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室内湿度检测与监控的设计.rar

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    贵州大学科技学院本科毕业论文 (设计) 第 I 页目录摘要 ....................................................................IIIAbstract .................................................................IV第一章 绪论 ..............................................................11.1 课题研究背景 ......................................................11.2 课题的研究目的 ....................................................21.3 国内外发展现状 ....................................................2第二章 硬件选择及介绍 ....................................................32.1 单片机的选择 ......................................................32.1.1 AT89C51 性能及特点 ...........................................32.1.2 AT89C51 内部结构 .............................................32.2 湿度传感器 ........................................................62.3 湿度传感器的选择 ..................................................72.3.1 CHR-01 湿敏电阻工作原理 ......................................82.4 输出设备选择 ......................................................92.4.1 LED 显示器简介 ...............................................9第三章 系统总体设计 .....................................................103.1 系统的总体结构 ...................................................103.1.1 系统的工作特性 .............................................103.2 系统的工作原理 ...................................................103.3 电源电路的设计 ...................................................113.4 相对湿度电路的设计 ...............................................133.4.1 相对湿度检测电路的原理及结构图 .............................133.5 转换模块的设计 ...................................................143.5.1 模数转换器 .................................................143.5.2 ICL7135 ....................................................153.5.3 单片机与 ICL7135 接口 .......................................153.6 湿度调节模块设计 .................................................16贵州大学科技学院本科毕业论文( 设计) 第 II 页3.6.1 湿度调节的原理 .............................................163.6.2 湿度调节硬件结构图 .........................................163.6.3 单片机与 LED 接口 ...........................................173.6.4 键盘接口工作原理 ...........................................173.6.5 单片机与键盘接口 ...........................................18第四章 软件的设计 .......................................................194.1 程序设计及其流程图 ...............................................194.2 程序流程图说明 ...................................................20参考文献 .................................................................22附录 .....................................................................23致谢 .....................................................................27贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页室内湿度检测与监控的设计摘要系统采用精密的检测电路,能够自动、准确检测环境空气的相对湿度,并将检测数据通过 A/D 转换后,送到处理器(AT89C51)中,然后通过软件的编程,将当前环境的相对湿度值转换为十进制数字后,再通过数码管来显示;而且,通过软件编程,再加上相应的控制电路(光电耦合及继电器等部分电路组成) ,设计出可以自动的调节当前环境的相对湿度:当室内空气湿度过高时,控制系统自动启动抽风机,减少室内空气中的水蒸汽,以达到降低空气湿度的目的;当室内空气湿度过低时,控制系统自动启动蒸汽机,增加空气的水蒸汽,以达到增加湿度的目的,使空气湿度保持在理想的状态;键盘设置及调整湿度的初始值,另外在设计个过程当中,考虑了处理器抗干扰,加入了单片机监视电路。