毕业论文：基于51单片机的湿度测控系统的研究(终稿)终稿

毕业论文：基于51单片机的湿度测控系统的研究(终稿)终稿内容摘要：

本课题的设计方案 本课题所设计的系统有三个原则： 操作维护方便， 为了利于系统的推广，在设计时应该充分采用操作内置或简化的方法，以尽量减少对操作人员专用知识的要求，也便于进行维修。 可靠性，本系统所有的环节中，都应该有着可靠性的思想，从选用可靠性高的元器件；供电电源采用抗干扰措施；进行多向滤波等作为出发点。 性价比，本课题所设计的系统的核心是单片机，它本身有着多个优势，要使得系统能够广泛地应用，在充分考虑可靠性的同时，尽可能降低成本，提高系统的性价 比。 本文将从以下几个方面展开工作：一是确定测湿电路的设计方案；二是进行单片机核心电路的设计；三是对单片机及通信接口进行简单的概述；四是对所有的工作进行总结。 本次课题的设计系统的示意图如 图 11。 图 11：系统示意图 湿敏元件 HS1101 振荡电路 NE555 模数转换 ADC0809 核心处理器 MCU51 个人 PC 电脑 终端 4 第二章 湿度测量电路设计 传感器的认识 传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 通常由敏感元件和转换元件组成。 其中，敏感元件是指传感器中能够直接感受被测量的部 分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。 有些国家和有些科学领域，将传感器称为变换器、检测器或探测器等。 应该说明，并不是所有的传感器都能明显分清敏感元件与转换元件两个部分，而是二者全为一体。 例如半导体气体、湿度传感器等，它们一般都是将感受的被测量直接转换为电信号，没有中间转换环节 [3]。 传感器的静态特性 所谓传感器的静态特性，是指在稳态信号作用下，传感器输出－输入之间的关系特性。 衡量传感器静态特性的重要指标有线性度、灵敏度、迟滞和重复性。 1. 线性度 传感器的线性度用传感器的 输出与输入之间的线性程度表示。 如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般可用下面的多项式表示。 20 1 2 + nny a a x a x a x    … (2. 1) 式中： y――输出量； x――输入物理量； 0a ――零位输出； 1a ――传感器线性灵敏度； 23, na a a… , ――待定常数。 在使用非线性特性的传感器时，如果非线性项的方次不高，在输入量变化范围不大条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段。 2. 灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值，一般用 nS 来表示，即 式中： yd ――输出量的变化； xd ――输入量的变化。 对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率。 非线性传 感器的灵敏度为一变量。 一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传xdydnS  (2. 2) 5 感器的输出－输入特性为直线。 3. 迟滞 在相同工作条件下做全量程范围校准时，下行程（输入量由小到大）和反行程（输入量由大到小）所得输出输入特性曲线往往不重合。 也就是说，对应同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，此即迟滞现象。 迟滞（或称回程误差）正是用来描述传感器在正反行程期间特性曲线不重合程度的。 迟滞的大小常用正反行程最大输出差值 maxy 对满量程输出 SFy. 的百分比来表示的 [4]。 4. 重复性 重复性是指在相同工作条件下，输入量按同一方向作全量程多次测试时，所得传感器特性曲线不一致性的程度。 多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。 重复特性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象具有的原因。 其它的特性还有分辨力，传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值；零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。 传感器的动态特性 传感器动态特性是指输入量随时间动态变化时，其输出与输入的关系。 很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。 只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间的关系要用动态特性来说明。 为研究传感器的动态特性，可建立其动态数学模型，用数学中的逻辑推理和运算方法，分拆传感器在动态变化的输入量作用下，输出量如何随时间改变。 实际中，输入信号随时间的变化 形式多种多样，无法统一研究，所以通常只分析传感器在标准输入信号作用下的输出。 研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。 由于输入信号的时候函数形式是多种多样的，在时域内研究传感器 的响应特性时，只能研究几种特定的输入时间函数如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等的响应特性。 