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基于PROTEUS的分布式湿度测量系统仿真与实现.rar

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    基于 PROTEUS 分布式 湿度 测量 系统 仿真 实现
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    科技学院 2010 届本科毕业论文基于 PROTEUS 的分布式湿度测量系统仿真与实现学科专业: 电子信息工程 指导教师: 余 军 学生姓名: 王 代 辉 学生学号: 062004100286 中国﹒贵州﹒贵阳2010 年 5 月科技学院毕业论文(设计) 第 I 页I目录目录................ ...............................................................................................I摘要................. ............................................................................................VAbstract.......................................................................................................VI第一章 绪论 ..............................................................................................11.1 课题研究背景 ......................................................................................11.2 课题研究现状 ......................................................................................11.3 课题的目标和意义 ..............................................................................11.4 本课题研究的主要设计目的及拟采取的技术路线 ..........................21.5 本文结构 ..............................................................................................2第二章 湿度简介 ......................................................................................32.1 湿度的基本概念 ..................................................................................32.2 湿度检测的应用领域 ..........................................................................32.3 常见的湿度检测方法及特点 ..............................................................42.4 湿度测量技术的发展趋势 ..................................................................42.5 湿度检测方案的选择 ..........................................................................5第三章 主要器件及软件简介 ..................................................................73.1 单片机仿真软件 Proteus .....................................................................73.1.1 Proteus 主要功能 ..........................................................................................73.1.2 Proteus 的用途及其在本系统中的作用 ......................................................73.2 本系统数据处理及显示软件 Labview ...............................................7科技学院毕业论文(设计) 第 II 页II3.2.1 虚拟仪器 .......................................................................................................73.2.2 LabView 软件的用途及其在本课题中的用途 ...........................................83.2.3 LabView 软件的特点 ...................................................................................83.3 程序调试软件 Keil C51.......................................................................93.4 湿度传感器 电容 HS1101 简介 .........................................................93.4.1 湿度传感器 HS1101 与其他传感器相比的优点 .......................................93.2.3 湿度传感器 电容 HS1101 简介 .................................................................93.2.3 湿度传感器 HS1101 的电路连接 .............................................................113.5 SST89E516RD 单片机简介 ..............................................................12第四章 总体设计 ....................................................................................134.1 系统的总体设计思想 ..........................................................................134.2 系统的总体结构框图 ..........................................................................134.3 各模块的实现方法及功能 ..................................................................144.3.1 硬件实现模块 .............................................................................................144.3.2 软件实现模块 .............................................................................................14第五章 详细设计 ....................................................................................155.1 系统硬件部分设计 ............................................................................155.1.1 最小系统电路 ..............................................155.1.2 系统复位电路的设计 .................................................................................165.1.3 湿度传感器 HS1101 与 555 振荡器部分的设计 .....................................175.1.4 硬件的总体设计 .........................................................................................195.2 系统设计 ............................................................................................205.2.1 RS-232-C 接口 ...........................................................................................205.2.2 