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多通道智能湿度测试仪设计
摘 要：本文提出了一个多通道智能湿度测试仪的设计方案,其控制系统以AT89C2051
单片机为控制核心，结合传感器、通讯和数字电子电路技术，实现了湿度检测和湿度的有效控制。它由湿度传感器，转换处理和指示部分构成，但它的转换处理部分，是由多频时钟电路、中央处理单元、地址锁存器、程序存储器、A/D变换器、显示器并行接口电路连接成的微机，指示装置是由数码显示电路和湿度综合状态灯光指示速查图构成的显示屏。它检测精度高，可测参数多，能准确地综合反映湿度的变化,可以测量多路湿度，结果以LCD进行数字显示，当湿度超过所限定的范围可自动报警，通过RS232可将单片机的数据送至PC机做数据的综合处理和分析。
关键词：湿度检测，A/D，AT89C51，LED，RS232
Abstract: This paper proposes a multi-channel intelligent humidity tester, the design of the control system of single chip microcomputer AT89C2051 to as control core, combining sensor, communication and digital electronic circuit technology, realize the humidity detection and humidity control. It consists of humidity sensor, convert the processing and instructions part, but it's conversion processing, is more frequency clock circuit, by the central processing unit, address latches, program memory, A/D converter, display interface circuit connected into parallel the microcomputer, indicating device is A digital display circuit and humidity comprehensive state light SuZha figure in the composition of the display screen instructions. It high accuracy, can be measured parameters, can accurately reflect the change of comprehensive humidity, can measure multi-channel humidity, the results are LCD digital display, when humidity more than the scope of the defined automatic alarm, through RS232 will be sent to the single chip microcomputer data PC do data processing and analysis of comprehensive. Keywords: Humidity Measurement, A/ D, AT89C51, LED,RS232
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目录
1 前言 ................................................................................................................................................................................ 1 2 整体方案设计 ................................................................................................................................................................ 2 2.1 方案论证 ................................................................................................................................................................ 2 2.2 方案比较 ................................................................................................................................................................ 2 3 单元模块设计 ................................................................................................................................................................ 4 3.1 控制电路设计 ....................................................................................................................................................... 