基于单片机的温湿度实验箱设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的温湿度实验箱设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

相对落后，远不能满足 传统行业对湿度测量的要求，大多数湿度测量仪器还停留在干湿球湿度计，不能实现自动化测量控制，耗费大量人力、物力 及财力；通常湿度传感器主要分为以下几种： 高分子电容式湿度传感器，这种传感器通常是在玻璃、陶瓷、硅等材料基础上，电极采用真空镀膜或丝网漏印等方式做成，电容元件采用浸渍或其他办法将感湿胶涂在电极上做成的，这种传感器测湿的主要原理为感湿膜在吸收水分子后其电容值会发生明显变化。 在实际使用中这种传感器的温度系数不是常数，会根据温度的变化而变化，国内的厂家一般可以做到在 10℃ ~60℃ 内较小温度带来的线性误差。 聚酰胺树脂湿度传感器，国外的优秀厂家一般都采用聚酰胺树脂这种材料制作感湿材料，在硼硅玻璃或蓝宝石衬 底上真空蒸发制作电极，再将前述感湿材料喷涂在电极上形成感湿膜，最后将感湿膜上采用蒸发方式涂上金电极，采用这种方式制成的传感器性能优良，但其抗腐蚀等性能却远不如传统元件。 陶瓷湿敏传感器，这种传感器是今年来各大力发展研究的一种新型传感器，耐高温、相应速度快、体积轻便是其显著优点，很适合进行批量生产，但尘埃对该种传感器的影响较大，需要经常维护，在极端环境下如高温或低温会大大降低这种传感器的寿命 ，还会影响这种传感器的线性度，目前这一状况还没有得到有 本科生毕业设计（论文） 5 效解决。 2020 年 8 月， 国内 JUCSAN 公司 依托于国家计 量科学研究院、中科院自动化研究所、化工研究院等大型科研单位 的有力技术，对湿度传感器进行大力研发， 选用氯化锂感湿材料作为主攻方向，生产氯化锂湿敏传感器及相关变送器，自动化仪表等产品，在吸取了国内外此项技术的成功经验的同时，努力克服传统产品存在的各项弱点，取得实质性进展。 论文主要结构及工作安排 本文设计系统分为现场设备和监控室设备两部分，对每一个部分都进行了软件和硬件的设计，本系统带有 RS232 通讯接口电路， CPU 部分选用 AT89S52 单片机 ,温度传感器采用 AD590 温度传感器，湿度传感器采用霍尼韦尔的相对湿 度传感器 HIH36101，通信模块采用 CAN 总线进行通信远传。 监控室采用 PC 机进行显示并控制，在软件部分设计了下位机主程序、下位机信息采集子程序、下位机 A/D 转化子程序、 CAN 总线通信子程序等程序，对被控对象的控制设计了PID 算法子程序进行控制，通过软件和硬件的设计，实现了一台实验箱对温度的调控功能并实现了实验箱内温湿度数据的远传和远程控制，使得监控室内的一台PC 机能同时监控 15 台现场设备的运行状况。 在设计的第一章主要阐述了当前国内外温湿度控制状况及今后的发展趋势，明确了设计要求，第一章分两个部分介绍 ，第一部分介绍了国内外温度控制所采用的方式和方法；第二部分着重介绍了当前国内外湿度控制的方式和方法。 在第二章中主要介绍了如何选取系统的方案，通过几点比较了几种不同的方案优缺点，最终确定了一种方案， 即确定了 采用 CAN 总线作为系统总线以 AT89S52 单片机为核心的 系统控制方案；在第三章中介绍了各种器件的选型及其电路，在比较同类器件的优缺点以及综合其性价比后确定了本设计所用的各种芯片，主电路分两大块几个部分分别介绍，第一板块为下位机部分，该部分安装在现场，下位机第一部分是信息采集部分电路，包括温度信息采集电路、湿 度信息采集电路、液位信息采集电路；第二部分是 A/D 转化电路；第三部分即为本设计的核心部分，单片机外围电路设计，包括单片机的电源电路设计、单片机的复位电路设计和单片机的晶振电路设计，第四部分即为 CAN 总线设计，第五部分为驱动电路设计。 第二块为上位机电路设计，该部分安装在监控室。 本科生毕业设计（论文） 6 第 2章 系统的方案论证 概述 本 论文 设计了一个温度湿度可调的试验箱，实现 50 组、 20 段可编程调节，由 恒速升温段、保温段和恒速降温段三种控温线段。 操作者只需设定转折点的温度 Ti 和时间 ti，即可获得所需程控曲线；每段 时间设定最大值为 99 小时 59 分。 