五個方面的內(nèi)容。讓我們詳細的了

23、解了本系統(tǒng)中各個組成模塊的設計原理及作用，了解了各個模塊在整個系統(tǒng)中的作用。</p><p>　　3.1 溫濕度檢測模塊設計</p><p>　　3.1.1 濕度測量技術</p><p>　　(1) 濕度測量方法</p><p>　　濕度測量從原理上劃分有二、三十種之多。但濕度測量始終是世界計量領域中著名的難題之一。一個看似簡單的量值，深究起

24、來，涉及相當復雜的物理-化學理論分析和計算，初涉者可能會忽略在濕度測量中必需注意的許多因素，因而影響傳感器的合理使用。</p><p>　　常見的濕度測量方法有：動態(tài)法(雙壓法、雙溫法、分流法)，靜態(tài)法(飽和鹽法、硫酸法)，露點法，干濕球法和電子式傳感器法。</p><p>　?、匐p壓法是基于熱力學P、V、T平衡原理，平衡時間較長；分流法是基于絕對濕氣和絕對干空氣的精確混合。由于采用了現(xiàn)代

25、測控手段，這些設備可以做得相當精密，卻因設備復雜，昂貴，運作費時費工，主要作為標準計量之用，其測量精度可達±2%RH以上。</p><p>　?、?靜態(tài)法中的飽和鹽法，是濕度測量中最常見的方法，簡單易行。但飽和鹽法對液、氣兩相的平衡要求很嚴，對環(huán)境溫度的穩(wěn)定要求較高。用起來要求等很長時間去平衡，低濕點要求更長。特別在室內(nèi)濕度和瓶內(nèi)濕度差值較大時，每次開啟都需要平衡6~8小時。</p>&l

26、t;p>　　③ 露點法是測量濕空氣達到飽和時的溫度，是熱力學的直接結果，準確度高，測量范圍寬。計量用的精密露點儀準確度可達±0.2℃甚至更高。但用現(xiàn)代光-電原理的冷鏡式露點儀價格昂貴，常和標準濕度發(fā)生器配套使用。</p><p>　　④ 干濕球法是18世紀就發(fā)明的測濕方法，歷史悠久，使用最普遍。干濕球法是一種間接方法，它用干濕球方程換算出濕度值，而此方程是有條件的：即在濕球附近的風速必需達到2.5

27、m/s以上。普通用的干濕球溫度計將此條件簡化了，所以其準確度只有5~7%RH,干濕球法也不屬于靜態(tài)法，不要簡單地認為只要提高兩支溫度計的測量精度就等于提高了濕度計的測量精度。</p><p>　?、蓦娮邮綕穸葌鞲衅鞣?，電子式濕度傳感器產(chǎn)品及濕度測量屬于90年代興起的行業(yè)，近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度測控系

28、統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術提高到新的水平。</p><p>　　(2) 濕度測量方案的選擇</p><p>　　現(xiàn)代濕度測量方案最主要的有兩種：干濕球測濕法，電子式濕度傳感器測濕法。</p><p>　　干濕球測濕法的維護相當簡單，在實際使用中，只需定期給濕球加水及更換濕球紗布即可。與電子式濕度傳感器相比，干濕球測濕法不會產(chǎn)生老化，精度下降等問題。所以干濕球

29、測濕方法更適合于在高溫及惡劣環(huán)境的場合使用。</p><p>　　電子式濕度傳感器的特點：</p><p>　　而電子式濕度傳感器是近幾十年，特別是近20年才迅速發(fā)展起來的。濕度傳感器生產(chǎn)廠在產(chǎn)品出廠前都要采用標準濕度發(fā)生器來逐一標定，電子式濕度傳感器的準確度可以達到2％一3％RH。</p><p>　　在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時間一長，會

30、產(chǎn)生老化，精度下降，濕度傳感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。一般情況下，生產(chǎn)廠商會標明1次標定的有效使用時間為1年或2年，到期需重新標定。</p><p>　　電子式濕度傳感器的精度水平要結合其長期穩(wěn)定性去判斷，一般說來，電子式濕度傳感器的長期穩(wěn)定性和使用壽命不如干濕球濕度傳感器。</p><p>　　濕度傳感器是采用半導體技術，因此對使用的環(huán)境溫度有要求，超過其規(guī)定的使

31、用溫度將對傳感器造成損壞。</p><p>　　所以電子式濕度傳感器測濕法更適合于在潔凈及常溫的場合使用。</p><p>　　3.1.2 選擇濕度傳感器注意的問題</p><p>　　(1) 選擇測量范圍</p><p>　　和測量重量、溫度一樣，選擇濕度傳感器首先要確定測量范圍。除了氣象、科研部門外，搞溫、濕度測控的一般不需要全濕程(0-

32、100％RH)測量。</p><p>　　(2) 選擇測量精度</p><p>　　測量精度是濕度傳感器最重要的指標，每提高-個百分點，對濕度傳感器來說就是上一個臺階，甚至是上一個檔次。因為要達到不同的精度，其制造成本相差很大，售價也相差甚遠。所以使用者一定要量體裁衣，不宜盲目追求“高、精、尖”。如在不同溫度下使用濕度傳感器，其示值還要考慮溫度漂移的影響。眾所周知，相對濕度是溫度的函數(shù)，溫

