毕业设计（论文）-基于AT89S51单片机的湿度测控系统研究.doc

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1、南京信息工程大学南京信息工程大学 基于基于 5151 单片机的湿度测控系统的研究单片机的湿度测控系统的研究 院 系 ： 成人教育学院 专 业 ： 电子信息工程 姓 名 : 学 号 : 指导老师 ： 基于基于 5151 单片机的湿度测控系统的研究单片机的湿度测控系统的研究 * 南京信息工程大学成教院，210044 摘摘 要：要：随着社会信息科学的发展，控制理论和电子技术也在不断更新，基于微控制器的高度智能化测控技术 逐步成为现实。其中以单片机为核心实现数字控制器因其体积小、成本低、功能强、简便易行而得到了广泛的 应用。室内湿度测控由于其重要性的日益突出，技术也越来越成熟。本文主要讨论基于 AT8

2、9S51 单片机的以 HS1101 作为前端湿敏元件的室内湿度检测系统。 本系统采用层次化、模块化设计，以 HS1101 湿敏芯片的传感器作为测量的器件，所得到的数据经过 NE555 振荡电路处理后，通过 ADC0809 模数转换器件接入到 AT89S51 单片机，以单片机为核心对数据进行记录、 存储、处理和报警。本文在设计过程中主要做了以下几个方面的工作：一是讨论并选择系统的总体设计方案； 二是对传感器、A/D 转换器和单片机进行设计和选择；三是对单片机及其跟 PC 机进行通信的接口进行电路及软 件系统的设计。 本系统的设计还处于理论阶段，是在论证了各种方案和搜集了各种的资料后提出的一种切实

3、可行的室内 湿度监测系统。本系统完全满足一般小实验室的湿度测控系统的要求，实现了对室内湿度状况的全面、实时和 长期的监测，也实现了室内湿度检测的自动化智能化。 关键词：AT89S51；HS1101；AD 转换器；RS-232；传感器 BasedBased onon 5151 SCMSCM humidityhumidity measurement and control system is studied chen yunxia Adult education college of Nanjing information engineering university,210044 Abstrac

4、t With the social development of information science, control theory and electronic technology has been updated too, based on the micro-controller, the technology of highly intelligent micro-controller monitoring has gradually become a reality. Among them, single-chip digital controller as the core

5、because of their small size, low cost, powerful, simple and widely used. Indoor humidity measurement and controlling has been growing importance because of the prominent and the more and more mature technology. This article focused on a single chip AT89S51 based HS1101 humidity sensor as a front-end

6、 indoor humidity detection system. The system has a hierarchical, modular design, and uses HS1101 humidity sensor chip as a measurement device. The data obtained after treatment NE555 oscillator circuit through the ADC0809 AD converter connecting to the AT89S51 micro-controller, a single machine as

7、the core of the data record, storage, processing and alarm. In this paper, the main job of the design is the following points: First, to discuss the overall design and program so to select the appropriate system; Second, design and selection of the sensor, A / D converter, and a single-chip; third i

8、s a Micro Controller Unit to communicate with the PC interface and software systems for circuit design. The design of the system is still in the theoretical stage, and it is to demonstrate a variety of programs and collected information on the various proposed a practical indoor humidity monitoring

9、systems. Satisfy the system of small laboratory humidity measurement and control system requirements, the indoor humidity has been to achieve the status of a comprehensive, real- time and long-term monitoring, and also make the indoor humidity intelligent and automated testing to come true. Keywords

10、: AT89S51; HS1101; AD converter; RS-232; sensor 目目 录录 第一章第一章前言前言1 1.1概述.1 1.2实验室湿度测控的意义.1 1.3实验室湿度测控的现状与发展.2 1.3.1传统的分立式湿度测量.2 1.3.2模拟集成湿度传感器测量.2 1.3.3智能湿度传感器测量.2 1.4本课题的设计方案.3 第二章第二章湿度测量电路设计湿度测量电路设计4 2.1传感器的认识.4 2.1.1传感器的静态特性.4 2.1.2传感器的动态特性.5 2.2湿度传感器的选择.6 2.2.1湿度及其表示方法.6 2.2.2湿度传感器 HS1101.6 2.3湿度