本设计采用 PID 调节规律，且具有输出限幅和防止积分饱和功能，以改善系统动态调节品质。 试验线带有声光报警功能，当温湿度超偏时进行声光报警， 试验箱的显示部分采用液晶显示，试验箱带 RS232 计算机接口实行人机对话、联机数据传输及远程监控，补水箱能自动为加湿器加水。 系统的方案 论证 远传方式的选择 采用 CAN 总线作为数据远传方式： CAN 总线对于传输介质要求不高，能够适应多种传输介质，常见的有双绞线、光纤等，传送信号使用差分电压，通常被称为 CAN_H 和 CAN_L，静态时电压CAN_H 和 CAN_L 均为 左右，此时表示逻辑状态“ 1”；用 CAN_H 比 CAN_L电压高表示逻辑“ 0”，此时 CAN_H 电压通常为 ,CAN_L 电压通常为。 CAN 总线具有以下特点： CAN 总线网络上的任意节点都可在任意时刻向网络上的其他节点发送信息，不分主从，可灵活方便的构成多机备份系统和分布式测控系统；网络上的接点可分成不同的优先级，可满足不同实时要求；采用非破坏性总线仲裁技术，当两个接点同时向网络上传送信息时，优先级高的先发送数据，优先级低的等优先级高的发送完成后再继续发送数据；具有点对点、一点对多点及全局广播传送接收 数据的功能；在通信速率为 5Kb/s 时，最远传输距离可达 10Km；通信距离为 40Km 时，最高通信速率为 1Mb/s；网络节点数最高可达110 个；每一帧的有效字节数为 8 个，传输时间短受干扰概率低；通信介质采用廉价的双绞线即可，无特殊要求；在传输信息严重出错时节点自动切断与总线的联系，这样使总线上的其他节点上的操作不受影响。 采用工业以太网为总线的系统 工业以太网具有传输速度高、低功耗、易于安装和兼容性好等方面的优势； 本科生毕业设计（论文） 7 其用于网络控制具有以下优点 ：具有相当高的传输速率，能提供足够的带宽；由于具有相同的通信协议， Ether 和 TCP/IP 很容易集成到企业管理网络；能在同一总线上运行不同传输协议，从而能建立企业的公共网络平台或基础构架；在整个网络中运用了交互式和开放式的数据存取技术；沿用多年，已成为众多技术人员所熟悉，市场上能够提供广泛软件资源、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；允许使用不同的物理介质和构成不同的拓扑结构。 综合以上 数据远传 方案，在实时性要求较高的场合，重要数据的传输过程工业以太网会产生传输延迟，因而导致数据传输不确定性。 但该项缺点可通过智能集线器的使用、主动功能的实现、优先权的引入以及双工的布线来 解决。 对于本设计要求而言，使用工业以太网较为繁琐且会提高生产成本，因此本设计采用CAN 总线作为系统的总线方式。 CPU 字长 的选择 单 片 机是一种集成电路芯片， 它的位数表示它一次可以处理的数据的长度，通常有 4 位、 8 位、 32 位等几种， 通常位数越高的单片机其内部资源越丰富，以51 单片机为例， 它是八位 COU,其内部有两个定时器、 128BRAM、 4KBROM、 64KB可编程扩展、一对串行 I/O 口、三组并行 I/O 口，高位 CPU 内部资源更加丰富 但成本较高，本设计要求较为简单，有 8 位 单片机即可满足要求。 系统方案 组成 系统 总体组成如图 所示 图 PC 主机 1 主机 2 ………… 主机 15 CAN 总线 本科生毕业设计（论文） 8 如图 所示， PC 机可同时监控 15 台试验箱的运行状况，通过 PC 机对现场参数进行设置，主机通过总线形式进行远传，实现现场主机与监控室 PC 机通信的功能。 试验箱的系统组成如图 所示。 如图 所示，信息采集部分功能需要温度、湿度和液位传感器来完成，通常传感器输出信号为较为微弱的模拟信号，不能直接被单片机使用，需要进行放大并进行 A/D 转化，因此本系统设计了信号放大电路和 A/D 转换电路。 微小信号经放大后变为 15V 的连读模拟信号，经 A/D 转化后变为数字信号被送入主机内，经主机的运算产生相应输出信号，分别控制系统的加热、降温、加湿、除湿、水箱补水等功能，同时将试验箱内的温度、湿度等情况送入显示电路进行显示，显示的同时还要将试验箱内的温度、湿度情况进行远传送给 PC 机进行显示并控制，因此本设计设计了通信接口电路，键盘接口电路主完成对温度和湿度的现场设置。 