33、度嚴重地影響著指定空間內(nèi)的相對濕度。溫度每變化0.1℃。將產(chǎn)生0.5％RH的濕度變化(誤差)。使用場合如果難以做到恒溫，則提出過高的測濕精度是不合適的。</p><p>　　多數(shù)情況下，如果沒有精確的控溫手段，或者被測空間是非密封的，±5％RH的精度就足夠了。對于要求精確控制恒溫、恒濕的局部空間，或者需要隨時跟蹤記錄濕度變化的場合，再選用±3％RH以上精度的濕度傳感器。</p>

34、<p>　　而精度高于±2％RH的要求恐怕連校準傳感器的標準濕度發(fā)生器也難以做到，更何況傳感器自身了。相對濕度測量儀表，即使在20-25℃下，要達到2％RH的準確度仍是很困難的。通常產(chǎn)品資料中給出的特性是在常溫(20℃±10℃)和潔凈的氣體中測量的。</p><p>　　(3) 考慮時漂和溫漂</p><p>　　在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，

35、使用時間一長，電子式濕度傳器會產(chǎn)生老化，精度下降，電子式濕度傳器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。</p><p>　　(4) 其它注意事項</p><p>　　濕度傳感器是非密封性的，為保護測量的準確度和穩(wěn)定性，應盡量避免在酸性、堿性及含有機溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環(huán)境中使用。為正確反映欲測空間的濕度，還應避免將傳感器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。如果被

36、測的房間太大，就應放置多個傳感器。</p><p>　　有的濕度傳感器對供電電源要求比較高，否則將影響測量精度?；蛘邆鞲衅髦g相互干擾，甚至無法工作。使用時應按照技術要求提供合適的、符合精度要求的供電電源。</p><p>　　3.1.3 CHR-01濕敏元件簡介</p><p>　　電阻型濕度傳感器可分為兩類：電子導電型和離子導電型。電子導電型濕度傳感器，也稱為“

37、漲縮型濕度傳感器”，它通過將導電體粉末（金屬、石墨等）分散于膨脹性吸濕高分子中制成濕敏膜。隨濕度變化，膜發(fā)生膨脹或收縮，從而使導電粉末間距變化，電阻隨之改變。但是這類傳感器長期穩(wěn)定性差，且難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，所以應用較少。離子導電型濕度傳感器，它是高分子濕敏膜吸濕后，在水分子作用下，離子相互作用減弱，遷移率增加；同時吸附的水分子電離使離子載體增多，膜電導隨濕度增加而增加，由電導的變化可測知環(huán)境濕度。本設計選用阻抗型高分子濕度電阻，型號C

38、HR-01，其外型尺寸、內(nèi)部結構示意圖分別如圖3.2、3.3所示。</p><p>　　圖3.2 外型尺寸示意圖 圖3.3 內(nèi)部結構示意圖</p><p>　　1—外殼 2—基片 3—電極 4—感濕材料 5—引腳</p><p>　　CHR-01型高分子濕度電阻的工作原理：由于水附在有極性基的高分子

39、膜上，在低濕度下，因吸附量少，不能產(chǎn)生荷電離子，電阻值較高。當相對濕度增加時，吸附量也增加，吸附水就成為導電通道，高分子電解質的正負離子主要起到載流子作用，另外，由吸附水自身離解出的質子、水和氫離子也起電荷載流子作用，使高分子濕敏電阻的電阻值下降。其電性能參數(shù)見表3.1：</p><p>　　表3.1 CHR-01電性能參數(shù)</p><p>　　圖3.4為0-60℃下CHR-01的阻抗特性

40、曲線，由下圖可知，在對精度要求不高的情況下，可以將其近似為線性關系。</p><p>　　圖3.4 0-60℃阻抗特性圖</p><p><b>　　注意事項 ：</b></p><p>　　(1) 不要對元件使用直流電源，檢測時請使用電橋阻抗（LCR）測試設備 (2) 避免硬物或手指直接接觸元件表面，以免劃傷或污染敏感膜  (3

41、) 焊接時溫度不能過高（<180℃，2S 膜表面），使用低溫烙鐵或用鑷子保護 (4) 盡量避免在以下環(huán)境中直接使用：鹽霧，腐蝕性氣體：強酸（硫酸，鹽酸），強堿，有機溶劑（酒精，丙酮等） (5) 推薦儲存條件： 溫度：10℃～40℃       濕度：20%RH --60%RH</p><p>　　3.1.4 溫濕

42、度檢測電路的原理及功能</p><p>　　在實際工作環(huán)境中，溫度不是一個恒值，隨著環(huán)境的變化而變化，變化的范圍很寬。而濕敏元件受溫度的影響不能忽略。濕敏元件的濕度溫度系數(shù)就是表示器件的感濕特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性參數(shù)。環(huán)境的溫度變化越大，由感濕特征量表示的環(huán)境相對濕度與實際的相對濕度之間的誤差就越大。另外，一切電阻式濕度傳感器都必須使用交流電源，否則性能會劣化甚至失效。電解質濕度傳感器的電導是靠離子的移動

43、實現(xiàn)的，在直流電源作用下，正、負離子必然向電源兩極運動，產(chǎn)生電解作用，使感濕層變薄甚至被破壞；在交流電源作用下，正負離子往返運動，不會產(chǎn)生電解作用，感濕膜不會被破壞。交流電源的頻率選擇是，在不產(chǎn)生正、負離子定向積累情況下盡可能低一些。但加交流電壓后會產(chǎn)生一定的熱量，所以，交流電壓值不能過高，要有一定的限度，在高頻情況下，測試引線的容抗明顯下降，會把濕敏電阻短路。另外，濕敏膜在高頻下也會產(chǎn)生集膚效應，阻值發(fā)生變化，影響到測濕靈敏度和準確性