11、测量电路.8 2.3.1NE555 时基电路 8 2.3.2基于 555 振荡电路的湿度测量电路设计.9 第三章第三章核心电路的设计核心电路的设计10 3.1ADC0809 模数转换器.10 3.1.1ADC0809 应用简介.10 3.1.2测湿电路与单片机连接.11 3.1.3湿度误差补偿插值法子程序.11 3.2单片机电路的设计.12 3.2.1MCS-51 单片机12 3.2.2AT89S51 单片机13 3.2.3时钟晶振电路和复位电路.13 3.3总体电路系统.14 3.3.1LED 报警设计14 3.3.2系统总设计.15 3.4电路 PCB 版图设计.17 第四章第四章单片机与

12、单片机与 PC 间的串行通讯间的串行通讯.20 4.1RS-232-C 接口 .20 4.2单片机和 PC 通信连接20 4.3简单软件设计.22 4.3.1下位机软件设计.22 4.3.2上位机程序设计.23 第五章第五章结结 论论24 参考文献参考文献.25 致谢致谢.26 附录附录.27 - 1 - 第一章第一章 前前 言言 1.1 概述概述 湿度，被定义为表示大气干燥程度的物理量。即在一定的温度下在一定的体积的空气 里含有的水汽越少，则空气越干燥;水汽越多，则空气越潮湿。湿度测量技术的发展已有 200 多年的历史，人们早就发现了人的头发随大气湿度变化而伸长或缩短的现象，因而制 成了毛发

13、湿度计。但是人们对于湿度传感器中的湿敏元件的认识，是从 1938 年美国 F.W.Dunnore 研制成功浸涂式氯化锂湿敏元件才开始的。 无论是在科研、实验生产、粮食储备、军火储备还是植物生长、大学校园里面的实验 室元器件的保养，湿度的测量、传输和控制都跟其有着密不分的关系。环境的湿度有人们 的视野里出现，并其重要性逐渐提高，使湿度的测控具有与环境温度的测控有着相同的重 要意义。为了确保实验生产过程中得到很好的质量保证，为了确保实验室的元器件能够很 好延续使用生命周期，湿度测量的提出已经引起了工作者的注意。在现代社会信息科技的 不断迅速发展中，计算机技术、网络传输和湿敏元件的高速更新，使得湿度

14、的测量正朝着 自动化、网络化发展。在实验室的监控中，湿度测量的出现使得元器件的保养达到更好、 使用周期更长、性能保持更好。所以实验室湿度测控有着广阔和应用发展空间。 现在技术中，对湿度的测量有方法多种多样，也较为容易实现。但精度和反应度却是 各种方法中的瓶颈，本系统的设计就是从精度上和高反应度上进行测控、选器件、系统的 设计，尽可能使做出来的系统可以更好更精确更实时地检测到室内湿度的变化，并及时读 取数据进行处理，最终显示在个人电脑终端，使得工作者能够在最短的时间内对环境不断 发生变化的湿度有着实时的了解，并可以针对不同的状况做出不同的反应。 1.2 实验室湿度测控的意义实验室湿度测控的意义

15、每个实验室都有着自己的微小气候，在其中湿度有着非常重要的影响力。高湿容易使 人体散热量增加、容易使人体丧失热蒸发机能，导致热疲劳。实验室湿度高于 70%为高气 湿，人将感到不适；低于 30%为低气湿，人感到口鼻干燥；最舒适的湿度为 40%60%1。 在实验室所使用的各种仪器设备中，空气湿度对其影响是非常明显的，无论是使用过程对 精度的影响，还是在保养过程中使得容易老化，容易被侵蚀。 综上所述，无论是从人体健康的角度还是从元器件使用的角度上看，对实验室的湿度 测控的意义都是非常重大的。 1.3 实验室湿度测控的现状与发展实验室湿度测控的现状与发展 人们研究湿度测量的历史也算是久远，对在实验室中进

16、行湿度测控也更是随着实验信 - 2 - 息技术的发展而不断更新换代。实验室室内湿度测控的发展大致经历了以下三个阶段：传 统的分立式湿度测量；模拟集成湿度传感器测量；智能湿度传感器测量2。 1.3.1 传统的分立式湿度测量传统的分立式湿度测量 传统的电阻湿度计、半导体湿敏元器件等，都属于分立式湿度测量元件，使用这些元 器件来进行测量湿度的，统称为分立式湿度测量。20 世纪 50 年代以来，随着传统的电阻、 电容湿度计的出现，湿度测量走向了一个新的台阶。此类测量方法所使用的元件通常不能 单独完成测量任务，使用时还需要配上二次仪表，才能完成湿度测量及控制功能。其主要 缺点是外围电路比较复杂、测量精度

