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1、多通道数据采集检测系统 班级：090419成员: 顿新虎、冯超、蔡莉媛指导老师：李翰山 一：方案的设计 1.1系统框图如图所示二：传感器的选择2.1 温度传感器集成温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。2.1.1 温度传感器主要特性流过器件的电流(A)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：Ir/T=1，式中，Ir流过器件(AD590)的电流，单位为A；T热力学温度，单位为K；AD590的测温范围为-55+150；AD590的电源电压范围为430V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件
2、即使反接也不会被损坏；输出电阻为710m；精度高，AD590在-55+150范围内，非线性误差仅为0.3。2.1.2 AD590的工作原理AD590温度感测器是一种已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流。其规格如下：温度每增加1，它会增加1A输出电流。可量测范围-55至150。供应电压范围+4V至30V。AD590的接脚图及零件符号如图2.2所示：图2.2 AD590的接脚图及零件符号AD590的输出电流是以绝对温度零度(-273)为基准，每增加1，它会增加1A输出电流，因此在室温25时，其输出电流Io=(273+25)=298A。Vo的值为Io乘上10K，以室温25而言，输出值为2.9
3、8V(10K298A)。量测Vo时，不可分出任何电流，否则量测值会不准。2.1.3 电路设计AD590的输出电流I=(273+T)A(T为摄氏温度)，因此量测的电压V为(273+T)A 10K=(2.73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来，我们使用电压追随器其输出电压V2等于输入电压V。 2.2 湿度传感器本设计中采用相对湿度传感器HIH-3610。HIH-3610是美国Honeywell公司生产的相对湿度传感器，该传感器采用热固聚酯电容式传感头，同时在内部集成了信号处理功能电路，因此该传感器可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务，同时该
4、传感器还具有精度高、响应快、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点。2.2.1 主要特性（1）热固性聚合物电容传感器，带集成信号处理电路；（2）3针可焊塑封；（3）宽量程：0100%RH非凝结，宽工作温度范围 4085；（4）高精度：2%RH，极好的线形输出；（5）5VDC恒压供电，0.8-3.9VDC放大线形电压输出；（6）低功耗设计 200A驱动电流；（7）激光修正互换性；（8）快速响应 5秒 慢流动的空气中；（9）稳定性好,低温飘,抗化学腐蚀性能。图2.5 HIH-3610电压与湿度特性曲线测量范围/ (%RH)测量精度/ (%RH)电源电压/ V电源电流A输出范围或输出形式
5、工作温度范围/主要特点0100+2/-245.82000.8V3.9V-40+85线性电压输出线，性能最好，抗污染能力最强表1 HIH-3610主要技术指标由输出电压与相对湿度关系曲线可得出如下结论：（1）HIH-3610在供电电压为5V时，其消耗电流仅为200A，故HIH-3610湿度传感器对电源没有功率方面的要求，为低功耗产品的设计提供更好的解决方案。（2）HIH-3610输出电压为：Vo=Vi0.0062RH0+0.16 （公式1）即输出电压Vo不仅正比于温度测量值，且与电源电压值Vi有关，若Vi固定为5V，则其值仅由相对温度值决定。（3）HIH-3610测量的湿度值还与环境温度有关，故
6、应进行温度补偿，补偿公式为：RH=RH0/(1.0546-0.00216T) （公式2）式中：T为环境摄氏温度值。利用HIH-3610的线性电压输出可直接输入到控制器或其他装置。一般仅需取出200A电流，HIH-3610系列测湿传感器就能理想地用于低引出、电池供电系统。HIH-3610系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组建（SIP）提供仪表测量质量的相对湿度（RH）传感性能。RH传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其芯片内具有信号处理功能。传感元件的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力。2.2.