44、。除此之外，響應時間、濕滯回線、濕滯回差等也不容忽略。響應時間越短，表明濕敏元件的吸濕過程和脫濕過程越快，濕滯回差越小，濕敏元件的性能越好。故采用振蕩電路作為濕敏元件的測試電路。</p><p>　　在濕度檢測電路中，以5V交流電作為濕敏電阻的工作電壓。其中U1A、U1B起驅動傳感器作用，電壓跟隨器U1A起隔離作用，也就是增加驅動能力，同時有阻抗變換作用，U1B電路即是傳感器驅動電路，促使?jié)衩綦娮栝_始工作。U1C

45、為整流濾波電路，對經(jīng)濕敏電阻轉換后的電壓信號進行整流濾波，去掉其中可能存在其他干擾信號。在實際工作環(huán)境中，濕敏元件受溫度的影響不能忽略，故以U1D為溫度補償電路。其電路圖如3.5所示。</p><p>　　該電路除了輸出濕度信號外，還輸出溫度信號，可以做成溫濕度的檢測電路，應用于各種環(huán)境的溫濕度測量。</p><p>　　采用LM35溫度傳感器作為溫度敏感元件，它具有很高的工作精度和較寬的

46、線性工作范圍，其輸出電壓與攝氏溫度成線性比例，轉換公式如公式（1）</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　0℃輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓增高10mV。在常溫下，且無需外部校準或微調，可以提供±1/4℃的常用的室溫精度，從而將空氣的溫度信號轉變?yōu)殡妷盒盘枏膐ut2輸出。</p><p>　　圖3.5 溫濕

47、度檢測電路圖</p><p>　　3.2 A/D轉換電路設計</p><p>　　3.2.1 模數(shù)轉換器簡介</p><p>　　在以單片機為核心的實時測控系統(tǒng)中，被測量對象的有關參量是一些連續(xù)變化的模擬量如溫度、壓力、流量、速度等物理量，由于單片機只能處理數(shù)字量，所以這些模擬量必須轉換成數(shù)字量后才能輸入到單片機進行處理。若輸入的是非電量模擬信號，還需通過傳感器轉

48、換成電信號并加以放大。模數(shù)轉換器便是實現(xiàn)模擬量變換成數(shù)字量的設備，因此模數(shù)轉換技術便成為數(shù)字測控系統(tǒng)中非常重要的一項技術。</p><p>　　A/D轉換器是將模擬量轉換為數(shù)字量的器件，這個模擬量泛指電壓、電阻、電流等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓而言的。A/D轉換器是對采樣獲得的模擬量（被測信號在時間上離散化）進行離散取樣數(shù)字化（在數(shù)值上離散化）。A/D轉換器的主要特性是：分辨率與量化誤差，轉換精度，轉換

49、速率，滿刻度范圍。通常以這幾項技術指標來評價其質量水平，并根據(jù)實際設計要求進行A/D轉換方式的選擇。</p><p>　　模數(shù)轉換芯片種類很多，按轉換原理可分為4種：記數(shù)式、雙積分式、逐次逼近式及并行式A/D轉換器。而在選擇轉換器時應主要從速度、精度和價格上綜合考慮。經(jīng)分析比較，以逐次逼近式A/D轉換器的性價比為最為合適。其在轉換速度和精度上都比較適中，轉換時間一般在µs級，轉換精度一般在0.1%上下，

50、只是抗干擾能力較弱，適用于一般場合。但因逐次比較式A/D轉換器具有接口簡單、清晰、軟件配置簡單等優(yōu)點且價格適中，被廣泛應用于單片機應用系統(tǒng)中。這里選擇應用廣泛的逐次逼近式ADC0809芯片。</p><p>　　3.2.2 ADC0809接口電路設計</p><p>　　ADC0809芯片屬ADC0808系列多通道8位CMOS模數(shù)轉換器。其芯片內(nèi)置有多路模擬開關以及通道地址譯碼和鎖存電路，

51、因此能夠對多路模擬信號進行分時采集與轉換。</p><p>　　ADC0809的內(nèi)部邏輯結構如圖3.6</p><p>　　圖3.6 ADC0809的內(nèi)部邏輯結構如圖</p><p>　　ADC0809是8位逐次比較式A/D轉換芯片，28引腳，雙列直插封裝，具有地址鎖存控制的8路模擬開關，應用單一+5V電源，其模擬輸入電壓范圍為0～+5V，對應的轉換數(shù)字量為00H

52、～FFH，轉換時間為I00µs，無須調零或調整滿量程。因此能夠實現(xiàn)8路模擬信號的分時采集和轉換（每個瞬間只能轉換一路），轉換后的數(shù)據(jù)送入三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。A/D轉換原理及過程：ADC0809最多允許8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉換器進行轉換，由A、B、C編碼選擇通道號通過最高位()至最低位的逐次檢測來逼近被轉換的輸入電壓。</p><p>　　A/D轉換過程主要包括采樣量化及編碼。采樣是使模擬信

53、號在時間上離散化，量化及編碼是把采樣后的值按比例變換成相應的二進制數(shù)碼。如8位A/D轉換器所采集到的0～5V電壓轉換成為00H～FFH相對應的數(shù)字量。通過數(shù)字量的運算比較的結果實現(xiàn)對模擬量的測量及控制。</p><p>　　接口電路的硬件邏輯設計主要是處理好A/D引腳與AT89S51主機的硬件連接，以實現(xiàn)8路模擬信號的分時切換選通。ADC0809與AT89S51接口電路見圖3.7所示。</p>&l