17、比较低、分辨力不高，还有就是它们的体积比较大、 使用起来不够方便。所以，传统的分立式湿度测量方法受到了现在科学技术发展的挑战， 已经逐渐被淘汰。到了 20 世纪 90 年代，这种室内湿度测控已经很难再找到了。 1.3.2 模拟集成湿度传感器测量模拟集成湿度传感器测量 在 20 世纪 80 年代中，采用硅半导体集成工艺的集成湿度传感器问世，它是将湿度传 感器集成在一个芯片上、可完成湿度测量及模拟信号输出功能的专用 IC，它属于最简单的 一种集成湿度传感器。用这种模拟集成湿度传感器来进行实验室室内湿度测控，外围电路 是较为简单，所以这种测量方法最为广泛应用。本系统也是基于这样集成 IC 的传感器

18、HS1101 来进行设计的。 1.3.3 智能湿度传感器测量智能湿度传感器测量 智能湿度传感器的未来测量发展的一个重要的方向，也是室内湿度测控的必然发展， 更是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。智能湿度测控器也是在智能湿度传 感器的基础上发展起来的。智能湿度测控器适配各种微控制器，构成智能化湿敏控制系统； 它们还可以脱离微控制器单独工作，自行构成一个温控仪，既可以工作在连续转换模式， 亦可选择单次转换模式。 进入 21 世纪的第一个年代，智能湿度测控技术正朝着高精度、多功能、总线标准化、 高可靠性及安全性、开发虚拟传感器测量和网络传感器测控、研制单片测量系统等高科技 的方向迅速发展。

19、 总之，随着计算机技术、应用电子技术、传感器智能化技术、机械电子一体化技术和 计算机网络技术研究的发展，室内湿度测控已经成为各个国家在保养电子元器件、实时监 测室内湿度等国际市场竞争力的前沿性研究领域。 1.4 本课题的设计方案本课题的设计方案 本课题所设计的系统有三个原则：1、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。2、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 - 3 - 湿敏元件湿敏元件 HS1101 振荡电路振荡电路 NE555 模数转换模数转换 ADC0809 核心处理

20、器核心处理器 MCU-51 个人个人 PC 电脑电脑 终端终端 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。3、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 1-1。 图图 1-11-1：系统示意图：系统示意图 - 4 - 第二章第二章 湿度测量电路设计湿度测量电路设计 2.1 传感器的认

21、识传感器的认识 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。 2.1.1 传感器的静态特性传感器的静态特性 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

22、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。 2 012 + n n yaa xa xa x (2. 1) 式中：y输出量； x输入物理量； 零位输出； 传感器线性灵敏度； 0 a 1 a 待定常数。 23 , n a aa , 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，一般用来表示，

23、即 n S 式中：输出量的变化； 输入量的变化。 y d x d 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，即传感器的输出输入特 x d y d n S (2. 2) - 5 - 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

24、最大输出差值对满量程输出的百分比来表示的4。 max y SF y . 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。 2.1.2 传感器的动态特性传感器的动态特性 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

25、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

26、于任意输入所引起的响应，可以利用两个函数的卷积关系，即系统的响txty 应等于冲激响应函数同激励的卷积，即tythtx 2.2湿度传感湿度传感器的选择器的选择 2.2.1 湿度及其表示方法湿度及其表示方法 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 t dtxhtxthty 0 (2. 3) - 6 - 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 3 mmg

27、 3 m 被测空气中水汽的质量（，） ； V Mgmg V被测空气的体积（） 。 3 m 相对湿度： 相对湿度是气体的绝对湿度（）与同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对 v 湿度（）之比，常用%RH 来表示。即 W 式中：待测气体的水汽分压； v P 同一温度下水蒸汽的饱和水汽压3。 W P 2.2.2 湿度传感器湿度传感器 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： 1、 全互换性，在标准环境下不需校正 2、 长时间饱和下快速脱湿 3