关键词:湿度检测;湿敏电阻;A/D 转换器;单片机贵州大学科技学院本科毕业论文 (设计) 第 IV 页The Design of Indoor Humidity Detection and MonitoringAbstractThis system has adopted the accurate measuring circuit , can measure the relative humidity of the surrounding air automatically and accurately , and after measuring the data and changing through A/D, send it in the processor (AT89C51 ), Then through the programming of the software, after changing the value of relative humidity of the environment at present into the decimal digit, and then in charge of the number to show; And, through software programming, in addition, corresponding control circuit (such some circuit as photoelectric coupling and relay ,etc. make up ), design the relative humidity of the present environment of regulation that can be automatic: When the indoor air humidity is too high, the control system starts the exhauster automatically, reduce the vapor in the indoor air, in order to achieve the goal of reducing air humidity; When the indoor air humidity is too low, the control system starts the steam engine automatically, increase the vapor of the air , in order to achieve the goal of increasing humidity , makes the air humidity keep at ideal state; The initial value of the humidity that the keyboard is set up and adjusted, in designing a course in addition, have considered the anti-interference of the processor, monitored the circuit after putting into the MCU. Keywords:Humidity Detector,Humidity Resistance,A/D converter,C51 Microcontroller贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页第一章 绪论1.1 课题研究背景湿度,即大气中所含水汽的多少。它在人们的日常生活、工农业生产活动以及动植物的生长发育中都有着密切的关系。湿度信息作为气象信息的一部分正受到人们的普遍关注。在人们的生活环境中,不同的活动和事物,对其自身所处环境的湿度,有着不同的要求。为了创造舒适的环境,不但要控制温度,而且要控制湿度。如今,湿度的检测和控制技术己经获得广泛应用。比如军事、气象、农业、工业(特别是纺织、电子、食品) 、环保、国防、生物医疗、半导体、林业、畜牧业、建筑以及家用电器等方面需要对湿度进行严格监测 [1],有些场合甚至需要对湿度进行控制和报警,比如空气调节系统,温室控制系统,仓库监测系统。对湿度监测、控制的需要促进了人们对湿度传感器的研究进展。虽然湿度对我们有着如此重要的影响,但在常规的环境参数中,湿度是最难准确测量的一个参数 [2],这首先因为空气中水蒸汽含量很少,且液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解,一部分水分子电离后与溶入空气中的杂质结合成酸或碱,使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化,从而丧失其原有的性质;湿度信息的传递必须靠水汽对湿敏器件直接接触来完成,因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中,不能密封。过去使用干湿球湿度计或毛发湿度计这类湿敏器件均不属于电子类器件,所以无法通过计算机接口进行信息的采集与存储,所以也无法实现机械化、智能化处理,无论从测量的速度还是精度方面早己无法满足现代科技发展的需要,因此,对于湿度测量技术的研究正如火如茶的进行着。自 1783 年的萨修尔发明了毛发湿度计以来,湿度测量技术己有多年的发展史,而人们对湿敏元件的认识是从年美国顿蒙(F.W.Dummore)研制成功的世界上第一个电子式湿度传感器,它利用了电解质 的电阻随着湿度的变化而改变 [3],将湿度传感器从机LiCl械时代引入了电子时代。