54、t;p>　　圖3.7 A/D轉換電路圖</p><p>　　ADC0809的啟動控制信號START、/WR、/RD控制信號等由微控制器提供。AD轉換結束后，ADC0809的EOC信號將變?yōu)楦唠娖?，此信號通過一個非門反相后輸出到微控制器的接口，微控制器可以使用查詢方式或者中斷方式對AD轉換進行控制。</p><p>　　ADC0809的啟動控制信號START和讀取數(shù)據(jù)使能控制信號OE來

55、自74HC02，74HC02是一個TTL電平的或非門，通過譯碼電路對地址總線上的地址進行譯碼獲得片選信號，然后與/WR、/RD信號進行邏輯組合而產(chǎn)生啟動控制信號START和讀取數(shù)據(jù)使能控制信號OE。A/D轉換結束后，EOC信號將變?yōu)楦唠娖?，此信號通過一個非門反相輸出到P3.2接口，這樣就可以使用查詢方式和中斷方式進行AD轉換。ADC0809沒有內(nèi)部時鐘，需外接10KHz~1290Hz的時鐘信號，本電路是由單片機的ALE信號通過74HC7

56、4 1/2分頻得到。8051單片機的ALE輸出的頻率為Fosc/6，當系統(tǒng)晶振為12MHz時，U1_CLKDE 頻率約為1MHz，符合ADC0809的要求。通道選擇是與START連接在一起的，即在啟動AD轉換ADC0809就會把通道選擇的數(shù)據(jù)鎖存。</p><p>　　ADC0809與MCS—51單片機的電路連接主要涉及兩個問題，一個是8路模擬信號的通道選擇，另外一個是A/D轉換完成后數(shù)據(jù)的傳送。</p&

57、gt;<p>　　● 8路模擬通道選擇</p><p>　　ADDA、ADDB、ADDC分別接系統(tǒng)地址鎖存器提供的末3位地址，只要把3位地址寫入0809中的地址鎖存器，就實現(xiàn)了模擬通道選擇。對系統(tǒng)來說，0809的地址鎖存器是一個輸出口，為了把3位地址寫入。還要提供口地址。圖3.7中使用線選法，口地址由P2.0確定，同時作為寫選通信號，作為讀選通信號。</p><p>　　表3

58、.2 ADC0809通道選擇表</p><p>　　從圖3.7中可以看到，ALE信號與START信號連在一起，這樣連接可以在信號的前沿寫入地址信號，在其后沿便啟動轉換。啟動A/D轉換只需要使用1條MOVX指令。在此之前，要將P2.0清0并將末3位與所選擇的通道號相對應的口地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR中。</p><p><b>　　● 轉換數(shù)據(jù)的傳送</b></p&

59、gt;<p>　　A/D轉換后得到的數(shù)據(jù)為數(shù)字量，這些數(shù)據(jù)應傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉換的完成，因此只有確認數(shù)據(jù)轉換完成后，才能進行傳送。通常采用定時傳送方式、查詢方式、中斷方式這3種方式。</p><p>　　本次設計采用中斷方式來進行轉換數(shù)據(jù)的傳送，把表示轉換結束的狀態(tài)信號(EOC)作為中斷請求信號即可。而不管使用哪種方式，只要一旦確認轉換結束，便可通過指令進行

60、數(shù)據(jù)傳送，</p><p>　　3.3 單片機模塊設計</p><p>　　本系統(tǒng)中，選擇AT89S51單片機為該系統(tǒng)的總控芯片，AT89S51單片機可把由溫濕度檢測電路檢測出的電壓信號經(jīng)過A/D轉換后的數(shù)據(jù)利用軟件計算出溫濕度，再把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示模塊，實現(xiàn)溫度、濕度的顯示；然后通過串口把溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硗庖黄珹T89S51單片機上，通過鍵盤設定溫濕度報警值，再通過語音電路，實現(xiàn)

61、溫濕度的報警。</p><p>　　3.3.1 AT89S51單片機的性能參數(shù)和功能概述</p><p>　　AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行

62、編程及通用8位微處理器于單片芯片中，它的功能強大，低價位可應用于許多高性價比的場合，可靈活應用于各種控制領域。</p><p>　?。?）主要性能參數(shù)：</p><p>　　● 與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容</p><p>　　● 4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲器</p><p>　　● 1000次擦寫周期</p&

63、gt;<p>　　● 4.0-5.5V的工作電壓范圍</p><p>　　● 全靜態(tài)工作模式：0Hz-33MHz</p><p><b>　　● 三級程序加密鎖</b></p><p>　　● 128*8字節(jié)內(nèi)部RAM</p><p>　　● 32個可編程I/O口線</p><p>

64、　　● 2個16位定時/計數(shù)器</p><p><b>　　● 6個中斷源</b></p><p>　　● 全雙工串行UART通道</p><p>　　● 低功耗空閑和掉電模式</p><p>　　● 中斷可從空閑摸喚醒系統(tǒng)</p><p>　　● 看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針</p>

65、<p>　　● 掉電標識和快速編程特性</p><p>　　● 靈活的在系統(tǒng)編程（ISP-字節(jié)或頁寫模式）</p><p>　?。?）功能特性概述：</p><p>　　AT89S51提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一

66、個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。</p><p>　　3.3.2 AT89S51單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　單片機系統(tǒng)的擴

67、展是以基本最小系統(tǒng)為基礎的，故應首先熟悉應用應用系統(tǒng)的結構。單片機最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復位開關和電源部分，其電路圖如圖3.8所示。</p><p><b>　　晶體振蕩器特點：</b></p><p>　　AT89S51中有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的高增益方向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或