28、、 可以自动化焊接，包括波峰或水浸 4、 高可靠性与长时间稳定性 5、 专利的固态聚合物结构 6、 可用于线性电压或频率输出回路 7、 快速反应时间 HS1101 的简单物照图如图 2-15。 V MV (2. 4） RH P P T W V %100 相对湿度 (2. 5） - 7 - 图图 2-12-1：HS1101HS1101 实物照实物照 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 0.04pF/。可见其精度是较高的。其湿度电容响应曲线 如图 2-2： 200 190 180 170 电容电容 F

29、 图图 2-22-2：HS1101HS1101 湿度电容响应曲线湿度电容响应曲线 HS1101 的一些常用参数如表 2-1： 表表 2-12-1：HS1101HS1101 常用参数常用参数 参数符号参数值单位 工作温度Ta-40100 储存温度Tstg-40125 供电电压Vs10Vac 湿度范围RH0100%RH 焊接时间=260t10S 2.3 湿度测量电路湿度测量电路 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

30、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。 20 40 60 80 100 相对湿度相对湿度% - 8 - 2.3.1 NE555 时基电路时基电路 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：4.5V16V。N

31、E555 的框图如图 2-3 所示5。 cc V 图图 2-3：NE555 框图框图 - 9 - 2.3.2 基于基于 555 振荡电路的湿度测量电路设计振荡电路的湿度测量电路设计 图图 2-4：测湿电路图：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 2-4 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

32、3 脚输出为“1”；又由于 C1 两端电压为 0,故 通过 R2 和 R3 对 C1 充电,当 C1 两端电压达到 2/3 时,定时电路 cc V cc V 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/3 时,定时 cc V 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=0.7(R2+R3)C1；放电时间为 = h T 1 T 0.7R3*C

33、1； 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,即可求得环 境的湿度6。 - 10 - 第二章第二章 核心电路的设计核心电路的设计 3.1 ADC0809 模数转换器模数转换器 在单片机应用中，特别是在实时控制系统中，常常需要把外界连续变化的物理量（如 湿度、湿度、压力、流量） ，变成数字量送入计算机内进行加工处理。反之，也需要将计算 机输出的数字量转为连续变化的模拟量，用心控制调节

34、一些执行机构，实现对被控对象的 控制。这种由模拟量变为数字量，或由数字量转为模拟量的转换，通常叫做模/数，或数/ 模转换。用以实现这类转换的器件，叫做模/数（A/D）转换器或数/模（D/A）转换器7。 3.1.1 ADC0809 应用简介应用简介 ADC0809 具有 8 路模拟量输入，可在程序控制下对任意通道进行 A/D 转换，输出 8 位 二进制数字量。其主要性能有：逐次比较型；CMOS 工艺制造；单电源供电；无需外部进行 零点和满量度调整；可锁存三态输出，输出与 TTL 兼容；易与各种微控制器接口；具有锁 存控制的 8 路模拟开关；分辨率为 8 位；功耗为 15mW；转换时间（）为kHz

35、fCLK500 128；转换精度为 8。 s%4 . 0 ADC0809 的引脚图如图 3-1 所示。 图图 3-1：ADC0809 引脚图引脚图 3.1.2 测湿电路与单片机连接测湿电路与单片机连接 NE555 的输出端跟 ADC0809 的 IN0 通道相接，则 ADC0809 芯片的地址选通为 - 11 - ADDR0,ADDR1,ADDR2 都接地。ADC0809 的转换时钟由单片机的 ALE 提供。ADC0809 的典型转 换频率为 640kHz，ALE 信号频率与晶振频率有关，如果晶振频率取 12MHz，则 ALE 的频率 为 2MHz，所以 ADC0809 的时钟端 CLK 与单

36、片机的 ALE 端相接时，要考虑分频。8051 通过地 址线 P2.0 和读写控制线、来控制模拟输入通常地址锁存、启动和输出允许。测湿RDWR 电路与单片机的连接图如图 3-2 所示。 图图 3-2：测湿电路与单片机连接图：测湿电路与单片机连接图 3.1.3 湿度误差补偿插值法子程序湿度误差补偿插值法子程序 从 NE555 时基电路中输出的是一个模拟信号，ADC0809 的作用就是要把这个单片机不 能识别的模拟信号转换成一个可以读取的数字信号。这时所用到的计算机思想就是插值法 9。即当 ADC0809 的输入与输出特性为非线性时，可以用一个单调非线性函数 来 xfu 表示。将 x 的值分成几个