本课题的主程序框图 .................................................................................215.2.3 系统下位机软件流程图设计 .....................................................................21科技学院毕业论文(设计) 第 III 页III5.2.4 上位机软件设计 .........................................................................................22第六章 系统仿真 ....................................................................................256.1 Keil C51 与 Proteus 程序仿真 ..........................................................256.2 系统软件硬件的仿真结果 ..................................................................256.3 系统硬件与上位机的联合仿真 ..........................................................26第七章 实现与调试 ................................................................................287.1 硬件调试 ............................................................................................287.2 下位机软件调试 ................................................................................287.3 上位机软件调试 ................................................................................287.4 联合调试 ............................................................................................287.5 湿度校准 ............................................................................................29第八章 总结与不足 ................................................................................30参考文献 ....................................................................................................31附录一 MCU 源程序代码 ......................................................................32附录二 VI 源代码 ...................................................................................34附录三 电气原理图 ................................................................................35致谢................. ...........................................................................................36诚信承诺书 ................................................................................................37科技学院毕业论文(设计) 第 IV 页IV基于 PROTEUS 的分布式湿度测量系统仿真与实现摘要湿度检测在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。本文首先介绍了湿度检测的研究现状、目的及其意义。其次,对湿度检测技术的应用领域和发展状况做了简单的介绍,同时,列举了目前湿度检测所常用方法以及各自所具有的特点。再次,本文对湿度检测系统所选方案进行了分析设计。本文采用单片机与虚拟仪器 Labview 相结合的技术来进行湿度检测,利用基于微控制器 MCU 技术的分布式湿度检测系统对湿度数据进行采集,再将数据传输到计算机中通过虚拟仪器 Labview 进行数据处理与显示,本系统具有控湿精度高、功能强、体积小、价格低、简单灵活、可靠性高等优点,能很好的满足了工艺要求。本文首先对该系统的硬件和软件进行设计。在硬件设计过程中,详细介绍了各部分电路的功能和特点。在软件设计过程中,绘制了各个程序模块的流程图,详细介绍了各个模块的作用。经过对程序反复的修改,完善了软件系统。在本文中对系统中所用的湿度传感器HS1101、所用的设计软件和 SST89E516RD 单片机作了简单的介绍。本文的重点在于通过湿度传感器 HS1101 对湿度频率的采集和通过单片机将其传输到计算机上通过Labview 进行数据处理及显示。本文所做的主要工作就在于数据的处理和显示及虚拟仪器的应用。本系统具有灵敏度高、反映时间短等特点,并且具有智能化、可编程、可实时监控等优点,相信本系统具有广泛的应用领域。关键字:单片机,湿度检测,仿真,虚拟仪器科技学院毕业论文(设计) 第 V 页VSimulation and Implementation of Distributed Humidity Measurement System Based on ProteusAbstractHumidity test in industry, agriculture, national defense and other industries has been widely used. This paper introduces the detection of moisture status, purpose and significance. Secondly, moisture detection technology applications and development made a brief introduction, also cited the current humidity are commonly used in detection methods and have their respective characteristics. Again, this program on the humidity detection system analyzes the selected design.In this paper, SCM and Labview virtual instrument combining techniques for humidity detection, MCU microcontroller-based humidity detection technology, distributed data acquisition system and humidity, and then transmit data to a computer via Labview virtual instruments for data processing and show that the wetland system has control of high precision, function, small volume, low price, simple, flexible, high reliability, could well meet the process requirements. Firstly, the system's hardware and software design. In the hardware design process, described in detail the various parts of the circuit functions and features. In the software design process, drawing a flow chart of the various program modules, described in detail the role of each module. After repeated changes of the process, improve the software system. In this paper, the system used in the humidity sensor HS1101, used in single chip design software and SST89E516RD briefly introduced. This paper will focus on the humidity by humidity sensor HS1101 frequency acquisition and its transmission through the microcontroller to a computer via Labview data processing and display. This is primarily done on the data processing and display applications and virtual instruments. The system has high sensitivity, reflecting the shorter period, and have intelligent, programmable, real-time monitoring, etc, I believe this system has a wide range of applications. Key words:MCU ,Humidity Measurement,Simulation,Virtual Instrument科技学院毕业论文(设计) 第 1 页1第一章 绪论1.1 课题研究背景湿度和人类的生产、生活有着密切的关系,同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数,例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对湿度的检测与控制。