68、陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩器見圖。</p><p>　　外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容C1、C2接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1、C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性。</p><p>　　圖3.8 8051單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　該系統(tǒng)具有

69、以下特點：</p><p>　　(1) 系統(tǒng)有大量的I/O線可供用戶使用：P0、P1、P2、P3四口都可以作為I/O口使用。</p><p>　　(2) 內(nèi)部存儲器的容量有限，只有128B的RAM和4KB的程序存儲器。</p><p>　　(3) 應用系統(tǒng)的開發(fā)具有一定特殊性，由于應用系統(tǒng)的P0口、P2口中開發(fā)時需要作為數(shù)據(jù)、地址總線，故這兩個口袋硬件只能用模擬的方

70、法進行。AT89S51的應用軟件須依靠廠家用掩膜技術置入，故一般只適用于可作大批量生產(chǎn)的應用系統(tǒng)。</p><p>　　3.4 LED數(shù)字顯示模塊設計</p><p>　　顯示器作為輸出部件，可以將系統(tǒng)的運行結果、狀態(tài)等信息直觀地顯示出來供操作者了解系統(tǒng)的運行情況和程序的執(zhí)行結果。本系統(tǒng)使用7段發(fā)光二極管與單片機結合從而對檢測出的溫濕度值進行顯示，其中我們使用三極管對LED進行驅動。<

71、;/p><p>　　3.4.1 LED數(shù)碼顯示器的結構與顯示段碼</p><p>　　發(fā)光二極管LED是一種通電后能發(fā)光的半導體器件，其導電性質與普通二極管類似。LED數(shù)碼顯示器就是由發(fā)光二極管組合而成的1種新型顯示器件，在單片機中應用非常普遍，它使用了8個LED發(fā)光二極管，其中7個用于顯示字符，1個用于顯示小數(shù)點，故通常稱之為7段（也有稱為8段）發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。其內(nèi)部結構如圖3.9所示

72、。</p><p>　　符號和引腳 共陰極 共陽極</p><p>　　圖3.9 7段LED數(shù)碼顯示器</p><p>　　LED數(shù)碼顯示器的顯示段碼</p><p>　　為了顯示字符，要為LED顯示器提供顯示段碼（或稱字形代碼），組成一個“8”字形字符的7段，再加上

73、一個小數(shù)點位，共計8段，因此提供給LED顯示器的顯示段碼為一個字節(jié)。各段碼位的對應關系如下：</p><p>　　用LED顯示器顯示十六位進制數(shù)和空白字符與P的顯示段碼如表3.3所示：</p><p>　　表3.3 十六位進制數(shù)和空白字符與P的顯示段碼</p><p>　　3.4.2 LED顯示電路的設計</p><p>　　在單片機應用系統(tǒng)

74、中，顯示器顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。</p><p>　　所謂靜態(tài)顯示，就是在同一時刻只顯示1種字符，或者說被顯示的字符在同一時刻是穩(wěn)定不變的。其顯示方法比較簡單，只要將顯示段碼送至段碼口，并把位控字送至位控口即可。這種顯示方法雖然編程容易，接口簡單，但缺點是占用的接口資源太多，如果顯示位數(shù)較多的話，所占用的鎖存器譯碼驅動電路將是一個驚人的數(shù)字。由于接口電路畢竟有限，對于太多顯示位的情況，靜態(tài)顯示

75、方式根本無法適應。從經(jīng)濟角度來講也太浪費，所以在實際應用中一般都采用動態(tài)顯示方式。</p><p>　　所謂動態(tài)顯示就是一位一位地輪流點亮顯示器各個位（掃描），對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點亮一次，利用人的視覺暫留功能可以看到整個顯示。動態(tài)LED顯示的設計方法是將不同LED模塊的所有的LED的驅動端一對一地連接到一起，而將其公共極（陰極或陽極）分別由不同的IO口來驅動。動態(tài)顯示方式主要是出于簡化電路和產(chǎn)品

76、成本考慮，在大多數(shù)場合都可以達到用戶要求。在實際應用中，用9個74HC595作鎖存電路，采用串行方式，可以失陷4個LED數(shù)碼管的動態(tài)顯示，而且，在掃描頻率允許的情況下，還可以級聯(lián)這樣的4～6組64個數(shù)碼管。</p><p>　　這兩種顯示方式各有利弊。靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時間，但由于每一個LED需要一個IO口，使用的硬件較多，不易實現(xiàn)大數(shù)量的LED驅動和顯示，擴展性能差。應用于LED指示燈、產(chǎn)品

77、的設計中只有一個7段LED碼需要顯示。動態(tài)顯示雖然有閃爍感，占用的CPU時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。由于靜態(tài)顯示要用到多片串入并出芯片，考慮到電路板成本計算。本系統(tǒng)采用是節(jié)約硬件資源的動態(tài)顯示方式。具體電路圖如下：</p><p>　　圖3.10 LED數(shù)字顯示電路</p><p>　　3.5 語音模塊設計</p><p>　　由上述設計可知，我們能夠

78、顯示出空氣的溫度、濕度值，但為了使其功能更加完善，特設計了語音模塊，用戶可根據(jù)自己對溫濕度的使用要求，通過鍵盤自行設置溫度及濕度的報警值，當溫度或濕度值超出用戶設定的范圍時，本系統(tǒng)可以自行執(zhí)行語音報警。具體電路圖如圖3.11：</p><p>　　圖3.11 語音報警和鍵盤電路</p><p>　　此電路中輸入的數(shù)字信號即為以上經(jīng)過溫濕度模塊、A/D轉換模塊處理過后的所測空氣的溫濕度信號，