37、小段区间，每个区间的端点都对就一个输出，把这些、 k x k u k x 编成表格存储起来。实际的测量值一定会落在某个区间内，即 k u i x 1 , kk xx 。插值法的思想就是用一段简单的曲线近似代替这段区间的实际曲线，然后用 k x i x 1k x 近似曲线公式计算出。 xu 图 3-3 是对 ADC0809 的操作流程图。 - 12 - 开始 初始化 ADC0809（1） 发送 ADC0809（1）地 址 启动 ADC0809（1） 发送读 A/D 命 令 读 A/D 发送 ADC0809（2）地 址 启动 ADC0809（2） 发送读 A/D 命 令 读 A/D 图图 3-33

38、-3：ADC0809ADC0809 操作流程图操作流程图 3.2 单片机电路的设计单片机电路的设计 3.2.1MCS-51 单片机单片机 所谓的单片机就是把中央处理器 CPU、存储器 ROM/RAM、输入输出接口电路以及定时 器/计数器等部件制作在一块集成电路芯片中，构成一个完整的微型计算机单片微型计 算机。由于单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因此它的结构紧凑、超小型化、可 靠性高、价格低廉、易于开发应用。 MCS-51 单片机包括 8031、8051、8751 等很多型号，其代表型号为 8051。 3.2.2 AT89S51 单片机单片机 本课题所设计的系统的核心采用的是 AT89S5

39、1 单片机，它是一个低功耗、高性能的 CMOS8 位单片机，片内含有 4kBytesISP 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器， 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，芯片内集成了通用 8 位中央处理 - 13 - 器和 ISP Flash 存储单元。它具有以下特点：40 个引脚，4k Bytes Flash 片内程序存储器， 128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断 优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，看门狗 （WDT）电路，片内有时钟振

40、荡器。 HMOS 制造工艺的 MCS-51 单片机都采用 40 引脚的双列直插（DIP）方式，CHMOS 制造 工艺的 80C31/80C51 除采用 DIP 封装方式外，还采用 PLCC 方形的封装方式。图 3-4 是 AT89S51 的 PDIP 封装引脚图10。 图图 3-43-4：AT89S51AT89S51 的的 PDIPPDIP 封装封装 其中，有主电源引脚，外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2，控制引脚 ccss VV 和 、ALE/、，输入输出接口 P0P3。 STPD RV/PROGPSEN DD VEA/ 3.2.3 时钟晶振电路和复位电路时钟晶振电路和复位电路 AT8

41、9S51 单片机在实际应用中，时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部 各种各样的微小操作的时间基准，在此基础上，控制器按照指令的功能产生一系列在时间 上有一定次序的信号，这些信号用来控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。复位对 单片机来说，是程序还没开始执行，是在做准备工作。 - 14 - 本系统在设计上对复位电路设计成上电复位加手动复位。这样使用起来比较方便，就 算是在程序“跑飞”时，也可以手动复位，不用再重起单片机电源。其 Protel DXP 电路图 如图 3-511。 图图 3-53-5：AT89S51AT89S51 复位与晶振电路复位与晶振电路 3.3 总体电路系统总体电路

42、系统 3.3.1 LED 报警设计报警设计 本设计中，在 ST89S51 单片机的 P1.0 口外接一个 LED 二极管作为对湿度测控的报警 输出。当湿敏元件 HS1101 对室内的湿度检测时，达到某个值，就会在 P1.0 端口输出高电 平，使得 LED 发亮，以及时通知工作人员进行相关的操作。其电路原理图如图 3-6 所示。 - 15 - 图图 3-63-6：系统报警电路：系统报警电路 3.3.2 系统总设计系统总设计 基于 51 单片机的 HS1101 传感器湿度测控系统，主要由几个部分组成：传感器数据采 集电路，模数转换电路，LED 报警电路，单片机主板电路等。其程序流程图如图 3-7

43、所示。 - 16 - 开始 初始化 读湿度 湿度转换 湿度比较 图图 3-7：系统总流程图：系统总流程图 从流程图可以知道，本系统在设计过程中包括了几个子程序：读湿度子程序，湿度转 换子程序，计算湿度子程序，比较子程序。 本系统的部原理图如图 4-8 所示 下面对本次设计的总电路进行说明。 首先，AT89S51 单片机具有许多特点，其功能强大、I/O 接口多，但其内部的数据暂 存存储器的空间其实是比较小的，当用于多位的外围外接芯片时，会出现内部 RAM 使用不 足的状况。所以，在本系统设计中，考虑到目前只是计划应用于较小的机房中，监测点不 多，因此本文没有对片内 RAM 进行扩展或是改换单片机