随后又出现了半导体陶瓷湿敏元件以及脚感湿元件,推动了湿度测量技术的发展。陶瓷,高分子聚合物,多孔硅等材料的研究开发衍生出了一系列新颖的湿度传感器。目前,湿度传感器的种类很多,大体上可分为三大类:电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器和高分子湿度传感器。研究表明 [4]:湿润的空气才能保持生机盎然。为防止家具、木质装修、书籍或乐贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页器老化、变形甚至干裂的情况出现,储存以上物品时室内湿度应保持在 45%~55%RH 之间,而冬季北方家庭室内湿度仅为 10%~15%RH,干燥使我们可能带上 2000~7000 伏的高压静电,由于家用和办公电器的普及,静电更是无处不在。严重的静电会使人心情烦躁、头晕胸闷、喉鼻不适。只有检测出空气湿度后,才能运用相应的方法调节空气湿度,有效消除静电,创造森林、海般的清新空气。可见空气湿度的检测对于我们的身心健康和工作学习的重要性。1.2 课题的研究目的 讨论一种测量湿度的简单方法,利用我们常用的电子元器件来组成简单而实用的湿度检测电路,并在此基础上讨论湿度检测影响条件和环境因数的作用以及湿度检测的精确性问题。 在湿度检测的基础上,简单讨论湿度的控制问题,分析湿度调节的可行性以及怎么样调节的问题。1.3 国内外发展现状随着人们对于湿度的关注,使得湿度传感器在国内外都得到了很快的发展,对于现阶段,湿度传感器的发展主要集中在半导体陶瓷以及高分子聚合物材料上,其中电容式湿度传感器也因量程广、响应迅速、灵敏度高、耐高温,湿滞误差小,温度特性和长期稳定性好等优点而得到了发展迅速。国外,自 30 年代以 为代表的电解质电阻型湿度传感器问世以来,新的湿敏材料LiCl与新的结构形式不断涌现。70 年代是湿度传感器迅速发展的时期,新型电阻型和新型电容型湿度传感器相继实现商品化,并在微波炉为代表的家用电器中得到了广泛应用。80年代后,湿度传感器的研究主要集中在感湿机理方面,以及应用新材料、新工艺,提高传感器的感湿特性和稳定性。目前,日本、美国、芬兰等国家己走在湿度传感器研究方向的世界前列 [5]。在国内,我国对于湿度传感器的研究起步稍晚,开始于上世纪 60 年代,主要以半导体陶瓷类湿度传感器为主,到 70 年代末 80 年代初国内湿度传感器才开始普遍重视,90年代,半导体陶瓷与有机高分子湿敏材料并重,开展了可靠性高、稳定高的感湿材料及与之相关的各类机理探索与研究,在国家攻关项目的带动下,使传感器的科研和生产能力得到了较大提高。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页第二章 硬件选择及介绍2.1 单片机的选择单片机专业名称—Micro Controller Unit(微控制器件)它是由 INTEL 公司发明的,最早的系列是 MCS-48,后来有了 MCS-51 系列的单片机。我们经常说的 51 系列单片机就是 MCS-51micro controller system,它是一种 8 位的单片机。在单片机应用系统开发过程中,单片机是整个设计的核心,因此选择合适的单片机型号很重要。根据系统实现功能的需要,选择合适的单片机硬件资源,在此系统性能指标满足的情况下,该系统的单片机型号选择 8051 系列的 AT89C51 芯片。2.1.1 AT89C51 性能及特点AT89C51[6]是一种与 MCS—51 单片机相兼容的、高性能的 8 位 CMOS 微控制芯片,采用 40 个引脚 DIP 封装(双列直插式封装技术),片内带有 4KB 的快闪可编程可擦除只读存储器(FPEROM)。是当前较先进的一种电擦除 8 位单片机,它与 MCS-51 指令系统完全兼容,片内 FPEROM 允许对程序存储器在线重新编程。也可用常规的 EPROM 可擦除可编程器编程。具有超强的加密功能。ATMEL 公司生产的这种 89C51 微控制器,将具有多种功能的 8 位 CPU 与 FPEROM 结合在同一芯片上,可完全替代 87C51 和8751/8752,为很多嵌入式控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案,深受用户欢迎。此外,AT89C51 还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式,在空闲模式下,CPU 停止工作,但 RAM,定时/计数器,串行口和中断系统仍然工作。在掉电模式下,只保存 RAM 的内容,振荡器停振,关闭芯片的所有其它功能,直到下一次硬件复位为止。其空闲和掉电两种工作方式以及静态逻辑运作等情况,与 MCS-51 相同。AT89C51 主要特性:与 MCS-51 产品兼容;具有 4K 字节可编程闪烁存储器;寿命:1000 写/擦循环;数据保留时间:10 年;全静态工作:0Hz~24Hz;三级程序存储器锁定;128*8 位内部 RAM;32 条可编程 I/O 线;两个 16 位定时器/计数器;5 个中断源;可编程串行通道;低功耗的闲置和掉电模式;具有片内振荡器和时钟电路;可编程全双工串行;4KB 的在线可重复编程快闪存储器,写/檫可达 1000 次以上。2.1.2 AT89C51 内部结构AT89C51 的 FLASH 存储器有 4KB,RAM 只有 128 字节,加密位有三位,加密位为贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页LB1、LB2。AT89C51 是一种带有 2KB 字节的闪速可编程可擦除的只读存储器(FPEROM)、低电压、高性能的 8 位 CMOS 微型计算机,和 MCS—51 系列产品完全兼容,2KB 的FLASH 的程序存储器,可擦/写 1000 次,可外接 0~24MHZ 的晶体振荡器;两级程序存储器,128 字节 SRAM(静止存取器);32 根可编程 I/O 引线;三个 16 位定时/计数器,六个中断源,可编程 UART(异步接收/发送)串行口,可直接 LED 驱动输出,片内模拟比较器,低功耗空闲方式和掉电工作方式。