79、從SP+、SP-輸出語音信號。其中關鍵為ISD4002語音芯片。</p><p>　　ISD4002系列工作電壓3V,單片錄放時間4至8分鐘,音質好,適用于移動電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用CMOS技術,內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制,操作命令可通過串行通信接口(SPI或Microwire)送入。芯片采用多電平直

80、接模擬量存儲技術, 每個采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中,因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調和效果聲,避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和"金屬聲"。采樣頻率可為 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,頻率越低,錄放時間越長,而音質有所下降,片內(nèi)信息存于閃爍存貯器中,可在斷電情況下保存100年(典型值),反復錄音10萬次。</p><p><b>　　4 檢測

81、數(shù)據(jù)的處理</b></p><p>　　在微機化測控系統(tǒng)中，經(jīng)A/D轉換送入微機的數(shù)據(jù)是經(jīng)采集系統(tǒng)對被測量進行測量得到的原始數(shù)據(jù)，它們應該真實地反映原始信號的主要特征，這些原始測量數(shù)據(jù)在送入微機后通常要先進行一定的處理，然后才能輸出用做顯示器的顯示數(shù)據(jù)或控制器的控制數(shù)據(jù)。下面就測控系統(tǒng)中的原始測量數(shù)據(jù)進行相應的處理，以滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　4.1 傳感器的非線性補

82、償</p><p>　　4.1.1 解決傳感器非線性的重要性</p><p>　　傳感器相當于控制系統(tǒng)的“感官”。外界需要控制的各種物理信號，首先必須經(jīng)過傳感器轉換為電信號(數(shù)字式傳感器直接輸出數(shù)字信號)，之后經(jīng)過電路處理轉換為電壓信號，再經(jīng)過量程變換轉換成一個合適的數(shù)值輸入給模／數(shù)轉換器，最終轉換成控制系統(tǒng)可識別的數(shù)字信號來反映外界各種物理量的變化趨勢，從而使控制系統(tǒng)能及時掌握外界各種物

83、理量的實時變化?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)檢測到的外界物理信號的變化作出準確的判斷，及時發(fā)出各種控制數(shù)據(jù)，通過數(shù)／模轉換器轉換成模擬量(一般為電壓)，去控制執(zhí)行部件按系統(tǒng)的要求動作，從而實現(xiàn)精確控制。</p><p>　　現(xiàn)代電子技術的發(fā)展使模／數(shù)、數(shù)／模轉換器的精度已經(jīng)很高，給整個系統(tǒng)帶來的誤差完全可以控制在允許的范圍內(nèi)。這樣，傳感器及其它電路的特性就顯得非常重要了。在各種特性里面，整個系統(tǒng)是否為線性是很關鍵的，因為它直接涉

84、及控制系統(tǒng)對外界物理量變化的判斷和控制。如果由傳感器搭建的電路的輸出與輸入是成線性關系的，那么對控制程序的編制將顯得異常容易；反之，輸出與輸人是非線性關系的，那么必須找到一個合適的算法把這種函數(shù)關系輸入給控制系統(tǒng)從而把外界物理量的變化時刻表現(xiàn)出來。然而，并非所有的非線性函數(shù)都可以找到一個合適的直接算法輸入給控制系統(tǒng)，所以一定要采取一定的措施來解決這個問題。目前，解決這類問題的常用方法是插值法和曲線擬合法。</p><

85、p>　　4.1.2 傳感器的非線性補償</p><p>　　設傳感器具有非線性特性 ，則輸出與輸入x的函數(shù)圖像將是一條曲線，曲線的復雜程度和函數(shù)關系式有關。如果采用實測的方法，制作表格為控制系統(tǒng)提供外界的物理量變化，則需要采集大量離散點，這樣雖然從整體趨勢上能反映函數(shù)圖像的走向，但是畢竟需要較大的存儲空間，而且對采集的兩個相鄰離散點之間的其它點的數(shù)據(jù)處理也很麻煩。</p><p>　

86、　把這種離散化的問題再公式化的方法有兩類：一是通過給出函數(shù)的樣點值，選用一個便于計算的函數(shù)形式，如多項式、分段線性函數(shù)及三角多項式等，要求它通過給定的已知樣點，由此確定函數(shù)作為的近似，這就是插值法；另一類方法是在選定近似函數(shù)時，不要求近似函數(shù)一定要過已知點，只是要求在某種意義下它在這些點上的總偏差最小，這類方法稱為曲線(數(shù)據(jù))擬合法。本節(jié)使用代數(shù)插值法來解決濕度傳感器的非線性問題。</p><p>　　4.1.3

87、 代數(shù)插值法對傳感器的非線性補償原理</p><p>　　用插值法求函數(shù)的近似表達式時，首先要選定近似函數(shù)的形式。可供選擇的函數(shù)很多，常用的是多項式插值函數(shù)。用多項式作為研究插值的工具時，稱為代數(shù)插值。采用多項式函數(shù)計算的特點是計算簡單，只需用加、減、乘等運算，而且其導數(shù)與積分仍然是多項式。</p><p><b>　　多項式插值原理</b></p>&

88、lt;p>　　假設函數(shù)y=f(x)在[a、b]區(qū)間的n+1個點處的函數(shù)值是。如果構造n次多項式滿足：</p><p>　　i=0,1,2…，n （1）</p><p>　　稱為函數(shù)的插值多項式，叫做插值節(jié)點。式（1）叫做插值條件，[a，b]為插值區(qū)間。設：</p><p><b>　?。?）</b></p><