44、的型号。在实际编程中实现本系统 的功能应该没有太大的障碍。 AT89S51 具有 4 个 I/O 接口，它们分别是 P0 口、P1 口、P2 口和 P3 口。本文进行设 计时只是用到了其中的部分接口，与本系统的其它部分进行连接，分别实现了不同的功能。 例如：P1.0 口通过电阻用于 LED 的外接；P2.0 和 P0 所有接口接 ADC0809 模数转换器等等。 8051 的 0INT 接口通过非门与 ADC0809 的 EOC 接口相接， RDWR和 通过两个或非门 跟 ADC0809 的 START、ALE 和 OE 相连，这样就可以使得 8051 可以通过读写控制线来控制输 入通道地址的

45、锁存、启动和输出允许。 NE555 电路中的参数选择为：R11K、R2499K、R3576K、R4909K。其中 R1 与 555 的频率输出引脚相连，起输出短路保护作用，防止输出电流过大。R4 是用作 555 定时 器内部温度补偿的，其应该具有 1%的精度。由于这里采用的是 Texas Instruments 生产的 NE555，所以根据微调 R4 和 R3 取值分别为 909K 和 576K。 - 17 - 图图 3-83-8：系统总原理图：系统总原理图 3.4 电路电路 PCB 版图设计版图设计 本设计所用到的电路图，是在 Protel DXP 2004 软件中进行画图的，Protel

46、DXP 2004 是目前新一代完整的板级设计工具，它是 Altium 公司 2004 年的最新产品。本原理图 在 Protel 中进行编译后，然后确定元件的封装没有问题，再进行网络表的制作。本设计的 PCB 版图是直接从生成的网络表直接载入的，载入元件封装后，再进行元件的布局。元件 的布局一般从以下几个方面考虑： 1.高频元件之间的连线要短，易受干扰的元件不能离得太近。 2.重量太大的元件要有支架固定。 3.易发热元件要远离热敏元件。 4.对于电位器、可调电感线圈、可变电容、微动开关等可调元件的布局要考虑整机 - 18 - 的结构要求。 5.预留出电路板的安装孔和支架的安装孔。 6.信号遵循从

47、左边进入、从右边输出，从上边输入、从下边输出。 本设计所用的 PCB 版图如图 3-9 所示： 图图 3-93-9：系统：系统 PCBPCB 版图版图 系统的 PCB 版图所用的是二层布线，用的是 Protel 自带的自动布线工具。用 Protel 软件里面的 3D 效果图工具可以得到下面的 3-10 图： - 19 - 图图 3-103-10：系统：系统 3D3D 效果图效果图 本设计的电路中所用到的元件的实物照片如下 3-11 所示： 晶振晶振 集成与非门集成与非门 ADC0809ADC0809 NE555NE555 AT89S51AT89S51 HS1101HS1101 图图 3-113

48、-11：系统所用元件的实物图：系统所用元件的实物图 - 20 - 第三章第三章 单片机与单片机与 PC 间的串行通讯间的串行通讯 4.1 RS-232-C 接口接口 计算机与计算机之间或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二 种方式。其中串行通讯基于它本身的使用线路少、成本低等多个优点而被广泛使用。RS- 2323-C 接口是目前最为常用的一种串行通讯接口。它是 1970 年由美国电子工业协会 （EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的 标准。RS-232 接口标准采用 25 个引脚的连接器 其电气特性是：逻辑“1” ，-5-15V；逻辑“0” ，+5+15V。噪声容限为 2V。其物 理特性有：传输线采用屏蔽双绞线，传输电缆的长度最大为 50 英尺。 RS-232-C 接口也有其不足的地方，主要有：接口的信号电平值较高，易损坏接口电 路的芯片；传输速率较低，在异步传输时，波特率为 20Kbps；接口的共地传输模式容易产 生共模干扰，所以抗噪声干扰性比较弱；传输距离有限等。 4.2 单片机和单片机和 PC 通信连接通信连接 PC 机作为上位机，它是对单片机进行各种各样的管理和控制的。本系统在实际设计 和编程过程中，对 AT89S5