7、2湿度信号采集的设计湿度的检测方法，一般采用湿敏元件检测，分为湿敏电阻和湿敏电容两种情况。基于本次设计，采用了HIH-3610相对湿度传感器它是一种热固聚脂电容式传感器。采集到的湿度信号再配以进行适当的放大，经过A/D转换送至单片机。实现湿度的显示与控制。电路连接图如图所示。其湿度传感器用一个电解电容代替。 四：A/D转2.3压力传感器2.3.1 气压传感器TTP501原理介绍 能和原理：主要是用来检测气压的传感器。在硅片的中间，从背面腐蚀形成了正方形的膜片，利用膜片将压力转换成应力，在膜片的表面，通过扩散杂质形成了四个p型测量电阻，它们按桥式电路连接，利用压阻效应将加在膜片上的应力变换成电阻
8、的变化，此电阻的变化通过桥式电路之后，在桥式电路的两个输出端之间，以电位差的形式对外输出。传感器原理图如图2所示。图2传感器原理图2)气压的输出特性：气压与输出关系曲线如图3所示，是一接近线性关系。图3气压与输出关系曲线2.3.2 气压传感器放大电路 我们选用的高精度低噪声仪用放大器AD620，可以用在传感器输出信号小的放大器中，如光电池传感器、应变片传感器以及压力传感器等。由于它具有低噪声、增益精度高、增益温度系数小和高线性度等优良性能。用于此系统中是非常理想的。AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1-1000的仪表放大器，具有良好的直流性能和交流性能，AD620的体积小、功耗
9、低成为应用在压力传感器中的重要因素，传感器信号放大电路如图所示。2.4 湿度传感器2.4.1传感器结构和测量原理在这种传感器的管内没有移动部件和阻流部件；利用了导液管的差压原理而设计；导液管结构简单，稳定性好，经久耐用；这种传感器的灵敏度和精确度高，量程宽；制造简单，成本低，这种传感器可广泛应用于医学、化学、石油、工业和农业等领域。通过不同的标定也用于气体的流量测量。差压式液体流量传感器的结构如图所示，主要由导液管和差压式压力传感器组成。这个特殊结构的导液管由我们自行设计，差压传感器是由Honeywell 公司生产的26PCC传感器。此导液管由输入管、节流管、输出管和两个取压管组成，两个取压管
10、由输入管和输出管引出，用于引出节流管两端的压力差。导液管可由玻璃、塑料、金属等材料制成。输入管和输出管的内径比节流管大，取压管的内径通常最小。如图2.2所示，输入管、节流管和输出管被连接成“一”字型，取压管被对称地接在输入管与输出管上。差压式压力传感器通过气管被连在两取压管上。当有液体流过导液管时，输入管与输出管之间会产生的压力差，输入管压力大于输出管的压力。由差压式传感器检测这个压力差，并转换成电压信号。另外，压力差随差通过导液管的单位时间内液体流量的变化而变化，其关系可由以下等式来表达 （2.1）式中，Qv 为单位时间的体积流量 为流量计的转换系数Y 为流体澎胀率, 对于液体Y=1g 为当
11、地重力加速度P1-P2 为输入管与输出管之间的压力差 为流体密度从等式可以清楚地看到当、Y、g和不变时, 流量与压力差的平方根成正比。流量转换系数是很复杂的一个常数，它决定于传感器的结构和方法，比如与获取压力的方式和位置等因素有关。47P131256P21.输入管2、5.两个取压管3.压力传感器4.压力传感器接线端6.输出管7.节流管图2.2流量传感器结构图本装置采用了由Honeywell 公司生产的现有压力传感器。其内部电路主要是由四个应变片电阻线组成的一个惠斯通电桥电路组成。我们采用了型号为26PCBFA6D型压力传感器，其量程为从0到34.445千帕，本压力传感器具有很高的灵敏度、线性度
12、和稳定性，另外还有过载能力强和温度补偿功能。图2.4压力差与输出电压的关系为了使用本压力传感，对它进行性能测试。将它接上透明的水管，用水柱高做压力，用高灵敏度数字万用表测量电压，传感器接上12V 电压，测验结果如图2.4所示，可以用以下等式来表示： (2.2)式中P 是液管输入口与输出口之间的压力差，P=P1-P2, K1是比例常数，即在图中的斜率。为了提高传感器的灵敏度，本设计采用了一个仪表放大电路，如图2.5所示。图中使R1=R2=R3=R4=R5=R6， 放大电路的输入端接压力传感器的输出，其输出接一个8位的ADC转换器。该放大电路的增益可以用以下等式来表示： (2.3)式中，Av 是放
13、大电路增益，所以有 (2.4)在上式中令 K= AvK1 , Vo 是放大电路输出电压。结合等式 2.1，2.2，2.3，2.4 ，流过导液管的液体的体积流量和所对应的电压有以下关系： (2.5)由等式可以清楚地看出体积流量与放大电路输出电压的平方根成正比。2.4.2.传感器电路与放大电路的接口设计在单位时间内，当流体从输入管流过节流管到输出管时，两个取压管内流体体积流量存在差值，这时RV1， RV5阻值发生了变化，引起电压检测表VOLTS电压值的变化，这个电压值经放大电路放大送到A/D转换器，经单片机处理输到LCD显示出来。图2.10压力传感器电路与放大电路的接口电路在单位时间内，当流体从输
14、入管流过节流管到输出管时，两个取压管内流体体积流量存在差值，这时RV1， RV5阻值发生了变化，引起电压检测表VOLTS电压值的变化，这个电压值经放大电路放大送到A/D转换器，经单片机处理输到LCD显示出来。三：A/D转换器3.1 A/D转换器功能介绍AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：分辨率：12位非线性误差：小于1/2LBS或1LBS转换速率：25us模拟
15、电压输入范围：010V和020V，05V和010V两档四种电源电压：15V和15V数据输出格式：12位/8位芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式AD574A的引脚说明：1. Pin1(+V)+5V电源输入端。2. Pin2()数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。3. Pin3()片选端。4. Pin4(A0)字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。5. Pin5()读转换数据控制端。6. Pin6(CE)使能端。现在我们来讨论AD574A的CE和A0对其工作状态的控制过程。在CE=1、CS/=
16、0同时满足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当=0时A/D转换，当=1是进行数据读出。和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0-0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。当=1，也即当AD574A处于数据状态时，A0和控制数据输出状态的格式。当=1时，数据以12位并行输出，当=0时，数据以8位分两次输出。而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。其控制逻辑真值表见表1。7. Pin7(V+)正电源输入端，输入+15V电源。8. Pin8(REF