89、;p>　　則式（2）有n+1個待定系數(shù)，由插值條件式（1）剛好給出n+1個方程</p><p><b>　　（3）</b></p><p>　　當互不相同時，則式（3）有唯一解。</p><p>　　通過運用Matlab強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以非常方便地求出式（3）的n+1個待定系數(shù)。在實際應用中，的階次n需要根據(jù)要求逼近的精度來確定。一

90、般來講，n值越大，逼近精度越高，但是計算工作量也越大。階次n還與逼近的函數(shù)特性有關，若接近線性，可取n=1；若接近拋物線，可取n=2。本文介紹的CHR-01所測相對濕度和輸出電壓值近似成線性關系，可使用線性多項式插值法進行線性補償，這時n=1。函數(shù) [RH(10%～90%)]的圖形接近于一條直線，在相異節(jié)點處的值為。求的 [RH(10%～90%)]滿足此時可以用代替，這種表示方法就是線性多項式插值方法。最后可以求的[RH(10%～90%

91、)]。</p><p>　　4.2 標度變換與標定</p><p>　　測控系統(tǒng)中被測信號由測量探頭探測接收后，要經(jīng)歷很多道環(huán)節(jié)的處理（在測量通道中被測量都經(jīng)歷了多次轉換即多次量綱的變化），才能輸出顯示、驅動執(zhí)行器件動作。因此為了能夠顯示帶有被測量量綱單位的數(shù)值，就必須進行必要的變換，這里主要是用于數(shù)字運算、顯示輸出的標度變換。標度變換有各種類型，它取決于被測參數(shù)的傳感器類型，應根據(jù)實際要

92、求來選用適當?shù)臉硕茸儞Q方法。</p><p>　　在微機化測控系統(tǒng)中，因為被測對象的各種數(shù)據(jù)的量綱和數(shù)值與A/D轉換的輸入值是不同的，所有這些都必須經(jīng)過變送器轉換成A/D所能接收的信號0~5V，再由A/D轉換成00H~0FFH的數(shù)字量。這些數(shù)字量并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，它們僅僅對應于參數(shù)值的大小，還須把它們轉換成帶有量綱的數(shù)值后才能用于運算和顯示。</p><p>　　本系統(tǒng)選用

93、的濕敏電阻為線性電壓輸出模塊，相對濕度和輸出電壓值有著相對應的線性關系，故采用線性標度變換。它是最常用的變換方法。其變換公式如下：</p><p><b>　　（5）</b></p><p>　　式（5）中Y表示參數(shù)測量值，表示參數(shù)量程最大值，表示參數(shù)量程最小值，表示對應的A/D轉換后的輸入值，表示對應的A/D轉換后的輸入值，X表示測量值Y對應的A/D轉換值。微機按照

94、式(4.1)從A/D轉換結果X便可以計算出被測量的數(shù)值Y用于顯示。</p><p>　　進行標度變換，首先要賦予數(shù)據(jù)以合適的物理單位，也即一個單位轉換系數(shù)。由于8位的ADC0809的轉換范圍是0～5V，即0bit對應0V，255bit對應5V，由式（5）可得到轉換系數(shù)為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　即數(shù)字量

95、1bit的變化對應于電壓變化的19.6mV。因此如求YV電壓所對應的數(shù)字量時，只需令X=Y/K(bit)，再將X變?yōu)?6進制數(shù)即可求得相應的數(shù)字量。</p><p>　　本系統(tǒng)選用的CHR-01型阻抗型濕敏電阻是線性電壓輸出模塊，這里以空氣濕度為例來說明如何建立其數(shù)學模型。CHR-01所測相對濕度和輸出電壓值存在的線性關系為：=25.68RH+1079[RH(10%～90%)]，輸出電壓單位為mV。所以濕度從10

96、至90的輸出電壓1335.8至3518.6mV，相對應的數(shù)字量約為68至180。建立濕度與數(shù)字量間的線性模型為：H=D+其中H表示濕度值，D表示H所對應的數(shù)字量，表示線性系數(shù)，表示線性常數(shù)。由上述數(shù)據(jù)得到：</p><p>　?。?）即濕度和數(shù)字量轉換線性模型為：H=0.75D-41</p><p>　　5 系統(tǒng)的軟件結構和程序框圖</p><p>　　整個系統(tǒng)的功

97、能是由硬件電路配合軟件來實現(xiàn)的，當硬件基本定型后，軟件的功能也就基本定下來了。設計思路主要如下：</p><p>　　實現(xiàn)流程中的具體子模塊；</p><p>　　它是用來完成各種實質性的功能如測量、計算、顯示、通訊等。每一個執(zhí)行軟件也就是一個小的功能執(zhí)行模塊。這里將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義。</p><p>　　設計模塊間的接口

98、，從而構成整個系統(tǒng)軟件；它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調各執(zhí)行模塊和操作者的關系。</p><p>　　首先要根據(jù)系統(tǒng)的總體功能來選擇一種最合適的監(jiān)控程序結構，然后根據(jù)實時性的要求，合理地安排監(jiān)控軟件和各執(zhí)行模塊之間地調度關系。</p><p><b>　　5.1 主程序</b></p><p>　　主程序調用了兩個子程序，分別是數(shù)碼管顯示