图 试验箱的系统组成 如图 所示，信息采集部分功能需要温度、 湿度和液位传感器来完成，通常传感器输出信号为较为微弱的模拟信号，不能直接被单片机使用，需要进行放温度传感器 湿度传感器 液位传感器 信号放大电路 A/D转换电路 主机 键盘接口电路 显示电路 通信接口 电源电路 PC 加热模块 降温模块 加湿模块 除湿模块 液位补偿模块 本科生毕业设计（论文） 9 大并进行 A/D 转化，因此本系统设计了信号放大电路和 A/D 转换电路。 微小信号经放大后变为 15V 的连读模拟信号，经 A/D 转化后变为数字信号被送入主机内，经主机的运算产生相应输出信号，分别控制系统的加热、降温、加湿、除湿、水箱补水等功能，同时将试验箱内的温度、湿度等情况送入显示电路进行显示，显示的同时还要将试验箱内的温度、湿度情况进行远传送给 PC 机进行显示并控制，因此本设计设计了通信接口电路，键盘接口电路主完成对温度 和湿度的现场设置。 本科生毕业设计（论文） 10 第 3章 系统的硬件设计 器件的选型 单片机的选型 目前市场上主流的单片机主要有 ： intel 公司推出的 8051/31 类单片机。 也是世界上用量最大的机种单片机之一 ，客观事实证明 80C51 已成为 8 位单片机的主流，成了事实上的标注 MCU 芯片。 MOTOROLA 单片机是 MOTOROLA 公司生产的单片机， MOTOROLA 是世界上最大的单片机厂商，在 8 位单片机方面有 68HC08 和升级产品 68HC08， 16位单片机 68HC16 也有十多个品种，其 32 位单片机 683XXX 系列也有几十种。 MOTOTOLA 单片机 特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较 intel 类单片机低得多，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强； Microchip 单片机是市场上份额增长最快的单片机它的主要产品是 16C 系列的 8 位单片机， CPU 采用 RISC 结构，仅 33 条指令，功耗低、高速度、 低电压是此类单片机的显著特点，但 Microchip 单片机没有掩膜产品，全都是 OTP 器件（近年已推出 FLASH 型单片机）。 Atmel 公司生产的 90 系列单片机是增强 RISC 内载 Flash 的单片机，通常成为 AVR 单片机， 90 系列单片机是基于新的精简指令 RISC 结构的。 这 种结构使得在 8 位微处理器市场上 AVR 单片机具有最高的 MIPS mw 能力。 NEC 单片机以 8 位单片机 78K 系列产量最高，也有 16 位、 32 位单片机。 16位以上单片机采用内部倍频技术，以降低外时钟频率 ，有的单片机采用内置操作系统。 东芝单片机从 4 位到 64 位单片机，门类齐全。 4 位单片机在家电领域有较大的市场。 8 位单片机主要有 870 系列、 90 系列等，该类单片机允许使用慢模式，采用 32K 时钟时功耗降低至 10uA 数量级。 CPU 内部多组寄存器的使用，使得中断响应与处理更加快捷。 东芝的 32 位单片机采用 MIPS3000A RISC 的 CPU 结构，面向 VCD、数字相机、图像处理等市场。 富士通有 8 位、 16 位和 32 位单片机，其中 8 位 单片机主要有 3V产品和 5V产品， 3V 产品应用于消费类及便携设备， 5V 产品应用于工业及汽车电子。 8 位单片机有 8L 和 8FX 两个系列，是市场上常见的两个系列。 16 位主流单片机有MB90F387， MB90F462， MB90F548 等，这些单片机采用 64 脚或 100 脚 QFP 封 本科生毕业设计（论文） 11 装 ， 1 路或多路 CAN 总线，并可向外扩展总线； 32 位单片机采用 RISC 结构，主要有 MB91101 等。 基于成本和设计要求，本设计采用 Atmel 公司生 产的 AT89S52 单片机，AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash存储器。 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适用于常规编程器，在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编。