17、OUT)10V基准电源电压输出端。9. Pin9(AGND)模拟地端。10. Pin10(REF IN)基准电源电压输入端。11. Pin(V-)负电源输入端，输入-15V电源。12. Pin1(V+)正电源输入端，输入+15V电源。13. Pin13(10V IN)10V量程模拟电压输入端。14. Pin14(20V IN)20V量程模拟电压输入端。15. Pin15(DGND)数字地端。16. Pin16Pin27(DB0DB11)12条数据总线。通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。17. Pin28(STS)工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=
18、0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。AD574A的工作模式：以上我们所述的是AD574A的全控状态，如果需AD574A工作于单一模式，只需将CE、端接至+5V电源端，和A0接至0V，仅用端来控制A/D转换的启动和数据输出。当=0时，启动A/D转换器，经25us后STS=1，表明A/D转换结束，此时将置1，即可从数据端读取数据。3.2 A/D转换器接口电路3.2.1AD574A与单片机的接口图所示为AD574A与单片机的接口示例。该电路采用双极性输入方式，可对5 V或10 V模拟信号进行转换。AD574A与89S52单片机接口时，由
19、于AD574A输出12位数码，单片机读取转换结果时，需分两次读入，所以接地；AD574A的高8位数据线接单片机的数据线，低4位数据线接单片机的低4位数据线；AD574A的GE信号要求无论是单片机对其启动控制，还是对转换结果的读取都应为高电平有效，所以和通过74LS00与非门接CE信号；AD574A的STS信号接单片机的一根IO口线，单片机对转换结果的读取采用查询方式。四：单片机AT89S52AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，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器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许ROM
20、在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案。4.1 主要特性(1) 与MCS-51单片机产品兼容；(2) 8K字节在系统可编程Flash存储器；(3) 1000次擦写周期；(4) 全静态操作：0Hz33Hz；(5) 三级加密程序存储器；(6) 32个可编程I/O口线；(7) 三个16位定时器/计数器；(8) 八个中断源；(9) 全双工UART串行通道；(10) 低功耗空闲和掉电模式；(11) 掉电后中断可唤醒； 图2.8 AT89S52芯片的引脚图(12) 看门狗定时器；(13) 双数据指针；(14)
21、 掉电标识符。如图2.8所示AT89S52芯片的引脚图VCC：电源Vss：地 P0口：8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电
22、阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3-1所示。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表2 P1口引脚的功能引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口：具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动四个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部
23、上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在方位外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在Flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。表3 P3口引脚的第二功能 P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动四个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3所示。引脚
24、号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2 （外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/：控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据
25、存储器时， ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接地。为执行内部程序指令，应该接VCC。在Flash编程期
26、间，也接收12伏VPP电压。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。4.2 AT89S52的最小系统五：继电器控制电路电磁式继电器具有结构简单、工作可靠、坚固耐用、价格便宜等优点应用极其广泛，它是最为典型和常用的继电器。本电路采用常闭继电器由单片机控制，当温度、湿度、压力、流量异常时，继电器开始工作且开关切断电源，小灯熄灭，从而起到保护系统的作用。其电路如图 七：输出驱动的设计将继电器接到单片机AT89S52的P1.5、P1.6口，开关输出控制加湿或者除湿装置电路，单片机将采集到的温湿度数字量与预设的基准上下限进行运算比较处理后，从P1.5
27、、P1.6口输出驱动电磁继电器，对温湿度装置进行调节，以及电源通断等控制。驱动电路与单片机的连接电路如图3-8所示。当检测的湿度值高于设定的湿度值范围时,单片机AT89C52将使P1.6输出低电平,停止加湿器加湿;同时使P1.5输出高电平,使除湿器进行除湿；当检测的湿度值低于设定的湿度值范围时, 单片机AT89S52将使P1.5 输出低电平,停止除湿器除湿;同时使P1.6输出高电平，使加湿器进行加湿。驱动电路与单片机的连接八：与上位机相连电路的设计通过和MAX232和上位机相连接，如图3-9所示。在大气气候的检测中需要做记录时，可以通过设置单片机的参数，每隔一定的时间进行自动的做记录，省去人工的记录麻烦。Max232的T1IN和单片机的P3.2相连，R1 OUT和单片机的P3.1相连。图3.9 单片机系统与上位机的连接