99、程序、語音播放程序。具體流程圖見圖5.1。</p><p>　　圖5.1 主程序流程圖</p><p>　　系統(tǒng)監(jiān)控程序是系統(tǒng)的主程序，它是系統(tǒng)程序的框架，控制著單片機系統(tǒng)按預定操作方式運轉。監(jiān)控程序的主要作用是能及時的響應來自系統(tǒng)內(nèi)部的各種服務請求，有效地管理系統(tǒng)自身軟硬件及人機對話設備與系統(tǒng)中其它設備交換信息，并在系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障時，及時作出相應處理。</p><p

100、>　　該系統(tǒng)控制核心是對單片機8051，其工作過程是：系統(tǒng)通電后，單片機8051進入監(jiān)控狀態(tài)，同時完成對各擴展端口的初始化工作。在沒有外部控制信息輸入的情況下，系統(tǒng)自動采集溫濕度傳感器的電壓值，經(jīng)過A/D轉換后，最后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在LDE顯示器上顯示和語音報警。</p><p>　　將各個功能程序以子程序的形式寫好，當寫主程序的時候，只需要調用子程序，然后在寄存器的分配上作一下調整，消除寄存器沖突和I/O沖突即

101、可。程序應該盡可能多的使用調用指令代替跳轉指令。因為跳轉指令使得程序難以看懂各程序段之間的結構關系。而調用指令則不同，調用指令使得程序結構清晰，無論是修改還是維護都比較方便。將功能程序段寫成子程序的形式，除了方便調用之外，還有一個好處那就是以后寫程序的時候如果要用到，就可以直接調用這個單元功能模塊。</p><p>　　5.2 系統(tǒng)各程序模塊</p><p>　　本系統(tǒng)的程序模塊主要有LE

102、D顯示子程序、語音播放子程序等模塊。</p><p>　　5.2.1 LED顯示子程序模塊</p><p>　　該子程序的功能是清楚地顯示空氣中溫度濕度參量的當前值，其具體的工作流程圖如5.2所示。</p><p>　　圖5.2 顯示子程序流程圖</p><p>　　此子程序模塊用到一片單片機，由單片機控制，系統(tǒng)開始工作，初始化之后，溫濕度檢

103、測電路工作，將檢測到的溫濕度模擬電壓信號輸入到A/D轉換模塊，使之變?yōu)閿?shù)字信號輸入該單片機求出溫濕度值，最后通過LED顯示電路顯示，同時為第二片單片機提供數(shù)據(jù)，以上即為此子程序工作過程。</p><p>　　5.2.2 語音報警子程序模塊</p><p>　　通過以上的LED顯示，基本上完成了空氣濕度計的設計要求，但為了完善其功能，特設計了語音報警子程序模塊，用戶可根據(jù)自己對溫濕度的使用要

104、求，通過鍵盤自行設置溫度及濕度的報警值，當溫度或濕度值超出用戶設定的范圍時，本系統(tǒng)可以自行執(zhí)行語音報警。其工作過程見圖5.3。</p><p>　　圖5.3 語音報警子程序模塊流程圖</p><p>　　由圖5.3我們可以看出其工作過程為：由于該系統(tǒng)電路較多，用到I/O也較多，故用到了第二片單片機，數(shù)據(jù)又串口輸入到第二片單片機的RAM中，單片機讀取數(shù)據(jù)后通過對比按鍵輸入的信息判斷溫濕度值，

105、執(zhí)行語音報警，從而完成此子程序的工作。</p><p>　　6 系統(tǒng)調試和誤差分析</p><p><b>　　6.1 系統(tǒng)調試</b></p><p>　　本系統(tǒng)分為溫濕度檢測模塊、A/D轉換模塊、LED顯示模塊和語音模塊四個模塊，在整個系統(tǒng)調試前可以按模塊調試分別調試。由于時間關系和條件限制只對前三個模塊進行了研究，。</p>

106、<p>　　在對溫濕度檢測模塊進行調試時：先檢查該模塊電路連接是否正確，再接通電路，使該模塊處于工作狀態(tài)，用萬用表測出此時輸出的模擬電壓值；然后改變測試環(huán)境即改變空氣溫度和濕度，再按以上步驟操作記錄下這時的模擬電壓值，比較其有無變化。而由于芯片是塑料封裝，所以對溫濕度的感應靈敏度不是很高，需要一段時間才能達到穩(wěn)定。</p><p><b>　　6.2 誤差分析</b></p

107、><p>　　由于實驗條件及環(huán)境的干擾，實驗調試出的空氣溫濕度值與實際溫濕度值之間存在著一定的誤差。</p><p>　　在理想情況下，系統(tǒng)的性能僅由該系統(tǒng)的結構及所用元器件的性能指標來決定。但是由于系統(tǒng)大都工作的環(huán)境往往具有一定的干擾源，常常給系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行造成威脅，使系統(tǒng)難以達到額定的或要求的性能指標，使系統(tǒng)測試結果與實際產(chǎn)生誤差，嚴重之時，甚至不能正常工作或系統(tǒng)癱瘓而停止工作。因此系

108、統(tǒng)的抗干擾便成為系統(tǒng)設計中不可忽視的一個重要內(nèi)容，也是減少系統(tǒng)誤差的一個重要方面。</p><p>　　ADC轉換采集到的數(shù)字信號可能引入多種干擾噪聲，如熱噪聲、雜散噪聲、電源電壓變化、參考電壓變化、由采樣時鐘抖動引起的相位噪聲以及由量化誤差引起的噪聲。這些噪聲源的噪聲功率是可以變化的。干擾噪聲頻率范圍分布很寬，其來源有如下幾種：首先，由測量電路各種環(huán)節(jié)（如模擬電路、電子開關電路等）產(chǎn)生熱噪聲的影響；其次，A/D