4 3.2 湿度检测电路设计 ............................................................................................................ 错误！未定义书签。 3.3 通信电路设计 ....................................................................................................................................................... 5 3.4 显示电路设计 ....................................................................................................................................................... 5 3.5 键盘电路设计 ....................................................................................................................................................... 7 3.6 RS232原理 ........................................................................................................................................................... 8 4 软件设计 ...................................................................................................................................................................... 10 5 系统技术指标及精度和误差分析 .............................................................................................................................. 13 6 结论 .............................................................................................................................................................................. 14 7 设计小结 ...................................................................................................................................................................... 15 8 参考文献 ...................................................................................................................................................................... 16 附录1：电路总原理图 ................................................................................................................................................... 17 附录2：PCB图 ................................................................................................................................................................ 18
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1 前言
湿度的基本概念：在计量法中规定,湿度定义为“物象状态的量”，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/m3。日常生活中所指的湿度为相对湿度，它是表示空气中实际所含水蒸气的分压（Pw）和同温度下饱和水蒸气的分压(Pn)的百分比，即HT＝（Pw/Pn）T×100％RH。通常，用RH％表示相对湿度。当温度和压力变化时，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。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。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数，要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。
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。本文也就其中最难测量的物理量——湿度进行研究。
本文所介绍的湿度控制系统以AT89C2051单片机为控制核心，结合传感器、通讯和数字电子电路技术，实现了湿度检测和湿度的有效控制。它由湿度传感器，转换处理和指示部分构成，但它的转换处理部分，是由多频时钟电路、中央处理单元、地址锁存器、程序存储器、A/D变换器、显示器并行接口电路连接成的微机，指示装置是由数码显示电路和湿度综合状态灯光指示速查图构成的显示屏。它检测精度高，可测参数多，能准确地综合反映湿度的变化，可以测量多路湿度，结果以LCD进行数字显示，当湿度超过所限定的范围可自动报警，通过RS232可将单片机的数据送至PC机做数据的综合处理和分析。
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2 整体方案设计
设计中采用了两个方案，具体的方案见方案一和方案二。
2.1 方案论证
方案一
本方案是一种以AT89C52单片机为核心的智能化湿度测试仪。该仪器根据干、湿泡发测湿原理，利用标准铂电阻测温的精确性，实现高精度测湿，以代替常规的湿度传感器或AD590干、湿度泡发测湿。如图2.1所示。
干球 湿球 传感器 传感器 处理电路 模拟开关 A/D 单片机系统 PC/XT 键盘 图2.1 系统总体结构图
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方案二
本方案为了适应对多个测控点的监控与管理，经分析采用了分布式系统的控制方式，即在每个测控点配置能独立工作的从机，多个从机由1个上位机进行监控管理，上下采用主从式监控管理形式，系统总体结构如图2.2所示。
图2.2 系统结构总图
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2.2 方案比较
由于方案一涉及的电路相对较多，消耗的功率相对较大，而且单片机采集数据更加方便，便于处理，而且单片机已经成为主流产品。单片机在电路上相对比较简单，而且消耗的功率相对较少，调试也较方便，方案二中的电路简单，制作成本低，可用于日常生活中各种场合的湿度测量，因此本设计选择方案二。
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3 单元模块设计
本系统硬件主要包括控制电路与检测电路。控制电路负责处理按键、湿度信息、控制电机、控制蜂鸣器、LED。检测电路负责检测湿度信息。此外，还有显示电路、键盘扫描电路等。传感器电路的设计是本系统设计的重点，由于要对湿度进行检测，因此需要传感器的检测电路进行设计。
3.1 控制电路设计
控制器是系统的核心部分，其性能好坏与系统功能的实现有密切的联系。它接收来自于键盘、湿度传感器输出的数字信号和频率信号并对其进行处理，再以控制电压的形式将电压信号输出给电机驱动电路，以控制通风扇的开关。控制电路外接七段数码管电路、键盘扫描电路、信号检测电路和通风电机驱动电路，具体电路如图3.1所示。
图3.1单片机控制电路
U110是单片机电源输入端，在此电路上安装了一个发光二极管以显示系统是否上电。J1是单片机ISP下载输入端，系统程序从该端口载入单片机内。尺101、C101和S101组成了单片机的复位电路。
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3.2 湿度检测电路设计
湿度检测采用的是湿度传感器HS1101。在粮情测控系统中主要是检测室内与室外的湿度，一般一个粮仓有两个湿度检测点，且精度要求不高。对湿度检测点的控制采用控制温度的方法，采用CD4051实现片选控制。
湿度传感器HS1101是法国Humirel生产的电容式湿度传感器。HS1101是一种在高分子薄膜上形成的电容。高分子薄膜上的电极是很薄的金属微孔蒸发膜，水分子可通过两端的电极被高分子薄膜吸附或释放，随着这种水分子的吸附或释放，高分子的介电系数将发生相应的变化。由于介电系数随空气的相对湿度变化而变化，所以只要测定电容C值就可得到相对湿度。
HS1101是基于独特工艺设计的固态聚合物结构，在电路中等效于一个电容器，其电容随所测空气的相对湿度增大而增大。具有极好的线性输出，在相对湿度为0～100％RH的范围内，电容的容量由163 pF变化到202 pF，其误差不大于±2％RH；湿度量程为1～99％RH，工作温度范围为-40℃～100℃；湿度输出受温度影响极小(温度系数仅为0.04 pF／℃)；常温下使用无需温度补偿，无需校准。
3.3 通信电路设计
通信电路采用RS485总线协议实现与PC机的通信。单片机将采集到的温湿度数据通过RS485总线输送给上位机(PC机)进行实时记录。由于PC机只能用RS232协议进行通信，因此需要采用一个RS485和RS232的电平转换电路，该电平转换电路主要包括电源、RS232电平转换、RS485电路三部分。 3.4 显示电路设计
显示电路采用5个七段数码管动态显示，显示结果清晰。其中第一个数码管用于系统标定，即显示当前系统的工作状态；第二、三个数码管显示温湿度的分组，即所显示的数据就是哪组温度传感器或哪个湿度传感器；第四、五个数码管用于显示温度的给定值、温度检测值和湿度检测值。其驱动电路图如图3.2所示。
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图3.2数码显示驱动电路
在七段数码管的扫描过程中，任意时刻只有一个数码管被点亮，显示时间很短(仅1ms～3 ms)，并且是循环显示。由于人眼的视觉暂留效应，在显示刷新很快的时候，可以认为全部数码管持续点亮。
显示电路部分程序如下： START:ORG 0100H; MAIN:MOV R0,#00H; MOV DPTR,#TABLE; DISP:MOV A,R0; MOVC A,@A+ADPTR; MOV P1,A; ACALL DELAY;
INC R0;
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CJNE R0,#0AH,DISP; AJMP MAIN; DELAY:MOV R1,0FFH; LOOP0:MOV R2,#0FFH; LOOP1:DJNZ R2 , LOOP1;
DJNZ R1, LOOP0; RET
TABLE:DB 0C0H;
DB 0F9H; DB 0A4H; DB 0B0H; DB 99H; DB 92H; DB 82H; DB 0F8H; DB 80H; DB 90H; END
3.5 键盘电路设计