对于任意输入 tx 所引起的响应 ty ，可以利用两个函数的卷积关系，即系统的响应 ty 等于冲激响应函数 th 同激励 tx 的卷积，即            t dtxhtxthty0 (2. 3) 6 湿度传感器的选择 湿度及其表示方法 在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大 气里总是含有或多或少的水汽。 大气中含有水汽的多少，表示大气中的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度表示大气干湿程度的物理量。 大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对 湿度。 绝对湿度 绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表示为 式中：  ――被测空气的绝对（ g / 3m ， mg / 3m ）； VM ――被测空气中水汽的质量（ g ， mg ）； V――被测空气的体积（ 3m ）。 相对湿度： 相对湿度是气体 的绝对湿度（ v ）与同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度（ W ）之比，常用 %RH 来表示。 即 式中： vP ――待测气体的水汽分压； WP ――同一温度下水蒸汽的饱和水汽压 [3]。 湿度传感器 HS1101 湿度传感器 HS1101 是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。 可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电 ，工业控制系统等。 它有以下几个显著的特点： 全互换性，在标准环境下不需校正 长时间饱和下快速脱湿 可以自动化焊接，包括波峰或水浸 高可靠性与长时间稳定性 专利的固态聚合物结构 可用 于线性电压或频率输出回路 快速反应时间 VMV(2. 4） RHPPTWV %100相对湿度 (2. 5） 7 HS1101 的简单物照图如图 21[5]。 图 21： HS1101实物照 相对湿度在 0%～ 100%RH 范围内；电容量由 162pF 变到 200pF,其误差不大于 2%RH；响应时间小于 5s；温度系统为 ℃。 可见其精度是较高的。 其湿度－电容响应曲线如图 22： 图 22： HS1101湿度－电容响应曲线 HS1101 的一些常用参数如表 21： 表 21： HS1101常用参数 参数 符号 参数值 单位 工作温度 Ta 40～ 100 ℃ 储存温度 Tstg 40～ 125 ℃ 供电电压 Vs 10 Vac 湿度范围 RH 0～ 100 %RH 焊接时间 @=260℃ t 10 S 200 190 180 170 电容 F 20 40 60 80 100 相对湿度 % 8 湿度测量电路 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。 涉及 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 时 ，常用两种方法 :一是将 HS1101 置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经 整流、直流放大、再 A/D 转换为数字信号。 另一种是将 HS1101 置于 555 振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。 NE555 时基电路 NE555 是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200mA.。 在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微秒到数小时。 其工作电压范围为：  ccV 16V。 NE555 的框图如图 23 所示 [5]。 图 23： NE555 框图 9 基于 555 振荡电路的湿度测量电路设计 图 24：测湿电路图 把 HS1101 和 NE555 同时接入电路中的电路 设计原理图如图 24 所示。 NE555 电路功能的简单概括为 :当 6端 和 2 端同时输入为“ 1”时 ,3 端输出为“ 0” ；当 6 端 和 2端同时输入为“ 0”时 ,3端输出为“ 1”。 在此电路中 ,555 定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的。 当电源接通时 ,由于 6 和 2 端的输入为“ 0” ,则定时器 3 脚输出为“ 1” ；又由于 C1 两端电压为 0,故 ccV 通过 R2 和 R3 对 C1 充电 ,当 C1 两端电压达到2 ccV /3 时 ,定时电路翻转 ,输出变为“ 0”。 此时 555 定时器内部的放电 BJT 的基极电压为“ 1” ,放电 BJT 导通 ,从而使电容 C1 通过 R3 和内部放电 BJT 进行放电 ,当 C1 两端电压降低到 ccV /3 时 ,定时器又翻转 ,使输出变为“ 1” ,内部放电BJT 截止 ,VCC 又开始通过 R2 和 R3 对 C1 充电 ,如此周而复始 ,形成振荡。 其工作循环中的充电时间为 hT =(R2+R3)C1； 放电时间为 1T = *C1； 输出脉冲占空比为 q ＝ (R2+R3)/(R2+2R3),为了使输出脉冲占空比接近 50％ ,R2应远远小于 R3。 当外界湿度变化时 ,HS1101 两端电容值发生改变 ,从而改变定时电路的输出频率。 因此只要测出 555 的输出频率 ,并根据湿度与输出频率的关系。