AT89C51 是 ATMEL 微控器家族中廉价的成员,它含有 2KB 字节的快闪存储器和MCS—51 结构兼容并可用 MCS—51 指令集进行编程,89C51 程序存储器大小的物理范围为 000H---7FFH,且在 89C51 中已保留了标准中断服务的子程序的地址,AT89C51 包含128 字节内部数据存储器,这样 89C51 中堆栈的深度局限于内部 RAM 的 128 字节范围内。 引脚如图 2.1; ALE 端口:地址锁存,能在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节。 PSEN 端口:程序存储,当执行外部程序存储器代码时 PSEN 每个机器周期被激活两次,在访问外部数据存储器时 PSEN 无效访问内部程序存储器时 PSEN 无效; EA/Vpp:外部寻址/编程电压,在访问整个外部程序存储器时 EA 必须外部置低,如果 EA 为高时将执行内部程序; RST 端口:复位输入端,振荡器工作时,该引脚上两个周期的高电平复位。 XTAL1:振荡器反相放大器的输入端; XTAL2:振荡器反相放大器的输出端; P0 口:P0 口是开漏双向口 I/O; P1 口 :P1 口是带内部上拉的双向 I/O 口,向 P1 口写入 1 时,P1 口被内部上拉为高电平可用作输入口,当作为输入脚时被外部拉低的 P1 口会因为内部上拉而输出电流; P2 口: P2 口是带内部上拉的双向 I/O 口,向 P2 口写入 1 时 P2 口被内部上拉为高电平可用作输入口,当作为输入脚时被外部拉低的 P2 口会因为内部上拉而输出电流; P3 口:P3 口是带内部上拉的双向 I/O 口,向 P3 口写入 1 时 P3 口被内部上贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页拉为高电平可用作输入口,当作为输入脚时被外部拉低的 P3 口会因为内部上拉而输出电流;表 2.1 为 P3 口的第二功能。表 2.1 P3 口第二功能P3.0 RXD 串行输入口P3.1 TXD 串行输出口P3.2 /INT0 外部中断 0P3.3 /INT1 外部中断 1P3.4 T0 记时器 0 外部输入P3.5 T1 记时器 1 外部输入P3.6 /WR 外部数据存储器写选通P3.7 /RD 外部数据存储器读选通A T 8 9 C 5 1122 22 12 01 91 81 71 61 51 41 31 21 11 098765434 03 93 83 73 63 53 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 42 3P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7R S T /V P D( R X D ) P 3 . 0( T X D ) P 3 . 1( I N T O ) P 3 . 2( I N T 1 ) P 3 . 3( T 0 ) P 3 . 4( T 1)P 3 . 5( W R ) P 3 . 6( R D ) P 3 . 7X T A L 2X T A L1V S SV C CP 0 . 0 (A D 0)P 0 . 1 (A D 1)P 0 . 6 ( A D6)P 0 . 5 ( A D5)P 0 . 4 ( A D4)P 0 . 3 (A D 3)P 0 . 2 (A D 2)P 0 . 7 ( A D7)P 2 . 0 ( A 8 )P 2 . 1 ( A 9 )P 2 . 2 ( A 1 0 )P 2 . 3 ( A 1 1 )P 2 . 4 ( A 1 2 )P 2 . 5 ( A 1 3 )P 2 . 6 ( A 1 4 )P 2 . 7 ( A 1 5 )P S E NA L E / P R O GE A / V P PP 1 . 0P 1 . 1图 2.1 AT89C51 引脚图 复位方式:可以是自动复位,也可以是手动复位,见 2.2 图。此外,RESET/Vpd 还是一复用脚,Vcc 掉电其间,此脚可接上备用电源,以保证单片机内部 RAM 的数据不丢失。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 6 页图 2.2 8051 复位方式 AT89C51 特殊功能寄存器:地址范围为 80H-F8H 中,共 19 个,比 AT89C2051 少了 P0 和 P2 两个专用寄存器,因为它没有这两个相应的端口。T89C51 中的所有特殊功能寄存器与 MCS-51 系列的单片机相同,特殊功能寄存器也称专用寄存器,专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行 I/O 口、串行 I/O 口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作,用户在编程时可以置数设定,却不能自由移动它用。在 51 系列单片机中,将各专用寄存器与片内 RAM 统一编址,且作为直接寻址字节,可直接寻址。51 系列有 18 个专用寄存器,其中 3 个为双字节寄存器,共占 21 个字节。2.2 湿度传感器传感器 [7]是指那些被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能,并使之按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。传感器由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成,如图 2.3 所示。湿度传感器是基于其功能材料能发生与湿度有关的物理效应或化学效应的基础上制造的。新型高灵敏度和适用范围广的湿度敏感材料是实现湿度传感器技术新突破的提前。长期以来, 人们对各种材料的湿度传感器进行了大量的研究工作。早期对感湿材料的研究主要集中在电解质、高分子化合物感湿材料、半导体陶瓷材料以及元素半导体和多孔金属氧化物半导体材料等。目前, 纳米材料和离子液体材料受到了越来越为广泛的关注。纳米技术和离子液体是两门交叉性很强的综合学科, 研究的内容涉及现代科技的广阔领域, 如:化学、电子学和生物学等。
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