键盘是计算机系统中最常用的输入设备之一，用户可以通过它向计算机输入指令和数据。计算机系统中的键盘按其连接方式的不同，可以分为非矩阵式键盘和矩阵式键盘两类。本系统由于功能的需要，并没有采用传统的行列扫描式矩阵键盘，而是采用了端口扫描检测高低电平的方法。ATmega16单片机有32个外部I／O端口资源。除去温度传感器4个I／O端口、湿度传感器3个I／O端口、LED显示13个I／O端口以及电机控制1个端口，该系统只需要4个按键，其功能分别为设置、移位、自加和确认。其查询接口电路如图3.3所。
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图3.3 ATmega16与非矩阵式键盘的查询接口图
3.6 RS232原理
全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。 该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，出现了代替DB25的DB9接口，现在都把RS232接口叫做DB9。RS-232设计之初是用来连接调制解调器做传输之用，也因此它的脚位意义通常也和调制解调器传输有关。RS-232的设备可以分为数据终端设备（DTE，Data Terminal Equipment, For example, PC）和数据通信设备（DCE，Data Communication Equipment）两类，这种分类定义了不同的线路用来发送和接受信号。一般来说，计算机和终端设备有DTE连接器，调制解调器和打印机有DCE连接器。但是这么说并不是总是严格正确的，用配线分接器测试连接，或者用试误法来判断电缆是否工作，常常需要参考相关的文件说明。
RS-232指定了20个不同的信号连接，由25个D-sub（微型D类）管脚构成的DB-25连接器。很多设备只是用了其中的一小部分管脚，出于节省资金和空间的考虑不少机器采用较小的连接器，特别是9管脚的D-sub或者是DB-9型连接器被广泛使用绝大多数自IBM的AT机之后的PC机和其他许多设备上。DB-25和DB-9型的连接器在大部分设备上是雌型，但不是所有的都是这样。最近，8管脚的RJ-45型连接器变得越来越普遍，尽管它的管脚分配相差很大。EIA/TIA 561标准规定了一种管脚分配的方法，但是由Dave Yost发明的被广泛使用在Unix计算机上的Yost串连设备配线标准（\"Yost Serial Device Wiring Standard\"）以及其他很多设备都没有采用上述任一种连线标准。其电路图如图3.4所示。
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图3.4 RS232接口电路图
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4 软件设计
系统中，设定定时器T0为工作方式1，定时周期为125ms，8次定时器中断为1秒。为了提高抗干扰性能，采用滑动平均滤波算法，即只采样一次，将这一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均，得到的有效采样值即可投入使用。
本系统中采用两个环形队列，每次中断采样一次湿度的值，分别放入环形队列中，每存入一个新数据便自动冲去一个旧数据。为了有效防止显示闪烁现象，每秒钟进行一次数据处理(8个数据求和再除以8)，处理后的数据换算成湿度的值送显示缓存并申请显示，同时进行监控处理，符合加热器加热停止条件或排分扇启动停止条件的，要进行相应的处理。
由于系统中有看门狗电路，所以在编程时要特别注意，传统的等待按键释放的方法容易造成看门狗电路输出复位信号。解决方法是，在主程序中，当检测到有键按下后置键按下标志位，在主程序的循环中则反复判断键按下标志位是否被清零，如果被清零则说明键已释放，然后才能进行下一轮的键盘按下判断。在T0中断处理程序中，每次中断均要检测键是否按下。若无键按下，有两种情况，一是系统中无键按下(此时键按下标志为0)，处于
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监控状态；二是键按下释放后的情况(此时键按下标志为1)，这时要清键按下标志，以便主程序中进行下一轮的键按下检测。这[NextPage]本文相关DATASHEET：MAX7219PS7219IMP813LTLC0834
GMS97C2051HS1101
这样既可以保证当键按下后不论按下多长时间只响应一次，又可以保证不使看门狗电路输出复位信号。 参考程序:
MOV A,01H
MOV ACSR,A ;选择AD转换时钟
;AD转换时,先选定模拟输入信道和选定当前AD转换的信道,然后启动AD。 ;如设计PB0-PB1作为AN0-AN1
MOV A,ADCHN ;AD采样的信道值 AND A,03H
OR A,10H ;PB0-PB1为模拟信道 CLR START ;启动AD转换 NOP SET START NOP NOP CLR START SZ EOC JMP $-1 MOV A,ADRH
MOV ADVALUE1,A ;将AD转换的值保存到ADVALUE1单元中 MOV A,ADRL
MOV ADVALUE2,A ;将AD转换的值保存到ADVALUE2单元中 RD_KB: ;键盘扫描 MOV A,#02H ;扫描第一行 MOV DPTR,#D8255B MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#D8255A MOVX A,@DPTR MOV R1,#00H
CJNE A,#0FFH,KEYCAL ;判键是否按下
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MOV A,#01H ;扫描第二行 MOV DPTR,#D8255B MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#D8255A MOVX A,@DPTR MOV R1,#08H CJNE A,#0FFH,KEYCAL
SJMP NOKEY ;KEYCAL: ; MOV R0,#08H END