并且随着人们生活水平的提高,人们对自己的生存环境越来越关注,而空气中湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响,所以对湿度的检测及控制就非常有必要了。总之,环境湿度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。1.2 课题研究现状随着社会的发展,湿度检测系统在工业、农业等方面,应用越来越广泛,面对着工业、农业等行业对湿度检测的日益需求,对湿度检测系统精确性的严格要求,为保证日常工作的顺利进行,首要问题是加强湿度的监测工作,在这种新形势的要求下,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,对不符合湿度要求的地方进行通风、去湿等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低,且测试的湿度误差大,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湿度检测系统。1.3 课题的目标和意义随着社会经济的发展和科学技术的不断进步,许多情况下都需要对环境的湿度进行限定,因此,必须在某些特定环境安装湿度检测系统及报警器以进行监控。为此,题目研究利用 HS1101 湿度传感器的测湿快速、使用简便等特点,同时结合SST89E516RD 单片机强大的功能,设计了一个检测和监控系统来对湿度进行实时监控以进行超限报警。监测系统测量准确、调试方便、可实时记录报警信息、方便工作人员排故,并可广泛应用于条件恶劣、人员不便进入的场合。本课题的主要意义就在于让我们将所学的知识很好的应用,让我们所掌握使用的高级语言 Keil C 对单片机编程技术、Protues 对原理图的设计及仿真应用、Labview 软件实现与计算机的串口通信以及建立非接触测量的概念等知识良好应用到毕业设计中,提高我们的的实际工作技能。科技学院毕业论文(设计) 第 2 页21.4 本课题研究的主要设计目的及拟采取的技术路线研究本系统包括两方面任务:其一是对硬件系统的设计,保证系统的检测精度不小于±2 %RH,通过 555 振荡电路的驱动,检测湿度范围为 0%~100%RH 等,使其具有很强的实用性。其二是软件系统的设计,使其在电脑上实现实时显示功能,保证系统的正常运行。本课题要做的是分布式湿度测量系统的仿真与实现,而本课题拟采用的技术路线是通过湿度传感器 HS1101 采集频率数据,将其传送到单片机,再通过单片机的 USB串口将数据传输到计算机中,再在计算机中调用 Labview 软件对数据进行处理及显示。分布式湿度测量系统的仿真是由 Proteus 软件与 Keil C51 以及 Labview 三个软件进行联合仿真实现的;分布式湿度测量系统的实现是做好硬件实物后,将实物与计算机用串口连接好后,再在计算机中启动 Labview 软件,调节好参数启动即可实现分布式湿度测量系统的实现。1.5 本文结构本文通过基于 PROTEUS 的分布式湿度测量系统仿真与实现。第一章:绪论(本章阐述了课题的研究背景,课题研究现状,课题的目标和意义,本课题研究的主要设计目的及拟采取的技术路线及本文结构。 )第二章:湿度简介(本章简单介绍了湿度的基本概念,湿度检测的应用领域,常见的湿度检测方法及特点,湿度测量技术的发展趋势和湿度检测方案的选择,本课题设计所用到的设计。 )第三章: 主要器件及软件简介(本章主要介绍 Proteus、Labview 以及 Keil C51 软件,介绍湿度传感器 HS1101 及 SST89E516RD 单片机。 )第四章:总体设计第五章:详细设计(本章主要介绍系统的硬件设计及其软件设计。 )第六章:系统仿真(本章主要介绍系统的软件模拟仿真结果和硬件仿真结果。 )第七章:设计实现与调试第八章:总结与不足科技学院毕业论文(设计) 第 3 页3第二章 湿度简介2.1 湿度的基本概念湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量 [1],常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量,也就是指空气中水蒸气的密度。绝对湿度一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示,即为Ha=mV/V,式中,Ha表示绝对湿度值,mV 为待测空气中水蒸气质量, V 为待测空气的总体积。单位为g/ 。相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压 ( )和同温度下饱和水蒸气3m wP的分压( )的百分比,即HT=( / )T×100%RH 。通常,用RH %表示相对湿度。当NPwPN温度和压力变化时,因饱和水蒸气变化,所以气体中的水蒸气压即使相同,其相对湿度也发生变化。日常生活中所说的空气湿度,实际上就是指相对湿度而言。温度高的气体,含水蒸气越多。若将其气体冷却,即使其中所含水蒸气量不变,相对湿度将逐渐增加,增到某一个温度时,相对湿度达100%,呈饱和状态,再冷却时,蒸气的一部分凝聚生成露,把这个温度称为露点温度。2.2 湿度检测的应用领域人工气候室是在环境试验、科学研究(诸如种养殖、植保、组培、生物工程)等领域应用广泛的实验设备。它能模拟自然界的各种气象条件,按照实验要求精确控制室内的温度、湿度、光照以及 CO2 等指标,复现各种气候环境。为研究不同物种的生长、发育、生理、生化过程创造了环境条件。因此,人工气候室广泛应用在科研、现代农业、医药、冶金、化工、林业、环境科学及生物遗传工程等领域。在人们的日常生活中,人们的居住空间也是一个人工环境。空气污染,直接威胁人们的身体健康;噪音污染,影响人的情绪、工作、休息、饮食,可以导致神经衰弱;温度过热、过冷,导致人的不适,耗费电能;空气过湿,将使人们感到沉闷和窒息;空气过燥,又会使人的口腔感到不适,甚至可能发生咽喉炎等疾病。如果自动控制这个最常见的空间,人的生活将更舒适。所以说,这是一个很有发展前途的课题,国内外学者已经进行了相关的研究 [2]。本文也就其中最难测量的物理量——湿度进行研究。科技学院毕业论文(设计) 第 4 页42.3 常见的湿度检测方法及特点湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。一个看似简单的量值,深究起来,涉及相当复杂的物理—化学理论分析和计算 [3]。常见的湿度测量方法有:动态法(双压法、双温法、分流法) ,静态法(饱和盐法、硫酸法) ,露点法,干湿球法和电子式传感器法。1. 双压法、双温法是基于热力学 P、V、T 平衡原理,平衡时间较长,分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段,这些设备可以做得相当精密,主要作为标准计量之用,其测量精度可达到±2%RH 以上,但是设备复杂,昂贵,运作费时费工。2. 静态法中的饱和盐法,是湿度测量中最常见的方法,简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严,对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡,低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时,每次开启都需要平衡 6~8 小时。3. 露点法是测量湿空气达到饱和时的温度,是热力学的直接结果,准确度高,测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。但用现代光—电原理的冷镜式露点仪价格昂贵,常和标准湿度发生器配套使用。4. 干湿球法,这是 18世纪就发明的测湿方法。历史悠久,使用最普遍。干湿球法是一种间接方法,它用干湿球方程换算出湿度值,而此方程是有条件的:即在湿球附近的风速必需达到 2.5m/s 以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了,所以其准确度只有 5~7%RH,干湿球也不属于静态法,不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。5. 电子式湿度传感器法。电子式湿度传感器产品及湿度测量属于 90年代兴起的行业, 近年来,国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展,为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件,也将湿度测量技术提高到新的水平。2.4 湿度测量技术的发展趋势1. 广泛采用新技术、新工艺
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