无键按下 计算键码 第 12 页
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5 系统技术指标及精度和误差分析
随着各种高精度传感器的应用与普及，这一技术在科学研究，生产过程等领域中发挥着越来越重要的作用。人类步入信息社会的今天，人们对信息的提取，处理，传输以及综合利用等要求愈加。人类的生存和社会活动与湿度密切相关。随着现代化的实现，很难找出一个与湿度无关的领域来。由于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看，同是湿度传感器，材料、结构不同，工艺不同．其性能和技术指标有很大差异，因而价格也相差甚远。
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6 结论
该系统能够对湿度进行检测，同时也能控制电机与蜂鸣器；能够判断各个区域内平均湿度值是否超过所允许的湿度范围，也能显示各个区域内的湿度平均值。因此，该智能湿度检测系统具有稳定性好、精度高等特点，具有一定的应用价值。采用单片机开发的的湿度控制仪功能齐全、操作简便，特别适用于对湿度控制要求较高的继电保护柜、仪表箱、计量柜等设备。主要技术指标如下：
1.精度指标：相对误差控制在0.3%以内。 2.工作范围：0~100%RH。 3.结果反映：15秒。
4.稳定性好：低漂移，抗化学腐蚀性能。
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7 设计小结
随着各种高精度传感器的应用与普及，这一技术在科学研究，生产过程等领域中发挥着越来越重要的作用。本次的智能仪器课程设计题目为多通道智能湿度测试仪设计，在本次设计中，A/D转换器采用8位串行控制模数转换器TLC0834，TLC0834是低价格8位逐次逼近型A/D转换器，其多路器可用软件配置为单端或差分输入，也可配置为伪差分输入，基准电压的大小可调，在全8位分辨率下允许任意小的模拟电压编程间隔。湿敏传感器采用电容式湿敏元件HS1101，HS1101有响应快、线性度高、高可靠性和常时间稳定性、常时间饱和下快速脱湿等优点。IC1-a与R1、R2、C1组成一个多谐振荡器，其振荡频率f=1.44/(R1+2R2)C1，图示参数振荡频率约为50Hz(T=20ms)，其振荡脉冲作为可变脉冲发生器提供触发脉冲。显示电路采用带有高速串行接口的8位LED控制驱动器PS7219,PS7219是高性能、低价格的多位LED显示驱动器，完全兼容MAX7219，并增添了位闪等功能。其接口采用流行的同步串行外设接口SPI，可与任何一种单片机方便接口，并可同时驱动8位LED。PS7219内部有15×8 RAM功能控制寄存器，可方便寻址、对每位数字可单独控制、刷新，不需重写整个显示器，显示亮度可数字控制，每位都有闪烁使能控制位。该湿度检测系统具有稳定性好、精度高等特点，具有一定的应用价值。
通过这次设计，我发现还有很多知识并不牢固，因此在以后的学习中更应该多做习题，多动手理论联系实际。多积累经验为以后的工作打好基础。最后感谢老师的精心指点，对此我深表谢意。
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8 参考文献
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12345 D021N4007VCCoutC3104D010C447uFR15103IC11inD041N4007IC037805VCCD32J112C12200uFC2104V11V22V33V44H15H26H37H48P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7INT1/P3.3INT0/P3.2T1/P3.5T0/P3.4EA/VPX1X2RESETRXDTXD18B20RSLCDENpwmP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.713123938373635343332D0D1D2D3D4D5D6D7VCC C54.7uFC8104216156D031N4007VCCC910uFC10104VCCX1X24RST95141378W11K89C5XLCD1602J2DB91716RD/P3.7WR/P3.6C111041918311514D051N4007JP2x1K987654321CON9附录1：电路总原理图 RSTR210KV+VCCGNDP2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.72122232425262728C120104C1+C1 -T1inTTLR1outT2inTTLR2outR2inRS232T2outR1inRS232T1outC2 -V-1C2+3VCC11RXD/P3.0TXD/P3.1ALE/PPSEN10113029CR41k12D1TXD10 西华大学课程设计说明书 第 17 页 IC3MAX232C622pFX1RXD9VCCRSLCDENC722pFY112MHz11.0592MX2R5330RS232接口S4VCC18B2010KR100KEY4S8KEY4S12KEY4S16VCC1KKEY4R6pwm162738495S2S34321S1V1KEY4KEY4KEY4S5S6S7ds18b20321VCCR11100D0D1D2D3D4D5D6D7V2KEY4KEY4KEY412345678910111213141516S9S10S11BV3KEY4KEY4KEY4IC2S13S14S15R7330R833MOC34011234HLNCNCMT1SUMTNC8765BT137123R933BT137C120.01R101kwJOUT21CON2V4H1H2H3H4KEY4KEY4KEY4
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附录2：PCB图
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